汪翔宇

唐山奧特斯科技有限公司 河北 唐山 063020

引言

對(duì)外熱反應(yīng)罐法的運(yùn)行流程和工藝原理進(jìn)行全面把握，了解在該工藝運(yùn)行中使用的各種裝備，可以對(duì)該工藝運(yùn)行效益有更加全面地了解。在我國(guó)非高爐冶煉產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，還需要根據(jù)具體的冶煉工藝，綜合考慮不同技術(shù)對(duì)非高爐冶煉技術(shù)產(chǎn)生的影響。研究人員需要從非高爐冶煉工藝?yán)碚摮霭l(fā)，不斷進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，推動(dòng)非高爐冶煉產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展。

1 外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）法

1.1 工藝過程及原理

圖1 外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法工藝過程示意圖

工藝原理概述將固體碳還原劑和石灰石脫硫劑混合后與鐵系氧化物（鐵礦粉、球團(tuán)末等）采用自動(dòng)裝料機(jī)組分層裝入反應(yīng)罐（碳化硅或黏土質(zhì)）中，裝好料的反應(yīng)罐置于臺(tái)車上，臺(tái)車進(jìn)入隧道窯中，在外加熱作用下，經(jīng)過預(yù)熱帶、還原帶（1140~1180度）和冷卻帶整個(gè)還原周期約40小時(shí)的一系列物理化學(xué)變化，最后形成海綿鐵在窯外采用自動(dòng)卸料機(jī)出罐[1]。

工藝還原過程海綿鐵在外熱反應(yīng)罐——隧道窯的還原過程中的物理化學(xué)變化如下：

1.2 預(yù)熱帶的爐料變化

爐料中水分的蒸發(fā)和水化物的分解；

還原劑中揮發(fā)份的逸出；

脫硫劑碳酸鈣（即石灰石）的分解。

100℃以上時(shí)，吸附水大量蒸發(fā)逸出，

200℃時(shí)，結(jié)晶水開始分解，在300℃～400℃時(shí)分解結(jié)束。

爐料中含水量高，在還原過程中要消耗大量的熱量和CO或碳，對(duì)還原過程是不利的。因此，在對(duì)爐料進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制其含水量。

當(dāng)爐料被加熱至400℃時(shí)，還原劑中的揮發(fā)物開始強(qiáng)烈地放出，直至800～1000℃時(shí)方能結(jié)束。當(dāng)加熱至1000 ℃，揮發(fā)物（氣體）數(shù)量可達(dá)400m3/T還原劑。

當(dāng)還原劑中加有脫硫劑石灰石（CaCO3）時(shí)，因受熱而分解。

這個(gè)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，CaCO3分解時(shí)吸收大量的熱量。CaCO3的分解溫度約為750 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到910 ℃時(shí)，發(fā)生激烈分解。分解產(chǎn)物CaO與還原劑中的硫化合生成穩(wěn)定的CaS，從而達(dá)到去硫的目的。

圖2 氧化鐵還原反應(yīng)模型

1.3 還原帶的爐料變化

隨著爐料的逐步加熱高溫，鐵的氧化物被CO還原，直到金屬鐵全部被還原出來。

碳的氣化反應(yīng)C+CO2=2CO在碳層中進(jìn)行，在該層中形成了一個(gè)高碳勢(shì)、低氧位的區(qū)域；

FeO+CO=Fe+CO2反應(yīng)在氧化鐵層進(jìn)行，同理，在氧化鐵層形成了一個(gè)高氧位、低碳勢(shì)的區(qū)域。

由于碳勢(shì)和氧位的區(qū)別，在碳層生成的CO擴(kuò)散至氧化鐵層，并穿過已還原的海綿鐵層，然后在氧化鐵的界面上與FeO進(jìn)行反應(yīng)，繼續(xù)生成Fe和CO2。

1.4 冷卻帶的爐料變化

還原結(jié)束以后，海綿鐵進(jìn)入冷卻階段。在此過程中存在著海綿鐵的再氧化過程。

1.4.1 再氧化原因。

①隨著溫度的降低，窯內(nèi)氣氛由還原性變成氧化性，使海綿鐵發(fā)生很小的氧化；

②任何物體或氣體受熱時(shí)膨脹，而冷卻時(shí)則收縮。海綿鐵進(jìn)入冷卻階段時(shí)，發(fā)生收縮，反應(yīng)罐內(nèi)海綿鐵等爐料收縮時(shí)，不可避免地要吸收空氣，導(dǎo)致熾熱的海綿鐵被空氣氧化。

1.4.2 防止再氧化措施。

反應(yīng)罐加蓋密封；反應(yīng)罐要致密。

窯內(nèi)500℃以上不允許空氣與海綿鐵接觸，要采取多項(xiàng)間接冷卻裝置，才能既不被氧化又能達(dá)到較低溫度出窯的效果。

1.5 各類海綿鐵的用途劃分

外熱反應(yīng)罐直接還原法生產(chǎn)出的海綿鐵有多種用途，可根據(jù)海綿鐵的物理化學(xué)指標(biāo)決定其用途：當(dāng)TFe≥97%且相關(guān)指標(biāo)符合要求時(shí)，可作為制取粉末冶金還原鐵粉的原料；當(dāng)TFe≥88%且相關(guān)指標(biāo)符合要求時(shí)，可將其進(jìn)行冷壓塊（CIB）作為煉鋼原料。當(dāng)TFe＜88%時(shí)，可作為還原多金屬礦的參考指標(biāo)。

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法是瑞典人E.Sieurin于1908年發(fā)明的，亦稱隧道窯還原法，是最早開發(fā)目前仍用于工業(yè)生產(chǎn)的直接還原法。它使用專門選擇的富磁鐵礦，生產(chǎn)金屬化率很高的含鐵為97%~98%的優(yōu)質(zhì)海綿鐵，用于生產(chǎn)粉末冶金還原鐵粉和高質(zhì)量工具鋼及特殊鋼[2]。二十世紀(jì)中葉在瑞典、美國(guó)、加拿大、墨西哥被廣泛應(yīng)用于粉末冶金還原鐵粉的生產(chǎn)。1965年上海粉末冶金廠建造了我國(guó)第一條38.5米長(zhǎng)的隧道窯。20世紀(jì)80年代，武漢鋼鐵集團(tuán)、萊蕪鋼鐵集團(tuán)、鞍山鋼鐵集團(tuán)、馬鞍山鋼鐵股份有限公司等單位建成了規(guī)模較大的還原鐵粉生產(chǎn)線。21世紀(jì)初期，唐山奧特斯科技有限公司經(jīng)過不斷創(chuàng)新，以提高自動(dòng)化水平、環(huán)保水平和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線規(guī)模工業(yè)化的目標(biāo)為創(chuàng)新方向，將外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法成功應(yīng)用于煉鋼用直接還原鐵領(lǐng)域，先后在江蘇永鋼、昆鋼集團(tuán)建造了年生產(chǎn)能力7~10萬噸煉鋼用直接還原鐵現(xiàn)代化自動(dòng)化生產(chǎn)線。2014–2021年，伊朗市場(chǎng)在氣基還原燒結(jié)工藝過程中產(chǎn)生的碎球團(tuán)末，急需一種方法將其變廢為寶，唐山奧特斯科技有限公司成功地將伊朗當(dāng)?shù)卦线\(yùn)到國(guó)內(nèi)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)室1:1還原試驗(yàn)以及在隧道窯生產(chǎn)線上中試，將外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法導(dǎo)入伊朗，以球團(tuán)末為原料，為伊朗Omran公司和伊朗KNZ公司分別設(shè)計(jì)建造了年產(chǎn)能7萬噸和年產(chǎn)能10萬噸煉鋼用直接還原鐵生產(chǎn)線并獲得成功。

3 工藝的優(yōu)勢(shì)和不足

外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法的優(yōu)勢(shì)[3]：

優(yōu)勢(shì)一：能生產(chǎn)出金屬化率很高的含鐵為97%~99%的優(yōu)質(zhì)海綿鐵，用于生產(chǎn)粉末冶金還原鐵粉和高質(zhì)量工具鋼及特殊鋼。

優(yōu)勢(shì)二：能為特殊地區(qū)氣基還原工藝所產(chǎn)生的廢球團(tuán)末進(jìn)行直接還原，生產(chǎn)出高金屬化率的優(yōu)質(zhì)煉鋼用直接還原鐵，可以作為氣基還原工藝的有益補(bǔ)充。

優(yōu)勢(shì)三：能對(duì)多金屬伴生鐵系氧化物進(jìn)行“深度還原高效分離”，最大限度地提高資源綜合利用水平。

外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法的不足之處：?jiǎn)闻_(tái)設(shè)備產(chǎn)能規(guī)模較小，生產(chǎn)成本較高，占地面積較大，不能作為還原工藝產(chǎn)業(yè)的主力。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段先進(jìn)的技術(shù)水平可以適應(yīng)粉末冶金還原鐵粉領(lǐng)域相當(dāng)長(zhǎng)歷史時(shí)期的市場(chǎng)需求。但是，作為氣基還原工藝的有益補(bǔ)充，外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法仍然有其生命力和發(fā)展空間。開發(fā)出產(chǎn)能50~100萬噸的生產(chǎn)線規(guī)模，重點(diǎn)在還原裝備、自動(dòng)裝料裝備、自動(dòng)卸料裝備方面下大力氣進(jìn)行技術(shù)改造和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，進(jìn)一步發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，克服其不足，拓展其生命力和發(fā)展空間。同時(shí)，將外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法的創(chuàng)新衍生工藝——對(duì)多金屬伴生鐵系氧化物及冶煉廢渣進(jìn)行“深度還原高效分離”的車底爐工藝努力推向市場(chǎng)，為最大限度地提高資源綜合利用水平作出貢獻(xiàn)，是外熱反應(yīng)罐（HOGANAS）直接還原法的專業(yè)人士的努力方向和職責(zé)所在。