铁矿石气基直接还原铁技术研究 精品.docx

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铁矿石气基直接还原铁技术研究精品

江苏科技大学

本科毕业设计（论文）

学院冶金与材料工程学院

专业冶金工程

学生姓名盛建飞

班级学号1045562119

指导教师杨志彬

二零一四年六月

江苏科技大学本科毕业论文

铁矿石气基直接还原铁技术研究

ResearchofGas-basedDirectReductionTechnologyofIronOre

江苏科技大学

毕业设计（论文）任务书

学院名称：

冶金与材料工程学院专业：

冶金工程

学生姓名：

盛建飞学号：

1045562119

指导教师：

杨志彬职称：

讲师

毕业设计（论文）题目：

铁矿石气基直接还原铁技术研究

一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）

1.研究内容：

以永钢和沙钢矿石为原料，采用气基直接还原工艺，借助于铁矿石冶金综合性能测试仪，考察CO和H2两种气体气氛下矿石成分对直接还原的影响。

2.实验方案

（1）将做好的试样置于反应管中，分别使用由H2-40%，N2-60%、CO-40%，N2-60%、H2-100%以及CO-100%组成的还原气体在750

℃的温度下进行等温还原，利用电子天平连续称量试样的质量变化。

以三价铁状态为基准，计算还原一段时间后的还原速率和还原度。

（2）通过XRD实验，分析所用原料矿石及反应后样品的主要成分，

比较三种矿石的成分差别，通过这些差别来探讨矿石成分对直接还原效果的影响。

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）

1.毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；

2.外文译文一篇（不少于5000英文单词）；

3.中期检查表一份；

4.开题报告一份。

三、完成日期及进度

2014年3月9日至2014年6月2日。

进度安排：

1、3.9－3.15文献检索、阅读及外文文献翻译；

2、3.16－3.22撰写开题报告及实验准备；

　　3、3.23－5.10设计与实验；

　　4、5.10－5.25撰写毕业论文；

　　5、5.26－6.2论文评阅；

6、6.7－6.8毕业论文答辩。

四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:

[1]梁中渝.炼铁学[M].冶金工业出版社，2009：

311-320

[2]黄雄源，周兴灵.现代非高炉炼铁技术的发展现状与前景[J].金属材料与冶金工程，2007，35（6）：

50-51

[3]赵庆杰，储满生.非高炉炼铁技术及其在我国的发展[R].2008年全国炼铁生产技术会议暨炼铁年会，中国浙江宁波，2008.浙江，中国金属学会，2008：

24-26

[4]张汉泉，朱德庆.直接还原的现状与发展[J].钢铁研究，2002，125

（2）：

51-54

[5]胡俊鸽.，毛艳丽，赵小燕.气基竖炉直接还原技术的发展[J].鞍钢技术，2008，352（4）：

9-11

[6]张清岑，白国华.影响含铁原料直接还原的若干因素[J].烧结球团，1996，21（3）：

44-45

[7]刘国根，王淀佐，邱冠周.国内外直接还原现状及发展[J].矿产综合利用，2001，5：

21-24

[8]储满生，王兆才，赵庆杰，柳政根.我国发展煤制气-气基竖炉直接还原工艺的可行性探讨[R].2010年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会，中国北京，2009.中国金属学会，2010：

1029-1030

[9]王丽丽.焦炉煤气直接还原铁矿石动力学研究[D].内蒙古科技大学硕士学位论文.2011：

11-24

[10]陈庚.气基还原氧化铁动力学机理研究[D].大连理工大学硕士学位论文.2011：

18-28

[11]程鹏辉.HYL-ZR法冶炼直接还原铁工艺概述[J].山西冶金，2013，36（6）：

1-3

[12]杜俊峰，袁守谦.积极发展直祖还原铁（DRI）生产技术，应对21世纪电护废铜紧缺的挑战[J].工业加热，2002，2：

2-3

 系（教研室）主任：

（签章）年月日

 学院主管领导：

 （签章）年月日

摘要

我国是世界最大的生铁出产国，约占世界生铁产量的60%，导致我国焦煤资源日益短缺；我国电炉钢的产量仅占世界总产量的10%，钢铁生产的总能耗十分巨大；钢铁生产过程排放的CO2和硫化物含量，给低碳经济的发展带来巨大的阻力；我国在改善产品结构，提高产品质量和减少钢铁产品实物消耗量中的任务也极其繁重。

基于这些问题，我国发展直接还原技术是十分必要的，是解决这些困扰和压力的有效途径。

气基直接还原因其反应易于控制、反应器利用率高、能量利用率高、产品洁净、碳量可根据要求调整等优点而得到迅速发展。

本实验采用模拟竖炉进行气基直接还原。

通过考察矿石在40%H2和100%H2浓度，750

℃温度下以及在40%CO和100%CO浓度，750℃

温度下三种不同成分的原料的失重行为探究矿石成分的不同对直接还原的影响程度。

结果表明，实验中三种矿石的还原速率和还原度从高到低排序都为永钢>混合>沙钢。

产生这种现象的原因是，永钢矿石还原开始时直接由Fe3O4转变成FeO，而沙钢矿石需要先由Fe2O3转变成Fe3O4，所以前者还原速率较快；永钢矿石中杂质元素较少，而沙钢矿石中杂质元素较多，且部分元素会在还原过程生成难以被还原的物质，导致沙钢矿石还原度较低。

关键词：

气基直接还原；失重；还原度；成分

Abstract

Chinaistheworld'slargestpigironproducer,accountingforabout60%ofworld’soutputofpigiron,whichresultinginagrowingshortageofcokingcoalresources.EAFsteelproductioninChinaaccountedforonly10%ofworldproduction,andthetotalenergyconsumptionisahugenumber.CO2andsulfurcontentwhichproducedduringtheprocessofironandsteelproductioncausedatremendousresistancetolow-carboneconomy.Itisalsoaextremelyarduoustaskinimprovingourproductstructure,improveproductqualityandreducerealconsumptionofsteelproducts.Basedontheseissues,itisquiteessentialtodevelopdirectreductiontechnology,whichisaeffectivewaytosolvetheseproblemsandpressures.Gas-baseddirectreductionisdevelopingfastbecausethereactioniseasytocontrol,thereactorutilizationishigh,theenergyefficiencyishigh,theproductsareclean,andtheamountofitscarboncanbeadjustedaccordingtotherequirements.

Inthisstudy,weusesimulatedverticalfurnacetoconductgas-baseddirectreduction.Westudytheweightlessbehaviorofferricoxideinthefollowingreactionatomosphere,firstlyatthetemptureof750℃,hydrogenconcentrationof40%and100%;thencarbonmonoxideconcentrationof40%and100%atthetemptureof750℃toexploretheim-pactofdifferentcomponentonthedirectreduction.

TheresultsshowthatthereductionrateandreductiondegreeofthreekindsoforeinthisexperimentareinadescendingorderofYonggang>Hunhe>Shagang.YonggangorereductiondirectlychangefromFe3O4toFeO,whilettheShagangoreneedsfirstlychangefromFe2O3toFe3O4,thisiswhytheformerhasafasterreductionrate;ShagangorehasmoreimpurityelementsthanYonggangore,andsomeofthemwillgeneratesubstancethatishardtobereducted,whichresultinalowerreductiondegreeofShagangore.

Keywords：

gas-baseddirectreduction;weightloss;reductiondegree;component

目录

第一章绪论1

1.1研究背景1

1.2国内外研究现状2

1.2.1国外研究现状2

1.2.2国内研究现状3

1.3选题意义和目的6

1.4本课题研究内容8

第二章铁矿石直接还原实验9

2.1实验原料及设备9

2.1.1实验原料9

2.1.2实验设备9

2.2实验条件10

2.3铁矿石中温还原性测定11

2.3.1测定原理11

2.3.2测定步骤11

2.4计算公式12

2.4.1还原度的计算12

2.4.2还原性公式的推导12

2.5实验方案13

2.5.140%氢气下的还原实验13

2.5.2100%氢气下的还原实验14

2.5.340%一氧化碳下的还原实验14

2.5.4100%一氧化碳下的还原实验14

2.6实验结果及分析15

第三章X射线衍射分析实验25

3.1实验原料25

3.2实验目的25

3.3实验结果及分析25

结论29

致谢30

参考文献31

第一章绪论

1.1研究背景

目前，炼铁生产主要仍依靠高炉，高炉炼铁技术起源于我国，大约在公元6世纪，距今已有千余年的历史。

20世纪后，高炉炼铁技术高速发展，经几百年的应用发展，拥有技术比较完善、生产量大、设备寿命长等优点。

但是随着高炉发展，其带来的问题也渐趋严峻。

通常，高炉炼铁系统由焦化、烧结、高炉等工序组成，有流程长、投资大、污染严重、灵活性差这些通病，致使高炉炼铁的竞争达到了前所未有的水平[1]。

高炉有效高度随高炉容积的扩大而增高，如5580m3高炉的有效高度已达35m。

为使高炉保持良好的透气性，要求其所用矿石和焦炭具有高强度，这不仅使原料加工变得复杂，且增加了炼焦煤的使用比例。

高炉发展过程中带来的问题主要有：

（1）在烧结矿、球团矿和焦炭的生产，以及在原料、燃料的生产中，造成各种严重的环境污染，如大气污染、水污染以及粉尘污染；

（2）在高炉生产中，焦炭消耗过多和广泛的炼焦煤短缺的问题，给以后的高炉发展带来巨大的危机；（3）高炉规模过大，会造成铁、燃烧、焦炭生产设备过于庞大且结构复杂，导致生产过程太长，增加投资成本，减少高炉有效竞争。

为此，人们不停探索新的炼铁方式，开创出了包括现代非高炉炼铁在内的各类新流程、新方法的炼铁技术[2]。

非高炉炼铁法是指高炉炼铁之外不用焦炭的各种工艺过程。

按照产品类型可分为直接还原法和熔融还原法，其中直接还原炼铁工艺又可分为煤基直接还原和气基直接还原两类，此外还有流态化直接还原炼铁工艺等[3]。

非高炉炼铁工艺去掉了烧结、球团和焦化工序，能够节约能源，具有环境友好且生产成本低的优势。

非高炉炼铁发展的主要优势有以下几点：

（1）摆脱了焦煤资源短缺对钢铁工业发展的限制，改变了钢铁生产能源结构；

（2）改进了传统的钢铁生产流程，节约能源，减少二氧化碳、硫化物等的排放，适应环境保护要求；（3）解决了废钢的短缺问题与质量不断恶化的问题，电炉钢生产的发展，形成钢的“紧凑型”过程，增强钢的结构和提高钢的质量；（4）资源综合利用率提高，可以促进和实现钢铁工业的可持续发展[3]。

非高炉炼铁技术是世界钢铁工业技术发展的前沿技术之一，是钢铁工业实现节能、减排、低碳生产和可持续发展的重要方向和手段。

本文将就非高炉炼铁中的气基直接还原铁技术作一定研究和探讨。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

很早之前就有矮炉直接用煤进行还原的方法，百年之后，Jenes在回转窑内利用天然气进行了直接还原实验。

20世纪以来，许多国家对直接还原进行过大量的研究，世界首次投入工业生产的直接还原工艺是Wiberg法。

现今，全世界共有12种工业规模的直接还原法。

DRI主要生产国在全世界共有24个，共有百余家直接还原厂。

根据专家统计，2000年全世界的直接还原铁产量将达4000～4500万吨。

到现在为止，气基直接还原法的整体产能和产量占DRI市场的90%。

当前，气基直接还原法主要包括竖炉法、流化床法和罐式法，其中Midrex法和HYL法生产能力占总生产量的80%以上，而Midrex法更为突出，其产量达总产量的一半以上。

气基直接还原法具有反应易于控制，反应器利用率高，能量效率高，产品清洁，碳量可根据需要进行调整等优点，这些优点使气基直接还原法得到快速发展[4]。

虽然直接还原工艺已经较为成熟，但在其各个方面的研究一直没有停止过，并取得了一定的突破。

（1）气基竖炉法

Sidor公司研制的一种新的AREX-SBD直接还原新工艺，它通过将催化重整炉和竖炉合二为一，使得天然气在竖炉下冷却海绵铁时，因铁的催化作用而得到重整。

目前，该工艺已进入工业化生产，产品金属化率达92%，天然气消耗为260m3/tDRI，DRI产量提高了30%，只需对现有竖炉法稍加改进即可在提高产量的同时降低生产成本和能耗。

（2）气基反应罐法

HYL工艺中DRI含碳量为1.2%～2.4%，为了使其含碳量增至2.4%～4.0%，人们开发了Hytemp工艺，高碳DRI具有足够的抗氧化能力与生产热压块铁（HBI）相比生产成本有所下降，电炉炼钢时可提高电炉生产率降低能耗。

（3）气基流化床法

1992年11月开始，委内瑞拉Fior公司与奥地利林茨的奥钢联合开发出了新型气基流化床法（FINMET），它以天然气为还原剂还原铁矿，然后生产出热压块铁（HBI）。

新Fior厂于1994年5月初步完成设计，年产100万吨HBI，现已投入工业生产，可直接使用矿粉，无需造块，每吨HBI的生产成本仅50美元[5]。

1.2.2国内研究现状

我国进行了大量的直接还原技术的研究和开发，在过去的一个世纪中，实现了工业化生产直接还原铁。

与其他炼铁工艺相比，气基竖炉直接还原法的优点是单套设备产量大、不消耗焦煤、节能、环境友好，是直接还原无焦炼铁的一个有效途径。

但是，由于缺乏天然气和富矿资源，我国迄今为止尚未建设成技术成熟、节能的大型气基直接还原竖炉和粉矿直接还原工业生产等炼铁前沿技术生产装置，更缺乏其应用经验[6]。

除天津钢管还原铁厂和新疆金山矿冶等4家外，我国多数工厂直接还原铁的生产能力小于5万吨/年。

至2004年底，中国的直接还原铁企业（包括在建中）的总数已逾60，但其总产能只有100～150万吨/年。

生产规模过小，使原燃料供应紧张，也给企业的产品销售、环境保护和其他方面的带来诸多问题，这使得中国的DRI产量不超过60万吨/年，且产品含SiO高、体密度小、质量不稳定，这些问题严重降低了其使用价值[7]。

因此，依靠现有的煤基直接还原工艺生产的直接还原铁，难以满足经济发展的高需求。

气基直接还原竖炉具有还原速度快、产品质量稳定、自动化程度高、单机容量大、技术成熟、单位产能投资低、能耗低、对环境的影响低等优势。

国外生产经验也表明，发展气基竖炉法可以迅速扩大DRI产量。

气基竖炉工艺的DRI产量居于主导地位，约占总产量的80％[8]。

2008年世界直接还原各工艺DRI产量所占的比例如图1-1所示：

图1-12008年各直接还原工艺DRI产量

Fig1-12008’sDRIproductionofeachdirectreductionprocess

从图中我们可以看出世界还原铁生产以Midrex、HYL工艺等气基竖炉法为代表，在DRI产量中占主要地位，但是这两种工艺主要以天然气作为还原剂，而天然气资源在我国的储量不大且地区分布很不平衡，并且其他行业中对天然气的需求量也比较大，因此我国气基竖炉直接还原的发展受到比较严重的限制，这直接导致了我国无法实现大规模工业生产气基DRI的状况。

然而随着直接还原技术的不断创新，气基竖炉直接还原工艺日趋成熟和完善，墨西哥的HYL公司基于HYL-111法[9]提出了天然气“零重整”的HYL-ZR工艺，其流程如图1-2所示：

图1-2HYL﹣ZR工艺流程

Fig1-2HYL﹣ZRProcess

HYL-ZR工艺使用还原性气体直接还原铁矿石。

铁矿石中的氧通过与氢气及一氧化碳的化学反应而去除，从而得到金属化率较高的直接还原铁（DRI）。

该工艺流程包含两个主要部分，即还原线路及冷却线路。

还原线路中，Fe2O3在还原性气体CO、H2作用下得到Fe，主要的设备是直接还原塔，包括竖炉、顶部煤气交换器等；冷却线路中，温度高达600℃的DRI直接利用或送入外部冷却器，得到冷态直接还原铁，主要的设备是外部冷却器[10]。

HYL-ZR的工艺特点：

（1）产品灵活，可以根据具体要求，生产三种不同的产品，即冷态DRI、冷态DRI和热态DRI；

（2）DRI金属含量高，铁含量（质量分数）可达95%；

（3）DRI碳含量高，在DRI中大量的碳是以Fe3C的形式存在的，该工艺生产的DRI含碳量（质量分数）可达2~4%；

（4）DRI热装入炉，该工艺通过气体输送系统，将热态DRI直接装入电炉，可以极大地减少熔化车间里的能量消耗，节约生产成本；

（5）原料适应性强，可加工矿石范围广，球团矿、块矿或二者以任何比例进行混合的混合矿；

（6）还原气体少，还原气体可以进行循环，从而天然气消耗量较少；

（7）可以使用其他的还原煤气，该工艺可以用多种还原气体作为补充，例如天然气、焦炉煤气、煤化气等；

（8）与传统的高炉炼铁工艺相比，直接还原铁工艺不使用焦炭，极大减轻了对环境的污染[11]。

世界对环保的要求逐步提高，同时直接电炉钢对优质原料的需求增加，直接还原铁的需求量将逐步增大。

作为世界领先的直接还原铁生产工艺，HYL-ZR工艺由于可加工矿石范围广、所用气体灵活、产品质量高等诸多优点[12]，必将获得新的发展。

该工艺将还原部分和制气部分相对独立的结合起来，使竖炉可以使用焦炉煤气和煤制合成气为还原气进行还原，弥补了部分地区天然气资源不足的情况。

现在化工行业的常规技术主要是使用煤制气工艺，其经济性和稳定性已十分可行和可靠，煤制合成气完全可作为气基竖炉还原剂的可靠来源，同时我国的煤炭资源非常丰富、适应性也比较强。

因此，新形成的煤制气-竖炉直接还原炼铁新工艺，为我国实现大规模工业生产DRI提供了便利条件，同时煤制气-竖炉也会成为我国今后发展直接还原铁生产的重要方向之一[13]。

当前，我国发展直接还原技术所具有的一些有利条件如下：

（1）随着调整钢铁产品结构，钢材质量优化，环保要求和电力供应的逐渐改善，电炉短流程工艺必然得到迅速发展。

中国当前废钢资源不多，并且优质废钢资源短缺[14]，这会很大程度地限制高质多品种电炉钢的发展，因此直接还原铁在我国有着极大的潜在发展空间；

（2）虽然我国可用于生产直接还原铁的富铁矿资源比较缺少，但在许多地区都还是可以获得较高铁品味、含杂质元素低且残余元素少的铁矿，适于生产高质量直接还原铁的优质铁精矿，同时价格也比较低廉，今后我国发展直接还原的特点将是使用细精矿为原料[15]；

（3）我国天然气资源非常丰富，然而天然气的分布受地域的限制十分突出。

近年来，我国天然气储量随着西部大开发有了大幅度增加，但对我们这个人口众多的大国来讲，仍然是一个缺乏天然气的国家。

天然气作为清洁能源，首先要满足民用需要，如在东部地区，人口众多，需求量十分大；其次还要满足石化工业的需要，再其次才能供给冶金生产。

由此看来，把天然气用于直接还原铁的生产余地是不多的。

另外，天然气的价格（特别是在经过长途输送后）相当高，而且天然气的涨价因素十分敏感，幅度也较大。

但在我国，煤炭资源非常充足，许多地区存在着适于生产直接还原铁的非焦煤资源，因此长远看俩，我国非常适合发展煤制气-气基竖炉直接还原工艺[16]。

我国目前存在着4500万吨以上的废钢缺口，然而我们完全可以用直接还原铁来弥补这些废钢缺口，我国对于直接还原铁的总需求量可以说十分巨大[17]。

当前在我国，直接还原铁还是一样新事物，许多钢厂正在逐步了解和使用它，它也成为特殊钢不可缺少的原料，这可以看出我国对直接还原铁的需求正在不断增长，因此，为适应中国目前的产品结构优化，加快直接还原铁及钢铁行业的产业发展是中国的当务之急。

1.3选题意义和目的

当前的主要钢铁生产流程为炼焦—烧结—炼钢过程。

高炉炼铁作为炼铁生产的主体，经过了漫长的发展，它已经成为非常成熟的技术。

然而，高炉与焦化、烧结工艺密不可分，焦化和烧结工艺对环境的污染占钢铁生产整体流程污染的主要部分，在装煤和焦炭时出现的焦炉煤气泄漏很严重，并且烧结过程中排放的大量烟尘和污染物也亟待解决[18]。

据联合国环保组织的调查，传统的钢铁工业是严重污染的根源，所排放的废气（CO2、CO、NO、SO2等）是造成温室效应的主要来源。

高炉炼铁存在着先天的不足之处，即对冶金焦的过度依赖，然而，全球焦煤储量仅占煤炭总储量的10%，焦煤的短缺势必会限制高炉的发展。

我国钢铁行业正面临着焦炭资源短缺、废钢短缺、能耗高、减排压力大的问题，这制约了我国钢铁行业的健康和可持续发展[18]。

高炉炼铁表现出的种种局限性，促使了非高炉炼铁技术的出现，气基直接还原铁技术作为其中的一种，具有广泛的应用。

气基直接还原法因具有容积利用率高、热效率高、生产率高等优点而成为非焦煤冶金工艺的主流技术。

本文旨在进行气基直接还原初步探究，探索影响直接还原程度和还原速率的部分影响因素。

气基直接还原法，是在低于融化温度之下将铁矿石直接还原成铁的炼铁生产过程，其产品为直接还原铁（DirectReducedIron缩写为DRI），也称海绵铁。

因为是在低于铁矿石的软化温度之下进行的还原，节省