1、中国冶炼设备门户 免烧结高炉炼铁节能环保新技术生熟料混装高炉炼铁法专利技术刘玉琦1. 前言 .12理论探讨 13生产 概况 54生熟料混装高炉炼铁法主要特点 65技术措施 76结论 8摘要：介绍免烧结高炉炼铁节能环保新技术。它将铁精矿的造块工序，由传统的冶炼高炉外氧化烧结造块移至高炉内进行还原烧结造块，接着炼铁，一次完成炼铁的全过程，从而取消了铁精矿造块的重复加热过程，由此带来了较好的经济效益和社会效益，是炼铁生产工序的一次重大改革。关键词：高炉，氧化烧结，还原烧结，抗压热强度，透气性1. 前言传统高炉炼铁法，高炉炼铁前铁精矿的造块是在高炉外经氧化烧结造块制成烧结矿或球团矿，经整粒后，再入高炉
2、炼铁。生熟料混装高炉炼铁法，取消了传统铁精矿造块工序中的烧结工序，将铁精矿制成生散状料或生球团矿直接入高炉内，经还原烧结造块，高炉内上部为烧结带，下部为炼铁带。烧结和炼铁同时在高炉内进行，简化了高炉生产工序。因此，该炼铁技术是将一般的炼铁技术与烧结技术相融合的新技术。实践证明，应用该项技术，生产中高炉炉况稳定顺行。获得了较好的经济效益和社会效益。与现有技术相比，采用生料炼铁方案，吨铁可节省工序能耗 150kg/t 左右标准煤，降低生铁成本 200 元/吨左右，并可节省烧结厂建厂的基建投资，无返矿，无污染，是炼铁生产工序的一次重大改革，是一项经济实用的专利技术。2理论探讨生熟料混装高炉炼铁法取消
3、了传统的高炉外铁精矿造块工艺中的烧结工序。铁精矿、富矿粉等含铁粉料和其它辅助性原料加水经混匀、造球等工序，制成生散状料（类似于传统铁精矿造块工艺中的烧结料）或生球团矿，不必经过高炉外烧结造块，直接送入高炉炼铁。由于干燥、烧结和炼铁在高炉内均匀的还原气氛中平稳地连续进行，从而提高了高炉内料柱的热强度，改善了料柱的透气性，也克服了传统高炉炼铁法的明显弊端。没有经过烧结的生料，入高炉时生料中含有一定量的水份，因此，生散状料和生球团中国冶炼设备门户 矿也可以统称为“湿料”。以下探讨湿料炼铁的合理性是高炉炼铁技术进步的必然规律。2.1 熟料炼铁基本原理熟料炼铁主要化学反应：高炉外氧化 3243OFe32
4、1高炉内还原 Fee4322432COOF43eCe2OFe从化学反应式可以清楚地看出，铁精矿是在高炉外经氧化烧结造块的，冷却后经整粒再入高炉炼铁。在高炉内重复加热，使 经过还原再还原，完成炼铁的全过程，如图321 所示。 软 熔 带 （ 还 原 带 ） 图 1 熟 料 炼 铁 高 炉 断 面 各 带 分 布 图 块 状 带 （ 预 热 带 ） 2.2 湿料混装高炉炼铁原理湿料在高炉内的下降过程中，从料面开始，由低温到高温发生一系列的化学反应，生成一定数量的液相。随着温度的升高，液相增加，最高可达 25%以上，使矿粒之间相互粘结，构成蜂窝状的固相料层，完成炉内造块的全过程，强度相应提高。这种料
5、层结构，改善了料柱的透气性，保证了炉况的稳定顺行。干 燥 带 （ 20 -30 ） 预 热 带 （ 30 -60 ） 烧 结 带 （ 块 状 带 ） 12 0- 130 1406 焦 炭 带 （ 滴 落 带 ） 软 熔 带 （ 还 原 带 ） 燃 烧 带 20 炉 芯 部 图 2湿 料 炼 铁 高 炉 断 面 各 带 分 布 图 中国冶炼设备门户 图 2 是湿料炼铁过程示意图，表示了高炉断面各带分布情况。湿料投入高炉后，在生产过程中沿料柱的高度方向温度不同，因而形成的炉料物理形态不同，呈现性质不同的五个区域。料柱的最上层是干燥带，以下依次是预热带、烧结带、软熔带（还原带）和滴落带，如图 2 所
6、示。各带特征如下：(1) 干燥带干燥带在料柱的最上端，温度为 200-300，湿料中的游离水将在这一区域蒸发。水蒸汽随煤气逸出高炉，进入煤气清洗设备。料柱强度得到初步加强。(2) 预热带温度为 300-600，化合水析出，部分碳酸盐分解。料柱强度得到进一步加强。(3) 烧结带温度从 600开始，直到固体料柱的最高温度（1200-1300）。在这一区域碳酸盐全部分解，大量的低熔点矿物生成并熔化。最高可达 25%以上的液相，使矿粒相互粘结，构成蜂窝状的固相料层，料柱的强度达到峰值，透气性得到改善，使炉况稳定顺行。这一区域的热强度随温度升高而提高，适应不同高度料柱对抗压强度的要求。(4) 软熔带（还
7、原带）温度为 1200-1400。这一区域温度高、还原剂浓度大，含铁炉料大量还原，开始熔成液态渣、铁。主要的还原反应有： 243COFeOe e(5) 滴落带液态渣、铁通过焦炭层落到炉缸内。从熟料炼铁和湿料炼铁化学反应过程可以清楚地看出，主要区别在于湿料炼铁取消了高炉外氧化烧结的重复加热过程，因此，简化生产工艺流程。2.3 影响湿料固结因素分析生散状料和生球团矿高炉直接炼铁能否实用，关键的问题在于高炉炼铁过程中，炉内料柱的抗压强度和透气性能否适应要求。虽然生散状料和生球团矿的固结机理不同，实践证明，都能适应高炉内的冶炼条件，达到顺行操作的目的。以生球团矿为例，影响固结因素主要有以下几点：(1)
8、 温度对生球团矿的影响烧结温度的高低对生球团矿的固结强度影响最大，温度愈高，反应速度愈快，则固结后的抗压强度愈大。图 3 所示为焙烧温度对生球团矿抗压强度的影响。在 1000以下，生球团矿的抗压强度增长缓慢，是在达到一定的烧结温度后才有明显提高；温度达到 1300左右时，抗压强度达到最高值，每个球的最大抗压强度可达到 500kg 以上 1；再升温生球团矿的抗压强度则迅速下降，呈直线下降趋势。由此可见，生球团矿的软熔点开始温度可提高到 1300左右，也就是说，生球团矿在高炉炼铁过程中，软熔带的宽度远远小于用普通原料炼铁时的中国冶炼设备门户 宽度，软熔带变窄，料柱由固体转向液体区间温度差小，可提高
9、料柱的抗压强度，改善料柱的透气性。(2) 高温下持续时间对生球团矿的影响高温下持续时间对生球团矿的固结强度影响亦很大。在高炉内发生的一系列物理和化学变化，均需要一定的时间才能完成，因此，必须在高温下持续一定的时间，如图 4 所示。温度达 1300，持续时间 10 分钟以上，则抗压强度迅速提高。在高炉冶炼过程中，该温度持续时间较长，对生球团矿抗压强度提高是一个有利条件。图 3 焙烧温度对球团矿抗压强度的影响1- 磁铁矿, 2-磁铁矿为主, 3-低品位磁铁矿, 4-高品位磁铁矿 2- 图 4 焙烧升温速度与球团矿强度的关系中国冶炼设备门户 综上所述，生球团矿在高炉内炼铁温度适宜，第一次烧结、炼铁，
10、无粉化现象产生，具有较好的高温性能。由于软熔带温度差变窄，料柱的抗压强度增加，可以承受高炉内料柱的压力，有利于改善料柱的透气性。2.4 理论探讨小结（1）分析湿料炼铁过程可以看出，由于高炉内炉料的温度变化比在烧结冶金设备中平稳而缓慢得多，因此高温持续时间长，更有利于造块。而且，由于不存在烧结工序的冷却过程，其中所有影响强度和还原性的晶体结构变化都不会发生，高炉内还原气氛下发生一系列能够增加抗压强度的物理化学变化，铁精矿混合料第一次烧结造块，液相和固相同时存在，湿料的强度随着高度的降低而提高，这与料柱压力变化对抗压强度的要求是一致的，因此，在高炉中可以形成最好的“精料”。（2）目前我国球团矿焙烧
11、采用竖炉或链篦机回转窑生产球团矿，带式烧结机可以焙烧球团矿也可以焙烧烧结矿。从高炉本身的内型结构来看，它就是一座圆型密闭的竖炉，生散装料或生球团矿如高炉内下降的过程与上升的高温煤气流均匀的进行烧结造块，使整个料柱形成一个完整疏松多孔的烧结料层。烧结与炼铁有机的结合，完成炼铁的全过程，因此，比上述三种已有的烧结设备完美的多，可以说高炉上部温度1300的区域是最好的“烧结机”。在 100%的应用生料炼铁时，可取消烧结厂的建设和生产。（3）生球团矿和生散状料的软熔温度比氧化烧结造块的普通球团矿和烧结矿高得多，冶炼时的软熔带的宽度也小得多。软熔带变窄，料柱由固体转向液体区间温度差小，可提高料柱的抗压强
12、度，改善料柱的透气性。（4）由于还原膨胀粉化主要发生在 阶段，未经氧化烧结的生球团矿432OFe和生散状料不含 ，在高炉内还原气氛下高温性能好，经一次烧结无粉化现象，改善32OFe了料柱的透气性，更易于保证高炉顺行。3生产概况3.1 生球团矿实验室试验为在高炉生产前期做好准备工作，首先在 XX 钢铁公司中心实验室进行生球团矿的还原烧结试验。试验结果：升温到 950时未发现生球团矿有粉化现象；磁铁矿精矿球团强度与烧结温度成正比，常温时 2kg/球，850时 32.6kg/球。与氧化烧结生球团矿温度与强度的曲线比较，还原烧结强度稍高于氧化烧结，详见表 1。表 1 磁铁矿精矿球团强度与烧结温度的关系
13、温度项目 数值100300 400 500 650 750 850 9001000110012001300氧化烧结强度 5 6 7 9 10 15 16 17 19 65 125 170中国冶炼设备门户 kg/球还原烧结强度kg/球3.546.358.259.3016.332.63.2 生球团矿及生散状料高炉生产概况1) 生散状料在 XX 铁厂 100m3高炉生产中进行生散状料冶炼生产，生散状料配料比 40%，高炉炉矿稳定顺行，各项技术经济指标有所改善，由于还原性的改善，焦比可降低约 30 公斤/吨铁。实践证明，生散状料可以多次转运储存，对落差高低无要求，加工合格的生散状料运至高炉贮矿槽内储存
14、待用，生产中曾在贮矿槽内储存 40 多小时，取料时水份无变化，砂散性很好，并且形成了很多大小不等的小球，有利于改善高炉内料柱的透气性，生产中高炉炉况稳定顺行，好操作。2) 生球团矿生球团矿在 XX 铁厂 50m3高炉生产中配料比为 60%，在 XX 铁厂 20m3高炉生球团矿的配料比为 50%和 100%，生产结果表明，生球团矿的配料比加大，可改善高炉内料柱的透气性，炉况顺行，提高经济效益，焦比可降低约 50 公斤/吨铁，产量高，合格率也提高，高炉内压差无变化。高炉生产中煤气灰吹出量减少，布袋除尘器的反吹时间延长一倍，由两小时延至 4 小时，并可消除悬料事故。实践证明，生球团矿高炉炼铁时，高炉
15、炉况稳定顺行，好操作。4生熟料混装高炉炼铁法主要特点4.1 节能效果显著与现有技术相比，生熟料混装高炉炼铁法节能降耗效果显著。节省的工序能耗包括两部分： 节省了烧结过程消耗的热能。根据我国近年来的统计数据，每吨烧结矿或球团矿重点企业平均工序能耗为 66.38kg2； 吨铁直接降低焦比 30kg 以上。2006 年我国生铁年产量超过 4.04 亿吨，如果采用生料高炉炼铁法组织生产，全国每年可节省烧结工序能耗 5000 万吨左右标准煤。降低入炉焦比 5000 万吨/年。最近查阅有关 三峡工程总投资额高达 240 亿美元，它的年均发电量为 847 亿千瓦时。平均每年减少燃烧原煤约 5000 万吨 3
16、。4.2 环保效能显著，社会效益可观生熟料混装高炉炼铁法本身也是一项环保工程，钢铁企业减少排放可形成温室效应的二氧化碳，还可以减少大量的废水、浮尘等。4.3 经济效益巨大生熟料混装高炉炼铁法在多方面产生经济效益，除节省烧结工序能耗及管理费用外，在高炉生产中降低焦比提高利用系数也是可观的。按我国目前的市场价格测算，如用生料中国冶炼设备门户 炼铁，可降低生铁成本 200 元/吨铁左右。全国每年可增加直接经济效益约 800 亿元左右。4.4 无需大量投资，快速投入生产由于利用了现有的球团矿厂配料及加工设备或烧结厂配料设备，实施生熟料混装高炉炼铁法，高炉设备基本无须改变，所需投资很少，高炉应用无料钟炉
17、顶设备，无投资，而且投产准备时间不长。特别是，对于需要新建、重建或搬迁球团矿厂或烧结厂的钢铁企业，能节省大量的设备和基建投资，建设周期也将大大缩短。4.5. 适用范围广泛生熟料混装高炉炼铁法适用于大、中、小各种类型的高炉炼铁生产。可根据不同的设备及原燃料等条件，提供灵活而可行的实施方案。5技术措施显然，湿料与熟料最大的不同在于它的冷强度低。因此，生熟料混装高炉炼铁法的可实现性不仅取决于生球团矿和生散状料的高炉冶炼性能，湿料的安全入炉也是一个关键。为了适应生散状料或生球团矿直接入炉冶炼的要求，生熟料混装高炉炼铁法主要采取以下技术措施：5.1 设备在原料准备方面，利用现有的球团矿厂配料及加工设备或
18、烧结厂配料设备，只需根据具体钢铁生产企业的原料、燃料情况和技术要求适当调整配料比。使用生散状料炼铁，对上料系统无特殊要求。从生散状料的物理特性来看，它允许多次转运和储存，对落差的高度也无限制，因此，适用于任何形式的工艺流程和设备条件。只要把已加工合格的生散状料运至高炉贮矿槽内储存，可任意搭配使用。使用生球团矿炼铁，应针对其冷强度低的特点采取适当技术措施。总的原则是，减少或降低生球在转运过程中的储存时间、静压力及落差。此外，在造球工序中采取适当的技术措施，强化生球的压实过程以提高生球的机械强度，对生球的安全入炉是有益的。分述如下：（1） 料罐式上料系统，生球团矿可直接装入料罐内提升到高炉炉顶，装
19、入受料斗内，落差小，这个方案是非常可取的，而且可行。如鞍钢、本钢的大型料罐式高炉。（2） 皮带上料系统，生球团矿可直接装入上料主皮带，送入高炉炉顶受料斗内，落差小，亦可行。（3） 料车式上料系统，落差大，对生球团矿强度要求高。大中型高炉生球团矿入高炉之前的转运方式应采取适当技术措施。5.2 加焦粉和煤粉生散状料和生球团矿的配料中加入不同数量的焦粉或煤粉，制成内燃式炉料，对降低焦比很有意义，是解决小焦炭和焦粉全部合理地在高炉生产中加以利用的好办法。特别是，对于生散状料配料中加入小焦炭和焦粉尤为重要。首先，其作用类似于烧结料中的返矿，可以改善料层透气性。其次，由于小焦炭有较强的吸附性，经过一定时间
20、储中国冶炼设备门户 存并与炉顶被干燥了的生散状料会形成小焦炭周围比较致密而小焦炭之间比较疏松的多孔隙结构。其结果是，一方面增加了强度；另一方面，有利于入炉前没有固定形状的生散状料在下降过程中自然破碎成具有一定粒度而还原性能良好的块状炉料，保证高炉的顺行。6结论(1) 湿料直接入高炉炼铁温度适宜，热稳定性好，可保持长期正常生产，效益显著，是高炉炼铁技术进步的必然规律，是炼铁生产工序的一次重大改革。(2) 高炉内料柱上部1300温度的区域是最好的“烧结机”。如果应用生料组织生产，可取消烧结厂的建设和生产。(3) 高炉应用生散状料或生球团矿，克服了熟料炼铁的多种弊端，省去了熟料的整粒过程，烧结与炼铁
21、有机地结合于高炉内，炉料结构不会在温升和还原的过程中被破坏，热强度高，料柱的透气性和还原性好，炉况稳定顺行，煤气灰吹出量少，焦比降低，是最好的“精料“。(4) 节能效果显著。由于取消了铁精矿的重复加热过程，节省工序能耗。(5) 环保效果显著。由于取消了传统的烧结工序，消除了各种污染问题。(6) 本法适用于大中小各类不同容积的高炉炼铁。大中型高炉应用本法炼铁，效益更好。如无料钟炉顶高炉，无投资，只要把已加工合格的生散状料装入储矿槽内待用即可。又如进口富矿粉制成生散状料代替进口球团矿，差价很大，可取得较好的效益。(7) 本法配料中加入小焦炭、焦粉或煤粉，工艺简单，比喷煤法节省投资，易于管理。参考文献：1铁矿石造块理论及工艺，周取定、孔令坛编，冶金工业出版社，19922钢铁生产发展政策，王维兴，中国冶金设备管理网3“三峡让世界了解中国”，环球时报，第 1163 期，2006.5.194中国冶炼设备门户（）
