直接还原与熔融还原

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2. 钢铁生 产方法及 流程
➢ 三类方法
图1. 三种钢铁冶炼方 法示意图 A:高炉—转炉(BF— BOF); B:直接还原—电炉 (DR—EAF); C:熔融还原—转炉 (SR—BOF)
什么是短流程(续)
2. 钢铁生产方法及流程(续)
图2. Sources of Metallic Feedstock
直接还原与熔融还原
本课程安排
➢课堂讲授 ➢每人选择一个与本课程相关的课
题课后查资料,制作PPT并进行 课堂讨论 ➢完成相关课堂讨论课题的小论文
➢中国钢铁工业发展及其现状
我国钢铁工业发展状况
经历两次高速增长期 第一次:20世纪60~70年代,年均增长速度约1900万吨 第二次:20世纪末至今,年均增长速度达5873万吨
46m3氧气 26W•h(电)
钢水1t 图3. BF—BOF流程原料及能源流向图
什么是短流程(续)
2. 钢铁生产方法及流程(续)
➢ 五种流程(续)
氧化球团
1.266t
直接还原竖炉
直接还原铁
264m3天然气 110 KW•h(电)
0.926t
0.806t Fe(91.7%Fe)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
废钢、铁合金0.269t 添加碳1kg 电极4kg
长流程 100% 100% 100% 100%
短流程 约50% 约50% 约70% 约63% 易实现

灵活

什么是短流程(续)
2. 钢铁生产方法及流程(续) ➢ DR—EAF短流程与SR—BOF长流程的比较:
冶金反应过程合理 流程更短 质量好控制
本质意义:
SR—BOF:非焦煤炼铁 DR—EAF:短流程
电炉
550kW•h(电) 25m3氧气
钢水1t 图4. 竖炉直接还原—电炉流程示意图
什么是短流程(续)
2. 钢铁生产方法及流程(续)
➢ 五种流程(续)
氧化球团
1.266t
直接还原回转窑
直接还原铁
527kg煤 66 KW•h(电)
0.879t
0.806t Fe(91.7%Fe)
废钢、铁合金0.269t 添加碳1kg 电极4kg
固体碳竖式还原法的物料平衡
原料输入量
还原剂输入量
铁矿石1460kg(68.5%Fe、98.0%Fe2O3、 煤227kg(90%C、10%灰份) 29.5%O、2.0%脉石)
脉石30kg、铁1000kg、氧430kg
灰份23kg、碳204kg、氧0kg
直接还原过程中有408kg氧的转移
固体输出量
输出量
原料 球团/块矿
粉矿 粉矿 球团/块矿 粉矿 粉矿 球团/块矿 粉矿 粉矿 球团/块矿 球团/块矿
还原剂 煤气 碳 煤气 碳 碳 煤气 煤气 煤气 碳 煤气 碳
还原设备 竖炉 流化床 流化床 回转窑 转底炉 流化床 竖炉 流化床 转底炉 竖炉 回转窑
按炉型分: •竖炉 •回转窑 •转底炉 •流化床等
直接还原生产及技术现状(续)
1.国外现状(续) ➢ 技术现状(续)
按含铁料粒度分: •块矿/球团 •粉矿
表1 不同直接还原工艺的主要特点比较
工艺 Arex Circofer Circred Day DRC Fastmet Finmet HYL Ⅲ 炭化铁 Inmetco MIDREX SL/RN
热需要量
GJ/tFe
还原度95%的1吨铁(50%用C、50%用 CO还原)
1000℃的1.086吨直接还原铁和灰份的显 热
800 ℃的612kg(50%CO、50%CO2)的 废气显热
合计
3.138 0.745 0.481 4.364
还原需要的热量相当于0.107t标煤,是长流程需要量的1/5~ 1/7
钢铁生产过程中氧位的变化
什么是短流程(续)
2. 钢铁生产 方法及流 程(续)
➢ 2020年钢 铁冶金流 程预测
什么是短流程(续)
3. 目前钢铁生产概况及主要产钢国家 ➢ 生产概况
Fig 10. World Crude Steel Production Development by Process Route
35m3氧气 26 KW•h电力
钢水1t 图7. 熔融还原(Elred法)—转炉流程示意图
什么是短流程(续)
2. 钢铁生产方法及流程(续) ➢ DR—EAF短流程与BF—BOF
长流程的比较:
吨铁投资少 ~50% 操作成本低 ~37% 环境保护易实现
质量好控制
流 程 吨钢投资 能源消耗 运输量 生产成本 环境保护 质量控制 生产规模 建设周期
什么是短流程(续)
2. 钢铁生产方法及流程(续)
➢ 五种流程
输出煤气 110m3
焦油30kg
焦煤 0.022t 0.589t
焦炉
0.041t
0.389t
输出煤气80m3 废钢0.263t
铁矿石0.788t
0.020t
烧结机
0.926t 0.411t
球团 0.431t
高炉
0.823t BOF
输出煤气 675m3
进口矿石 粗钢产量 钢材产量 行业利润
出口 进 口
产量 增长 产量 增长 产量 增长 利润 增长 产量 增长 产量 增长 万t % 万t % 万t % 亿元 % 万t % 万t %
62778 41.6 56784 13.50 69244 18.5 1433 -40.8 2460 690 (主)
-58.5 1763 14.3
炼钢法—李约瑟
什么是短流程(续)
1.世界钢铁工业发展概况(续) ➢ 第一次革命
时 间:19世纪末、20世纪50年代 工艺流程:焦炉→烧结机→高炉→平炉
→铸锭→初轧开坯→ 成品轧机 代表国家:德国(最早)、美国和前苏 联(稍后)
什么是短流程(续)
1.世界钢铁工业发展概况(续) ➢ 第二次革命
时 间:20世纪50年代至70年代
●奥地利发明了纯氧顶吹转炉炼钢法 平炉:8~10小时—炉钢 氧气转炉:40分钟—炉钢
●与此同时,前苏联、瑞士发明了连续铸钢法
工艺流程:大烧结机→大焦炉→大转炉 →大连铸机→连轧机
代表国家:日本、西德
什么是短流程(续)
1.世界钢铁工业发展概况(续) ➢ 第二次革命(续)
代表国家:日本、西德 1973年日本钢超1亿吨,基本采用新流程 未及时抓住这一革命时机的国家为美国、 前苏联、中国 中国只有宝钢具有第二次革命全流程。
钢铁工业存在的突出问题
● 能耗高 占全国能耗总量的16%左右 ● 污染严重 产生大量颗粒物, SOx、NOx、CO2和废水等
钢铁行业“三废”排放情况 废水量:~8 % SO2 :~7 % 烟尘量:~8 % 固废量:13~15 %
我国能源结构以及能源在世界上的分布
国内建厂:山东鲁中、北京密云、新疆富蕴(共两期) 其中新疆富蕴公司建成两条年产15万t海绵铁的直接还原铁厂, 第一条生产线已于2007年10月份投产运营,第二条生产线也 将于2008年底正式投产。
什么是短流程(续)
1.世界钢铁工业发展概况(续) ➢ 第三次革命(续)
时 间:20世纪80年代—21世纪××年代 工艺流程:废钢/DRI→电炉→连铸→连轧 代表国家:美国:36.8%(1990)、46.4%
(1997)、50%(2000) 欧洲:42.3%(1997)、
59%(2010)
什么是短流程(续)
企业名称
宝钢 河北钢铁集团 武钢 鞍本 山东钢铁集团 沙钢 马鞍山钢铁集团 首钢集团 华菱钢铁集团 包钢
产量
3544 3328 2773 2344 2330 2184 1504 1219 1126 984
世界排名
3
220
4
375
7
17+39
9
14
444
19
22
25
31
●09年我国钢产量、利润及进出口情况
钢水1t 图6. 废钢—电炉流程示意图
什么是短流程(续)
2. 钢铁生产方法及流程(续) ➢ 五种流程(续) 粉矿
1.237t
石灰石0.096t
熔融还原炉
燃料0.010t 废钢0.263t

氧气转炉
543kg煤 (493kW•h熔化用电) (109kW•h脱硫和辅助 设备用电) 137kW•h制氧用电 404m3氧气
提纲
➢第一部分 钢铁生产及短流程炼钢概论 ➢第二部分 直接还原理论与工艺 ➢第三部分 熔融还原理论与工艺
第一部分 钢铁生产及短流程 炼钢概论
一、什么是短流程
1.世界钢铁工业发展概况 ➢ 起步阶段
时 间:1865年前后 工 艺:空气侧吹转炉炼钢法(1865年
英国贝赛麦) 代表国家:英国 中 国:公元前2世纪采用类似侧吹转炉
废钢资源优势
(1)、废钢铁是再生资源,可无限循环利用。 从钢材→制品→使用→报废→回炉炼钢,每830年一个轮回,无限循环使用
(2)、废钢铁是一种载能资源,用废钢铁炼钢 可以大量节约能源。废钢直接炼钢比矿石炼铁 后再炼钢可节能60%,节水40% (3)废钢铁是一种环保资源,废钢直接炼钢比 铁矿石炼铁炼钢可减少排放废气86%,废水76% 和废渣97%,有利于清洁生产和排废减量
电炉
550kW•h(电) 25 KW•h辅助设备用电 25m3氧气
钢水1t 图5. 回转窑直接还原—电炉流程示意图
什么是短流程(续)
2. 钢铁生产方法及流程(续) ➢ 五种流程(续)
添加碳8kg 电极4kg
废钢、铁合金
1.063t
电炉
¯¯¯¯¯¯
550kW•h(电)
25 KW•h电(助熔) 25m3氧气
Midrex HYLSA
SN/RL
煤气
区域2
Circored Fior
FINMET 炭化铁
粉矿
Fastmelt Comet Inmetco Circofer
液态
COREX
Itmk3
区域4

区域3
图11 按还原剂和铁矿石种类分直接还原工艺
直接还原生产及技术现状(续)
1.国外现状(续) ➢ 技术现状(续)
2.电力(400~500Kw.h/t-钢) 3.发展DRI/HBI的条件
资源—优质铁矿:TFe>67%、S、P<0.01% 能源—天然气
煤:S、挥发份、灰份、灰份熔点、 反应性
第二部分 直接还原理论与工艺
一、直接还原生产及技术现状
1.国外现状 区域1
➢ 技术现状
按还原剂分:
•气基 •煤基
块矿/球团 固态
什么是短流程(续)
3. 目前钢铁生产概况及主要产钢国家 ➢ 生产概况(续)
美 国:1.37亿吨(1973)→8000万吨(目前) 日 本:1.193亿吨(1973) → 1亿吨以下(目前) 俄罗斯:1.6亿吨(1988) → 1亿吨以下(目前) 欧共体:2亿吨(80年代) → 1.6亿吨以下(目前) 中 国:~5000万吨(80年代初) → 1.14亿吨(1997)
发展直接还原技术是实现钢铁清洁化生产的需要
◇长流程:炼焦、烧结----高炉炼铁----转炉炼钢 优点:技术成熟、效率高、产量大、生产成本低等。 缺点:炼焦、烧结、炼铁、炼钢等工序污染严重,对环境的污染占钢铁流 程的70%以上,且焦炉在装煤、出焦时的煤气泄漏十分严重;而烧结过程排 放大量的粉尘及污染物质也难以解决。 ◇短流程:直接还原铁、废钢----电炉炼钢 优点:高温工序少、投资低、能耗低、运输量少、劳动生产率高、建设周 期短和有利于环境保护等。 缺点:废钢含杂质元素多,如果炉料中DRI比例较低,将影响电炉钢产品 的质量。
1052kg DRI(95%Fe、88%Fe0、7%Fe++、238kgCO、374kgCO2、23kg
9%FeO、2%O、3%脉石)
脉石
脉石30kg、铁1000kg、氧22kg
灰份23kg、碳204kg、氧 408kg
目前吨钢综合能耗为0.6~0.8t标煤,是理论需要量的2.6 ~ 3.5倍
固定碳竖式还原法的热平衡
→ 2.3亿吨(2003)→ 2.6亿吨(2004) → 约5.0亿吨(2007)
二、短流程炼钢发展背景
1.长流程自身的原因:流程长、投资大、 成本高、环境污染重。
2.合理利用资源:废钢、复杂矿。 3.能源:炼焦煤减少。 4.钢的品种和质量。 5.市场应变能力。
三、发展短流程炼钢的条件
1.原料 废钢(scrap): 直接还原铁(DRI/HBI) 铁水(HM)
➢2008年世界粗钢产量13.32亿吨,我 国5.0049亿吨,我国占世界粗钢总 产量的比重由2007年的36.3%上升 到37.6%
➢日本粗钢产量占世界的8.9%,美国 6.9%,俄罗斯5.1%,印度4.1%, 韩国4.0%,德国3.6%
2008年我国粗钢企业产量排名
排序
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
60000

生铁
50000
40000
30000
20000
10000
0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
2000年:1.28亿吨 2004年:2.03亿吨 2007年:4.89亿吨
2000~2007年我国钢和生铁产量(单位:万吨)
2008年我国与世界粗钢产量
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