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东北大学研发现代高炉最佳镁铝比冶炼技术

发布时间:2019-03-05 13:39:24 来源:中国日报网 查看次数:

  Al2O3是高炉炼铁炉渣的重要成分之一,随着Al2O3含量的不断升高,炉渣流动性差、脱硫能力下降等问题日渐突显,对高炉冶炼造成极大危害。针对这一问题,国际上普遍采用的应对方式是在烧结工艺中添加MgO。然而,如何添加,添加多少最合适,却是一道世界难题。

  东北大学沈峰满教授团队根据高炉炉渣中Al2O3含量的不同,研发了分段确定铝比(MgO/ Al2O3)最佳操作指标的定量方式,掌控了高炉炉渣中铝的黄金分割点,确立了不同条件下铝比的适宜值,推进了我国高炉冶炼的精细化。2018年,该成果获得冶金科学技术一等奖。“该技术总体达到了国际先进水平,特别是对MgO在炼铁工艺中的作用机理研究方面达到国际领先水平。”中国工程院原副院长干勇院士评价道。

  运用相图基本原理破解世界难题

  21世纪初,随着我国进口铁矿用量的不断增加,高炉炉渣中Al2O3含量随之增加,导致炉渣粘度上升、脱硫能力下降,冶金性能变差。针对这种新问题,我国企业普遍采取的应对方式是添加MgO。由于在烧结矿中添加MgO还具有改善烧结矿低温还原粉化的功效,因此人们普遍认为炉渣铝比越高越好,使得铝比处于偏高的不合理范围,虽然保证了冶炼效果,但也造成了MgO资源浪费、能源浪费和环境污染等一系列问题。如何解决这种浪费,世界上没有相关资料。

  沈峰满教授团队自2005年起,开始从事高炉炼铁过程中最佳铝比冶炼技术的研究工作。团队从降低生产成本、降低能耗、减少废弃物与温室气体CO2的排放、同时兼顾MgO效益最大化等多视角出发,运用冶金物理化学基础理论和相图基本原理,通过实验室研究与工业试验相结合的方法,系统地论述了高炉冶炼过程适宜的铝比问题,为高炉冶炼过程中铝比问题确立理论依据。经过大量研究与实践,团队逐步确定了不同条件下的适宜铝比:当炉渣中Al2O3<14%时,可根据生产要求添加mgo;al2o3=15~17%时,适宜铝比为0.40~0.50;当炉渣中al2o3>18%时,适宜铝比为0.45~0.55。这为实现高炉炼铁工艺低成本、低能耗、低排放的现代高炉绿色冶炼模式的形成,奠定了坚实的基础。

  沈峰满教授表示,现代高炉炉渣适宜铝比冶炼技术解决了长期以来一直困扰炼铁界的四个技术问题,一是当前的炼铁条件下必须添加MgO,二是在确保炉渣流动性的前提下,MgO添加量不是越多越好,三是要对不同Al2O3含量的炉渣采取不同的铝比,并给出了适宜铝比定量控制的理论依据,四是要采取适宜的MgO添加方式,使得MgO的正影响最大化、负影响最小化。

  推广应用产生巨大经济社会效益

  2008年起,团队先后与上海梅山钢铁股份有限公司、安阳钢铁股份有限公司、内蒙古包钢钢联股份有限公司等企业共同开发研究适宜铝比的冶炼技术。

  采用新冶炼技术,必须承担失败的风险。为了减少企业的心理负担,沈峰满带领团队成员多次深入企业一线,与工人师傅一起工作,现场解决问题。经过不懈努力,各个钢厂捷报频传。在梅钢、安钢等全国4000m3级以上高炉的实践应用中,铝比约为0.42-0.43,居于与宝钢高炉并列的第一106彩票注册;在包钢的高炉上,铝比也由0.66降低至0.48,也取得了显著的效果。

  沈峰满教授告诉记者,适宜铝比技术对炼铁行业技术进步已经产生了巨大的影响和推动。仅以梅钢106彩票注册为例,由于采用该项技术,炉渣铝比已从2013年的年平均0.51降至2017年的年平均0.43,使得年产720万吨的梅钢每年获得经济效益8100余万元,同时减少了CO2的排放量,取得了显著的经济与社会效益。

  中国是世界第一钢铁大国,目前,虽然部分高炉炉渣的铝比已降低至0.5以下,但仍有许多高炉炉渣铝比在0.5甚至0.6以上。继续推广现代高炉炉渣适宜铝比冶炼技术,尚存在很大的发展空间和广阔的应用前景。

  走进2018年冶金科学技术奖一等奖

  “现代高炉最佳铝比冶炼技术的开发与应用”项目

  冶金科学技术奖励委员会召开,决定对85个项目授予2018年中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖,由东北大学、上海梅山钢铁股份有限公司等四个单位共同完成的“现代高炉最佳铝比冶炼技术的开发与应用”项目荣获2018年冶金科学技术奖一等奖。项目系统地研究了MgO对烧结-球团-高炉冶炼的影响规律及作用机理,并进行了深入的理论分析与现场应用实施。

  普遍认识误区,铝比冶炼技术研究迫在眉睫

  随着我国进口铁矿用量的不断增加,高炉炉渣中Al2O3含量随之增加。对于高炉炉渣Al2O3含量升高带来的炉渣流动性、脱硫能力等冶金性能下降的问题,通常采用在烧结工艺添加MgO的方法加以改善。由于添加MgO还具有改善烧结矿低温还原粉化的功效,因此导致国内普遍存在炉渣铝比(MgO/Al2O3)越高越好的认识误区,使得我国炉渣的铝比处于偏高的不适当范围。

  2015年,我国1000 m3以下高炉渣的平均铝比约为0.68,1000~3000 m3高炉渣的平均铝比约为0.60,3000 m3以上高炉渣的平均铝比约为0.55~0.57。较高的铝比不仅增大了渣量、能耗及资源的消耗,同时也影响烧结生产及烧结矿的质量。因此,研究烧结-高炉各环节适宜的MgO含量和高炉渣中适宜的MgO/Al2O3比例显得十分必要。

  MgO如何添加才能做到优化?

  MgO的添加一般通过烧结矿或球团矿,需要进行现代高炉原燃料条件下烧结-球团-高炉添加MgO协同优化的研究与冶炼技术的开发,旨在探讨现代高炉最佳铝比的冶炼技术,确定烧结矿的最佳MgO含量、球团矿的最佳MgO含量、及高炉渣最佳的MgO/Al2O3操作参数等。

  本项目通过现场分析与生产实践解决了长期以来一直困扰炼铁界的四个技术问题,即当前的炼铁条件下是否必须添加MgO?在确保炉渣流动性的前提下,MgO添加量越多越好吗?对不同Al2O3含量炉渣的最佳铝比如何控制?适宜的MgO添加方式是什么?。

  立足理论,最佳铝比

  该项目开发及取得的研发成果,改善了高炉渣及烧结矿、球团矿冶金性能,减少了炼铁工序的熔剂消耗量,有利于降低高炉渣量、降低燃料比、提高产量。其主要创新点如下:

  (1)建立科学合理利用MgO理论体系。研究立足基础理论,系统论述了高炉冶炼适宜的铝比问题,为高炉炼铁铝比问题确立理论依据。课题从冶金物理化学基础理论出发,通过实验室研究与工业试验,确定了炉渣适宜的铝比,并将此问题上升至理论高度,形成理论体系,指导现场生产。

  (2)对不同Al2O3含量的炉渣中的适宜铝比进行分段控制。

  a)当渣中Al2O3<14%时,MgO可根据生产要求添加;

  b)Al2O3=15~17%时,适宜的铝比控制在0.40~0.50,但需注意炉温的影响;

  c)当渣中Al2O3>18%时,适宜的铝比控制在0.45~0.55。

  (3)制备优质含MgO球团,实现MgO高效、优质利用。根据基础研究开发了优质具有活性的MgO基添加剂,实现MgO在炼铁生产中的高效利用。不仅克服了以往球团矿中添加MgO的负作用,且可以降低球团膨润土用量,实现了球团粘结剂与添加剂的有机统一。

  (4)协同优化,统筹兼顾,实现MgO功效最大化。采用全系统、全视角的方法将MgO在烧结-球团-高炉冶炼各工序中的作用有机联动,兼顾烧结、球团、高炉不同工序对MgO熔剂的需求,科学地提出了合理添加使用MgO的问题,从而提出了最佳铝比操作的理念,实现MgO功效最大化。

  填补空白,国际领先

  项目采用了理论与实际相结合的方法,分析了MgO在整个炼铁工序中的利与弊,形成了“现代高炉最佳铝比冶炼技术”,填补了我国炼铁界缺乏高Al2O3原料操作技术及适宜MgO添加技术的空白,促进了炼铁技术的进步,引导了炼铁行业的发展与技术升级。

  目前本技术已经在上海梅山钢铁股份有限公司、安阳钢铁股份有限公司、内蒙古包钢钢联股份有限公司推广使用,并取得了很好的技术指标,经济与社会效益显著,具有前景广阔的推广应用价值。

  2018年1月22日,中国金属学会在北京组织召开了由上海梅山钢铁股份有限公司和东北大学完成的“现代高炉最佳铝比冶炼技术的开发与应用”科技成果评价会。

  项目评价委员会听取了项目组的研制报告、用户使用报告、经济效益报告及科技查新报告,并审查了全部评价文件资料,经质询、讨论,项目评价委员会认为该项成果总体达到国际先进水平,其中对MgO在炼铁工艺中的作用机理研究方面达到国际领先水平。

  该项目开发及取得的研发成果,改善了高炉渣及烧结矿、球团矿冶金性能,减少了炼铁工序的熔剂消耗量,有利于降低高炉渣量、降低燃料比、提高产量。其主要创新点如下:

  (1)首次采用系统全视角的方法将MgO在烧结-高炉冶炼各工序中的作用联系起来,兼顾烧结、球团、高炉不同工序对MgO熔剂的需求,科学地提出了合理添加使用MgO的问题。课题在统筹研究了MgO在烧结矿、球团矿、风口喷吹及炉渣的适宜含量的基础上,提出了最佳铝比操作的理念。

  (2)在保证烧结矿具有良好低温还原粉化性能的基础上,确定适宜的烧结矿MgO含量,以此提高烧结生产效率,并获得了强度高、还原性好、高温软熔性能好、且低温还原粉化指标稳定的优质烧结矿。同时统筹兼顾了炉渣与球团对MgO的需求,获得了高温强度高、软熔性能好的含MgO球团矿。以改善高炉渣的流动性、热容量、脱硫能力等对MgO的需求为前提,按需求分配使用MgO,使MgO的正影响最大化,负影响最小化,从而做到MgO在全炼铁流程中的功效最大化。

  (3)根据Al2O3含量不同,分段确定最佳铝比操作指标。a)当渣中Al2O3<14%时,mgo根据烧结矿的低温还原粉化指标要求添加;b)al2o3=15%~17%时,铝比应控制在0.40~0.50;c)当渣中al2o3>18%时,铝比应控制在0.45~0.55。

  该项目取得发明专利13件,已在梅钢4号(3200m3)、5号(4070m3)高炉及其烧结工序上应用,铝比降至0.43,渣量降低11.48 kg/tHM,燃料比降至492.5 kg/tHM(降低1.5 kg/tHM)。不仅降低了炼铁成本,还有利于减少CO2和废弃物排放,经济效益和社会效益显著。建议进一步推广应用。

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