透视ITmk3炼铁新工艺发展历程与技术特点.docx

透视ITmk3炼铁新工艺发展历程与技术特点 非高炉炼铁作为21世纪全世界钢铁行业的前沿技术，是未来技术发展的主要方向。在此领域，国际冶金工作者不断进行着广泛、深入的研究和开发，形成了众多直接还原、熔融还原技术。煤基转底炉法因其原料适应性强、操作灵活受到很多国家的重视。日本神户制钢在过去几十年转底炉技术基础上提出了ITmk3（Ironmaking Technology Mark Three）工艺，使金属化球团在还原时能进一步熔化并实现渣铁分离，在短时间内生产出成分如生铁的高纯度粒铁产品。该工艺突破了直接还原工艺范畴，彻底改变了直接还原产品对原料品位苛求的状况，而且还可以使用粉矿和非焦煤作原料，因而备受瞩目。高炉-转炉工艺被称为第一代炼铁法，以气基梅德瑞克斯（MIDREX）法为代表的直接还原工艺被称为第二代炼铁法，而把煤基ITmk3工艺称作具有划时代意义的第三代炼铁技术。目前首座ITmk3商业工厂已成功在美国投产。1 ITmk3工艺发展过程ITmk3转底炉炼铁工艺由日本神户制钢开发。最早的技术思想源于1994年，当时神户制钢对美国子公司梅德瑞克斯（Midrex）开发的快速融化（Fastmet/Fastmelt）法进行了一次评价试验，目的是考察适宜的反应温度和原料条件，却意外发现还未到铁的熔点时球团就熔化，而且形成的粒状小铁块与渣能干净利落地分离，所得粒铁纯度很高（铁含量为96%-97%）。随后，神户制钢对此发现进行了一些基础实验，逐渐掌握了ITmk3的基本原理。1996年神户制钢同Midrex子公司开始对ITmk3技术进行深入研究和改进，1999年在加古川厂区内建成了规模为年产能3000吨的中试厂，同年10月连续运转成功，到2000年12月完成了2次生产测试，其工艺设计得到实际验证。随后ITmk3的发展转移到美国，2001年9月实施了梅萨比纳吉特（Mesabi Nugget）计划，于明尼苏达州合资建设一座年产能2.5万吨的示范工厂，成立梅萨比纳吉特公司，投资方除了神户制钢之外，还包括明尼苏达州政府、北美最大矿山公司克利夫兰克利夫斯公司和美国第二大电炉制造厂钢动态公司（SDI），此外还得到了美国能源部（DOE）的资助，项目总投资达到2600万美元。示范工厂于2003年5月建成，经过一年连续作业，于2004年7月结束，产品质量和设备运转情况良好，此后各方着手筹建商业工厂。2007年6月，神户制钢与克利夫兰克利夫斯公司结盟，共同推进ITrnk3商业化运作。同年11月，神户制钢又与美国钢动态公司达成协议，在明尼苏达州霍伊特湖区（Hoyt Lakes）建设首座ITmk3商业工厂，总投资235亿美元，年产能50万吨。梅萨比纳吉特公司负责商业工厂建设、管理和生产销售，神户制钢则提供ITmk3工艺许可证、工程服务、主要设备和技术支持。该商业工厂于2009年底建成投产试运行，并从2010年1月正式开始商业化运营。随着商业工厂的投产运营，ITmk3工艺备受瞩目。目前在哈萨克斯坦、印度、乌克兰和北美等国家和地区正推广此项目，总产能将达到数百万吨。2 ITmk3工艺原理ITmk3工艺是从Fastmet/Fastmelt演变而来，其流程、设备配置与Fastmet/Fastmelt工艺非常相似。在20世纪50年代-60年代，美国Midrex公司的前身罗斯（Ross）公司开发了快速加热（Heat Fast）直接还原法（后来的Fastmet工艺），使用转底炉快速还原含碳球团，产品为直接还原铁（DRI）。神户制钢于20世纪80年代收购Midrex公司后，在对其Fastmet/Fastmelt法进一步开发的过程中（衍生出Fastmelt双联法）发现粒铁与渣分离现象，最终发展为ITmk3工艺。ITmk3工艺与Fastmet/Fastmelt工艺的核心设备都是转底炉，都可使用粉矿与粉煤制成的含碳球团作为原料，所不同的是Fastmet工艺产品为DRI，产品中仍含有脉石，金属化率严重依赖于原料品位，而煤灰分等杂质也进入产品，为此只好再用电炉熔化DRI，使渣铁分离来获得炼钢铁水。而ITmk3工艺在转底炉中只需一步就能实现渣铁熔分，获得粒铁产品。其工序包括以下4部分：一、原料处理：将主原料矿粉和非焦煤粉配料混匀，使用造/压球机等设备制成球团或团块，干燥备用。铁料既可使用磁铁矿与赤铁矿，又可使用较低品位矿，甚至可使用选矿厂的尾矿粉，只不过处理低品位铁料会增加能耗。燃料也非常广泛，可以使用发电用普通煤或石油焦和其他的含碳原料。二、还原熔分：将制好的球团或团块加入转底炉，在1350-1450条件下加热，球团（块）在随炉床旋转一周的过程中发生还原、渗碳和熔融反应，渣铁熔化并各自聚集，整个过程只需约10分钟。三、粒铁产出：凝聚的渣和铁冷却后，经排料装置排出，获得粒径为5mm-25mm的粒铁产品，粒铁与渣能干净地分离。四、废气处理：反应过程中产生的烟气经过热交换器预热助燃空气后，除尘排出。ITmk3工艺的产品粒铁成分与高炉生铁相似，产生的熔渣组成由原料种类决定，但基本与高炉渣相同。粒铁经过电炉试炼，证明具有如下特点：纯度高、不含渣、碳含量合适，不存在再氧化、粉化等问题，便于运输和入炉，熔解性能良好。因其比废钢、DRI等具有更加优良的品质而被形容为“金块”。转底炉中大致可划分为加料段、预热段、还原段、熔分段和冷却排出段。含碳球团（块）在转底炉加热过程中，铁氧化物被内配碳直接还原成金属铁，之后经过渗碳和熔融过程，渣铁各启熔化聚集，冷却后分离得到粒铁产品。传统高炉工艺原料在炉内停留反应时间约8小时，MIDREX等直接还原工艺也需要约6小时，而ITmk3工艺只需10分钟就能完成还原、熔分一系列反应。ITmk3技术的难点在于渣铁分离和控制粒铁的粒度和纯度。神户制钢技术人员在开发过程中，对工艺不断改进和完善，在许多环节进行了深入细致的研究。在耐火材料方面，经过多次试验，转底炉的炉床耐火材料选用耐高温、耐侵蚀的高铝砖。同时为了防止反应中副生的熔渣对炉床耐火材料造成浸润、侵蚀，在布料前预先在炉床铺设一层耐侵蚀、高熔点类材料，例如矾土类、氧化镁类、碳化硅类或石墨类炭材料等，能对炉床耐火材料起到有效的保护作用。在原料方面，通过调整原料碱度可以降低粒铁中S含量，即配入适量的熔剂调整原料中CaO、MgO、SiO2等成分，还可适当添加Na2O、K2O等物质，一般控制（CaO+MgO）/SiO2在1.3-2.3，能使粒铁中S含量普遍降低至0.08%以下。在渣铁分离方面，在混料中配入适量的B2O3、Na2CO3、CaF2、Na20等添加剂可达到促进渣铁分离的效果。此外，还提供了一种急速冷却的方式，即用冷凝水等媒介以350/min的速度快速冷却渣铁混合物，使粒铁分离的更加干净彻底。另外，为保证含碳球团的强度、传热和熔分效果，球团的大小和料层厚度等也都有一定限制，一般布料时料层厚度控制在10mm-30mm。3 ITmk3技术特点ITmk3工艺与高炉工艺相比，因其不需要烧结和焦化工序，工艺简单了许多，其技术特点主要体现在以下几个方面：第一，不需要块矿和焦煤，而且矿石和煤的种类选择也很灵活，只需一般的粉矿（包括低品位矿）和一般非焦煤即可，因此该工艺适用性很强。第二，从原料加入转底炉，到还原熔分反应结束，产出粒铁只需10分钟左右。所得粒铁产品具备高炉生铁同等品质，纯度高、熔解性能良好，是炼钢的优质原料，而且粒铁不存在再氧化和粉化问题，因而装卸、运输和入炉非常方便。第三，不需要烧结和焦化等铁前处理工序，从而使炼铁过程大大简化，工厂规模小、占地省，投资成本大幅降低，相同生产规模的投资额仅为高炉工艺的一半左右。而且全、部使用冶金行业通用设备，因而操作简单，生产启动、停止非常方便，可柔性作业。第四，相对传统炼铁工艺，ITmk3工艺反应在低温、短时间内进行，能耗较低。另外经过核算，ITmk3工艺的二氧化碳排放量比高炉工艺降低20%以上，而且没有焦化等污染工序，因而ITmk3工艺能源利用效率高，且符合节能减排的环保要求。ITmk3技术具有诸多优点，其最大优点在于反应迅速、投资省、二氧化碳排放少。但不可否认，ITmk3工艺也有自身先天的缺憾，即目前成熟的转底炉最大直径为50米，决定了一座ITmk3商业炉年产量只能在50万吨左右。因而从产量规模这一点与年产数百万吨的高炉是无法比较的，替代高炉工艺更不现实；这也成为限制ITmk3技术推广的一大难题。不过，ITmk3因为原料的适应范围很广，基本上产煤、产矿的地区都适合建厂，特别在矿山附近优越性更好。一些完全靠进口废钢作为电炉原料的新兴国家，还有一些如西伯利亚、中亚等矿石资源比较丰富却没有焦煤的地区都非常适合发展ITmk3工艺。结语在煤基转底炉直接还原工艺基础上开发成功的ITmk3技术，虽然在产能规模上无法与高炉相比，但其流程短、投资省、反应快速、环境压力小，尤其是能够使用粉矿和非焦煤为原料，同时产品粒铁是与高炉生铁相当的优质炼钢原料，因而该工艺具有很强的适应性和发展潜力。我国矿山资源大多以低品位为主，许多低品位矿也有待进一步开发，此外随着对节能、环保要求越来越严格，焦炉工艺会受到限制，因此发展短流程、碳耗少的工艺流程将成为未来发展趋势。世界上粉矿资源相当丰富，可以预见，随着首座ITmk3商业工厂的建成投产，该技术将推广到更多的国家和地区。 -全文完-