隧道窯直接還原法發(fā)展展望

煤基直接還原煉鐵在技術成熟程度、可靠性和生產能力等諸方面還不能與高爐煉鐵相比，更談不上取代它，短期內只能成為高爐煉鐵的補充。但直接還原在鋼鐵工業(yè)中的地位日益鞏固。熔融還原具有以非焦煤為能源，可以使用粉礦或塊礦為原料，對原燃料適應性強;工藝過程可控性好;所產液態(tài)鐵水適用于氧氣轉爐精煉;可使用高密度能量;傳熱傳質好，適于強化生產;生產過程簡單，能耗低和適用于小型化生產等一系列優(yōu)點，已引起世界范圍的重視。預計近10年內熔融還原流程將陸續(xù)實現(xiàn)工業(yè)化。

隧道窯直接還原法由固體反應罐法的機械化發(fā)展而來。最主要的固體反應罐法是赫格納斯(Hoganas)直接還原法。它是瑞典人E.Sieurin于1911年發(fā)明的。此法在瑞典已有多年的生產歷史，50年代經過技術改造后實現(xiàn)了機械化的生產。

該法使用高品位精礦粉(含F(xiàn)e69%～70%)為原料，精礦粉經壓制后裝入黏土質或碳化硅質坩堝中，然后用還原焦粉和石灰在其周圍充填。加入的石灰量約為混合料的10%～15%，以保證有良好的脫硫效果。充填方式為間隔式或花格式多種。還原碳需配加過量，以保證還原反應充分及冷卻過程中不被再氧化。坩堝裝料后加蓋但并不密封使還原過程生成的CO從坩堝中排出后在窯中燃燒，這能提供所需熱量的約80%。裝料后的坩堝排列在臺車上送入隧道窯中加熱，在30h內使之升溫到1220℃，然后經60h的保溫及冷卻，在爐料溫度下降到200℃以下時出窯，海綿鐵經清理、破碎、研磨后用磁選機分選，產品用于粉末冶金或代替廢鋼用于生產特殊鋼。

該法生產周期長、生產率低是其最大的缺點，然而設備簡單，操作容易，產品質量好是其優(yōu)點，因而此法實際上仍有一定的應用價值。

1954年在瑞典的烏克塞勒松德(Oxelosund)建成一座年產3.5萬t海綿鐵的直接還原廠，它是一個機械化程度很高的現(xiàn)代化工廠，其工藝能耗為16.75GJ/t，其中12.56GJ/t是用煤加熱，其余4.18GJ/t是用油加熱，電耗為100～200kWh/t。該廠現(xiàn)已停產。除瑞典外，在加拿大、墨西哥及美國在50年代都建立過年產2萬t左右的隧道窯坩堝海綿鐵生產廠。美國赫格納斯公司(Hoeganaes OSA)1953年建廠于Riverton有2臺183m的隧道窯，額定生產能力為7萬t/a，產品為高純度海綿鐵，用以生產霧化鐵粉，還原劑為煤和油。現(xiàn)也已停產。

日本60年代為解決冶金鐵粉的需求在此基礎上發(fā)展了一種制取高級鐵粉的方法稱做川崎鐵粉法Kip(Kawasaki Iron Powder)系采用純凈的48目的氧化鐵皮為原料，經兩段還原及多次磁選分離后得到一種脫碳退火的優(yōu)質鐵粉，此產品成分含C約0.003%，F(xiàn)e約99%;日本已建一座年產2萬t的還原廠。

80年代蘇聯(lián)為解決特殊鋼生產所需超純凈重型廢鋼的需要，在烏克蘭馬基也夫(Г.Макеев)工廠建立了一個半工業(yè)試驗的隧道窯，采用高品位精礦和低灰分的煤為原料，造塊成型，利用天然氣在隧道窯中加熱還原，該 項 由 頓 涅 茨 克 工 學 院 (ДонецкийПолитехнический Институт)開展的工作已取得一定進展。

隧道窯罐裝法生產直接還原鐵是將精礦粉、煤粉、石灰石粉，按照一定的比例和裝料方法分別裝入還原罐中，然后把罐放在窯車上推入隧道窯中，料罐經預熱1150℃加熱還原和冷卻之后，使精礦粉還原，得到海綿鐵的方法。 隧道窯生產工藝的特點：

(1).原料、還原劑、燃料容易解決

此方法使用的原料是精礦粉（或鐵鱗），這遠比富鐵塊礦好解決，同時，生產中不需要把精礦粉先變成氧化球團，生產費用也低；還原劑是普通無煙煤粉或焦碳末，煤中灰分熔點也不要求很高；供熱的燃料是普通動力煤或煤粉，有多余高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣、混合煤氣、石油氣的地方也可用這些氣體做熱源，還可使用發(fā)生爐煤氣或重油作為熱源。

(2).生產工藝容易掌握，生產過程容易控制

隧道窯工藝采用煤、煤氣、重油或煤粉的加熱方式，燃燒室設在沿隧道窯長度方向的兩側墻上，根據(jù)爐溫的加熱曲線調整燃量或燃氣量，使爐內溫度穩(wěn)定地控制在一定的范圍內。正常反應的爐內溫度為950——1180℃。對于隧道窯車上的罐連續(xù)地從窯頭裝入窯內，經過預熱段、還原段、保溫緩冷段后，完成還原過程，進入卸料工序；因此，隧道窯工藝容易掌握，過程容易控制。

(3).設備運行穩(wěn)定，產品質量均勻

隧道窯海綿鐵工藝的工序環(huán)節(jié)少，設備簡單，隧道窯的特殊結構保證了運行可靠，隧道窯本身在上述焙燒溫度下壽命很長，幾乎沒有故障可出。因為每個料罐都在同樣的氣氛下，經過同樣時間的預熱、焙燒還原、保溫緩冷的過程，在一定容積的焙燒罐內，精礦粉和煤粉按照一定的比例和裝料方法裝入焙燒罐后，在一定的焙燒溫度和焙燒時間的條件下必然能得到一定金屬化率的產品。產品質量必然是均勻的，生產實踐已證實了這一點。

隧道窯直接還原法的鐵精粉與還原劑在圓筒形反應罐內進行還原，反應罐裝在有燃燒室和小車可以從中通過的隧道窯內加熱，反應罐冷卻后出窯倒罐取出直接還原鐵管，用機械刷清除管內外粘附的非金屬物質的顆粒。 反應罐在窯內總運行時間包括加熱、還原、冷卻共48h左右。

赫格納斯法的工藝流程、隧道窯和臺車坩堝如圖1所示。原料為高品位精礦和低灰分焦粉，用燃料油加熱。圓筒坩堝直徑450mm，高約2.5m裝在軌道臺車上，隧道窯長165m，預熱段50m，均熱和冷卻段分別為55m和60m，窯內可停放68個臺車，每個臺車有20個坩堝，坩堝在1220℃的高溫段停留30小時，總的停留時間為90h。主要的還原反應為

Fe₃O₄ 4C=3Fe 4CO

典型的赫格納斯直接還原鐵成分為：TFe～97%，MFe約93.0%，金屬化率約95.9%，F(xiàn)e約4.0%，C約0.2%，S約0.008%，P約0.012%;脈石約1.6%。

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豎爐直接還原法是1932年由馬丁·韋伯(Wiberg)發(fā)明的在瑞典建成了第一座生產裝置，稱維伯爾法(Wiberg Soderfors process)。此法開始是用木炭制造還原氣。后因經濟上的原因，改用焦炭制氣。60年代，隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，以天然氣為能源的豎爐直接還原法蓬勃興起。30多年來，先后有阿姆科(Armco)法、普羅費爾(Purofer)法、米德萊克斯(Midrex)法、NSC和希爾(HYL)法等豎爐直接還原法問世。70年代初，用煤做還原劑的外熱式豎爐直接還原法(KM法)投入生產。

1968年意大利達涅利公司與瑞士蒙特福諾公司合作開始研究鐵礦石直接還原，并于1971年成立金洛—梅托（Kinglor-Metor）礦業(yè)和冶金公司，專門研究外熱式豎爐煤基直接還原煉鐵。并隨后獲得專利。1973年在意大利北部布特里奧（Buttrio）建立了中試廠，年生產能力為6500t。此法簡稱為KM法。

1981年。緬甸第三礦業(yè)公司1981～1983年先后引進兩套意大利KM法裝置。每套能力為年產2萬t，近幾年生產數(shù)據(jù)統(tǒng)計：噸鐵礦耗1.58t、煤（干）耗510kg、燃油耗166kg、電耗74kW·h。平均日產52t，最高日產62.5t，利用系數(shù)為1.2～1.3t/m·d。

隧道窯有各種不同的分類方法，大致歸納為：

1．按照燒成溫度的高低可分為：

（1）低溫隧道窯(1000~1350℃)；

（2）中溫隧道窯(1350~1550℃)；

（3）高溫隧道窯(1550~1750℃)；

（4）超高溫隧道窯(1750~1950℃)。

2．按照燒成品種可分為：

（1）耐火材料隧道窯；

（2）陶瓷隧道窯；

（3）紅磚隧道窯。

3．按熱源可分為：

（1）火焰隧道窯；

（2）電熱隧道窯。

4．按火焰是否進入隧道可分為：

（1）明焰隧道窯；

（2）隔焰隧道窯；

（3）半隔焰隧道窯。

5．按窯內運輸設備可分為：

（1）車式隧道窯；

（2）推板隧道窯；

（3）輥底隧道窯；

（4）輸送帶隧道窯；

（5）步進式隧道窯；

（6）氣墊式隧道窯。

6．按通道多少可分為：

（1）單通道隧道窯；

（2）多通道隧道窯。

該法的還原過程實質是煤中的碳在高溫下氣化生成的CO與鐵礦石中鐵氧化物發(fā)生多相高溫冶金物化反應。還原劑可用非結焦煤。工藝流程見圖1。

鐵礦石、煤與石灰石分別閉路破碎、篩分，取合格粒級配料與混合，混合料從爐頂部加入，隨下部排料機構轉動，物料沿爐身干燥、預熱、還原、冷卻各段逐步下降。豎爐燃燒室的加熱采用氣體或液體燃料。燃燒室的熱量通過碳化硅磚墻傳入豎爐還原反應室并傳導至爐料中心。還原后的排出料包括直接還原鐵、煤灰和未反應完的殘煤。經磁選分離，大于3mm的直接還原鐵入庫；大于3mm的剩煤可作返煤摻入新煤中再利用。豎爐由裝料漏斗、干燥段、預熱段、還原段、水箱冷卻段及螺旋排料機構等組成。反應室上部是爐料預熱段，由一排5根φ280mm×3.1m的AISI310s不銹鋼管組成，爐料在鋼管內既有均勻下料，又有受燃燒廢氣預熱的作用。

反應室中部為還原段，由碳化硅磚砌成，高度10.4m，截面呈矩形，上口小，下口大，爐型窄、長、高，加熱面置于窄向兩側。一座豎爐內含6個反應室，單室有效容積為7.2m。反應室外部為燃燒室，爐墻長邊方向每邊沿高度布置15個短焰燒嘴，窄邊方向每端沿高度布置10個長焰燒嘴。反應室下部是水箱冷卻段。爐子底部是4個水平帶水冷套的液壓式螺旋排料機，既可排料又起控制爐料在反應室內停留時間的作用。其他設備及輔助設施包括原燃料的破碎系統(tǒng)、豎爐上料提升卷揚翻斗、移動式布料機、磁選機、殘煤和煤灰分離器、爐頂氣與燃燒廢氣返回利用系統(tǒng)。此外，還有配料、加料、排料和溫度自動控制儀表、熱工儀表等。設備構造較簡單，運動部件少，電耗較低。操作中主要控制還原溫度、還原時間和排料速度。這些參數(shù)隨不同原料特性而變化。還原段溫度一般控制在1000～1050℃，對難還原礦可稍高一些，但應考慮碳化硅磚的承受能力，注意碳化硅磚的保護。依據(jù)直接還原鐵所需的金屬化率，可調整排料速度以控制爐料在還原段停留的時間。