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我国煤基隧道窑直接还原铁生产现状及发展


我国煤基隧道窑直接还原铁生产现状及发展
梁文阁

Present Status and Development of Coal Based Tunnel Kiln Direct Reduced Iron Production in China
Liang Wenge (Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081) 1997 年世界直接还原铁产量达到 3 620 万 t;预计 2 000 年达 5 000 万 t,2010 年可达 7 000 万 t。 世界上直接还原法按使用还原剂种类可分为气基直接还原法(生产 能力占 92%)和煤基直接还原法(生产能力占 8%)。 煤基直接还原法按还原装置类型分为回转窑、固定床(隧道窑)、旋 转床、竖炉。 国外隧道窑生产直接还原铁情况见表 1。 表 1 国外隧道窑直接还原铁的生产 Table 1 Production of overseas tunnel kiln direct reduced iron 国别和地名 米尔顿 (加拿大) 蒙德雷 (墨西哥) 建立 直接还原铁 隧道窑规模和生产能力 年代 用途 1950 1 座隧道窑年产 9 000 t 1952 1 座隧道窑年产 1 万 t 粉末冶金及 代替废钢 冶炼普通 沸腾钢

卡姆配斯脱拉 1952 2 座隧道窑年总产 5 万 t 生产特殊钢 (巴西) 俄亥俄州 (美国) 川崎钢公司 (日本) 1954 1 座隧道窑年产 8 000 t 粉末冶金 1966 2 座隧道窑年总产 2 万 t 粉末冶金

同和铁粉公司 1965 2 座隧道窑年总产 2 万 t 粉末冶金 (日本) 日本铁粉公司 1965 1 座隧道窑年产 1 万 t (日本) 苏林粉末冶金厂 1965 1 座隧道窑年产 1 万 t 粉末冶金 粉末冶金

(原苏联)

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 38.5 m 隧道窑开始成批量地生产直接还原铁。70 年代最长的隧道窑为 68 m。80 年代武钢粉末冶金公司建成 1 座 105 m 隧道窑,90 年代武钢粉末冶金公司又建成 1 座 154 m 隧道窑。1997 年马 钢铁合金厂建成 1 座 166 m 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。 我国煤基回转窑直接还原法于 1989 年在福州特钢厂 40 m 回转窑工 业试验成功后,先后在辽宁喀左、天津钢管公司、山东鲁中矿公司、吉 林桦甸、北京密云铁矿建设 6 座回转窑,总生产能力为 46.2 万 t。回转 窑法工艺成熟、机械化自动化水平高,产品质量好,能耗低,但是由于 投资大,在经济不发达地区其发展受到一定限制。 由于国内市场对钢铁产品的品种和质量要求不断提高,导致电炉炼 钢对业已紧俏的优质废钢的迫切需要。直接还原铁是优质废钢的理想代 用品,为此促进了煤基回转窑的建设,同时也带动了隧道窑的发展。 1993 年山东莱芜粉末冶金厂首先在 2 座 54 m 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 66 m 隧道 窑用于生产炼钢用直接还原铁。

1 我国隧道窑法直接还原铁生产现状
1.1 我国隧道窑建设概况和特点 我国隧道窑法直接还原铁厂从 1993 年至 1997 年全国建成 12 家(厂 或公司),共建有隧道窑 17 座,设计年生产能力为 17.4 万 t。其中有 8 家共 10 座隧道窑进行正常生产, 2 家 2 座隧道窑经试生产后因销路等 有 问题已停产,尚有 5 座隧道窑建成后未投产(见表 2)。 表 2 我国隧道窑直接还原铁厂 Manufacturers Table 2 Manufacturers of tunnel kiln direct reduced iron in China 实际生 隧道窑设计工艺参数 建 生 产 产能 窑 (试生 长度 宽度 高度 座 产) 力/万 /m /m /m 数 座 数 . -1 ta 0.3 0.6 0.5 1.0 54 66 55 75 1.6 1.6 1.2 1.2 2 1 1 1 2 1 1 1

序 号





投产日 期

备 注

1 2 3

山东莱芜粉末冶 金厂 湖北罗田海绵铁 厂 抚顺钢厂建安公

1993 1995.4 1993 1995 已 停

1.65 1.506 1.65 1.506

司海绵铁厂 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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 1.0 1.2 1.2 1.2 2.5 1.0 1.0 1.0 1.0 80 1.65 1.506 1 2 2 2 1 1.31 1.31 1.31 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1995.10 1995.11 1995.12 1996.12 1997.1 1997.2 1997 已 停

99.98 2.088 1.30 99.98 2.088 1.30 104 40 2.088 1.612 4.00

101.2 2.00 100 100 75 2.00 2.00

1.65 1.506

在表 2 中,除哈尔滨东方海绵铁有限公司 40 m 隧道窑(斜坡炉)用粉 煤喷嘴加热外其他隧道窑均用烟煤块加热。 1.2 高品位铁精粉的来源及选矿方法 目前国内尚未有专门供生产直接还原铁用的高品位铁精粉生产厂 家。为解决生产高品位铁精粉各厂家采用以下办法。 1.2.1 直接还原铁厂自设选矿系统 安徽霍邱、湖北罗田、河南桐柏还原铁厂均使用大别山铁砂 (TFe61%~62%)经湿式(一段)再磨再选生产高品位铁精粉。 1.2.2 直接还原铁厂自设干式磁选机 邢台益新、 邯郸马头厂均使用邯郸地区小型磁选厂铁精粉(TFe64%~ 65%)经自设干式磁选机选出高品位铁精粉。 1.2.3 直接还原铁厂自设干式磁选再磨系统 莱芜粉末冶金厂由莱钢供应铁鳞,阜新海绵铁厂外购铁鳞,经水洗、 干燥、磁选,除去铁鳞夹带的杂质后再球磨,将粒度<3 mm 料磨至 20~ 100 目之间以满足生产需要。 1.2.4 直接还原铁厂直接外购高品位铁精粉 新牟临城、抚钢建安、东方、通化因厂内未设选矿系统只能外购高 品位铁精粉(TFe67%~68%),各厂高品位铁精粉化学成分见表 3。 各厂高品位铁精粉化学成分/% 表 3 各厂高品位铁精粉化学成分/% Table 3 Chemical compositions of high quality iron powder at various plants/%





原矿 选矿工 来源 艺

TFe

FeO SiO2 Al2O3 CaO MgO

S

P

大别 湿式再 安徽霍邱海 山 磨 68.84 绵铁厂 (一段) 铁砂 磁选 湿式再 大别 湖北罗田海 磨 山 ~70 绵铁厂 (一段) 铁砂 磁选 邢台益新海 邯郸 干式磁 绵铁制造公 铁精 ≥68 选机 司 粉 邯郸 邯郸马头海 干式磁 铁精 ≥68 绵铁厂 选机 粉 山东莱芜粉 莱钢 干式磁 ≥72 ≤28 末冶金厂 铁鳞 选再磨 阜新海绵铁 干式磁 铁鳞 厂 选再磨 新牟钢铁公 邯郸 司临城海绵 铁精 铁厂 粉 本溪 抚钢建安公 铁精 司海绵铁厂 粉 哈市东方海 辽宁 绵铁有限公 铁精 司 粉 二户 通化海绵铁 来 厂 铁精 粉 72

1.39 0.54 0.19 0.11 0.002

0.02

≤0.005 ≤0.05 <0.05 <0.05

69.33 29.25 2.08 0.10 0.67 0.69

67~ 68 67~ 68

2.52

0.006

0.027

67.72 28.32 5.87 0.15 0.08 0.13 0.006

0.015

1.3 还原剂的种类及质量 大多数厂使用本地无烟煤做还原剂,少数厂使用本地钢铁厂焦粉做 还原剂,仅有东方海绵铁有限公司使用褐煤做还原剂。各种还原剂工业 分析见表 4。 表 4 各厂还原剂工业分析

Table 4 Commercial analysis of reducing agent at various plants 厂 名 还原剂种 类 焦 粉 焦 粉 焦 粉 无烟煤 无烟煤 无烟煤 褐 煤 76.60 74.42 67.00 51.22 42.90 5.88 0.25 21 520 0.98 22.42 0.51 4.62 20.66 0.36 24 468 29 917 25 376 61.00 25.60 11.51 0.20 工业分析/% 固定 碳 78 挥发 灰 分 份 ≤3 硫 发热值 . -1 /kJ kg 25 936

山东莱芜粉末冶金厂 阜新海绵铁厂 通化海绵铁厂 抚钢建安公司海绵铁厂 邯郸马头海绵铁厂 新牟钢铁公司临城海绵 铁厂 哈市东方海绵铁有限公 司

≤18 ≤1.0

由表可知,虽然还原剂工业分析基本上可达到要求,但比国外使用 的还原剂(焦粉)质量上有差距,一般固定碳含量低,灰分含量高。 1.4 隧道窑加热燃料种类及发热值 除哈市东方海绵铁有限公司使用粉煤喷嘴加热隧道窑外,其他厂均 使用燃烧室烧烟煤(块)加热隧道窑。燃烧煤工业分析见表 5。由表可知, 多数厂使用本地小煤窑较低发热值烟煤。 表 5 各厂燃烧煤工业分析 Table 5 Commercial analysis of coal for burning at various plants 厂 名 燃烧煤种 类 烟煤 烟煤 烟煤 烟煤 烟煤 褐煤 59.40 27.00 13.00 51.22 42.90 5.88 0.25 51.17 31.47 17.36 0.31 工业分析/% 固定 碳 45 挥发 灰 分 硫 份 ≤30 ≤25 发热值 /kJ.kg-1 23 000 27 182 23 000 >20 910 29 273 21 520

山东莱芜粉末冶金厂 邯郸马头海绵铁厂 新牟钢铁公司临城海绵铁 厂 邢台益新海绵铁制造公司 安徽霍邱海绵铁厂 哈市东方海绵铁有限公司

根据阜新海绵铁厂经验:使用发热值不高的烟煤,采用二次鼓风技

术的效果也不是很好的。 1.5 各厂隧道窑生产直接还原铁的质量 各厂生产直接还原铁的质量见表 6。 各厂直接还原铁化学成分/% 表 6 各厂直接还原铁化学成分/% Table 6 Chemical compositions of direct reduced iron produced at various plants/% 厂 名 山 东 莱 芜 粉 末 冶 金 厂 阜 新 海 绵 铁 厂 邢 台 益 新 海 绵 铁 制 造 公 司 新 牟 钢 铁 公 司 临 TFe MFe η FeO SiO2 Al2O3 S P 产品 形状

97

95

97.90

< 3.0

<0.05

<0.05

环状

97

95

97.90

<0.05

<0.05

环状

89~92

>90

0.004

0.0 022 环状

91.08

83.00

91.11

3.99

0.034

0.025

环状、 棒状

城 海 绵 铁 厂 邯 郸 马 头 海 绵 铁 厂 哈 市 东 方 海 绵 铁 有 限 公 司 抚 钢 建 安 公 司 海 绵 铁 厂

88~92

90.90~ 80~85 92

3~5

环状、 0.010~ 0.015~ 棒状、 0.03 0.03 球团

90~91

84~87

93~ 95.60

4.60

0.89

<0.02

<0.02

球团

89.42~ 88.09~ 90.50~ 92.6 91.3 98.6

4.96~ 5.64

0.0045~ 0.014~ 环 状 0.005 0.02

一般均可生产出合格产品,但是,大多数厂因隧道窑断面上下部温 差大(约 100 ℃),造成同一台车上下部产品质量不一致,成分不均匀。 1.6 隧道窑主要经济技术指标 由于多数厂尚未发表有关数据,故无法全面统计比较。现仅将莱芜、 阜新、邯郸马头、哈市东方 4 厂隧道窑主要经济技术指标列于表 7[1~2]。 表 7 国内外隧道窑直接还原工艺主要经济技术指标比较

Table 7 Comparison of main economic and technic index of tunnel kiln direct reduced iron at home and abroad 含铁原料 厂 名 种 类 TFe /% 还原剂 能 耗 标煤 . -1 /kg t 生产能力/万 t.a-1 设计 能力 实际 能力 备 注

燃料 固定 种类 种 碳 GJ/t 类 /%

瑞典 赫格 纳斯 公司 日本 川崎 制铁 公司 武钢 粉末 冶金 公司 山东 莱芜 粉末 冶 金厂 阜新 海绵 铁厂 邯郸 马头 海 绵铁 厂 哈市 东方 海绵 铁 有限 公司

高 纯 焦 铁 71.50 粉 精 粉

重油 16.74 571.20 3.50

3.50

铁 焦 74.14 81.00 重油 25.03 854.00 1.10 鳞 粉

1.10

铁 74~ 焦 75~ 混合 1 33.51 1.00 鳞 75 粉 78 煤气 143.30

105m、 154m 2 座 1993 年 1.00 4 月能耗平 均值 54 m×2、66 m 3 座能耗 1.20 平均值,能 力为 3 窑总 和

铁 焦 ≥72 鳞 粉

78

烟 1 (块) 34.83 1.20 188.00 煤

铁 鳞

72

焦 粉

烟 (块) 27.61 922.00 1.00 0.790 煤

高 品 无 烟 位 ≥68 烟 74.42 (块) 26.31 890.00 1.20 铁 煤 煤 精 粉 高 品 褐 位 67~ 褐 51.22 (粉) 30.16 1029.20 2.50 铁 68 煤 煤 精 粉

1.20

2.00

由表可知,莱芜采用在含铁料中加入 3%添加剂,使直接还原铁的产 量达到设计生产能力。阜新海绵铁厂采用二次鼓风及预热段设气幕风机 提高了预热效率,使窑断面上下部温差由 100 ℃降至 40 ℃,使能耗处 于国内较先进水平。邯郸马头海绵铁厂采用高品位铁精粉造球,鼓二次 预热风用新型反应罐代替粘土反应罐技术,从而提高了产量,降低了能 耗。哈市东方海绵铁有限公司采用烧粉煤、鼓二次预热风、高品位铁精 粉加粘结剂造球等技术降低能耗提高产量。 2 国内外隧道窑直接还原工艺技术水平差距 (1) 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 165~275 m 分别为 11 000 t 和 60 000 t。而国内烧块煤加热隧道窑直 接还原生产规模较小,窑长从 54~104 m,分别为 3 000 t 和 12 000 t, 迄今只有武钢粉末冶金公司拥有 154 m 和马钢铁合金厂拥有 166 m 喷混 合煤气加热隧道窑各 1 座,产量均为 5 000 t。由于我国烧块煤加热隧 道窑生产规模小,故能耗比瑞典赫格纳斯公司高,有的高出 2 倍以上。 (2) 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,余热回收设施不完善。 (3) 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 ℃。而国内武钢和马钢烧混合煤气隧道窑也缺乏自动化控 制。烧块煤隧道窑仍为手工操作,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。 (4) 国外采用导热性好的 SiC 反应罐,可持续使用 100 次以上,而 国内武钢所用 SiC 反应罐质量差、寿命低仅用 40 多次,大多数隧道窑仍 使用导热性差、寿命仅为 3~4 次的粘土反应罐。 (5) 国外隧道窑劳动生产率高至 220~300 t/人.年,国内隧道窑劳 动生产率仅达 7~10 t/人.年[3]。 (6) 国外隧道窑环保设施完善劳动条件好,而国内隧道窑环保设施 差,尤其是卸罐时,劳动条件更差。

3 技术方针及措施
3.1 技术指导方针 对烧块煤加热隧道窑的窑体及设备要进行技术改造和完善。采用成 熟的新技术以提高生产率,提高产品质量档次,降低能耗及产品生产成 本,增加市场竞争力。 3.2 措施 3.2.1 提高生产率

国内烧块煤加热隧道窑多数未达到设计生产能力,对使用粗粒度 (-200 目<85%)高品位铁精粉生产环状或棒状产品的厂可采用铁精粉中 [4] 加添加剂技术,我国莱芜粉末冶金厂经验可提高生产率约 50% 。 对使用细粒度(-200 目≥85%)的厂可采用在高品位铁精粉中加粘结 剂造球,然后将球团与还原剂和脱硫剂混装入反应罐内,按邯郸马头海 绵铁厂经验可提高生产率约 50%。 采用导热性好的新型反应罐代替粘土反应罐也可提高生产率。 3.2.2 降低能耗 隧道窑采用二次鼓风(预热)技术可充分利用还原剂反应提供的化学 能,CO 经燃烧产生大量热量起供热作用以降低能耗。瑞典隧道窑充分利 用 CO 燃烧可提供 80%所需的热量消耗。阜新、邯郸马头海绵铁厂采用二 次(预热)鼓风后,每吨 DRI 能耗分别降为 922 和 898 kg 标煤。 用烧粉煤或烧煤气(发生炉)代替烧块煤,因烧块煤一般炉篦子漏煤 在 15%以上,而烧粉煤可提高煤的利用率。哈市东方海绵铁有限公司采 用烧粉煤使窑内温度易控制又改善劳动条件和作业环境,使每吨 DRI 煤 耗降为 1 029.20 kg 标煤。 邯郸马头海绵铁厂计划采用烧(发生炉)煤气代替烧块煤预计能耗还 可降低。 3.2.3 提高产品质量等级 原料的化学成分、冶金性能,还原性等对产品质量有决定性的影响, 还原剂的反应性、灰分及熔点等也影响产品质量。因此,原料及还原剂 的选择必须达到生产优质产品必备的标准。 控制隧道窑断面上下部温差<50 ℃。目前大多数隧道窑未采用气幕 风机,由于窑断面上下温差大(达 100 ℃),造成台车上下部反应罐内产 品质量不稳定(TFe88%~92%)仅能按 4 级品出售。 阜新海绵铁厂在隧道窑 预热段设气幕风机,没有气幕风机时窑内断面上下温差达 100 ℃,使用 气幕风机后窑内断面上下温差<40 ℃,最差也不超过 70 ℃。建议采用 气幕风机从而提高产品质量档次。

4 结语
煤基隧道窑直接还原工艺具有工艺成熟、操作简单的特点,对目前 经济不发达地区因地制宜利用当地小型分散的铁矿及煤矿资源优势,发 展直接还原铁生产,为电炉炼钢提供优质原料,对缓解国内优质废钢的 不足是有益的。 目前,国内烧块煤加热隧道窑还存在工艺设备简陋、产量低、能耗 高、产品质量不稳定、成品不均匀等问题,必须引起足够的重视。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, 重视入厂原料和还原剂的选择,重视采用新技术,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,以提高企业经济效益。 作者简介:梁文阁,男,68 岁,教授级高级工程师。1956 年毕业于东北

工学院钢铁冶金系炼铁专业。从事炼铁和直接还原技术研究。曾获国家 级发明奖。 作者单位:钢铁研究总院,北京 100081 参考文献 1 2 3 4 冶金部情报研究所.日本粉末冶金技术考察报告.1988 邬士英等.炼铁,1998,17(1):46 俞燮廷.粉末冶金,1996,6(3):8 王祥淼.全国直接还原技术交流会会议文集.1996


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