非高爐煉鐵用耐火材料

　　非高爐煉鐵法是指除高爐煉鐵外的其他還原鐵礦石的方法。非高爐煉鐵法可以歸結為兩大類：直接還原法和熔融還原法。

　　近年來，非高爐煉鐵工藝得到了大力的發展，主要原因是：

　　(1)由于焦煤的儲量越來越少，價格越來越高，而非高爐煉鐵則可以使用非焦煤和其他能源作燃料，基本不用或少用焦炭煉鐵。

　　(2)隨著鋼鐵冶金工業的發展，廢鋼的需求量大大增加，廢鋼供應量日益緊張，非高爐生產的海綿鐵是廢鋼的良好替代品。

　　(3)非高爐煉鐵省去了煉焦設備，投資費用低，污染少。

　　這些原因為非高爐煉鐵的發展提供了有利條件。

　　直接還原法用耐火材料

　　直接還原法生產的主要產品有固態的海綿鐵、鐵粒和液態的生鐵，其中以海綿鐵生產方法為成熟，產量大。海綿鐵生產主要是用鐵精礦、氧化鐵皮等含氧化鐵高的原料在還原介質作用下被還原成金屬鐵，該反應是固相反應，并放出很多氣體;在生成的固體鐵里有很多氣孔，像海綿一樣，故稱海綿鐵。反應溫度一般在800~1300℃，所用的還原介質主要有煤、天然氣和煤氣等非焦還原劑。所用的設備主要有豎窯、方形窯、環形窯、回轉窯、隧道窯、臺車底連續爐等。

　　目前世界上以天然氣為還原介質的豎窯生產海綿鐵為主，約占80%。不管是哪一種窯，使用溫度都不高，所以一般鋁硅系耐火材料作為窯襯就能滿足溫度的要求。但是需要注意的是耐火材料里的Fe203在CO氣氛條件下會還原生成金屬鐵和Fe3C。Fe3C的存在會促進炭的沉積，導致耐火材料的脆化裂解，因此為了提高設備爐襯的使用壽命，應該降低耐火材料中的Fe203含量，同時使材料的組織結構致密，氣孔微細化。

　　熔融還原爐用耐火材料

　　熔融還原煉鐵新工藝是不使用焦炭或少用焦炭，在高溫熔融狀態下進行鐵氧化物的還原，并進行渣鐵分離，得到類似高爐的含碳鐵水的一種冶煉方法，它具有冶金流程短，規模較小，對環境的污染小等特點。但由于其開發過程浩大繁瑣，投人巨大，并且很多工程問題須通過工業生產實踐才能得出正確結論，因此一度處于停滯狀態。隨著對其理論技術的認知不斷加深，并迫于生態環境、自然資源的壓力，加速了熔融還原和直接煉鐵技術的發展。經過數十年的研究開發，現已有30多種熔融還原煉鐵工藝問世，但COREX熔融還原煉鐵工藝是目前實現了工業化生產，取得成功的近代鋼鐵業前沿技術之一。

　　COREX熔融還原煉鐵方法的點：

　　(1)不用焦炭和燒結礦就可以直接生產鐵水;

　　(2)可以直接利用粉礦和粉煤，有效利用資源，噸鐵能耗下降20%以上;

　　(3)生產線和裝備簡單;

　　(4)有利于環境保護，它不需要燒結機和焦爐，減少了污染源，使煉鐵廠的污染減少了70%;

　　(5)流程投資降低，生產規模靈活;

　　(6)提高了生產效率。

　　COREX的研究工作始于1977年，在20世紀80年代初期進行了半工業試驗，并于1989年在南非伊斯科公司實現工業化應用。如今，全世界目前有4套COREXCMOO型設備正在生產，累計已生產出質鐵水1700萬噸。韓國浦項鋼鐵公司于1995年投產了世界上套C2000設備，年產鐵水70萬噸，生產穩定，作業率超過95%，輸出煤氣用于發電。南非薩爾達納鋼鐵公司C2000設備于1999年投產，年產鐵水65萬噸，輸出煤氣供直接還原豎爐生產海綿鐵80萬噸/年。印度金達爾公司套C2000設備于1999年投產，原料選用非常靈活，生產率達128t/h，年產鐵水近百萬噸;第二套于2001年投產，輸出煤氣用于發電和生產氧化球團。我國寶鋼集團浦鋼套C3000型2007年投產，設計150萬噸/年;第二套2010年投產。下圖為COREX工藝流程示意圖。

　　COREX工藝流程

　　熔融氣化爐是COREX工藝生產鐵水的重要設備。熔融氣化爐位于COREX系統的下部。該爐上部呈擴大的半球形，下部為圓柱形。煤、熔劑與還原鐵礦通過加壓密封料倉進人溶融氣化爐頂部。煤入爐后，與約1000~1100℃的煤氣相遇，迅速干燥、干餾、炭化，并下降到爐體圓柱體部分。之后，又受到從下部風口送入的氧氣流作用，形成穩定的流化層，流化層下部溫度為1600~1700℃。炭化后的煤炭粒子與氧氣反應，先產生C02。.隨著氣流上升，CO2遇碳被還原轉化為CO。為改善煤氣質量，提高還原能力，保護風口，特別從風口通入蒸汽。因此，熔融氣化爐頂部排出的高溫煤氣中含有CO+H2占95%。這種高溫煤氣兌冷煤氣調溫到900℃，送入熱旋風除塵器中，凈化后，再通過還原豎環管進人還原豎窯。熱旋風除塵器凈化沉降的塵粒經塵斗用冷煤氣送回到熔融氣化爐。

　　從溶融氣化爐球形頂部進人爐內的高金屬化預還原爐料在下降過程中被加熱，熔化并終成為鐵水和熔渣。還原豎窯位于COREX系統上部，呈圓柱形。由熔融氣化爐產生的還原氣體(煤氣)經過調溫和凈化，從還原豎窯的中下部風口進人窯內，穿過固體料層(從豎窯頂部加入的礦石和熔劑)上升，固體料靠自重下降，被高溫還原氣體加熱、還原。還原后的金屬化鐵料通過豎窯下部排料器和下料管連續均勻地落入熔融氣化爐。COREX熔融還原煉鐵工藝分預還原和熔煉兩個階段。預還原階段是在豎窯里把鐵礦石固相還原成金屬鐵或海綿鐵，然后海綿鐵就直接進人熔融氣化爐而煉成鐵水的熔化階段。

　　COREX熔融氣化爐用耐火材料

　　一般將熔融氣化爐分為干燥區、流化燃燒區、風口區和爐缸四個部分，如下圖所示。

　　熔融氣化爐各區域侵蝕情況

　　熔融還原法產生的渣含有大量的FeO,對耐火材料的侵蝕非常嚴重。爐襯蝕損主要是渣熔蝕、堿蒸氣和鐵水對爐襯產生的化學侵蝕、熱熔損、因溫度波動產生的熱剝落、爐料的撞擊和爐塵氣體的沖刷等。由于這一系列因素對爐襯耐火材料產生的嚴重損毀，導致了設備的使用壽命很低，這是熔融還原法難以達到實用化和推廣的主要原因之一。因此，爐襯耐火材料對這種新型的煉鐵方法的發展產生重要的影響。

　　因為干燥區的溫度為1000~2000℃，煤分解，脫除揮發分。該區域的爐襯受到爐料機械撞擊作用非常強烈，同時還受含塵氣體的沖刷和腐蝕，因此，要求爐襯耐磨。該區域使用Al2O3含量為55%~65%的高鋁磚就可以滿足要求，它同還原豎窯的窯襯一樣，為了提高使用壽命，要求Fe2O3的含量盡可能地低，以防止爐襯脆化或粉化。

　　由于煤在流化燃燒區燃燒，溫度可達到1600~1700℃。爐料流化，對爐襯沖刷嚴重，耐火材料爐襯承受很大熱負荷和高溫磨損，送風和休風時該區域溫度波動很大而又引起剝落。南非的ISCOR公司在該部位使用鎂炭磚，因停爐、開爐頻繁而脫落嚴重。應該選用抗熱震性和熱穩定性均良的、耐沖刷的Si3N4結合的SiC磚作為爐襯。

　　熔融氣化爐的風口采用氧操作，風口磚的熱負荷高，工作條件苛刻。對含碳耐火材料有較強的氧化作用。溶渣和鐵水在該處形成，因此高溫下的風口磚受到強烈的腐蝕作用。風口采用SiC磚，風口上部至檢修孔部位爐襯采用鎂炭磚，它有水化現象，建議用Si3N4結合的SiC磚作為內襯。風口組合套磚，采用p-SiC結合的SiC磚效果很好。通過對Al2O3-Cr2O3磚進行侵蝕試驗，結果發現：它抗侵蝕性非常好，耐剝落也非常好，因此風口及其以上區域應該用碳化硅磚和鉻剛玉磚。Sialon結合剛玉磚也應該是非常好的選擇。

　　熔融氣化爐的爐底、爐缸和鐵口等部位的耐火材料爐襯始終與高溫鐵水和熔渣相接觸，所產生的侵蝕是耐火材料損壞的主要原因。所用耐火材料與高爐的相當，主要用微孔炭磚，并用一層陶瓷杯。在出鐵口仍用Al2O3-SiC-C材料，這些耐火材料與高爐爐底和爐缸用耐火材料相同，可參閱高爐用耐火材料部分。