高炉富氢冶炼后焦炭的性能演变研究现状及展望

在国家提出“碳达峰”和“碳中和”的背景下，钢铁企业的绿色改革迫在眉睫。钢铁企业的化石燃料消耗和CO₂排放主要来源于高炉炼铁工序，高炉富氢冶炼技术可以有效降低高炉焦炭消耗和CO₂排放，高炉内H₂体积分数的增加将使焦炭的性能演变过程发生较大变化，因此，探索这一变化过程对高炉生产的稳定顺行和节能减排尤为重要。综述了高炉富氢后对焦炭的气化反应、微观结构以及软熔带渣铁-焦界面熔蚀过程影响的研究现状。与传统高炉不同，高炉富氢冶炼加大了低温区焦炭的气化反应失重率，但是高温条件下焦炭的气化过程主要发生在表面，这抑制了高温区焦炭反应后强度的降低；高炉软熔带渣铁对焦炭的侵蚀减少，同时焦炭表层灰分质量分数较大，阻碍了渗碳反应的发生。在此基础上对需要进一步深入研究的问题进行了展望，为富氢高炉生产以及焦炭的选择提供参考。     

COREX用焦在铁水中的渗碳特性

 钢铁工业是支撑国民经济发展的基础产业,同时也属于资源和能源密集型行业,随着国家严格的环保政策的逐渐实施,其面临的资源和环保要求日益增加。传统高炉炼铁生产工艺由于存在能耗高、污染物排放多的弊端,发展受到了限制,因此非高炉炼铁工艺的研究和应用日益受到钢铁行业的重视。系统研究了COREX熔融还原非高炉炼铁工艺使用的顶装焦、捣固焦和气煤焦在铁水中渗碳特性,并分析了3种不同样品在铁水中的渗碳动力学行为。研究结果表明,高温铁水与碳原子接触时发生渗碳反应的吉布斯自由能远小于Fe₃C生成反应的吉布斯自由能,焦炭与高温铁水接触被消耗的过程以渗碳反应为主。顶装焦、捣固焦和气煤焦3种焦炭样品与高温液态铁水接触后迅速发生渗碳反应,铁水中碳含量快速增加,但铁水中碳含量增加的幅度随着铁水中碳含量的升高而快速降低,在渗碳反应时间超过120 min后铁水中的碳含量基本保持恒定。3种焦炭在铁水中的渗碳速率由高到低分别为气煤焦、顶装焦和捣固焦,铁水温度对渗碳过程具有明显的影响,随着温度的升高,渗碳速率和最终铁水中的碳含量增加。动力学分析表明,捣固焦在铁水中的渗碳活化能最高,顶装焦次之,气煤焦最小。     

基于富氢/含碳煤气用于冶炼还原剂的减碳策略分析

钢铁厂有大量的富氢/含碳煤气资源，目前主要用于燃烧加热或发电。但是将煤气用于燃烧，仅利用了其热能(含化学热和物料热),而未发挥其化学还原功能，且能源转化效率不高。为合理利用钢铁厂富氢/含碳煤气、实现减碳目标，对基于富氢/含碳煤气用于冶炼还原剂的减碳策略进行分析。研究表明，钢铁厂的富氢/含碳煤气是良好的还原剂资源，高炉喷吹富氢/含碳煤气实现降碳具备技术可行性。因此，将富氢/含碳煤气经净化、加压、脱碳、加热等工序处理后用于高炉冶炼，可充分发挥煤气的还原功能，与煤气用于燃烧发电相比，全流程能耗和碳排放量更低。喷入高炉的煤气可置换焦炭和煤粉，实现高炉炼铁工序直接减碳10%～20%。当煤粉价格高于1 200元/t、焦炭价格高于3 000元/t、煤气置换焦炭比例高于20%时，与煤气用于发电相比，煤气用于高炉喷吹经济效益更好，且置换的焦炭比例越大、煤粉价格越高、电价越低，效益越好。     

两段式喷吹煤粉工艺的实践研究

两段式喷吹煤粉工艺具有保护炉内焦炭强度、降低高炉料柱压差的特点,有利于提高煤粉喷吹量、强化高炉冶炼,同时还可以降低高炉大喷煤对焦炭质量的苛刻要求。两段式喷吹煤粉工艺在某钢铁公司日产达到约3 200t的高炉实施,通过对风口焦炭、高炉尘及高炉操作指标的分析,考察了两段式喷吹煤粉工艺的应用效果。工业实践表明:该工艺能有效地保护焦炭强度,改善高炉炼铁的各项技术指标。     

焦炭喷洒ZBS改质剂的改性机理及生产实践

 针对阳春新钢铁炼铁高炉所采购焦炭品种多、质量波动大,造成高炉炉况波动、成本偏高的问题,进行了焦炭提质增效的工业性试验研究。通过向焦炭立体喷洒ZBS焦炭改质剂,研究了ZBS改质剂与焦炭的相互作用行为,阐述了ZBS改性机理。研究发现,经过ZBS改性后的焦炭形成了碳的络合物和化合物,改变了碳的结构,提高了焦炭的石墨化度。经ZBS改质剂处理后,焦炭反应性(CRI)平均降低5.2%,反应后强度(CSR)平均提高7.83%。相较于基准期,高炉炉温波动小,硫含量合格, 生铁合格率达到100%。试验的1号高炉日产提高75 t,入炉焦比降低33.8 kg/t,综合燃料比降低11.63 kg/t。通过项目实施,达到了高炉稳产、增产、降低焦炭用量的目的,为高炉炼铁增产降耗提供了一种新方法。     

本钢新1号高炉降低瓦斯灰碳含量攻关

研究以高炉炼铁降本增效为最终目标,以降低本钢新1号高炉瓦斯灰碳含量为切入点,利用显微试验分析瓦斯灰中碳的主要来源是焦炭。并在此基础上,从提高焦炭质量和优化装料制度两个方面采取具体措施来降低瓦斯灰中的碳含量,从而实现降低燃料消耗的目标。实践证明,通过提高焦炭质量和优化装料制度,新1号高炉瓦斯灰中的碳质量分数从45.19%降低至30.56%,焦比和燃料比均降低10kg/t以上。但是与国内先进企业相比,仍存在较大差距,操作制度依然有很大优化空间。     

高炉焦炭在铁水中溶解行为研究现状及展望

 在当前及未来大型高炉高冶炼强度的条件下,加快焦炭在铁水中的溶解速率、提高高炉炉缸铁水的碳饱和度是削弱碳不饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀、保证炉缸正常工作及延长高炉寿命的重要措施,同时可以为下游的炼钢工序提供部分热量来源。首先对国内外焦炭在铁水中溶解的试验和模拟研究方法进行了概括,然后对焦炭自身结构性能、焦炭中矿物质、铁水的物理性质等影响焦炭溶解速率的因素进行了详细分析。结果表明,碳结构的有序度和铁水温度的升高有利于焦炭的溶解,而焦炭中矿物质及铁水中硫、磷等元素的存在会抑制铁水的进一步渗碳。研究结果为高炉操作者理解焦炭在铁水中的溶解行为提供借鉴,指导钢铁工业的节能减排。     

铁渣熔体穿行焦炭床的渗碳机理

由于高炉炼铁工艺流程长、对冶金焦依赖性强,尤其是焦化、烧结、球团等原料制备过程中产生的环境问题,因此该工艺的发展受到严重制约。闪速炼铁工艺是近年来提出的一种新兴熔融还原炼铁技术,发展前景可期。不同于高炉炼铁,闪速炉中没有焦炭死料柱,其铁水渗碳量难以预估。为此,以金属化球团和工业焦炭为原料,设计实验研究焦炭床内铁渣熔体渗碳行为,并基于VB编程对铁渣熔体渗碳行为进行了数值模拟。实验结果表明,球团矿金属化率对终铁C含量有较大的影响,渗碳量(w[C],%)随着金属化率(x)的提高呈指数级增加。当焦炭床高度为50 mm时,拟合而得w[C]=0.014 34+exp((x-84.2)/3.253 48);基于VB编程进行的数值模拟结果与高温实验结果吻合较好,相对误差在10%以内,可直观展示铁渣熔体流经焦炭床时碳含量的变化规律。     

甲烷气氛中铁精矿粉闪速还原行为研究

高炉炼铁工艺存在流程长、能耗高以及强烈依赖冶金焦等问题,发展绿色低碳的非高炉炼铁工艺对钢铁生产具有重大意义。本文采用超级铁精矿粉进行了甲烷闪速还原试验,考察还原温度及甲烷体积分数对金属化率的影响,研究铁精矿粉在试验条件下的闪速还原行为,并对还原产物微观形貌进行观察,分析闪速还原机理。结果表明：还原温度为1 550 K、甲烷体积分数7.5%、还原时间为5.49 s时,矿粉金属化率可达90.0%;还原温度的升高及甲烷体积分数的增加提高了矿粉的金属化率;甲烷在还原过程中发生裂解,生成的固体碳在还原产物表面沉积,促进铁氧化物的还原和金属铁的渗碳;渗碳过程降低了金属铁的熔点,还原产物由不规则形状向球型转变;矿粉内部为致密的铁层包裹着未反应的铁氧化物的结构,在FeO/Fe界面处FeO的还原主要是由铁中的固溶碳[C]完成。     

转底炉对转炉污泥的处理

 为了合理利用转炉污泥,减少炼铁流程中有害元素的富集,对转底炉处理转炉污泥进行了研究。结果表明,转炉污泥配入混合料后对生球质量影响较小,但可以提高干球的强度,因此可以减少球团在转运和预热阶段的破裂、粉化情况。混合料的碱度和碳质量分数是影响金属化球团质量的关键因素,而转炉污泥配入混合料后会对它们产生较大影响。将混合料的碱度控制在0.75~0.85,碳质量分数控制在11%~12%,可以保证金属化球团具有所需的强度和金属化率。工业试验过程中,转炉污泥配比从8%逐渐提高至24%,通过控制各原料配比来调节碱度和碳质量分数,金属化球团的质量能够满足生产需要。     

高炉使用含碳复合炉料的原理

 高炉炼铁正朝着高产、低污染、低能耗的方向发展,为了实现这一目标,包括高炉使用含碳复合炉料等一些革新的炼铁技术已经被提出或实际应用。铁焦、热压含碳球团是将铁矿粉和煤粉按一定比例混合后制成的新型含碳复合炉料。研究结果指出,含碳复合炉料相比于传统的高炉炉料（烧结矿和球团矿）具有高温强度高、还原性能好以及原料适应性强等优势。阐明了高炉使用含碳复合炉料的基本原理,介绍了铁焦制备的工艺流程及应用情况,重点进行了热压含碳球团制备工艺流程、冷态冶金性能、高温冶金性能、高炉使用热压含碳球团等试验研究,最后利用多流体高炉数学模型对高炉使用热压含碳球团操作进行了模拟研究。研究表明,高炉使用一定量的含碳复合炉料可以降低热空区温度,增加产量,降低焦比,高炉热利用效率明显提高,操作性能得到有效改善。     

中国高炉实现低碳低成本炼铁问题探讨

针对当前国家制定的低碳方针及炼铁成本偏高、钢铁企业追求低成本炼铁的目标,采用Rist操作线法及C-rd两种方法分析了高炉炼铁过程中的碳消耗。对高炉炼铁成本进行系统分析得出:两种方法计算出的高炉炼铁碳消耗结果基本相同,误差范围在1%~2%;在ηCO55%~58%热消耗接近9 GJ/t的情况下,单位生铁的碳消耗是高炉炼铁的低碳目标,目前中国高炉的燃料比要比低碳炼铁的燃料比高出80 kg/t以上;原燃料价格低并不等于生铁成本低,应根据焦炭、煤粉、熔剂、矿石及烧结矿的综合成本来科学计算评估炼铁生产成本。由于当前产能过剩,高炉工作者应从追求产能转变为保证炉况顺行、稳定炉腹煤气量、实现低碳低成本炼铁。     

铁焦制备与高炉应用的研究进展

 钢铁工业长期面临着资源短缺和环境污染的的发展现状,实现节能减排和绿色冶金是钢铁工业实现可持续发展的重点。而高炉炼铁是钢铁工业节能减排的关键,急需研发低碳高炉炼铁新技术。复合铁焦是实现低碳高炉炼铁的一种新型碳铁复合炉料。高炉使用铁焦后可降低热储备区温度,提高冶炼效率,降低焦比,从而实现CO₂减排。综述了国内外铁焦制备与应用的研究进展,主要包括铁焦的制备工艺和高炉应用。归纳了各种铁焦制备工艺的特点。同时提出并研究了矿煤压块-竖炉炭化-高炉应用的冷压型铁焦制备与应用新技术。重点进行了冷压型铁焦的制备及冶金性能优化、高炉应用冷压型铁焦等试验研究。冷压型铁焦制备适宜的工艺条件为,质量分数为30%铁矿粉、45%烟煤1、10%烟煤2、10%烟煤3、5%无烟煤、5%沥青类黏结剂B混合加热至60 ℃,并进行冷压成型;成型压块再经竖炉1 000 ℃炭化4 h;获得抗压强度3 977 N、I型转鼓强度77.7%、反应性69.7%、反应后强(固定气化溶损量20%)42%的优质铁焦。高炉综合炉料中添加质量分数20%~30%冷压型铁焦,综合炉料熔滴性能明显改善。以上研究为铁焦实现工业化生产与低碳高炉炼铁应用提供了参考。     

生物质炭复合团块在高炉中的反应行为

研究了生物质复合团块在高炉中的反应行为,该复合团块主要成分(质量分数)为:11.1% C、72.7% Fe₃O₄、11.25% FeO、0.77% Fe和4.67% 脉石。并对高炉环境下复合团块的反应行为进行了建模,通过高炉气氛下的等温动力学实验确定模型参数并进行了模型验证。进一步,结合模型模拟,模拟高炉环境的实验和团块微观结构分析,对模拟高炉条件下和实际高炉条件下团块的反应行为进行了分析。研究结果表明:模拟高炉条件下,在60 min (973 K) 到120 min (1273 K) 期间, 团块的微观结构发生明显变化,其微观结构由渣相网络结构向金属铁网络结构转变。在实际高炉中,复合团块的反应进程主要包括三个阶段:团块的高炉煤气还原（473~853 K）、团块的高炉煤气还原和部分自还原（853~953 K）以及团块的完全自还原（953~1150 K）。在团块自还原参与阶段,与烧结矿相比,团块内氧化铁还原速率更快;与焦炭相比,团块内生物质炭气化速率更高。同时,在此阶段,团块有提高高炉煤气利用率和降低高炉热储备区温度的作用。      

Fundamental Study on Carbon Composite Iron Ore Hot Briquette Used as Blast Furnace Burden

Carbon composite iron ore hot briquette (CCB) is the product of fine iron ore and fine coal by hot briquetting process, which attracts more and more attention as a new type of ironmaking raw materials aiming to improve the operation efficiency and reduce the coke consumption of blast furnace. This paper is devoted to experimental study on metallurgical properties of CCB and numerical simulation of the BF operation with CCB charging. At first, the metallurgical properties of CCB, including cold crushing strength, RDI, RSI, reducibility, high temperature strength, and softening and dripping are experimentally tested and compared with the common burdens, which revealed that the CCB possesses the required metallurgical properties and is suitable to use as the blast furnace burden. Then, the effects of charging CCB on the dripping properties of comprehensive burdens are elucidated based on the experiments under simulated blast furnace conditions. The results showed that the maximum charging ratio of CCB in the iron burdens is 40%–50% for achieving appropriate dripping properties of the mixed burdens. Finally, a multi‐fluid blast furnace model is used to simulate BF operation with CCB charging. According to model simulations, charging CCB will cause the temperature level to decreases in the furnace and the location of the cohesive zone shifts downward. On the other hand, the productivity tends to increase while coke rate and total reducing agent rate decrease, the heat efficiency improves remarkably and the operation performance of BF is effectively enhanced.     

铁焦高温冶金性能评价方法的研究进展

摘要：铁焦作为低碳高炉炼铁的一种新型碳铁复合炉料,其高温冶金性能至关重要。铁焦的高温冶金性能直接关系到其在高炉内的实际应用以及高炉的冶炼效率。国内外相关学者对铁焦的高温冶金性能做了试验研究,并相继提出了评价铁焦高温冶金性能的新方法。但是,目前还没有统一的合理的铁焦高温冶金性能评价方法。总结了当前铁焦高温冶金性能评价方法的研究现状及进展。同时,采用各种方法评价铁焦高温冶金性能,并与相同条件下焦炭的高温冶金性能进行对比。通过分析比较,并结合高炉冶炼的实际情况,提出了较为科学的评价铁焦高温冶金性能的新方法。新评价方法的提出,将为铁焦的生产制备和高炉应用提供理论参考。     

宝钢炼铁技术的进步

１９９８年高炉生产稳定顺行，产量上升，喷吹煤量已达到２００ｋｇ／ｔ，烧结实现了低ＳｉＯ２生产，原料实现了智能化混匀矿堆积，焦炭质量保持良好，使宝钢炼铁的总体水平达到了世界先进水平。     

Modelling of Blast Furnace with Respective Chemical Reactions in Coke and Ore Burden Layers

Metallurgical and Materials Transactions B - The ironmaking blast furnace (BF) is an efficient chemical reactor for producing liquid iron from solid iron ore, where the solids of coke and iron ore...     

宝钢炼铁系统技术进步

１９９８年,宝钢炼铁系统依靠科技进步,原料准备实现了混匀矿智能化堆积,烧结实现了低ＳｉＯ２烧结矿生产,炼焦做到了焦炉作业率生产,炼铁实现了高炉生产稳定,产量上升,煤比达到２００ｋｇ／ｔ的目标,宝钢炼铁系统的生产技术总结了水平达到了世界先进水平。     

高比例酸性炉料对高炉操作的影响及应对措施

 随着环境保护压力的增加,中国钢铁公司的高炉炉料结构中酸性料(球团和块矿)配比显著提高,尤其在冬季取暖季的时候。但是,各钢铁公司的资源条件不同,采用高比例酸性炉料冶炼时,有的钢铁企业获得较好的生产指标,但也有钢铁企业操作指标不佳或难以实现高比例酸性料操作。基于此,以提高高炉酸性料比例和降低生产成本为目的,分析了高比例酸性料所带来的问题,并提出了应对高比例酸性炉料的技术措施。高比例酸性料对高炉冶炼的影响主要体现在块状带和软熔带。对块状带的影响主要有,粒度的差异导致空隙率降低;堆积性能的差异导致料面难以控制;还原产生的粉末影响高炉块状带的透气性。对软熔带的影响主要有,酸性料自身软熔温度较低;还原度较低导致矿石进入软熔带前FeO含量高,使得软熔带位置上移且变宽;软熔带焦窗长度变长,增加整个焦窗的压力损失。应对高比例酸性炉料的具体措施有,合理选择优质酸性炉料;制备碱性镁质球团;采用合理的布料制度尽量克服球团矿对料面的不利影响;高炉精细化用焦,充分发挥大块焦与小焦丁的特点与功能。能够改善块状带和软熔带透气性的技术措施都可以缓解高比例酸性料对高炉冶炼的不利影响,各生产企业可结合自身的资源情况和炉型特点,逐步采取技术措施去适应和改善高比例酸性炉料条件下的高炉操作指标。旨在为中国钢铁企业采用高比例酸性炉料进行炼铁生产时提供参考。