【产业研究】利用高品位块矿生产直接还原铁案例分析

冷枫

1、试验前的评估

在向米德雷克斯（Midrex）竖炉中增加块矿用量的过程中，首先要进行一下评估：一是块矿类型，因为一些块矿在从Fe2O3向Fe3O4转变的过程中会破裂，产生过多的细屑和碎片；二是块矿粒度的分布，可以通过专有软件模拟竖炉运行状况，以确定不同混合炉料可获得的最大重整气体流量。

在第二项评估中的具体内容如下：

（1）不同混合炉料产生流化的最大重整气体流量，在这步评估中需要原料构成的粒度分布数据。

（2）根据相关测试结果，在气体流量增加或采用各种混合炉料时炉膛的温差会使产生的粉末增加。需要评估以下设备情况及工艺参数的影响：①系统压力——通过增加系统压力检查竖炉的动态密封情况；②PG压缩机选型——如果工艺受到PG压缩机的限制，则要确定可以实现多大产量或可以通过什么方式提高压缩机能力；③密封气体系统尺寸——包括压缩机、密封气体干燥器、BSG压缩机等。如果系统压力增加，流向密封管的气体流量也需要增加。

（3）不同的混合炉料密度不同，随着块矿百分比的增加和直接还原级球团矿百分比的减少，给料速率也会发生变化，因而要评估所需的给料速率。

（4）采用块矿前需要改变工艺参数，如床温等。

（5）块矿的还原性测试。在使用块矿之前，要确保当前直接还原竖炉设备运行稳定，以及产品质量标准偏差低，这是至关重要的。因为将不同的混合炉料用于运行不稳定的设备会导致设备运行更不稳定，产品质量也会出现更大的波动。

冷枫

2、具体准备工作
如前所述，在将块矿引入混合炉料之前，设备运行稳定至关重要。改变混合炉料总是会带来设备运行不稳定的风险。在本案例研究中，在使用块矿之前，需要解决如下几个方面的问题：

1）炉床温度

稳定的设备通常最大只有大约10℃的炉床温度变化，所研究设备的炉床温度波动范围为85℃。米德雷克斯竖炉分为几个区域，包括上部还原区（铁矿石在此区被热还原气加热和还原成直接还原铁）、中间过渡区（避免冷却气和还原气相混）、下部冷却区（用冷却气将热的直接还原铁冷却到较低温度），可以看出每个区域的温度不同，即存在热区和冷区。在距工艺气体入口最远的地方存在着工艺气体围管堵点，在此气体速度最低。通过检查和清理所有围管的堵点可以解决这个问题。此外，分析气体喷嘴处的气流速度，建议关闭25%的喷嘴开口，以提高进入炉床的气体速度。

2）输送工艺气体围管温度

在米德雷克斯设备中，优先以自动运行模式对工艺气体围管温度进行控制。遵守炉床温度操作准则标准，结合工艺气体流量及炉料比率，将炉床温度保持在最佳且稳定的状态(±10℃)，以确保产品质量和工艺稳定性。由于失效的热电偶不能提供自动运行所需的炉床温度反馈，因此自动床温控制在研究设备中不能实现。

3）直接还原铁的输出

直接还原铁输出的变化会导致工艺不稳定，影响还原气体温度、炉顶煤气温度、系统温度、顶部煤气、炉顶温度等工艺参数，从而导致直接还原铁质量不稳定。一项研究显示，当直接还原铁产量随着时间的推移而增加时，直接还原铁出口的压力显现。建议增大直接还原铁的排出能力，这样可以保证产出的直接还原铁在当前平均40%以上的生产率时，运行波动小于±2吨/小时。

4）原料构成

改变原料构成会导致生产出现不稳定的情况。用于研究的设备目前正在使用来自三个料仓的混合炉料。每个料仓由不同的原料供应商负责。使用软件评估最佳原料构成，确保选择出最佳组合，并制定了分阶段引入块矿的计划。

此外，在决定电弧炉的炉料配比时，还需要考虑如下因素：①要生产的钢的质量，这在确定生铁与废钢用量时至关重要；②废钢中铜及其他杂质含量；③使用或增加直接还原铁用量时，随着脉石的增加，需要调整电弧炉造渣制度，可能导致钢产量显著损失。④在直接还原生产中粉末的增加会降低电炉的钢水收得率。

5）炉料给料装置

在米德雷克斯直接还原竖炉中，给料机的设计旨在促进炉床的均匀移动，并减少工艺不稳定时形成的黏结块尺寸。给料速率方面，每个料仓的给料速率应保持稳定，一旦料仓给料速率大幅波动，产量就会发生变化，从而难以保持一致的产品质量和工艺。此外，如果给料机速度过快会导致炉料被粉碎，进而产生更多的粉料。

6）重整装置温度控制

重整装置温度控制是确保直接还原生产工艺稳定的基础。当重整装置温度控制不精确时，重整气体质量、气体体积、产品质量和天然气消耗都会受到影响。可以通过向主烧嘴添加天然气来稳定重整装置的温度。根据米德雷克斯的设计，允许使用主烧嘴的天然气对重整装置顶部温度进行精细调节。相对于热值波动的重整装置顶部气体燃料，天然气具有更为稳定的热值。由此，需要使用少量天然气对温度进行必要的调整。