轉底爐煉鐵

轉底爐煉鐵，是一項煉鐵新工藝，它以煤炭和熱風為基礎，不用焦炭和氧氣。因為轉底爐工藝既有利於節能減排，又有利於發展循環經濟，目前已成為國內外鋼鐵企業關注和研究的熱點之一。

基本介紹

• 中文名：轉底爐煉鐵
• 外文名：Turn the bottom furnace iron
• 工藝：煉鐵新工藝
• 基礎：煤炭和熱風
• 特點：不用焦炭和氧氣
• 優點：節能減排、利於發展循環經濟

簡介

轉底爐煉鐵工藝是非高爐煉鐵工藝的一種,是近30年才發展起來的,原料適用範圍很廣，不只適用於鐵礦粉，還非常適合處理鋼鐵廠含鐵含鋅粉塵等廢料。轉底爐煉鐵不使用焦炭,而是使用煤作還原劑，因而對環保非常有益。目前該工藝已獲得工業套用，工業化套用較多的國家為日本和美國。我國自20世紀90 年代開始研究，2006 ～2007 年，山東瑞拓球團工程技術公司一座年產能為7萬t轉底爐曾連續生產7個月。因為轉底爐工藝既有利於節能減排，又有利於發展循環經濟，目前已成為國內外鋼鐵企業關注和研究的熱點之一。韓國浦項、我國萊鋼、馬鋼、昆鋼等正在進行轉底爐建設。

轉底爐工藝原理

轉底爐(RHF)工藝的主體設備轉底爐是由軋鋼使用的環形加熱爐演變而來,是一個平坦的、內有耐火材料襯的可以轉動的環形高溫窯爐。其燒嘴位於爐膛上部,所用燃料可以是天然氣、燃油、煤粉等。

爐內的工藝過程是:球團等爐料從裝入區裝入爐內後隨著爐床前進,首先在加熱區被加熱到1000℃以上,然後進入溫度更高的還原區,氧化鋅和氧化鐵通過球團等鐵料中所含的碳進行還原反應。

在還原區,鋅以氣態形式分離出來而被脫除。燃燒及反應所生成的氣體沿著與爐床前進的相反方向流入廢氣系統中。被還原的球團等在爐內稍微冷卻後通過排出裝置排到爐外。轉底爐工藝中,含碳球團等爐料中的碳是主要的燃料,其加熱後產生的揮發份和還原鐵氧化物等產生的CO是主要還原劑,外部燒嘴加熱用燃料只是輔助部分,僅占所需能量的約15%。因此,含碳球團等爐料中的碳利用非常充分,該工藝既有利於節能又有利於減少污染物的排放。一般含鐵料還原時間為半小時以內,所以轉底爐是生產效率較高的工藝。

工藝特點

（1）工藝簡單，對鋼鐵廠產生的含鋅塵泥及各種含鐵原料適應性強；
（2）燃料利用率高，無碳氫化合物排放問題；
（3）採用內配碳自還原，只需外部升溫和傳熱，反應溫度比傳統工藝高300-600℃，反應速度快，球團在爐膛內停留時間短；
（4）整個生產過程採用自動控制，自動化程度高；
（5）採用先進的余能回收技術，最大限度的利用能源；
（6）全部回收除塵灰富含的有用元素，環境保護效果明顯。

轉底爐工藝及其發展現狀

轉底爐工藝有多種,主要包括Fastmet/ Fastmelt、ITmk3、Inmetco /Redsmelt、DryIron、Comet/Sidcomet、H I - Q IP等。

1　使用含碳球團的轉底爐工藝

（1）　Fastmet和Fastmelt工藝

Fastmet和Fastmelt工藝都是由美國和神戶合作開發的。鐵料可以使用鐵精礦,也可以使用鋼鐵廠含鐵粉塵等廢料, 還原劑採用含鐵廢料中含的碳,或者添加一些煤粉,把這些料混合在一起,添加粘結劑造球,成為含碳球團或者自還原球團,粒度為8～12mm,在160～180℃乾燥後送給轉底爐。在轉底爐上鋪厚約20～30mm的球團, 快速加熱達到1 250～1 350℃,使其迅速還原成直接還原鐵(DR I) 。還原過程只需10～20min。

這種工藝脫硫能力較差, DR I的硫含量約0. 15%～0. 4%。所產DR I金屬化率較低。如把這種產品用於煉鋼,會使渣量增加,造成煉鋼的能耗上升和產量下降。所以Fastmet產品一般用於高爐。

新日鐵在廣畑廠共有2座年產能為19萬t的Fastmet轉底爐(分別於2000年和2005年投產)來處理含鐵廢料。神戶加古川廠有1座年產能為1. 6萬t的轉底爐(2001年投產)來處理富鋅含鐵廢料,塵泥含鋅率為0. 7%～0. 9% ,還原鐵的金屬化率為70%～85%。

為了分離渣和鐵,使鐵水可用於熱裝煉鋼,採用轉底爐與埋弧電爐( E IF)雙聯,形成一種二步法熔融還原過程。轉底爐進行“預還原”,電爐實現“終還原”, Fastmelt就是在Fastmet的基礎上開發的具有這種二步法的工藝,用埋弧電爐把直接還原鐵熔融成鐵水,其主要目的是可以生產高品質的鐵水供轉爐使用。

（2）　ITmk3轉底爐工藝

ITmk3工藝由日本神戶鋼鐵公司及美國米德蘭公司聯合開發,在20世紀90年代中後期取得了突破性進展。類似於Fasmet的工藝流程。所不同的是, 它把工藝過程的還原溫度精確地控制在Fe - C平衡相圖中一個固液共存的新區域。在這一溫度範圍內(約1 350～1 450℃) ,含碳球團礦被還原和熔化,鐵水從渣中分離出來,整個過程只需10min就可完成。還原後熔化殘留的FeO很少,因而不存在FeO對耐火材料的破壞。該工藝對還原氣氛的控制也非常獨到,能防止已生成的DR I發生二次氧化,所生產的DR I(粒狀鐵塊)金屬化率很高,但所耗燃氣比Fasmet多。

所用原料很廣,鐵礦粉和低品位鐵礦都能使用,碳原料可用煤、石油焦或其他含碳原料。礦石中氧化物的鐵都轉化為金屬鐵,並且成品中不含FeO,碳含量可以通過碳的加入量和加熱制度控制,最高可達3. 5%。DR I的矽、錳、磷含量則取決於原料的成分,硫含量取決於燃料中硫的含量。

2007年末,神戶鋼鐵公司與美國動力鋼公司達成協定,擬在美國的明尼蘇達Hoyt湖建一座ITmk3商業生產廠,總投資約2. 35億美元,年產能50萬t,計畫於2009年投產。

（3）　Inmetco和RedSmelt工藝

Inmetco工藝是加拿大國際鎳集團( INCO, Ltd)為了處理利用冶金廢棄物而開發的。1978年在美國賓州Ellwood城的國際金屬回收公司建成世界上第一座商用轉底爐,是首例通過處理冶金廠廢棄物進行Zn、Ni、Cr等金屬回收的轉底爐,年處理4. 7萬t循環料,該爐成功運行約30年。該工藝基本與Fasmet相似,但在裝料、爐溫分布、燒嘴形式、高溫廢氣熱量利用等方面有所不同。它是用帶式輸送機和1台專用振動輸送給料機將生球均勻地布到轉底爐的。爐內球團層總厚度為18～22mm (約2～3層球)。日本新日鐵君津廠分別於2000年和2002年各投產了一座這種類型的轉底爐,一座處理低鋅灰塵,另一座處理高爐瓦斯灰和轉爐塵,年處理能力分別為18萬t和14萬t。

近年德國曼內斯曼與義大利匹昂梯公司在In2metco基礎上發展成轉底爐與埋弧爐相結合的聯合流程———RedSmelt,最終產品是鐵水,類似於高爐鐵水。直接還原鐵可以在熱態下送入埋弧爐,電耗約550kW · h / t, 直接還原鐵的設計煤耗約為400kg/ t。之後, SMS Demag用氧煤基熔融爐代替埋弧爐形成RedSmelt NST (New Smelting Technology)工藝,以降低成本。示範廠在義大利Piombino廠建設,年處理含鐵料能力為5. 5萬t。

（4）　美國動力鐵轉底爐工藝

美國動力鐵轉底爐工藝是美國動力鐵公司( ID I: Iron Dynamics Inc)開發的,包括礦石及煤的破碎研磨和製備、造球、轉底爐還原、埋弧爐熔融等工序。含碳球團的平均粒度為11mm,乾燥後使之含水分約1% ,然後預熱至150℃,通過振動輸送系統把球團分層裝入轉底爐內,爐內料層厚度為38. 1～50. 8mm。

轉底爐爐膛外徑為50m。所產直接還原鐵的金屬化率為85% ,溫度1 000℃,DR I可熱態送到埋弧爐。轉底爐廢氣可以預熱燃燒空氣,以及為礦石、煤和球團乾燥器供熱等。埋弧爐有兩個出鐵口和一個出渣口。年產量為50 萬t鐵水,電耗為400 ～500kW·h / t。平均鐵水成分為Fe: 95. 8%、C: 3. 2%、S:0. 025%、Si: 0. 50% ,溫度1 500℃。

2　使用乾壓塊的轉底爐工藝

DryIron轉底爐工藝是美國MR&E 公司開發的,其特點是用自然乾燥的原料和燃料,混合後經高壓成型機造塊,而不用粘結劑。球團中碳與鐵氧化物的重量之比應控制為1. 6 ∶1,可使所產DR I金屬化率達到90%以上。焦粉或非冶金煤與鐵礦石或者鐵氧化物廢料直接混合後壓製成塊,然後,在轉底爐單層裝料,把溫度控制在1 288℃進行高溫輻射加熱。第一座DryIron轉底爐是新日鐵在光廠建設以處理殘渣的,年產能為2. 8萬t,轉底爐外徑為15. 0m,於2001年5月投產。

3　直接把鐵礦粉和煤粉鋪在轉底爐中的工藝

目前,把鐵礦粉和煤粉直接鋪在轉底爐中進行DR I生產的工藝有Comet/Sidcomet、H I - Q IP和Pri2mus工藝。

（1）　Comet工藝

Comet是由盧森堡DRM 研製中心開發的工藝,把鐵精礦和煤粉(加石灰石)在轉底爐內分層布料,料層厚度為6. 4mm左右,加熱時間為20min左右。鐵精礦要求100目占80%,為了脫硫,煤中預先配入了少量石灰石。在原料相同的條件下,產品質量優於含碳球團轉底爐工藝,金屬化率可達92% ,但生產效率低20% ,由於減少了造球設備,設備投資有所降低。

Comet工藝進一步發展成兩段式還原和熔融工藝,稱為Sidcomet工藝,分為轉底爐還原段和埋弧爐段,產品類似於高爐鐵水。計畫在希德馬建一座年產量為75萬t的工業廠,但沒實施。

（2）　H I - Q IP工藝

H I - Q IP (High Quality Iron Pebble Process) 是JFE開發的轉底爐工藝,可以直接使用鐵礦粉和煤粉進行冶煉。該工藝的典型特點是,把含碳料層作為轉底爐的耐火襯、熔融鐵的鑄模和輔助還原劑,因而投資少,成本低,且產品質量高。

把含碳物料(如煤粉,粒度小於3mm)作為轉底爐的底部料層,然後將其表層鋪勻,並在該料層表面做多個杯狀孔洞,孔洞直徑約50mm,深約15mm,間距約70～80mm,然後將鐵礦粉、煤及其它原料混勻後鋪在含碳料層上。在1 500℃的高溫下,混合物中的煤粉氣化後產生的還原氣體作為主要還原劑,底層含碳物料作為輔助還原劑,鐵礦粉被還原和熔融,脈石和灰分隨石灰石一起熔融,形成的生鐵和爐渣流進底部含碳料層的孔洞中,冷卻後形成礫石狀鐵塊和渣塊,然後用螺旋卸料機卸出,整個還原時間約為15min。JFE已完成了中試,證明該工藝是成功的,可以在較高生產率下連續生產。

（3）　Primus工藝

Primus工藝是盧森堡PaulWurth開發的轉底爐工藝,直接使用鐵礦粉,不用造塊設備。主要裝置為多層轉底爐。多層轉底爐是個簡單、緊湊而又可靠的裝置,由幾個相似的單元豎直配置而成。由攪拌臂來移動爐料,攪拌臂由裝有冷卻裝置的旋轉的軸向桿支撐。在每一層,該軸向桿都支撐幾個攪拌臂,可以把爐料從爐牆移到中心,再從中心移到爐牆,然後爐料依靠重力下落到下層,最後從最底層排出。爐子靠安在爐牆的燃燒器加熱,通常廢氣沿著爐子逆向流動。Primus工藝中,爐子工作溫度達1 100℃,固體還原劑(煤)與含鐵物料一起裝入,在爐內進行混合。

在實驗室試驗成功後, Paul Wurth 在Luxem2bourg的Differdange 建一座中試廠,處理安賽樂在Luxembourg的三座電爐廠產生的副產品。設計處理能力為每年8萬t,於2003年年初投產,取得良好效果。

總結

從所用原料角度來講,轉底爐工藝有使用含碳球團的、使用鐵礦粉乾壓塊的和直接使用鐵礦粉的。目前已商業化的轉底爐工藝中,大都是使用含碳球團的,包括Fastmet、Inmetco和美國ID I轉底爐工藝等。使用鐵礦粉乾壓塊的DryIron工藝也實現了商業化生產。

在這些已商業化的轉底爐中,只有美國ID I轉底爐使用鐵礦粉為原料,其它都是用於處理鋼鐵廠含鐵廢料的。一般情況下, Fastmet和Inmetco工藝所產的DR I金屬化率較低,日本把這種產品用於高爐中。

Fastmelt、Redsmelt和美國的ID I工藝可以生產高品質的鐵水,這些鐵水可直接用於轉爐煉鋼。轉底爐中直接使用鐵礦粉的工藝有三種,目前都經過了中試,還沒有工業生產廠。神戶開發的ITmk3工藝中試成功後,計畫於2009年在美國建成一座工業生產廠。ITmk3非常獨特的一點是,其所產粒鐵質量優良,可直接用於煉鋼中。