炼铁之粉末冶金
以ITmk3为代表的第三代炼铁新工艺概况分析地域：国内 信息类别：行业动态 行业类别：钢 铁
作者： 发布人：钢铁行业管理审核 发布时间：2010-08-12 09:56:42.0 ITmk3(Iron making Technology Mark3)是以较低温度，快速进行还原、渗碳、熔融、渣分离的炼铁工艺的总称。如果将现在主流的高炉炼铁法作为第一代炼铁法，Midrex法为代表的直接还原炼铁法为第二代炼铁法，那么，ITmk3是以与前两种方法完全不同的理念开发的第三代炼铁法。ITmk3一系列反应大约仅用10min即可完成，同高炉内原料滞留时间8h和Midrex法竖炉内原料滞留6h相比，其反应速度非常的快。
1、新炼铁法的开发背景
高炉炼铁法需要对煤和铁矿石进行预处理的炼焦和烧结工序，而且联合钢铁厂需通过规模大型化来提高效率。因此，缺乏资源柔性和生产灵活性。而直接还原炼铁法是采用天然气的工艺，所以厂址局限于出产廉价天然气的地区。
因此，以丰富的粉矿资源和普通煤为原料的炼铁工艺引起关注，20世纪80年代开始开发以熔融还原炼铁法为主的新炼铁工艺。在此期间，神户制钢公司与其美国子公司Midrex技术有限公司，将FASTMET工艺实用化。该工艺是将粉矿和煤混合制粒，通过加热制造还原铁的工艺。
1995年，在开发FASTMET工艺过程中，发现了即使仅加热10min，金属铁和渣也可分离的现象。将该反应原理作为工艺的设想就是新炼铁法ITmk3法。
2、基础研究
1996年，神户制钢公司开始新炼铁法的研究，在当时钢铁技术研究所的管式炉证实了低温快速生成金属铁和渣分离的现象。经研究发现新的炼铁现象，并命名为ITmk3。之后开始了包括海外大学在内的产学共同研究，为了进行更大规模的试验，在钢铁研究所设置了箱式加热炉，了解了金属铁和渣分离的状况。从箱式加热炉取出的试样，金属铁呈橙色，渣呈暗橙色。在东北大学和东京工业大学，进行了这种新炼铁现象机理的研究。在英国萨里大学设置了多段加热式大型箱式炉，对加热方式进行了研究。在德国马普研究所研究了反应数学模型。
与使用铁矿石和焦炭等原料的高炉炼铁法或直接还原炼铁法相比，新炼铁法中，认为铁矿石和煤是用微粉混合，反应速度快。但是，对这种快速反应仍不能解释清楚。因此，在箱式炉中，分别选择四种代表性的铁矿石和煤，在其组合中也确认发生同样的现象。又调查了原料、温度、炉内气氛等对反应的影响。对还原、熔融、渣分离的各阶段的还原铁断面进行了调查，弄清了反应机理。开始加热3min后，粉矿和煤混合的粒状物内部虽然还原在进行，但外观上没有太大改变。5min
后，部分金属铁和渣开始熔融、分离。经过6min时，粒状物整体快速熔融，金属铁和渣开始迅速分离。9min后两者完全分离。
在反应机理中，原来的气体渗碳、固体渗碳都不能说明快速渗碳现象，解释清楚新的渗碳现象则需要更多的时间。与直接还原厂的竖炉不同，气体渗碳的作用很少。在最近东北大学的研究中，发现了借助液相渣渗碳的现象，即固体渗碳有助于快速渗碳。
在箱式炉中，到目前已进行了超过100种原料的试验，确认了ITmk3对原料广泛的适应性。还做了大量含有结晶水的铁矿石、石油焦炭、改质褐煤等的试验，确认了对低品位原料的适用性。
3、新炼铁法的实用化
3.1中试厂
在进行基础研究的同时，开始了利用新的渗碳现象的新炼铁工艺的实用化研究。在各种工艺的研究中，1998年决定采用可以最快实用化的粒铁生产工艺，着手中试厂的设计。与在理想的条件下进行反应的箱式炉不同，列举了中试厂要解决的许多问题，开始工艺开发。
粒铁生产工艺大致由4个操作单元构成：(1)以铁矿石、煤为主原料的制粒；(2)还原熔融；(3)金属铁和渣的分离；(4)废气处理、余热回收。
在中试厂，为了利用ITmk3快速反应的特征，反应炉选择了辐射加热容易的转底炉。熔融还原炼铁法是熔融后进行还原反应，FeO容易侵蚀耐火材料。为了避免这种侵蚀，采用还原反应结束之后熔融的还原熔融法。对转底炉，担心燃烧器加热的燃烧气体对炉内还原气氛有影响，因此，在设计阶段，进行了计算流体动力学(CFD)模拟，研究了炉内温度、气体流动、煤气性状分布等，实现了转底炉的优化设计。
在炉床上连续熔化原料，生产金属铁有许多技术上的问题。熔化后与渣分离的金属铁冷却固化后排到炉外。这样在短时间内炉床耐火材料要承受反复升温、冷却的热应力。而且，在炉床上进行反应，所以炉床耐火材料的抗炉渣侵蚀性要好。在此，列出十几种耐火材料，为了选择，反复进行试验。首先，用耐火材料厂家的试验炉，通过反复快速加热、冷却试验来确认耐火材料的热应力。采用箱式炉反复试验了抗炉渣的侵蚀性，根据这些试验决定了炉床的耐火材料。选择炉床耐火材料非常重要。但仅此一点还不能构成粒铁的连续生产，包括向炉内装入原料，排出粒铁，保持健全炉床的维护技术是ITmk3工艺的关键。采用箱式炉对该项技术进行了研究。
说到冷却固化，温度非常高的粒铁从炉内排出装置的设计也极为困难。在多次研究后，决定由设计处理高温铁装置的神户制钢机械工程公司、轧机设计集团进行该装置的设计。
着手ITmk3工艺开发设
计不到一年的时间，1999年6月，在加古川厂内开始建设年产3000t规模的小型中试厂，8月末开始试运行，9月开始生产。先生产还原铁，在确认获得金属化率90%以上的还原铁之后，将炉温提高到高于还原铁的生产条件，首次成功地生产出粒铁。每天反复约6h的连续作业，进行原料配比、热参数、炉内气氛、炉内滞留时间等的调试，寻找最佳的操作条件。继续提高生产率和粒铁品质的摸索。所幸的是，6h连续作业的炉床没有出现问题。而且也没有大的机械性问题，试验顺利。
11月下旬，开始更长时间连续作业试验，炉床上开始积存熔融铁，并逐渐变多。这些熔融铁不是可冷却固化的状态，需要开发新的技术。观察炉内，调查炉床变化的情况，2000年4月开发了新炉床维护技术，中试厂第一阶段试验结束。2000年下半年开始第二阶段操作，挑战更长时间的连续操作。在该阶段采用了改良的炉床维护技术，可以达到稳定连续操作。边连续生产粒铁，边定期进行炉床修补，可以连续作业。如果采用该方法，理论上连续作业时间不受限制，于是又向实用化前进了一步。在此期间，进行了大型中试厂的设计，采集与操作相关的数据。
在试验操作的同时，还接受共同开发合作伙伴的考察。其中美国明尼苏达州矿山局、北美最大的矿山公司克利夫兰·克利夫斯公司、美国第二大电炉炼钢厂动力钢公司对此项技术很感兴趣。想搞活矿山的明尼苏达州矿山局、克利夫兰·克利夫斯公司以及希望确保稳定铁源的动力钢公司，三家目标一致，希望成为共同开发合作伙伴。
2002年3月，克利夫兰·克利夫斯公司决定在明尼苏达州的选矿球团厂建设大型中试厂。由神户制钢公司提供中试厂设计，克利夫兰·克利夫斯公司提供铁矿石供给和操作人员，动力钢公司负责作为炼钢原料的粒铁的使用和评估，明尼苏达州矿山局提供开发资金共同开发ITmk3工艺。之后，因为是开发高能效炼铁法，接受了美国能源部的资金援助。
3.2大型中试厂
从2002年开始设计大型中试厂，详细设计得到MIDREX公司的协助。关键部位的转底炉有许多作为加热炉的应用业绩，有直径50m×炉床宽7m的大型炉。考虑1号商业机的尺寸接近该尺寸。在中试厂获得的生产率基础上，将1号商业机定为年产50万t的规模。中试厂的规模越大，就会降低其后商业机按比例增大的风险。因开发成本增加，在大型中试厂的设计中，要求优化尺寸设计。
在决定大型中试厂转底炉尺寸时，主要注重以下两点：(1)该工艺中，设定年产量为2.5万t；(2)该工艺的关键是炉床维护技术，炉床宽度是很重要的因素。大型转底炉有7m宽的
炉床。加古川中试厂的炉床宽度设定为2m。
因为是工艺开发，所以设备风险应控制在最小。因此，大型中试厂采取的方针是尽可能采用有工业应用业绩的设备，即便是商业机的尺寸，也能获得同样设备。结果，只有还原熔融炉原料装入、排出设备是为该工艺专门设计的，其余均采用有工业应用业绩的设备。
工艺流程基本和加古川中试厂相同，但在炉子排出粒铁和渣分离处理中，加古川是分批进行，大型中试厂是连续处理。
2002年6月开始建设，2003年5月完成，并点火。与加古川中试厂一样，首先生产高金属化率的还原铁，第二天成功生产出粒铁。到2004年8月，进行了15个月的大型验证运行。
验证运行包括以下4个阶段：(1)炉床维护技术的优化；(2)提高生产率和粒铁质量；(3)提高燃料单耗(优化二次燃烧)；(4)性能试验。
在各阶段之间，进行了为进一步提高性能的技术改造，使设备运转率达到91%~94%。并进行了两次环境测定，与传统的炼铁法相比，是环境友好型的炼铁法，而且能效也高。该工艺的主要特征如下：
工艺简单；可以直接使用低品位原料(粉矿、普通煤)，不需要烧结和炼焦设备；能效高；环境负荷小；生产调整、开停炉容易；设备费用低；设备基本是有应用业绩的工业设备，可靠性高；虽然是炼铁工艺，但不用运送铁水，与球团厂相同，矿山公司也能生产。大型中试厂生产的粒铁，在美国大电炉厂作为生产薄板、厚板和特殊钢棒材的炼钢原料使用，获得好评。粒铁容易熔化，生产率比原来提高5%~8%。粒铁具有下列特点：碳含量2%~4%；不含不利于炼钢的铜、镍等杂质，是清洁铁源；比重大；熔点低，导热良好，易熔化；粒铁大小适合炼钢炉连续装入；容易运输；粒铁不像直接还原铁、HBI未完成还原；不存在还原铁、HBI再氧化、自燃问题；不含还原铁、HBI所含的脉石成分。
3.3商业机的建设
大型中试厂成功后，马上进入1号商业机的建设计划。在苏必利尔湖北100km，北美最大的梅萨比矿山群东西广阔，有多家选矿球团厂。将其中由于钢铁不景气于2002关闭的LTV公司选矿球团厂作为候选厂址，进行建设商业机的环境许可审批。
2007年，钢材需求转好，动力钢公司为保证炼钢用清洁铁源的稳定供给，决定与神户制钢公司共同出资建设年产50万t粒铁的1号商业机。神户制钢提供工艺许可证、工程、主要设备以及派技术人员指导等。而动力钢公司接受生产的全部粒铁，作为本公司电炉的铁源使用。2007年6月开始建设商业机，2010年开始生产运行。
另外，在美国密歇根州，神户制钢还和共同开发伙伴之一的克利夫兰·克利夫
斯公司计划建设商业机，现在正在进行环境许可申请。除此之外，哈萨克斯坦、印度、乌克兰等多国也在计划建设商业机。
4、服务模式
粒铁生产工艺适合建在邻近矿山的地区。可以将主原料铁矿石采用原来球团厂的操作方法生产附加值非常高的粒铁。去除铁矿石和球团中含有的多余氧和脉石成分，只含有炼钢所需的铁分，作为产品从矿山发货。不必运送不需要的氧和杂质(重量的40%)，可以大幅度减少运输所需的CO2排放量。另外，在使用粒铁的炼钢厂，也可以减少渣量以及处理成本。
美国电炉炼钢的比率为63%，大大超过高炉-转炉炼钢。近年来，电炉主要原料废钢的质量正在恶化，对电炉炼钢来说，保证清洁铁源很重要。生铁和HBI代表的清洁铁源主要依靠从委内端拉、巴西、乌克兰和俄罗斯等国进口，电炉厂家苦于原料供给不稳定和大幅度的价格波动，期待通过普及粒铁生产厂，解决这些问题。
在美国，大部分矿山位于北部五大湖北梅萨比矿山群，钢铁厂也大多选在五大湖周围。现在进口的铁源是从南部的新奥尔良卸载，以高运输成本，经密西西比河，到达五大湖周围的钢铁厂。目前，每年进口约1000万t的清洁铁源，但是，如果以梅萨比矿山群为中心，在五大湖周围普及粒铁生产厂，包括废钢在内的进口铁源基本上可由粒铁替代。
粒铁以及粒铁生产厂对矿山、电炉、高炉等领域的好处是：
(1)矿山领域：可以生产高附加值的粒铁替代原来的铁矿石和球团；在原有的高炉联合钢铁厂用户基础上，可以扩大到电炉用户；可以利用低品位铁矿石，延长矿山寿命；小规模矿山也有开采价值。
(2)电炉：可以提高炼钢的生产率和能效；可以确保稳定的清洁铁源；将粒铁生产厂设在炼钢厂内，可利用高温粒铁，进一步提高能效。
(3)高炉：不需要焦炉、烧结机等环境负荷高的设备；可以利用低品位原料；小规模投资就可以炼铁；可灵活地调整生产；在海外生产粒铁，可以抵消CO2排放量；与铁矿石、球团矿相比，可以降低运输成本和减排CO2；与铁矿石、球团矿相比，没有炉渣。
5、结语
ITmk3法现在还没有普及，高炉是在100多年的历史中得到发展的。ITmk3不仅适用粒铁生产工艺，而且有望向铁水生产工艺和超低温炼铁工艺等方向发展。