从 70年代以来 ,世界直接还原铁产量和产能的增长平均每年都在 1 0 %上下 ,至 1 998年产量已达3 70 9万 t。据 Midrex公司预测 ,到 2 0 0 0年和 2 0 0 5年世界直接还原铁的产量将分别达到 5 5 0 0万 t和70 0 0万 t。而据 World Steel Dynamics杂志预测 ,到2 0 1 0年 ,DRI/HBI的产量将增长到 1 .2亿 t<1> 。自1 989年以来 ,世界直接还原铁产量的增长速度一直快于钢产量的增长速度 ,这表明 DRI已经成为炼钢生产的重要原料 ,直接还原铁生产的发展已成为世界钢铁工业发展的热点之一。转底炉煤基直接还原是最近 3 0年发展起来的炼铁新工艺 ,由于这一工艺无需燃料的制备和原料的深加工 ,且技术可靠、设备运行稳定 ,并对合理利用自然资源、保护人类环境有积极的作用 ,因而受到了冶金界的普遍关注。世界上首家采用转底炉工艺生产 DRI的 Dynamics法已于 1 999年 4月在美国投产 ,目前运行良好。北京科技大学冶金喷枪研究中心 ,针对我国煤炭资源和普通品位的铁矿石进行了大量研究 ,以发展我国的直接还原工业。现已成功地实现了用转底炉还原含碳球团得到“高炉型”金属化球团、粒状珠铁、直接还原精选铁粉以及高品位铁精矿直接还原铁压块等几种产品 ,这几种产品中的铁的金属化率均高达 85 %～ 99% ,达到了直接还原产品的质量要求<2 > 。1 试验条件1.1 原料我国的煤炭和铁矿资源虽然十分丰富 ,但从长远看却由于缺乏冶金焦、高品位铁矿石较少 ,而共生矿、中低品位铁矿的储量大、分布广、难于富选 ,直接影响着我国直接还原工艺的发展。根据我国的铁矿和煤炭资源的现状 ,选择几种在国内有代表性的赤铁矿和磁铁矿作为试验的基本含铁原料 ,按不同比例混入烟煤、无烟煤 ,并配以脱硫用的生石灰 ,经充分混匀后造球 ,含碳球团的粒径为 8～ 1 5 mm。试验所用原燃料化学成分见表 1、2。表 1 试验所用的原料化学成分Table1 Chem ical composition of raw materials %矿种 TF e Si O2 Ca O S备注精矿 A 65 .5 48.44镜铁矿精矿 B 66.40 2 .692 .0 9精矿 C 5 9.796.81红矿 D 36.2 2 35 .5 1红矿 E15 3.2 914 .82 1.190 .0 5 2红矿 E2 5 7.7813.62 0 .0 5 2 <1mm生石灰 3.0 983.73表 2 试验所用的燃料化学成分Table2 Chemical composition of fuel %Wf Af Vf Cf GD S烟煤 12 .769.2 133.62 5 4.410 .84烟煤 2 3.2 79.782 9.665 7.30 0 .41无烟煤 13.35 16.32 7.30 73.0 30 .2 8无烟煤 2 3.3819.779.62 5 67.2 2 5 0 .5 4 注 :Wf、Af、Vf、Cf GD分别为煤中水分、灰分、挥发分产率、固定碳。为使矿粉充分接触、还原反应进行完全 ,将所有原燃料均粉碎至 0 .1 47mm以下。1 .2 设备为真实准确地模拟转底炉直接还原和产品分离的生产条件 ,在实验室设计购置了以下主要试验设备 :(1 )圆盘造球机 ,6 5 0 mm,0～ 6 0 r/ min;(2 )三段箱式焙烧电炉 ,90 0 mm× 40 0 mm×5 0 0 mm;(3 )棒磨机 ,3 5 0 mm× 5 0 0 mm;(4) XCRS- 74型鼓形湿法弱磁选机 ,40 0 mm× 3 0 0 mm。1 .3 工艺流程从理论上讲 ,转底炉工艺适用于处理多种铁矿石和含铁废料 ,其生产、试验设备的选择也可根据原理和方案的不同而进行单独设计。根据未来实际生产可能的要求和条件 ,设计了适于处理普通品位铁矿的转底炉直接还原工艺流程 ,如图 1所示。而“高炉型”金属化球团只需由用于高炉的普通精矿造球后、经高温还原即可使用。含碳球 团珠铁产品筛分破碎破碎磁选含铁渣铁粉尾砂粒状珠铁废渣冷却还原、焙烧混合、造球铁矿煤石灰图1 转底炉直接还原新工艺试验流程图Fig.1 Experim ental flow chart of new process forRHF direct reduction2 试验结果将铁矿粉、烟煤、无烟煤和生石灰按照不同的设计方案配料 ,制成含碳球团 ,铺放于 1 5 0 mm× 1 5 0mm的容器中 ,根据矿物特性和对后续处理的要求 ,尽可能在还原阶段根据不同的原料生成已经渣铁分离的粒状珠铁、易于破碎的含碳球团或强度很好的金属化球团。为此设计了在工业生产中能够实现的几种还原焙烧、冷却及分离方案 ,还原的时间和温度可以表征转底炉的生产情况。2 .1 金属化球团将用普通精矿制成的含碳球团在 1 3 0 0～ 1 3 5 0℃下还原 1 5～ 2 5 min,粒层保持约 3 0 mm,得到金属化率基本在 80 %～ 90 %、强度较高、可根据后续工序的要求运输或堆放、适合于熔分处理的“高炉型”金属化球团 (表 3 )。2 .2 粒状珠铁试验时 ,保持 2 0～ 5 0 mm的料层 ,含碳球团在箱式电炉中分三段 (1 2 0 0℃、1 3 5 0℃、1 2 5 0℃ )还原焙烧 1 5～ 5 0 min。还原后经水淬得到的粒状珠铁基本上在 2～ 1 0 mm之间 ,后续处理简单 ,很容易筛分富集 ,可以挤压或粘结后进电炉。试验得到的珠铁由于矿种的不同而形状各异 ,外部颜色也由于冷却方式的不同而有变化。经初步筛分后 ,粒度大于 0 .5mm的珠铁回收率及化学成分见表 4。表 3 “高炉型”金属化球团的化学分析结果Table3 Chem ical com position of metallized pellets for BF %种类 TFe MFe Si O2 Ca O S P Ct 金属化率精矿 A 69.30 62 .32 9.7810 .0 5 0 .10 2 4.5 389.93精矿 B 69.4660 .42 6.0 87.2 80 .12 40 .0 2 65 .47 86.99精矿 C 63.60 5 2 .30 11.5 0 9.680 .15 0 82 .2 3红矿 E15 8.814 6.2 5 16.2 2 8.490 .19378.64表 4 珠铁产品的化学分析结果Table 4 Chem ical composition of pearl iron %种类 TFe MFe S Ct 金属化率回收率( >0 .5 mm)精矿 A 96.3894.480 .0 712 .3698.0 383.63精矿 B 95 .92 93.5 40 .0 841.8897.5 2 82 .36红矿 E193.70 87.880 .2 80 1.0 493.7962 .39红矿 E2 88.4984.95 0 .2 60 2 .3996.0 0 64 .122 .3 还原铁粉在高温 1 3 0 0℃、料层 40～ 5 0 mm时还原焙烧2 5～ 40 min,得到较为疏松易碎的金属化球团。此时 ,球团内部的金属铁和渣的存在状态已发生了很大变化 ,很容易将它们磁选分离 ,铁粉同样可以粘结或压块处理。红矿 E1的含碳球团还原后磁选结果见表 5。表 5 含碳球团还原后磁选产品的化学分析结果Table5 Chemical composition of concentrating and separating products by reduced iron pellets %种类 TFe MFe S P Ct 金属化率铁分回收率含碳球团 66.7864 .0 10 .15 0 95 .85精选铁粉 86.0 685 .97 0 .0 5 60 .0 397.32 99.9470 .8中间含铁渣 76.8170 .47 0 .0 9991.75 2 5 .3尾砂 4.32 0 .2 70 3.9 磁选制度为还原得到的成品球经破碎、筛分、棒磨至 2 mm以下 ,在磁选机中先进行磁分试验 ,中磁选 (3 .5 A,约 1 .54π A/m)得到尾砂和中间产品 ,再将中间产品进行中弱磁选 (2 .0 A,约 0 .54πA/m) ,最终得到品位不同的精选铁粉、中间含铁渣 (或中间含渣铁 )、尾砂。2 .4 其他转底炉还原还可以采取煤、矿分层铺料的方式(本实验均为 1 3 0 0℃、6 0 min,煤中无石灰 ) ,得到指标较好的饼状金属铁 ;煤已灰化 ,只需筛分处理即可。但这种方法受到原料品位的限制 ,矿层还原后渣、铁一体 ,产品的杂质含量偏高。试验表明 ,该产品的粒度很大 ,适于压块保存 ,以便下一步送电炉熔分 ;这种压块的全铁量可达 90 %～ 95 % ,金属回收率接近 1 0 0 %。但因还原过程中的传热问题尚未得到很好地解决 ,金属化率仅能达到 80 %左右。试验数据见表 6。表 6 分层铺矿还原结果Table 6 Chem ical com position of DRI imitating comet process %种类 TF e MFe S 金属化率试验条件精矿 A(上层 ) 72 .2 7 45 .30 0 .0 85 62 .68精矿 A(下层 ) 36.69三层煤 ( 5 mm)夹二层精矿 ( 10 mm)精矿 B 74.32 5 7.97 0 .12 78.0 0
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