世界金属导报/2009年/4月/28日/第007版
炼钢技术
潘宏伟
在过去十年里，随着世界钢产量的增长，许多钢厂发现获得所需等级的废钢越来越难。因此，电炉生产不得不添加替代性含铁原料，以稀释较差等级废钢中的残余元素。然而，类似生铁和HBI之类的替代性含铁原料也日益缺乏，许多钢厂为获取所需的产品质量和生产率，正在重新考虑往电炉中添加铁水的可能性。随着焦煤的日益贫乏，在其他开发技术如Tecnored技术尚未完全实现的情况下，MBF(minblast furnace)微型高炉成为供应电炉铁水的理想选择。利用生物质转换为活性炭的技术创新性使得该项技术更加引人瞩目。
电炉热装铁水优势
铁水生产是联合钢厂的标准生产工序。许多联合钢厂几经配备了电炉并使用铁水为原料。这样的厂家有：石横特钢、江阴兴澄特钢、乌拉尔钢厂、巴西安塞乐米塔尔茹伊斯迪福拉某厂(33%以上铁水+60%固态/液态生铁)、Hospet钢厂、印度Siscol钢厂、西宁特钢(30%铁水)、韶关钢厂(70%铁水)、无锡三星钢厂(80%
铁水)、济南钢厂(30%铁水)、鄂城钢厂(30%铁水)、通化钢厂(30%铁水)、摩洛哥Sonasid钢厂、美国钢动态公司、美国惠灵匹兹堡钢公司(25%～70%铁水)。
上述厂家所用铁水来自COREX熔融还原炉、MBF、埋弧电炉或冲天炉。南非saldahna钢厂(现属安塞乐米塔尔旗下)，电炉原料包括COREX铁水和MIDREX DRI。
铁水对提高电炉生产率和减少出钢-出钢时间十分有利。热装铁水的好处类似于添加生铁的好处，并且原料温度可达1300℃甚至更高，这样铁水就为电炉提供了所需的大部分热量。根据铁含量，1t 1430℃的铁水可提供大约250kWh的显热。过去存在给电炉加入多少铁水的限制。一般，如果出钢-出钢时间得以优化，则铁水用量取决于最大吹氧速率。Paul Wurth通过实验证实，电炉添加铁水的最佳用量为20%～50%。若电炉使用生铁，一般1%生铁用量可节能3.1～3.6kWh；若热装铁水，1%铁水用量可节能4.8kWh；大量使用铁水可使每吨钢水能耗减至200kWh以下，这对于电网较差的地区十分有利。一般铁水添加量为10%～50%，超过该比例会因脱碳速率的限制而延长出钢-出钢时间。
电炉热装铁水进行冶炼说起来比较容易，实现起来却十分复杂。需要注意装入电炉的铁水并不与电炉中静止的高氧化渣反应。过去采取的铁水装入技术有:(1)从电炉顶部装入铁水；(2)先在电炉内废钢堆中钻孔，然后将铁水装入孔洞中；(3)通过渣孔流槽将铁水倾倒进电炉内；(4)从电炉侧面流槽连续加入铁水。
●生产灵活性
在世界许多地区，电炉热装铁水已经成为一种普遍操作。在中国，由于动力消耗随季节变化波动较大，因此在动力消耗较高的季节，电炉热装的铁水配比较高(达到80%)，而当动力消耗较低时，铁水配比则减至20%。这表明电炉热装铁水进行生产更具灵活性。
美国惠灵匹兹堡钢公司在2007年6～11月电炉生产期间，采用了几种不同的铁水配比进行生产:100%废钢、65%废钢+35%铁水、30%废钢+70%铁水，这再一次说明当废钢短缺时，电炉热装铁水可以灵活调节生产。
热装铁水增加了电炉选择废钢的余地。由于铁水中残余元素含量较低，因此电炉在热装较高的铁水配比时，可以使用较低级别的废钢作为原料。
由于电炉中炉料碳含量回收不稳定，许多钢厂利用高碳原料以期减少生产变化。当电炉使用大量生铁或铁水时，几乎可以不用额外添加含碳原料。假设电炉热装的铁水中碳含量为4%，废
钢用量为92%，每1%铁水可提供0.87磅的碳。那么，20%的铁水将提供约18磅的碳。金属炉料中碳的回收非常高，通常在90%～100%。碳回收率得到进一步提高后，20%的铁水可能提供20～60磅的碳。
●近期实例研究
2002年10月，江阴兴澄特钢电炉的铁水配比为40%～50%。该厂启动小高炉生产铁水，使电炉热装铁水
成为可能。然而，2004年11月废钢价格持续上涨和电力短缺迫使该厂电炉进一步提高铁水配比至50%～60%，甚至一度达到70%。在这种铁水配比下，生产所需能源完全来自化学能(氧气喷吹)，不再额外使用电能。铁水配比30%～40%时，耗电量200～250 kWh/t。
南非saldanha钢厂位于废钢贫乏地区，主要采用当地生产的DRI和铁水。该厂曾经采用30%铁水+70%DRI的配比进行生产，其耗电量450 kWh/t(氧气消耗约30Nm3/t)；也进行了75%铁水+25%DRI的生产，其耗电量200kWh/t(氧气消耗约55 Nm3/t)。
由无锡三星钢厂(70t电炉，出钢-出钢时间55mmin)的生产过程得到如下生产数据:
(1)电炉采用100%废钢进行生产，其耗电量380～400kWh/t，喷吹碳粉9kg/t，氧气消耗35 Nm3/t；
(2)电炉采用25%铁水进行生产，其耗电量250～265kWh/t，有功功率33.5MW，喷吹碳粉1.2～
2.8kg/t，氧气消耗30.5～31.2Nm3/t；
(3)电炉采用30%铁水进行生产，其耗电量200kWh/t；
(4)电炉采用70%铁水进行生产，其耗电量20～50kWh/t；
(5)电炉采用75%铁水进行生产，则完全不需要电能；
韶关钢厂也得到类似的生产数据(出钢量90～100t，出钢-出钢时间35～40min):
(1)电炉采用20%铁水进行生产，其耗电量330kWh/t，
(2)电炉采用30%铁水进行生产，其耗电量300kWh/t；
(3)电炉采用40%铁水进行生产，其耗电量200kWh/t；
(4)电炉采用60%铁水进行生产，其耗电量60kWh/t；
(5)电炉采用70%铁水进行生产，其耗电量30kWh/t；
通过这些实例可以看出，电炉每天使用铁水生产的效率。甚至在高铁水配比条件下也能满足规定的出钢-出钢时间要求。在有些情况下甚至无需消耗电力，通过吹氧即可满足生产。
●铁水冶炼工艺
有许多有效工艺可以提供铁水，然而三种最经济的方式是：传统高炉；Corex工艺；MBF。从投资和操作成本角度来看，这三种方式中最为有效的是MBF。微型高炉(MBF)技术MBF技术有诸多特性能够降低铁水生产成本，这些特性表现在特定范畴内，具体如下:
●设备
(1)通过名为Glendon的金属换热器对鼓入高炉的热风进行预热，其价格比Cowper换热器便宜很多。
(2)MBF顶压较低(0.15～0.30kg/cm2)。仅需维持设备净化废气所需的压力即可，因此减少了顶部密封装置的投资成本。
(3)MBF的适宜高度为13～16m，使其可以用100%小块矿或小粒焦、活性炭冶炼，如粒径为6～12mm或6～24mm的小块矿、3～24mm的小粒烧结矿、4～10mm的小粒球团矿、小块废钢等。
(4)MBF顶部尺寸较小，有利于采用低成本布料设备进行布料。
(5)炉衬耐火材料几乎全由低成本的硅酸铝构成，平均耗量为0.5～0.7kg/t铁水。
(6)较低的耗电量(仅为100～120kWh/t铁水)。
(7)MBF采用热电联产发电，功率为180～220kWh的余压可供低效转换锅炉/涡轮机(16%)使用，330kWh的余压可供高效转换锅炉/涡轮机使用。
(8)喷吹煤粉100～200kg/t铁水，或者喷吹天然气。
(9)典型的全套MBF设备占地仅4公顷。
●原材料
MBF可使用如下还原剂:(1)100%小粒焦；(2)30%石油焦+70%小粒焦；(3)100%活性炭；(4)30%石油焦+70%活性炭。
MBF可使用如下金属料:(1)经Glendons废气热处理的100%小块矿；(2)经Glendons废气热处理的50%～100%小块矿+50%～0%小粒烧结矿；(3)经Glendons废气热处理的100%～50%小块矿+0%～50%球团矿。
●铁水生产成本
90%的生产成来自铁炭原料。
●年产量超过20万t铁水的MBF单位投资成本
(1)在巴西没有PCI系统和热电联合发电的情况下，每年每吨铁水成本150～180美元(巴西汇率为1美元兑换1.8雷亚尔)；(2)热电联合发电设备投资为155～165万美元/MW；(3)煤粉最大喷吹量为150kg/t铁水时，PCI单位投资成本为22～30美元/t铁水。
一般，对于一个年产量22万t铁水的MBF，其有效容积为250m3，在1177bar压力下鼓风量约为38000Nm3/h，空气-金属换热器的预热能力可使风温维持在850℃。全厂占地面积为24000m2。铁矿石料仓大小一般够维持15天的生产，煤粉料仓可维持10天的正常生产。MBF可保证全年98%以上的工作日，其炉衬寿命通常在4～5年，与传统高炉相比并不长，但其内衬成本却十分低廉，MBF内衬使用硅酸铝耐火砖，通常在35天内即更换炉衬。
MBF技术可满足巴西钢铁工业制定的最严格的环境和工人安全规章，该技术可高效利用能源，来自空气预热器(450℃)的废气燃烧产生的余热可用来预热块矿，提高其冶金性能。热电联产发电技术使得MBF技术更加环保，成为关注焦点。
●MBF的优势
在对燃料要求不高，对炉衬寿命影响不大的情况下，MBF可以起到电炉炉尘循环器的作用。值得注意的是，烟尘中高挥发性的重金属含量，因为这些金属会影响废气净化并加速耐火材料侵蚀。对小颗粒的废旧金属，MBF还可充当预熔炉，它们可与传统铁矿石炉料一起加入MBF内。含铁量高的炉尘可被球团化并作为粒状料加入MBF。
微型高炉结合生物质
技术
活性炭是MBF最好的热还原剂，不仅因为其活性高而且它含硫低，可减少铁水精炼过程，使铁水出炉温度低于1400℃。目前的主要问题就是生产MBF所需的活性炭(600kg/t铁水)。下面列举了一些活性炭的生产技术(现应用于巴西)，这些高效环保的技术适用于任何地区。
尽管MBF可以使用小粒焦炭，但生产的铁水需要脱硫，脱硫工艺又会降低铁水温度和产量，因此考虑用活性炭取代小粒焦炭。
木材是低密度可再生能源，其竞争力主要取决于高昂的木材采伐和运输成本。在众多现有的活性炭生产工艺中，在巴西最近有两项成为关注焦点，分别是连续碳化工艺和DPC(Dry-Pyrolysis-Cooling)干燥-热解-冷却工艺。
●连续碳化工艺
连续碳化工艺并不是什么新技术。但是，该技术刚刚开始投入到大型生产中，以维持铁水生产工业，在巴西，该技术的大规模实施始于VMFL CARBOV AL连续碳化工艺的发展。该工艺是基于燃烧部分木材挥发份组成的蒸馏废气(约25%)和外部烧嘴喷入的可燃气体，产生的热流用于干燥木材，并促使木材中的挥发份挥发。整个工艺形成一封闭气体循环系统，烧嘴处的不完全燃烧产生低氧化势的热流。与传统高炉上料原则类似，这些经稍微预热的干燥木材通过料车从MBF顶部入炉，木材供应量自动控制。在碳化过程中，木材经历了不同的工艺阶段和温度。首先，
在温度升高的过程中(70～90℃)木材中的湿度被完全去除，热分解反应开始后，木材的挥发份开始挥发。当木材温度升至450℃时，木材碳化过程结束，得到固定碳含量为75%的成品，符合MBF生产要求。
该工艺得到的主要产品是高质量均质活性炭。其附属产品包括木焦油和电力。在原木切割过程中产生的锯屑和其他生物质残留物可在锅炉燃烧室内燃烧以供发电，剩余电力可销售给电网。燃烧产生的干燥气体进入干燥通道干燥木材，使木材的湿度从40%降至20%以下。
该工艺从木材入炉至最终产品出炉需耗时约12h左右。反应产生的部分剩余气体可以进行压缩储存，其主要成分是木焦油，可作燃料使用或作木油用于化学制剂(如木材防腐油，木醋酸，烟香剂等等)。
在巴西，原木来源于一永续桉树林。因此，该工艺使用可再生能源，并确保所有烟气完全燃烧，以免沼气泄漏。活性炭在联合钢厂供微型高炉使用。冶炼铁水过程中产生的二氧化碳又被桉树林使用和减少沼气泄漏，整个工艺实现了二氧化碳的零排放。因此，该工艺最高效地利用了原木中的质量和能源，以最洁净的方式生产均质活性炭。
●DPC生物质碳化工艺
在DPC工艺中提出了在水平区域实现连续碳化的概念，整个工艺被分割为至少三部分，至少在三个反应
器内可同时、独立运行，实现木材干燥、木材分解和活性炭冷却三大功能。如果只使用一个反应器，则需要借助外部能源完成木材干燥和热分解。
DPC工艺的基本概念:
(1)利用排放气体——无论可否压缩——作为碳化工艺所需的热源；(2)利用热分解排放气体，作为热分解吸热阶段的热源；(3)至少在三个反应器内同时、独立实现木材干燥、热分解和活性炭冷却功能。热分解阶段的排放气体含有大量显热，在燃烧室燃烧这些气体，产生的热气可用来干燥木材。
应用DPC工艺制造活性炭时，5m长的木块可装进移动框送入反应室，反应产生的挥发份(碳氢化合物)为该工艺提供热源并成为热量传输的载体。与连续碳化工艺相似，DPC工艺中也没有燃烧木材的过程，这有利于提高活性炭收益，即每吨干燥木材变成千克活性炭的比例。
不管何种有机材料，通过DPC工艺几乎都可用来生产活性炭，如木材、废气木料、稻草、可可果外壳、骨头、棕榈树、象草和其他生物质材料。
各种程度的机械自动化生产都可以采纳DPC工艺。在当前研究中，木材或象草被装入一种带移动支架反应器的储存桶中，该支架装运生物质并将储存桶装入反应室。反应结束后，将移动式反应器拉出，反应产物被装入活性炭料仓。
铁水温度
不管何种生产活性炭的技术都将产生大量粉尘(木材碳化20%～30%)，这些粉尘可以当作煤粉喷吹到MBF中；另一种更好的选择是替代其他化石型含硫含碳原料喷吹到电炉内以控制泡沫渣。
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