利用高含碳金属化团块实现高炉炼铁的节焦工艺研究

张绍立，崔利国

（通化钢铁公司，吉林 通化 134003）

我国是世界上第一钢铁生产大国、世界上第一大铁矿进口国、世界上钢铁业初级钢材第一出口和进口国，也是世界钢铁产业人数最多、钢铁厂最多的国家。钢铁业的发展曾一度对我国国国民经济的发展发挥着巨大的贡献。众所周知，钢铁业生产高度依赖的技术仍然是高炉炼铁技术，但伴随着产业升级和高新技术的蓬勃发展，钢铁行业技术并未得到有效的创新和改革，就目前来看，我国全国钢铁产业的利润远远比不上开采铁矿的赚钱，原因就是因为高炉炼铁技术低级落后，不能生产高附加值产品。高炉炼铁技术已经进入死胡同，技术革新势在必行。党的十八大提出发展绿色、环保、节能型经济的伟大发展战略，故钢铁行业的技术革新也要紧紧围绕减少污染，提高产品附加值和适应市场的实际需求，实现钢铁业的产业升级和效益升级这一主题，在传统高炉炼铁的基础进行大胆的技术革新和产业升级，突破遏制钢铁行业发展的技术瓶颈[1]。

1 高炉炼铁发展现状

1.1 高炉炼铁和节焦工艺

高炉炼铁这种方法是由古代竖炉炼铁发展、改进而来的。传统的高炉本体自上而下由5部分组成：分别是炉喉、炉身、炉腰、炉腹 和炉缸。相对来说，高炉炼铁技术的经济指标良好，设计和操作工艺简单，具有工业生产中生产量大、劳动生产效率高、能耗相对低等优点，是世界上应用范围最为广泛的技术，世界上绝大部分的铁都是用这种方法生产的。高炉炼铁的基本原理是利用还原剂将铁矿石的铁氧化物在高温条件下还原成金属铁，常见的铁氧化物有Fe2O3、Fe3O4、FeO等，而还原剂主要是C、CO、H2等物质。在高炉中发生的化学反应的化学方程式分别为Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2，反应条件一般为高温，但高炉内各部分温度的控制也因其在炼铁中的作用不同而不同，炉内中心温度一般不低于240℃。焦炭是高炉炼铁工艺中不可或缺的原材料，焦炭是烟煤在隔绝空气的条件下，先经过高温炼制，后经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等复杂阶段最终制成的碳。焦炭在高炉炼铁过程中是必不可少的原材料。它既是热值非常高的燃料，为整个炼制过程提高热量，又作为炼铁过程中的还原剂，将铁氧化物还原为单质铁。焦炭在高炉炼铁过程中还起到发热剂、料柱骨架的作用，一般情况下，每冶炼一吨铁大约需要500Kg焦炭，与之相关的化学反应方程式为：C(焦炭)+O2=CO2和 C焦炭+CO2=2CO。此外，高炉炼铁的原材料还涉及石灰石、白云石、萤石等作为熔剂和空气，熔剂起到使炉渣熔化为液体、去除有害元素硫（S）、除去杂质的作用，而空气作为助燃剂为焦碳燃烧提供氧、提供热量。

节焦即节能，减少高炉炼铁过程中焦炭的使用。在高炉炼铁的铁水生产工艺中，低焦比炼铁一直是高炉节能的重要指标。在炼铁技术的发展的几百年间，为在高炉炼铁过程中实现节焦的目的，进行了多次技术改进，比如我国于1990年进行大规模推广的烟煤大喷吹技术，烟煤因其挥发性高的特点，其燃烧性能比无烟煤要高，燃烧率可以提高15%～20%。在高炉炼铁过程中可以改善高炉还原和运用条件，随着喷吹量的提高，可以进一步降低焦比。但这项技术在使用时要严格把控高炉炼铁的条件，比如稀释氧浓度、控制温度、避免粉尘堆积、设置安全装置等，以此来保证此项技术的安全运行。此外，炼铁节焦的措施还有很多，像是优化布料方式、提高热风温度、高炉槽下烧结分粒级入炉以及优化热制度等，都是在诸多实践中得到的可操作性节焦手段。总而言之，在高炉炼铁的技术中，增铁节焦是永恒的目的，朝着这一方向，高炉炼铁技术的发展不断变革和创新，经历了极为漫长的演化和探索阶段，迄今还在不断前进[2，3]。

1.2 高含碳金属化团块

高含碳金属化团块的制备工艺复杂，它是由超细铁精矿粉,无烟煤粉和弱粘结烟煤粉三种原料组成的,其中铁矿粉平均粒度1μm～5μm,混合煤粉平均粒度50μm～100μm。三种原料充分混匀后,需要按照一定的比例添加有机粘结剂和水，之后再利用压球机压制成生团块。生团块形成后需要在在隔绝空气或N2保护的条件下按照一定的温度制度焙烧制备成高含碳金属化团块。就含碳量而言，高含碳金属化团块的含碳量一般为20wt%～40wt%,且相对于传统高炉炼铁中使用的焦炭，高含碳金属化团块有很好的冷强度、反应后的抗碎强度和十分良好的CO2反应性。是一种新兴的增铁节焦技术，符合我国节能减排经济转型的大方略。当高含碳金属化团块应用于高炉生产中时，其团块内比例合适的含铁矿物料层有助于降低高炉反应中焦比和能耗，也不会影响高炉的透气性。由于高含碳金属化团块的碳源主要是来自弱粘结性烟煤和无烟煤，有利于扩大在高炉炼铁中非焦煤的使用，降低高炉炼铁对焦炭的依赖。

高含碳金属化团块应用于传统高炉炼铁技术，不同于应用焦炭时的间接还原工艺，它是一种国内外新兴的直接还原工艺。通过对我国还原剂资源以及直接还原铁市场特点的深入探索和分析及对含碳球团直接还原机理研究,提出在高的渣相碱度下,利用铁精矿粉高温直接还原生产铁粒方法。这相对而言是一种全新的低成本生产铁粒的方法,它是将铁精粉、煤粉、消石灰和添加剂预先制成球团(或团块),在高温下迅速加热还原,在1350℃以上保温10分钟后随炉冷却,渣相中2CaO·SiO2在冷却过程中发生相变,体积膨胀而自然粉化,通过筛分便可以得到不含炉渣的铁颗粒,铁的收得率在90%以上、S≤0.05%、C在4.0%左右。这种铁粒可作为转炉和电炉炼钢的优质原料。

1.3 高含碳金属化团块应用于高炉炼铁

高含碳金属化团块应用再高炉炼铁中是为了达到节约焦炭、增加出铁量的目的。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;在高炉环境的条件下,团块的质量在反应前后发生变化，部分反应后，团块的抗碎强度和微观结构也发生变化。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2500m3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。在1050℃～1200℃条件下研究了不同的配碳比、添加剂、还原温度、生球粒度等对高含碳金属化球团强度的影响。结果表明：高含碳金属化球团还原后的强度随温度的升高而升高;并且以粘土为添加剂的高含碳金属化球团具有较高的强度[4]。

2 高含碳金属化团块于高炉炼铁技术的意义

2.1 推进新型还原工艺的发展

高炉炼铁过程的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁，从氧化物或矿物状态（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4·TiO2等）还原为液态生铁，再经冷却后得到单质铁。其氧化还原过程可表述为下列化学反应式：Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2（高温），其中一氧化碳作为这个反应过程中的还原剂，将三氧化二铁的铁元素还原出来，是以CO做还原剂，还原金属氧化物得到CO2的过程，称为间接还原。其中CO来自焦炭和氧气的不完全反应，即C(焦炭)+O2=CO2和C（焦炭）+CO2=2CO。高含碳金属化团块用与高炉炼铁时，金属团块中的高含碳会作为还原剂直接还原铁氧化物得到CO，使其在高温下得到单质铁，称为直接还原的过程。这两种还原工艺的最终目的虽一致，但相比于间接还原，直接还原工艺过程简单，目的明确，操作方便，虽在高含碳金属化团块的制作过程中耗时耗力，但对于整个高炉炼铁技术是一次伟大的工艺进步。

2.2 持续推进高炉炼铁技术的增铁节焦

增铁节焦是高炉炼铁工艺改进的不竭动力。高含碳金属化团块应用于高炉炼铁技术是实现增铁节焦这一目标的一个技术革新。从操作工序上来说，该技术简化了传统工艺中焦炭的使用，使传统繁杂的操作简单化。最为重要的是，直接还原的工艺减少了整个过程焦炭的使用，使焦炭从还原剂兼燃料的身份转变为单纯地提供热能，减少了间接还原过程燃烧不充分造成的能源浪费。同时，高含碳金属化团块的制备原料之一是无烟煤，焦炭的原料是烟煤，使用高含碳金属化团块而减少焦炭的使用也使工业生产中无烟煤和烟煤的使用相对平衡，是对资源的一种均衡化使用。另外，高含碳金属化团块中高碳的直接还原相较于传统的间接还原效果更好，应用此工艺得到的单质铁所含杂质少，硬度高，数量也多，鉴于金属团块的高精度复杂结构，铁氧化物被还原的更为彻底，对原料的利用率更高，是高炉炼铁技术在当下的一项新突破。

2.3 响应国家新型发展经济战略

习近平总书记于党的十大大提出绿色发展经济理念，倡导我国要走绿水青山就是金山银山的发展道路，提出经济转型和产业升级的大方向和大背景。传统的高炉炼铁技术已经不能满足我国钢铁行业发展的新需求，甚至成为我国钢铁行业发展的短板。高含碳金属化团块在高炉炼铁技术上的应用不仅很好的解决了我国钢铁行业发展的瓶颈困局，也完美地契合我国新型经济发展的理念。当下经济发展拼的不再是用资源创造财富而是用最少的资源创造最大的利益，新型工艺在高炉炼铁过程中减少了焦炭的用量，增加出铁的质量和数量，提高了原始资源铁氧化物的利用率，减少了不必要的浪费，这便是新工艺广泛应用和传播的动力[5,6]。

3 小结

钢铁行业是我国经济发展的重要支柱产业，在世界钢铁行业的发展中前无古人。但是，在其发展过程中也造成了一系列的问题，比如污染问题，浪费问题，固体废弃物大量堆积，工艺滞后等。所以钢铁行业的健康可持续发展必须建立在高效、节能、环保的基础上。这就要求钢铁行业要在发展过程中不断探寻新的发展机遇，创新发展工艺，提升钢铁行业的技术竞争优势。高含碳金属化团块在传统高炉炼铁技术上的应用是钢铁行业工艺的一次伟大革新，这项技术将间接还原改进为直接还原，简化了繁杂的操作流程，提高了炼铁的效率和质量。节省了资源的浪费，为推进钢铁行业的可持续发展做出重大贡献，是新时期我国经济高效、节能发展的又一技术革新。与此同时，新时代我国经济转型升级势在必行，钢铁行业作为我国传统的重工业，在我国经济比例中占有极大份额，转型发展刻不容缓。新形势下智慧经济的发展必须是要以高技术含量的生产工艺为依托，只有依托先进的技术和工艺，不固步自封，秉承创新和探索的精神，不断完善和开发新工艺、新技术，传统钢铁行业才能在未来的发展道路真正走出一条可持续发展的康庄大道。