傳統(tǒng)冶金工藝分析及發(fā)展現(xiàn)狀

黃亞蕾

（中冶北方（大連）工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600）

冶金工業(yè)作為國家重要的工業(yè)原材料部門,為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供金屬材料。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大環(huán)境下，冶金企業(yè)也逐漸暴露出產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題，主要表現(xiàn)為資源利用率低、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益低和環(huán)境效益低。尤其是冶金生產(chǎn)工藝不進(jìn)行升級，造成了環(huán)境污染問題，不利于社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，冶金生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)化迫在眉睫。

1 冶金工藝

金屬冶煉涉及到高爐、焦化廠和原料廠。原料廠主要負(fù)責(zé)礦石、燃料等基礎(chǔ)及輔助原料的引進(jìn)、儲存和粉磨，同時(shí)也向各生產(chǎn)企業(yè)供應(yīng)材料。焦化工業(yè)是冶金工業(yè)的重要組成部分，礦物加工是高溫焦化和化學(xué)加工。礦物可用作高爐冶煉燃料，也可用于有色金屬冶煉和生產(chǎn)電石，獲得有機(jī)合成原料。焦化過程中的化學(xué)品可進(jìn)行回收加工，提取焦油、氨、粗苯、硫化氫和氰化氫等產(chǎn)品，生產(chǎn)純焦?fàn)t燃?xì)狻＝範(fàn)t純氣可用作民用和工業(yè)燃料。燒結(jié)是將熔劑與礦物混合，在燒結(jié)機(jī)點(diǎn)燃燃燒，通過暴露于高燃燒溫度產(chǎn)生一定量的液相，以除去未熔化的燒結(jié)材料顆粒[1]。冷卻后結(jié)合并成為多孔的礦石塊。高爐冶煉是高爐的還原反應(yīng)過程，首先將礦石和熔劑從爐頂裝入爐內(nèi)，冷風(fēng)機(jī)通過熱風(fēng)爐形成熱風(fēng)。礦物燃料燃燒時(shí)，熱氣流自下而上，爐料自上而下，接觸進(jìn)行熱交換，逐漸減少到達(dá)焦?fàn)t底部。最后，堆積爐渣從出渣口排出。金屬加工是一種不需要外部熱源，以液態(tài)物質(zhì)為原料生產(chǎn)鋼。取決于轉(zhuǎn)爐內(nèi)液態(tài)物質(zhì)的物理熱量和金屬成分，以氧氣為熱源進(jìn)入爐內(nèi)，發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量用于冶金。

2 傳統(tǒng)高爐冶煉工藝分析

冶金企業(yè)所用的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝可分為礦石造塊、回收間接還原等，工序以高爐冶金為核心，以焦?fàn)t為主要生產(chǎn)設(shè)備，以礦物燃料供應(yīng)高爐，以燒結(jié)機(jī)為主要設(shè)備的燒結(jié)工藝，為高爐提供高堿度燒結(jié)，采用回轉(zhuǎn)窯的工藝為主要設(shè)備，為高爐提供氧化球團(tuán)。對于干餾過程中形成的焦油、苯、萘等聚合烴的回收和處理，需要進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，這會帶來環(huán)境問題[2]。焦炭送入高爐，冷焦粉送入原料工序，高爐產(chǎn)生的部分易燃?xì)怏w形成炭化過程，作為燃料加熱焦?fàn)t。在傳統(tǒng)的冶金生產(chǎn)過程中，燒結(jié)必須冷卻至常溫，然后才能在高爐中使用。為了提高礦石的冶金性能，在加工中，必須經(jīng)過足夠的高溫氧化過程。燒結(jié)礦需要一些復(fù)雜液相化合物來增強(qiáng)強(qiáng)度。燒結(jié)過程需要將冷高爐進(jìn)行加熱，燒結(jié)過程需要冷焦粉作為燃料和礦石進(jìn)行燒結(jié)。在傳統(tǒng)的冶金生產(chǎn)中，高爐將間接礦石還原、直接礦石還原和煉鋼過程融為一體。除了少量的爆炸產(chǎn)生的物理熱外，這過程所需的大部分熱量都是由碳燃燒反應(yīng)和將礦物燃料注入高爐燃燒反應(yīng)放出的熱量提供的。高爐噴槍燃燒過程中產(chǎn)生的熱量部分用于礦石的還原和爐渣的熔化過程，間接礦石還原過程在高爐上半部完成。同時(shí)，在間接礦石還原中，無論個(gè)別礦石的粒度、溫度、氣體壓力、還原劑等還原的外部條件如何，都可以認(rèn)為是相同的，并且這個(gè)過程接還原的速率取決于本身的性能。內(nèi)擴(kuò)散的條件有強(qiáng)有弱，即細(xì)粒礦物間接還原率好，間接還原率高。由于送入高爐的礦石主要是燒結(jié)礦，粒度范圍非常大。細(xì)粒礦石在擴(kuò)散條件下的間接還原系數(shù)較好。因此礦石的平均間接還原率僅為70%。礦石在高爐先還原后，金屬化率為70%左右的固體金屬化裝料和氣化過程中的熱焦渣，進(jìn)入高爐直接還原熔煉點(diǎn)礦石和礦渣。高爐中易燃?xì)怏w在200℃左右從高爐排出，凈化后的易燃?xì)怏w部分用作礦石粉燒結(jié)的燃料，另一部分用于蒸餾熱風(fēng)爐的高爐產(chǎn)生高溫空氣。在傳統(tǒng)的冶金生產(chǎn)工藝中，礦石直接還原工藝和熔煉工藝是將礦物廢渣集成到高爐下部，從高爐上半部到下半部的金屬化率約為70%。碳?xì)饣辛粝碌臒峤固勘环湃敫郀t下半部并加熱。熱的顆粒也逐漸從固體轉(zhuǎn)變?yōu)樵俅稳刍罱K達(dá)到熔體，最終達(dá)到爐渣和原料比較充分的分離。碳燃燒反應(yīng)和將礦物燃料噴入高爐噴槍的燃燒反應(yīng)放出大量熱量，一部分用于礦石還原所需的熱量，另一部分使用燃燒，供給熱空氣，作為進(jìn)入爐膛時(shí)的輻射和對流手段。

3 傳統(tǒng)冶金工藝發(fā)展現(xiàn)狀

隨著社會的發(fā)展，冶金工業(yè)競爭日趨激烈。隨著冶金企業(yè)的增多，冶金發(fā)展達(dá)到一定規(guī)模。雖然冶金企業(yè)數(shù)量和規(guī)模持續(xù)增長，但冶金行業(yè)的優(yōu)勢并未提升，反而形成了資源大量依賴高成本低效益的發(fā)展局面。冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝是冷態(tài)生產(chǎn)加工，這種方法正被公認(rèn)為金屬加工生產(chǎn)的主要企業(yè)。隨著冶金技術(shù)不斷更新，出現(xiàn)了熱生態(tài)技術(shù)，為冶金工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。冶金工藝流程優(yōu)化需要引進(jìn)國外設(shè)備，以達(dá)到提高冶金技術(shù)目標(biāo)。經(jīng)過不斷改進(jìn)，大部分企業(yè)已經(jīng)淘汰了電爐煉鋼。但是從冶金的發(fā)展來看，加工生產(chǎn)不合理，生產(chǎn)高技術(shù)和高附加值產(chǎn)品的能力不足。冶金行業(yè)高溫余熱利用率有所提高，但中低溫余熱利用還存在些不足。在社會主義市場經(jīng)濟(jì)條件下，為了獲得更多的經(jīng)濟(jì)利益，會隨意開發(fā)礦產(chǎn)資源，最終導(dǎo)致自然環(huán)境被破壞。部分冶金企業(yè)技術(shù)落后，更沒有現(xiàn)代化裝備和技術(shù)支持，直接影響企業(yè)發(fā)展。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理，加之受資源配置的影響，使得部分冶金企業(yè)被市場所淘汰。

4 冶金工藝發(fā)展

4.1 不斷實(shí)施先進(jìn)科學(xué)技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的技術(shù)形式開始引入冶金行業(yè)，冶金行業(yè)在技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)了長期發(fā)展。未來，為進(jìn)一步提高冶金質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)冶金行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)，這些技術(shù)與冶金技術(shù)的融合，可以提高冶金工藝發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)冶金行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。以技術(shù)為支撐，加快冶金工藝優(yōu)化升級，提高冶金產(chǎn)品的附加值。在冶金工業(yè)發(fā)展中引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，還需要加快完善科技創(chuàng)新體系和完善發(fā)展管理機(jī)制。需要指出的是，在冶金實(shí)施先進(jìn)技術(shù)時(shí)，必須辯證地認(rèn)識技術(shù)的雙重性，即認(rèn)識到技術(shù)是人與自然和諧發(fā)展的重要媒介，技術(shù)可以成為冶金工藝發(fā)展的重要媒介。為消除科技對冶金行業(yè)的負(fù)面影響，在科技應(yīng)用中要注意冶金工藝發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)，按照要求探索冶金行業(yè)的新思路，逐漸推行低碳冶金[1]。

4.2 在冶金工藝過程中引入環(huán)保理念

在資源和能源削減的背景下，環(huán)保節(jié)能開始滲透到工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)行業(yè)。未來冶金工藝要想實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展，需要轉(zhuǎn)變公司的發(fā)展理念。要摒棄追求經(jīng)濟(jì)效益和忽視環(huán)境保護(hù)的觀念，將環(huán)保理念與冶金工藝的發(fā)展充分融合。在冶金生產(chǎn)加工中，注意采用先進(jìn)技術(shù)，提高冶金工藝應(yīng)用中的能源利用率，減少冶金生產(chǎn)對能源的消耗。在冶金工業(yè)發(fā)展中，冶金行業(yè)要更加注重自然管理，規(guī)范工業(yè)產(chǎn)區(qū)功能，嚴(yán)禁在河流和人口稠密地區(qū)設(shè)立公司。對于冶金生產(chǎn)加工中產(chǎn)生的廢物，必須采用先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)零污染排放[2]。

4.3 精煉渣水化機(jī)理

精煉渣是作為單獨(dú)的礦物雜質(zhì)，還缺乏大量的應(yīng)用。與國外相關(guān)研究相比，我國對基礎(chǔ)加工研究還比較薄弱。精煉工藝與出渣差異會造成精煉渣成分的較大波動(dòng)。為更好地提高精煉渣的綜合利用率，需要進(jìn)行詳細(xì)的基礎(chǔ)研究，為聯(lián)合利用提供理論依據(jù)。轉(zhuǎn)爐渣和兩種精煉渣在水化前出現(xiàn)明顯的放熱峰，而在放熱速率前的精煉渣中出現(xiàn)放熱峰，比表面積大的精煉渣的放熱率高于比表面積小的精煉渣。硅酸鹽水泥水化4小時(shí)進(jìn)入加速期，水化13小時(shí)后進(jìn)入減速期，而轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣6個(gè)小時(shí)后直接進(jìn)入了穩(wěn)定期。在水化160小時(shí)后，兩種不同粒徑的精煉渣的水化熱大于轉(zhuǎn)爐渣的水化熱，但小于水化熱。說明精煉渣的比表面積可以影響其水化熱。硅酸鹽水泥純漿抗壓強(qiáng)度最高，轉(zhuǎn)爐渣抗壓強(qiáng)度最低，長達(dá)7天沒有強(qiáng)度[3]。精煉渣的液體抗壓強(qiáng)度雖然不如硅酸鹽水泥，但比轉(zhuǎn)爐渣高很多。提純爐渣比表面積的差異對起純纖維素的抗壓強(qiáng)度影響較大。28天后，純LF3纖維素和純LF5纖維素的抗壓強(qiáng)度超過15MPa。純LF3漿的抗壓強(qiáng)度超過純LF5漿56天的強(qiáng)度，純LF5漿的56天強(qiáng)度略小于28天的強(qiáng)度，說明增加提高精煉渣的比表面積有助于在水化初期提高產(chǎn)品的強(qiáng)度，但這對后期的強(qiáng)度提高沒有效果，大的表面積可以導(dǎo)致強(qiáng)度在水合的高級階段發(fā)展。水化28天后，凈化礦渣、轉(zhuǎn)爐礦渣和硅酸鹽水泥產(chǎn)物有著差異。除少量CH外，爐渣無明顯結(jié)晶產(chǎn)物。硅酸鹽水泥的結(jié)晶水化產(chǎn)物以CH為主，而純凈礦渣的水化產(chǎn)物較多。這說明精煉渣、轉(zhuǎn)爐渣和硅酸鹽水泥主要礦物成分的差異導(dǎo)致三者水化機(jī)理根本差異，這也是純漿體強(qiáng)度差異顯著的原因。隨著LF3和純纖維素LF5純纖維素的齡期增加，纖維素的水合產(chǎn)物類型沒有變化。樣品固化時(shí)間的延長和原料比表面積的增加有助于轉(zhuǎn)化[3]。

4.4 含碳團(tuán)塊中鋅和堿脫除

不同工藝參數(shù)對高溫電爐粉燒制脫鋅率的影響不同，電爐粉含碳團(tuán)的脫鋅率隨著燒成溫度的升高而增加，溫度越高增加的幅度越大。原因是隨著溫度的升高，氧化鋅還原產(chǎn)生的游離能迅速降低，金屬鋅的飽和蒸氣壓迅速升高，除鋅速度明顯加快。在退火溫度下，可以從鋅中完全去除原子碳氧電爐粉塵中的碳顆粒。在回收溫度為1100℃的條件下，電爐粉塵中碳團(tuán)聚體的分解率隨著回收時(shí)間的增加而增加，主要原因是顆粒中殘留的揮發(fā)性鋅含量逐漸減少。在此溫度下，顆粒基本完成所有鋅的去除。隨著溫度降低到1100℃，電爐的脫碳率隨著碳和氧原子增加而逐漸增加。燃燒溫度對電爐含碳團(tuán)聚體的脫鋅影響最大，其次是燃燒時(shí)間和碳氧原子的影響。在1000℃還原20分鐘后，電塵碳團(tuán)塊表面會殘留大量金屬鋅粉。為充分發(fā)揮碳資源在高爐粉塵中的作用，研究高爐粉塵、原料和活性高爐粉塵作為還原劑對粉塵積累的高爐粉塵脫鋅率的變化。高爐粉和電爐粉按照原子碳氧比1.1混合，用高爐粉作為還原劑來減少電爐粉的分解。在相同的碳氧原子比下，高爐粉塵的高比例降低了含碳電工粉塵團(tuán)的初始鋅含量，但由于高爐粉塵粒徑大。機(jī)械活化打破了高爐粉中碳顆粒與氧化物顆粒的相互包絡(luò)，減小了高爐粉顆粒的尺寸，提高了高爐粉中碳顆粒的活性。隨著時(shí)間的增加，高爐粉塵脫鋅率的增幅逐漸降低。干磨和濕磨在改善高爐粉塵的行為方面具有相似的效果，濕磨在混合方面略好。機(jī)械活化對高爐粉塵中碳粒的還原作用較電爐粉塵中的碳團(tuán)有提高，但與無煙燃料的還原作用相比仍有較大差距。由于無煙燃料中含有揮發(fā)性物質(zhì)，能促進(jìn)脫鋅，而高爐粉的熱分解性差，高爐粉中密封件阻止了碳顆粒與鋅顆粒的接觸.提高燒成溫度有利于電爐粉與高爐粉的完全脫鋅，機(jī)械傳動(dòng)加快了回收過程。隨著溫度或燃燒時(shí)間的增加，無煙燃料燒結(jié)中堿金屬鉀和鈉的去除率逐漸增加。當(dāng)時(shí)間為10分鐘，溫度從950℃逐漸升高到1250℃時(shí)，無煙煤碳粉團(tuán)聚體中的殘余鉀從0.84%逐漸降低到0.33%。鈉去除率從91.1%逐漸提高到97.2%。當(dāng)溫度為1150℃，時(shí)間由5分鐘逐漸增加到25分鐘時(shí)，燒結(jié)礦物中的鉀含量由0.86%降低到0.20%，除鉀率降低，殘留鈉含量從0.18%逐降低到0.075%。碳燒結(jié)團(tuán)塊的原子碳氧比為1.1，在相同燒成條件下高溫?zé)珊螅紵Y(jié)高爐團(tuán)礦中鉀、鈉的殘留量低于毛細(xì)無煙燃料燒結(jié)團(tuán)塊，鉀的去除率和鈉去除率費(fèi)率也更高。主要是由于在相同的碳氧比下，粉塵的加入量遠(yuǎn)大于無煙煤，含碳燒結(jié)粉塵團(tuán)中初始堿金屬含量低。堿金屬直接以氯化物存在。由行磨活化的含碳的高爐粉末團(tuán)塊在高溫下，堿金屬中鉀、鈉含量較低，堿去除率略有提高。濕磨燃燒產(chǎn)生的粉塵使高溫?zé)珊蟮奶繄F(tuán)高爐處理，堿金屬鉀和鈉含量升高，堿金屬去除率下降[4]。

4.5 培燒還原

明確工藝參數(shù)對電爐粉塵行為的影響后，不同工藝參數(shù)對含碳電爐的影響爐粉轉(zhuǎn)化率結(jié)塊。與脫鋅測試參數(shù)的設(shè)計(jì)相比，隨著還原溫度、還原時(shí)間或碳氧原子比的增加，電爐粉塵質(zhì)量的金屬化率呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢。還原時(shí)間為20分鐘，當(dāng)還原溫度從100℃升高到120℃時(shí)，金屬化率從73.8%逐漸提高到91.3%;在還原溫度為1200℃，隨著還原時(shí)間從3分鐘增加到20分鐘，金屬化率提高了84%。繼續(xù)延長還原時(shí)間，金屬化率略有下降。在降溫至1200℃、當(dāng)碳原子與氧原子之比由0.9增加到1.2時(shí)，顆粒的金屬化率由87.7%逐漸增加到92。在原子碳氧比為1.1的條件下，當(dāng)還原溫度從100℃升高到1200℃時(shí)，金屬物質(zhì)的衍射峰強(qiáng)度逐漸增大。在1200℃時(shí)，少量FeO不還原，隨著還原溫度從100℃升高到1200℃，煅燒產(chǎn)物中的衍射強(qiáng)度逐漸增大，這說明升高溫度有利于加速氧化鐵的還原，但應(yīng)避免還原金屬礦物的二次氧化。在不同還原條件下，碳氧比為1.1，還原溫度為1200℃，粉塵碳團(tuán)塊在不同條件下的相組成中，由于還原時(shí)間從5mm增加到25分鐘，衍射峰逐漸減小，煅燒產(chǎn)物中Fe金屬的衍射峰強(qiáng)度逐漸增大。表明煅燒時(shí)間應(yīng)監(jiān)測20分鐘。在還原溫度1200℃，還原時(shí)間5min時(shí)，碳氧原子比從0.9逐漸增加到1.2時(shí)，煅燒產(chǎn)物中FeO的衍射峰逐漸減小，金屬峰Fe衍射逐漸增大。在降溫1200℃、還原時(shí)間20分鐘的條件下，隨著碳氧比從0.9到1.2逐漸增加。Fe金屬衍射峰強(qiáng)度逐漸增大，衍射峰逐漸增大，說明增加無煙煤的添加量加速了不同煅燒溫度下20分鐘后恢復(fù)更漸進(jìn)。在1000℃的還原溫度下，電爐內(nèi)的粉塵顆粒保持原有的球形結(jié)構(gòu)，根據(jù)分析可知，隨著溫度的升高，還原反應(yīng)逐漸完成，形成大量細(xì)小分散的金屬物質(zhì)檢測到游離。微觀電爐粉炭團(tuán)塊在1200℃焙燒溫度下不同時(shí)間煅燒后，當(dāng)還原時(shí)間為5分鐘時(shí)，灰塵顆粒仍保持球形沒有變化。當(dāng)恢復(fù)達(dá)到10mm時(shí)，電爐的初始粉塵結(jié)構(gòu)消失，形成大量分散的金屬顆粒。隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，金屬物質(zhì)晶體逐漸強(qiáng)化，20分鐘后晶體效果更好。含碳電粉爐不同碳氧原子比的團(tuán)聚體，在1200℃/20mm的燒成溫度下，當(dāng)碳、氧原子較低時(shí)，電爐粉塵團(tuán)塊還原不完全，產(chǎn)生的金屬礦物不能結(jié)晶成碎片。因此，結(jié)合直接還原和電爐粉末微觀結(jié)構(gòu)，適合電爐碳團(tuán)聚體的還原條件是溫度1200℃，碳氧比1.1，恢復(fù)時(shí)間20分鐘。在較低的溫度下，電爐粉塵中的碳團(tuán)塊可以完成還原過程。1150℃的還原溫度、高爐粉粒的金屬化率的還原度隨著恢復(fù)時(shí)間的增加和還原開始增加率而增加。當(dāng)還原時(shí)間為15分鐘時(shí)，高爐粉團(tuán)礦的金屬化率最高可達(dá)88.06%，隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，高爐粉團(tuán)礦的金屬化率基本保持不變。當(dāng)還原溫度為1250℃時(shí)，金屬化率提高到87.86%。由于還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)速度越快，其他條件下的金屬化率和還原度越高。

5 結(jié)語

綜上所述，冶金工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，是重工業(yè)的基礎(chǔ)，在我國經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。從整個(gè)冶金行業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展來看，冶金行業(yè)的生產(chǎn)工藝對環(huán)境有著深遠(yuǎn)的影響。如果處理不當(dāng)，冶金發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間就會產(chǎn)生矛盾，最終影響生活質(zhì)量。因此，未來冶金工藝的發(fā)展必須著眼于協(xié)調(diào)生產(chǎn)與環(huán)境的關(guān)系，在生產(chǎn)過程中樹立資源理念和發(fā)展觀。尊重自然規(guī)律的基本理念，創(chuàng)新發(fā)展冶金工業(yè)，借助先進(jìn)技術(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)冶金工業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展。