金属化炉料的高炉低碳冶炼研究现状.pdf
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1、33)DOI:10.Sn1006-9356.202305893February20242024年2 月China Metallurgy中国冶金第3 4卷第2 期Vol.34,No.2,p9-20金属化炉料的高炉低碳冶炼研究现状蔡大为1.2,陈青月,潘建,朱德庆?,杨聪聪2(1.湖南钢铁集团有限公司战略部,湖南长沙410 0 0 4;22.中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙410 0 8摘要:高炉低碳冶炼是实现钢铁行业“碳达峰”“碳中和”目标的关键,金属化炉料高炉冶炼可提高高炉产量、降低高炉焦比和高炉CO2排放,是推动高炉节能降耗的有效措施。综述了国内外金属化炉料高炉冶炼在理论研究和应用方
2、面的现状,揭示了金属化炉料对高炉冶炼性能、热动力学、能耗和产量的影响,通过评估金属化炉料高炉冶炼对高炉生产成本与CO2排放的影响,对其进行经济性与生态性分析。高炉加入金属化炉料有利于降低吨铁成本,存在的限制因素有金属化炉料价格、天然气价格、炉料结构等,其具有较强的节能环保优势。最后分析了金属化炉料高炉冶炼未来的努力和发展方向。关键词:金属化炉料;直接还原铁;废钢;高炉;低碳冶炼;碳排放文献标志码:A文章编号:10 0 6-9356(2 0 2 4)0 2-0 0 0 9-12Research status of low carbon smelting formetallized burden
3、in blast furnaceCAI Daweil.2,CHEN Qingyue?,PA N Ji a n?,ZH U D e q i n g,Y A NG Co n g c o n g?(1.Strategy Department,Hunan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Changsha 410004,Hunan,China;2.School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)Abstract:Low-c
4、arbon smelting in blast furnace is the key pathway to achieve the carbon peaking and carbon neu-trality goals in iron and steel industry.Blast furnace smelting with metallized burden(MB)is an effective measureto promote energy saving and consumption reduction in blast furnace,which can reduce the co
5、ke ratio and COz emis-sion and increase the yield of blast furnace.The current status of MB blast furnace smelting in terms of theoreticalresearch and application at home and abroad is reviewed.The influence of MB on blast furnace smelting perform-ance,thermal dynamics,energy consumption and yield i
6、s revealed.By evaluating the impact of MB blast furnacesmelting on the production cost and COz emission of the blast furnace,the analysis of economy and ecology is carriedout.Adding MB to blast furnace is conducive to reducing the cost of ton iron.There are some limiting factors suchas MB price,natu
7、ral gas price,furnace burden structure,etc.,which have strong advantages in energy saving andenvironmental protection.Finally,the future development of MB blast furnace smelting and the direction of effortsarebrieflyanalyzed.Key words:metallized burden;direct reduction iron;steel scrap;blast furnace
8、;low-carbon smelting;CO,emission钢铁生产是一个能源消耗和二氧化碳(CO2)密集型排放的制造过程1,每生产1t粗钢将排放1859kgCO2,中国钢铁行业的CO2排放量居高不下,占全国碳排放总量的17%左右2-3。国内钢铁生产工艺可分为高炉-转炉长流程和电炉短流程,其中高炉-转炉长流程使用比例高达90%以上,能源结构以煤炭为主。基于钢铁产品的巨大需求和经济竞争力,在未来几十年长流程仍将保持主流地位。钢铁工业各工序中,高炉炼铁工序吨钢CO,排放量大,占钢铁生产全流程总量的7 3.6%,远超炼钢和烧结等工序4。以CO,为主的温室气体对人类的经济社会系统造成了巨大威胁,随
9、着“碳达峰”“碳中和”目标的提出,钢铁行业急需对CO2进行大幅度减排,而实施的强制性CO2减排措施“倒逼”钢铁企业发展低碳技术。常规高炉炼铁技术的节能减排效果已非常接近理论极限,因此,中国钢铁工业急需进行传统钢铁冶炼流程技术革新,大力发展创新低碳技术,其中高炉冶炼环节降碳减排是钢铁工业减少碳排放的关键5基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 17 432 9);中国宝武低碳冶金创新基金资助项目(BWLCF202216)作者简介:蔡大为(197 3一),男,博士,高级工程师;E-mail:pjcsucsu,;收稿日期:2 0 2 3-0 9-2 6通信作者:陈青月(1999一),女,硕士;E-
10、mail;中国冶金第3 4卷10金属化炉料成分较稳定,有害杂质含量较低,粒度较均匀,常应用于电炉或转炉炼钢、高炉或其他熔炼炉冶炼。用于电炉或转炉炼钢时,要求用铁品位较高(w(TFe)66.5%)的含铁原料生产直接还原铁(DRI),而这类高品质资源所占比例不到铁矿石市场供应量的5%,难以支撑中国气基还原-电炉炼钢工艺路线的完全转型。研究表明,在不改变现有工艺的情况下,向高炉添加一定比例的金属化炉料可以降低高炉能耗和减少CO2排放,是实现节能减排的低成本、快捷和有效的措施之一。2 0 世纪6 0年代起,美国、加拿大、苏联等国家开展过金属化炉料高炉炼铁的工业试验,试验证明其在技术上是可行的6 ,但初
11、期由于金属化炉料的商业供应十分有限,经济上不合理而导致其没有得到发展。近年来,直接还原技术的发展与高效率天然气转化法的应用7,为金属化炉料的生产提供了较低成本的还原气。尤其在国外富天然气地区,利用比例达95%以上的中低品位铁矿石来生产金属化炉料,以此提高高炉炉料的金属化程度,有利于促进高炉低碳冶炼。本文主要综述了国内外金属化炉料高炉冶炼的研究与应用现状,首先对金属化炉料概念进行定义与分类,并阐述了其性能特点;在此基础上,分类别详细阐述了直接还原铁(DRI)、热压块(HBI)、金属化球团、预还原烧结矿和废钢高炉冶炼在理论、模拟计算和工业应用方面的研究;此外,对金属化炉料高炉低碳冶炼进行经济性和生
12、态性分析;最后,对未来高炉中应用金属化炉料的情况进行展望,以期助力钢铁行业低碳冶炼。1金属化炉料分类、制备与性能特点金属化炉料包括金属化球团、废钢、直接还原铁(D RI)、热压块(HBI)、冷压块(CBI)、预还原烧结矿等8 。通常经过还原后,炉料中的部分或大部分铁氧化物已被还原转化为金属铁,其内部的铁多以金属铁或低阶铁氧化物的形式存在。金属化炉料的主要类型见表1,制备方法如图1所示91O表1金属化炉料的主要类型Table1Main type of metallized burden金属化炉料定义制备方法DRI铁氧化物被还原剂在低于其熔点的温度下还原成的金属铁产品HBIDRI在生产中处于热态时
13、挤压成型的产品直接还原,包括气基直接还原与煤基直接还原CBIDRI在生产中处于冷态时挤压成型的产品金属化球团氧化球团矿直接还原法得到的产品对废钢进行分类,再按照炼钢生产要求(国标GB/T生产钢铁过程中的钢铁废料(如切边、切头等)和使用后报废的废钢42232017)加工成相应规格的炉料,加工手段包括人工设备、构件中的钢铁材料分选、氧气切割、剪切、破碎和打包压块等预还原烧结矿在烧结过程中使铁矿石发生部分还原得到的产品在烧结机上将铁矿石制成块,用还原剂预先直接还原Midrex竖炉HYL-IlI/Energiron(a)(b)-HYI-I气基直接还原一一反应罐一-HYL-II-Firor-IronCa
14、rbide流化床一-Finmet预还原烧结矿矿预还原+造块直接还原一LCircoredFe/FeO高炉回转窑预还原剂焦炉隧道窑煤基直接还原,竖炉一转底炉(a)D RI/H BI/CBI/金属化球团制备方法;(b)预还原烧结矿制备方法图1金属化炉料的制备方法Fig.1Preparation method of metallized burdenDRI、H BI、C BI 等金属化炉料可通过直接还原工艺如气基直接还原工艺和煤基直接还原工艺制备得到12 。根据生产工艺的不同和来源不同,金属化炉料的物化特性存在较大差异。对于废钢而言,如蔡大为,等:属化炉料的高炉低碳冶炼研究现状第2 期11果不清洁、不
15、干净,其带人电炉炉内的杂质,特别是泥沙(主要含二氧化硅)和铁锈,在冶炼中将会增加渣量,减小回收率、降低炉渣碱度,并加剧对碱性炉墙的侵蚀,进而对电炉炉体寿命带来不利影响。如果废钢炉料少带入1%的泥沙夹杂物,就可相对少造1%的渣,从而节电4kWh/t。同样,炉料回收率每提高1%,可降低冶炼电耗4kWh/t。从整体工艺流程来考虑,高炉冶炼工艺相比电炉更完善,对废钢成分和等级要求较低,并且在高炉上料过程添加废钢,可以提高高炉生产率及降低燃料比。因此,系统了解金属化炉料的性能特点,包括化学成分、物理特性和冶金性能等,对高炉使用好金属化炉料至关重要。部分金属化炉料的性能见表2,其总体性能均较优异,作为优质
16、炉料应用于高炉冶炼过程有利于提升综合效益。表2 音部分金属化炉料性能1317 Table2Properties of partial metallized burden项目DRI/HBI(基于铁品位6 5.5%6 8.0%铁矿)CBI废钢预还原烧结矿w(TFe)/%86.193.58587655061w(MFe)/%81.087.982w(C)/%1.04.50.31.32.0w(S)/%0.0010.0300.040.0 50.05w(P)/%0.0050.0900.060.050.0 6w(SiO2+Al203)/%92927080金属化率/%909690967.955.7还原度/%929
17、280.696.9低温还原粉化指数(粒度小于3.15mm)/%1010251.1化学成分金属化炉料与还原前的炉料相比,具有TFe含量高、金属化率高、碳含量较高、杂质元素少和产品成分可控等特点。金属化炉料的TFe含量与原始铁品位及脉石总量有关,根据高炉生产经验,当高炉炉料铁品位每提高1个百分点时,高炉燃料比降低1.5%,生铁产量随之提高2.5%18 。通常情况下,TFe含量越高,脉石与其他杂质含量越低,金属化率越高,越有利于降低燃料比和提高产量,熔剂用量与渣量亦相应减少,使得热量消耗减少并有利于炉况顺行。金属化炉料的碳含量取决于金属化炉料的生产工艺及工艺条件,采用煤基直接还原工艺得到的产品碳质量
18、分数较低,一般为0.30%,采用气基直接还原工艺得到的产品碳质量分数可在1.0%4.5%范围内。此外,金属化炉料的有害元素普遍较低,可大幅减少硫、磷元素带入导致的钢材易热脆或冷脆现象191.2物理特性金属化炉料中DRI的气孔度较大,表观密度和堆密度较小,导热性和导电性高,但抗压强度较低,可能会阻碍炉料的渗透性2 0 ;废钢是钢铁材料的回收再生资源,来源与分类较多,可分为自循环废钢和外购废钢,通过废钢的用途、合金元素含量等进行分类,其纯度、密度与清洁度等均能满足高炉冶炼的要求,破碎料、钢筋头、铁屑等均可作为高炉使用的优质金属化炉料。在适当的废钢粒度下,还可以调节高炉料床的气孔率,抵消高喷煤比下发
19、生气孔减小、透气性变差的问题。当然,废钢添加及废钢粒度变化引起的料床透气性的变化,也会对高炉的煤气流和压力降产生一定影响。1.3冶金性能由表2 可知,DRI、H BI、CBI 的冶金性能优异、还原度高、低温还原粉化指数较低,可作为废钢的替代品。废钢本质为钢铁材料,在高炉内为加热熔化过程,研究表明废钢的熔点与强度高,可在高炉软熔带起到一定的骨架支撑作用2 1,无需巨大的还原耗热与较长的冶炼时间,冶金性能优异。目前关于预还原烧结矿的研究较少,相关试验研究表明,预还原中国冶金第3 4卷12烧结矿的低温还原粉化指数相比常规烧结矿得到明显改善。预还原烧结矿冶金性能整体优良,与未还原的烧结矿相比有所改善,
20、可在一定程度上降低高炉还原剂量17-2 1随着金属化炉料在高炉中使用比例的提高,高炉上部的煤气化学能利用率将降低,需要引起关注。2金属化炉料高炉低碳冶炼研究现状金属化炉料经过了预先还原或本身已是金属,且部分金属化炉料还含有一定的碳量,在高炉中冶炼只需部分还原或不需要还原,理论上可减少高炉所需的还原剂,提高铁水产量2 2 。金属化炉料作为炉料进行高炉冶炼可以提高人炉炉料铁品位,提高炉料的还原性能、低温还原粉化性能和高温熔滴性能;还原度高,可视为金属附加物,再次加人高炉后不存在低温还原粉化和热膨胀的问题,软熔性能优良,有较高的软化开始温度和较窄的软化区间,有利于减轻高炉对铁矿石还原的负担,从而达到
21、改善高炉内煤气的利用率、降低高炉冶炼所需的焦比和能耗的目的,有利于节能减排2 3。为了实现高炉的低碳冶炼,国内外学者采用实验室研究、数学计算与模拟优化、工业应用的方法对金属化炉料的高炉冶炼进行了研究,揭示了金属化炉料对高炉冶炼性能、热动力学、能耗和产量的影响,为高炉合理使用金属化炉料提供了理论依据与技术指导。2.1DRI、H BI、金属化球团与预还原烧结矿高炉冶炼研究与工业应用现状金属化炉料的比例、金属化率和原料铁品位是影响高炉冶炼的重要因素,过高或过低都有可能造成不利影响。DRI加入比例对高炉焦炭用量和生产率的影响如图2 所示2 3-2 4,随着炉料金属铁比例的增加,高炉的焦炭用量成比例减少
22、,生产率成比例增加。张旭孝、韩宏亮等2 5-2 6 研究指出,随着金属化球团比例的增加,炉料的软化开始温度升高,滴落温度下降,软化温度区间与熔滴温度区间均变窄,最大压差变小,综合炉料的软熔滴落性能变优;但金属化球团配加比例过高会减小焦比,从而使得高炉透气性变差,因此金属化球团配加比例在2 0%左右较为适宜。TOVAROVSKIYIG等2 7 采用高炉多区域数学模型,考虑在炉顶布料、煤气流分布、软熔带等高炉冶炼参数变化时,金属化炉料(烧结矿十球团矿十块矿)的金属化率(0%7 8.2%)对高炉冶炼、焦比的影响。当金属化炉料金属化率小于2 0%时,降低焦比最多;随着综合炉料金属化率的提高,直接还原所
23、需的热量和热流比减少,软熔带上移,区间扩大,炉顶布料对高炉冶炼的影响减弱。此外,郝志强等2 8 考察了金属化炉料的金属化率对富氧喷煤高炉冶炼过程的影响,结果表明炉料的金属化率在40%时,高炉不需富氧操作,能够比富氧喷煤达到更低的焦比;较低的炉料金属化率(0%2 0%)与富氧喷煤相结合,能够获得更大的喷煤比和更高的产量。高建军等2 9 研究指出,原料铁品位对金属化炉料高炉冶炼能耗影响较大,原料铁品位每增加5%,炉料的最佳金属化率升高约5%,高炉冶炼吨铁焦比降低约48 kg,不同原料铁品位的金属化炉料均有适合冶炼的最佳金属化率,以原料铁品位6 0%为例,金属化炉料最佳金属化率为7 5%左右。1.4
24、燃料消耗降低产量增加1.31.21.11.00.90.80.7010203040炉料中金属铁比例/%图2炉料金属化率对高炉焦炭用量和生产率的影响Fig.2Effect of burden metallization ratio on cokeconsumption and productivity of blast furnaceDRI、金属化球团和预还原烧结矿常配加传统炉料(烧结炉、球团矿、块矿)进行高炉冶炼,单一炉料的冶金性能与综合炉料的高炉冶炼过程无法完全匹配,因此有学者通过模拟高炉试验进行了综合炉料的交互作用行为研究。KAUSHIKP等30-31以DRI(金属化率95.5%)和HBI(
25、金属化率93.0%)与传统含铁炉料球团矿和块矿混合为综合炉料,研究了其整体高温性能影响及其对黏结区的影响。结果表明,DRI有逐渐均匀熔化的趋势,HBI有局部快速熔化的趋势。综合炉料的熔化取决于DRI的熔化,即当温度接近熔化开始温度时,DRI在综合炉料中占主导地位,综合炉料的熔化温度高于单一炉料的熔化温度,DRI中的金属铁相有利于提高熔化温度。陈衍彪32 通过火试验研究了典型炉料间交互作用行为,结果表明预还原烧结矿分别与复蔡大为,等化炉料的高炉低碳冶炼研究现状第2 期13合球团、块矿混合时,软熔行为以预还原烧结矿为主导,预还原烧结矿与块矿的交互作用比它与复合球团的交互作用更强烈,由此提高了软化温
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