非高炉炼铁用耐火材料常见的三种炉子

　　非高炉炼铁用耐火材料

　　非高炉炼铁法是指除高炉炼铁外的其他还原铁矿石的方法。非高炉炼铁法可以归结为两大类：直接还原法和熔融还原法。

　　近年来，非高炉炼铁工艺得到了大力的发展，主要原因是：

　　(1)由于焦煤的储量越来越少，价格越来越高，而非高炉炼铁则可以使用非焦煤和其他能源作燃料，基本不用或少用焦炭炼铁。

　　(2)随着钢铁冶金工业的发展，废钢的需求量大大增加，废钢供应量日益紧张，非高炉生产的海绵铁是废钢的良好替代品。

　　(3)非高炉炼铁省去了炼焦设备，投资费用低，污染少。

　　这些原因为非高炉炼铁的发展提供了有利条件。

　　直接还原法用耐火材料

　　直接还原法生产的主要产品有固态的海绵铁、铁粒和液态的生铁，其中以海绵铁生产方法为成熟，产量大。海绵铁生产主要是用铁精矿、氧化铁皮等含氧化铁高的原料在还原介质作用下被还原成金属铁，该反应是固相反应，并放出很多气体;在生成的固体铁里有很多气孔，像海绵一样，故称海绵铁。反应温度一般在800~1300℃，所用的还原介质主要有煤、天然气和煤气等非焦还原剂。所用的设备主要有竖窑、方形窑、环形窑、回转窑、隧道窑、台车底连续炉等。

　　目前世界上以天然气为还原介质的竖窑生产海绵铁为主，约占80%。不管是哪一种窑，使用温度都不高，所以一般铝硅系耐火材料作为窑衬就能满足温度的要求。但是需要注意的是耐火材料里的Fe203在CO气氛条件下会还原生成金属铁和Fe3C。Fe3C的存在会促进炭的沉积，导致耐火材料的脆化裂解，因此为了提高设备炉衬的使用寿命，应该降低耐火材料中的Fe203含量，同时使材料的组织结构致密，气孔微细化。

　　熔融还原炉用耐火材料

　　熔融还原炼铁新工艺是不使用焦炭或少用焦炭，在高温熔融状态下进行铁氧化物的还原，并进行渣铁分离，得到类似高炉的含碳铁水的一种冶炼方法，它具有冶金流程短，规模较小，对环境的污染小等特点。但由于其开发过程浩大繁琐，投人巨大，并且很多工程问题须通过工业生产实践才能得出正确结论，因此一度处于停滞状态。随着对其理论技术的认知不断加深，并迫于生态环境、自然资源的压力，加速了熔融还原和直接炼铁技术的发展。经过数十年的研究开发，现已有30多种熔融还原炼铁工艺问世，但COREX熔融还原炼铁工艺是目前实现了工业化生产，取得成功的近代钢铁业前沿技术之一。

　　COREX熔融还原炼铁方法的点：

　　(1)不用焦炭和烧结矿就可以直接生产铁水;

　　(2)可以直接利用粉矿和粉煤，有效利用资源，吨铁能耗下降20%以上;

　　(3)生产线和装备简单;

　　(4)有利于环境保护，它不需要烧结机和焦炉，减少了污染源，使炼铁厂的污染减少了70%;

　　(5)流程投资降低，生产规模灵活;

　　(6)提高了生产效率。

　　COREX的研究工作始于1977年，在20世纪80年代初期进行了半工业试验，并于1989年在南非伊斯科公司实现工业化应用。如今，全世界目前有4套COREXCMOO型设备正在生产，累计已生产出质铁水1700万吨。韩国浦项钢铁公司于1995年投产了世界上套C2000设备，年产铁水70万吨，生产稳定，作业率超过95%，输出煤气用于发电。南非萨尔达纳钢铁公司C2000设备于1999年投产，年产铁水65万吨，输出煤气供直接还原竖炉生产海绵铁80万吨/年。印度金达尔公司套C2000设备于1999年投产，原料选用非常灵活，生产率达128t/h，年产铁水近百万吨;第二套于2001年投产，输出煤气用于发电和生产氧化球团。我国宝钢集团浦钢套C3000型2007年投产，设计150万吨/年;第二套2010年投产。下图为COREX工艺流程示意图。

　　COREX工艺流程

　　熔融气化炉是COREX工艺生产铁水的重要设备。熔融气化炉位于COREX系统的下部。该炉上部呈扩大的半球形，下部为圆柱形。煤、熔剂与还原铁矿通过加压密封料仓进人溶融气化炉顶部。煤入炉后，与约1000~1100℃的煤气相遇，迅速干燥、干馏、炭化，并下降到炉体圆柱体部分。之后，又受到从下部风口送入的氧气流作用，形成稳定的流化层，流化层下部温度为1600~1700℃。炭化后的煤炭粒子与氧气反应，先产生C02。.随着气流上升，CO2遇碳被还原转化为CO。为改善煤气质量，提高还原能力，保护风口，特别从风口通入蒸汽。因此，熔融气化炉顶部排出的高温煤气中含有CO+H2占95%。这种高温煤气兑冷煤气调温到900℃，送入热旋风除尘器中，净化后，再通过还原竖环管进人还原竖窑。热旋风除尘器净化沉降的尘粒经尘斗用冷煤气送回到熔融气化炉。

　　从溶融气化炉球形顶部进人炉内的高金属化预还原炉料在下降过程中被加热，熔化并终成为铁水和熔渣。还原竖窑位于COREX系统上部，呈圆柱形。由熔融气化炉产生的还原气体(煤气)经过调温和净化，从还原竖窑的中下部风口进人窑内，穿过固体料层(从竖窑顶部加入的矿石和熔剂)上升，固体料靠自重下降，被高温还原气体加热、还原。还原后的金属化铁料通过竖窑下部排料器和下料管连续均匀地落入熔融气化炉。COREX熔融还原炼铁工艺分预还原和熔炼两个阶段。预还原阶段是在竖窑里把铁矿石固相还原成金属铁或海绵铁，然后海绵铁就直接进人熔融气化炉而炼成铁水的熔化阶段。

　　COREX熔融气化炉用耐火材料

　　一般将熔融气化炉分为干燥区、流化燃烧区、风口区和炉缸四个部分，如下图所示。

　　熔融气化炉各区域侵蚀情况

　　熔融还原法产生的渣含有大量的FeO,对耐火材料的侵蚀非常严重。炉衬蚀损主要是渣熔蚀、碱蒸气和铁水对炉衬产生的化学侵蚀、热熔损、因温度波动产生的热剥落、炉料的撞击和炉尘气体的冲刷等。由于这一系列因素对炉衬耐火材料产生的严重损毁，导致了设备的使用寿命很低，这是熔融还原法难以达到实用化和推广的主要原因之一。因此，炉衬耐火材料对这种新型的炼铁方法的发展产生重要的影响。

　　因为干燥区的温度为1000~2000℃，煤分解，脱除挥发分。该区域的炉衬受到炉料机械撞击作用非常强烈，同时还受含尘气体的冲刷和腐蚀，因此，要求炉衬耐磨。该区域使用Al2O3含量为55%~65%的高铝砖就可以满足要求，它同还原竖窑的窑衬一样，为了提高使用寿命，要求Fe2O3的含量尽可能地低，以防止炉衬脆化或粉化。

　　由于煤在流化燃烧区燃烧，温度可达到1600~1700℃。炉料流化，对炉衬冲刷严重，耐火材料炉衬承受很大热负荷和高温磨损，送风和休风时该区域温度波动很大而又引起剥落。南非的ISCOR公司在该部位使用镁炭砖，因停炉、开炉频繁而脱落严重。应该选用抗热震性和热稳定性均良的、耐冲刷的Si3N4结合的SiC砖作为炉衬。

　　熔融气化炉的风口采用氧操作，风口砖的热负荷高，工作条件苛刻。对含碳耐火材料有较强的氧化作用。溶渣和铁水在该处形成，因此高温下的风口砖受到强烈的腐蚀作用。风口采用SiC砖，风口上部至检修孔部位炉衬采用镁炭砖，它有水化现象，建议用Si3N4结合的SiC砖作为内衬。风口组合套砖，采用p-SiC结合的SiC砖效果很好。通过对Al2O3-Cr2O3砖进行侵蚀试验，结果发现：它抗侵蚀性非常好，耐剥落也非常好，因此风口及其以上区域应该用碳化硅砖和铬刚玉砖。Sialon结合刚玉砖也应该是非常好的选择。

　　熔融气化炉的炉底、炉缸和铁口等部位的耐火材料炉衬始终与高温铁水和熔渣相接触，所产生的侵蚀是耐火材料损坏的主要原因。所用耐火材料与高炉的相当，主要用微孔炭砖，并用一层陶瓷杯。在出铁口仍用Al2O3-SiC-C材料，这些耐火材料与高炉炉底和炉缸用耐火材料相同，可参阅高炉用耐火材料部分。