佟玉鵬
（沈陽益富冶煉技術(shù)裝備有限公司 遼寧沈陽 110000）
摘 要：沈陽益富冶煉技術(shù)裝備有限公司研發(fā)的電熔融還原是一種發(fā)展中的新煉鐵技術(shù)，其目的是以煤代焦和直接用粉礦煉鐵，無煉焦又無燒結(jié)或球團(tuán)礦，簡化煉鐵流程。減少基建投資，有利于建設(shè)中小型鋼鐵廠，是一種是更符合我國國情和生產(chǎn)情況的先進(jìn)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：粉礦、非焦，電熔融
0 前言
高爐煉鐵已有數(shù)百年歷史，其工藝已達(dá)到相當(dāng)完善的地步。它與氧氣轉(zhuǎn)爐結(jié)合形成了效率很高、規(guī)模巨大的鋼鐵生產(chǎn)流程，成為世界上鋼鐵生產(chǎn)的主力。但是，在它日益完善和大型化的同時(shí)，也帶來了流程長、投資大以及污染環(huán)境等問題。此外，由于煉焦煤資源日益短缺、焦?fàn)t逐漸老化，引起人們對焦?fàn)t污染的日益關(guān)注。
高爐煉鐵的基本流程是：將煉焦煤裝入焦?fàn)t煉成焦炭，將粉體鐵礦先制成燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，然后焦炭和燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦中的一種、兩種或三種以及熔劑按一定配比裝入高爐，從高爐下部鼓入熱風(fēng)將爐內(nèi)焦炭燃燒，產(chǎn)生熱量和還原性氣體，進(jìn)而把鐵礦石中的氧化鐵還原、熔化而產(chǎn)生出鐵水。
在以C（碳）為還原劑的煉鐵過程中，總的化學(xué)反應(yīng)關(guān)系是
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
或
Fe3O4 + 4C = 3Fe + 4CO
或
FeO + C = Fe + CO
高爐煉鐵必須用焦炭。煉焦過程對環(huán)境污染嚴(yán)重，而且全世界焦煤資源也有限。
直接還原煉鐵法。這種方法主要用于冶煉磁鐵礦。磁鐵礦是一種富含鐵的礦石。在直接還原法中，礦石與還原劑（如天然氣或煤炭）一起放入還原爐中，在低于礦石軟化溫度下，鐵礦石還原成金屬鐵，其產(chǎn)品稱直接還原鐵(DRI)。直接還原鐵保留了失氧前的外形，因失氧而形成大量微孔隙，顯微鏡下形似海綿結(jié)構(gòu)，故又稱海綿鐵。若用海綿鐵做鑄件或煉鋼，仍然需要熔化。
電熔融還原粉體礦煉鐵是指不用高爐而是直接將粉體鐵礦在電爐的高溫熔融狀態(tài)下還原的方法，其產(chǎn)品是成分優(yōu)于高爐鐵水的液態(tài)鐵水，鐵水中C（碳）含量＜4%，可以直接澆鑄成生鐵鑄件，也可以直接吹氧脫碳，進(jìn)而調(diào)整鐵水中的C含量，精煉成鋼。
電熔融還原是一種發(fā)展中的新煉鐵技術(shù)，其目的是以煤代焦和直接用粉礦煉鐵，因而既無煉焦又無燒結(jié)或球團(tuán)礦，使煉鐵流程簡化縮短。
水電、核電、風(fēng)電等非化石類能源作為清潔的能源，應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)，能得到極佳的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
1 電熱熔融鐵礦粉直接煉鐵
高爐煉鐵是把還原、熔化、造渣等過程集于一體，這雖然具有設(shè)備簡化、易于大規(guī)模生產(chǎn)等許多優(yōu)點(diǎn)，但爐料由固態(tài)經(jīng)軟熔到熔化是一個(gè)固、液、氣多相反應(yīng)同時(shí)存在的復(fù)雜過程，尤其是軟熔帶的存在和難以控制，更使高爐操作變得復(fù)雜化，難以達(dá)到最高的效率。
高爐冶煉離不開焦炭，這是其最大的弱點(diǎn)。為了提高高爐效率，又不惜代價(jià)搞精料，把磨細(xì)了的礦粉（具有很大反應(yīng)表面和極好的還原動(dòng)力學(xué)條件）再重新加熱造塊，然后把耗費(fèi)和含有很大能量的人造富礦重新冷卻，裝入高爐再重新加熱等。從總體來看，這是一種很大的浪費(fèi)。直接用精礦粉進(jìn)行熔融還原煉鐵的新工藝可以大幅度縮短煉鐵的工藝流程，取得節(jié)能、低碳的效果。
熔融還原煉鐵種類較多，迄今文獻(xiàn)報(bào)道的熔融還原法煉鐵有40多種。在熔融還原法的發(fā)展過程中，廣泛地采用了近年來發(fā)展起來的許多新技術(shù)和邊緣技術(shù)，例如噴射冶金、復(fù)合吹煉、等離子冶金、快速流化床、煤的氣化技術(shù)、直流電弧爐、高溫氧氣噴嘴、鐵水預(yù)處理和鋼水爐外精煉等。
在諸多的熔融還原法中，電熱熔融還原法以電能為熱源，不用焦炭，對于全球性冶金焦煤短缺問題和煉焦業(yè)對環(huán)境的污染問題意義重大。從發(fā)展眼光來看，電熱熔融還原煉鐵必將取代高爐煉鐵。
與高爐煉鐵流程、以及其它熔融還原煉鐵流程相比，電熱熔融鐵礦粉直接煉鐵有以下特點(diǎn)：
（1）使用非焦煤為還原劑，擺脫對冶金焦炭的依賴。碳質(zhì)原料僅作為還原劑而非發(fā)熱劑，用量很少，產(chǎn)生的CO也少，減少了碳排放。
（2）直接用礦粉作原料，不建燒結(jié)廠、球團(tuán)廠和焦化廠，無須燒結(jié)機(jī)和煉焦?fàn)t等用于原料塊狀化加工的設(shè)備，工藝流程大幅度縮短。
（3）電熱熔融還原法生產(chǎn)出的鐵水成分、溫度優(yōu)于高爐鐵水。電熱熔融還原法生產(chǎn)出的鐵水含碳量低于高爐鐵水，可直接精煉。可以形成煉—鑄—軋的連續(xù)生產(chǎn)。
（4）電熔融還原煉鐵的溫度較高，可以使用低品位的鐵礦石煉鐵。
（5）除生產(chǎn)鐵水外，還產(chǎn)生大量的高熱值煤氣。
熔融還原是煉鐵技術(shù)發(fā)展的方向。世界上焦煤資源有限，我國焦煤也不足，而且煉焦過程污染嚴(yán)重。我國是世界鋼鐵生產(chǎn)大國，生鐵產(chǎn)量居世界之首。2019年我國生鐵產(chǎn)量80,936.5萬噸，同比增長5.3%，焦炭產(chǎn)量47,126萬噸，同比增長5.2%。高爐煉鐵不僅每年要消耗大量焦煤，而且如此大量的焦炭生產(chǎn)對環(huán)境的污染更是不容忽視。因此，積極發(fā)展無焦煉鐵技術(shù)----熔融還原應(yīng)是我國鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展的長遠(yuǎn)之計(jì)。
2 電熱熔融鐵礦粉直接煉鐵工藝路線
鋼的生產(chǎn)主要有兩種途徑。一種是先將鐵礦石熔煉成生鐵，再用生鐵煉制成鋼。另一種是用廢鋼煉鋼，目前幾乎都是用電爐熔煉。有些省份已經(jīng)明令淘汰非電爐煉鋼。
由于連鑄連軋技術(shù)的應(yīng)用，電爐煉鋼廠的設(shè)計(jì)多傾向于規(guī)模在年產(chǎn)10萬噸到100萬噸的中型廠。
電熱熔融還原煉鐵所需熱量全部由電能提供，不帶入任何雜質(zhì)。冶煉中的配碳，僅作為還原劑使用，不再作為熔煉的熱源，用碳量極少。電熱熔融還原煉鐵生產(chǎn)的鐵水含碳量很低，可以直接精煉成鋼。
這里所說的電熱熔融鐵礦粉直接煉鐵采用的是一種簡稱為AVEF（Approximate Vacuum Electric Furnace）的類真空電爐。這種AVEF是一種直流等離子弧電爐。沿著石墨電極軸線開有一個(gè)中心孔。粉末爐料通過這個(gè)電極的中心孔在載氣的吹送下進(jìn)入電極下端電弧籠罩的熔池。載氣在穿過電弧時(shí)被電弧電流迅速電離，形成高溫等離子流。此時(shí)的電弧變成了高溫等離子弧。高溫等離子弧的溫度高達(dá)幾千度。被載氣裹挾入爐的粉料在高溫電弧的籠罩下快速進(jìn)入電弧下的熔池，極細(xì)的粉末料入爐即熔化。熔融的鐵礦粉和碳（煤）粉在熔池中進(jìn)行液相氧化還原反應(yīng)。用計(jì)算機(jī)控制下料量，可以使這個(gè)反應(yīng)在秒級(jí)甚至毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成。鐵礦粉和碳（煤）粉不壓球、不燒結(jié)，直接入爐，省去了制團(tuán)、燒結(jié)環(huán)節(jié)。而且不必使用優(yōu)質(zhì)的高品位鐵礦和焦炭，可以不受進(jìn)口鐵礦粉的限制，原料成本大幅降低。
電熱熔融煉鐵是一種既無需鐵礦石造塊又不使用昂貴冶金焦炭，既能生產(chǎn)高質(zhì)量生鐵又無環(huán)境污染的理想的冶煉工藝。鋼鐵工業(yè)經(jīng)過近百年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)20世紀(jì)20年代提出的這種理想冶煉工藝的條件已經(jīng)成熟。
圖1 所示為電熱熔融煉鐵的原理示意圖。
圖1. 電熱熔融還原煉鐵原理示意圖
鐵精礦粉和碳粉還原劑進(jìn)入密閉直流等離子弧電爐，在高溫下迅速熔分為鐵水和爐渣。各自達(dá)到一定數(shù)量后分別從渣口和鐵水口放出。冶煉中所需能量分別來自供電電網(wǎng)和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。電爐尾氣（高溫爐氣）在送給燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組前經(jīng)過礦粉預(yù)熱干燥設(shè)備換能，變成低溫爐氣，由除塵凈化設(shè)備處理成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的燃料。
圖1. 所示的電熔融還原煉鐵生產(chǎn)的鐵水含碳3％～4％，鐵水溫度≥1500℃，可以直接澆鑄成生鐵鑄件，也可以直接吹氧脫碳，鑄成鋼鑄件。
該法生產(chǎn)1噸鐵水需含鐵65%的鐵礦粉1.65噸，含碳量≥84%的無煙煤或蘭炭粉0.4噸，同時(shí)產(chǎn)生純度≥90%的CO氣0.84噸。這些CO氣全部用于燃?xì)獍l(fā)電，可發(fā)電800～1100度電/噸鐵。
高溫?zé)煔獾娘@熱用來預(yù)熱爐料，可以進(jìn)一步降低煉鐵過程耗電量。
綜合起來，電熔融還原粉體礦無焦煉鐵生產(chǎn)1噸鐵的耗電量大約是800～1000度電。
表 1. 給出電熔融還原鐵精粉非焦煉鐵噸產(chǎn)產(chǎn)品增值概算。
電熔融還原鐵精粉無焦煉鐵生產(chǎn)過程全密閉，無泄漏，無污染，工藝流程簡單，效益可觀。
3 電熱熔融鐵礦粉直接煉鐵工藝優(yōu)點(diǎn)
電熱熔融還原鐵礦粉直接煉鐵工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）以便宜的、儲(chǔ)量豐富的非焦煤為能源，使煉鐵擺脫了對昂貴的焦炭、天然氣的依賴。
（2）直接使用細(xì)粉礦，不需造塊、制團(tuán)，充分發(fā)揮粉體物料表面積大、傳熱傳質(zhì)好，反應(yīng)速度快的優(yōu)勢。
（3）取消煉焦、燒結(jié)和其他一些輔助設(shè)備，總的基建投資減少，工藝流程縮短，生產(chǎn)成本降低，實(shí)現(xiàn)了超節(jié)能型的連續(xù)煉鐵工藝。
（4）工藝過程的可控性好，對原料的適應(yīng)性強(qiáng)，對原料選擇的自由度大。故而可以做到小規(guī)模的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，有利于建設(shè)中小型鋼鐵廠。
（5）采用電清潔能源，等離子高密度能量，傳熱傳質(zhì)條件好，反應(yīng)速度快，利于冶煉的強(qiáng)化，生產(chǎn)率高。
（6）電熔融還原煉鐵的過程中解決了渣鐵分離的問題，鐵水可以直接鑄件或直接煉鋼，煤氣發(fā)電直接回饋電爐，做到以煤代電。
（7）環(huán)境污染小，碳排放量少。
4 電熱熔融鐵礦粉直接煉鐵生產(chǎn)線構(gòu)成
電熱熔融鐵礦粉直接煉鐵生產(chǎn)線的構(gòu)成示意圖如圖2所示。
圖2. 電熔融還原煉鐵生產(chǎn)線的構(gòu)成示意圖
從圖2 電熔融還原煉鐵生產(chǎn)線的構(gòu)成示意圖可以看到，鐵礦粉由斗式提升機(jī)、料斗、給料機(jī)送入回轉(zhuǎn)式爐料預(yù)熱機(jī)。爐料預(yù)熱機(jī)的熱源是密閉電爐的高溫?zé)煔狻Ｃ荛]電爐的高溫?zé)煔饨?jīng)旋風(fēng)除塵，除去煙氣中較大顆粒的煙塵，然后在回轉(zhuǎn)式爐料預(yù)熱機(jī)中將高溫?zé)煔鈳в械娘@熱傳遞給爐料，煙氣溫度降低，爐料溫度升高。降溫后的煙氣被引風(fēng)機(jī)從布袋除塵器中抽出，送至CO儲(chǔ)氣罐中，而煙氣中的粉塵留在除塵器里。
預(yù)熱后的鐵礦粉經(jīng)給料機(jī)送入粉料斗。還原劑粉和助熔劑粉、造渣劑粉，經(jīng)由給料機(jī)、斗提機(jī)送入相應(yīng)的粉料斗。計(jì)算機(jī)根據(jù)冶煉生鐵所需鐵礦粉、還原劑、助溶劑、造渣劑的相應(yīng)比例，控制各粉料斗出口給料機(jī)的流量，將各種物料送入攪拌機(jī)中混勻。
電爐啟動(dòng)送電后，混勻后的爐料由氣粉噴射給料機(jī)通過加料管、空心電極中心孔連續(xù)不斷地、均勻地送入爐內(nèi)。
供給電爐熱量的是來自電網(wǎng)的電能和電爐自身尾氣發(fā)出的電能。這些電能通過電爐上下安置的正負(fù)電極產(chǎn)生電弧，從而將電能轉(zhuǎn)變成熱能，將送入爐內(nèi)的爐料熔化，提供了爐料發(fā)生快速還原反應(yīng)的條件。還原反應(yīng)的結(jié)果是鐵礦粉轉(zhuǎn)變成單質(zhì)鐵，還原劑碳轉(zhuǎn)變成一氧化碳，鐵礦粉和煤炭中的雜質(zhì)以及助溶劑、造渣劑，包括沒有完全反應(yīng)的氧化鐵等，形成了熔渣。
還原反應(yīng)過程中產(chǎn)生的一氧化碳?xì)猓?jīng)過粗除塵、爐料預(yù)熱機(jī)冷卻，精除塵后被抽氣機(jī)送入儲(chǔ)氣罐暫存。然后送給燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)的電力通過變壓變流，變成直流電，與電網(wǎng)電力變成的直流電并聯(lián)，經(jīng)過短網(wǎng)、電極一同送入爐內(nèi)產(chǎn)生電弧，將爐料熔化。
冶煉過程中產(chǎn)生的熔渣，是由鐵礦粉和煤炭中的雜質(zhì)以及助溶劑（螢石）、造渣劑（硅石、生石灰）和沒有完全反應(yīng)的氧化鐵等組成，是硅酸鹽水泥的原料。
5 結(jié)論
（1）電熔融還原鐵精粉非焦煉鐵生產(chǎn)過程全密閉，工藝過程的可控性好.
（2）對原料選擇的自由度大。以便宜的、儲(chǔ)量豐富的非焦煤為還原劑，使煉鐵擺脫了對昂貴的焦炭、天然氣的依賴。
（3）以綠電為能源，大幅度降低煉鐵生產(chǎn)的尾氣排放量。
（4）取消煉焦、燒結(jié)和其他一些輔助設(shè)備，總的基建投資減少。
因此電熔融還原鐵精粉非焦煉鐵技術(shù)是更符合我國國情和生產(chǎn)情況的先進(jìn)技術(shù)。