利用高含碳金屬化團塊實現高爐煉鐵的節焦工藝研究

張紹立，崔利國

（通化鋼鐵公司，吉林 通化 134003）

我國是世界上第一鋼鐵生產大國、世界上第一大鐵礦進口國、世界上鋼鐵業初級鋼材第一出口和進口國，也是世界鋼鐵產業人數最多、鋼鐵廠最多的國家。鋼鐵業的發展曾一度對我國國國民經濟的發展發揮著巨大的貢獻。眾所周知，鋼鐵業生產高度依賴的技術仍然是高爐煉鐵技術，但伴隨著產業升級和高新技術的蓬勃發展，鋼鐵行業技術并未得到有效的創新和改革，就目前來看，我國全國鋼鐵產業的利潤遠遠比不上開采鐵礦的賺錢，原因就是因為高爐煉鐵技術低級落后，不能生產高附加值產品。高爐煉鐵技術已經進入死胡同，技術革新勢在必行。黨的十八大提出發展綠色、環保、節能型經濟的偉大發展戰略，故鋼鐵行業的技術革新也要緊緊圍繞減少污染，提高產品附加值和適應市場的實際需求，實現鋼鐵業的產業升級和效益升級這一主題，在傳統高爐煉鐵的基礎進行大膽的技術革新和產業升級，突破遏制鋼鐵行業發展的技術瓶頸[1]。

1 高爐煉鐵發展現狀

1.1 高爐煉鐵和節焦工藝

高爐煉鐵這種方法是由古代豎爐煉鐵發展、改進而來的。傳統的高爐本體自上而下由5部分組成：分別是爐喉、爐身、爐腰、爐腹 和爐缸。相對來說，高爐煉鐵技術的經濟指標良好，設計和操作工藝簡單，具有工業生產中生產量大、勞動生產效率高、能耗相對低等優點，是世界上應用范圍最為廣泛的技術，世界上絕大部分的鐵都是用這種方法生產的。高爐煉鐵的基本原理是利用還原劑將鐵礦石的鐵氧化物在高溫條件下還原成金屬鐵，常見的鐵氧化物有Fe2O3、Fe3O4、FeO等，而還原劑主要是C、CO、H2等物質。在高爐中發生的化學反應的化學方程式分別為Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2，反應條件一般為高溫，但高爐內各部分溫度的控制也因其在煉鐵中的作用不同而不同，爐內中心溫度一般不低于240℃。焦炭是高爐煉鐵工藝中不可或缺的原材料，焦炭是煙煤在隔絕空氣的條件下，先經過高溫煉制，后經過干燥、熱解、熔融、粘結、固化、收縮等復雜階段最終制成的碳。焦炭在高爐煉鐵過程中是必不可少的原材料。它既是熱值非常高的燃料，為整個煉制過程提高熱量，又作為煉鐵過程中的還原劑，將鐵氧化物還原為單質鐵。焦炭在高爐煉鐵過程中還起到發熱劑、料柱骨架的作用，一般情況下，每冶煉一噸鐵大約需要500Kg焦炭，與之相關的化學反應方程式為：C(焦炭)+O2=CO2和 C焦炭+CO2=2CO。此外，高爐煉鐵的原材料還涉及石灰石、白云石、螢石等作為熔劑和空氣，熔劑起到使爐渣熔化為液體、去除有害元素硫（S）、除去雜質的作用，而空氣作為助燃劑為焦碳燃燒提供氧、提供熱量。

節焦即節能，減少高爐煉鐵過程中焦炭的使用。在高爐煉鐵的鐵水生產工藝中，低焦比煉鐵一直是高爐節能的重要指標。在煉鐵技術的發展的幾百年間，為在高爐煉鐵過程中實現節焦的目的，進行了多次技術改進，比如我國于1990年進行大規模推廣的煙煤大噴吹技術，煙煤因其揮發性高的特點，其燃燒性能比無煙煤要高，燃燒率可以提高15%～20%。在高爐煉鐵過程中可以改善高爐還原和運用條件，隨著噴吹量的提高，可以進一步降低焦比。但這項技術在使用時要嚴格把控高爐煉鐵的條件，比如稀釋氧濃度、控制溫度、避免粉塵堆積、設置安全裝置等，以此來保證此項技術的安全運行。此外，煉鐵節焦的措施還有很多，像是優化布料方式、提高熱風溫度、高爐槽下燒結分粒級入爐以及優化熱制度等，都是在諸多實踐中得到的可操作性節焦手段。總而言之，在高爐煉鐵的技術中，增鐵節焦是永恒的目的，朝著這一方向，高爐煉鐵技術的發展不斷變革和創新，經歷了極為漫長的演化和探索階段，迄今還在不斷前進[2，3]。

1.2 高含碳金屬化團塊

高含碳金屬化團塊的制備工藝復雜，它是由超細鐵精礦粉,無煙煤粉和弱粘結煙煤粉三種原料組成的,其中鐵礦粉平均粒度1μm～5μm,混合煤粉平均粒度50μm～100μm。三種原料充分混勻后,需要按照一定的比例添加有機粘結劑和水，之后再利用壓球機壓制成生團塊。生團塊形成后需要在在隔絕空氣或N2保護的條件下按照一定的溫度制度焙燒制備成高含碳金屬化團塊。就含碳量而言，高含碳金屬化團塊的含碳量一般為20wt%～40wt%,且相對于傳統高爐煉鐵中使用的焦炭，高含碳金屬化團塊有很好的冷強度、反應后的抗碎強度和十分良好的CO2反應性。是一種新興的增鐵節焦技術，符合我國節能減排經濟轉型的大方略。當高含碳金屬化團塊應用于高爐生產中時，其團塊內比例合適的含鐵礦物料層有助于降低高爐反應中焦比和能耗，也不會影響高爐的透氣性。由于高含碳金屬化團塊的碳源主要是來自弱粘結性煙煤和無煙煤，有利于擴大在高爐煉鐵中非焦煤的使用，降低高爐煉鐵對焦炭的依賴。

高含碳金屬化團塊應用于傳統高爐煉鐵技術，不同于應用焦炭時的間接還原工藝，它是一種國內外新興的直接還原工藝。通過對我國還原劑資源以及直接還原鐵市場特點的深入探索和分析及對含碳球團直接還原機理研究,提出在高的渣相堿度下,利用鐵精礦粉高溫直接還原生產鐵粒方法。這相對而言是一種全新的低成本生產鐵粒的方法,它是將鐵精粉、煤粉、消石灰和添加劑預先制成球團(或團塊),在高溫下迅速加熱還原,在1350℃以上保溫10分鐘后隨爐冷卻,渣相中2CaO·SiO2在冷卻過程中發生相變,體積膨脹而自然粉化,通過篩分便可以得到不含爐渣的鐵顆粒,鐵的收得率在90%以上、S≤0.05%、C在4.0%左右。這種鐵粒可作為轉爐和電爐煉鋼的優質原料。

1.3 高含碳金屬化團塊應用于高爐煉鐵

高含碳金屬化團塊應用再高爐煉鐵中是為了達到節約焦炭、增加出鐵量的目的。利用超細氧化鐵粉和非焦煤煤粉為原料在管式加熱爐中通過直接還原制備了碳質量分數為15.6%的高含碳金屬化團塊;在高爐環境的條件下,團塊的質量在反應前后發生變化，部分反應后，團塊的抗碎強度和微觀結構也發生變化。利用自制的熱重裝置考察了團塊內碳的氣化動力學；以試驗結果為基礎,結合高爐數學模型,對利用高含碳金屬化團塊實現高爐煉鐵節約焦炭的效果進行了定量分析。試驗結果表明,在高爐環境下,團塊部分反應后抗碎強度可以保持在1 200 N/個以上,團塊的反應主要為碳溶損反應,且團塊有較高的CO2反應性。對2500m3高爐的模擬結果表明,在高爐的含鐵爐料層中添加質量分數為5%的高含碳金屬化團塊,生產率可以提高419 t/d,生產1 t鐵水可以節約焦炭11.3 kg,且高爐的操作參數不需要進行調整。在1050℃～1200℃條件下研究了不同的配碳比、添加劑、還原溫度、生球粒度等對高含碳金屬化球團強度的影響。結果表明：高含碳金屬化球團還原后的強度隨溫度的升高而升高;并且以粘土為添加劑的高含碳金屬化球團具有較高的強度[4]。

2 高含碳金屬化團塊于高爐煉鐵技術的意義

2.1 推進新型還原工藝的發展

高爐煉鐵過程的本質是鐵的還原過程，即焦炭做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石或含鐵原料的鐵，從氧化物或礦物狀態（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4·TiO2等）還原為液態生鐵，再經冷卻后得到單質鐵。其氧化還原過程可表述為下列化學反應式：Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2（高溫），其中一氧化碳作為這個反應過程中的還原劑，將三氧化二鐵的鐵元素還原出來，是以CO做還原劑，還原金屬氧化物得到CO2的過程，稱為間接還原。其中CO來自焦炭和氧氣的不完全反應，即C(焦炭)+O2=CO2和C（焦炭）+CO2=2CO。高含碳金屬化團塊用與高爐煉鐵時，金屬團塊中的高含碳會作為還原劑直接還原鐵氧化物得到CO，使其在高溫下得到單質鐵，稱為直接還原的過程。這兩種還原工藝的最終目的雖一致，但相比于間接還原，直接還原工藝過程簡單，目的明確，操作方便，雖在高含碳金屬化團塊的制作過程中耗時耗力，但對于整個高爐煉鐵技術是一次偉大的工藝進步。

2.2 持續推進高爐煉鐵技術的增鐵節焦

增鐵節焦是高爐煉鐵工藝改進的不竭動力。高含碳金屬化團塊應用于高爐煉鐵技術是實現增鐵節焦這一目標的一個技術革新。從操作工序上來說，該技術簡化了傳統工藝中焦炭的使用，使傳統繁雜的操作簡單化。最為重要的是，直接還原的工藝減少了整個過程焦炭的使用，使焦炭從還原劑兼燃料的身份轉變為單純地提供熱能，減少了間接還原過程燃燒不充分造成的能源浪費。同時，高含碳金屬化團塊的制備原料之一是無煙煤，焦炭的原料是煙煤，使用高含碳金屬化團塊而減少焦炭的使用也使工業生產中無煙煤和煙煤的使用相對平衡，是對資源的一種均衡化使用。另外，高含碳金屬化團塊中高碳的直接還原相較于傳統的間接還原效果更好，應用此工藝得到的單質鐵所含雜質少，硬度高，數量也多，鑒于金屬團塊的高精度復雜結構，鐵氧化物被還原的更為徹底，對原料的利用率更高，是高爐煉鐵技術在當下的一項新突破。

2.3 響應國家新型發展經濟戰略

習近平總書記于黨的十大大提出綠色發展經濟理念，倡導我國要走綠水青山就是金山銀山的發展道路，提出經濟轉型和產業升級的大方向和大背景。傳統的高爐煉鐵技術已經不能滿足我國鋼鐵行業發展的新需求，甚至成為我國鋼鐵行業發展的短板。高含碳金屬化團塊在高爐煉鐵技術上的應用不僅很好的解決了我國鋼鐵行業發展的瓶頸困局，也完美地契合我國新型經濟發展的理念。當下經濟發展拼的不再是用資源創造財富而是用最少的資源創造最大的利益，新型工藝在高爐煉鐵過程中減少了焦炭的用量，增加出鐵的質量和數量，提高了原始資源鐵氧化物的利用率，減少了不必要的浪費，這便是新工藝廣泛應用和傳播的動力[5,6]。

3 小結

鋼鐵行業是我國經濟發展的重要支柱產業，在世界鋼鐵行業的發展中前無古人。但是，在其發展過程中也造成了一系列的問題，比如污染問題，浪費問題，固體廢棄物大量堆積，工藝滯后等。所以鋼鐵行業的健康可持續發展必須建立在高效、節能、環保的基礎上。這就要求鋼鐵行業要在發展過程中不斷探尋新的發展機遇，創新發展工藝，提升鋼鐵行業的技術競爭優勢。高含碳金屬化團塊在傳統高爐煉鐵技術上的應用是鋼鐵行業工藝的一次偉大革新，這項技術將間接還原改進為直接還原，簡化了繁雜的操作流程，提高了煉鐵的效率和質量。節省了資源的浪費，為推進鋼鐵行業的可持續發展做出重大貢獻，是新時期我國經濟高效、節能發展的又一技術革新。與此同時，新時代我國經濟轉型升級勢在必行，鋼鐵行業作為我國傳統的重工業，在我國經濟比例中占有極大份額，轉型發展刻不容緩。新形勢下智慧經濟的發展必須是要以高技術含量的生產工藝為依托，只有依托先進的技術和工藝，不固步自封，秉承創新和探索的精神，不斷完善和開發新工藝、新技術，傳統鋼鐵行業才能在未來的發展道路真正走出一條可持續發展的康莊大道。