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。     

利用粉体纳米晶化促进低温冶金反应的研究

研究了机械力作用下的铁矿粉粉体形貌的变化规律以及低温快速反应的机理。铁矿粉在磨细过程中,颗粒和晶粒都在逐步变细,当粉体的粒度小于20／2m时,会出现少量的纳米晶粒;而当颗粒度小于1／2m时,粉体的晶粒大部分为纳米晶粒。在细化过程中,晶粒发生畸变和位错,当部分晶粒的粒度小于100nm后,会产生大量位错,从而形成了许多活化中心,显降低了反应的活化能。纳米晶赤铁矿粉的还原温度与传统微米晶粉体相比,反应温度可降低到800℃左右。反应温度的降低从热力学角度是因为反应物晶格畸变能和表面能的增加,从动力学角度则是因为反应活化能的降低和比表面积的增加。提出了纳米催化冶金原理,即在铁矿粉部分纳米晶化的同时,通化纳米催化剂的作用,纳米晶赤铁矿的还原温度可降低到600℃以下,比不加纳米催化剂的反应温度降低200℃左右。     

低温冶金技术理论和技术发展

低温冶金通过细化铁矿粉、并运用催化等手段来研究加快铁矿粉在较低反应温度下的还原速度的理论和方法,为开发低能耗、低碳排放、高效的非高炉炼铁新工艺提供理论基础。低温还原理论方面的研究成果,包括细微铁矿粉具有纳米晶粒、储能的铁矿粉能够提高还原气体的利用效率、细粒度改善反应效率、催化剂提高反应速度、改善低温冶金反应的传输条件、多级循环流化床的流化规律以及低温还原冶炼粒铁等理论。在低温还原冶金新技术方面包括改进的熔融还原炼铁工艺、优质海绵铁和粒铁的低温还原工艺。低温还原工艺有望实现节能、低碳、高效和低成本冶金,并能应用于低品位铁矿、含铁冶金渣、赤泥以及钒铁磁铁矿、钛精矿等的综合利用。     

生物质焦油还原多孔铁矿粉试验研究

针对生物质碳基还原动力学条件差、还原效率低的问题,将生物质裂解产物焦油作为还原剂,与铁矿粉混合还原炼铁。通过还原试验,对铁矿粉预热温度、还原温度、焦油与铁矿粉当量比等影响因素进行探讨。结果表明:铁产品质量随预热温度升高先上升后下降,在预热温度为450℃时达到最高;增加反应温度和铁矿粉与焦油当量比,能提高铁产品的还原度。当采用最佳工况(450℃预热30min,焦油与铁矿粉质量比1.2∶1,1 000℃下还原45min),可得到还原度为72.6%的还原铁产品。     

直接还原炼铁技术的最新发展

直接还原炼铁工艺根据还原剂不同分为气基与煤基.目前已获得工业应用的气基直接还原流程主要有使用球团矿或块矿的Midrex法和HyLⅢ法,以及直接使用粉矿的Finmet法.已获得工业应用的煤基直接还原流程主要有回转窑工艺和转底炉工艺,转底炉有使用球团矿的,也有直接使用粉矿的.对各种直接还原流程的工艺特点和应用情况进行了分析比较,并评述了其最新发展趋势,结合国内情况提出了一些建议.     

机械力促进低温快速反应的研究

研究了机械力作用下铁矿粉与碳粉的物理化学性能的变化规律.在球磨过程中,铁矿粉与碳粉的颗粒度及晶粒不断细化、比表面积不断增大,随着作用时间的延长,粉体会无定形化,甚至发生相变.在晶粒细化过程中,晶粒发生畸变和位错,形成了许多活化中心,这样就可以显著降低反应活化能,同时由于粉体比表面积的不断增加,极大改善了粉体的化学反应性能,促进了气固反应和固固反应,与传统粗粉体相比,氧化铁的还原温度下降300℃左右.采用催化剂和机械力共同作用,会更加明显降低碳还原铁矿粉、气基还原铁矿粉的反应温度.     

现代炼铁技术进展

评述了国际上发展较快的几种主要非高炉炼铁工艺流程.COREX、FINEX和HISMELT等熔融还原流程可以避免炼焦工艺引发的环境污染.成熟的竖炉气基还原工艺是COREX流程工业化的重要保障,粉体流化床由于粘结等问题尚未完全解决和铁浴炉二次燃烧与炉衬侵蚀之间的固有矛盾注定了FINEX和HISMELT实现的难度远高于COREX流程.气基还原流程(MIDREX、HYL-Ⅲ、FINMET)目前都要使用天然气资源,很难在我国得到发展.转底炉可使用低强度的含碳球团,给煤基直接还原流程注入新的活力,但其能耗高、生产效率低、产品质量差将会制约它的发展.我国自主研发的炼铁新工艺,即低温快速还原工艺,目前仍处于研究开发阶段,它能够实现低温快速还原反应,是一种能耗低、污染少、资源利用率高的新型绿色冶金工艺流程,具有良好的发展前景.     

煤基铁矿粉催化还原试验研究

通过煤粉还原铁矿粉试验,研究了反应罐工艺模式下催化剂对煤基铁矿还原反应的催化规律。试验结果表明:通过配加催化剂的方式可以显著加快铁矿还原反应速度,其中向煤粉中加入催化剂的催化效果要好于加入矿中;增加催化剂配加量、降低反应温度和减小煤粉粒度均有利于改善催化剂的催化效果,适宜的催化剂配加量应小于5%,考虑到布料操作和反应效率的影响,煤粉粒度和添加催化剂后的反应温度应控制在0.074～0.15mm和1050～1100℃;此外,煤种对催化剂的催化效果也有较大影响,煤粉的固定碳含量越高越有利于催化剂发挥显著的作用。     

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.     

微波加热还原含碳铁矿粉试验研究

微波是一种清洁能源,可以对冶金粉料进行选择性体加热。利用含碳铁矿粉自还原性和对微波的吸收性,采用微波加热,可以直接进行碳热还原。微波加热可以快速提高含碳铁矿粉的金属化率,降低还原反应温度,对原料有广泛的适应性,并可以取消球团的制备工艺,对“绿色”钢铁冶金流程具有深远的意义。