CN1270232A - 使用煤基预还原球团的高炉炼铁法 - Google Patents
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Abstract
一种预还原二步炼铁法,它是为克服传统高炉炼铁存在的难以克服的缺陷所提出的一种新型炼铁法,即第一步先在高炉外实行矿料预还原,制成预还原球团,再将其加入高炉实行终还原及熔炼的二步炼铁。预还原球团是由铁矿粉、煤粉和粘结剂按一定配比制球后在转底炉内以1200～1350℃和10～35分钟还原后制得。最经济、最合理的预还原球团金属化率为75～85%。此外,发明人还将二步炼铁有机联接、合理匹配,更使二步炼铁具有优势互补、能源互用的效果,使高炉生产率显著提高,焦比显著下降。
Description
本发明属高炉炼铁方法及相关机械设备。
现代高炉炼铁生产技术经过长期发展，已趋成熟，各项技术经济指标以及大型化、机械化、自动化和连续化的程度都已达到很高水平，进一步发展的难度越来越大，而且高炉本身固有的缺点也越来越突出，主要有三点：一是高炉越大、强化程度越高，对焦炭的要求越高，而全世界的焦煤资源却日益紧缺，加上发达国家的焦炉寿命老化，更助长了焦炭供应危机；二是环境污染，高炉本身污染虽并不严重，但与之匹配的炼焦和烧结都是巨大的难治理污染源，治理污染本身就是投资，而且难以达到零污染，不如杜绝污染源；三是建设投资大。总之，一方面是高炉技术进步潜力已趋饱和，另一方面是高炉固有缺点难以用常规技术来克服，已经向高炉提出了挑战，迫使高炉实行进一步技术改造，以求继续生存和发展。然而，如上所述，按传统方法继续提高机械化、自动化和智能化控制，继续改善喷煤、富氧、高风温、高压操作等工艺，强化高炉冶炼及进一步提高原料品位，至今已是余地不多。仅以提高原料品位而论，我国天然富矿品位超过65％的基本没有，精矿品位现已达到65％左右(极限为70％)，再提高一个百分点，每吨精矿成本要提高约30元，高炉无法承受。
本发明的目的在于克服现有高炉存在的缺点开发一种显著减少环境污染、合理利用能源、提高生产率、降低生产成本的新的炼铁方法。
本发明采用的技术方案是将传统的高炉炼铁分成两步炼铁，即第一步高炉外炼铁和高炉内二步炼铁。所说的第一步高炉外炼铁是指将铁矿粉和煤粉制成的煤基生球团经转底炉还原处理后制成煤基预还原球团，所说的高炉内二步炼铁是指将加入高炉中的煤基预还原球团实施终还原。采用本方案，一方面由于以煤基预还原球团取代传统的烧结矿料，实现了高炉原料的根本变革；另一方面实施两步炼铁使现有传统炼铁过程发生重大变革。两步炼铁，第一步是将含碳球团在转底炉中实现铁矿石的预还原，使其金属化率达75～85％；第二步是将这种预还原的球团作为高炉原料，在高炉中实现15～25％的终还原。其特征在于将现有高炉中100％的还原过程减少到15～25％，大大减轻了高炉的负荷，从而使焦比显著降低，而预还原则是用煤作还原剂，不用焦炭，从而部分解决了炼焦问题。由于高炉中FeO大大减少，使硅酸铁难以生成，从而改善了造渣过程并使软熔带减薄并下降，对高炉顺行有利。原料结构的变化要求装料制度和造渣制度也要相应改变，熔剂可同煤粉一起由风口喷入。
高炉冶炼最基本过程是铁矿石的还原过程，它也是造成高炉冶炼费时长、能耗多及焦比难以继续下降的过程。为从根本上予以突破，发明人一是采用一种新型的在高炉外实行预还原的球团取代传统的铁矿石炉料，从而使高炉炼铁中的主要还原过程从高炉冶炼中分离出来，将传统的高炉冶炼简化为费时短、能耗少及焦比显著下降的终还原和熔铁过程；二是经上述分离所形成的二步炼铁即第一步制备预还原球团、第二步将预还原球团加入高炉冶炼时，是将二步炼铁有机联接、合理匹配，令能源互用、优势互补。
采用本发明可消除或显著改善传统高炉冶炼所存在的固有缺陷，使高炉冶炼过程发生质的变化和优化，实现高炉原料结构和工艺特性的根本变革。
本发明所说的预还原球团，是由75～82％(重量％，下同)的含铁量为55～65％的铁矿粉+18～25％的含灰份＜15％、S(硫)＜1％的煤粉+0～1.0％的粘结剂按一定配比混匀后制成直径为5～25mm生球团，经干燥后装入转底炉，在1200～1350℃下经10～35分钟还原处理后，在1000～1200℃下出炉冷却而制得。
预还原过程即球团金属化过程。金属化率太低，不能突显本发明的优点；金属化率过高，则生产率降低和能耗增高。经综合分析，75～85％的金属化率为最经济、最有效的选择。它既充分显示本发明的突出特点，又不会造成转底炉还原处理的困难，把转底炉剩下的15～25％左右的氧化铁留给高炉，对高炉内能量利用更有利，否则高炉中的这部分化学能将无法在炉内利用。所以从双联后总的能量平衡来看，这是最佳的匹配。
实验证明，保证上述球团预还原金属化率为75～85％的条件是：当还原温度为1200～1250℃时，相应最佳还原时间为25～35分钟；当还原温度为1300～1350℃时，相应最佳还原时间为10～20分钟。
由实施例表1可以看出，当温度低于1200℃时，不单费时，且金属化率显著下降；研究还表明，还原温度超过1350℃时，金属化球团易粘结。
本发明所说的二步炼铁有机联接、合理匹配的方式是：
a、生球团(1)可通过转底炉排出的热烟气在干燥机(3)中予以干燥和预
热。
b、干燥预热后的生球团(1)可由锥形滚筒(16)所制成的锥形滚筒布料
器(7)装入转底炉(8)中，进行还原处理制成预还原球团。
c、高温预还原球团可由在螺旋传动轴(25)位于原动机(24)与浮动轴承
座(21)之间装有一个万向接轴(23)，在传动轴(25)炉外部位装有
两个浮动轴承座(21)，在轴承座下各装一与底座连接的弹簧，所形成
的浮动螺旋出料机(9)出料。
d、出料后的高温预还原球团可由高炉煤气在冷却装置(10)中冷却至300
℃以下，再经筛分(12)，球状料直接加入高炉(14)，粉末料经压块机
(11)压块后加入高炉(14)。
e、将转底炉排出的高温烟气通过余热锅炉(6)和换热器(5)予以利用，
而转底炉燃烧用空气由风机(4)流经换热器(5)预热后进入转底炉(8)，
低温烟气经干燥机(3)干燥预热生球团(1)后由烟囱(2)排出。
f、高炉煤气在冷却装置(10)中将通过冷却1000～1200℃预还原球团升温
后通入转底炉(8)作为转底炉燃料。
以上详见预还原高炉二步炼铁法二步双联生产流程示意图1。图中：1-生球团，2-烟囱，3-干燥机，4-风机，5-换热器，6-余热锅炉，7-锥形滚筒布料器，8-转底炉，9-螺旋出料机，10-冷却装置，11-压块机，12-筛分，13-高炉煤气除尘装置，14-高炉。
本发明所说的能源互用、优势互补表现在：
1、转底炉排出的高温(1000～1200℃)烟气通过余热锅炉(6)产生的蒸汽可作多种用途，如发电。通过换热器(5)可预热转底炉燃烧所需空气，使其达到400～600℃。通过生球团(1)可使球团干燥并预热到300～400℃。
2、正是由于高炉使用预还原球团，使高炉煤气中CO2减少，CO比例增大，因而能够防止预还原球团再氧化，甚至还可起到继续还原作用，因此可用高炉煤气冷却1000～1200℃的预还原球团，使其不在空气中氧化，还使煤气预热到700℃以上。
3、预热煤气通入转底炉，可补充转底炉自身生成的燃烧煤气之不足。
4、令金属化率达到75～85％的预还原过程在高炉冶炼中需4～6小时才能完成，而在转底炉中则仅需10～35分钟。与此相反，由金属化率80～85％到100％的终还原在转底炉中非常困难，而在高炉冶炼却极易实现。
本发明有益效果在于降低焦比和提高生产率。在实施中，预还原球团在高炉炉料中使用的配比灵活，从10％到100％均能获得不同程度的效果，最好配比为50％以上。一般高炉料中预还原球团中金属铁所占全铁的比例(简称金属料比)每增加10％，可降低焦比5％，增产5～6％；如全部使用预还原球团，高炉原燃料配比以每产一吨生铁计算，需加入预还原球团1.2～1.3吨，焦炭0.14～0.2吨，风口喷煤粉0.1～0.15吨，喷熔剂0.2～0.25吨。在此条件下，焦比降低50％，增产可达50％以上。
如果在高炉中部分使用预还原球团，如加入50～60％的预还原球团矿，其余则应采用碱度为2.2～2.5的高碱度烧结矿，高炉炉料配比以每产一吨生铁计算，需加入预还原球团矿0.6～0.75吨，加入焦炭0.32～0.38吨，加入高碱度烧结矿0.9～1.1吨，烧结矿的碱度应按照造渣制度予以设定，风口喷煤0.05～0.2吨，增产也可达20％以上。
例如采用125m3高炉，以烧结矿为原料，焦比0.65，年产9.7万吨生铁。现按本发明建一座250m2的转底炉，用无烟煤和少量烟煤作还原剂，年产预还原球团20万吨，用高炉煤气作为转底炉燃料，年耗还原用煤7.2万吨。
高炉炉顶加入焦炭和预还原球团，焦比为0.23，在风口喷入煤粉和石灰粉，年耗煤粉1.28万吨，石灰粉4.16万吨，高炉年产生铁16万吨。
又如采用两座300m3高炉，用烧结矿为原料，焦比0.515，风口喷煤煤比为0.07，年产生铁49万吨。现按本发明建一座450m2的转底炉，年产预还原球团38万吨，并相应把烧结矿碱度提高到2.4，转底炉用无烟煤和少量烟煤作还原剂，用高炉煤气作为转底炉燃料，年耗还原用煤13.6万吨。
高炉炉顶加入焦炭、预还原球团和高碱度烧结矿，高炉焦比为0.353，风口喷煤煤比为0.06，两座高炉年产生铁61万吨。
本发明的预还原工艺在环境保护方面，工艺过程不产生污水和固体废弃物，无超常规的噪声，转底炉粉尘排放小于100mg/m3，如加布袋除尘可低于50mg/m3(国家标准为100mg/m3)。SO2排放量为100～150ppm(国家标准为850ppm)。由于取代了烧结矿和减少了焦炭生产，使现有钢铁厂这两大污染源得以根除或缓解。特别是对我国地方小高炉，使用土烧和土焦，并大量排放炉顶煤气和烟尘，为当前产业政策所不容。如用本发明加以改造即可达到国家环保标准，并同时取得增产和节能效果，本发明将对我国中小型高炉的改造具有重要的现实意义。
为使转底炉处理预还原球团时运行更为合理，发明人还对转底炉原布料器及螺旋出料机予以改进。首先以水冷的锥形布料滚筒替代原布料器中的园柱形布料滚筒，以保证布料均匀。由于炉底呈环形，而以园柱形滚筒布料就会造成以同样的料量布在不同的面积上形成布料不均。采用锥形滚筒布料器使料量由内向外连续增加可保证布料均匀，锥形滚筒尺寸可依底盘大小予以设定。图2为锥形滚筒布料器示意图，图2b为沿锥形滚筒方向的左视图，图2a为顶视图。图中15为料仓，16为锥形布料滚筒，17为炉底，18、19分别为滚筒和炉底旋转方向。
此外，为适应炉底旋转时可能出现的上下波动，发明人还在原有螺旋出料机的螺旋传动轴(25)上处于原动机(24)与浮动轴承座(21)之间装有一个万向接轴(23)，在传动轴炉外部位装有两个浮动轴承座(21)，轴承座下各装一弹簧(20)与底座连接。由此可使出料机随底盘的波动而上下浮动。弹簧(20)的尺寸和选材可依转底炉的生产规模予以设定。图3为浮动螺旋出料机示意图。图中20为弹簧，21为浮动轴承座，22为水冷出料螺旋，23为万向接轴，24为原动机，17为炉底，25为螺旋传动轴，26为浮动方向，27为螺旋旋转方向。
制备预还原球团实施例见表1。
表1
Claims (11)
1、一种以煤基预还原球团作为炉料的高炉炼铁法，它包括第一步高炉外预还原和将预还原产物加入高炉内实行二步炼铁，其特征在于所说的第一步高炉外炼铁是指将铁矿粉和煤粉配制成煤基生球团经转底炉还原处理，所说的预还原产物是指经转底炉预还原处理所获得的煤基预还原球团，所说的在高炉内二步炼铁是指将加入高炉中的煤基预还原球团实施终还原。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的煤基预还原球团是由75～82％的含铁量为55～65％的铁矿粉+18～25％的灰份＜15％及S(硫)＜1％的煤粉+0～1.0％粘结剂按一定配比混匀后制成直径为5～25mm的生球团(1)，经干燥后装入转底炉(8)中，在1200～1350℃下经10～35分钟还原处理后，在1000～1200℃下出炉冷却而制得。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于当还原温度为1200～1250℃时，相应最佳还原时间为25～35分钟；当还原温度为1300～1350℃时，相应最佳还原时间为10～20分钟。
4、如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于预还原球团的最佳金属化率为75～85％，亦即铁矿炉料75～85％的还原过程要在转底炉内完成，余下的终还原则在高炉中完成。
5、如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：
a、生球团(1)可通过转底炉排出的热烟气在干燥机(3)中予以干燥和预
热；
b、干燥预热后的生球团(1)可由锥形滚筒(16)所制成的锥形滚筒布料
器(7)装入转底炉(8)中，进行还原处理制成预还原球团；
c、高温预还原球团可由在螺旋传动轴(25)位于原动机(24)与浮动轴承
座(21)之间装有一个万向接轴(23)，在传动轴(25)炉外部位装有
两个浮动轴承座(21)，在轴承座下各装一与底座连接的弹簧，所形成
的浮动螺旋出料机(9)出料；
d、出料后的高温预还原球团可由高炉煤气在冷却装置(10)中冷却至300
℃以下，再经筛分(12)，球状料直接加入高炉(14)，粉末料经压块机
(11)压块后加入高炉(14)；
e、将转底炉排出的高温烟气通过余热锅炉(6)和换热器(5)予以利用，
而转底炉燃烧用空气由风机(4)流经换热器(5)预热后进入转底炉(8)，
低温烟气经干燥机(3)干燥预热生球团(1)后由烟囱(2)排出；
f、高炉煤气在冷却装置(10)中将通过冷却1000～1200℃预还原球团升温
后通入转底炉(8)作为转底炉燃料。
6、如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于加入高炉的预还原球团可为炉料的10～100％。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于当炉料中预还原球团的配比为100％时，每产一吨生铁应加入预还原球团1.2～1.3吨，焦炭0.14～0.2吨，风口喷煤粉0.1～0.15吨，喷熔剂0.2～0.25吨。
8、如权利要求6所述的方法，其特征在于当炉料中预还原球团的配比为50～60％时，每产一吨生铁应加入预还原球团0.6～0.75吨，碱度为2.2～2.5的高碱度烧结矿0.9～1.1吨，焦炭0.32～0.38吨，风口喷煤0.05～0.2吨。
9、如权利要求4所述的方法，其特征在于加入高炉的预还原球团可为炉料的10～100％。
10、如权利要求4所述的方法，其特征在于当炉料中预还原球团的配比为100％时，每产一吨生铁应加入预还原球团1.2～1.3吨，焦炭0.14～0.2吨，风口喷煤粉0.1～0.15吨，喷熔剂0.2～0.25吨。
11、如权利要求4所述的方法，其特征在于当炉料中预还原球团的配比为50～60％时，每产一吨生铁应加入预还原球团0.6～0.75吨，碱度为2.2～2.5的高碱度烧结矿0.9～1.1吨，焦炭0.32～0.38吨，风口喷煤0.05～0.2吨。
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