CN1116240A - 冷固球团直接炼钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种冷固球团直接炼钢的方法，属于钢铁工业领域。

本发明使用铁精矿、非焦煤和粘结剂做成的冷固球团，加入到炼钢炉中直接冶炼成低杂质钢。

本发明使电炉炼钢不依赖废钢而降低成本32％，转炉钢降低成本12％，平炉钢降低成本20％。

本发明使钢铁联合企业不增加炼铁投资，不增加焦煤需求时，可以扩大转炉炼钢能力40％。

本发明可以直接利用现有各种炼钢炉设备及其技术基础。具有能耗低、污染小的优点。

Description

冷固球团直接炼钢的方法

本发明是一种冷固球团直接炼钢的方法，属钢铁工业领域。

在现有技术中，高炉——氧气转炉流程占60％，但是，由于流程长(烧结、焦炉、高炉和转炉)，投资比电炉炼钢高出一倍以上，并依赖资源紧缺的优质焦煤，成本越来越高，逐渐失去竞争力。

电炉炼钢目前占30％以上，有流程最短、投资最省的优点。近年来，由于小钢厂可以灵活满足多品种需要，加上超高功率电炉，直流电炉、炉外精炼及薄板坯连铸技术的发展，使电炉炼钢紧凑式短流程钢厂具有明显的竞争力。但是，电炉炼钢不能直接使用铁矿石资源，必须依赖废钢而生存，严重制约其发展势头。这是因为：

(1)废钢是二次资源。其数量受到其他炼钢流程提供新鲜废钢能力的限制，特别是发展中国家，废钢积蓄量少，很难使电炉炼钢成为钢的主导生产方式，而被迫高额投资发展高炉——氧气转炉流程炼钢。

(2)废钢多次循环使用，废钢中人为不可控制的有害元素，随之增长，影响了电炉钢质量。

为使钢铁工业摆脱废钢、焦炭和天然气资源的制约，新近开发的技术有熔融还原炼铁和煤基直接还原铁两大类：

南非Corex法熔融还原炼铁工艺和日本DIOS法熔融还原炼铁工艺都是先通过铁浴熔融还原炉造气，使铁矿石在竖炉或予还原炉还原后，加入铁浴熔融还原炉先炼成生铁，再由氧气转炉炼钢。可以做到以煤代焦、减少污染，使生铁降低成本10-20％，但熔融还原装置投资很高，分别为302美元/t铁和400美元/t铁，略高于现有高炉炼铁系统的总投资。

英国的Davy法和德国的SL/RN法煤基直接还原铁工艺，都是用煤和铁矿石在回转窑生产电炉炼钢原料的技术，可以成功地使电炉摆脱废钢的制约。但其投资高出电炉炼钢本身的投资，产品也很贵。除少数高质量钢，一般不宜使用。1992年世界范围内，直接还原铁厂，已有设备开工率严重不足，年产量下降到2000万吨，仅占世界电炉炼钢原料的10％。

本发明就是针对以上缺点而提出的。

本发明使用铁精矿、非焦煤和粘结剂做成的冷固球团，加入到现代工业炼钢炉直接炼钢。由于冷固球团生产线投资费用少，制造成本低，而克服了以上缺点。

应用本发明，可以使电炉炼钢直接使用资源丰富、价格便宜的铁矿石，摆脱废钢资源和质量的双重制约，因而降低了成本，提高了质量。由于冷固球团生产线及予热器总投资是160元/t钢，是Davy法直接还原铁投资的11％，因而，使高质量、低杂质电炉钢的投资降低50％。

本发明也可以在氧气转炉中直接使用一部分，用来促进化渣和冷却。由于冷固球团投资是高炉炼铁系统总投资的10％，成本是生铁价格的50％，因而，在氧气转炉中利用冷固球团节省36％生铁和废钢时，可以降低炼钢成本12％。同时，不增加炼铁系统投资，不扩大优质焦煤需求时，便可以扩大炼钢生产能力40％。

本发明可直接用于平炉炼钢，有节省80％生铁和废钢；提高生产率；降低成本20％的优点。是平炉改造的一种途径。

本发明是通过以下方法实现的：

先在炼钢炉中准备一个熔池，即事先在电炉中予留一部分剩余的高温钢液；或在平炉中兑入一部分铁水；或在氧气转炉中加入一部分予热后的冷固球团和石灰后兑入铁水；作为冷固球团“钢浴”或“铁浴”的溶池。再将经过200～1100℃予热的，由铁精矿、非焦煤和粘结剂做成的冷固球团连续不断地加入到炼钢炉中进行“钢浴”或“铁浴”。球团在外部高温的条件下，内部温度大于685℃时，球团中的碳分子是异常活跃的。由于球团内铁精粉、非焦煤都经细磨加工，并混合均匀，使还原反应具有较高的比表面积，与氧化铁产生如下的直接还原反应：

反应式： (－36500千卡/千克分子C)

反应生成的CO又继续与氧化铁进行各种还原反应：

反应式：

(＋18.5千卡/公斤Fe₂O₃)

(－23.1千卡/公斤Fe₃O₄)

(+56.3千卡/公斤FeO)

当温度上升到800℃时，CO浓度只要达到28.1％，就能使Fe₂O₃还原成Fe₃O₄，CO浓度达到65.3％时，就能使FeO还原成Fe，当温度接近1000℃时，平衡气相中几乎CO＝100％，即碳的气化反应非常充分，保证了还原过程所需要的CO充足来源。

反应式： (－39600千卡/千克分子C)

汽化产生的CO，在球团内部运动非常活跃，迅速与氧化铁进行上述各种还原反应。在反应过程中应及时补充能源，使碳的气化所消耗的热量及时得到补充，使“钢浴”或“铁浴”过程连续不断进行下去，直到金属Fe充分还原出来，并渣铁分离。在球团“钢浴”过程中，有部分高价氧化铁熔化并直接还原。

反应式： (－1080千卡/公斤Fe)

在高温的初渣中，固定碳与氧化铁的直接还原反应，由于接触面的扩大得到一定程度的发展。

反应式： (－651千卡/公斤Fe)

以上诸反应，使球团在“钢浴”过程中，很快完成氧化铁的各种还原反应，并被熔化。

当球团进行渣铁分离时，渣中的SiO₂浮在钢液上面，与FeO紧密相溶，而缺乏还原必须的碳素。渣中的P₂O₅和MnO也遇到相同的条件，而难以被还原。由于在炼钢炉中没有类似高炉炉缸中那种充满堆积焦炭的环境，所以，钢水中的含碳量很低。与此同时渣铁分离后生成的熔渣中有大量的FeO，有利于进行碳氧反应，并造成熔池的激烈沸腾。这样，就形成了一个特有的综合反应：球团在熔化时，完成了金属Fe的还原；杂质C、P、Si、Mn却由于缺乏条件而未被还原难以进入钢水；与此同时，由于渣中含有大量FeO，炼钢过程迅速进入氧化期，使钢水中已有的C、P、Si、Mn含量进一步减少。即还原、熔化、氧化三个冶金过程几乎同时发生，生成低碳、超低磷的半成品钢水，可以在同一炼钢炉中经过还原期脱氧、脱硫、调整成份的冶炼过程后出钢。也可以进入相应的炉外精炼装置进一步精炼。不论那种方式，都应在炉中保留一部分熔融钢水，以便使球团“钢浴”的冶炼过程连续进行下去。

本发明的工艺流程中，熔渣量吨钢约为430公斤。

为了充分利用炼钢炉的烟气所含大量余热，本发明可以利用烟气作为球团予热系统和养生系统的能源。并通过这一工艺净化了废烟。

本发明使用的冷固球团其成份为：

原料	比  例	粒    度
			铁精矿	64-72％	－200目    65％
非焦煤	18-24％	0.3毫米以下95％
			粘结剂	10-18％	12微米以下90％

其中：铁精矿的正常品位为TFe60-68％，可以是品位TFe＜60％的铁矿石与品位TFe＞60％铁精矿的混合物，也可以是轧钢屑、炼钢粉尘等工业含铁碎屑与铁精矿的混合物。非焦煤可以是无烟煤、半焦煤或它们的混合物，也可以是焦屑或其他含碳物质。粘结剂是水泥熟料和消石灰，可以根据不同地区的铁矿特性适当添加皂土或焙烧白云石粉。

按上述配比的冷固球团具有“微型高炉”特征：由于粘结剂CaO含量60％以上，是氧化铁还原良好的造渣剂，同时又能使球团在高温中不爆裂、不粉化，能保持完整。铁矿石还原、熔化、造渣所必须的各种细微、均匀而紧密的混合物，处于球团中进行还原反应。如同在高炉中一样，能与外界“隔开”，构成静态的“微型高炉”；在球团处于高温状态时，球团内部还原反应开始。球团本身有一个能不断向外喷出气体的过程，这些气体可以在“微型高炉”的缺口周围，形成小范围的气圈，阻止了外部氧化性气体向“微型高炉”内部扩散，进一步保证了内部还原与外部氧化气氛的“隔开”，构成了动态的“微型高炉”。因而不论球团在高温予热时，还是在炼钢炉中进行高温“钢浴”或“铁浴”时，球团本身的还原过程都能与外界气氛“隔开”。将无数个经过予热的冷固球团投入各种炼钢炉冶炼，就等于将无数个内部已部分还原或内部即将开始还原的“微型高炉”投入炼钢炉内，先快速完成氧化铁的还原，并在渣铁分离后，迅速进入炼钢过程。这种在“微型高炉”高温高压环境中，使碳素还原铁矿石的方法，不但解决了“还原”与“氧化”两个对立的反应，能在同一炼钢炉中“隔开”，并依次完成的直接炼钢最根本的难题；而且极大地改善了铁矿石与碳素直接加入炼钢炉进行反应的动力学条件，使氧化铁还原反应充分，有较高的金属化率，同时，还提高了生产率，并节省了能源。

本发明可在各种现代工业炼钢炉(包括电弧炉、氧气转炉、平炉、EOF煤氧炼钢炉、工频炉和中频炉等)上实施，无需特殊设计和制造，只需进行一些适应性改造。

例如在超高功率电弧炼钢炉实施时，由上一炉出钢后予留一部分钢液或先熔化一部分废钢作为熔池，其数量，以保证球团入炉反应后，钢液不会迅速冷却凝固为度。继续供电，使钢水保持在1600℃左右的高温，然后通过设在炉盖中心部位的烟气口，或其他部位，连续不断地将予热到200℃-1100℃的铁精矿、非焦煤和粘结剂制成的冷固球团加入炉中进行“钢浴”，当钢水达到予计数量时，停止球团“钢浴”过程，排出溶渣进行还原期操作(脱氧、脱硫、调整成份)，完毕后，混渣出钢。出钢时留有一部分剩余钢水，作为下一炉次的熔池。

为了大量生产钢，也可使用底部出钢的超高功率电炉专门进行球团的“钢浴”，另用专门的熔渣炉造白渣。出钢时，通过电炉底部出钢口，将“钢浴”后的钢水直接冲入装有熔融白渣的钢包中脱硫，扒渣后再经过钢包精炼炉完成最终炼钢任务。这种流程的优点是电网稳定，生产率可以提高一倍，可冶炼质量更好的钢。

在氧气转炉实施时，可以往炉中先加入一部分经过予热的冷固球团和石灰石，再兑入铁水，再在吹氧过程中连续加入经过予热后的冷固球团，利用吹氧燃烧铁水及冷固球团中的碳素补充能源，使冷固球团完成还原、熔化和氧化反应。上述过程，可以利用冷固球团熔点比石灰低1250℃左右，熔渣FeO含量高达25-34％，易生成泡沫渣等优点，促进化渣，防止“返干”，利于脱磷，保护炉衬。在后期操作中，还可以加入一部分经过予热的冷固球团替代废钢冷却。其余操作过程与氧气转炉常规的操作方法是相同的。

在平炉实施时，先兑入铁水。与目前平炉的操作相比，兑入平炉的铁水量可以减少到20％，以保证冷固球团有足够的“熔池”即可。补充能源的方法仍然是燃烧重油或煤气，在已实施氧气炼钢的平炉中，冷固球团完成各种还原反应的条件更进一步得到改善。兑铁水后，即可将经过予热的冷固球团连续加入炉中进行“铁浴”。使球团完成氧化铁的还原并渣铁分离，同时生成氧化性钢液，对杂质进一步氧化，排出熔渣后，通过常规的还原期操作，而获得合格钢液。由于大部分的钢是由冷固球团进行“铁浴”过程中快速还原后而炼成的，铁水炼成钢只占20％，因而改变平炉单纯依靠FeO在气—渣界面和渣—钢界面扩散脱碳的缓慢炼钢过程，提高了生产率；另外，冷固球团连续入炉直接冶炼，可以使平炉取消长时间的装废钢周期，也能提高生产率。其他操作过程与平炉常规操作方法是相同的。

本发明已经过150公斤中频炉实施，说明如下：

先将156公斤废钢装入中频炉，送电熔清后，取样化验成份如下：(％)

 C     Si     Mn     P       S

0.34     0.03     0.78     0.030     0.015将钢水倒出一部分，剩余82公斤钢水作为球团“钢浴”熔池，将66公斤经过予热的成份同前的冷固球团分批加入中频炉中进行“钢浴”，每批投入的球团以能覆盖钢液表面即可。二分钟后球团熔化，五分钟后钢液表面出现中心镜面，周围有一层氧化渣。排出氧化渣，可以再投入一批球团。连续操作，直到66公斤球团全部熔清为止。

排出的氧化渣成份如下：(％)SiO₂  TFe    FeO    S     CaO    MgO   Al₂O₃19.69    23.58    25.60    0.22    21.98    6.11     8.02

倒出炉内钢水，称量并取样化验成份如下：(％)

 C    Si   Mn   P    S

0.04    0.020  0.056  0.0043  0.187

炉内钢水重量为107.51公斤，减去82公斤熔池钢水，球团反应生成钢水25.51公斤，球团含金属铁量为44.95％，计算金属收得率为84％。

25.51公斤÷(66公斤×44.95％)＝84％实施结果表明：

1、金属Fe在钢水中综合收得率较高，达84％，具有工业实用价值。

2、整个还原、熔化、氧化过程较快，具备工业应用条件。

3、还原期前的钢水脱碳良好，有超低磷特性，易于调整钢的各种成份。

本发明的优点如下：(以使用超高功率电炉为对照例)

流程最短；投资最少；成本最低(应用本发明，由于冷固球团成本为废钢价格50％，因此电炉钢成本可以降低32％左右，使吨钢成本低于Corex——氧气转炉钢25％)；钢的质量高(没有废钢中杂质影响)；能源消耗低(包括冷固球团、粘结剂及氧气制造能耗和电弧炉电耗在内，直接炼钢能耗为800公斤标准煤/t钢左右，比Corex法的炼铁能耗低30％)。

本发明可以直接利用现有各种炼钢炉及其技术基础，易推广使用。

应用本发明，已有各种炼钢厂均可减少废钢和生铁用量，大幅度降低成本。

应用本发明，新建企业，不必再搞庞大的钢铁联合企业，只需建设经营灵活的电炉炼钢紧凑式短流程钢厂。可以减少吨钢投资50％；大幅度降低炼钢成本；不必依赖昂贵紧缺的废钢、焦炭和天然气资源；可以减少污染，改善环境质量。

Claims (9)

1、一种冷固球团直接炼钢的方法，其特征在于：

   1)在炼钢炉中予先留有一部分熔融钢液或铁水。

   2)将经过予热的冷固球团加入炼钢炉的熔融钢液或铁水中，所用冷固球团，其成份为：铁精矿     64-72％    粒度-200目         占65％非焦煤     18-24％    粒度0.3毫米以下    占95％粘结剂     10-18％    粒度12微米以下     占90％

   3)冷固球团加入熔融钢液或铁水中以后，及时补充足够的热量，使冷固球团进行“钢浴”或“铁浴”而熔化，完成金属铁的还原和对杂质的氧化。

   4)上述反应生成的钢液在氧气转炉中，可以按常规氧气转炉的操作，继续冶炼成合格钢液。在电炉或平炉中，排出熔渣后，通过常规的还原期冶炼，而获得合格钢液。也可以在电炉排出熔渣后，再通过炉外精炼装置，精炼成钢。

2、根据权利要求1所述的炼钢炉，可以是电弧炉、氧气转炉、EOF煤氧炼钢炉、平炉、工频炉、中频炉，或相应的炉外精炼装置。

3、根据权利要求1所述的熔融钢液是指在电弧炉、EOF煤氧炼钢炉、工频炉、中频炉中上一炉次出钢后，予留的钢液或用废钢在本炉次专门熔炼的一部分钢液。所述的铁水是指在氧气转炉或平炉中，本炉次兑入的铁水。

4、根据权利要求1所述的予留钢液的数量，以保证球团入炉反应后钢液不会迅速冷凝固为度。

5、根据权利要求1所述的球团予热温度是200-1100℃。

6、根据权利要求1所述的球团加入方法是连续的或频繁小批量的。

7、根据权利要求1所述的铁精矿，其特征在于正常品位TFe60～68％，也可以是品位TFe＜60％的铁矿石与品位TFe＞60％铁精矿的混合物，也可以是轧钢屑、炼钢粉尘等工业含铁碎屑与铁精矿的混合物。

8、根据权利要求1所述的非焦煤，其特征在于可以是无烟煤，半焦煤或它们的混合物，也可以是焦屑或其他含碳物质。

9、根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于可以是水泥熟料和消石灰，也可以根据不同地区铁矿的特性适当添加皂土或焙烧白云石粉。