新型冶炼炉的工作原理及COREX炉耐火材料内衬介绍

 

COREX炉的工作原理是利用双级流化床反应技术，将煤和铁矿石混合在一起冶炼，产生高品质的煤气和液态铁。其中，煤气可以用来作为燃料供给给烧结机、轧钢机等设备，还可以用来生产化学品和电力，使得资源得到了有效的利用。

 

COREX真正的含义是：直接用煤作为能源来实现炼铁的目标。学名中，CO、RE、EX分别代表Coal-煤，Reductionn-还原、Extreme-目标。高炉炼铁所使用的粉矿和资源稀缺的粉煤，分别通过烧结厂烧结成烧结矿和炼焦厂将其烧结炼焦成焦炭；而COREX不需要烧结厂和炼焦厂，可以直接使用天然的块矿和块煤，煤块内部的有机物可以在高温下充分裂解，防止焦油、酚、氰等污染物质的产生，单质硫也大部分进入炉渣，大大减轻环境污染。因此，相对于高炉炼铁法来说，COREX熔融还原炼铁技术明显的特点是炼铁不使用焦炭，无需炼焦工序和烧结工序的辅助，流程和工序相对减少，成本投资和人力使用相对降低，能源消耗和污染排放相对减轻，与完整的传统高炉炼铁过程相比减少13%。

 

 

图1 示意图

 

1.欧冶炉工作原理

 

COREX炉整体设备与高炉有很多的异同点，包括上料、出铁、水渣、水处理等次要设备在内两者无太大差别，前者的主体设备除了煤气净化与调温系统，还包括上部的还原竖炉和下部的熔融气化炉，相当于把高炉拆分成两部分。COREX炉铁水生产过程分为两个阶段，在还原竖炉的顶部加入块矿、球团矿、溶剂，与中部进入的高温煤气发生氧化还原反应后的海绵铁从下部的螺旋输送器排出，熔融气化炉的顶部接受块煤和海绵铁，中下部有氧气鼓入形成高温富氧环境，炉内压力和出铁温度分别不超过0.5MPa和1470℃，煤气通入其它容器前的温度在950℃以上，下部出铁口进行后的渣、铁分离，对于矿石来说是先还原后熔融，并非先熔融后还原。气化炉产生的大部分高温煤气通过管道排出进入上部的还原竖炉，少部分与竖炉顶部排出的尾气混合形成输出煤气，经过一系列处理后可以作为二次能源供钢铁厂的其它生产线使用。

 

 

图2 欧也炉熔融还原炼铁工艺流程图

 

COREX流程中所使用的含铁的原料和燃料分别为天然的块矿、球团矿、烧结矿和非焦煤或少量的焦粒。按照加料批次，铁矿石装入预还原竖炉，熔融气化炉中加入的非焦煤与工业纯氧发生燃烧反应，释放出的煤体与熔炼所需要的热量，产生的还原气体在还原竖炉内与矿石反应成为海绵铁，熔炼的热量在气化炉内形成一个“焦化厂”或者说是存在一个煤的结焦场所，这个场所类似于高炉的焦炭床层，起到提高铁水温度和对铁水成分进行人为的有效调控的作用，此层是燃烧带的重要组成部分，正是如此才能产出类似于高炉的铁水。此外，高温煤气除尘器的存在，不仅可以使半净还原尾气和冷却煤气的混合煤气，通过环形围管进入预还原竖炉之前与粉尘分离，粉尘经过洗涤之后，返回到气化炉中被反复的使用而不进入煤气运输的管道。

 

2.欧冶炉炼铁用耐火材料

 

当前，对熔融还原炼铁技术所使用耐火材料的研究与应用尚未给予足够的重视，很大一部分原因是因为学者们主要侧重于解决流程开发及冶炼工艺，且大部分铁浴终还原炉内的冶炼环境相当恶劣：虽然熔融还原反应及气体产物生成的速度较快，燃料二次燃烧致使炉内气氛近炉壁处温度高达1800℃，而且低氧分压有可能造成含碳或非氧化物耐火材料的高温氧化，少量的水蒸气可能造成以MgO及CaO为主要成分的耐火材料高温水化。此外，高强度搅拌系统增大了熔体的流动性，泡沫熔渣碱度低且含有4%-13%的FeO对炉衬的耐火材料的冲刷和侵蚀较为严重等等；在COREX法早期冶炼过程中，炉衬使用的耐火材料有SiC质、铝铬砖、MgO-C砖等。虽然MgO-C制品不仅高温强度和耐剥落性能优异，而且抗碱侵蚀性强，但和SiC砖一样易被氧化，铝铬砖也易出现热剥落的现象。

 

在竖炉中部，由于内衬的MgO-C在服役过程容易发生水化反应，进而出现了剥落的现象，为了节省成本等问题，SiC材料已经将其取代。随着耐火材料相关进一步的研究和探索，认为锆刚玉制品有潜力成为COREX中温预还原竖炉用耐火材料的，此类制品不仅内部晶体结构致密，密度和容重大，重烧收缩和高温蠕变小，而且抗热震性能优异，在服役期间机械强度高、极高的化学稳定性及抗碱性介质侵蚀，这些特性使其逐渐被学者所关注。在熔融气化炉内，其炉衬结构由下至上主要分为炉底、炉缸、焦炭床区和净空区（含拱顶）4个部位。作为COREX炉的关键设备，炉底和炉缸一样为附有陶瓷杯的干砌大炭砖，设置埋设于浇注料中的烘炉管，且水冷管在炉底板上部，冷却壁背后为自流浇注料；铁口和氧口为组合砖结构，而且氧口至拱顶下半部为耐火砖砌体；拱顶上半部为含有3％的钢纤维的喷涂料层，正常服役时工作温度达到了1100℃以上；由于气化炉内整体温度高，导致对包括组合耐火砖和喷涂料在内的炉衬侵蚀严重。研究发现，SiAlON结合刚玉质材料具有优良的抗铁水熔蚀、抗碱、抗高炉渣侵蚀、抗氧化和抗热震等性能，逐渐成为当前COREX熔融气化炉炉缸陶瓷杯及半焦床炉衬的高性能耐火材料[38]。总而言之，燃料的二次燃烧不仅导致COREX炉内温度高且波动大，而且产出的炉渣量较大，碱度较低，熔体流动性大，故炉衬材料需要具有中温强度高、耐磨损、抗热震和抗侵蚀性能优异的特点。

 

相对于传统高炉，COREX炉具有许多优势。首先，它可以节约能源和原料，减少二氧化碳和其他有害物质的排放，从而减轻环境负担；其次，它的反应效率高，煤气中含有的一些有价值的化学品，如甲醇、氢气等可以得到利用，提高了资源利用率；后，它的投资和运行成本相对较低，因此具有更好的经济效益。COREX炉在钢铁工业中的应用也越来越广泛，目前已经成为国内外钢铁企业理想的技术之一。