【正文】 3．在高爐煉鐵中的應用 日本的八幡制鐵所、富士制鐵所、川崎鋼鐵公司和墨西哥高爐公 55 司對高爐使用直接還原鐵后的效果進行了詳細調(diào)查。 （ 2）鑄坯及成品的機械性能、表面質(zhì)量和內(nèi)部性能等均滿足要求，且 DRI 中有一部分氧參與冶煉反應，使得氧氣單耗下降。試驗中用 DRI 替代廢鋼的比例從 10％增加到100％。美國鋼鐵公司通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐煉鋼適當使用直接還原鐵帶來如下好處： （ 1）由于 DRI 中的磷、硫、氮、銅含量較低，使得鋼水中磷、硫、氮、銅含量較低。鋼管的某些性能指標（如 AK）隨著 DRI 用量的增加明顯提高。 圖 DRI 配加比例對鋼中殘余元素的影響 （ 6）對鑄坯及鋼管質(zhì)量的影響 有些鋼種連鑄時易產(chǎn)生縱裂紋，經(jīng)分析，其中原因之一是鋼中有害元素含量較高。 （ 5）對鋼中殘余有害元素的稀釋作用 DRI 中幾乎不含 Ni、 Cr、 Mo、 Cu、 Sn 等有害元素， P、 S、 N 等元素的含量也比廢鋼低得多。當 DRI 使用量超過 30%時，冶煉電耗增加，增加的幅度與 DRI 金屬化率和脈石含量有關(guān)。使用的 DRI 中： TFe %， MFe %，金屬化率 %，脈石含量 %，脈石堿度 。 （ 3）對冶煉電耗的影響 實踐表明，當 DRI 金屬化率高、脈石含量低時，電爐配加一定比例的 DRI 不會增加冶煉電耗。連續(xù)加入 DRI 使熔池變得更加活躍，脫 P 效果好，縮短了冶煉時間。 （ 2）對冶煉時間的影響 當 150 t 電爐采用 100%廢鋼冶煉時，一般需 4 次加料，總的加料時間約 14 min。 根據(jù)天津鋼管公司 150 t 電爐 6 年的實踐， 使用直接還原鐵的冶煉效果可總結(jié)如下： （ 1）對鋼水收得率的影響 52 根據(jù) 150 t 電爐物料平衡實測和計算，采用全廢鋼冶煉時鋼水收得率為 88%～ 90%。用潔凈的直接還原鐵代替被污染的廢鋼，可稀釋鋼中有害元素、改善冶金鋼水的化學成分，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼和純凈鋼。 1．電爐煉鋼中的應用 電爐煉鋼技術(shù)的迅速發(fā)展為優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)提供了有效手段，然而日益增加的合金鋼生產(chǎn)和應用，使得多次重復回收的廢鋼中雜質(zhì)元素得以富集，嚴重影響了廢鋼的質(zhì)量。 第五章 市場分析和 競爭優(yōu)勢 產(chǎn)品市場預測 產(chǎn)品市場供需分析 直接還原鐵的市場供需情況取決于它的應用領(lǐng)域。 項目需要增加的設備設施條件 本項目產(chǎn)業(yè)化還需添加的設備、儀器主要有： 旋風除塵器、尾氣回 51 收利用系統(tǒng)、煙氣回收利用系統(tǒng)等。 配套節(jié)能、環(huán)保設備及設施，如：尾氣回收利用系統(tǒng)、煙氣回收利用系統(tǒng)、調(diào)節(jié)水池、回用水池、沉淀池等。 主要設備 鐵礦石儲備和處理系統(tǒng) 表 鐵礦石儲備和處理系統(tǒng)主要設備表 序號 設備名稱 數(shù)量 (臺 ) 備注 1 鐵礦石受料倉 2 2 帶式稱重給料機 2 3 鐵礦石帶式輸送機 1 4 配料斗 1 5 球團震動篩 2 6 受料倉 2 47 序號 設備名稱 數(shù)量 (臺 ) 備注 7 氧化物粉皮帶輸送機 1 8 氧化物粉儲藏倉 1 9 鐵礦石供料輸送機 1 10 皮帶電子秤 1 11 帶裝料槽的鐵礦石供料倉 1 12 皮帶電子秤給料機 1 13 鐵礦石給料運輸機 1 14 涂料儲備倉 1 還原系統(tǒng) 表 還原鐵系統(tǒng)主要設備表 序號 設備名稱 數(shù) 量 (臺 ) 備注 1 鐵礦石供料料倉 1 2 鐵礦石加壓供料料倉 4 3 反應器 1 4 工藝壓縮氣冷卻器 1 48 項目 建設規(guī)模 根據(jù)市場需求及企業(yè)的基礎條件，今后五年的計劃產(chǎn)量、銷售收入、毛利潤、凈利潤等主要數(shù)據(jù)如下表 : 5 工藝氣壓縮機 1 6 工藝氣緩沖罐 1 7 工藝氣激冷塔 1 8 加濕器水泵 2 9 汽包 1 10 爐頂換熱器 1 11 冷卻氣激冷器 1 12 冷卻器文氏管 1 13 分散劑添加系統(tǒng) 1 14 冷卻氣壓縮機進口緩沖罐 1 15 冷卻氣壓縮機 1 16 冷卻氣壓縮后冷卻器 1 17 冷卻氣激冷塔 1 18 冷卻氣分離器 1 19 減壓室 2 20 工藝氣文氏管 1 21 工藝氣激冷器 1 22 工藝氣分離器 1 23 工藝氣加熱器 1 24 引風機 1 25 鼓風機 1 26 硫磺添加系統(tǒng) 1 27 工藝氣加濕器 1 49 表 項目 目標、進度和需要增加的設備 項目目標 預計項目完成時達到 以下 的關(guān)鍵技術(shù) 和參數(shù)指標： 形成外燃管式豎爐直接還原中試生產(chǎn)線相關(guān)技術(shù) 形成成熟的節(jié)能環(huán)保型煤基豎爐直接還原法生產(chǎn)工藝技術(shù) 預計項目完成時達到的技術(shù) 參數(shù) 指標 ： 還原鐵金屬化率：≥95%； 還原鐵粉鐵含量： ≥ %； Mn≤ %； Si≤ %； C≤ %；S≤ %； P≤ %。熱的冷卻氣離開冷卻區(qū)域，經(jīng)過冷卻、壓縮，再循環(huán)使用。大部分 C 以碳化鐵（ Fe3C）的形式進入到產(chǎn)品中。 為便于冷態(tài)直接還原鐵的卸料操作，溫度約 40℃ 、壓力 kg/cm2的合成氣和冷煤氣的混合氣體從反應器下部的錐形區(qū)域噴入，向上逆向流過直接還原鐵移動床。洗滌過的氣體通過工藝氣體壓縮機提高壓力后循環(huán)使用。 還原過程的機理可描述為： FeF eOOFeOFe ??? 4332 其中氫還原反應過程為： OHFeHF e OOHF e OHOFeOHOFeHOFe222243243232323????????? CO 還原反應過程為： 224324332323COFeCOF e OCOF e OCOOFeCOOFeCOOFe????????? 豎爐排出的溫度約 490℃ 的還原氣，經(jīng)過爐頂煤氣換熱器回收熱量，生產(chǎn)用于 CO2脫除裝置的蒸汽，然后通過煤氣激冷 /洗滌系統(tǒng)。預熱階段過后，還原氣 H2和 CO 與氧化鐵還原反應，礦石中的氧被去除。熱的還原氣被送入豎爐還原帶，壓力大約為 （約 ， 441283Pa，或 ），向上逆向流經(jīng)鐵礦石移動床，確保氣體分布均勻，氣固之間接觸良好。還原流程的還原氣由補充的合成氣與脫除了 CO2的溫度為 50℃ 、壓力為 。通常還原氣在豎爐直接還原工藝中主要用作還原流程、冷卻流程和氣體加熱器的燃料。 本公司已將其中的兩項關(guān)鍵技術(shù)向國家知識產(chǎn)權(quán)局同時提出了發(fā)明和實用新型專利申請并被受理。 外燃管式直接還原豎爐的研發(fā) 自主研發(fā)了外燃管式直接還原豎爐，包括內(nèi)設有還原室和燃燒室的爐體，爐體內(nèi)設置有至少一根 兩端開口的還原反應管，還原反應管的管內(nèi)為還原室，周邊為燃燒室；燃燒室為連貫式加熱，還原室反應器為管狀設計，熱輻射無阻擋、無死角、浪費少，而且外燃管式直接還原豎爐中還原反應管的周邊均為燃燒室，因此具有對還原室內(nèi)更好的加熱效果，并且對物料的加熱也更加均勻。 豎爐法直接還原工藝創(chuàng)新 本項目生產(chǎn)工藝對傳統(tǒng)豎爐法的生產(chǎn)工藝進行了重大改進，包 括增加了一次還原后再行磨選并二次還原的工藝、尾礦二次磁選制鐵中 43 礦回用造球工藝以及尾礦沉淀壓濾等工藝，可不僅有效提高了金屬資源的利用率，而且實現(xiàn)了良好的環(huán)保清潔生產(chǎn)效果。另外，本公司還發(fā)明了一種可防止物料與反應容器內(nèi)壁粘接的防粘布料裝置，徹底解決了傳統(tǒng)豎爐還原時物料粘結(jié)易堵、設備故障多發(fā)的問題。 針對以上問題，本公司對還原豎爐進行了整體的優(yōu)化設計改造，發(fā)明了一種外燃管式直接還原豎爐 ,在實現(xiàn)加熱與還原反應相分離的基礎上，還能夠?qū)ξ锪线M行更為均勻、穩(wěn)定的加熱，實現(xiàn)了更好的還原效果。 本公司對國內(nèi)同類技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，目前的豎爐法存在以下幾方面的缺點 。 直接還原 工藝通過 H2和 CO 與鐵礦石的化學反應將礦石中的氧除去，生產(chǎn)出高金屬化率的直接還原鐵 ： 2322232 323 323 COFeCOOFe OHFeHOFe ??? ??? 工藝的核心是直接還原豎爐。 針對傳統(tǒng)豎爐結(jié)構(gòu)復雜、加熱不均、還原效果差等問題，對還原豎爐進行全面的優(yōu)化設計，以達到節(jié)能降耗和提高還原效率的目標。 第四章 項目主要目標及內(nèi)容 項目 開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化 的主要內(nèi)容 豎爐焙燒方法工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、投資低廉，但由于目前的豎爐在結(jié)構(gòu)及工藝方法等方面存在諸多的缺陷，從而導致了一系 列影響其發(fā)展的技術(shù)問題。 底部出料機構(gòu)創(chuàng)新設計 如圖 圖 1 所示，作為該外燃管式直接還原豎爐的底部出料機構(gòu)，包括設置在還原反應管 2 下端口的下方、一個做伸縮運動托板 6，當拖動托板 6 向外伸出時，反應后的物料從還原反應管 2 的下端口落下，并聚集在還原反應管 2 的底部；再推動托板 6 向內(nèi)縮回，此時托板 6 的前端推動反應后的物料從爐體 1 底部的出料口 7 排出。所述布料管 801的周邊形狀最好與還原反應管 2上端口 201的周邊形狀相適配，以使防粘料能夠貼合還原反應管 2 的內(nèi)壁下落。防粘料既可以采用還原反應所需的物質(zhì)（比如脫硫劑），也可以采用完全不與進行還原反應的物料發(fā)生化學反應的物質(zhì)，但需要對反應后的產(chǎn)品進行二次分離。 增設防粘布料裝置，杜絕了物料與還原反應管內(nèi)壁粘接的問題 本項目還原反應管 2的 上端口 201處還設置有用于在還原反應管2 的內(nèi)壁上鋪設防粘料的布料裝置 8。管節(jié) 3 是預先制成的整體結(jié)構(gòu)，可以通過外購獲得，比如采用耐高溫的碳化硅管。 還原反應管分節(jié)對接，大大的節(jié)省了建造的時間和成本。本項目研發(fā)的外燃管式直接還原豎爐如圖圖 2 所示，包括內(nèi)設有還原室 5 和燃燒室 4 的爐體 1,爐體 1 內(nèi)設置有至少一根兩端開口的還原反應管 2，還原反應管 2 的管內(nèi)為還原室 5，周邊為燃燒室 4。 設計結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 本項目爐體結(jié)構(gòu)設計 本項目對直接還原豎爐進行了全方位的優(yōu)化設計，對豎爐結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在實現(xiàn)加熱與還原反應相分離的基礎上，能夠?qū)ξ锪线M行更為均勻、穩(wěn)定的加熱，實現(xiàn)了更好的還原效果。具體工藝見圖 31。具體工藝見圖 。 為提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高項目產(chǎn)品市場競爭力，本公司在一次還原的基礎上增加了“二次還原”的工藝技術(shù)，將一次還原鐵粉篩選后進行二次還原，使還原鐵的各項技術(shù)性能指標均達到了行業(yè)領(lǐng)先水平。見圖 原料生產(chǎn)工藝圖。依據(jù)直接還原鐵所需的金 屬化率，可調(diào)整排料速度以控制爐料在還原段停留的時間。這些參數(shù)隨不同原料特性而變化。設備構(gòu)造較簡單，運動部件少，電耗較低。其他設備及輔助設施包括原燃料的破碎系統(tǒng)、豎爐上料提升卷揚翻斗、移動式布料機、磁選機、殘煤和煤灰分離器、爐頂氣與燃燒廢氣返回利用系統(tǒng)。反應室下部是水箱冷卻段。一座豎爐內(nèi)含 6 個反應室，單室有效容積為 7． 2m。反應室上部是爐料預熱段，由一排 5 根φ 280mm 3． 1m 的 AISl310s 不銹鋼管組成，爐料在鋼管內(nèi)既有均勻下料，又有受燃燒廢氣預熱的作用。經(jīng)磁選分離，大于 3mm 的直接還原鐵入庫；大于3mm 的剩煤可作返煤摻入新煤中再利用。燃燒室的熱量通過碳化硅磚墻傳入豎爐還原反應室并傳導至爐料中心。鐵礦石、煤與石灰石分別閉路破碎、篩分，取合格粒級配料與混合，混合料從爐頂部加入，隨下部排料機構(gòu)轉(zhuǎn)動，物料沿爐身干燥、預熱、還原、冷卻各段逐步下降。還原劑可用非結(jié)焦煤。如下圖。 選用環(huán)保型煤氣發(fā)生爐 豎爐的燃料可采用煤、重油、高爐煤氣等，從目前工業(yè)生產(chǎn)實踐的情況看，豎爐使用氣體燃料時，焙燒效果最好，而且我國煤制氣技術(shù)及產(chǎn)品已日漸成熟，為發(fā)展豎爐工藝提供了可靠的保證。 防粘布料方法及裝置在豎爐中的應用 在傳統(tǒng)的豎爐法直接還原技術(shù)工藝中，沒有防止爐料與矩形豎式還原反應室內(nèi)壁粘接的措施，爐料與還原反應室的內(nèi)壁易發(fā)生粘接問題，不僅影響還原效果，而且會使爐內(nèi)溫度分布不均勻，導致 能耗的嚴重浪費和引發(fā)球團粘連，情況嚴重時，還會造成還原爐的阻塞，導致生產(chǎn)的中斷和設備的損壞。而且赤鐵礦球團焙燒對溫度的要求，在豎爐內(nèi)是很難實現(xiàn)的。該防粘布料裝置尤其適用于安裝在直接還原豎爐的還原反應室的進料口處從而防止爐料與還原反應 室的內(nèi)壁發(fā)生粘接。 圖 外熱式豎爐直接還原法工藝圖 防粘布料裝置發(fā)明 本項目研發(fā)的可防止物料與反應容器內(nèi)壁粘接的防粘布料裝 置，包括設置在反應容器的上端口內(nèi)作為物料通道的布料管，該布料管的 28 外壁與所述 反應容器 的內(nèi)壁之間構(gòu)成防粘料的進入通道。由于本發(fā)明的外燃管式直接還原豎爐中還原反應管的周邊均為燃燒室，因此具有對還原室內(nèi)更好的加熱效果，并且對物料的加熱也更加均勻。 技術(shù)創(chuàng)新點 欲徹底解決以上豎爐法存在的缺陷，關(guān)鍵在于解決燃燒室加熱效 27 果和解決球團粘連兩個主要問題， 本公司通過長期技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)實驗，形成了以下兩項核心技術(shù)成果，已提出專利申請，該兩項技術(shù)成果也是本項目創(chuàng)新的核心內(nèi)容。由于球團在爐內(nèi)的運動僅僅是依賴自身的重力，很容易導致結(jié)瘤，嚴重時會迫使生產(chǎn)中斷。以上傳統(tǒng)豎爐固有的工藝缺陷，導致在生產(chǎn)過程中很難保證每個