DRI直接还原铁质量控制

电炉炼钢厂正在将其炼钢原料选择方向转到直 接还原铁 (DR I) 上。因为作为一种铁的来源, 直接还 原铁的纯净度要高于废钢和相应的铸铁。 为满足这 R 些要求, 达涅利开发了D ana rex ○ 生产工艺。 这种新工艺的特点是将还原和碳化过程分别在 2 个不同的区域内完成, 以便于独立控制金属化程 度和碳含量。 产品冷却采用外置容器可使整个圆锥 体用于渗碳反应。 这样就能够创造渗碳体生成最佳 条件。 这种渗碳体就是惰性物质和电炉内完全可回 收碳的来源。 在美国丹佛 H azen 研究开发公司的一个实验 R 厂, 进行了一系列试验。试验结果表明, D ana rex ○ 生 产工艺具有良好的可靠性, 将还原和碳化反应过程 分为两个不同阶段的做法是行之有效的。
the concep ts upon w h ich th is new techno logy is ba sed. T he da ta co llected du ring the op era tion s a llow ed D an ieli to fine tune the p rocess p a ram eters and to com p a re the op era tion s w ith and w ithou t the“au to refo rm ing” con tribu tion r1 T he ob ta ined p roduct w a s certified to be inert and p a ssiva ted thank s to the con tro lled iron ca rb ide con ten t. Key words: DR I; qua lity; con tro ll
在温度超过 300 ℃的条件下, 当较重的碳氢化 合物 ( 乙烷、 丙烷、 丁烷等) 开始进行化学反应, 生成 碳和氢时, 位于锥体内的金属铁可催化天然气的裂 解反应。 在温度超过 570 ℃的条件下, 碳将与铁结 合, 形成渗碳体组织。 由于碳化区分开, 影响这些反应过程的下列参 数可以得到有效控制。 ( 1) 碳化温度 碳化反应 ( 4) 是一种吸热反应: 热源就是原料本 身——温度超过 800 ℃的还原区和预热到 200 ～ 250 ℃的天然气的显热。 由于海绵铁具有较高的热容量, 因此有可能沉 积大量的碳, 当温度在 720 ℃以上时, 可沉积达到总 碳量 55 % 的碳; 当温度在 600 ℃以上时, 可沉积
65% 。 试验证明, 利用甲烷进行碳化可以达到较高的
工艺燃气压缩机 循环风机式 (m 3 ・h - 1 ) 冷却气体压缩机 循环风机式 (m 3 ・h - 1 )
110 最大流量 170 最大流量 70
表 2 铁矿球团的化学成分和物理性能
Table 2 Chem ica l and physica l ana lysis of the iron ore pellet
Con troll ing D R I Qua l ity
G. Si m iona to, A. M a rt in is
(D an ieli A rex )
R Abstract: T he testing of the fu ll D ana rex ○ p rocess in a P ilo t P lan t dem on stra ted the effectiveness and reliab ility of
项 目 化学成分 %
Fe to t Fe2+ CaO Si O2 A l2O 3
沉积碳百分比。这一结果与在 60 m in 反应时间条件 下其他的试验结果相吻合。在 550 ～ 850 ℃温度条件 下进行的多次试验结果表明, 温度越高, Fe3C 生成 比例越高。
○ R
第1 种 条2 种 球团料 球团料
6713 0129 0161 1169 1189 0126 n. a. 2 540 0 0 9611 316 9716 9718 211 0154 68108 n. a. 0163 1102 0142 0126 01115 2 999 10 4 9011 915 8815 9018 810 0176
R 2 D ana rex ○ 工艺的主要特点
211 自动煤气转化工艺
自动煤气转化指的是, 通过利用金属离子的催 化特性, 将天然气直接转化为竖炉内的还原剂。 为使用于煤气转化的大量CH 4 所需的氧化剂进 入反应器内, 部分经过净化的废气通过加热器进行 循环, 直接进入竖炉内, 而不通过煤气转化装置。 R 在D ana rex ○ 反应器内进行下列综合反应:
( 1)
这是利用 CO 2 和 H 2O 进行的甲烷煤气转化, 以 及FeO 还原而生成H 2 和CO 的综合反应。 反应 ( 1) 是 一种吸热量很大的吸热反应: 这就是为什么需要将 加热到 1 050 ℃以上的燃气喷射到炉内的原因。 由
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联系人: 魏恩发, 高级工程师; E-ma il: Q. Yang@ danch ina. com ; 修订日期: 2004210230
3 D ana rex 试验厂
311 设备简介
A STM E382 耐压
M gO M nO
平均值 N
< 1 335 N % < 890 N % 转鼓指数 (> 1 4 s) %
・8 0 ・
钢 铁 第 40 卷
能很差, 但试验设备还是取得了良好的效果。 铁矿球 团性能见表 2。
表 1 设备主要技术特点
Table 1 M a in plan t character istics
项 目 竖炉 煤气转化装置 还原区直径 m 管道数量 管道高度 m 管道直径 m 氧—甲烷烧嘴数量 烧嘴功率 kW 低活性 % 高活性 % 氧—甲烷 丙烷烧嘴数量 烧嘴功率 kW 数 据
CH 4 + FeO
Fe°
立在经过验证的先进技术的基础上, 具有一部分废 气通过加热器 ( 绕过煤气转化装置) 进行循环的特 点。 还原气体在进入竖炉 ( 阿热克斯专利技术) 之 前, 先通过吹氧使其温度升高, 从而可实现氢和一氧 化碳的 “就地” 生产 ( 自动煤气转化) 。 与其他任何工
Fe+ 2H 2 + CO
第 40 卷 第 2 期 2005年2月
钢 铁 Iron and Steel
VOL. 40, N o. 2 Feb ruary 2005
D R I 直接还原铁质量控制
G 1Si m iona to , A. M a rt in is
( 达涅利阿热克斯)
R 摘 要: 在一台试验设备上采用全D ana rex ○ 工艺进行试验的结果表明: 建立在这种新概念基础上的生产工艺具有
第 2 期 G 1Si m iona to 等: DR I 直接还原铁质量控制
・7 9 ・
于天然气煤气转化而使燃气温度快速下降, 因此不 会出现粘结问题。 212 燃气分布最优化 为最优燃气分布, 从而在反应器内获得均匀的 温度分布, 特别是对于那些较大的反应设备, 应在主 区上面布置第二个燃气喷射区。 通过这种方法, 可以 促进热交换, 提高化学反应均匀性。 此外, 炉料的上部区域可在短时间内达到反应 温度, 从而可以充分利用较大的有效反应空间。 利用可从市场购买的软件和根据达涅利研究与 开发中心在冷反应器中得到的 试 验 结 果 进 行 的 F luo 2 D ynam ic 动态模拟试验, 表明 2 次喷吹是行之 有效的。 213 海绵铁的渗碳过程
( 5) 碳在铁基体内的扩散。
的气流被加热到 750 ℃, 其氢的体积分数高于 70% ( 图 1、 2) 。这将增加还原气氛, 而还原区温度却不会 降低太多。 ( 2) 气体成分 当温度低于 727 ℃时, Fe 3C 将很容易分解为铁 和碳。 据文献报导, 当温度在 600 ℃时, 分解速度最 快; 当温度降到 500 ℃以下时, 分解动能将降低到极 低的水平。 在锥体和冷却罐内的碳化气氛下, 由于气 体中的甲烷的体积分数很高 ( 超过 80% ) , 反应过程 将完全转向Fe 3C 的形成, 如图1 所示。 在碳化气体中 存 在的少量 H 2 和 H 2O , 可防止在球团表面生成碳 黑; 但如果含水量过大, 将会使产品脱碳。 含水量可 通过向上流动的冷却气体进行控制。 此时要求冷却 气体中蒸汽的体积分数在 2%～ 3% 。 ( 3) 炉料在高温区停留时间 当 Fe3C 的质量分数低于 60%～ 70% 时, Fe 3C 形成的限制条件是裂解的反应动力。 当高于这一参 数时, 限制条件转向碳扩散。 这是碳化区设计中的主 要参数。 Fe 2 O2 H2 C 稳定图 ( 图 3 ) 给出碳和 Fe 3C 之间的 平衡条件。 碳化气体总是在 “Fe 3C 形成” 区。 214 实验厂试验 利用实验厂设备验证在双重反应器锥体内的预
016 2 214 012 6 230 1
图 3 Fe-O - H -C 在 700 ℃时的稳定情况
F ig13 Fe-O - H -C stab il ity d iagram a t 700 ℃
催化剂 加热器
不存在
2
期条件下, 以 Fe3C 形式沉积质量分数大于 4% 的碳 可能性。在反应器保持在 750 ℃恒定温度条件下, 利 用电阻法对少量海绵铁球团 ( 015 kg ) 进行处理。 甲 烷在 750 ℃温度下, 用做碳化气体。气体在球团床内 的停留时间为 118 s; 总碳化时间为 4715 m in。 在一系列试验中, 产品的终点碳的质量分数可 控制在 3%～ 415% , Fe 3C 的质量分数控制在45%～
有效性和可靠性。 在设备运行过程中采集的数据使达涅利能够准确调整工艺参数, 并对有无 “自动煤气转化” 两种 不同条件下的设备运行情况进行了试验对比。试验证明, 由于能够对碳化铁含量进行有效控制, 因此生产的产品具 有惰性, 并经过钝化处理。 关键词: 直接还原铁; 质量; 控制 中图分类号: T F 55 文献标识码: A 文章编号: 04492749X ( 2005) 0220078204
○ R D ana rex 工艺可在双重反应器的锥体内, 位于
图 1 碳化区温度分布图
F ig11 Tem pera ture prof ile in the carbura tion cone
还原区的下面, 使海绵铁增碳。 生成碳的反应过程如下: 3Fe+ 2CO Fe 3C + CO 2 3Fe+ CO + H 2 Fe 3C + H 2O 3Fe+ CH 4 Fe3C + 2H 2
R 1 D ana rex ○ 设备
○ R ○ R D ana rex 实验厂 D ana rex 直接还原工艺是建
业化还原工艺相比, 由于具有较高的化学效率和热 效率, 因此可以降低消耗指标。
R 在 D ana rex ○ 试验设备上, 装有一组旋风除尘 器, 用于在湿法洗涤之前净化废气, 并且可以减轻位 于后面的水处理设备的负荷。 废气洗涤器的设计可将用于气体净化与用于气 体冷却的水分开; 从而使主流水具有足够的清洁度, 以便直接在冷却塔内进行循环, 无需通过沉淀池。
○ R
( 2) ( 3) ( 4)
图 2 碳化锥体内的气体成分分布图
F ig12 Ga s com position prof ile in the carbura tion cone
99% 的碳。这些沉积碳将形成 Fe 3C。上升到还原区
在D ana rex 工艺过程中, 碳主要来自化学反应 方程式 ( 4) 。 用于产生碳的天然气几乎全部喷射到锥 体的下部, 进入冷却罐内。 碳素沉积过程分为以下 5 个步骤: ( 1) 碳化气体扩散到海绵铁的孔隙内; ( 2) 碳在海绵铁表面被吸附; ( 3) 产生化学反应, 生成自由碳; ( 4) 解吸附作用和副产品 ( 最主要的是氢, 可增 加进入还原区燃气的还原势) 从孔隙中扩散出来。