透視ITmk3煉鐵新工藝發(fā)展歷程與技術(shù)特點(diǎn)

透視ITmk3煉鐵新工藝發(fā)展歷程與技術(shù)特點(diǎn)

非高爐煉鐵作為21世紀(jì)全世界鋼鐵行業(yè)的前沿技術(shù)，是未來技術(shù)發(fā)展的主要方向。在此領(lǐng)域，國際冶金工作者不斷進(jìn)行著廣泛、深入的研究和開發(fā)，形成了眾多直接還原、熔融還原技術(shù)。煤基轉(zhuǎn)底爐法因其原料適應(yīng)性強(qiáng)、操作靈活受到很多國家的重視。日本神戶制鋼在過去幾十年轉(zhuǎn)底爐技術(shù)基礎(chǔ)上提出了ITmk3（IronmakingTechnologyMarkThree）工藝，使金屬化球團(tuán)在還原時能進(jìn)一步熔化并實現(xiàn)渣鐵分離，在短時間內(nèi)生產(chǎn)出成分如生鐵的高純度粒鐵產(chǎn)品。該工藝突破了直接還原工藝范疇，徹底改變了直接還原產(chǎn)品對原料品位苛求的狀況，而且還可以使用粉礦和非焦煤作原料，因而備受矚目。高爐-轉(zhuǎn)爐工藝被稱為第一代煉鐵法，以氣基梅德瑞克斯（MIDREX）法為代表的直接還原工藝被稱為第二代煉鐵法，而把煤基ITmk3工藝稱作具有劃時代意義的第三代煉鐵技術(shù)。目前首座ITmk3商業(yè)工廠已成功在美國投產(chǎn)。1ITmk3工藝發(fā)展過程ITmk3轉(zhuǎn)底爐煉鐵工藝由日本神戶制鋼開發(fā)。最早的技術(shù)思想源于1994年，當(dāng)時神戶制鋼對美國子公司梅德瑞克斯（Midrex）開發(fā)的快速融化（Fastmet/Fastmelt）法進(jìn)行了一次評價試驗，目的是考察適宜的反應(yīng)溫度和原料條件，卻意外發(fā)現(xiàn)還未到鐵的熔點(diǎn)時球團(tuán)就熔化，而且形成的粒狀小鐵塊與渣能干凈利落地分離，所得粒鐵純度很高（鐵含量為96%-97%）。隨后，神戶制鋼對此發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了一些基礎(chǔ)實驗，逐漸掌握了ITmk3的基本原理。1996年神戶制鋼同Midrex子公司開始對ITmk3技術(shù)進(jìn)行深入研究和改進(jìn)，1999年在加古川廠區(qū)內(nèi)建成了規(guī)模為年產(chǎn)能3000噸的中試廠，同年10月連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)成功，到2000年12月完成了2次生產(chǎn)測試，其工藝設(shè)計得到實際驗證。隨后ITmk3的發(fā)展轉(zhuǎn)移到美國，2001年9月實施了梅薩比納吉特（MesabiNugget）計劃，于明尼蘇達(dá)州合資建設(shè)一座年產(chǎn)能2.5萬噸的示范工廠，成立梅薩比納吉特公司，投資方除了神戶制鋼之外，還包括明尼蘇達(dá)州政府、北美最大礦山公司克利夫蘭·克利夫斯公司和美國第二大電爐制造廠鋼動態(tài)公司（SDI），此外還得到了美國能源部（DOE）的資助，項目總投資達(dá)到2600萬美元。示范工廠于2003年5月建成，經(jīng)過一年連續(xù)作業(yè)，于2004年7月結(jié)束，產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，此后各方著手籌建商業(yè)工廠。2007年6月，神戶制鋼與克利夫蘭·克利夫斯公司結(jié)盟，共同推進(jìn)ITrnk3商業(yè)化運(yùn)作。同年11月，神戶制鋼又與美國鋼動態(tài)公司達(dá)成協(xié)議，在明尼蘇達(dá)州霍伊特湖區(qū)（HoytLakes）建設(shè)首座ITmk3商業(yè)工廠，總投資235億美元，年產(chǎn)能50萬噸。梅薩比納吉特公司負(fù)責(zé)商業(yè)工廠建設(shè)、管理和生產(chǎn)銷售，神戶制鋼則提供ITmk3工藝許可證、工程服務(wù)、主要設(shè)備和技術(shù)支持。該商業(yè)工廠于2009年底建成投產(chǎn)試運(yùn)行，并從2010年1月正式開始商業(yè)化運(yùn)營。隨著商業(yè)工廠的投產(chǎn)運(yùn)營，ITmk3工藝備受矚目。目前在哈薩克斯坦、印度、烏克蘭和北美等國家和地區(qū)正推廣此項目，總產(chǎn)能將達(dá)到數(shù)百萬噸。2ITmk3工藝原理ITmk3工藝是從Fastmet/Fastmelt演變而來，其流程、設(shè)備配置與Fastmet/Fastmelt工藝非常相似。在20世紀(jì)50年代-60年代，美國Midrex公司的前身羅斯（Ross）公司開發(fā)了快速加熱（HeatFast）直接還原法（后來的Fastmet工藝），使用轉(zhuǎn)底爐快速還原含碳球團(tuán)，產(chǎn)品為直接還原鐵（DRI）。神戶制鋼于20世紀(jì)80年代收購Midrex公司后，在對其Fastmet/Fastmelt法進(jìn)一步開發(fā)的過程中（衍生出Fastmelt雙聯(lián)法）發(fā)現(xiàn)粒鐵與渣分離現(xiàn)象，最終發(fā)展為ITmk3工藝。ITmk3工藝與Fastmet/Fastmelt工藝的核心設(shè)備都是轉(zhuǎn)底爐，都可使用粉礦與粉煤制成的含碳球團(tuán)作為原料，所不同的是Fastmet工藝產(chǎn)品為DRI，產(chǎn)品中仍含有脈石，金屬化率嚴(yán)重依賴于原料品位，而煤灰分等雜質(zhì)也進(jìn)入產(chǎn)品，為此只好再用電爐熔化DRI，使渣鐵分離來獲得煉鋼鐵水。而ITmk3工藝在轉(zhuǎn)底爐中只需一步就能實現(xiàn)渣鐵熔分，獲得粒鐵產(chǎn)品。其工序包括以下4部分：一、原料處理：將主原料礦粉和非焦煤粉配料混勻，使用造/壓球機(jī)等設(shè)備制成球團(tuán)或團(tuán)塊，干燥備用。鐵料既可使用磁鐵礦與赤鐵礦，又可使用較低品位礦，甚至可使用選礦廠的尾礦粉，只不過處理低品位鐵料會增加能耗。燃料也非常廣泛，可以使用發(fā)電用普通煤或石油焦和其他的含碳原料。二、還原熔分：將制好的球團(tuán)或團(tuán)塊加入轉(zhuǎn)底爐，在1350℃-1450℃條件下加熱，球團(tuán)（塊）在隨爐床旋轉(zhuǎn)一周的過程中發(fā)生還原、滲碳和熔融反應(yīng)，渣鐵熔化并各自聚集，整個過程只需約10分鐘。三、粒鐵產(chǎn)出：凝聚的渣和鐵冷卻后，經(jīng)排料裝置排出，獲得粒徑為5mm-25mm的粒鐵產(chǎn)品，粒鐵與渣能干凈地分離。四、廢氣處理：反應(yīng)過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過熱交換器預(yù)熱助燃空氣后，除塵排出。ITmk3工藝的產(chǎn)品粒鐵成分與高爐生鐵相似，產(chǎn)生的熔渣組成由原料種類決定，但基本與高爐渣相同。粒鐵經(jīng)過電爐試煉，證明具有如下特點(diǎn)：純度高、不含渣、碳含量合適，不存在再氧化、粉化等問題，便于運(yùn)輸和入爐，熔解性能良好。因其比廢鋼、DRI等具有更加優(yōu)良的品質(zhì)而被形容為“金塊”。轉(zhuǎn)底爐中大致可劃分為加料段、預(yù)熱段、還原段、熔分段和冷卻排出段。含碳球團(tuán)（塊）在轉(zhuǎn)底爐加熱過程中，鐵氧化物被內(nèi)配碳直接還原成金屬鐵，之后經(jīng)過滲碳和熔融過程，渣鐵各啟熔化聚集，冷卻后分離得到粒鐵產(chǎn)品。傳統(tǒng)高爐工藝原料在爐內(nèi)停留反應(yīng)時間約8小時，MIDREX等直接還原工藝也需要約6小時，而ITmk3工藝只需10分鐘就能完成還原、熔分一系列反應(yīng)。ITmk3技術(shù)的難點(diǎn)在于渣鐵分離和控制粒鐵的粒度和純度。神戶制鋼技術(shù)人員在開發(fā)過程中，對工藝不斷改進(jìn)和完善，在許多環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。在耐火材料方面，經(jīng)過多次試驗，轉(zhuǎn)底爐的爐床耐火材料選用耐高溫、耐侵蝕的高鋁磚。同時為了防止反應(yīng)中副生的熔渣對爐床耐火材料造成浸潤、侵蝕，在布料前預(yù)先在爐床鋪設(shè)一層耐侵蝕、高熔點(diǎn)類材料，例如礬土類、氧化鎂類、碳化硅類或石墨類炭材料等，能對爐床耐火材料起到有效的保護(hù)作用。在原料方面，通過調(diào)整原料堿度可以降低粒鐵中S含量，即配入適量的熔劑調(diào)整原料中CaO、MgO、SiO2等成分，還可適當(dāng)添加Na2O、K2O等物質(zhì)，一般控制（CaO+MgO）/SiO2在1.3-2.3，能使粒鐵中S含量普遍降低至0.08%以下。在渣鐵分離方面，在混料中配入適量的B2O3、Na2CO3、CaF2、Na20等添加劑可達(dá)到促進(jìn)渣鐵分離的效果。此外，還提供了一種急速冷卻的方式，即用冷凝水等媒介以350℃/min的速度快速冷卻渣鐵混合物，使粒鐵分離的更加干凈徹底。另外，為保證含碳球團(tuán)的強(qiáng)度、傳熱和熔分效果，球團(tuán)的大小和料層厚度等也都有一定限制，一般布料時料層厚度控制在10mm-30mm。3ITmk3技術(shù)特點(diǎn)ITmk3工藝與高爐工藝相比，因其不需要燒結(jié)和焦化工序，工藝簡單了許多，其技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，不需要塊礦和焦煤，而且礦石和煤的種類選擇也很靈活，只需一般的粉礦（包括低品位礦）和一般非焦煤即可，因此該工藝適用性很強(qiáng)。第二，從原料加入轉(zhuǎn)底爐，到還原熔分反應(yīng)結(jié)束，產(chǎn)出粒鐵只需10分鐘左右。所得粒鐵產(chǎn)品具備高爐生鐵同等品質(zhì)，純度高、熔解性能良好，是煉鋼的優(yōu)質(zhì)原料，而且粒鐵不存在再氧化和粉化問題，因而裝卸、運(yùn)輸和入爐非常方便。第三，不需要燒結(jié)和焦化等鐵前處理工序，從而使煉鐵過程大大簡化，工廠規(guī)模小、占地省，投資成本大幅降低，相同生產(chǎn)規(guī)模的投資額僅為高爐工藝的一半左右。而且全、部使用冶金行業(yè)通用設(shè)備，因而操作簡單，生產(chǎn)啟動、停止非常方便，可柔性作業(yè)。第四，相對傳統(tǒng)煉鐵工藝，ITmk3工藝反應(yīng)在低溫、短時間內(nèi)進(jìn)行，能耗較低。另外經(jīng)過核算，ITmk3工藝的二氧化碳排放量比高爐工藝降低20%以上，而且沒有焦化等污染工序，因而ITmk3工藝能源利用效率高，且符合節(jié)能減排的環(huán)保要求。ITmk3技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其最大優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)迅速、投資省、二氧化碳排放少。但不可否認(rèn)，ITmk3工藝也有自身先天的缺憾，即目前成熟的轉(zhuǎn)底爐最大直徑為50米，決定了一座ITmk3商業(yè)爐年產(chǎn)量只能在50萬噸左右。因而從產(chǎn)量規(guī)模這一點(diǎn)與年產(chǎn)數(shù)百萬噸的高爐是無法比較的，替代高爐工藝更不現(xiàn)實；這也成為限制ITmk3技術(shù)推廣的一大難題。不過，ITmk3因為原料的適應(yīng)范圍很廣，基本上產(chǎn)煤、產(chǎn)礦的地區(qū)都適合建廠，特別在礦山附近優(yōu)越性更好。一些完全靠進(jìn)口廢鋼作為電爐原料的新興國家，還有一些如西伯利亞、中亞等礦石資源比較豐富卻沒有焦煤的地區(qū)都非常適合發(fā)展ITmk3工藝。結(jié)語在煤基轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝基礎(chǔ)上開發(fā)成功的ITmk3技術(shù)，雖然在產(chǎn)能規(guī)模上無法與高爐相比，但其流程短、投資省、反應(yīng)快速、環(huán)境壓力小，尤其是能夠使