CN117535464A - 一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法及系统，属于冶金技术领域，包括以下步骤：S1.从氢基竖炉获得直接还原铁原料；S2.将直接还原铁原料通过热送或者冷送装入电熔炉内；S3.在电熔炉内通电升温并加入造渣剂，营造还原性气氛直接还原铁被还原熔分，分离出液态铁水和液态渣；S4.将液态铁水转运至电弧炉或转炉内吹炼为初炼钢水，初炼钢水根据钢种需要直接上连铸机浇铸或者经精炼装置精炼后再送至连铸机浇铸，铁水渣和钢渣均运至渣处理厂处理。本发明实现了对低品位直接还原铁的冶炼，解决了现有技术无法大比例冶炼低品位直接还原铁的问题，可以取代高炉长流程炼钢工艺，且碳排放低，适于大规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法及系统。
背景技术
传统的钢铁产业是一个资源、能源、技术、资金密集型行业，也是典型的高碳排放行业。整个钢铁流程中，冶炼工序的碳排放约占钢铁全流程95％以上，因此钢铁冶炼工序的减碳是重中之重。
结合当前钢铁工业生产结构、冶炼原材料供应、冶炼能源、节能减排水平以及CO2排放现状，未来二三十年钢铁生产主要流程依然是长流程和短流程并存，快速发展短流程、优化长流程原料，尤其是将长流程中炼铁工艺由碳还原逐渐向氢还原转变，炼铁工序的产品将由原来的高碳铁水转变为直接还原铁，这是钢铁工业低碳转型的重要途径。据统计“高炉+转炉”长流程工艺，基于焦炭/煤冶炼每吨钢水CO2排放约(1.8～2.0)t。采用“竖炉+电弧炉”短流程工艺，基于天然气冶炼每吨钢水CO2排放约0.94t，基于氢气冶炼每吨钢水CO2排放约0.47t，基于氢气并使用绿氢、绿电可以实现CO2近零排放。
长流程中炼铁工艺由碳还原逐渐向氢还原是大势所趋，炼铁工序的产品将由原来的高碳铁水转变为直接还原铁，但目前常规电弧炉冶炼直接还原铁，对直接还原铁品位要求高，适合电弧炉冶炼高品位矿占全球矿石储量的6％左右，矿石储量占比超过90％的低品位矿生产的直接还原铁存在渣量大、电弧炉内无法正常操作，且冶炼周期长、生产成本高等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法及系统，以实现。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，包括以下步骤：
S1.从氢基竖炉获得直接还原铁原料；
S2.将直接还原铁原料通过热送或者冷送装入电熔炉内；
S3.在电熔炉内通电升温并加入造渣剂，营造还原性气氛直接还原铁被还原熔分，分离出液态铁水和液态渣；
S4.将液态铁水转运至电弧炉或转炉内吹炼为初炼钢水，初炼钢水根据钢种需要直接上连铸机浇铸或者经精炼装置精炼后再送至连铸机浇铸，铁水渣和钢渣均运至渣处理厂处理。
可选地，步骤S1中，生产直接还原铁的矿石为T.Fe≤65％的中低品铁矿石。
可选地，步骤S1中生产的直接还原铁尺寸不受限制。
可选地，步骤S3中，电熔炉炉墙边部多点布料添加造渣剂，边部形成冷区，实现炉壁挂渣及埋弧冶炼，大渣量的冶炼操作。
可选地，步骤S3中，电熔炉炉膛内功率密度<0.5MVA/m2
可选地，电熔炉炉温度控制在1450℃～1600℃。
可选地，步骤S4中，液态铁水通过转炉冶炼出钢时，热量不足通过添加增碳剂进行补热，通过电弧炉冶炼出钢时，热量不足通过通电升温补热。
可选地，步骤S2中热直接还原铁运输方式为气力输送装置、密闭式料罐或高温链板机，冷直接还原铁或HBI运输方式为汽车或胶带机。
一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢系统，包括沿物料流动方向顺次设置的氢基竖炉、电熔炉、电弧炉或转炉、连铸机，其中，氢基竖炉用于生产直接还原铁，电熔炉用于熔分直接还原铁以分离出液态铁水和液态渣，电弧炉或转炉用于将液态铁水冶炼为钢水，连铸机用于钢水浇铸。
可选地，电弧炉或转炉与连铸机之间设有精炼装置，精炼装置为吹氩喂丝站、LF或RH、VD、VOD中的任一种或多种。
本发明的有益效果在于：
1、实现了对低品位直接还原铁的冶炼，解决了现有技术无法大比例冶炼低品位直接还原铁的问题，原来只能用于长流程高炉的低品位矿也可以采用本发明进行生产，可替代高炉长流程炼钢。
2、本发明不采用铁水为原料，可有效降低钢铁生产流程碳排放，极限碳排放接近于零。
3、本发明可以在替代高炉的同时，可以利用现有转炉进行炼钢，节约投资。
4、本发明与现有转炉或电弧炉生产技术相适应，适于大规模化生产。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢工艺流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1，一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，包括以下步骤：
a.从氢基竖炉获得直接还原铁原料；
b.将直接还原铁作为原料通过热送或者冷送装入电熔炉内；
c.将热态或冷态直接还原铁装入电熔炉进行还原熔分，电熔炉为固定密闭式，通电升温并营造还原性气氛，并向炉内添加造渣剂，调整炉渣成分，熔分离出液态铁水和液态铁水渣；
d.将液态铁水转运至转炉或电弧炉内进行吹炼，铁水冶炼为合格钢水；
e.铁水渣和钢渣均运至渣处理厂处理；
f.钢水根据钢种需要直接上连铸机浇铸或者经过精炼装置后再送至连铸机浇铸；
本发明实现了对低品位直接还原铁的冶炼，解决了现有技术无法大比例冶炼低品位直接还原铁的问题，可以取代高炉长流程炼钢工艺，且碳排放低，适于大规模化生产。
可选地，步骤a中生产直接还原铁的矿石为T.Fe≤65％的中低品铁矿石。
可选地，步骤a中生产的直接还原铁尺寸不受限制。
可选地，步骤b中直接还原铁热装入炉温度约500℃。
可选地，步骤b中热直接还原铁可用加热气体气力输送送至电熔炉、汽车运输密闭料罐转运至电熔炉、高温链板机转运至电熔炉；冷直接还原铁通过汽车或胶带机运输至电熔炉、直接还原铁热压块(HBI)通过汽车或胶带机运输至电熔炉等。
可选地，步骤c中所述电熔炉型式为固定密闭式，渣口、铁口呈上下布置。
可选地，步骤c中所述电熔炉炉墙边部多点布料添加造渣剂，边部形成冷区，实现炉壁挂渣及埋弧(挡弧)冶炼，大渣量的冶炼操作。
可选地，步骤c中所述电熔炉炉炉膛内功率密度<0.5MVA/m2。
可选地，步骤c中所述电熔炉炉温度应控制在1450℃～1600℃。
可选地，步骤c中所述电熔炉60MW以下可以采用圆形电熔炉，高于60MW建议采用矩形电熔炉。
可选地，步骤c中所述电熔炉出铁速度3～4t/min。
可选地，步骤d中所述转炉冶炼出钢，热量不足添加增碳剂0～30kg/t钢水。
可选地，步骤f中所述精炼装置包括吹氩喂丝站、LF或RH、VD、VOD中的任一种或多种。
实施例1
如图1所示，一种采用低品位直接还原铁原料的低碳炼钢工艺及设备，包括高温链板机、电熔炉、炼钢电弧炉及吹氩喂丝站和LF精炼炉，其生产工艺包括以下步骤：
S1接受直接还原铁送入电熔炉熔分：竖炉采用低品位矿生产低品位直接还原铁，然后采用高温链板机热送进入电熔炉，热直接还原铁入炉温度约500℃，直接还原铁全铁含量76.23％，金属铁70.9％，金属化率93％，FeO含量6.86％，SiO2含量12.55％，Al2O3含量4.88％，C含量1％，直接还原铁在电熔炉内进行熔分。电熔炉设计产能50万吨/年，变压器容量54MW，熔分过程添加造渣剂，控制炉渣碱度1.0～1.3，电熔炉内温度约1550℃，冶炼电耗560kwh/t钢水，氮气消耗350Nm3/h。电熔炉连续加料，多出铁口、出渣口连续出铁，单出铁口出渣口出铁周期4h，每次出铁水量160t，出渣周期8h，每次出渣量20.8t。
S2初炼钢水冶炼：将步骤S1中铁水加入电弧炉，通过电弧炉炉壁碳氧枪向炉内供氧同时向炉内加入造渣材料以进行脱碳、脱磷和升温操作，脱碳至转炉终点C0.03～0.05％，P≤0.01％，温度1650℃即可出钢；
S3炉外精炼调整：将步骤S2中钢水经过在线吹氩喂丝站初调成分，然后再经过LF精炼炉置进行成分和温度精调整，精炼终点C≤30ppm，N≤30ppm，P≤0.01％，S≤0.01％，温度1590℃出钢，在满足连铸浇注成分和过热度要求后送至连铸机浇铸。
实施例2
如图1所示，一种采用低品位直接还原铁原料的低碳炼钢工艺及设备，包括高温链板机、电熔炉、炼钢转炉及吹氩喂丝站和LF精炼炉，其生产工艺包括以下步骤：
S1接受直接还原铁送入电熔炉熔分：竖炉采用低品位矿生产低品位直接还原铁，然后采用高温链板机热送进入电熔炉，热直接还原铁入炉温度约500℃，直接还原铁全铁含量76.23％，金属铁70.9％，金属化率93％，FeO含量6.86％，SiO2含量12.55％，Al2O3含量4.88％，C含量1％，直接还原铁在电熔炉内进行熔分。电熔炉设计产能50万吨/年，变压器容量54MW，熔分过程添加造渣剂，控制炉渣碱度1.0～1.3，电熔炉内温度约1550℃，冶炼电耗560kwh/t钢水，氮气消耗350Nm3/h。电熔炉连续加料，多出铁口、出渣口连续出铁，单出铁口出渣口出铁周期4h，每次出铁水量160t，出渣周期8h，每次出渣量20.8t。
S2初炼钢水冶炼：将步骤S1中铁水加入转炉，通过氧枪向炉内供氧同时向炉内加入造渣材料以进行脱碳、脱磷操作，通过添加增碳剂与氧气反应对炉内进行补热，增碳剂加料量约20kg/t钢；脱碳至转炉终点C0.03～0.05％，P≤0.01％，温度1650℃即可出钢。
S3炉外精炼调整：将步骤S2中钢水经过在线吹氩喂丝站初调成分，然后再经过LF精炼炉置进行成分和温度精调整，精炼终点C≤30ppm，N≤30ppm，P≤0.01％，S≤0.01％，温度1590℃出钢，在满足连铸浇注成分和过热度要求后送至连铸机浇铸。
对比例1
以普通高炉铁水为原料，其工艺流程为高炉—转炉—吹氩喂丝站—LF精炼炉。转炉以铁水为主原料进行冶炼操作，转炉终点C0.03～0.05％，P≤0.01％，温度1670℃，钢水中N含量在20ppm以下，此时即可出钢经在线吹氩喂丝站处理后吊运至LF精炼，精炼终点C≤30ppm，N≤30ppm，P≤0.01％，S≤0.01％，S温度1590℃出钢得到合格钢水。
对比例2
以废钢、高品位金属化球团为原料，其工艺流程为废钢、高品位金属化球团—电炉—LF精炼炉。电炉加入废钢和金属化球团，进行熔炼操作。电炉冶炼终点C≥0.05％，P≤0.015％，温度1690℃出钢，钢水中氮含量在80ppm左右，此时出钢并吊运至LF精炼装置，LF精炼终点C≤50ppm，N≤50ppm，温度1590℃出钢得到合格钢水。
其中实施例1中制备合格钢水工艺，该流程碳排放低，采用天然气还原+电熔炉+电弧炉工艺，全流程碳排放约1.2t碳/t钢。采用氢气还原+绿电电熔炉+绿电电弧炉工艺，则全流程碳排放为0.4t碳/t钢。
实施例2中制备合格钢水工艺，该流程碳排放低，采用天然气还原+电熔炉+转炉工艺，全流程碳排放约1.1t碳/t钢。采用氢气还原+绿电电熔炉+绿电电弧炉工艺，则全流程碳排放为0.3t碳/t钢。
对比例1制备合格钢水的工艺，转炉以高炉铁水为原料，该流程碳排放较高，全流程碳排放2.0～2.2t碳/t钢。
对比例2制备合格钢水的工艺，电炉以废钢和高品位金属化球团为原料，该流程未使用高炉铁水，碳放为0.5t碳/t钢。
实施例1和实施例2采用低品位直接还原铁原料的低碳炼钢方法，将低品位直接还原铁原料加入电熔炉内进行熔分，然后将熔分得到的铁水加入电弧炉或转炉，然后通过氧枪向炉内供氧同时向炉内加入造渣材料以进行脱碳、脱磷和升温等操作，待终点钢水成分和温度满足出钢要求即可出钢。然后将钢水加入炉外精炼装置进行成分和温度精确调整得到合格钢水。这种工艺方法冶炼的是低品位铁矿石生产的直接还原铁，不采用铁水，可有效降低钢铁生产流程碳排放。将来若逐步淘汰高炉+转炉长流程钢厂时，可以采用实施例2的工艺流程，利旧长流程钢厂的转炉和精炼设施，降低设备投资。本发明的生产工艺流程为将来低碳炼钢提供了可靠的生产途径，可推广性高，可适用于大规模生产。
对比例2碳排放含量低，但对原料的要求是废钢和高品位金属化球团，在全球高品位矿储量不足，以及废钢价格较高的情况下(废钢价格比直接还原铁价格高500～1000元/t)，对比例2工艺有一定的局限性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.从氢基竖炉获得直接还原铁原料；
S2.将直接还原铁原料通过热送或者冷送装入电熔炉内；
S3.在电熔炉内通电升温并加入造渣剂，营造还原性气氛直接还原铁被还原熔分，分离出液态铁水和液态渣；
S4.将液态铁水转运至电弧炉或转炉内吹炼为初炼钢水，初炼钢水根据钢种需要直接上连铸机浇铸或者经精炼装置精炼后再送至连铸机浇铸，铁水渣和钢渣均运至渣处理厂处理。
2.根据权利要求1所述的一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，其特征在于：步骤S1中，生产直接还原铁的矿石为T.Fe≤65％的中低品铁矿石。
3.根据权利要求1所述的一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，其特征在于：步骤S1中生产的直接还原铁尺寸不受限制。
4.根据权利要求1所述的一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，其特征在于：步骤S3中，电熔炉炉墙边部多点布料添加造渣剂，边部形成冷区，实现炉壁挂渣及埋弧冶炼，大渣量的冶炼操作。
5.根据权利要求1所述的一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，其特征在于：步骤S3中，电熔炉炉膛内功率密度<0.5MVA/m2。
6.根据权利要求1所述的一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，其特征在于：电熔炉炉温度控制在1450℃～1600℃。
7.根据权利要求1所述的一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，其特征在于：步骤S4中，液态铁水通过转炉冶炼出钢时，热量不足通过添加增碳剂进行补热，通过电弧炉冶炼出钢时，热量不足通过通电升温补热。
8.根据权利要求1所述的一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢方法，其特征在于：步骤S2中热直接还原铁运输方式为气力输送装置、密闭式料罐或高温链板机，冷直接还原铁或HBI运输方式为汽车或胶带机。
9.一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢系统，其特征在于：包括沿物料流动方向顺次设置的氢基竖炉、电熔炉、电弧炉或转炉、连铸机，其中，氢基竖炉用于生产直接还原铁，电熔炉用于熔分直接还原铁以分离出液态铁水和液态渣，电弧炉或转炉用于将液态铁水冶炼为钢水，连铸机用于钢水浇铸。
10.根据权利要求9所述的一种以低品位直接还原铁为原料的低碳炼钢系统，其特征在于：电弧炉或转炉与连铸机之间设有精炼装置，精炼装置为吹氩喂丝站、LF或RH、VD、VOD中的任一种或多种。
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