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中国隧道窑生产直接还原铁现状及其发展


中国隧道窑生产直接还原铁现状及其发展

周连海
摘要:回顾世界及中国隧道窑直接还原铁的历史,分析了中国隧道窑生产直接还原铁技术优势以及以后的
发展方向。

关键词:隧道窑 直接还原铁 现状 发展方向

1 前言
直接还原铁(英文 DRI)俗称海绵铁,是将铁矿用 CO 或 H2 直接还原成固态产品。有气 孔,密度不高。直接还原铁是废钢的替代品,炼钢中配加直接还原铁是控制有害元素的主要 手段,同时也是提高钢材质量,增加钢材品种,是粉末冶金的重要原料。鉴于直接还原铁的 重要性,就世界直接还原铁(海绵铁)的生产来说,发展速度很快, 。1980 年,世界直接还 原铁 (海绵铁) 产量仅 728 万吨, 1998 年增加到 3709 万吨, 还原铁平均年增长 10.42%, 2001 年产量 4051 万吨, 2002 年产 4300 万吨, 2003 年达 4950 万吨, 2004 年达到 5460 万吨, 2005 年达到 6000 万吨,2006 年达到 6500 万吨,2007 年达到 7000 万吨。2008 年上半年万吨。 其中,印度为 1500 万吨,增长率为 16.6%,委内瑞拉为 869 万吨,增长率为 11%,伊朗为 687 万吨,增长率 6.8%, 按照生产工艺划分,米德兰法占主要地位,约占总量的 62%,希尔工艺约占总量的 20%, 其他工艺约占 18%。 按主体设备可分为竖炉法、回转窑法、转底炉法、反应罐法、罐式炉 法和流化床法等。目前, 世界上 90%以上的直接还原铁是用气基法生产出来的。但是天 然气资源有限、 价高, 使生产量增长不快。 用煤作还原剂在技术上也已过关, 可以用块矿、 球团矿或粉矿作铁原料( 如竖炉、流化床、转底炉和回转窑等) 。所以发展迅猛。 我国生产直接还原铁的产量不断增长, 1997 年的 7 万吨, 2002 年产量为 30 万吨, 从 到 2003 年产量为 35 万吨,2004 年产量为 40 万吨,2005 年也仅为 43 万吨左右,2006 年产量 为 50 万吨,2007 年产量为 60 万吨。我国直接还原铁生产能力为 80 万吨/年,世界冶金行 业把我国的直接还原铁(海绵铁)产量定为零。但是需求很大,从 2000 年直接还原铁进口 量 11.6 万吨到 2003 年的 168 万吨,到 2007 年的万吨。 我国生产直接还原铁的工艺主要有回转窑方法,隧道窑,倒焰窑等,其中回转窑是将矿 物,还原剂,脱硫剂等加入回转窑尾部,通过与炉气逆向运动,将矿物还原成直接还原铁。 其机械化程度较高,操作环境不错,劳动强度低,污染较轻,但是存在着产量低,质量低, 投资大,成本高,易发生结圈故障,实践应用不太成功。倒焰窑在我国发展较早,主要是将 矿物和还原剂的用煤或煤气通过燃烧室喷火间歇加热,还原成直接还原铁。但由于能耗高, 产量低,环境污染等缺陷,现在几乎不用了。隧道窑生产直接还原铁是一种比较成熟,适合 中国国情的直接还原铁工艺。

2 中国隧道窑直接还原铁历史
隧道窑罐装法生产直接还原铁(海绵铁)是瑞典人在 1911 年首先用于工业生产直接还 原铁(海绵铁)的方法,是将铁粉和还原剂加入罐中,然后燃烧加热,还原成高纯度铁的工 艺。经过多年的技术发展,已经是一种有效的生产直接还原铁(海绵铁)的方法。 我国在 50 年代末和 60 年代初粉末冶金工业普遍采用倒焰窑和反射炉等小批量地生产直 接还原铁,用于生产还原铁粉。1965 年上海粉末冶金厂建立我国第 1 座 38.5m隧道窑开始
周连海(1954~) 1 北京中冶钢联工程技术有限责任公司 副总工程师

成批量地生产直接还原铁。1993 年山东莱芜粉末冶金厂首先在 2 座 54m隧道窑试生产炼钢 用直接还原铁供莱钢特钢电炉炼钢用,该厂于 1995 年又建 1 座 66m隧道窑用于生产炼钢用 直接还原铁。我国隧道窑法直接还原铁厂从 1993 年至 1997 年全国建成 12 家包括山东莱芜 粉末冶金厂、湖北罗田海绵铁厂、抚顺钢厂建安公司海绵铁厂、安徽霍邱海绵铁厂、新牟钢 铁公司临城海绵铁厂、邢台益新海绵铁制造公司、邯郸马头海绵铁厂、哈市东方海绵铁有限 公司、阜新海绵铁厂、沙河市巨火企业集团、通化还原铁厂、河南桐柏还原铁有限公司,共 建有隧道窑 17 座,设计年生产能力为 17.4 万t。 70 年代最长的隧道窑为 68m。80 年代武钢粉末冶金公司建成 1 座 105m隧道窑,90 年 代武钢粉末冶金公司又建成 1 座 154m隧道窑。 1997 年马钢铁合金厂建成 1 座 166m隧道窑, 到目前为止国内建有约 40 座小型隧道窑。1994 年全国生产直接还原铁约 5 万t用于生产还 原铁粉。

3 中国隧道窑直接还原铁 现状
随着直接还原铁需求量大增, 隧道窑直接还原铁技术的不断完善。 以北京中冶钢联工程 技术有限责任公司为代表的科研团队, 对隧道窑直接还原铁工艺进行了深入的研究, 取得多 项重大科研成果, 改变了隧道窑工艺落后与国外的情况, 使中国隧道窑直接还原铁工艺居于 世界领先水平。 3.1 产量大幅度提高。 以前国外烧油或气加热隧道窑直接还原的生产规模比较大,窑长从 165~275m分别为 11000t和 60000t。而国内烧块煤加热隧道窑直接还原生产规模较小,窑长从 54~104m, 分别为 3000t和 12000t,从 2001 年开始,北京中冶钢联工程技术有限责任公司开发出了 隧道窑直接还原铁新工艺(A-C 工艺) ,改块煤加热,变为煤气发生炉加热,窑长由 54~300 米,单体窑产量由 3000 吨,发展到 100000 吨,设计生产由万吨到现在的 60 万吨。使隧道 窑的产量大幅提高。 3.2 能耗降低,节能环保。 由于以前我国烧块煤加热隧道窑生产, 产量低, 规模小, 故能耗比瑞典赫格纳斯公司高, 有的高出 2 倍以上。同时燃烧块煤,其中 CO,SIO 等大量排放,造成环境的大污染。余热回 收设施不完善,能源浪费。现在我国均采用煤气发生炉,燃烧煤气,天然气或重油,使得能 耗达到国际先进水平, 排放达到环保要求。 北京中冶钢联工程技术有限责任公司的 A-C 工艺, 将余热全部回收,将排放的 CO 等回收再次利用,能耗降低 50%。 3.3 机械化程度大幅提高。 以前国外隧道窑装备机械化程度高,采用装料机、卸锭机、内芯还原剂吸出机、外还原 剂吸出机和设有气幕风机、排烟风机、余热锅炉等。而国内烧块煤隧道窑装备比较简陋,武 钢和马钢烧混合煤气隧道窑装备机械化程度也不高, 北京中冶钢联工程技术有限责任公司自 2003 年就开始将采用自动化装料卸料机械,内芯还原剂吸出机、外还原剂吸出机等机械化 程度高的自动化生产线,现在已有多家投入生产。 3.4 产品质量稳定。 以前国外隧道窑自动化程度高,设有温度自动调节系统;炉顶温度多点记录;炉两侧温度 切换指示;炉膛压力指示等可以控制反应罐内上下部温差<50℃。 而国内隧道窑也缺乏自动化 控制,多为手工操作,控制手段少,致使窑断面上下部温差在 100℃左右,导致产品质量不 稳定、成分不均匀,每批产品质量不一致。当前由北京中冶钢联工程技术有限责任公司开发 的隧道窑全过程自动化操作监控系统,已研制成功,并即将投入使用。此系统可有效监控隧 道窑所有生产环节,直接对其进行操作,对发生异常的情况进行报警,并采取相应的处理措 施。从而使对隧道窑窑体要进行技术改造,工艺设备要逐步完善。要强化质量管理意识,重
周连海(1954~) 2 北京中冶钢联工程技术有限责任公司 副总工程师

视入厂原料和还原剂的选择,严格控制窑断面上下部温差<50℃,保证产品质量稳定及成分 均匀化,提高产量、降低能耗、降低成本、提高市场竞争力,有效提高企业经济效益。

4 隧道窑直接还原铁发展方向
从世界范围看,电炉钢产量日益增长,而高质量废钢的供给又严重不足,世界直接还原 铁未来的需求量将会不断增长。 同时随着直接还原铁生产技术逐步成熟, 世界直接还原铁的 产量也将会继续增长。 目前,世界直接还原铁新建项目主要集中在美国、委内瑞拉、澳大利亚和印度。在委内 瑞拉, 直接还原铁生产厂将继续会从低生产成本中获益, 该国直接还原铁生产成本比世界其 他地区的成本要低得多, 该国的DRI产量将会继续保持增长。 印度近几年的直接还原铁发 展迅速,也具有一定的成本优势,其直接还原铁产量将会保持较高增长。澳大利亚拥有丰富 的铁矿资源,其天然气价格也较便宜,未来几年有可能成为新的直接还原铁供应基地。 我国是全球最大的产钢国和废钢消费国, 同时是废钢资源极为短缺的国家。 2003年, 我国产钢22亿吨, 比上年增长22. 38%, 成为全球第1个年产钢量突破2亿吨的国家, 并连续近十年保持钢产量世界第一。 由此拉动的废钢消费促使废钢供应矛盾日趋突出。 据统 计, 2003年我国钢铁企业生产回收的废钢铁1128万吨, 非生产回收废钢铁374万 吨,合计为1502万吨,同比增长158万吨;而全年炼钢消耗废钢4650万吨,辅助 炼钢消耗废钢100万吨, 共消耗废钢4750万吨。 如果按照30%的比例配直接还原铁 (海绵铁)的话, ,仅缺口部分就需要974.4万吨直接还原铁(海绵铁) 。2003年我 国从国国外进口直接还原铁(海绵铁)250万吨,而我国直接还原铁生产能力仅为60万 吨/年,2003年产量为40万吨,远远不能满足需求。 我国虽然是世界第一产钢大国和耗钢大国, 但却不是钢铁强国, 钢铁产品在国际市场上 竞争力不强,在钢材品种和质量方面,还不能适应国民经济的发展要求,我国每年还要从国 外进口钢材四千余万吨(主要是优质钢和特种钢) ,而海绵铁正是生产优质钢和特种钢的必 备原材料之一。 随着今后对钢铁产品品种和质量要求的不断提高, 发展电炉短流程炼钢势在 必行,而用直接还原铁(海绵铁)补充我国废钢的不足,将是必然的结果。 4.1 缩短流程,提高产量: 当前隧道窑直接还原铁工艺已经很成熟,但是存在着流程过长,只有缩短流程,才能提高产 量。当前隧道窑直接还原铁主要流程是矿粉和还原剂加热烘干,运输,装料,如窑,加热, 出窑,卸料,破碎,压块等工序,这样的流程太长,直接影响产量。设备投资比较大。如果 缩短这种流程,就能使投资减少,产量提高。 4.2 减少还原时间, 。 提高单条隧道窑产能的一个主要的方法是缩短还原时间, 只有将还原时间缩短, 产量会大幅 度提高。当前隧道窑直接还原铁的还原时间约为 40 小时,现在不少科研院所在不断进行实 验,努力缩短直接还原时间,并取得了一些有益的探索,但是由于时间缩短了,影响了 4.3 改善劳动强度,提高生产效率。 以前国内隧道窑直接还原铁主要是人工操作, 劳动强度很大, 效率很低, 产能无法提高, 近年来北京中冶钢联工程技术有限责任公司研制开发了自动化装卸料系统,自动吸灰等系 统,工人劳动强度降低 80%,效率提高 65%,尽管如此,还是有很多工作需要深入研究。 4.4 将自动化应用到生产的各个环节,提高直接还原的质量。
周连海(1954~) 3 北京中冶钢联工程技术有限责任公司 副总工程师

将电气,仪表和计算机的一体化自动化系统,检测仪表,控制系统应用到隧道窑直接还原铁 项目中,全程监控设备运行。这样使直接还原铁的质量稳定,罐内温差相差<30o 。当整个 系统发生异常,能够随时报警,并采取相应的措施。同时北京睿智飞腾科技集团正在开发隧 道窑直接还原铁专家系统,从而使隧道窑直接还原铁生产达到一个新高度。 4.5 提高热效率,回收利用,降低能耗。 随着国内还原铁技术的日益成熟,将余热通过换热器进行了回收,燃烧生成的 CO 等气体进 行了回收,然后进行二次燃烧,使能源得到了很好的利用。除了这些,还要在提高燃烧强度 上下功夫。提高燃料的利用率。

5 结论
总之通过对隧道窑直接还原铁工艺的探讨,隧道窑直接还原铁工艺在中国已经比较成 熟,隧道窑生产直接还原铁投资少,见效快,产品质量稳定,环保节能,适合大规模的工业 生产,现在已有 60 万吨规模,如果能够使能耗再降低一点,效率再提高,单窑产量可达 15 万吨,年产量可达百万吨。

参考文献
[1] [2] [3] 杨婷,孙继青 《世界还原铁市场现状及前景》冶金信息导刊 2006 年第四期 袁熙志 《直接还原铁市场分析》 四川冶金 2000 年第三期 p59 梁文阁 《煤基隧道窑直接还原铁生产现状及发展》特殊钢第 20 卷第三期 p30 P7-8

周连海(1954~)

4 北京中冶钢联工程技术有限责任公司 副总工程师


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