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        煙氣分析儀在非高爐煉鐵之熔融還原新方法LSM工藝中的應用探討
        瀏覽: 發布日期:2011-06-23

         

          高爐煉鐵經過了漫長的技術發展過程,特別是近年來,在各種現代高新科技的支持下,高爐煉鐵技術迅速發展。世界煉鋼生鐵的供應60%左右來自高爐,而我國幾乎100%來自高爐煉鐵。

          熔融還原開發的目的是避開高爐煉鐵的缺點,并具有優于高爐煉鐵的技術經濟指標和環境保護指標,否則即失去了開發的意義。因此,任何一種熔融還原方法,應該滿足一定的技術經濟要求:低能耗、低成本,環境友好;單位容積的生產率高于高爐,年產量低于100萬t或更低仍然經濟;可使用鐵礦石粉礦,無須燒結機和焦爐等用于原料塊狀化加工的設備;可全部或大部使用非焦煤為燃料,擺脫對冶金焦炭的依賴;設備的開機、停機簡單,能提高生產的靈活性;流程短,無須巨大的配套設備。

          LSM工藝即是遵照上述原則開發的一種新的熔融還原煉鐵技術。將高爐從軟熔帶以上躺倒改為水平床,演化而來了LSM工藝設備。LSM工藝吸收了日本神戶制鋼轉底爐(Fastmet、ITmk3)、日本川崎鋼鐵(HI-QIP)等國外直接快速還原先進技術,總結分析了我國原冶金部鋼鐵研究總院、北京科技大學、東北大學、重慶大學等的試驗研究成果,并根據我國資源特點開發的一種新穎的熔融還原煉鐵方法,具有自主知識產權。經過半工業試驗表明,LSM工藝既適合于新建熔融還原煉鐵廠、鑄件生產廠,也適用于對現有中、小高爐的嫁接改造,規??纱罂尚?,是一種極具競爭力的非高爐煉鐵技術。

          1、LSM工藝特點

          眾所周知,在一定的溫度條件下,不需要提供任何其他還原條件,含碳球團就可達到100%金屬化率。含碳球團的這一還原過程類似一個沒有軟化、熔融過程的“微型高爐”。LSM煉鐵工藝采用含碳球團為原料,摒棄了高爐、COREX以間接還原為主的鐵礦還原工藝,吸收了轉底爐快速還原工藝的特長,有較高的生產率。

          連續加料,連續熔分。固態預還原爐床上的爐料料層只是一個100~300mm的薄料層,因此沒有高爐生產的料柱透氣性問題。經過固態還原后的含碳球團在達到一定程度的金屬化率后,體積縮小,溫度很高,直接、連續不斷地排入到熔分爐內。熔分爐即是終還原爐,也是渣鐵分離的設備。熔分爐的燃料可以是焦炭、型焦,也可以是非焦煤、型煤、天然氣、煤氣或重油,完全可根據當地條件選擇。

          鼓風順流焙燒預還原,防止含碳球團再氧化。由于含碳球團具有很強的自還原能力,所以其還原速度很快。但隨著溫度升高,當氧化速度大于還原速度時,球團金屬化率開始下降,再氧化速度加快。采用鼓風方式焙燒含碳球團是LSM工藝的關鍵技術之一,可有效避免球團再氧化。

          熔分爐的結構與高爐爐缸的結構有些相似,但LSM的熔分爐與高爐、COREX、FINEX的熔融氣化爐的作用明顯不同,LSM的熔分爐沒有造(還原)氣任務,只是一個含碳球團的終還原爐,渣鐵熔化爐和渣鐵分離裝置。任務不同,其操作要求和操作方法也不同。

          LSM工藝解決了長期預還原爐與終還原爐生產能力不匹配的問題。

          LSM工藝既具有“一步法”熔融還原碳的直接還原反應速度快的特點,又具有“二步法”熔融還原預還原金屬化率高的特點,獨特之處在于,預還原后的高溫爐料直接送入熔分爐進行渣鐵分離。預還原與終還原沒有明顯的分界點,也就是說,固態預還原金屬化率可以控制在一個較大的范圍內,而不必刻意要求固態預還原溫度和金屬化率,因此也被稱為“一步半”熔融還原煉鐵法。一般情況下,LSM工藝預還原金屬化率較高(>90%),因而可大大降低熔分爐的操作溫度和提高含碳球團在熔分爐內的熔化速度,較靈活地解決預還原與終還原、渣鐵分離生產能力的匹配,從而提高生產率。

          2、原料及產品

          LSM采用含碳鐵氧化物球團生產鐵水,原料來源廣泛。其主要生產原料包括:含鐵氧化物(鐵精礦粉、硫酸渣、鐵鱗及工廠含鐵廢棄物等),一般全鐵含量應TFe≥63%;還原劑(煤粉、焦粉、焦油等),一般固定碳含量應大于75%,且灰分越少越好;熔劑和粘結劑。原料可根據當地資源情況和產品選擇,對于粉礦品位達不到要求的,可采取進一步富集品位或混配料的方法解決。

          采用合格的鐵精礦粉作原料,噸鐵主要物料消耗見表1。

          表1:LSM工藝主要物料噸鐵(C4%)消耗

        名稱

        主要技術指標

         /kg

        備注

          鐵精礦粉/kg

          TFe≥ 63%

        1575

         

          煤耗/Kg

          C≥75%

        750

         

          1) 煤粉/kg

          C≥75%

        420

         

          2) 燃料煤/kg

          C≥75% 塊度10~25mm

        330

        熱風、富氧助燃

          熔劑+粘結劑

         

        105

         

          3、LSM工藝流程

          按照設計要求的比例(重量比)將含鐵氧化物、還原劑(煤粉或焦粉等)、熔劑和粘結劑經高強度攪拌混勻,對輥成型機或圓盤造球機制成含碳鐵氧化物球團,經干燥后再將含碳球團送入水平固態預還原爐床進行預還原。同時從固態還原區的下部送入(富氧)熱風,爐床上的高溫層向下延伸,從而對整個料層實現順流式還原焙燒。在焙燒層中,還原反應生成的CO在球團周圍燃燒放熱以加熱球團,最大限度地縮短了傳熱距離。而爐料的上方有來自熔分區的含有大量CO的高溫煤氣在固態還原區進行二次燃燒,為固態還原區提供一部分物理熱和化學熱。經過固態還原后的含碳球團在達到一定程度的金屬化率后,體積縮小,溫度很高,直接、連續不斷地排入到熔分爐內。預還原后的含碳球團在熔分爐內進一步還原— 滲碳— 熔化,渣鐵過熱與分離。

          4、LSM工藝的設備特點

          4.1 主要配套設備及建設投資

          LSM工藝的配套設備與高爐煉鐵熔煉設備基本相同,需要配備爐前出鐵場設備、熱風設備、除塵設備及鐵前配料設備和運輸設備,但卻甩掉了燒結廠、焦化廠,從而大大縮短了工藝流程。LSM熔融還原工藝采用的核心設備是固態還原爐及與之相連的熔分爐。

          1)固態預還原采用水平振動床

          水平固態預還原爐是LSM工藝的關鍵設備之一。LSM工藝沒有采用國內外普遍看好的豎爐或轉底爐,而是采用了水平振動爐床。沒有采用豎爐的原因是,豎爐不僅有料柱透氣性問題,需要塊礦或球團礦,同時避開了含碳球團的高溫強度問題;沒有采用轉底爐的原因是,轉底爐結構相對比較復雜,維修困難,一次性投資較高。

          振動床水平布置,結構非常簡單。振動床上由預熱段和鼓風焙燒段組成,焙燒段下裝配有鼓風裝置。該設備借鑒了目前使用冶金設備的成熟技術,工作時振動裝置驅動固態還原爐通道內的料槽產生水平振動,靠慣性作用力迫使含碳球團在料槽內前進。

          2) 熔分爐

          LSM熔分爐與高爐爐缸的結構相似,完全可以將高爐爐缸碳磚結合冷卻壁技術,陶瓷杯技術應用到LSM工藝的熔分爐上。在特殊條件下,還可以在線更換熔分爐的爐缸部分,可大大提高設備的利用率。同時,熔分爐的供風裝置較高爐進行了改進,可以使用全氧或富氧、或單純熱風冶煉。

          LSM工藝設備簡單,流程短,配套設備少,投資少,一次性投資僅為高爐的75%。表2列出了幾種煉鐵流程噸鐵投資比較。

          表2:各種煉鐵流程投資比較

        序號

        煉鐵流程

        產品

        年產量(萬t

         投資(萬元)

        噸鐵年投資(元/t·a

        1

        1500m3高爐

        煉鋼生鐵

        100

        103500

        1035

        2

        C2000 COREX

        煉鋼生鐵

        100

        113496

        1135

        3

        日本神戶ITmk3

        煉鋼粒鐵

        50

        105410

        2108

        4

        北科大COF-C

        海綿鐵

        3

        1800

        600

        5

        LSM工藝

        煉鋼生鐵

        10

         

        750

          4.2 控制、操作容易

          生產工藝控制比較容易。一般”二步法”熔融還原工藝對含碳球團的預還原金屬化率均有比較嚴格的要求,而LSM工藝卻沒有。雖然含碳球團經固態還原爐預熱、焙燒后,含碳球團金屬化率最低可達到90%以上,因LSM工藝對預還原金屬化率沒有嚴格的要求,甚至較低的預還原金屬化率也可照常生產。熔煉過程的啟動、關閉簡便易行,特別是采用積木結構進行大規模組織生產時,可以隨時關閉其中任一套單體,進行檢修,更換附件,調整生產節奏等,從而使煉鐵和煉鋼作業有效銜接,而不必鐵水限產。

          5、LSM的優越性

          LSM煉鐵工藝克服了高爐煉鐵,COREX、Hismelt熔融還原法所存在的缺點,具有明顯的自身優越性。下面重點說明一下高爐煉鐵與LSM煉鐵的相同與不同。LSM煉鐵設備與高爐煉鐵設備和操作有許多相似的地方,因此與高爐配套的設備稍加改造后,即可用于LSM工藝生產。

          高爐的原料場,運輸存貯設備、鐵前配料系統(但需增加強力攪拌和含碳球團制備設備),出鐵場全部設備,除塵系統等均可直接用于LSM工藝生產。高爐的熱風裝置和鼓風系統,稍加改造后即可使用。

          雖然LSM的熔分爐類似于高爐爐缸,但與高爐相比卻有如下的不同:

          原料不同:為保證高爐內料柱的透氣性,保證爐內煤氣有較均勻的上升通道,高爐必須使用塊礦,所以必須配套建設造塊廠如燒結廠、球團廠等,必須使用具有一定冶金強度的焦炭,造成高爐煉鐵流程很長;而LSM只需將鐵精粉與還原劑、粘結劑冷壓(或熱壓)成含碳球團即可,可不用焦炭和燒結礦,也就沒有必要建焦化廠和燒結廠,因此相對高爐鐵前流程短得多。

          加料方式不同:高爐采用礦槽配料、斜橋、料車卷揚分批上料,上料系統龐大;而LSM采用Z型皮帶機或吊車上料,而料倉對預還原爐則是連續加料,加料系統非常簡單。

          爐內型線不同:LSM熔分爐的內型線類似酒瓶,爐內布風均勻,有利于爐內氣流分布;而高爐內型線豎長,煤氣上升時分布不均,容易形成“管道”。

          爐內料柱:一般小型高爐的有效高度Hu/爐腰直徑D比,即Hu/D約為3.7~4.5,中型高爐Hu/D約為2.9~3.5,爐內料柱較高。當爐料不好或操作不當時,料柱透氣性變差,爐內容易結瘤、棚料,進而使高爐長時間難以順行;而LSM工藝的熔分爐的Hu/D≤2.0,因而料柱很短,幾乎不存在料柱透氣性、結瘤和棚料問題。

          由于LSM熔分爐矮胖,因而鼓風機的出口風壓要比高爐低一半以上,可以節約鼓風電力。

          LSM工藝的熔分爐可以全氧或高富氧率冶煉,而高爐則不能。

          鐵礦還原工藝不同:高爐是以間接還原為主的生產設備,間接還原率一般達到65%以上,所以高爐從加料到出鐵的時間一般在6.5~7h,最現代化的高爐也要4h以上;而LSM熔融還原煉鐵是以鐵礦直接還原為主的冶煉設備,當含碳球團預還原金屬化率達到90%以上時,高溫球團進入熔分爐內后幾分鐘之內就會熔化,LSM工藝從加料到出鐵的時間僅在1h之內。因而LSM工藝的生產效率大大高于高爐。

          LSM熔分爐與高爐的操作工藝有很大區別,在LSM熔分爐中燃燒1kg固定碳所發生的熱量高達27MJ/kgC以上,而高爐只有10MJ/kgC左右,相差2.7倍之多??梢娕c高爐冶煉相比,LSM工藝更有利于節約能源,減少排放,降低消耗。

          6. 結論

          經過國內外冶金專家、學者多年的理論研究和試驗,以含碳球團為原料的還原工藝,理論上的可行性和科學性均已得到解決。國內外對以含碳球團為原料的熔融還原技術,積累了大量的實踐經驗,成為LSM工藝的技術為依托。Hismelt、COREX、FINEX工藝雖有其突出的優點和驕人的成績,但也存有一些明顯的缺點。從以上論述中可以看出LSM工藝對于上述工藝的優越性。

          LSM煉鐵工藝具有獨特的工藝設備,適宜建設單體年產15~30萬t的生產線。在高富氧或全氧冶煉情況下,單體設備生產能力可達到30~60萬t。

          在與現有煉鋼設備配套或要求達到一定的規模效益時,LSM工藝還可采用模塊結構擴大生產規模。模塊結構的含義是共用鐵前準備,并列建設單體固態預還原爐加熔分爐。這意味著LSM工藝技術生產組織靈活,既可在很寬的生產能力范圍內發揮效益,又可分階段實施。巴西開發的Tecnored煉鐵工藝為我們提供了這方面的經驗。

        LSM工藝是一種設備簡單,流程短,投資少,成本低,環境友好的煉鐵技術,可以用來新建煉鐵設備、也可用來嫁接改造中小高爐,使之擺脫高消耗、高污染、高成本等“三高”困擾,淘汰落后產能,形成嶄新的生產力。

                從LSM工藝上來看,在整個工藝中依然存在還原碳燃燒及CO二次燃燒,包括以前的工藝中還原煤氣等經過還原后都會有一個相應的氣體氛圍。而煙氣分析儀作為檢測這個氣體氛圍提供了科學的依據。德圖煙氣分析儀可以提供比較精確的測量及全面的解決方案,即便新工藝中的LSM熔分爐出口煙氣及所涉及的全氧或者富氧冶煉的可能提供更為先知冶煉工藝。作為煙氣分析儀依然可以并值得廣大鋼鐵冶煉企業的裝備,同時可以涉及環保監測的要求。

         
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