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　　摘要：轉(zhuǎn)底爐煉鐵是一項煉鐵新工藝,它以煤炭和熱風為基礎(chǔ),不用焦炭和氧氣。本文介紹了它的原理和發(fā)展過程,對目前國外轉(zhuǎn)底爐煉鐵發(fā)展和工藝進行了綜合闡述,同時,對中國引進和發(fā)展這項技術(shù)闡述了其必要性和可行性。并就轉(zhuǎn)底爐在我國的發(fā)展和前景進行論述。

　　關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)底爐,煉鐵,直接還原

　　1引言

　　轉(zhuǎn)底爐煉鐵工藝是非高爐煉鐵工藝的一種,是近30年才發(fā)展起來的,主體設(shè)備源于軋鋼用的環(huán)形加熱爐，原料適用范圍很廣,不只適用于鐵礦粉,還非常適合處理鋼鐵廠含鐵含鋅粉塵等廢料。由于這一工藝無需燃料的制備和原料的深加工，對合理利用自然資源、保護人類環(huán)境有積極的作用，與其他煉鐵方法相比較,轉(zhuǎn)底爐優(yōu)點在于對原料、燃料和還原劑的要求比較靈活,工藝簡單,設(shè)備易于制造。因而投資少,成本低。因而受到了冶金界的普遍關(guān)注。目前該工藝已獲得工業(yè)應(yīng)用,工業(yè)化應(yīng)用較多的國家為日本和美國。

　　2基本原理

　　轉(zhuǎn)底爐以含碳球團礦(或壓塊)為原料,其配方為鐵礦粉、煤粉和黏結(jié)劑,煤粉的配加量根據(jù)鐵礦粉含O2量和煤粉含C量,按照C/O(碳和氧的摩爾比)大致等于1計算;黏結(jié)劑的配加量以能使生球(或壓塊)的強度滿足工藝要求,過多的黏結(jié)劑不僅使生產(chǎn)成本增加,同時還可能降低產(chǎn)品的品質(zhì)。如果鐵礦粉為赤鐵礦,制成的生球(或壓塊)在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)高溫烘烤下,發(fā)生如下的反應(yīng):

　　3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2(l)

　　2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO2(2)

　　6FeO+6CO=6Fe+6CO2(3)

　　9CO2+9C=9CO(4)

　　3Fe2O3+9C=6Fe+9CO(5)

　　(△H)25℃:862.5kcal/KgFe

　　轉(zhuǎn)底爐內(nèi)溫度很高(1200一1400℃),當生球(或壓塊)內(nèi)部有足夠的C時,Cq不能穩(wěn)定存在,必然和C反應(yīng)(見反應(yīng)式(4)),因此,最終以反應(yīng)式(5)進行,為吸熱反應(yīng)。上述化學(xué)反應(yīng)在高溫下進行的速度很快,一般只要20min左右。

　　3工藝流程

　　轉(zhuǎn)底爐的工藝流程比較簡單,如圖1所示:鐵礦粉、鋼鐵廠粉塵、煤粉和貓結(jié)劑存放在料倉之中,經(jīng)過配料和混合,進人壓球機,壓制成含碳球團礦,然后送進烘干機,除去水分,裝人轉(zhuǎn)底爐。

　　含碳球團礦在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)均勻地鋪在爐底上(只鋪一層),在高溫下球團礦內(nèi)的氧化鐵與碳反應(yīng),釋放出的CO在爐膛里燃燒成CO2。與煤氣燃燒生成廢氣混合,形成高溫廢氣。

　　高溫廢氣的溫度在1000℃以上,引出轉(zhuǎn)底爐后,經(jīng)過蓄熱室和換熱器,回收其攜帶的熱能,同時將煤氣和助燃空氣分別預(yù)熱到400℃和900℃。低溫廢氣從蓄熱室和換熱器引出,再用于生球的烘干。

　　圖1轉(zhuǎn)底爐工藝流程圖

　　Fig.1FlowchartforproductionofRHF

　　4轉(zhuǎn)底爐工藝的發(fā)展過程

　　轉(zhuǎn)底爐的發(fā)展到目前已有30多年的歷史,主要經(jīng)歷了3個階段。

　　(1)INMETCO和Fastmet工藝

　　INMETCO工藝是1978年加拿大國際鎳集團(INCO,Ltd)為了處理利用冶金廢棄物,在美國賓州Ellwood城的國際金屬回收公司研發(fā)建成的世界上第一座具有生產(chǎn)規(guī)模的轉(zhuǎn)底爐,并因此而命名為INMETCO[1],它也是首例利用冶金廠廢棄物并同時進行Zn,Ni,Cr等金屬回收的轉(zhuǎn)底爐。它既可用來還原鐵礦石,也可處理冶金廠產(chǎn)生的粉塵,以及其它含鐵廢棄物、含鉻氧化物、生產(chǎn)不銹鋼的廢棄物、廢電池以及酸洗殘渣等。該爐成功運行約30年,成為美國政府指定的處理冶金廢棄物中心,因此該廠具有較好的經(jīng)濟效益。

　　Fastmet工藝是由著名直接還原公司Midrex的前身MidlandRossCorporation于60年代開發(fā)的HeatFastProcess演變而來,80年代前期轉(zhuǎn)向利用轉(zhuǎn)底爐(RHF)煉鐵。

　　以上兩種工藝雖然實現(xiàn)了冶金廢棄物的再利用,但是它還不能把料中的鐵與脈石和煤中灰分分離,而這些雜質(zhì)必然進入煉鋼過程,使渣量增加,造成煉鋼的能耗上升和產(chǎn)量下降。

　　(2)Fastmelt工藝和IDP工藝等

　　為了分離渣和鐵,使鐵水可用于熱裝煉鋼,爐渣用來制成水泥或其它建材。國外一般采用埋弧電爐(礦熱爐)作為熔分手段。即:使轉(zhuǎn)底爐與電爐(熔分爐)雙聯(lián),形成一種二步法熔融還原過程。轉(zhuǎn)底爐作為預(yù)還原,而電爐實現(xiàn)終還原,從而實現(xiàn)熱DRI[1]裝入電爐熔分,獲得鐵水,熱裝入電爐煉鋼或鐵水鑄塊。這就是Fastmelt[2]工藝,是由美國Midrex公司開發(fā)的。

　　IronDynamicsProcess(IDP)是由美國動力鋼公司(SteelDynamics,Inc.)開發(fā),于1996年組建動力鐵公司(IronDynamics,Inc.簡稱IDI)。動力鐵公司擁有目前世界上最大的煉鐵轉(zhuǎn)底爐,年產(chǎn)能力為50萬t鐵水,轉(zhuǎn)底爐外徑為50m,爐床寬7m,以天然氣為燃料。

　　除以上兩種工藝外,國際上還有很多冶金公司試圖研發(fā)更加有效的轉(zhuǎn)底爐工藝,如由盧森堡CRM研究中心開發(fā)的COMET[3]轉(zhuǎn)底爐工藝,其特點是不需要造球,鐵礦粉和煤粉分層鋪在轉(zhuǎn)底爐上;由美國MR&E公司開發(fā)的DryIron工藝[4,5],其特點是用自然干燥的原料和燃料,并不用粘結(jié)劑,混合料經(jīng)高壓成型機壓制成型(塊狀);由德國曼內(nèi)斯德馬格公司開發(fā)的Redsmelt工藝,計劃為NSM帶鋼廠(年產(chǎn)鋼150萬t)的煉鋼電弧爐提供鐵水熱裝。DRI出轉(zhuǎn)底爐后趁熱(900℃)加入熔化的電爐中,獲得鐵水,計算成本為每噸鐵水168.85美元,低于同等條件下的高爐和其它熔融還原的鐵水。

　　圖2FASTMET和FASTMELT的工藝流程

　　(3)Itmk3第三代煉鐵法

　　日本神戶制鋼與美國米德蘭(Midrex)公司聯(lián)合開發(fā)轉(zhuǎn)底爐直接還原新工藝(Fastmet),在20世紀90年代中后期取得了突破性進展,使金屬化球團(直接還原鐵,DRI,海綿鐵)在轉(zhuǎn)底爐中還原時輕度熔化,生成鐵塊(Nuggets),同時脈石也熔化,形成渣鐵初步分離。此法的成功,將解脫DRI對原料品位的苛求,能用普通的高爐用鐵礦為電爐提供優(yōu)質(zhì)鐵料。因此意義重大,被命名為第三代煉鐵法(Itmk3)。他們把高爐稱為第一代煉鐵法,產(chǎn)品屬高碳液態(tài)鐵水;把直接還原稱為第二代煉鐵法,產(chǎn)品屬低碳固態(tài)鐵;第三代煉鐵法的產(chǎn)品介于二者之間,屬中碳準熔化(或半熔)狀態(tài)。

　　圖3ITmk3轉(zhuǎn)底爐工藝示意圖

　　5轉(zhuǎn)底爐的產(chǎn)品

　　轉(zhuǎn)底爐可以生產(chǎn)直接供電爐用的海綿鐵(DRI),但是需要高品位的鐵礦和低灰分和低硫的煤炭作為還原劑,方能使產(chǎn)品的TFe達到90%,金屬化率同時達到90%。理論計算表明,磁鐵礦的TFe應(yīng)當達到69.5%,赤鐵礦應(yīng)為68.5%,作為還原劑的煤粉灰分不大于4%,S低于0.6%。

　　如果用普通的高爐礦,含鐵品位在64%左右,一般的煤炭含灰分在12%的水平,轉(zhuǎn)底爐得到的產(chǎn)品含TFe約78%,金屬化率在85%左右,脈石的總含量為18%一19%。這種產(chǎn)品雖然也可以裝人電爐,但會導(dǎo)致渣量大,電耗高,未必經(jīng)濟。國外采取電爐熔分的辦法,將這種產(chǎn)品再裝進礦熱爐冶煉,得到生鐵和液態(tài)的爐渣,每冶煉出1t生鐵約耗電500kw·h。我國的電價較貴,電力供應(yīng)也比較緊張,不宜采用電爐熔分。若將這種產(chǎn)品作為高爐的金屬化爐料,與高堿度燒結(jié)礦配合使用,可以將高爐的“精料”提高到更高的水平。

　　從20世紀60年代起,美國、加拿大、日本和前蘇聯(lián)都曾做過高爐用金屬化爐料的冶煉試驗,配比從30%一95%,試驗表明,可以增產(chǎn)、節(jié)焦,技術(shù)效果是肯定的,但當時金屬化爐料用天然氣生產(chǎn),成本太高,經(jīng)濟不合算。如今用轉(zhuǎn)底爐,以煤為基礎(chǔ),成本低了。理論計算表明,只要使用金屬化率高于65%的爐料,生鐵的成本便明顯低于一般高爐生鐵的成本(見表1)。

　　當然,也可以模仿COREX工藝過程,以轉(zhuǎn)底爐作為預(yù)還原設(shè)備,使爐料的金屬化率達到90%,再裝進終還原爐繼續(xù)還原和熔分。

　　表1高爐使用金屬化爐料的計算

　　6能耗與環(huán)保

　　轉(zhuǎn)底爐煉鐵新工藝與傳統(tǒng)的高爐煉鐵相比較,省去了煉焦、減少燒結(jié)、球團等工序,所以節(jié)能是顯而易見的。況且轉(zhuǎn)底爐本身的能量利用效率很高,排出的廢氣中幾乎沒有未燃燒的CO,而且經(jīng)過換熱和烘干生球,廢氣的排放溫度也低于100℃。

　　轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)過程中全部使用循環(huán)水冷卻,沒有污水排放。采用壓球工藝,使粉塵大幅度減少,再經(jīng)過除塵,廢氣含塵量可以降到50rng/m3以下,大大低于國家規(guī)定的標準。原料和燃料帶來的S,大部分固化在爐渣之中,SO2的排放量為340rng/m3,也低于國家規(guī)定的限度。

　　7結(jié)論

　　(l)轉(zhuǎn)底爐煉鐵是近20年發(fā)展起來的新工藝,它以煤炭為能源和還原劑,不用氧氣,設(shè)備簡單,易于操作,投資節(jié)省,成本低廉。

　　(2)轉(zhuǎn)底爐因鐵礦粉和煤炭品質(zhì)的不同,可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品,有可供直接人電爐的高品位海綿鐵,也能夠生產(chǎn)“珠鐵,’;但用一般原料、燃料生產(chǎn)的金屬化爐料更具有普遍實用價值。

　　(3)轉(zhuǎn)底爐省去了煉焦、燒結(jié)等工藝,廢氣帶走的熱量少,因此,可以節(jié)能。耗水量小,沒有污染;排放的廢氣中粉塵和SO2等有害物資的攜帶量也大大低于國家規(guī)定的標準。

　　(4)轉(zhuǎn)底爐的生產(chǎn)規(guī)模尚不夠大,生產(chǎn)效率較低,爐底的利用系數(shù)只有60一80Kg/(m2·h),尚需繼續(xù)研究改進。

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