宣钢改善焦炭反应性的研究与实践

焦炭质量是高炉生产操作取得良好指标的关键,使用高反应性焦炭能增强炉内的还原气氛,促进含铁炉料的还原,而料层透气性不会有显著变化。此外,焦炭反应性的提高有利于提高含铁炉料进入软熔带和滴落带时的金属化率,减少进入软熔带和滴落带炉料中FeO的含量,有利于改善高炉内含铁炉料的软熔滴落性能。     

焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响

研究了五种具有不同反应性的焦炭对高炉块状带含铁炉料还原的影响规律,并对料层的压差、CO体积分数以及含铁炉料的还原程度进行了分析.当炉内通入的原始气体中CO体积分数(仅考虑CO和CO₂)为72.22%时,随着焦炭反应性的增强,焦炭气化速率加快,含铁炉料颗粒周围的CO体积分数升高,含铁炉料的还原度依次增高,还原度从使用低活性焦炭时的33.18%增大到使用高活性焦炭时的53.83%;而当原始气体成分中CO体积分数为66.67%时(低于900℃还原FeO的平衡气相体积分数),使用高反应性焦炭也可还原出金属铁.由此可见,适当增加入炉焦炭的反应性,可促进焦炭与含铁炉料间的耦合反应,提升料层CO体积分数,提高含铁炉料进入软熔带区域的金属化率.      

不同反应性焦炭在炉料还原-软熔过程中的作用行为

随着钢铁企业“双碳”目标的提出，明确焦炭在炼铁过程中的作用行为至关重要。同时高炉富氢冶炼技术的推广给高炉内原燃料的反应行为带来了较大的变化，因此，研究在无氢和有氢气氛下不同反应性焦炭在高炉炉料还原-软熔过程中的作用行为对高炉冶炼具有重要意义。模拟高炉实际炉料结构，研究了不同反应性焦炭对矿石还原度和焦炭的气化率及孔隙结构变化的影响，探索焦炭反应性对炉料软熔性能及软熔带透气性的影响，解析不同反应性焦炭与渣铁界面作用行为的变化机理。研究结果表明，焦炭的反应性提高使各温度下矿石还原度和焦炭气化率均提高，各温度下焦炭的表层孔隙率增加，在无氢气氛下孔隙率的增加幅度低于有氢气氛，焦炭内部孔隙结构整体变化幅度较小。焦炭反应性提高后，炉料的软化温度区间减小且向低温区移动，在无氢气氛下熔化温度区间降低，在有氢气氛下熔化温度区间略有增加，焦炭表层碳基体劣化严重且强度降低，料层最大压差增加，透气性劣化，无氢时的影响程度强于有氢时的影响程度。增加焦炭反应性后，在无氢气氛下渣铁分离较好，且炉渣可以与焦炭灰分有效融合，使熔化带向低温区移动；在有氢气氛下，焦炭表层灰分含量较高，且不能及时与炉渣融合更新焦炭表面的活性点...     

回转窑预还原-氧煤燃烧熔分炼铁技术分析

针对高炉炼铁存在工艺流程长、焦炭依赖度高、环境污染大等问题,提出了一种回转窑预还原-氧煤燃烧熔分炼铁新工艺。该工艺具有原料适应性广,不需要消耗焦炭,污染物排放少,适合冶炼特殊铁矿资源等特点。通过建立数学模型,对该工艺进行了数值模拟。计算结果表明,回转窑预还原炉料的金属化率、熔分炉煤气的氧化度和鼓风氧含量对冶炼工艺煤耗和氧耗影响较大,煤粉和氧气消耗随着预还原炉料金属化率的升高,熔分炉煤气氧化度的增大和鼓风氧含量的升高而降低。该工艺对冶炼特殊铁矿资源具有显著优势,可以弥补高炉冶炼的不足,对降低燃料消耗和减少CO_2排放具有重大意义。     

莱钢高炉解剖软熔带含铁炉料特性分析

基于莱钢2007年120 m3生产高炉科学解剖研究内容,系统分析了含铁炉料在软熔带位置物化属性。结果表明,高炉软熔带呈不规则倒V形分布,软熔层矿石还原度由低温侧向高温侧逐渐增加,其中烧结矿的还原度由40%~70%增加至80%~95%,球团矿的还原度由40%~50%增加至70%。软熔层低温侧烧结矿金属化率为20%~45%,球团矿的金属化率为10%~20%,在高温侧烧结矿的金属化率为70%~95%,球团矿的金属化率约为50%~70%。含铁炉料在软熔带区域发生了剧烈的还原反应,其中烧结矿金属化率增加的幅度大于球团矿的主要原因为烧结矿的还原性好于球团矿的还原性。矿相分析表明软熔带中球团矿已没有Fe₂O₃、Fe₃O₄存在,铁主要以FeO和金属铁存在,在软熔带区域存在被还原生成中空的铁壳球团矿。     

高炉炉料软熔滴落性能的研究现状与展望

高炉生产能耗高、CO₂排放量大,在国家“双碳”背景下,稳定顺行是高炉节能减排的重要前提。高炉软熔带的形状、厚度、位置决定着炉内煤气流的二次分布,对高炉顺行起决定性作用。含铁炉料的软熔滴落性能试验在一定的负载和还原条件下模拟高炉内渣铁形成过程,是目前表征高炉软熔带矿石软化熔融过程的最直接手段。综述了高炉炉料软熔滴落性能的研究现状及影响因素,指出改善炉内矿石还原条件及炉料造渣过程是优化炉料软熔滴落性能与软熔带分布的根本。在不影响高炉炉渣性能的前提下,适当调整炉料化学成分、调整炉料结构、增加球团矿比例、向焦炭中添加CaO等碱性物质以及使用富氢气体还原等均能改善矿石在高炉内的还原条件,优化软熔滴落性能。高炉富氢冶炼是未来高炉发展的重要方向,对高炉炼铁节能减排及高炉顺行具有重要意义。     

氧气高炉块矿与烧结矿软熔过程交互作用

 以不同预还原度的块矿及块矿与烧结矿的混合矿为研究对象,利用单颗粒荷重软化试验装置,考察了氧气高炉及传统高炉还原气氛对块矿及混合炉料软熔性能的影响。研究发现,高还原势的氧气高炉条件下,含铁炉料还原度的提高导致其颗粒内部铁相数量增加,低熔点渣相数量减少,块矿的软熔性能与传统高炉条件相比有所改善。同时,通过对软熔过程相关数据及炉料颗粒微观结构的分析,发现氧气高炉条件下,块矿-烧结矿混合炉料在界面上发生了交互作用;由于铁相数量的增加及渣相的减少,不同渣相的接触时间被推迟,接触的渣量也减少,导致相对于传统高炉条件,氧气高炉条件下发生交互作用的温度升高,其作用强度减弱。     

预还原含铁炉料在高炉内的软熔滴落行为

 试验考察不同金属化率、不同碳含量下预还原含铁炉料软熔滴落特性。结果表明：与未还原含铁炉料相比,预还原含铁炉料的软化温度区间或软熔温度区间虽然较大,但温度区间内的料柱压差较小;熔滴温度区间内,熔化开始温度随着金属化率的增加而升高,滴落温度随铁水碳含量的增加而降低,料柱的最大压差随着金属化率的增加而减小;软熔滴落性能特征值（SD）随着金属化率和碳含量的增加而减小。由此推测,高炉使用具有一定碳含量的预还原含铁炉料将有利于增大软化层空隙、降低熔融层厚度,从而改善软熔带的透气性。     

氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展

首先介绍了氧气高炉的发展历程,早期的研究工作主要着眼于解决由于氧气代替空气鼓风而引起的“上冷下热”问题,并总结了各国研究者提出的氧气高炉流程及其主要特点。随后系统阐述了北京科技大学科研人员在氧气高炉工艺基础研究与工程技术开发方面所取得的主要进展。这些研究包括氧气高炉流程设计,含铁炉料还原与软熔,氧气鼓风及循环煤气喷吹条件下的煤粉燃烧,循环煤气加热过程中的物理化学变化等炉内反应与变化,以及在此基础上开展的回旋区及全炉数值模拟研究,为氧气高炉的工程化实施奠定理论基础。最后对氧气高炉的碳素流及节碳潜力进行了分析,并提出富氢碳氢循环氧气高炉将成为炼铁低碳化的重要发展方向。      

不同料柱模式下高炉内煤气流分布的模拟

高炉炼铁广泛使用高铝炉料，冶炼过程中需要控制渣成分以满足炼铁需求，这会导致渣比增加和软熔带位置改变，进而影响高炉煤气流的分布。为此，基于Flunt数值模拟手段，研究了不同料柱模式下高炉内煤气流的分布情况。结果表明，不同料柱模式主要影响软熔带附近煤气流分布，对炉身上部煤气流分布情况影响较小。倒V形软熔带的料柱模式下，随着软熔带的高度升高、厚度增加，高炉内中心处11.1 m到13.0 m高度平均煤气流速由0.76 m/s减弱到0.69 m/s,边缘处8.6 m到11.1 m高度平均煤气流速增加了0.05 m/s。W形软熔带的料柱模式下软熔带下部的煤气流速高于倒V形软熔带料柱模式下的流速。研究结果可为指导高炉大渣量冶炼提供理论依据。     

荷重熔滴实验与还原熔化实验的相关性

在焦炭性能和高炉风量基本保持稳定的背景下，含铁炉料在还原条件下的熔化性能是影响高炉软熔带和透气性最重要的因素.为满足高炉炉料结构快速变化的需要，采用还原反应熔化参数来表征不同炉料结构的性能，进行还原条件下熔化实验和荷重熔滴实验，探究还原熔化参数与荷重熔滴特征值的关联性.实验结果表明还原熔化参数和荷重熔滴特征值有很好的一致性.而还原熔化实验周期短、人力成本低、物力成本低，参照荷重熔滴实验结果，可快速为高炉确定合理炉料结构提供指导.      

八钢C高炉配加粒钢工业试验

对八钢C高炉配加粒钢工业试验进行了总结。在高炉炉料结构中适当配加粒钢,有利于提高高炉上部的金属化率,降低直接还原度,抑制焦炭熔损反应,保护焦炭的骨架作用,在不影响炼铁生产正常进行的同时,达到增产节焦效果。     

氧气高炉条件下球团矿还原行为研究

为分析氧气高炉条件对炼铁系统还原过程的影响,建立高炉气固换热-化学反应耦合数学模型,对高炉软熔带以上区域进行分区,获得氧气高炉和传统高炉不同区域的升温制度和气氛变化规律;通过球团矿还原行为试验,结果表明:相比传统高炉条件,氧气高炉条件下球团矿还原性有大幅度提高,边缘区域更为明显;由于还原势的提高以及H2的增加,氧气高炉条件下炉料还原速率比传统高炉更快,生成金属铁的量更多,有利于改善炉料的软熔行为。研究为氧气高炉工业化应用提供理论基础。     

高炉内添加半焦对料柱熔滴特性及焦炭溶损的影响

随着“碳达峰”“碳中和”政策的推进，钢铁企业面临着超低碳排放的压力，降低焦炭消耗是实现高炉低碳冶炼的重要举措之一，半焦具有与焦炭相近的理化性质，且能满足高炉炼铁的基本需要，可作为焦炭的替代品。模拟高炉实际工况对添加半焦后的炉料进行了熔滴特性及焦炭溶损程度的相关研究，进而探讨半焦替代焦炭用于高炉炼铁的可行性。结果表明，矿焦混装比未混装时的熔滴性能更优，当添加半焦比例从30%降低到10%时，熔滴特征值S由774 kPa·℃下降至597 kPa·℃,最大压差ΔP_MAX由13.66 kPa降低到11.79 kPa,软化区间变宽且位置下降，熔融区间收窄变小，软熔区间大小和位置逐渐接近于混装焦炭时的情况，料柱的透气性良好；添加半焦后的熔滴物相中渣相成分更为稳定，且Fe的还原度更高；添加半焦能够在一定程度上减小焦炭的孔隙率，降低焦炭的溶损程度，对焦炭起到良好的保护作用，改善料柱的透气性。本研究证明半焦替代冶金焦炭有效可行，为高炉使用半焦提供理论基础和技术指导。     

高炉添加金属化球团炉料的冶金性能试验

在掌握金属化球团及其他含铁原料特性的基础上,采用熔滴试验方法,考察不同比例金属化球团对高炉冶炼过程的影响。试验结果表明：金属化球团具有含铁品位高、金属化率高、还原性能好、无低温还原粉化、软熔滴落性优良等特点,在高炉中配加金属化球团其综合炉料的软熔滴落性能变好,但考虑到配加金属化球团后减少焦比对高炉的影响,其配加比例在20%（质量分数）左右比较适宜。     

利用高含碳金属化团块实现高炉炼铁的节焦

 高炉炼铁是主要的铁水生产工艺,低焦比炼铁一直是高炉节能的重要指标。研究了高含碳金属化团块在高炉中的应用,以达到节约焦炭的目的。利用超细氧化铁粉和非焦煤煤粉为原料在管式加热炉中通过直接还原制备了碳质量分数为15.6%的高含碳金属化团块;在模拟高炉环境的条件下,考察了团块质量变化、团块部分反应后抗碎强度变化和团块微观结构变化;利用自制的热重装置考察了团块内碳的气化动力学;以试验结果为基础,结合高炉数学模型,对利用高含碳金属化团块实现高炉炼铁节约焦炭的效果进行了定量分析。试验结果表明,在高炉环境下,团块部分反应后抗碎强度可以保持在1 200 N/个以上,团块的反应主要为碳溶损反应,且团块有较高的CO₂反应性。对2 500 m3高炉的模拟结果表明,在高炉的含铁炉料层中添加质量分数为5%的高含碳金属化团块,生产率可以提高419 t/d,生产1 t铁水可以节约焦炭11.3 kg,且高炉的操作参数不需要进行调整。     

多约束条件下回转窑-氧煤燃烧熔分炉热工分析

 传统高炉炼铁工艺具有冶炼流程长、污染物排放大的问题,因此非高炉炼铁技术引起了国内外学者的广泛关注。通过建立热量与物料平衡耦合的数学模型,对回转窑预还原-氧煤燃烧熔分炉物料平衡和热平衡进行计算,揭示不同金属化率、煤气氧化度及鼓风氧含量条件下的热工参数变化规律,最后使用Lingo软件对工艺进行热工分析,确定回转窑内预还原金属化率等与熔分炉适宜煤粉消耗量的关系。结果表明,升高金属化率、煤气氧化度及鼓风氧含量均可以降低工艺煤耗和氧耗,但煤气量及煤气热值并不会随着操作参数的升高而达到最优,在对工况参数进行最优求解后得知,在炉料金属化率为70%、熔分炉煤气氧化度为16%且鼓风氧为100%时,回转窑-氧煤燃烧熔分炉工况条件最好。     

湘钢合理炉料结构研究

通过对湘钢炼铁入炉炉料进行还原性及熔滴性能试验，分析了不同炉料结构对高炉软熔带的影响；结合成本分析，指出了在当前条件下，湘钢炉料结构的合理搭配。     

碳铁复合低碳炼铁炉料制备与应用研究

在未来相当长一段时期内，高炉-转炉流程仍是钢铁生产的主导流程。高炉炼铁是钢铁工业节能减排的关键环节。碳铁复合炉料新技术是当前最可能实现的低碳高炉炼铁技术。阐明了高炉使用碳铁复合炉料低碳冶炼的原理，系统研究了碳铁复合炉料的制备、冶金性能优化、对含铁炉料还原过程的影响以及对高炉综合炉料熔滴性能的影响及其机理，形成了完整的竖炉法碳铁复合炉料制备和应用技术。结果表明，碳铁复合炉料制备工艺优化条件为15%铁矿B、55%烟煤A、10%烟煤B、20%无烟煤C，压块温度为300℃，1000℃炭化4h，此条件下碳铁复合炉料抗压强度达4970N，反应性为61. 08%，反应后强度达51. 23%；混装10%碳铁复合炉料，1100℃还原时球团还原率提高7. 69%；随着碳铁复合炉料添加量的增加，综合炉料软化区间从206. 3℃增加到218. 9℃，熔化区间从171. 1℃降低到124. 8℃，滴落率先升高后降低，透气性改善，综合炉料中碳铁复合炉料添加量不宜超过焦炭的30%。     

萤石和氧化镁对含钒钛高炉炉料熔滴性能的影响

利用高温熔滴炉模拟实际高炉软熔带的运行情况,探讨CaF2和MgO加入炉料后,对钒钛高炉炉料透气性、软熔带厚度、压差陡升温度、软熔区间、熔融区间等炉料高温物理性能的影响;为改善软熔带透气性,找出高炉合适软熔带位置,从而达到解决利用钒钛磁铁矿带来的不利影响的目的,为提高高炉强化冶炼目的提供重要依据。结果表明:炉料中添加萤石后对软化开始温度基本无明显影响,但使软化温度区间变窄,初渣带位置形成过早,软熔带厚度、最大压差、总特性值都升高。MgO的加入使软化开始温度升高,软化温度区间变窄,说明MgO的加入使软熔带位置下移,软熔带变薄。