等离子体还原技术在冶金工艺中的应用

双碳战略是钢铁行业实现绿色低碳转型的重要路线,针对该路线产生了诸如氢冶金等一系列理论和工艺技术。目前应用于工业还原炼铁新工艺主要有Corex、HIsmelt等,而等离子体冶金作为炼铁新工艺仍处在实验室阶段。主要对低温和高温等离子体还原炼铁国内外研究做相关阐述。低温等离子体还原更具热力学优势,能降低反应所需活化能,而高温等离子体虽能用于还原,但由于温度和速度的限制其还原效率较低。然而低温等离子体还原炼铁机制尚不清晰,针对多元组分反应路径不明等问题是未来的研究方向。针对等离子体在冶金其他方面的应用,介绍了其在炉外精炼和中间包加热中的作用及特点。等离子体技术在冶金行业的应用具有广阔的前景和巨大的潜力,但仍存在部分领域和方向机制不明、应用脱节等问题,未来针对其在低温领域的扩展应用是低碳冶金的重要课题,推动等离子体冶金的理论构建和工业应用是今后冶金工作者的重要挑战和机遇。     

煤基低温冶金技术的研究

高炉炼铁法和熔融还原法属于高温冶金流程,其缺点是能耗高、污染严重。气基直接还原法受我国天然气资源的限制,很难得到发展。煤基直接还原法由于生产力低、能耗过高,发展缓慢。煤基低温快速还原炼铁新工艺,能够在600℃左右实现煤粉快速还原铁矿粉,具有还原温度低、效率高、能耗低、污染小等特点,有望成为一种有前途的炼铁工艺。新工艺不仅能处理铁矿粉,还能处理钒钛磁铁矿和钛铁矿等矿种。在实验的基础上,提出了煤基低温冶金学。     

低温快速还原炼铁新技术特点及理论研究

对低温快速还原炼铁新技术进行了理论基础研究,不但设计了新工艺流程,而且论述了新流程的特点.低温快速还原炼铁新流程分为气基和煤基两种流程,它们均具有低能耗、高效率和环境友好等特点.微米级铁矿粉具有纳米尺度的晶粒,纳米晶铁矿粉的储能使得反应温度明显低于微米晶粉体的反应温度.反应活化能降低与反应面积增加显著加快反应的进行.纳米晶催化反应进一步降低铁矿的还原温度和加快还原速度,可将气基和煤基的低温快速还原温度降至600℃和700℃以下.碳的气化反应依然是低温下碳还原氧化铁的限制性环节.     

熔融还原炼铁技术分析

分析了主要的熔融还原炼铁流程.COREX采用预还原竖炉+熔融气化炉的纯氧炼铁流程,已经工业化,但吨铁焦炭量维持在250 kg左右的水平,吨铁燃料比达到1 000 kg.FINEX采用多级流化床+热压块+熔融气化炉+煤气脱除CO:循环使用的纯氧炼铁流程,可直接处理粉矿,吨铁燃料比为800 ks左右,吨铁焦炭使用量在200kg左右,不过FINEX工艺复杂,效率低,仍在进行工业化试验.HISMELT试图采用一步法直接熔融还原粉矿,难度大,指标与预期相差较大,尚处在技术攻关阶段.可见,目前的熔融还原炼铁流程,离低能耗、低污染的炼铁目标相差甚远,最大的问题是预还原矿粉(球团)的低温还原性能差,提高铁矿的低温反应性能是熔融还原炼铁走向成功、高效、环保的关键所在.     

我国铁矿粉烧结技术发展思路及措施

作为我国高炉炼铁的主要含铁原料,烧结矿的质量对于高炉炼铁生产"高效率、高效益、低耗、节能减排、长寿"具有重要的意义。针对近年来我国铁矿粉烧结工艺受铁矿资源短缺及品质劣化、节能减排、市场环境等不利因素制约,以高炉炼铁的任务为出发点,充分解读了高炉炼铁的"精料方针",提出了以铁矿粉烧结工艺理论为基础,以烧结原料结构和工艺参数优化、改善烧结矿质量为目标的铁矿粉烧结发展的思路及措施。     

流态化技术在熔融还原工艺中的应用

介绍了FINEX、FINMET、Circored和HIsmelt等几种典型熔融还原工艺采用流化床处理粉铁矿的技术及特点。总结了熔融还原中采用流化床处理粉铁矿应遵循的原则。参考国内外有关流化床处理粉铁矿的实践经验,提出了一种采用流化床处理粉铁矿的熔融还原炼铁新工艺流程,按照冶金功能分为4个系统:使用约800℃的还原煤气生产还原度约80%的DRI的流态化预热预还原系统;直接使用粉煤、高温高预还原度炉料、纯氧冶炼,二次燃烧率控制在20%左右的铁浴终还原系统;具有调节和变换终还原高温煤气和循环使用炉顶煤气功能的煤气改质系统;解决输出煤气利用的综合利用系统。     

基于不同炼铁工艺的铁矿石低温还原粉化特征

 为改善铁矿石在炉内的低温还原粉化性能以适应多样的炼铁生产条件,以炼铁生产常用的烧结矿、球团矿以及块矿为研究对象,通过控制还原气体成分和温度的方式,考察并比较了不同种类铁矿石在高炉炼铁工艺和COREX非高炉炼铁工艺2种煤气条件下的低温还原粉化行为。试验结果表明,相同的还原气氛和温度条件下,烧结矿、球团矿以及块矿的还原粉化形式、程度有较大差异,而各类铁矿石对煤气性质、温度变化的敏感性也各不相同。这对更为全面地考察和评价不同类型铁矿石的低温还原粉化特征,进而改善铁矿石冶金性能和优化炼铁工艺参数具有一定的实用性和参考价值。     

煤基直接还原炼铁技术分析

分析了主要的煤基直接还原炼铁工艺。回转窑反应温度低,导致动力学条件变差,停留时间长,散热大,吨铁煤耗达到1000 kg左右。从能量利用角度,过多的煤气还需换热加以利用。隧道窑通过罐装矿粉,可省去造球工艺,但是罐子传热只能通过对流与传导换热方式,因此,停留时间长,热量损失大,同时罐子、海绵铁的余热、废气热量尚未得到利用,导致煤耗高达1 500 kg/t海绵铁。转底炉由于温度高,反应速度快,但是热能利用率差,吨铁实际煤耗居高不下。可见,目前的煤基直接还原炼铁工艺,离低能耗、低污染的炼铁目标相差甚远,最大的问题是固态条件下的还原反应效率过低,提高铁矿的低温反应性能是煤基直接还原炼铁走向成功、高效、环保的关键所在。     

《低碳炼铁技术》出版发行北大核心

《低碳炼铁技术》已于2021年5月由冶金工业出版社出版发行。该书概述了低碳炼铁背景和主要技术方向,详细阐述了高炉喷吹焦炉煤气富氢还原炼铁技术,复合铁焦和含碳复合炉料制备及高炉低碳冶炼技术,气基竖炉直接还原短流程及其应用于高铬型钒钛磁铁矿高效清洁冶炼技术,不锈钢粉尘、硼泥和铝业赤泥等典型冶金二次资源高效高值化利用技术的最新研究成果。     

含铁煤灰富选与炼铁的研究

含铁煤灰富选与炼铁是电厂灰渣综合利用的重要内容,也是冶金领域的新问题,本文根据实验研究及工业试验,以研究煤灰铁矿粉的物质组成与结构为基础,讨论了矿粉的富选及冶炼特性、造块方法及冶炼过程特征,提出细磨及予还原磁选以提高含铁品位,研制低温固结球团及冶炼工艺制度,并用操作线图分析高炉炼铁过程及技术措施的效果。     

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。     

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。     

HIsmelt熔融还原主反应器能质流转模型构建与验证

 HIsmelt熔融还原炼铁工艺以铁矿粉和煤粉作为原料,流程中不需要烧结、球团和焦化,与高炉炼铁流程相比具有降碳减排等优势。明晰能质流转过程对HIsmelt熔融还原炼铁实际生产具有指导意义。基于物料平衡、热平衡方程,对输入和输出HIsmelt主反应器物质和能量进行平衡计算,建立能质流转模型,并结合FactSage中Equilib模块计算的各元素在渣铁两相间的质量分配比及实际生产数据对其进行修正。该模型可以计算原料和燃料成分、矿煤质量比、二次燃烧率、热风氧含量等参数对铁水温度、炉渣成分、热风量、煤气量等主要冶炼指标的影响。其次依据该模型,进行了物料平衡、热平衡计算,依据实际生产数据对模型计算结果进行了验证,结果表明该模型与实际生产数据契合度较高。探究了矿煤质量比对冶炼的影响,矿煤质量比为1.39～1.45时,矿煤质量比降低0.1,会使二次燃烧率降低0.23%,进而造成煤气化学能的利用率降低,同时需要更多的热风使煤粉燃烧,热风量和煤气产生量增加,可以通过适当提高热风氧含量以提高二次燃烧率并使煤气量降低来改善;矿煤质量比降低0.001,会使铁水温度升高3.76 ℃,有利于铁水后续的加工处理,但铁水温度升高使铁元素在铁液与渣中的比值降低,使炉渣FeO质量分数升高0.026%,增加铁损,可通过降低富氧热风喷吹量来降低铁的氧化量,从而降低铁损。     

炼铁系统低碳技术发展前景与途径

 现代高炉炼铁是以人造矿石和焦炭为物质基础的。现代高炉实现绿色低碳炼铁,需要从炼铁工序的层次优化工艺流程和关键技术,实现烧结、球团、高炉等多工序的协同优化。面向未来,在提高资源和能源利用效率的同时,基于现有技术推进采用低碳节能技术和先进工艺。对于烧结、高炉等传统工艺技术,要进一步研究并应用先进技术,提高生产效能、降低能源消耗和碳排放。持续研究推广绿色低碳烧结技术,如低碳厚料层烧结技术、烧结料面富氢气体喷吹技术、烧结返矿高效回收利用技术、低温烧结技术和热风循环烧结技术等,有效降低烧结过程的能源消耗和CO₂排放。充分利用中国精矿粉资源生产球团矿,提高球团矿产能和产量,进而提高球团矿入炉比率和炉料综合品位,有效降低碳素燃料消耗。提高高炉富氧率和喷煤量,持续提高风温、降低燃料消耗,提高高炉顶压和煤气利用率。有条件的高炉喷吹富氢气体以减少焦炭消耗,开发应用高炉炉顶煤气循环及CO₂脱除再利用(CCUS)等技术。研究解析了高炉炼铁工艺碳-氢耦合还原的热力学机理,讨论了在高炉内不同温度区域固体碳、CO和H₂的还原能力,提出了直接还原与间接还原的耦合匹配是实现最低燃料比的技术核心,探讨了高炉炼铁喷吹全氢/富氢气体的技术可行性和经济性。这些综合技术措施对于进一步降低高炉工艺流程的碳素消耗、减少CO₂排放具有显著效应。与此同时,设计先进合理的流程系统和耗散结构,优化工序界面技术,构建信息物理系统(CPS)实现炼铁工序协同高效、动态有序运行,这也是高炉炼铁工艺实现绿色低碳的关键共性技术之一,具有广泛的适用性和显著的应用效果。     

氢气还原1～3mm铁矿粉的动力学研究

在自制的kg级高温流化床中研究了氢气还原1～3 mm矿粉的动力学试验。随着时间的增加,气体利用率下降,表明还原前期反应速度快,后期反应慢;温度越高,气体利用率越高,但随着还原时间的增加,差距在逐步缩小;对于750℃,前20 min的气体利用率为9%,金属化率达到84%,说明氢气还原矿粉反应是非常迅速的。随着气速的增加,金属化率在增加,并且几乎成线性关系,因此使用氢气作为还原剂,可以允许更高的气速,从而提高设备的生产效率。随着料高的增加,金属化率不断下降,然而气体利用率却在不断升高。使用氢气作为还原剂,可以将还原温度降低到700～750℃,避免流化床过程中的粘结难题;试验中氢气还原1～3 mm铁矿粉时的表观活化能为58.4kJ/mol。     

STUDIES ON THE REDUCTION KINETICS OF HEMATITE IRON ORE PELLETS WITH NONCOKING COALS FOR SPONGE IRON PLANTS

In the present investigation, fired pellets were made by mixing hematite iron ore fines of ?100, ?16 + 18, and ?8 + 10 mesh size in different ratios and studies on their reduction kinetics in Lakhanpur, Orient OC-2 and Belpahar coals were carried out at temperatures ranging from 850°C to 1000°C with a view toward promoting the massive utilization of fines in ironmaking. The rate of reduction in all the fired iron ore pellets increased markedly with an increase in temperature up to 1000°C, and it was more intense in the first 30 min. The values of activation energy, calculated from integral and differential approaches, for the reduction of fired pellets (prepared from iron ore fines of ?100 mesh size) in coals were found to be in the range 131–148 and 130–181 kJ mol^?1 (for α = 0.2 to 0.8), indicating the process is controlled by a carbon gasification reaction. The addition of selected larger size particles in the matrix of ?100 mesh size fines up to the extent studied decreased the activation energy and slightly increased the reduction rates of resultant fired pellets. In comparison to coal, the reduction of fired pellets in char was characterized by significantly lower reduction rates and higher activation energy.     

Effect of alumina on slag–metal separation during iron nugget formation from high alumina Indian iron ore fines

Abstract

Iron nuggets can be obtained from ore–coal composite pellets by high temperature reduction. Alumina in the ore plays a vital role in slag–metal separation during nugget formation, as it increases the liquidus temperature of the slag. In this study, the effect of carbon content, reduction temperature and lime addition on slag–metal separation and nugget formation of varying alumina iron ore fines were studied by means of thermodynamic modelling. The results were validated by conducting experiments using iron ore fines with alumina levels ranging from 1·85 to 6·15%. Results showed that increase in reduction temperature enhances slag metal separation, whereas increasing alumina and carbon content beyond the optimum level adversely affects separation. Carbon below the required amount decreases the metal recovery, and carbon above the required amount reduces the silica and alters the slag chemistry. Optimum conditions were established to produce iron nuggets with complete slag–metal separation using iron ore–coal composite pellets made from high alumina iron ore fines. These were reduction temperature of 1400°C, reduction time minimum of 15 min, carbon input of 80% of theoretical requirement and CaO input of 2·3, 3·0 and 4·2 wt-% for 1·85, 4·0 and 6·15 wt-% alumina ores respectively.     

The Effect of Reduction Parameters on Iron Nugget Production From Composite Pellets

Composite pellets which contain a reducing agent and are produced only by cold bonding process are improved instead of traditionally hardened pellets by sintering. The new ironmaking technologies that are able to utilize these pellets have been developed from pilot plant to commercial scale. Iron nuggets which have a similar composition to pig iron can be produced by using composite pellets at high temperatures (1350–1400°C) and in a short reduction time (15–20 min) by smelting reduction process. In this study, the effect of reduction parameters and basicity of composite pellets on the reduction properties and product quality are investigated. Composite pellets containing magnetite concentrate with a reducing agent (coke) and a flux are processed at different temperature and at times by smelting reduction process. The increasing temperature and time has a positive effect on reduction and melting of the pellets. Excessive carbon prevents the metal droplets from coalescing. The iron nugget that is produced from the sample with the basicity (CaO/SiO₂) of 0.68 has the optimal physical and chemical properties. It is also determined that a decrease or increase of basicity has a negative effect on the properties of the iron nuggets.