隧道窑生产直接还原铁工艺研究

２０１０年第３期　２０１０年７月　隧道窑生产直接还原铁工艺研究　赵红全　（技术中心）　摘要昆铜隧道窑生产的直接还原铁存在产品质量不稳定的问题，影响了转炉应用隧道窑直接还原铁的工　业性试验。经过试验研究，针对直接还原铁的金属化率和ｓ含量的波动问题，提出了适宜的工艺参数和改善　直接还原铁质量的措施。　关键词隧道窑直接还原铁金属化率还原剂　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ＤＲＩ　ｂｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｋｉｌｎ　Ｚｈａｏ　Ｈｏｎｇ－ｑｕａｎ　（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｓｔａｂｌｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ＤＲＩ　ｅｆｆｅｃｔｅｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ＤＲＩ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ，ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ＤＲ１　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ａｎｄ［Ｓ］ｏｆ　ＤＲＩ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　ｔｕｎｎｅｌ　ｋｉｌｎ；ＤＲＩ；ｒｅｄｕｃｅｒ　１前言　我国是一个废钢利用大国，废钢的需求远大于　市场供给，大量废钢需要从国外进口。直接还原铁　替代废钢是缓解炼钢过程中废钢供应紧张的有效方　法。昆钢建有隧道窑直接还原铁生产线，并致力于　开展转炉使用隧道窑直接还原铁的工业性试验，并　２试验研究内容和方法　目前国内在用的生产直接还原铁的隧道窑机　械化程度较低，大多数还用手工操作，辅以部分　机械设备。本次试验研究用隧道窑生产线为：　窑长１　Ｏ０～１　３Ｏｍ，窑内宽２．１　ｍ，高１．５ｍ；还原　罐：　２５０ｍｍ×４８０ｍｍ；原料压块：　１５０ｍｍ×　取得一定的成效。但隧道窑生产的直接还原铁始终　存在直接还原铁质量不稳定的问题，其中主要是金　属化率和含硫量的波动过大，直接影响到炼钢对直　接还原铁的使用。为了解决隧道窑工艺生产直接还　２００ｍｍ。采用煤粉作还原剂，煤气（高炉煤气、发　生炉煤气）作热源，装载机对原料进行配料和混　料，成型机压块，人工装卸料。　所进行的试验研究内容和方法为：　原铁质量不稳定的问题，昆钢对还原剂质量、还原　温度、还原时间的变化进行了试验研究，提出隧道　窑生产直接还原铁适宜的工艺参数和改善直接还原　铁质量的措施。　１）试验煤粉（还原剂）的固定碳（Ｃ　）和Ｓ的　含量对还原铁金属化率（Ｍ）和ｓ的含量的影响，以　确定使用的还原剂质量要求。　２）用马弗炉作加热设备，以固定的加热时间、　・６・　昆钢科技　２０１０年第３期　不同的加热温度，试验研究加热温度对还原铁金属　３试验结果及讨论　化率（Ｍ）的影响。　３）在隧道窑直接还原铁生产线上以适宜的加热　３．１还原剂质量对直接还原铁Ｍ￣ＩＩＳ的影响　温度，不同的加热时问，试验研究还原时问对直接　试验过程中采用煤粉作还原剂，判断还原剂质量　还原铁金属化率（Ｍ）的影响。　的主要指标是固定碳（ｃ固）和ｓ的含量。工业试验分　４）试验研究对还原铁ｓ的含量有影响的其它因　别使用两组质量不等的还原剂进行了为期一个月的对　素。　比试验，得出试验结果见表１。　表１还原剂质量对直接还原铁Ｍ和Ｓ的影响　％　Ｔａｂｌｅ　１　Ｅｆｆｅｃｔｉｏｎ　Ｍ　ａｎｄ　Ｓ　ｏｆ　ＤＲＩ　ｏｎ　Ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｒｅｄｕｃｅｒ　从表１可以看出，１）当还原剂的Ｃ固≤７２％，ｓ　通过试验得出：隧道窑生产直接还原铁用煤粉　含量为≥０．８％时，直接还原铁的Ｍ、Ｓ均未达到国家　还原剂必须达到ｃ固≥７５％，Ｓ＜０．８％的质量要求。　标准要求的质量要求；２）当还原剂的ｃ固≥７５％，ｓ　同时还原剂的配比也要加于控制，以能满足铁矿粉　含量为＜０．８％时，直接还原铁的Ｍ、ｓ大幅改善，达　还原需要为准，以免带入更多ｓ含量，本试验还原剂　到标准质量要求。　配比为３～５％，同时也注意到，由于还原剂中的Ｓ一　隧道窑生产直接还原铁是在还原罐内进行的，　般都比铁矿粉的高，内配还原剂势必带人ｓ，因此还　还原罐内的铁矿粉、煤粉、石灰粉（或石灰石粉）　原剂煤粉的含ｓ要求越低越好，建议还原剂煤粉中ｓ　是按一定的比例和装料方法进行控制。这一比例和　＜０．３％为好。　装料方法是根据还原反应过程中的Ｃ、０比例，以及　３＿２还原温度对直接还原铁Ｍ的影响　产品对ｓ的要求。还原剂ｃ低势必造成原料中０的过　适宜的还原温度可以提高还原速度，提高生产　剩，还原不彻底，影响直接还原铁Ｍ。　率。通常认为隧道窑生产直接还原铁适宜的还原温　石灰粉是作为脱硫剂按一定比例混入还原剂　度是１　１５０％～１　１８０　ｏＣ。为了验证这一结论并摸索　中，生产用还原剂的ｓ远远高于原料中的ｓ，石灰粉　适宜的还原温度，在实验室里，用马弗炉作加热设　主要作用是利用ＣａＯ与还原剂中的ｓ反应生成ＣａＳ，避　备，用同一批铁矿原料和还原剂在不同温度情况　免还原剂中的Ｓ进入直接还原铁。如果还原剂中的ｓ　下进行了相同时间（试验过程中还原时间定为１７／Ｊ￣　过高，使Ｃａ０与ｓ失衡，过剩的ｓ进入直接还原铁，造　时）的模拟试验，试验结果见表２。　成直接还原铁ｓ高。　表２还原温度对直接还原铁Ｍ的影响　Ｔａｂｌｅ　２　Ｅｆｆｅｃｔｉｏｎ　Ｍ　ｏｆ　ＤＲＩ　ｏｎ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｒｅｄｕｃｅｒ　２０１０年第３期　赵红全：隧道窑生产直接还原铁工艺研究　・７‘　从表２可以看出，随着温度的升高，直接还原铁　３．３还原时间对直接还原铁Ｍ的影响　Ｍ逐渐升高，即物料发生直接还原反应的速度加快；　在９００～ｌ　１００￣Ｃ之间，直接还原反应的速度上升缓　慢，到１　１５０￣Ｃ时，直接还原反应的速度大幅上升，　实验室试验中，在１　１５０℃温度下用１７小时的　还原时间，获得了Ｍ为８２．６３％的直接还原铁。为了　达到最佳的直接还原效果，在隧道窑工业试验中用　１　１５０℃～１　１８０℃的加热还原温度，还原时间分别为　２３、２５、２７、３０ｄｘ时进行试验。同时选择了１　０５０℃　～表明隧道窑生产直接还原铁选择还原温度１　１５０￣Ｃ～　１　１８０￣Ｃ是适宜的。但试验中在１　１５０￣Ｃ￣Ｉ热条件下金　属化率达不到要求，这是加热反应时间还不够的原　因。在工业生产中一般还原温度在１　１５０℃～１　１８０℃　时，还原时间需３０ｄｘ时，才能达到直接还原效果。　１　１２０℃加热还原温度，３２、３５、３８、４Ｏ小时的加　热还原时间进行对比。实验结果见表３。　表３还原时间对直接还原铁Ｍ的影响　Ｔａｂｌｅ　３　ＥｆｌｅｅｔｉＯｈ　Ｍ　ｏｆＤＲＩ　Ｏｎ　Ｔｉｍｅ　ｏｆＲｅｄｕｃｅｒ　众所周知，物质之间的化学反应速度与反应温　效果较理想，不同的还原时间，可以得到不同品质　的直接还原铁。　度和压力及时间有关。一般来说，反应温度高、压　力大，反应速度就快；时间越长，反应越完全。但　是经营性生产需要的是高效、经济，适宜的还原温　度和还原时间，可以降低消耗和提高生产效率，　从而获取较好的经济效益。在隧道窑生产直接还　还原温度降低到１　０５０℃时。也可以生产相当品　质的直接还原铁，但要采取延长还原时间方法来弥　补还原温度的欠缺。　３．４影响直接还原铁Ｓ含量波动的因素　原铁工艺中，热的传递方式主要是“传导”，这种　隧道窑生产直接还原铁过程中，铁原料中的硫　几乎全部残留产品中，很难通过采取措施脱出原料　中存在的硫。直接还原铁的硫含量与铁原料、还原　剂、煤气的含硫量有直接关系，铁原料含硫高，产　品含硫就高；还原剂含硫高，产品的含硫也高；煤　气含硫高，还原过程中，由于物料收缩导致还原罐　传热速度较“对流”、“辐射”慢。铁矿粉的还　原反应必须在一定的温度条件下进行，铁矿粉中　Ｆｅ：Ｏ　（Ｆｅ　Ｏ　）与还原剂中ｃ的反应是少量的，因　为铁矿粉与还原剂的直接接触面有限，大多数都是　Ｆｅ：０　（Ｆｅ，Ｏ　）与ＣＯ的反应。ＣＯ的生成又是靠Ｆｅ　Ｏ　（Ｆｅ　Ｏ　）与ｃ（ＣＯ　与Ｃ）的反应，依此逐级的反　应、扩散，直接还原的反应速度势必很慢。　用隧道窑生产直接还原铁，还原温度为１　１５０％　时，需要较长还原时间才能取得较好的还原效果，　顶部的还原铁裸露也会使还原铁含硫升高。　在隧道窑生产直接还原铁过程中，最上面一个　还原罐的表面常常会因为物料收缩导致还原铁裸　露，与煤气直接接触。煤气发生炉生产的煤气未通　过脱ｓ处理，含ｓ较高，煤气与直接还原铁接触时，ｓ　会进入直接还原铁（称之为“回硫”），导致直接　从表３可以看出，随着还原时间的增加，直接还原铁　Ｍ随之增加，时间达Ｎ３０Ａ＇Ｈ￣时，铁矿石直接还原的　昆钢科技　２０１０年第３期　还原铁含ｓ升高。　将一块用相同原料生产的直接还原铁成品裸露　放置在台车最上层罐内的上面，下面一块按常规生　产方式加人还原剂、铁原料，试验结果见表４。　％　表４煤气对还原铁含Ｓ的影响　Ｔａｂｌｅ　５　Ｅｆｆｅｃｔｉｏｎ　Ｓ　ｏｆＤＲ／ｏｎ　Ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｇａｓ　从表中可以看出：裸露还原铁的含ｓ比常规还原　升，表明隧道窑生产直接还原铁选择还原温度　１　１５０ｏＣ～１　１８０。Ｃ是适宜的。　铁高０．０５７个百分点，证实了“回硫”现象的存在。　３）隧道窑生产直接还原铁的还原温度为　４生产工艺和效果　通过试验研究，总结提出了以下生产工艺：　１　１５０℃～１　１　８０℃时，随着还原时间的增加，直接　还原铁Ｍ随之增加，时间达到３０小时时，铁矿石直接　还原的效果较理想，不同的还原时间，可以得到不　同品质的直接还原铁。　选用优质煤粉和石灰作为配料与铁矿粉充分混　匀，成型压块装罐后，罐口部用还原剂煤粉盖实，　进入隧道窑还原。还原温度为１　１５０℃～１　１８０％，还　原时间３０小时。　还原温度低于ｌ　１５０℃时，也可以生产相当品质　的直接还原铁，但要采取延长还原时间方法来弥补　还原温度的欠缺。　通过稳定１＝艺生产，使直接还原铁的质量得到　了稳定，为昆钢开展转炉使用隧道窑直接还原铁的　工业性试验提供了合格的原料。　４）为避免生产过程中的“回硫”现象，还原罐　顶部应适当多加点还原剂，减少还原铁裸露。　参考文献：　５　结语　［１］秦民生，非高炉炼铁［Ｍ１，北京：中国金属学会　１）隧道窑生产直接还原铁的还原剂固定碳含　《冶金继续工程教育丛书》，１９８８．１２　［２］梁文阁，我国煤基隧道窑直接还原铁生产现状　及发展ｆＭ］，１９９８．１２　≥７５％，还原剂的ｓ含量＜０．８０％。期望值是ｓ含量　＜０．３０％　２）在９００～１　１５０￣（２之间，随着温度的升高，直　接还原铁Ｍ逐渐升高，即物料发生直接还原反应的速　度加快；到１　１５０￣Ｃ时，直接还原反应的速度大幅上　［３］闫启平，２００９年中国国际直接还原铁市场研讨　会交流集ＩＭ】，２００９．７