COREX熔融还原炼铁技术.doc

1、COREX 熔融还原炼铁技术陈炳庆 张瑞祥 周渝生(宝山钢铁(集团)公司)摘 要 COREX 熔融还原炼铁工艺用非炼焦煤直接炼铁，流程短、投资省、成本低、污染少、铁水质量好，过程煤气可用于生产海绵铁，成为当代冶金工业的前沿技术。本文分析了 COREX工艺的特点，原、燃料的性能要求，技术经济指标，讨论了其发展前景和进一步研究完善的方向。关键词 熔融还原 炼铁 海绵铁COREX SMELTING REDUCTION IRONMAKING TECHNOLOGYCHEN Bingqing ZHANG Ruixiang ZHOU Yusheng(Baoshan Iron & Steel Corp.)AB

2、STRACT The COREX smelting reduction ironmaking technology has been known as an advanced technology of metallurgical industry presently due to the use of non-coke coal,shorter production route,lower investment and cost,less pollution and good quality of hot metal and the use of off gas for production

3、 of sponge iron.This paper concerns the COREXs features,the requirements of raw materials and fuels,and the technological indexes of COREX production process.The further development and improvement of COREX technology is discussed.KEY WORDS smelting reduction,ironmaking,sponge iron1 前言熔融还原炼铁是当代冶金工业前

4、沿技术之一，它的开发应用是对传统高炉炼铁工艺的根本性变革。高炉炼铁系统(包括焦化、烧结、高炉)经过几百年应用发展，具有技术完善、生产量大、设备寿命长等优点。但其流程长、投资大、污染严重、灵活性差，尤其是世界炼焦煤资源日益匮乏，在量与质上都难以满足高炉炼铁需要，促使人们开发新的炼铁工艺。COREX 熔融还原炼铁工艺是近年已趋成熟的新型炼铁生产方法，它不仅能使用非炼焦煤直接炼铁，而且工艺流程短、投资省、生产成本低、污染少、生产的铁水质量能与高炉铁水相媲美；能够利用排出的过程煤气在竖炉中生产海绵铁，替代优质废钢供应电炉炼钢。这对没有条件采用天然气气基竖炉法大量生产海绵铁的我国来说，其更具意义。目前，

5、全世界已投产和在建的 COREX装置七座，到 1998年 COREX熔融还原炼铁将年产铁水 500万 t，约占世界生铁产量的 1 %。2 COREX 工艺流程简述COREX 熔融还原炼铁过程在两个反应器中完成。即上部的预还原竖炉，将铁矿石还原成金属化率 92 %93 %的海绵铁；下部的熔融气化炉，将海绵铁熔炼成铁水，同时发生还原煤气 1 。其工艺流程示于图 1。图 1 COREX 生产流程图Fig.1 COREX process flow diagramCOREX 工艺的铁矿石预还原竖炉是一个活塞式反应容器。铁矿石从上部装入，设在竖炉底部的螺旋排料器控制其向下移动的速度。热还原煤气从竖炉下部输

6、入，矿石被煤气加热并发生还原反应。铁矿石经 68 h变成海绵铁，经螺旋排料输送器输入下方的熔融气化炉。熔融气化炉是一个气固液多相复杂的炼铁移动床反应容器。煤由速度可控的螺旋给料器加入炉内，与温度 1100 以上的还原气体接触，在向下移动过程中被干燥和热解，脱除挥发分，逐步成为半焦直至焦炭。在熔融气化炉的底部形成一个类似高炉的死料柱。由均匀分布于炉缸圆周的 26个风口氧枪吹入氧气，在风口区燃烧产生 2000 以上高温，使海绵铁进一步还原熔化、过热、渣铁分离，从铁口排出。炉顶排出的 1100 左右的煤气中，含有 95 %(CO+H2)，1 %CH 4，还有 N2等。混入 20 %净化冷煤气，使煤气

7、温度降到 900 左右，经热旋风除尘器，将含尘量从 100200 g/m 3降至 20 g/m3左右，除尘后的 850 煤气输入竖炉作还原气。炉尘返吹入熔融气化炉。为使铁水成分满足炼钢要求，需按造渣成分和碱度要求在预还原竖炉中加入石灰石、白云石和硅砂等熔剂，以使碳酸盐的预热和部分分解在还原竖炉完成，然后随海绵铁一起加入熔融气化炉。3 COREX 工艺的原燃料COREX C1000、C2000 装置生产实践表明，为使炉况稳定、顺行，达到高产、低耗，加入炉内熔炼的原、燃料都应有一定的理化性能要求2 。(1) 铁矿石COREX 工艺可以用块矿、球团矿或者两者的混合矿作为原料，其主要物化性能要求见表

8、1。表 1 COREX 工艺对铁矿石的主要物化性能要求Table 1 Main data of ore for COREXTFe/% 粒度/mm原料名称允许 选优 允许 选优 (6 mm)/%球团矿 58 6266 630 816 5块矿 55 6266 630 820 5COREX 还原竖炉要求料柱有良好的透气性，降低炉内压力降，以利于气流分布，所以控制入炉原料粒度在 630 mm，最好为 820 mm。还原过程中，矿石产生碎裂和磨损。所以，在矿石入炉前应测试矿石的还原性，碎裂性和还原后强度。以选择还原后强度好的矿石入炉。COREX 工艺要求矿石的铁含量：块矿55 %，球团矿58 %，矿石中

9、的 TiO2的含量应加以限制，以免炉渣粘度升高。表 2是 ISCOR公司和POSCO公司的 COREX炉使用的铁矿石种类与化学成分 3 。 表 2 COREX 工艺的铁矿石种类与化学成分 %Table 2 Chemical composition and ore type for COREX %ISCOR公司 POSCO公司名称 Thabaimbi块矿Sishen块矿 CVRD球团Newman块矿Algarrobo球团CVRD球团Peru球团Fe 62.9 66.0 64.22 64.3 65.2 65.75 65.50SiO2 5.2 2.8 2.9 3.04 2.1 2.52 3.60Al

10、2O3 0.8 1.0 0.6 1.04 0.53 0.56 0.47CaO 0.9 0.2 3.9 1.3 2.63 2.5 0.47MgO 0.5 0.1 0.3 0.11 0.05 0.04 0.82K2O 0.09 0.13 0.01 0.02 0.02 0.02 0.1P 0.05 0.04 0.03 0.06 0.02 0.03 0.008S 0.01 0.03 0.01 0.007 0.006 0.01 0.007(2) 煤COREX 工艺可以使用范围很广的非炼焦煤，评估煤质的主要指标包括挥发分、固定碳和灰分。其要求列于表 3。表 3 COREX 工艺用煤质量要求 %Table

11、3 Coal quality for COREX %项 目 普通值 优选值固定碳挥发分灰分55352560752030512水分 干燥前干燥后12551035硫 1 0.40.6粒度/mm 050 850表 4是目前 COREX工艺使用的煤种和成分。宝钢钢研所与东北大学做的 COREX熔融还原炼铁热模拟试验中，采用阳泉煤、大同煤和神府煤组成的混合煤，结果表明，这三种煤以一定配比混合，可以得到比较理想的 COREX工艺用煤。 表 4 COREX 工艺用煤成分 %Table 4 Coal composition for COREX %ISCOR公司 POSCO公司Delmas煤Wolvekrans

12、煤Mount Thorley煤South Blackwater煤湿分 5 3 2.56 2.69灰分 15.2 13.3 10.0 9.0挥发分 28.0 28.0 33.0 26.0固定碳 56.8 58.7 57.0 65.0硫 0.7 0.6 0.44 0.454 COREX 工艺的特点COREX 熔融还原炼铁工艺，采用了成熟的气基竖炉法海绵铁生产技术和高炉炼铁技术。COREX 工艺的预还原竖炉部分相当于高炉炉身中、上部，熔融气化炉部分相当于高炉的炉缸与炉腹部分并向上延伸。截去了高炉的炉身下部和炉腰部分，避免了高炉内影响料柱透液性、透气性和气流分布的软熔带的产生，为 COREX工艺直接使

13、用非炼焦煤炼铁创造了条件。4.1 炉缸形成死料柱COREX 熔融气化炉中部以下有煤、半焦和海绵铁组成的料柱，下部有半焦和焦炭组成的死料柱。死料柱的存在，使熔化后的渣铁在高温区与焦炭的接触时间增加，铁水温度升高，铁、硅还原，渗碳、脱硫等反应有条件充分进行。分析料柱结构表明，炉缸的焦炭量随着固定床深度的增加而增加。和高炉死料柱的作用一样，死料柱在炉缸起到碳源作用，提供铁水碳饱和及降低渣中残余 FeO所需要的碳。4.2 炉尘回收，返入熔融气化炉煤在熔融气化炉加热脱除挥发分的气化过程中，产生含碳粉尘，并被煤气带离气化炉。煤气经除尘，控制还原气含尘量在一定范围内。回收的炉尘在炉体适当位置返吹入熔融气化炉

14、。这样，可以防止炉尘堆积，而且可通过调节吹氧量使炉尘燃烧产生的热量将炉顶温度控制在 1100 左右，使气相中的焦油、苯等高分子碳氢化合物分解为 H2、CO。所以，炉尘回收系统也是 COREX工艺的无污染操作。4.3 粒度分布与煤气流控制以炉料与煤气相向运动为基础的竖炉还原，保持料柱的一定空隙率，煤气流的低压降，可防止悬料，增加煤气流通量，矿石得到充分还原。为此，除严格控制矿石粒度和还原气的含尘量外，还要尽量减少矿石在加热还原过程中的碎裂现象。4.4 环境污染小由于 COREX工艺用煤直接炼铁，基本不需要焦炭，避免了冶金工厂的主要污染部分(焦炉)，工艺过程紧凑。尤其是没有了炼焦过程的焦煤装炉、出

15、焦、炉门密封不严造成的煤气泄漏，使 COREX熔融还原炼铁成为环境保护十分可取的炼铁工艺。以高炉焦炉烧结工艺排出的有害物质为 100 %计，则 COREX熔融还原炼铁工艺的排放量为：SiO 2 炉尘 NO 2 苯酚3.8 % 10.7 % 10.5 % 0.04 %硫化物 氰化物 氨0.01 % 5.0 % 8.2 %环境质量大为改善。4.5 生产技术指标好COREX 熔融气化炉和还原竖炉都采用高压操作，压力 400 kPa左右，铁水成分比较稳定且易控制，Si的含量为 0.1 %0.2 %，平均S的含量为 0.025 %，但有时受原料影响波动大。1996 年 7月浦项(POSCO)钢厂 COR

16、EX C20004 生产的铁水温度：15001540 (平均 1510 )；铁水成分：C4.2 %4.8 %，S0.015 %0.030 %；作业率 96.5 %；月产量 5.7 万 t 铁水；输出煤气量：145000 m 3/h(热值 7500 kJ/m3)。煤气成分中CO、H 2、CH 4、CO 2、H 2S分别为 35 %45 %、15 %20 %、1 %、35 %、(1070)10 -6，其余为 N 、H O；含尘量5 mg/m 3。生产 1 t铁水的原、燃料及动力消耗：铁矿石： 1480 kg；煤：990 kg(澳大利亚进口的高低挥发分煤各占一半，包括 3 %10 %焦炭)；熔剂：3

17、25 kg；氧气：560 m 3；渣量：约 340 kg。4.6 流程短、投资省、生产成本低COREX 熔融还原炼铁工艺，已有 COREX C1000、C2000 两套装置的 9年和 2年生产实践经验。与焦炉烧结高炉工艺流程相比，其工序少、流程短。由图 2可以看出，COREX 工艺从矿石到炼出铁水仅需 10 h，而高炉工艺需要 25 h。由于设备重量减少一半，投资费用少 20 ，生产成本低 10 %25 %。南非 ISCOR公司 COREX的生产成本比产量相当的 Pretoria 高炉低 34 %，比 ISCOR Vanderbilpark 厂高炉(9000 t/d) 低 18.8 %，比 I

18、SCOR Newcastle 厂高炉(5000 t/d)低 38 %。宝钢三期工程后设计中所做的高炉生产成本为吨铁 1004.5元。北仑钢厂预可行性研究计算 COREX熔融还原炼铁的铁水生产成本每吨为937元。DRI 生产成本为 1030元。能耗，按标煤折算系数为 0.875 t，宝钢 1994年 13 号高炉系统吨铁生产实绩：0.5895 t(标煤)，宝钢 4号高炉(方案)系统：0.57580.5846 t(标煤)，宝钢 COREXMidrex(方案)系统：0.5262 t(标煤)。图 2 传统钢厂与短流程钢厂生产过程的温度曲线和需要时间比较Fig.2 Comparison of tempe

19、rature curves and production times in productionbetween conventional integrated mill and integrated compact mill(a)传统流程钢厂；(b)基于 COREX和 CONROLL的短流程钢厂显然，COREX 熔融还原的基建投资、生产成本、能源消耗等都要比传统的高炉系统为低。5 COREX 过程煤气的利用COREX C2000 输出煤气 145000 m3/h，热值约 7500 kJ/m3，(CO+H 2)含量达 60 %65 %，是宝贵的二次能源。可用来发电，生产海绵铁、化工产品或作为燃料

20、。我国缺少天然气生产海绵铁的条件，基本上靠煤基回转窑法生产海绵铁，设备能力不足 40万 t/a，供需矛盾突出，市场缺口极大。所以，利用 COREX过程煤气生产海绵铁是适合我国国情的最佳选择。图 3是利用 COREX工艺过程煤气生产海绵铁(DRI)的流程图。COREX 预还原竖炉排出的尾气，经除尘、变压吸附法(PSA)或化学吸收法脱除 CO2，接着通过换热器与还原气部分燃烧法加热，输入竖炉的还原煤气(CO+H 2)90 %，氧化度(H 2O+CO2)/(CO+H2+CO2+H2O)5 %，温度达到竖炉还原工艺要求850 。使用TFe67 %的铁矿石，可生产出TFe90 %，金属化率达到 92 %

21、93 %的优质海绵铁。正在建设中的韩宝公司两座 COREX C2000年产 150万 t铁水，同时利用过程煤气年产 83万 t 海绵铁。印度京达尔(JINDAL)厂两座COREX C2000年产 153万 t 铁水，南非撒达那(SALDANHA)厂一座COREX C2000年产 65万 t 铁水，这两家工厂都利用 COREX过程煤气生产与铁水产量相等的海绵铁。图 3 COREX 工艺过程煤气用于海绵铁流程Fig.3 COREX use of the export gas combined production of hot metal and DRI(a)COREX炼铁厂；(b)直接还原铁厂6

22、 COREX 熔融还原炼铁发展前景COREX 熔融还原炼铁是目前唯一使用非炼焦煤直接生产铁水的非高炉工业化炼铁方法。它拓宽了冶金用煤范畴，可用块矿、球团矿或其混合矿作原料，铁水质量与高炉法相同，生产海绵铁可替代优质废钢满足电炉冶炼纯净钢的需要，生产过程发生有害气体少。小规模生产厂(30万 t/a)也能实现经济运行，取得经济效益。COREX C3000 的设计正在进行，其产量将达到 90120 万 t/a，必将会显示规模经济效益的优越性。COREX 熔融还原炼铁工艺尤其适用于炼焦、烧结能力不够的钢厂扩大生产能力，替代中、小型高炉，或者大城市附近有钢无铁，钢多铁少的老厂优化结构。COREX 是正在

23、发展，渐趋成熟的熔融还原炼铁工艺，也存在着不足之处：如要求使用强度好的块矿、球团矿和块煤，粉矿、粉煤需经造(压)块才能入炉使用；虽然采用全氧炼铁，没有了高炉的软熔带，但利用系数还不够理想，未能达到预想的全氧炼铁强化程度；随制氧产生的大量氮气、稀有气体的充分使用等尚须研究开发。参 考 文 献1 Kepplinger W,et al.COREX Symposium.1990，5 20.2 石启荣，胥昌第，等.关于南非熔融还原炼铁工艺(COREX 法)的技术考察报告.1993.9.3 Woedlinger R.Recent Developments in COREX Technology,1996.4.4 VAI.COREX STATUS REPORT,1996.10.