歐冶爐工作原理及歐冶爐用耐火材料

發布時間：2023/3/29 11:14:45

COREX爐的工作原理是利用雙級流化床反應技術，將煤和鐵礦石混合在一起冶煉，產生高品質的煤氣和液態鐵。其中，煤氣可以用來作為燃料供給給燒結機、軋鋼機等設備，還可以用來生產化學品和電力，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煉鐵的目標。學名中，CO、RE、EX分別代表Coal-煤，Reductionn-還原、Extreme-終極目標。高爐煉鐵所使用的粉礦和資源稀缺的粉煤，必須分別通過燒結廠燒結成燒結礦和煉焦廠將其燒結煉焦成焦炭；而COREX不需要燒結廠和煉焦廠，可以直接使用天然的塊礦和塊煤，煤塊內部的有機物可以在高溫下充分裂解，防止焦油、酚、氰等汙染物質的產生，單質硫也大部分進入爐渣，大大減輕環境汙染。因此，相對於高爐煉鐵法來說，COREX熔融還原煉鐵技術最明顯的特點是煉鐵不使用焦炭，無需煉焦工序和燒結工序的輔助，流程和工序相對減少，成本投資和人力使用相對降低，能源消耗和汙染排放相對減輕，與完整的傳統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、水處理等次要設備在內兩者無太大差別，前者的主體設備除了煤氣淨化與調溫係統，還包括上部的還原豎爐和下部的熔融氣化爐，相當於把高爐拆分成兩部分。COREX爐鐵水生產過程分為兩個階段，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生氧化還原反應後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境，爐內最大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，下部出鐵口進行最後的渣、鐵分離，對於礦石來說是先還原後熔融，並非先熔融後還原。氣化爐產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，經過一係列處理後可以作為二次能源供鋼鐵廠的其它生產線使用。

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、燒結礦和非焦煤或少量的焦粒。按照加料批次，鐵礦石裝入預還原豎爐，熔融氣化爐中加入的非焦煤與工業純氧發生燃燒反應，釋放出的煤體與熔煉所需要的熱量，產生的還原氣體在還原豎爐內與礦石反應成為海綿鐵，熔煉的熱量在氣化爐內形成一個“焦化廠”或者說是存在一個煤的結焦場所，這個場所類似於高爐的焦炭床層，起到提高鐵水溫度和對鐵水成分進行人為的有效調控的作用，此層是燃燒帶的重要組成部分，正是如此才能產出類似於高爐的鐵水。此外，高溫煤氣除塵器的存在，不僅可以使半淨還原尾氣和冷卻煤氣的混合煤氣，通過環形圍管進入預還原豎爐之前與粉塵分離，粉塵經過洗滌之後，返回到氣化爐中被反複的使用而不進入煤氣運輸的管道。

2.歐冶爐煉鐵用耐火材料

當前，對熔融還原煉鐵技術所使用耐火材料的研究與應用尚未給予足夠的重視，很大一部分原因是因為學者們主要側重於解決流程開發及冶煉工藝，且大部分鐵浴終還原爐內的冶煉環境相當惡劣：雖然熔融還原反應及氣體產物生成的速度較快，燃料二次燃燒致使爐內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，高強度攪拌係統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衝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、鋁鉻磚、MgO-C磚等。雖然MgO-C製品不僅高溫強度和耐剝落性能優異，而且抗堿侵蝕性強，但和SiC磚一樣易被氧化，鋁鉻磚也易出現熱剝落的現象。

在豎爐中部，由於內襯的MgO-C在服役過程容易發生水化反應，進而出現了剝落的現象，為了節省成本等問題，SiC材料已經將其取代。隨著耐火材料相關專家進一步的研究和探索，認為鋯剛玉製品有潛力成為COREX中溫預還原豎爐用耐火材料的首選，此類製品不僅內部晶體結構致密，密度和容重大，重燒收縮和高溫蠕變小，而且抗熱震性能優異，在服役期間機械強度高、極高的化學穩定性及抗堿性介質侵蝕，這些特性使其逐漸被學者所關注。在熔融氣化爐內，其爐襯結構由下至上主要分為爐底、爐缸、焦炭床區和淨空區（含拱頂）4個部位。作為COREX爐的關鍵設備，爐底和爐缸一樣為附有陶瓷杯的幹砌大炭磚，設置埋設於澆注料中的烘爐管，且水冷管在爐底板上部，冷卻壁背後為自流澆注料；鐵口和氧口為組合磚結構，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％的鋼纖維的噴塗料層，正常服役時工作溫度達到了1100℃以上；由於氣化爐內整體溫度高，導致對包括組合耐火磚和噴塗料在內的爐襯侵蝕嚴重。研究發現，SiAlON結合剛玉質材料具有優良的抗鐵水熔蝕、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不可或缺的高性能耐火材料[38]。總而言之，燃料的二次燃燒不僅導致COREX爐內溫度高且波動大，而且產出的爐渣量較大，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異的特點。

相對於傳統高爐，COREX爐具有許多優勢。首先，它可以節約能源和原料，減少二氧化碳和其他有害物質的排放，從而減輕環境負擔；其次，它的反應效率高，煤氣中含有的一些有價值的化學品，如甲醇、氫氣等可以得到利用，提高了資源利用率；最後，它的投資和運行成本相對較低，因此具有更好的經濟效益。COREX爐在鋼鐵工業中的應用也越來越廣泛，目前已經成為國內外鋼鐵企業理想的技術之一。