COREX熔融还原炼铁技术.doc

COREX熔融还原炼铁技术

陈炳庆　张瑞祥　周渝生
(宝山钢铁(集团)公司)
摘　要　COREX熔融还原炼铁工艺用非炼焦煤直接炼铁，流程短、投资省、成本低、污染少、铁水质量好，过程煤气可用于生产海绵铁，成为当代冶金工业的前沿技术。本文分析了COREX工艺的特点，原、燃料的性能要求，技术经济指标，讨论了其发展前景和进一步研究完善的方向。
关键词　熔融还原　炼铁　海绵铁
COREX SMELTING REDUCTION IRONMAKING TECHNOLOGY
CHEN Bingqing　ZHANG Ruixiang　ZHOU Yusheng
　　(Baoshan Iron & Steel Corp.)
ABSTRACT　The COREX smelting reduction ironmaking technology has been known as an advanced technology of metallurgical industry presently due to the use of non-coke coal,shorter production route,lower investment and cost,less pollution and good quality of hot metal and the use of off gas for production of sponge iron.This paper concerns the COREX's features,the requirements of raw materials and fuels,and the technological indexes of COREX production process.The further development and improvement of COREX technology is discussed.
KEY WORDS　smelting reduction,ironmaking,sponge iron
1　前言
　　熔融还原炼铁是当代冶金工业前沿技术之一，它的开发应用是对传统高炉炼铁工艺的根本性变革。
　　高炉炼铁系统(包括焦化、烧结、高炉)经过几百年应用发展，具有技术完善、生产量大、设备寿命长等优点。但其流程长、投资大、污染严重、灵活性差，尤其是世界炼焦煤资源日益匮乏，在量与质上都难以满足高炉炼铁需要，促使人们开发新的炼铁工艺。
　　COREX熔融还原炼铁工艺是近年已趋成熟的新型炼铁生产方法，它不仅能使用非炼焦煤直接炼铁，而且工艺流程短、投资省、生产成本低、污染少、生产的铁水质量能与高炉铁水相媲美；能够利用排出的过程煤气在竖炉中生产海绵铁，替代优质废钢供应电炉炼钢。这对没有条件采用天然气气基竖炉法大量生产海绵铁的我国来说，其更具意义。
　　目前，全世界已投产和在建的COREX装置七座，到1998年COREX熔融还原炼铁将年产铁水500万t，约占世界生铁产量的1 %。
2　COREX工艺流程简述
　　COREX熔融还原炼铁过程在两个反应器中完成。即上部的预还原竖炉，将铁矿石还原成金属化率92 %～93 %的海绵铁；下部的熔融气化炉，将海绵铁熔炼成铁水，同时发生还原煤气［1］。其工艺流程示于图1。

图 1　COREX生产流程图
Fig.1　COREX process flow diagram
　　COREX工艺的铁矿石预还原竖炉是一个活塞式反应容器。铁矿石从上部装入，设在竖炉底部的螺旋排料器控制其向下移动的速度。热还原煤气从竖炉下部输入，矿石被煤气加热并发生还原反应。铁矿石经6～8 h变成海绵铁，经螺旋排料输送器输入下方的熔融气化炉。
　　熔融气化炉是一个气—固—液多相复杂的炼铁移动床反应容器。煤由速度可控的螺旋给料器加入炉内，与温度1100 ℃以上的还原气体接触，在向下移动过程中被干燥和热解，脱除挥发分，逐步成为半焦直至焦炭。在熔融气化炉的底部形成一个类似高炉的死料柱。由均匀分布于炉缸圆周的26个风口氧枪吹入氧气，在风口区燃烧产生2000 ℃以上高温，使海绵铁进一步还原熔化、过热、渣铁分离，从铁口排出。
　　炉顶排出的1100 ℃左右的煤气中，含有95 %(CO+H2)，1 %CH4，还有N2等。混入20 %净化冷煤气，使煤气温度降到900 ℃左右，经热旋风除尘器，将含尘量从100～200 g/m3降至20 g/m3左右，除尘后的850 ℃煤气输入竖炉作还原气。炉尘返吹入熔融气化炉。
　　为使铁水成分满足炼钢要求，需按造渣成分和碱度要求在预还原竖炉中加入石灰石、白云石和硅砂等熔剂，以使碳酸盐的预热和部分分解在还原竖炉完成，然后随海绵铁一起加入熔融气化炉。
3　COREX工艺的原燃料
　　COREX C—1000、C—2000装置生产实践表明，为使炉况稳定、顺行，达到高产、低耗，加入炉内熔炼的原、燃料都应有一定的理化性能要求［2］。
　　(1) 铁矿石
　　COREX工艺可以用块矿、球团矿或者两者的混合矿作为原料，其主要物化性能要求见表1。
表 1　COREX工艺对铁矿石的主要物化性能要求
Table 1　Main data of ore for COREX

原料名称
TFe/%
粒度/mm
允许
选优
允许
选优
(＜6 mm)/%
球团矿
≥58
62～66
6～30
8～16
＜5
块矿
≥55
62～66
6～30
8～20
＜5

　　COREX还原竖炉要求料柱有良好的透气性，降低炉内压力降，以利于气流分布，所以控制入炉原料粒度在6～30 mm，最好为8～20 mm。还原过程中，矿石产生碎裂和磨损。所以，在矿石入炉前应测试矿石的还原性，碎裂性和还原后强度。以选择还原后强度好的矿石入炉。
　　COREX工艺要求矿石的铁含量：块矿＞55 %，球团矿＞58 %，矿石中的TiO2的含量应加以限制，以免炉渣粘度升高。表2是ISCOR公司和POSCO公司的COREX炉使用的铁矿石种类与化学成分［3］。
表 2　COREX工艺的铁矿石种类与化学成分　　%
Table 2　Chemical composition and ore type for COREX　　%

名称
ISCOR公司
POSCO公司
Thabaimbi
块矿
Sishen
块矿
CVRD
球团
Newman
块矿
Algarrobo
球团
CVRD
球团
Peru
球团
Fe
62.9
66.0
64.22
64.3
65.2
65.75
65.50
SiO2
5.2
2.8
2.9
3.04
2.1
2.52
3.60
Al2O3
0.8
1.0
0.6
1.04
0.53
0.56
0.47
CaO
0.9
0.2
3.9
1.3
2.63
2.5
0.47
MgO
0.5
0.1
0.3
0.11
0.05
0.04
0.82
K2O
0.09
0.13
0.01
＜0.02
＜0.02
＜0.02
0.1
P
0.05
0.04
0.03
0.06
0.02
0.03
0.008
S
0.01
0.03
0.01
0.007
0.006
0.01
0.007

　　(2) 煤
　　COREX工艺可以使用范围很广的非炼焦煤，评估煤质的主要指标包括挥发分、固定碳和灰分。其要求列于表3。
表 3　COREX工艺用煤质量要求　　%
Table 3　Coal quality for COREX 　　%

项　　目
普通值
优选值
固定碳
挥发分
灰分
＞55
＜35
＜25
60～75
20～30
5～12
水分　干燥前
　　　干燥后
＜12
＜5
5～10
3～5
硫　
＜1
0.4～0.6
粒度/mm
0～50
8～50

　　表4是目前COREX工艺使用的煤种和成分。
　　宝钢钢研所与东北大学做的COREX熔融还原炼铁热模拟试验中，采用阳泉煤、大同煤和神府煤组成的混合煤，结果表明，这三种煤以一定配比混合，可以得到比较理想的COREX工艺用煤。
表 4　COREX工艺用煤成分　　%
Table 4　Coal composition for COREX　　%

ISCOR公司
POSCO公司
Delmas
煤
Wolvekrans
煤
Mount Thorley
煤
South Blackwater
煤
湿分
5　
3　
2.56
2.69
灰分
15.2
13.3
10.0
9.0
挥发分
28.0
28.0
33.0
26.0
固定碳
56.8
58.7
57.0
65.0
硫
0.7
0.6
0.44
0.45

4　COREX工艺的特点
　　COREX熔融还原炼铁工艺，采用了成熟的气基竖炉法海绵铁生产技术和高炉炼铁技术。COREX工艺的预还原竖炉部分相当于高炉炉身中、上部，熔融气化炉部分相当于高炉的炉缸与炉腹部分并向上延伸。截去了高炉的炉身下部和炉腰部分，避免了高炉内影响料柱透液性、透气性和气流分布的软熔带的产生，为COREX工艺直接使用非炼焦煤炼铁创造了条件。
4.1　炉缸形成死料柱
　　COREX熔融气化炉中部以下有煤、半焦和海绵铁组成的料柱，下部有半焦和焦炭组成的死料柱。死料柱的存在，使熔化后的渣铁在高温区与焦炭的接触时间增加，铁水温度升高，铁、硅还原，渗碳、脱硫等反应有条件充分进行。
　　分析料柱结构表明，炉缸的焦炭量随着固定床深度的增加而增加。和高炉死料柱的作用一样，死料柱在炉缸起到碳源作用，提供铁水碳饱和及降低渣中残余FeO所需要的碳。
4.2　炉尘回收，返入熔融气化炉
　　煤在熔融气化炉加热脱除挥发分的气化过程中，产生含碳粉尘，并被煤气带离气化炉。煤气经除尘，控制还原气含尘量在一定范围内。回收的炉尘在炉体适当位置返吹入熔融气化炉。这样，可以防止炉尘堆积，而且可通过调节吹氧量使炉尘燃烧产生的热量将炉顶温度控制在1100 ℃左右，使气相中的焦油、苯等高分子碳氢化合物分解为H2、CO。所以，炉尘回收系统也是COREX工艺的无污染操作。
4.3　粒度分布与煤气流控制
　　以炉料与煤气相向运动为基础的竖炉还原，保持料柱的一定空隙率，煤气流的低压降，可防止悬料，增加煤气流通量，矿石得到充分还原。为此，除严格控制矿石粒度和还原气的含尘量外，还要尽量减少矿石在加热还原过程中的碎裂现象。
4.4　环境污染小
　　由于COREX工艺用煤直接炼铁，基本不需要焦炭，避免了冶金工厂的主要污染部分(焦炉)，工艺过程紧凑。尤其是没有了炼焦过程的焦煤装炉、出焦、炉门密封不严造成的煤气泄漏，使COREX熔融还原炼铁成为环境保护十分可取的炼铁工艺。以高炉—焦炉—烧结工艺排出的有害物质为100 %计，则COREX熔融还原炼铁工艺的排放量为：
　　　SiO2　　　炉尘　　　　NO2　　　苯酚
　　3.8 %　　　10.7 %　　　10.5 %　　0.04 %
　　硫化物　　氰化物　　　　氨
　　0.01 %　　5.0 %　　　　8.2 %
环境质量大为改善。
4.5　生产技术指标好
　　COREX熔融气化炉和还原竖炉都采用高压操作，压力400 kPa左右，铁水成分比较稳定且易控制，［Si］的含量为0.1 %～0.2 %，平均［S］的含量为0.025 %，但有时受原料影响波动大。
　　1996年7月浦项(POSCO)钢厂COREX C—2000［4］生产的铁水温度：1500～1540 ℃(平均1510 ℃)；铁水成分：［C］4.2 %～4.8 %，［S］0.015 %～0.030 %；作业率96.5 %；月产量5.7 万 t铁水；输出煤气量：145000 m3/h(热值7500 kJ/m3)。煤气成分中CO、H2、CH4、CO2、H2S分别为35 %～45 %、15 %～20 %、1 %、35 %、(10～70)×10-6，其余为N２、H２O；含尘量＜5 mg/m3。
　　生产1 t铁水的原、燃料及动力消耗：
　　铁矿石：　1480 kg；
　　煤：990 kg(澳大利亚进口的高低挥发分煤各占一半，包括3 %～10 %焦炭)；
　　熔剂：325 kg；
　　氧气：560 m3；
　　渣量：约340 kg。
4.6　流程短、投资省、生产成本低
　　COREX熔融还原炼铁工艺，已有COREX C—1000、C—2000两套装置的9年和2年生产实践经验。与焦炉—烧结—高炉工艺流程相比，其工序少、流程短。由图2可以看出，COREX工艺从矿石到炼出铁水仅需10 h，而高炉工艺需要25 h。由于设备重量减少一半，投资费用少20 ％，生产成本低10 %～25 %。
　　南非ISCOR公司COREX的生产成本比产量相当的Pretoria高炉低34 %，比ISCOR Vanderbilpark厂高炉(9000 t/d)低18.8 %，比ISCOR Newcastle厂高炉(5000 t/d)低38 %。
　　宝钢三期工程后设计中所做的高炉生产成本为吨铁1004.5元。北仑钢厂预可行性研究计算COREX熔融还原炼铁的铁水生产成本每吨为937元。DRI生产成本为1030元。
　　能耗，按标煤折算系数为0.875 t，宝钢1994年1～3号高炉系统吨铁生产实绩：0.5895 t(标煤)，宝钢4号高炉(方案)系统：0.5758～0.5846 t(标煤)，宝钢COREX—Midrex(方案)系统：0.5262 t(标煤)。

图 2　传统钢厂与短流程钢厂生产过程的温度曲线和需要时间比较
Fig.2　Comparison of temperature curves and production times in production
between conventional integrated mill and integrated compact mill
(a)传统流程钢厂；(b)基于COREX和CONROLL的短流程钢厂
　　显然，COREX熔融还原的基建投资、生产成本、能源消耗等都要比传统的高炉系统为低。
5　COREX过程煤气的利用
　　COREX C—2000输出煤气145000 m3/h，热值约7500 kJ/m3，(CO+H2)含量达60 %～65 %，是宝贵的二次能源。可用来发电，生产海绵铁、化工产品或作为燃料。我国缺少天然气生产海绵铁的条件，基本上靠煤基回转窑法生产海绵铁，设备能力不足40万t/a，供需矛盾突出，市场缺口极大。所以，利用COREX过程煤气生产海绵铁是适合我国国情的最佳选择。图3是利用COREX工艺过程煤气生产海绵铁(DRI)的流程图。
　　COREX预还原竖炉排出的尾气，经除尘、变压吸附法(PSA)或化学吸收法脱除CO2，接着通过换热器与还原气部分燃烧法加热，输入竖炉的还原煤气(CO+H2)＞90 %，氧化度(H2O+CO2)/
(CO+H2+CO2+H2O)＜5 %，温度达到竖炉还原工艺要求≥850 ℃。使用TFe≥67 %的铁矿石，可生产出
TFe≥90 %，金属化率达到92 %～93 %的优质海绵铁。
　　正在建设中的韩宝公司两座COREX C—2000年产150万t铁水，同时利用过程煤气年产83万 t海绵铁。印度京达尔(JINDAL)厂两座COREX C—2000年产153万 t铁水，南非撒达那(SALDANHA)厂一座COREX C—2000年产65万 t铁水，这两家工厂都利用COREX过程煤气生产与铁水产量相等的海绵铁。

图 3　COREX工艺过程煤气用于海绵铁流程
Fig.3　COREX use of the export gas combined production of hot metal and DRI
(a)COREX炼铁厂；(b)直接还原铁厂
6　COREX熔融还原炼铁发展前景
　　COREX熔融还原炼铁是目前唯一使用非炼焦煤直接生产铁水的非高炉工业化炼铁方法。它拓宽了冶金用煤范畴，可用块矿、球团矿或其混合矿作原料，铁水质量与高炉法相同，生产海绵铁可替代优质废钢满足电炉冶炼纯净钢的需要，生产过程发生有害气体少。小规模生产厂
(30万t/a)也能实现经济运行，取得经济效益。COREX C—3000的设计正在进行，其产量将达到90～120万t/a，必将会显示规模经济效益的优越性。
　　COREX熔融还原炼铁工艺尤其适用于炼焦、烧结能力不够的钢厂扩大生产能力，替代中、小型高炉，或者大城市附近有钢无铁，钢多铁少的老厂优化结构。
　　COREX是正在发展，渐趋成熟的熔融还原炼铁工艺，也存在着不足之处：如要求使用强度好的块矿、球团矿和块煤，粉矿、粉煤需经造(压)块才能入炉使用；虽然采用全氧炼铁，没有了高炉的软熔带，但利用系数还不够理想，未能达到预想的全氧炼铁强化程度；随制氧产生的大量氮气、稀有气体的充分使用等尚须研究开发。
参　考　文　献
1　Kepplinger W,et al.COREX Symposium.1990，5～20.
2　石启荣，胥昌第，等.关于南非熔融还原炼铁工艺(COREX法)的技术考察报告.1993.9.
3　Woedlinger R.Recent Developments in COREX Technology,1996.4.
4　VAI.COREX STATUS REPORT,1996.10.