非高炉冶炼产业发展

汪翔宇

唐山奥特斯科技有限公司 河北 唐山 063020

引言

对外热反应罐法的运行流程和工艺原理进行全面把握，了解在该工艺运行中使用的各种装备，可以对该工艺运行效益有更加全面地了解。在我国非高炉冶炼产业发展中，还需要根据具体的冶炼工艺，综合考虑不同技术对非高炉冶炼技术产生的影响。研究人员需要从非高炉冶炼工艺理论出发，不断进行创新研发，推动非高炉冶炼产业长远稳定发展。

1 外热反应罐（HOGANAS）法

1.1 工艺过程及原理

图1 外热反应罐（HOGANAS）直接还原法工艺过程示意图

工艺原理概述将固体碳还原剂和石灰石脱硫剂混合后与铁系氧化物（铁矿粉、球团末等）采用自动装料机组分层装入反应罐（碳化硅或黏土质）中，装好料的反应罐置于台车上，台车进入隧道窑中，在外加热作用下，经过预热带、还原带（1140~1180度）和冷却带整个还原周期约40小时的一系列物理化学变化，最后形成海绵铁在窑外采用自动卸料机出罐[1]。

工艺还原过程海绵铁在外热反应罐——隧道窑的还原过程中的物理化学变化如下：

1.2 预热带的炉料变化

炉料中水分的蒸发和水化物的分解；

还原剂中挥发份的逸出；

脱硫剂碳酸钙（即石灰石）的分解。

100℃以上时，吸附水大量蒸发逸出，

200℃时，结晶水开始分解，在300℃～400℃时分解结束。

炉料中含水量高，在还原过程中要消耗大量的热量和CO或碳，对还原过程是不利的。因此，在对炉料进行处理时，应严格控制其含水量。

当炉料被加热至400℃时，还原剂中的挥发物开始强烈地放出，直至800～1000℃时方能结束。当加热至1000 ℃，挥发物（气体）数量可达400m3/T还原剂。

当还原剂中加有脱硫剂石灰石（CaCO3）时，因受热而分解。

这个反应是吸热反应，CaCO3分解时吸收大量的热量。CaCO3的分解温度约为750 ℃，当温度达到910 ℃时，发生激烈分解。分解产物CaO与还原剂中的硫化合生成稳定的CaS，从而达到去硫的目的。

图2 氧化铁还原反应模型

1.3 还原带的炉料变化

随着炉料的逐步加热高温，铁的氧化物被CO还原，直到金属铁全部被还原出来。

碳的气化反应C+CO2=2CO在碳层中进行，在该层中形成了一个高碳势、低氧位的区域；

FeO+CO=Fe+CO2反应在氧化铁层进行，同理，在氧化铁层形成了一个高氧位、低碳势的区域。

由于碳势和氧位的区别，在碳层生成的CO扩散至氧化铁层，并穿过已还原的海绵铁层，然后在氧化铁的界面上与FeO进行反应，继续生成Fe和CO2。

1.4 冷却带的炉料变化

还原结束以后，海绵铁进入冷却阶段。在此过程中存在着海绵铁的再氧化过程。

1.4.1 再氧化原因。

①随着温度的降低，窑内气氛由还原性变成氧化性，使海绵铁发生很小的氧化；

②任何物体或气体受热时膨胀，而冷却时则收缩。海绵铁进入冷却阶段时，发生收缩，反应罐内海绵铁等炉料收缩时，不可避免地要吸收空气，导致炽热的海绵铁被空气氧化。

1.4.2 防止再氧化措施。

反应罐加盖密封；反应罐要致密。

窑内500℃以上不允许空气与海绵铁接触，要采取多项间接冷却装置，才能既不被氧化又能达到较低温度出窑的效果。

1.5 各类海绵铁的用途划分

外热反应罐直接还原法生产出的海绵铁有多种用途，可根据海绵铁的物理化学指标决定其用途：当TFe≥97%且相关指标符合要求时，可作为制取粉末冶金还原铁粉的原料；当TFe≥88%且相关指标符合要求时，可将其进行冷压块（CIB）作为炼钢原料。当TFe＜88%时，可作为还原多金属矿的参考指标。

2 国内外应用现状

外热反应罐（HOGANAS）直接还原法是瑞典人E.Sieurin于1908年发明的，亦称隧道窑还原法，是最早开发目前仍用于工业生产的直接还原法。它使用专门选择的富磁铁矿，生产金属化率很高的含铁为97%~98%的优质海绵铁，用于生产粉末冶金还原铁粉和高质量工具钢及特殊钢[2]。二十世纪中叶在瑞典、美国、加拿大、墨西哥被广泛应用于粉末冶金还原铁粉的生产。1965年上海粉末冶金厂建造了我国第一条38.5米长的隧道窑。20世纪80年代，武汉钢铁集团、莱芜钢铁集团、鞍山钢铁集团、马鞍山钢铁股份有限公司等单位建成了规模较大的还原铁粉生产线。21世纪初期，唐山奥特斯科技有限公司经过不断创新，以提高自动化水平、环保水平和实现生产线规模工业化的目标为创新方向，将外热反应罐（HOGANAS）直接还原法成功应用于炼钢用直接还原铁领域，先后在江苏永钢、昆钢集团建造了年生产能力7~10万吨炼钢用直接还原铁现代化自动化生产线。2014–2021年，伊朗市场在气基还原烧结工艺过程中产生的碎球团末，急需一种方法将其变废为宝，唐山奥特斯科技有限公司成功地将伊朗当地原料运到国内进行多次实验室1:1还原试验以及在隧道窑生产线上中试，将外热反应罐（HOGANAS）直接还原法导入伊朗，以球团末为原料，为伊朗Omran公司和伊朗KNZ公司分别设计建造了年产能7万吨和年产能10万吨炼钢用直接还原铁生产线并获得成功。

3 工艺的优势和不足

外热反应罐（HOGANAS）直接还原法的优势[3]：

优势一：能生产出金属化率很高的含铁为97%~99%的优质海绵铁，用于生产粉末冶金还原铁粉和高质量工具钢及特殊钢。

优势二：能为特殊地区气基还原工艺所产生的废球团末进行直接还原，生产出高金属化率的优质炼钢用直接还原铁，可以作为气基还原工艺的有益补充。

优势三：能对多金属伴生铁系氧化物进行“深度还原高效分离”，最大限度地提高资源综合利用水平。

外热反应罐（HOGANAS）直接还原法的不足之处：单台设备产能规模较小，生产成本较高，占地面积较大，不能作为还原工艺产业的主力。

4 结束语

现阶段先进的技术水平可以适应粉末冶金还原铁粉领域相当长历史时期的市场需求。但是，作为气基还原工艺的有益补充，外热反应罐（HOGANAS）直接还原法仍然有其生命力和发展空间。开发出产能50~100万吨的生产线规模，重点在还原装备、自动装料装备、自动卸料装备方面下大力气进行技术改造和产业升级，进一步发挥其优势，克服其不足，拓展其生命力和发展空间。同时，将外热反应罐（HOGANAS）直接还原法的创新衍生工艺——对多金属伴生铁系氧化物及冶炼废渣进行“深度还原高效分离”的车底炉工艺努力推向市场，为最大限度地提高资源综合利用水平作出贡献，是外热反应罐（HOGANAS）直接还原法的专业人士的努力方向和职责所在。