非高炉炼铁技术是世界冶金发展的重大课题之一,对炼铁节能减排、实现生产过程环境友好、降低炼铁对主焦煤的依赖度有重大意义。但是近10年来,世界直接还原铁产量一直维持小幅度增长态势,中国直接还原铁产量一直占全国铁产量的0.1%左右,总体进展不大。
其主要原因是,铁的直接还原在理论上没有取得新的重大进展;铁矿石质量不断下降,特别是铁品位的下降幅度大,满足不了直接还原铁生产对原料质量的需求;目前炼铁原燃料价格高,使直接还原生产的经济性不理想。
目前,直接还原铁生产发达的国家和地区(如伊朗、印度、阿联酋、沙特、墨西哥、委内瑞拉等)是具有特殊条件的,如铁矿资源好、有丰富低价的天然气等。2012年世界气基竖炉直接还原装置的产量占全部直接还原铁产量的77%,居主导地位。近3年来新投产的气基竖炉直接还原装置几乎全部用天然气作为还原剂。美国、日本、欧洲等国家和地区由于不具备生产直接还原铁的优良条件,并没有过度追求发展直接还原铁,这是理智的表现。笔者认为,我国也缺乏生产直接还原铁所需的良好条件,我们应理性地对待这个问题,特别要注意其经济性。但是,我国应充分关注这个领域的技术发展动向,进行深入研究分析,及时促进我国直接还原铁生产的发展,优化钢铁生产流程。
直接还原铁生产的原料质量要求
直接还原铁是电炉炼钢的好原料,对其质量要求很高(化学成分和物理性能)。我国有具体的产品质量标准《炼钢用直接还原铁标准(YB/T4170-2008)》,将含铁量、硫含量、酸性脉石含量、金属化率、堆比重、粒度分为4个等级,对每个等级都有具体要求,还对产品质量均匀性、稳定性有要求。
化学成分。
直接还原铁的质量要求:H88级含铁品位88%~ 直接还原铁所用原料含铁品位要求:赤铁矿>66.5%,磁铁矿>
67.5%,脉石(SiO2+Al2O3)含量最低等级 我国选矿技术先进,可以将低品位矿石进行特殊处理,达到直接还原铁生产质量的要求,但经济上要和矿石的金属收得率进行深入的技术经济研究。
直接还原铁的金属化率每提高1%,电炉可以节约电耗8kWh/t~10kWh/t。直接还原铁含量要求:C 转底炉生产工艺的缺陷,造成其产品质量(金属化率低、含FeO高)满足不了电炉的需求,只能供给高炉用。
物理性能。
直接还原铁以球团矿为原料,要求粒度在5mm~20mm。隧道窑工艺生产的还原铁产品大多数呈瓦片状或棒状,长度为250mm~380mm,堆密度为1.7t/m3~2.0t/m3。
生产过程中产生的3mm~5mm磁性粉料,必须进行压块,才能用于炼钢。
产品强度一般>
500N/cm2。
高品位铁精矿主要分为两类:一是指铁品位大于69.5%、二氧化硅及其他杂质含量小于2.5%的磁铁精矿,主要用于生产海绵铁;二是指铁品位大于71.5%、二氧化硅及其他杂质(酸不溶物)含量小于0.2%~0.3%的磁铁精矿,主要用于粉末冶金、磁性材料等领域。
高品位铁精粉的标准和生产技术。
目前,我国尚没有统一的高品位磁铁矿精矿质量标准。高品位铁精矿的用途不同,其要求铁的品位不同,而且对主要杂质(二氧化硅或酸不溶物)含量要求也不同。
天然铁矿石中只有磁铁矿和赤铁矿(包括镜铁矿)能用于制备高品位铁精矿。在生产高品位铁精矿的过程中,须根据精矿中脉石矿物的种类、嵌布类形和粒度以及与铁矿物的共生关系确定选矿工艺与方法。主要的生产工艺方法包括浮选、磁选、反浮选、磁选?浮选联合工艺等。
我国铁矿资源的特点是含铁品位低,含有害杂质多,难选,矿物类型复杂。进行高品位选矿时,经济性和金属收得率要有个合理的取值。
对熔融还原技术经济的评价
目前,工业化生产的熔融还原装置有COREX、FINEX、MIDREX、HYL-Ⅲ等。它们的生产工艺技术尚存在不同程度的问题,主要是能耗和生产成本竞争不过高炉流程。其主要原因是:
高炉炼铁是由热风炉提供了炼铁所需的19%左右的热量,而热风是由约45%的高炉煤气燃烧获得的,是廉价的。熔融还原装置没有热风炉装置,也不能用热风,而是用氧气(不能加热)。因此,熔融还原装置在能源利用上竞争不过高炉流程。
高炉炼铁的铁矿石有45%以上是间接还原的,铁矿石间接还原是放热反应,不需要热量。熔融还原装置是铁矿石进行大量的直接还原反应,直接还原是吸热反应。因此,熔融还原装置在消耗能量上比高炉流程多。
高炉炼铁对铁矿石质量要求是宽松的,特别是含铁品位可高可低,对杂质的含量和性能要求比熔融还原装置对原料质量的要求低得多。熔融还原装置对原料质量要求较高。如FINEX要求入炉料含铁品位为61%,煤的灰分在6%~8%,燃料消耗710kg/thm(远大于高炉500kg/t的燃料比),这对采购和冶炼成本影响是很大的。因此,熔融还原装置在生产成本上竞争不过高炉流程。
熔融还原装置设备比高炉使用寿命短,材质要求高。熔融还原装置使用氧气进行冶炼,炉内温度很高(可达3000℃),必然对耐火材料和设备质量要求高,使投资升高,而且炉衬寿命短,造成运行费用升高。如FINEX要每8个月定修一次,需18小时,风口寿命为2个~3个月,使设备作业率下降、成本升高,而且炼钢作业也受到很大影响。
综上所述,笔者认为,我国再建设熔融还原装置须慎重,应避免在经济上蒙受损失。
对海绵铁生产的评价
海绵铁生产过程是固态反应,产品是冷态,其生产能耗比高炉的热铁水低(理论上要低180kgce/t左右)是正常现象。如果加上固态铁的熔化热,直接还原炼铁就竞争不过高炉炼铁了。就能源利用效率而言,高炉流程是个很好的装置:矿石从上部下降,热风从底部上升,矿石得到充分加热,以最大比表面积进行还原,是个理想的逆向反应器。从矿石还原到热铁水,高炉工艺的能耗是最低的。但用电炉短流程(使用海绵铁)生产钢材,没有烧结、球团、焦化工序,比用高炉长流程有明显的优势。
生产海绵铁的技术是成熟的,对精矿粉、燃料的质量要求较高,特别是生产成本高,制约了我国海绵铁生产的进一步发展。
用转底炉生产的海绵铁质量达不到电炉的要求,是其工艺装备存在的致命缺陷,有些是无法克服的。例如,球团是平铺在底面,气流只能通过上层,对球团贴在炉底那面加热和还原都不可能全面、彻底,使得产品的金属化率低(一般在60%~80%)、能耗高(热效率最高50%)。球团铺一层,靠炉底转动实现炉料运动,与竖炉相比,其产量和生产效率低。笔者认为,用转底炉处理含铁尘泥(含有害杂质高的尘泥)是有效的,但将它作为大规模钢铁生产装备并不合适,将出现生产成本高、投资高、产品质量满足不了电炉炉料要求的情况。
回转窑法生产直接还原铁技术成熟,在资源适宜、中小规模需求条件下是可供选择的方法。但其对原燃料的要求苛刻,单位产能投资高,运行费用和能耗高,生产运行稳定的难度大,生产规模难以扩大(最大15万吨/年?座),难以成为我国直接还原铁发展的主体工艺,发展受阻。
用煤制气或用焦炉煤气为还原气、以竖炉为反应器生产直接还原铁的技术引起了人们的特别关注,成为一个技术发展方向。煤制气虽然技术过关,但是投资高、运行成本高,在生产直接还原铁的应用中受到制约。用于直接还原铁生产的煤制气技术,还没有一个工业案例。
达涅利公司在推广阿联酋ESI的ENERGIRON直接还原炼铁技术(可用焦炉煤气,也不必再去重整),是个先进成熟的技术工艺装备,经济性也较好(只是引进费用高),已有许多工业案例,是直接还原技术的亮点,值得我们认真分析研究,加大关注力度。
就低品位直接还原铁的金属铁与炉渣的分离而言,在固态还原条件下,一方面还原的金属铁颗粒比较细小,活性高,容易二次氧化,同时铁与渣还难以分离,造成分离困难,须要深度球磨(磨细到-200目,甚至-300目或-400目);另一方面易造成细微铁粒的二次氧化,最终体现为产品质量差(金属化率低、含FeO高),得不到铁含量高的海绵铁,同时铁的收得率偏低。
含铁品位低的直接还原铁(球团),直接通过高温熔分,一方面,渣量大,熔化物理热高,需要更多的能量,导致吨铁能耗过高、成本升高;另一方面,渣量大且存在还原不充分的FeO,使炉衬容易受损,设备寿命受影响。
这说明上述两种分离渣铁的方法都不是经济的。目前转底炉生产得到的一定金属化率的球团,只能作为转炉炼钢冷却用的冷却剂,或少量加入高炉内使用。
笔者认为,现在有些钢铁生产流程的设计是用矿石生产海绵铁(低品位),再对直接还原铁的渣铁进行物理分离,认为可将分离的铁再进行冶炼,这条技术路线可能走不通。