闪速炼钢白皮书

White paper on flash steelmaking

李效东 夏明 黄小兵 邱江波 著

天津闪速炼铁技术有限公司

序言

开始于16年前的闪速炼铁（钢）技术的研究，在发明了“串联闪速炉”之后，可工程化的前景豁然开朗，目标的明确激发了配套研发的活力，发展到现在，丰硕的成果已经覆盖了“科学碳目标倡议”（SBTi）的全部3个范围，更可贵的是，“天闪系”的研发成果显示：支持主体工艺的冶金技术也是支持脱碳工艺的基础技术，打破了范围1，范围2，范围3之间的界线，生产和脱碳运行在同一个技术平台上，支持用户在设计脱碳问题时得以从容。

我们邀请正在规划脱碳问题的钢铁企业和我们一起向利益相关者展示“天闪脱碳”技术并从中受益。

目录

第1章 名词解释... 9

1.1 闪速炼铁... 9

1.2 闪速炼钢... 10

第2章 行业背景... 11

第3章 发展历程... 12

第4章 基础理论建设... 12

4.1 关于闪速炼铁的科学问题及工艺设计基础... 12

摘要... 12

与铁精矿还原有关的基本理论的应用方法及天闪炉工况、工艺环境下特殊理论的研究。 12

4.2 天闪炉冶炼工艺数学模型框架... 25

摘要... 25

天闪炉工况及工艺环境下冶金计算的数据边界。... 25

第5章 基础工艺路线... 34

摘要... 34

下面给出的技术路线，分别代表这个方向上的最基础的应用，每个方向的每条技术路线，都有灵活变化的空间供用户调整。... 34

5.1 以粉煤为原料的闪速炼钢... 35

摘要... 35

建立在具体炉型上的闪速炼钢基本原理的介绍，也是闪速炼钢脱碳量的起点。从30%到100%的脱碳冶炼，基本原理都发自于此。... 35

5.2 以氢气为原料的闪速熔炼高纯铁(或钢). 38

摘要... 38

实现净零排放闪速炼钢的基本型式,假设有绿色的H2。... 38

根据SBTi的界定，本项目的脱碳发生在范围1中，有条件延伸到范围2.但不会包含范围3。... 38

5.3 以甲烷为原料的闪速炼钢... 43

摘要... 43

使用CH4实现净零炼钢的原理和工艺。盘活了化石能源的价值，是一条极具包容性的脱碳路线。... 43

根据SBTi的界定，本项目的脱碳属于范围1，有条件延伸到范围2，但不会包含范围3。 44

5.4 一种高效的CO2转化方法... 48

摘要... 48

这是一种吸收CO2的新工艺，是净零生产的。... 48

根据SBTi的界定，本项目属于范围1的脱碳。... 48

附产品是绿色的合成气。... 48

可以选择增加副产品铁水，钢水，碳黑。本项目极具成本优势。... 48

第6章 典型应用... 52

摘要... 52

本章节是天闪炉的具体应用。... 52

6.1 红土镍矿的闪速熔炼方法... 52

摘要... 52

与现有方法相比：节能3O%以上，清洁生产。产品的含镍量可控，单位产品的生产及建设成本低。... 52

本项目属于基础工艺路线1的一种应用，也可以选择采用基础工艺路线2或3来实现。 53

6.2 分离金属和有机物的方法... 56

摘要... 56

清洁回收电子废弃物中的有价材料。... 56

6.3 一种有价(混合)金属综合回收处理装置及处理方法... 58

摘要... 58

在一个炉子的一次熔炼中分离出3种金属的设备和原理。实现短流程，清洁生产，节能减排。... 58

采用基础工艺路线1，2，3均可实现本项目。... 58

6.4 一种连续冶金装置和冶金方法... 62

摘要... 63

相当于在一个熔炼环境中实现多级冶炼，尤其适应于多金属的高效分离。 63

6.5 一种综合回收烟气中有价金属的除尘装置及方法... 67

摘要... 67

收尘的过程中顺带的分离出金属，尤其适用于高粉尘，高温的烟气。 67

采用基础工艺路线1，2，3均可实现本项目。... 67

6.6 一种氧化和还原气分共存的冶金反应装置... 72

摘要... 72

在闪速冶金的一个熔炼空间中生成氧化和还原两种气分的冶金环境，为更短的流程和更高的效率提供了方法。... 72

6.7 串联闪速炉及冶炼方法... 74

摘要... 74

支持闪速冶金拓展应用的基础炉型，尤其适用于闪速炼钢。... 74

6.8 天闪炉... 83

摘要... 83

一种高效扩展串联闪速炉的方法及炉型。... 83

6.9依托高温换热器构建的闪速循环冶炼系统... 93

摘要... 93

利用冶炼的余热对冶炼产生的CO2进行煤气化重整，重整后的煤气用于冶炼，富余部分作为化工原料被消化。实现冶炼过程的净零排放。... 93

根据SBTi的界定，本项目属于范围1的脱碳。... 93

第7章 关键设备和关键部件的制造... 97

摘要... 97

以下是闪速炼钢工业化应用的设备和零部件的制造方法。... 97

7.1 全急冷冶金炉... 97

摘要... 97

闪速炼钢的冶炼强度至少比高炉大2倍，所以，完全照搬高炉的耐材和炉型结构是不合适的，但是，高炉的冷却水套及挂渣保护的经验是可用的。急冷挂渣，以渣抗渣的效果是可靠可信的。依据这个事实，把它扩展到整个炉子，就是本文全急冷冶金炉。 97

尤其适用于钒钛磁铁矿的冶炼。... 97

7.2 一种高密封性耐高温闸门及其使用方法... 108

摘要... 108

耐温、耐候的闸门一直都很脆弱，严重的限制了设计能力，降低了系统的可靠性。本闸门能解决这个问题。... 108

7.3 一种快速调节烟气流速和降低烟尘率的闪速炉及使用方法 110

摘要... 110

闪速冶金熔炼区气流的高效调节和快速稳定很重要，现实中，最快的手段是用闸门来调节，但闸门由于自身的问题而必须设置得远离熔炼区，致使非熔炼空间巨大，极大的增加了控制模型的复杂性，制约了闪速冶金的能力。本研究解决了这个问题。 110

7.4 一种氧化矿闪速冶金给料器... 112

摘要... 112

它解决了氧化矿闪速冶金所需要的高温还原气体的造气，输送及与矿粉高效混合的问题。... 112

7.5 一种磁性粉料分散方法... 115

摘要... 115

这是一个在周围设置了可变磁场的管状容器，容器中磁力线的改变会带动飘浮于其中的磁性粉料的分布及运动形式。铁精矿是一种磁性粉料，使用该设备，可使铁精矿在进入熔炼空间时获得充分的弥散和有利的运动轨道。例如，使铁精矿在空间均匀分布，或呈螺旋状下降，或向上运动，等等。利用空间电磁场易建，易控的特点，有效地控制住了铁精矿的运动，使空间熔炼的效率大幅提升。... 115

7.6 一种闪速冶金气料一体化供应系统及混料方法... 120

摘要... 120

这是一个最简单的分散粉料的装置，利用矿粉的重力分散矿粉本身。可靠性高。 120

7.7 一种闪速冶金用环形给料喷嘴... 124

摘要... 124

这是一个喷吹粉料的通用设备，有它，闪速冶金拓展应用更加得心应手。 124

7.8 一种闪速炉配气系统及配气冶炼方法... 126

摘要... 126

这是一种利用先进材料来制作高温配气塔(元件)及建立了配套给料装置的设备，它能分散高温高速的气流以及改变气流的方向，为空间熔炼的气粉混合提供了一个好的解决方案。... 126

7.9 一种防堵的氧化矿浸没喷吹给料器... 131

摘要... 131

在硫化矿熔体中能可靠工作的喷管在氧化矿的熔体中就不行，其原因是含硫的结块疏松，在喷管的振动和物料的喷吹下黏结在喷口上的结块没长大就破裂了，喷口不会堵。而氧化矿的熔体中不含硫，喷口的结块不易破裂，而是黏贴在喷口上越长越多，最终堵塞喷管。这一限制极大的阻碍了氧化矿及其它非硫金属矿冶炼技术的进步。本发明妥善地解决了这个问题，使闪速炼钢的熔池喷吹技术得以施展。... 131

7.10 一种密闭式工业窑炉给料装置及工作原理... 132

摘要... 133

密闭式工业窑炉的给料往往会带入对冶炼不利的气体，例如，闪速炼铜带入的氮气可以使炉子的处理量下降5O%。... 133

本装置是不向炉内带入任何气体的一种粉料给料器，且能充分分散矿粉，调节流量。 133

7.11 密闭工业窑炉块料给料器... 137

摘要... 137

这是一种无尘，不漏，向密闭，高温的熔炉内加入块料的装置。... 137

7.12 磁力喷嘴及给料系统... 140

摘要... 140

这是一种磁性粉料给料器，尤其适用于闪速炼钢的给料。... 140

利用磁力可调，易控的特点，用磁力输送，喷射铁精矿粉，使矿粉在熔炼空间中可获得多种姿态，以提高气固混合的效率。... 140

送料过程包含着一个磁力精细选矿功能，脉石被推出来，取走，提高了矿石的入炉品位。... 140

7.13 天闪换热器... 148

摘要... 148

这是专门为高温、高尘设计的换热、除尘一体的换热除尘器。通过它，闪速炼钢产生的热量在熔炼体系中循环，实现了余热最高效率的利用。... 148

有了它，闪速炼钢的系统组合方式陡然丰富起来。... 148

第8章 设计、制造、安装及设备集成... 154

8.1 基于网络和区块链技术构建的产品销售和产品制造系统... 154

摘要... 154

这是一个容纳公众参与的企业管理平台，依托区块链技术构建的公平且有保障的分配机制，把分散在各处的人的智慧采集过来，支持特定的企业行为。 154

用户端程序包括... 154

- 公众参与的创新和研发平台... 154

-企业的采购和制造平台... 154

-产品的溯源平台... 154

第9章 生产运行... 171

摘要... 171

嫁接在网络上运行的数学模型为分布在各地的企业提供服务。... 171

9.1 冶金计算的热力学动力学模型... 171

摘要... 171

深度挖掘犹他大学已公布的试验数据，应用数学原理构建的闪速炼铁/钢动力学模型，其验算结果与试验数据相当。... 171

9.2 基于数学模型控制生产的应用方法及系统... 179

摘要... 179

构建在网络上的数学模型能消除信息孤岛，最大限度地利用网络资源，生成的学习型大脑可以确保该数模始终领先。... 179

第10章 项目的启动方法及花费... 188

摘要... 188

我们并非狐军奋战，美国能源部支持的闪速炼铁研究犹他大学已完成了从理论到实验的全部工作。我们有对闪速冶金设备能力的准确判断及改进这些设备以适应新情况的经验，有成建制的运行闪速冶金的队伍，我们有理由提出符合实际的闪速炼钢行动路线。 188

10.1 关于开展闪速炼钢工业试验的建议... 189

摘要... 189

在高炉炼铁设备齐全且可借用的条件下，做一个试验成功后可以指导建设生产型闪速炼钢项目的试验，新增投资约2000万元人民币。... 189

第11章 相关的题外话... 204

摘要... 204

闪速炼钢的研发意外的收获了绿色能源——H2的生产方法。这是一个与闪速炼钢相媲美的发明，这里预先提一下。... 204

11.1 制氢炉... 204

摘要... 204

采用甲烷生产绿色的氢并获得高附加值的产品碳黑，盘活了化石能源的价值，开创了一条极具包容性的净零新路。... 204

注：后续文章的选编，可能会与目录的次序不同。