炼铁新技术及基础理论研究进展

1634 工程科学学报，第43卷，第12期 分已经完全融入炉渣中 发展间接还原，降低高炉焦比)通过基础研究和 借助静滴法和铁覆盖法对石墨向铁水中的溶 工业应用的结果都可以发现，高炉焦炉煤气等富 解行为进行了分析，碳向铁中的溶解在低温下就 氢燃料都可以达到节能降耗的效果，但是对于不 能够发生，甚至在铁为固体状态下也可发生（如 同高炉的使用应根据高炉的状态所决定 图2（©）所示).渗碳完成后，不同来源的碳在冷却 天然气的主要成分是CH4(90%以上)，且其中 时会以不同的形式析出.从石墨中溶解的碳会形 的烃类气体热值高，经转化后可得到以H2和CO 成尺寸较小的不规则的层片状结构.而这些小的 为主的还原性气体B3-训，可供铁矿石还原焙烧 石墨晶体会与溶液中原有的C聚集形成尺寸较大 高炉喷吹和铁矿石的直接还原等，是气体燃料中 的树枝状晶体].由于Fe-Fe键间的排斥力更大， 最受欢迎的一种.高炉直接喷吹天然气至炉内吸 铁原子向石墨碳中移动更加困难，而碳原子向铁 热裂解成还原气，为防止冷气入炉降温、天然气不 液中的移动却相对容易，最终在铁碳间形成了 完全燃烧等降低炉温的现象发生，需要高富氧率 Fe-C界面层.焦炭中气孔的存在能够增加冶金焦 和高风温等相应工艺条件.为提高炼铁高炉燃料 炭向铁水中的溶解能力，一方面，气孔的存在造成 利用率和热效率，降低后续炼钢炉外脱硫等工序 焦炭的不均匀溶解，并且为液态铁液提供了充足 成本，国外又开发了炉身喷吹高温还原气体工艺 的流动空间，增加了铁碳的接触面积；另一方面， 该工艺是将碳氢化合物燃料先在炉外分解，重整 铁碳界面处不再有矿物质的积累，界面矿物层对 制成高温(1000℃左右)、还原性强的气体，再从 焦炭溶解的抑制被焦炭中的气孔减弱2-2训 炉腰或炉身下部间接还原激烈反应区喷人高炉， 减少高温区的热支出，可以大幅度降低高炉燃料 3高炉清洁高效喷吹技术 消耗.国外炼铁高炉喷吹天然气(150m3t)高温 钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业， 转换的还原气体，使焦比降到了300kgt以下，高 其主要依靠的煤炭资源分布极其不均匀，无烟煤 炉利用系数提高2.4以上. 和优质烟煤的储量仅占15%.国内众多钢铁企业 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大 不断扩大炼铁用煤炭资源范围，兰炭、低阶煤、焦 资源，具有可再生、碳中性的环保优势.综合考虑焦 炉煤气和生物质的喷吹应用价值被挖掘 炭、煤粉的成本及污染物排放，高炉喷吹生物质具 兰炭是低质煤经过中低温干馏的半焦，具有固 有巨大的前景由于生物质存在可磨性差、体积 定碳高、化学活性高、热值高、灰分低、硫低、磷低 密度小、能量密度低等缺陷，不宜直接利用，因 的特点2研究表明，兰炭可以用来替代优质的无 此，通常需进行转化处理.生物质经碳化后得到的 烟煤资源进行高炉喷吹，如将兰炭和烟煤混合喷吹. 生物质焦具有可磨性好，固定碳含量较高，N、S、 烟煤的燃烧性优于兰炭，在混合燃烧过程中可以促 P及灰分含量低，燃烧性和反应性良好等一系列优 进兰炭的燃烧.同时，兰炭低硫低氨的特点有助于 点，适合用作炼铁过程的发热剂和还原剂研究表 减少高炉入炉硫负荷、降低燃料比及铁水成本.国 明，煤中掺入松木焦后，混煤的活化能和指前因子均 内钢铁企业积极进行高炉喷吹兰炭粉工业试验，带 随混煤中松木焦比例的增加而降低，将松木焦惨入 来一定的经济效益和社会效益26-2刃我国低阶煤资 煤中后，混煤的活化能和指前因子均随松木焦的参 源储量丰富，但目前高炉炼铁喷吹用煤主要以无烟 入比例增加而降低，促进了煤粉的燃烧催化过程9 煤和优质烟煤为主2高比例低阶煤在高炉喷吹领 综合考虑，拓展高炉喷吹燃料资源范围，缓解 域的应用在不断探索.实验结果表明，低阶煤具有 我国高炉喷煤对优质无烟煤资源的依赖是目前炼 较高的燃烧性和反应性，有助于提高煤粉的燃烧率 铁工作者的紧迫任务.钢铁企业应结合自身的地 研究发现烟煤与无烟煤混合后能够有效的降低烟 理优势，在高炉喷吹资源拓展方面不断创新，充分 煤的爆炸性，综合考虑选择合适的混煤方案，能大 利用本地低阶煤资源、煤化工产品和生物质等资 大提高低阶煤在高炉喷吹中的应用价值29训 源进行冶炼，实现高炉清洁高效喷吹 焦炉煤气作为炼焦生产的副产品，其用于高 4长寿高炉新装备研发及评价 炉喷吹在国内外已开展很多富有成效的研究别 焦炉煤气作为富氢燃料，用于高炉喷吹可以提供 4.1高炉炉缸碳复合材料研发及性能 良好的还原剂，实现CO2减排，同时提高焦炉煤气 碳复合材料将碳组分合理引入氧化物材料， 利用价值.焦炉煤气喷吹可以明显降低直接还原， 同时保留制品内部的微孔结构，实现碳质和陶瓷

分已经完全融入炉渣中. 借助静滴法和铁覆盖法对石墨向铁水中的溶 解行为进行了分析，碳向铁中的溶解在低温下就 能够发生，甚至在铁为固体状态下也可发生（如 图 2(c) 所示）. 渗碳完成后，不同来源的碳在冷却 时会以不同的形式析出. 从石墨中溶解的碳会形 成尺寸较小的不规则的层片状结构. 而这些小的 石墨晶体会与溶液中原有的 C 聚集形成尺寸较大 的树枝状晶体[21] . 由于 Fe−Fe 键间的排斥力更大， 铁原子向石墨碳中移动更加困难，而碳原子向铁 液中的移动却相对容易 ，最终在铁碳间形成了 Fe−C 界面层. 焦炭中气孔的存在能够增加冶金焦 炭向铁水中的溶解能力，一方面，气孔的存在造成 焦炭的不均匀溶解，并且为液态铁液提供了充足 的流动空间，增加了铁碳的接触面积；另一方面， 铁碳界面处不再有矿物质的积累，界面矿物层对 焦炭溶解的抑制被焦炭中的气孔减弱[22−24] . 3    高炉清洁高效喷吹技术 钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业， 其主要依靠的煤炭资源分布极其不均匀，无烟煤 和优质烟煤的储量仅占 15%. 国内众多钢铁企业 不断扩大炼铁用煤炭资源范围，兰炭、低阶煤、焦 炉煤气和生物质的喷吹应用价值被挖掘. 兰炭是低质煤经过中低温干馏的半焦，具有固 定碳高、化学活性高、热值高、灰分低、硫低、磷低 的特点[25] . 研究表明，兰炭可以用来替代优质的无 烟煤资源进行高炉喷吹，如将兰炭和烟煤混合喷吹. 烟煤的燃烧性优于兰炭，在混合燃烧过程中可以促 进兰炭的燃烧. 同时，兰炭低硫低氮的特点有助于 减少高炉入炉硫负荷、降低燃料比及铁水成本. 国 内钢铁企业积极进行高炉喷吹兰炭粉工业试验，带 来一定的经济效益和社会效益[26−27] . 我国低阶煤资 源储量丰富，但目前高炉炼铁喷吹用煤主要以无烟 煤和优质烟煤为主[28] . 高比例低阶煤在高炉喷吹领 域的应用在不断探索. 实验结果表明，低阶煤具有 较高的燃烧性和反应性，有助于提高煤粉的燃烧率. 研究发现烟煤与无烟煤混合后能够有效的降低烟 煤的爆炸性，综合考虑选择合适的混煤方案，能大 大提高低阶煤在高炉喷吹中的应用价值[29−30] . 焦炉煤气作为炼焦生产的副产品，其用于高 炉喷吹在国内外已开展很多富有成效的研究[31] . 焦炉煤气作为富氢燃料，用于高炉喷吹可以提供 良好的还原剂，实现 CO2 减排，同时提高焦炉煤气 利用价值. 焦炉煤气喷吹可以明显降低直接还原， 发展间接还原，降低高炉焦比[32] . 通过基础研究和 工业应用的结果都可以发现，高炉焦炉煤气等富 氢燃料都可以达到节能降耗的效果，但是对于不 同高炉的使用应根据高炉的状态所决定. 天然气的主要成分是 CH4（90% 以上），且其中 的烃类气体热值高，经转化后可得到以 H2 和 CO 为主的还原性气体[33−34] ，可供铁矿石还原焙烧[35]、 高炉喷吹和铁矿石的直接还原等，是气体燃料中 最受欢迎的一种. 高炉直接喷吹天然气至炉内吸 热裂解成还原气，为防止冷气入炉降温、天然气不 完全燃烧等降低炉温的现象发生，需要高富氧率 和高风温等相应工艺条件. 为提高炼铁高炉燃料 利用率和热效率，降低后续炼钢炉外脱硫等工序 成本，国外又开发了炉身喷吹高温还原气体工艺. 该工艺是将碳氢化合物燃料先在炉外分解，重整 制成高温（1000 ℃ 左右）、还原性强的气体，再从 炉腰或炉身下部间接还原激烈反应区喷入高炉， 减少高温区的热支出，可以大幅度降低高炉燃料 消耗. 国外炼铁高炉喷吹天然气（150 m3 ·t−1）高温 转换的还原气体，使焦比降到了 300 kg·t−1 以下，高 炉利用系数提高 2.4 以上. 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大 资源，具有可再生、碳中性的环保优势. 综合考虑焦 炭、煤粉的成本及污染物排放，高炉喷吹生物质具 有巨大的前景[36] . 由于生物质存在可磨性差、体积 密度小、能量密度低等缺陷[37] ，不宜直接利用，因 此，通常需进行转化处理. 生物质经碳化后得到的 生物质焦具有可磨性好，固定碳含量较高，N、S、 P 及灰分含量低，燃烧性和反应性良好等一系列优 点，适合用作炼铁过程的发热剂和还原剂[38] . 研究表 明，煤中掺入松木焦后，混煤的活化能和指前因子均 随混煤中松木焦比例的增加而降低，将松木焦掺入 煤中后，混煤的活化能和指前因子均随松木焦的掺 入比例增加而降低，促进了煤粉的燃烧催化过程[39] . 综合考虑，拓展高炉喷吹燃料资源范围，缓解 我国高炉喷煤对优质无烟煤资源的依赖是目前炼 铁工作者的紧迫任务. 钢铁企业应结合自身的地 理优势，在高炉喷吹资源拓展方面不断创新，充分 利用本地低阶煤资源、煤化工产品和生物质等资 源进行冶炼，实现高炉清洁高效喷吹. 4    长寿高炉新装备研发及评价 4.1    高炉炉缸碳复合材料研发及性能 碳复合材料将碳组分合理引入氧化物材料， 同时保留制品内部的微孔结构，实现碳质和陶瓷 · 1634 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1635 质材料的有机结合.碳复合材料既能发挥炭砖优 杂的服役环境0川碳复合材料制备过程中内部会 异的导热性能，同时兼备陶瓷杯良好的抗铁溶蚀、 发生原位反应产生BSC晶须，如图3所示，一方 抗渣及抗碱性能，因此能够很好适应高温多元复 面能填充材料气隙，提高材料致密度，另一方面， ater pipe Brick Solidified layer Graphite @Coating (a) Corundum Channel of hent transter 60 Briek Slag Brick Slag 600℃ Microporous carbon brick +(MgO) (M2o) 50 Wet air (MgO) (SiO. Brick Iron Wet air 40 (ALO)(Cao) Brick Slag (Mgo)(SiOz) Dry ai Slag 30 Iron SiO.ICl-CO+S Ar lron 20 Carbon composit Briek Iron Carbon composite brick 10 Brick Iron Time/h (d) ●● ● Porous graphi U-shape molybdenum silicide Ar 田gA Control ASCC mpurity elements ALSLK-O Al-Si-Na 1023K 1473K 1123K (e) 图3碳复合材料综合性能.(a)SiC品须：(b)碳复合材料导热机制：(c)碳复合材料渣铁侵蚀机理：()不同材料氧化侵蚀对比：(e)碳复合材料有 害元素侵蚀装置及机理 Fig.3 Comprehensive properties of the carbon composite material:(a)SiC whiskers;(b)thermal conduction mechanism of carbon composites materials; (c)slag-iron erosion mechanism of alumina-carbon composite brick;(d)oxidation erosion of different materials,(e)erosion device and mechanism of harmful elements in carbon composite materials

质材料的有机结合. 碳复合材料既能发挥炭砖优 异的导热性能，同时兼备陶瓷杯良好的抗铁溶蚀、 抗渣及抗碱性能，因此能够很好适应高温多元复 杂的服役环境[40−41] . 碳复合材料制备过程中内部会 发生原位反应产生 β-SiC 晶须，如图 3 所示，一方 面能填充材料气隙，提高材料致密度，另一方面， Ramming mass Ramming mass Coating Coating Graphite (a) Corundum (b) (d) SiC Channel of hent transfer Pipe Cooling water Microporous carbon brick Carbon composite brick Microporous corundum brick 600 ℃ Wet air 6 7 8 9 10 Time/h 0 1 2 3 4 5 Weight loss rate/% 0 10 20 30 40 50 60 Wet air Dry air Ar Carbon Corundum Carbon composite Cooling water Cooling water pipe Iron TA TA TW TW Brick Cooling stave Cooling stave Gap Gap Solidified layer 3 2 1 4 5 (Al2O3) (Al2O3) (MgO) (MgO) (MgO) (MgO)=MgAl2O4 (MgO) (CaO) (CaO) Slag Slag Iron Brick Iron Iron Iron Brick Brick Iron Brick Iron Brick Iron Brick Slag Slag Brick Brick Brick Slag (SiO2) (SiO2) (SiO2)+[C]=CO+[Si] (SiO2) [Si] [Si] [Si] CO [Si] [C] [C] [C] [C] [C] [C] [C] [C] [C] [C]=CO+[Si] (c) Air outlet Porous graphite gasket Brick 20×20×20 mm Mixture of pure reagent Brick 15×15×75 mm Graphite crucible Graphite crucible Flowmeter Thermocouple Ar ASCC Impurity elements 1473 K 1123 K 1023 K V Control A U-shape molybdenum silicide (e) 图 3    碳复合材料综合性能. （a）SiC 晶须；（b）碳复合材料导热机制；（c）碳复合材料渣铁侵蚀机理；（d）不同材料氧化侵蚀对比；（e）碳复合材料有 害元素侵蚀装置及机理 Fig.3    Comprehensive properties of the carbon composite material: (a) SiC whiskers; (b) thermal conduction mechanism of carbon composites materials; (c) slag-iron erosion mechanism of alumina-carbon composite brick; (d) oxidation erosion of different materials; (e) erosion device and mechanism of harmful elements in carbon composite materials. 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1635 ·