張穎異， 師學(xué)峰， 齊淵洪， 鄒宗樹(shù)， 郭玉華

(1.鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院鋼鐵冶金研究所， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

ITmk3的工藝特點(diǎn)和商業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

張穎異1,2， 師學(xué)峰1， 齊淵洪1， 鄒宗樹(shù)2， 郭玉華1

(1.鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院鋼鐵冶金研究所， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

綜述了ITmk3工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程、工藝特點(diǎn)以及商業(yè)化應(yīng)用，重點(diǎn)論述ITmk3工藝在原料選擇、反應(yīng)時(shí)間、產(chǎn)品特點(diǎn)、成本投資及節(jié)能環(huán)保等方面具有的優(yōu)勢(shì)，此外還對(duì)ITmk3工藝的幾種商業(yè)化應(yīng)用模式做了簡(jiǎn)單評(píng)述。ITmk3工藝在處理低品位的鐵礦石、含鐵復(fù)合礦以及鋼鐵廠含鐵固廢時(shí)具有良好的工藝特點(diǎn)和節(jié)能環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，本文將對(duì)該工藝及其相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展方向進(jìn)行進(jìn)一步的分析和展望。

ITmk3工藝； 直接還原； 含鐵復(fù)合礦； CO2排放； 商業(yè)應(yīng)用

隨著全球鐵礦石、廢鋼、焦煤等資源的日益短缺以及全球溫室效應(yīng)的加劇，鋼鐵企業(yè)在降低鋼鐵生產(chǎn)總能耗，減少CO2及硫化物排放，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面面臨著巨大壓力。然而，ITmk3煤基直接還原工藝具有原料選擇靈活，設(shè)備和基建投資較低，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、操作靈活，能夠提高煉鋼的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低電爐煉鋼能耗，并且能夠減少溫室氣體以及其他有害氣體和粉塵的排放等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的煉鐵工藝。

利用ITmk3工藝生產(chǎn)的直接還原鐵可以代替廢鋼(最高可達(dá)40～50%)用作電爐冷卻劑，也可作為轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑，還可以用于高爐降低焦比[1]。在電爐煉鋼過(guò)程中能夠起到良好的稀釋有害元素的作用，能夠加快熔煉的速度，具有良好的工藝操作性，能夠提高電爐鋼的冶煉質(zhì)量。ITmk3 工藝使用鐵礦粉和非焦煤煉鐵，由此可以避免對(duì)氧化球團(tuán)或燒結(jié)礦、焦碳的使用，避免了對(duì)焦?fàn)t和燒結(jié)機(jī)的需求，減輕了環(huán)境和能源負(fù)荷。對(duì)于低品位鐵礦石，含鐵復(fù)合礦以及鋼鐵廠的含鐵廢棄物的綜合利用具有重大意義，是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。

1 ITmk3工藝的特點(diǎn)

ITmk3工藝是由日本神戶鋼鐵公司及美國(guó)米德蘭公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新型煤基直接還原技術(shù)，被稱為第三代煉鐵工藝[2-3]，其流程如圖1所示。該工藝既可以用來(lái)還原鐵礦石，也可處理冶金廠產(chǎn)生的粉塵，以及其它含鐵、鉻、鋅的冶金廢棄物等。隨著環(huán)保和資源綜合利用的重要性日益被人們所認(rèn)識(shí)，對(duì)鋼鐵廠粉塵處理，低品位鐵礦石以及含鐵復(fù)合礦的的綜合利用也隨之成為冶金界的一大熱點(diǎn)。以ITmk3工藝為代表的第三代轉(zhuǎn)底爐技術(shù)以其節(jié)能環(huán)保、符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)特征的典型特點(diǎn)，漸漸進(jìn)入眾多鋼廠企業(yè)的視野范圍[4]。

轉(zhuǎn)底爐含碳球團(tuán)快速還原工藝對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)，是含鐵粉塵處理和復(fù)合礦綜合利用的有效方法。ITmk3 技術(shù)使用鐵礦粉和非焦煤煉鐵，由此可以避免對(duì)氧化球團(tuán)或燒結(jié)礦、焦?fàn)t的使用，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)塊(代替球團(tuán)或燒結(jié)設(shè)備)、還原和熔分(代替高爐)功能，由此避免了對(duì)焦?fàn)t的需求，減輕了環(huán)境和能源負(fù)荷。同時(shí)，爐內(nèi)球團(tuán)的還原、熔化和渣鐵分離不到10分鐘[5]。與FASTMET工藝不同的是，F(xiàn)ASTMET工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品是直接還原鐵，但在ITmk3工藝中球團(tuán)最后被熔化，產(chǎn)生高質(zhì)量的生鐵產(chǎn)品和爐渣。該工藝是一步法生產(chǎn)粒鐵，可以處理低品位礦石、轉(zhuǎn)爐塵、高爐灰、鎳渣、以及復(fù)合鐵礦等，還使用非焦煤。具有設(shè)備投資較小，容易投產(chǎn)和關(guān)閉，運(yùn)轉(zhuǎn)安全，生產(chǎn)運(yùn)行成本較低、含鐵原料和還原劑選擇靈活等特點(diǎn)。該工藝的碳源既可以是非焦煤，也可以是石油焦、高爐灰(碳含量30%～40%)或其他形態(tài)的還原劑[6]。

圖1 ITmk3轉(zhuǎn)底爐工藝示意圖[4]

該工藝的獨(dú)特之處在于還原溫度精確地控制在Fe- C平衡相圖中一個(gè)固液共存的新區(qū)域(見(jiàn)圖2)，在這一溫度范圍內(nèi)(1 350～1 450 ℃)，含碳球團(tuán)礦被還原和熔化，生成鐵塊同時(shí)脈石也熔化，形成渣鐵初步分離，金屬鐵從渣中分離出來(lái)(見(jiàn)圖3所示)，整個(gè)過(guò)程只需10分鐘就可完成，還原熔分后渣中殘留的FeO很少，因而基本不存在FeO對(duì)耐火材料的侵蝕破壞[7]。該工藝對(duì)還原氣氛的控制也非常獨(dú)到，能防止已生成的DRI發(fā)生二次氧化，所生產(chǎn)的DRI(粒狀鐵塊)金屬化率很高，碳含量在2.5%～3.5%之間，S、P等有害元素含量少，不含任何脈石成分，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。粒鐵尺寸適當(dāng)均勻(5～25 mm)，大小容易控制，能夠滿足電爐煉鋼對(duì)其原料的要求[8]。ITmk3工藝生產(chǎn)的粒鐵可以作為優(yōu)質(zhì)的煉鋼原料供電爐使用，連續(xù)的粒鐵熱裝進(jìn)入到電爐之后，可以將電爐煉鋼的生產(chǎn)效率提高5%～8%，同時(shí)降低了煉鋼能耗。除此之外，ITmk3生產(chǎn)粒鐵的所用原料很廣，鐵礦粉和低品位鐵礦都能使用，碳原料可用非煉焦煤、石油焦或其他含碳原料，避免了對(duì)氧化球團(tuán)、燒結(jié)礦以及焦炭的需求。

圖2 不同煉鐵工藝的操作區(qū)間[5]

圖3 典型的渣鐵分離照片

采用ITmk3工藝生產(chǎn)的粒鐵是一種理想的煉鋼原料，其成分基本上由鐵和碳組成，金屬鐵可以達(dá)到96%～97%，幾乎不含脈石和其他金屬殘余物。粒鐵可以以冷態(tài)形式銷售，也可以通過(guò)熱裝形式裝入電爐或是轉(zhuǎn)爐中直接煉鋼，還可以用于高爐降低焦比[7,10]，在電爐煉鋼過(guò)程中能夠起到良好的稀釋有害元素的作用，能夠加快熔煉的速度，具有良好的工藝操作性，能夠提高電爐鋼的冶煉質(zhì)量。ITmk3工藝生產(chǎn)的粒鐵碳含量可以通過(guò)控制輸入的碳量和加熱方式進(jìn)行控制，最大碳含量在3.5%。硅、錳和磷含量取決于所選原料條件，硫含量也可以通過(guò)控制操作條件和原料條件降低到可接受的范圍(<0.03%)。

表1 粒鐵化學(xué)成分[5,9]

2 ITmk3工藝的CO2排放

隨著全球變暖和大氣污染的加劇，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的環(huán)保問(wèn)題引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，特別是鋼鐵廠燒結(jié)和煉焦生產(chǎn)的污染物排放更是受到人們的關(guān)注。相比高爐煉鐵工藝，ITmk3 工藝在環(huán)保方面更有優(yōu)勢(shì)，包括較低的能耗，較低的二氧化碳和其他氣體的排放以及顆粒物的排放。根據(jù)美國(guó)明尼蘇達(dá)州污染控制局和美國(guó)能源部的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的高爐二氧化碳排放量為2 251 kg/t鐵，而ITmk3工藝的二氧化碳排放量?jī)H有1 382 kg/t鐵[11]。

從圖4可以看出，ITmk3工藝的噸鐵CO2排放量較高爐工藝少870 kg左右，CO2排放量比高爐CO2排放量降低了39%，有效的降低了溫室氣體的排放。其中，燒結(jié)礦的生產(chǎn)是CO2產(chǎn)生的主要原因，燒結(jié)過(guò)程的CO2排放量為160 kg/t 礦，單位千克的煤粉和焦炭燃燒排放的CO2量分別是2.92 kg和3.21 kg，電耗產(chǎn)生的CO2量為0.43 kg/kWh，而燃料氣體燃燒排放的CO2量是57 kg/GJ。

圖4 ITmk3和高爐工藝的噸鐵CO2排放量[11]

從圖5可以看出，ITmk3工藝與高爐工藝相比，ITmk3工藝的SO2、NOx、CO、粉塵以及可吸入顆粒的排放量都低于高爐排放，極大的減少了對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)極低的CO排放量很大程度上提高了ITmk3工藝的能源利用率，該工藝是一種節(jié)能環(huán)保的新型煉鐵工藝。

圖5 ITmk3和高爐工藝的其他氣體排放量[11]

3 ITmk3工藝的商業(yè)應(yīng)用

美國(guó)動(dòng)力鋼公司在2010年1月13日宣布，其位于明尼斯達(dá)州霍伊特湖的Mesabi 粒鐵廠已生產(chǎn)出第一批粒鐵，圖7為Mesabi 粒鐵廠的大型轉(zhuǎn)底爐內(nèi)部不同區(qū)域的爐況照片。同時(shí)，另一座商業(yè)化工廠也在美國(guó)密西根洲計(jì)劃建設(shè)。此外，哈薩克斯坦、印度、烏克蘭等國(guó)家也在計(jì)劃建設(shè)商業(yè)化的ITmk3工廠。

圖6 日本加古川ITmk3中試工廠

圖7 大型轉(zhuǎn)底爐內(nèi)部不同區(qū)域的爐況[4]

美國(guó)動(dòng)力鋼公司聲稱，該技術(shù)擁有徹底改革煉鐵工藝的潛力，并將直接影響著鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)。ITmk3 粒鐵工藝、FASTMET以及FASTMELT工藝適用于位置鄰近礦山的工程中，該工藝的原料處理和傳統(tǒng)的球團(tuán)造球過(guò)程類似，鐵礦石經(jīng)磨礦、選礦處理后，降低了多余的脈石成分，提高了鐵礦石品位，從而降低了裝料質(zhì)量，減少了冶煉過(guò)程中的渣量，減少了CO2排放量和能量消耗。以下是ITmk3、FASTMET以及FASTMELT工藝的幾種商業(yè)化應(yīng)用模式：

(1) 礦業(yè)部門：以上工藝可以使用低品位的鐵礦石和含鐵復(fù)合礦，比如低品位鎳鉻鐵礦、硼鐵礦、高磷鐵礦、釩鈦磁鐵礦、紅土鎳礦以及高鐵鋁土礦等[12-16]。對(duì)于小規(guī)模礦山的使用是可行的，能夠提高低品位鐵礦石和復(fù)合鐵礦的利用效率，降低礦山企業(yè)成本。圖8和圖9是典型的幾種FASTMET以及FASTMELT工藝應(yīng)用流程。

圖8 鈦鐵礦綜合利用工藝流程[14]

圖9 兩種鎳?yán)予F礦的生產(chǎn)工藝流程[12]

(2) 轉(zhuǎn)底爐- 電爐流程：電爐煉鋼中直接使用粒鐵能夠提高煉鋼的生產(chǎn)效率和能源利用率，與電爐使用傳統(tǒng)生鐵相比，生產(chǎn)率將提高5%～8%。同時(shí)，粒鐵還是很好的電爐冷卻劑，能夠提高鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量，粒鐵熱裝進(jìn)入電爐煉鋼將進(jìn)一步提高能源的利用效率[14]。

(3) 轉(zhuǎn)底爐- 高爐流程：新工藝不需要高環(huán)境負(fù)荷的冶金設(shè)備(如焦?fàn)t和燒結(jié)機(jī))，從而降低投資成本，降低二氧化碳的排放，降低能耗，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論及展望

中國(guó)的鐵礦石資源分配嚴(yán)重依賴于進(jìn)口鐵礦，應(yīng)該加大對(duì)鋼鐵廠的含鐵廢棄物，低品位鐵礦石以及含鐵共生礦的綜合利用，加快中國(guó)國(guó)產(chǎn)鐵礦石資源的開(kāi)發(fā)，提高國(guó)產(chǎn)礦的配置比例。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，由于天然氣資源不足，氣基直接還原工藝(MIDREX、HYL-Ⅲ、FINMET)不可能成為生產(chǎn)直接還原鐵的主要方法，而非焦煤資源豐富，對(duì)研究開(kāi)發(fā)ITmk3、FASTMET以及FASTMELT工藝等煤基直接還原工藝具有重要的實(shí)際意義，這些工藝具有原料選擇靈活，設(shè)備和基建投資較低，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、操作靈活，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。能夠一定程度上加強(qiáng)中國(guó)對(duì)低品位鐵礦石，復(fù)合鐵礦以及含鐵廢棄物的綜合利用，對(duì)緩解我國(guó)的廢鋼需求、鋼鐵和有色工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)的安全具有重大作用。

[1]Satish Kumar D, Prasad G, Ghorui P K, et al. Coolant strategies for BOF steelmaking[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2008, 5 (7): 539-544.

[2]McClelland J M. A layman’s guide to the midr ex and kobe steel rotary hearth furnace technologies[J]. Direct from Midrex from the Hearth, Winter 2007/2008: 4-7.

[3]Tanaka H, Miyagawa K, Harada T. FASTMET?, FASTMELT?, and ITmk3: Development of New Coal-based Ironmaking Processes[J]. Direct from Midrex from the Hearth, Winter 2007/2008, 8-13.

[4]Shoichi Kikuchi, Shuzo ITO, Dr. Isao KOBAYASHI, et al., ITmk3? Process[J]. Kobelco Technology Review No.29 DEC, 2010:77-84.

[5]Steven D. Rutherford, John T. Kopfle. World’s First Commercial ITmk3? Plant[A]. The Iron & Steel Technology Conference and Exposition,St. Louis, May 4-7, 2009:1-6.

[6]袁文(譯). 世界首套商業(yè)運(yùn)行的ITmk3工藝[J]. 業(yè)績(jī)管理，2010,(11)：58-60.

[7]Wallace D. Huskonen. Iron-making by another route[J]. METAL Producing & Processing, 2006,(1):15-16.

[8]Anameric B, and S. Komar Kawatra. Direct iron smelting reduction processes[J]. Mineral Processing & Extractive Metall. Rev., 2009,30:17-26.

[9]胡俊鴿，周文濤，趙小燕. 轉(zhuǎn)底爐煉鐵工藝發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 冶金叢刊，2009,(5)：43-50.

[10]沈維華，朱子宗. 直接還原技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[A]. 2010年全國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵年會(huì)[C]. 2010.

[11]Lang Lehtinen: Mesabi Nugget ResearchProject, United States Department of Energy(2005).

[12]Kapure G U, Rao C B, V. D. Tathavadkar and R. Sen. Direct reduction of low grade chromite overburden for recovery of metals[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2008,38(8):590-596.

[13]張國(guó)興. 一種新型以天然氣為燃料用轉(zhuǎn)底爐冶煉紅土鎳礦的方法[P]. 中國(guó)專利：CN 101586187A, 2009-11-25.

[14]James M. McClelland and Gary E. Metius. Recycling Ferrous and Nonferrous Waste Streams with FASTMET[J]. Applied Technology, 2003,(8):30-34.

[15]于海燕，武建強(qiáng)，潘曉林等. 一種高鐵低品位鋁土礦的綜合利用方法[P]. 中國(guó)專利：CN 102583477 A，2012-07-18.

[16]Ding Yingui, Wang Jingsong, Wang Guang, et al. Comprehensive utilization of paigeite ore using iron nugget making process[J]. Journal of Iron And Stell Research, 2012,19(6):9-13.

CharacteristicsandcommercialapplicationofITmk3process

ZHANG Ying-yi, SHI Xue-feng, QI Yuan-hong, ZOU Zong-shu, GUO Yu-hua

The development process, characteristics and commercial application of ITmk3 process were summarized. The advantages of ITmk3 process in the selection of raw materials, reaction time, product characteristics, investment cost and energy saving and environmental protection were mainly discussed. In addition, several commercial application modes of ITmk3 process were simply reviewed. The ITmk3 process has advantages of good process characteristics and energy saving and environmental protection in the aspects of processing low-grade iron ore, composite iron ore and iron-containing solid wastes in steel plants. The application prospects and development directions of the process and related technologies were analyzed and prospected in this paper.

ITmk3 process; direct reduction; iron-bearing composite ore; CO2emission; commercial application

張穎異(1985—)，男，博士研究生，主要從事煉鐵新工藝的研究和資源能能源的綜合利用。

TF55; TD98

B

[項(xiàng)目來(lái)源] 國(guó)際科技合作與交流專項(xiàng)資助(2011DFB70170，2013DFG50640)