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COREX爐工作原理及耐火材料介紹

2023-03-29 11:22:48 點擊：
COREX爐的工作原理是利用雙級流化床反應(yīng)技術(shù)，將煤和鐵礦石混合在一起冶煉，產(chǎn)生高品質(zhì)的煤氣和液態(tài)鐵。其中，煤氣可以用來作為燃料供給給燒結(jié)機、軋鋼機等設(shè)備，還可以用來生產(chǎn)化學(xué)品和電力，使得資源得到了有效的利用。
 
COREX真正的含義是：直接用煤作為能源來實現(xiàn)煉鐵的目標。學(xué)名中，CO、RE、EX分別代表Coal-煤，Reductionn-還原、Extreme-目標。高爐煉鐵所使用的粉礦和資源稀缺的粉煤，分別通過燒結(jié)廠燒結(jié)成燒結(jié)礦和煉焦廠將其燒結(jié)煉焦成焦炭；而COREX不需要燒結(jié)廠和煉焦廠，可以直接使用天然的塊礦和塊煤，煤塊內(nèi)部的有機物可以在高溫下充分裂解，防止焦油、酚、氰等污染物質(zhì)的產(chǎn)生，單質(zhì)硫也大部分進入爐渣，大大減輕環(huán)境污染。因此，相對于高爐煉鐵法來說，COREX熔融還原煉鐵技術(shù)明顯的特點是煉鐵不使用焦炭，無需煉焦工序和燒結(jié)工序的輔助，流程和工序相對減少，成本投資和人力使用相對降低，能源消耗和污染排放相對減輕，與完整的傳統(tǒng)高爐煉鐵過程相比減少13%。
 
 
圖1 示意圖
 
1.歐冶爐工作原理
 
COREX爐整體設(shè)備與高爐有很多的異同點，包括上料、出鐵、水渣、水處理等次要設(shè)備在內(nèi)兩者無太大差別，前者的主體設(shè)備除了煤氣凈化與調(diào)溫系統(tǒng)，還包括上部的還原豎爐和下部的熔融氣化爐，相當于把高爐拆分成兩部分。COREX爐鐵水生產(chǎn)過程分為兩個階段，在還原豎爐的頂部加入塊礦、球團礦、溶劑，與中部進入的高溫煤氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)后的海綿鐵從下部的螺旋輸送器排出，熔融氣化爐的頂部接受塊煤和海綿鐵，中下部有氧氣鼓入形成高溫富氧環(huán)境，爐內(nèi)壓力和出鐵溫度分別不超過0.5MPa和1470℃，煤氣通入其它容器前的溫度在950℃以上，下部出鐵口進行后的渣、鐵分離，對于礦石來說是先還原后熔融，并非先熔融后還原。氣化爐產(chǎn)生的大部分高溫煤氣通過管道排出進入上部的還原豎爐，少部分與豎爐頂部排出的尾氣混合形成輸出煤氣，經(jīng)過一系列處理后可以作為二次能源供鋼鐵廠的其它生產(chǎn)線使用。
 
 
圖2 歐也爐熔融還原煉鐵工藝流程圖
 
COREX流程中所使用的含鐵的原料和燃料分別為天然的塊礦、球團礦、燒結(jié)礦和非焦煤或少量的焦粒。按照加料批次，鐵礦石裝入預(yù)還原豎爐，熔融氣化爐中加入的非焦煤與工業(yè)純氧發(fā)生燃燒反應(yīng)，釋放出的煤體與熔煉所需要的熱量，產(chǎn)生的還原氣體在還原豎爐內(nèi)與礦石反應(yīng)成為海綿鐵，熔煉的熱量在氣化爐內(nèi)形成一個“焦化廠”或者說是存在一個煤的結(jié)焦場所，這個場所類似于高爐的焦炭床層，起到提高鐵水溫度和對鐵水成分進行人為的有效調(diào)控的作用，此層是燃燒帶的重要組成部分，正是如此才能產(chǎn)出類似于高爐的鐵水。此外，高溫煤氣除塵器的存在，不僅可以使半凈還原尾氣和冷卻煤氣的混合煤氣，通過環(huán)形圍管進入預(yù)還原豎爐之前與粉塵分離，粉塵經(jīng)過洗滌之后，返回到氣化爐中被反復(fù)的使用而不進入煤氣運輸?shù)墓艿馈?/div>
 
2.歐冶爐煉鐵用耐火材料
 
當前，對熔融還原煉鐵技術(shù)所使用耐火材料的研究與應(yīng)用尚未給予足夠的重視，很大一部分原因是因為學(xué)者們主要側(cè)重于解決流程開發(fā)及冶煉工藝，且大部分鐵浴終還原爐內(nèi)的冶煉環(huán)境相當惡劣：雖然熔融還原反應(yīng)及氣體產(chǎn)物生成的速度較快，燃料二次燃燒致使爐內(nèi)氣氛近爐壁處溫度高達1800℃，而且低氧分壓有可能造成含碳或非氧化物耐火材料的高溫氧化，少量的水蒸氣可能造成以MgO及CaO為主要成分的耐火材料高溫水化。此外，高強度攪拌系統(tǒng)增大了熔體的流動性，泡沫熔渣堿度低且含有4%-13%的FeO對爐襯的耐火材料的沖刷和侵蝕較為嚴重等等；在COREX法早期冶煉過程中，爐襯使用的耐火材料有SiC質(zhì)、鋁鉻磚、MgO-C磚等。雖然MgO-C制品不僅高溫強度和耐剝落性能優(yōu)異，而且抗堿侵蝕性強，但和SiC磚一樣易被氧化，鋁鉻磚也易出現(xiàn)熱剝落的現(xiàn)象。
 
在豎爐中部，由于內(nèi)襯的MgO-C在服役過程容易發(fā)生水化反應(yīng)，進而出現(xiàn)了剝落的現(xiàn)象，為了節(jié)省成本等問題，SiC材料已經(jīng)將其取代。隨著耐火材料相關(guān)進一步的研究和探索，認為鋯剛玉制品有潛力成為COREX中溫預(yù)還原豎爐用耐火材料的，此類制品不僅內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)致密，密度和容重大，重?zé)湛s和高溫蠕變小，而且抗熱震性能優(yōu)異，在服役期間機械強度高、極高的化學(xué)穩(wěn)定性及抗堿性介質(zhì)侵蝕，這些特性使其逐漸被學(xué)者所關(guān)注。在熔融氣化爐內(nèi)，其爐襯結(jié)構(gòu)由下至上主要分為爐底、爐缸、焦炭床區(qū)和凈空區(qū)（含拱頂）4個部位。作為COREX爐的關(guān)鍵設(shè)備，爐底和爐缸一樣為附有陶瓷杯的干砌大炭磚，設(shè)置埋設(shè)于澆注料中的烘爐管，且水冷管在爐底板上部，冷卻壁背后為自流澆注料；鐵口和氧口為組合磚結(jié)構(gòu)，而且氧口至拱頂下半部為耐火磚砌體；拱頂上半部為含有3％的鋼纖維的噴涂料層，正常服役時工作溫度達到了1100℃以上；由于氣化爐內(nèi)整體溫度高，導(dǎo)致對包括組合耐火磚和噴涂料在內(nèi)的爐襯侵蝕嚴重。研究發(fā)現(xiàn)，SiAlON結(jié)合剛玉質(zhì)材料具有優(yōu)良的抗鐵水熔蝕、抗堿、抗高爐渣侵蝕、抗氧化和抗熱震等性能，逐漸成為當前COREX熔融氣化爐爐缸陶瓷杯及半焦床爐襯的高性能耐火材料[38]。總而言之，燃料的二次燃燒不僅導(dǎo)致COREX爐內(nèi)溫度高且波動大，而且產(chǎn)出的爐渣量較大，堿度較低，熔體流動性大，故爐襯材料需要具有中溫強度高、耐磨損、抗熱震和抗侵蝕性能優(yōu)異的特點。
 
相對于傳統(tǒng)高爐，COREX爐具有許多優(yōu)勢。首先，它可以節(jié)約能源和原料，減少二氧化碳和其他有害物質(zhì)的排放，從而減輕環(huán)境負擔(dān)；其次，它的反應(yīng)效率高，煤氣中含有的一些有價值的化學(xué)品，如甲醇、氫氣等可以得到利用，提高了資源利用率；后，它的投資和運行成本相對較低，因此具有更好的經(jīng)濟效益。COREX爐在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)理想的技術(shù)之一。
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