隧道窯直接還原法應(yīng)用

1954年在瑞典的烏克塞勒松德(Oxelosund)建成一座年產(chǎn)3.5萬(wàn)t海綿鐵的直接還原廠，它是一個(gè)機(jī)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(chǎn)。除瑞典外，在加拿大、墨西哥及美國(guó)在50年代都建立過(guò)年產(chǎn)2萬(wàn)t左右的隧道窯坩堝海綿鐵生產(chǎn)廠。美國(guó)赫格納斯公司(Hoeganaes OSA)1953年建廠于Riverton有2臺(tái)183m的隧道窯，額定生產(chǎn)能力為7萬(wàn)t/a，產(chǎn)品為高純度海綿鐵，用以生產(chǎn)霧化鐵粉，還原劑為煤和油?，F(xiàn)也已停產(chǎn)。

日本60年代為解決冶金鐵粉的需求在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種制取高級(jí)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(jīng)兩段還原及多次磁選分離后得到一種脫碳退火的優(yōu)質(zhì)鐵粉，此產(chǎn)品成分含C約0.003%，F(xiàn)e約99%;日本已建一座年產(chǎn)2萬(wàn)t的還原廠。

80年代蘇聯(lián)為解決特殊鋼生產(chǎn)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(gè)半工業(yè)試驗(yàn)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(xiàng) 由 頓 涅 茨 克 工 學(xué) 院 (ДонецкийПолитехнический Институт)開(kāi)展的工作已取得一定進(jìn)展。

煤基直接還原煉鐵在技術(shù)成熟程度、可靠性和生產(chǎn)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(nèi)只能成為高爐煉鐵的補(bǔ)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(duì)原燃料適應(yīng)性強(qiáng);工藝過(guò)程可控性好;所產(chǎn)液態(tài)鐵水適用于氧氣轉(zhuǎn)爐精煉;可使用高密度能量;傳熱傳質(zhì)好，適于強(qiáng)化生產(chǎn);生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，能耗低和適用于小型化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，已引起世界范圍的重視。預(yù)計(jì)近10年內(nèi)熔融還原流程將陸續(xù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

隧道窯直接還原法由固體反應(yīng)罐法的機(jī)械化發(fā)展而來(lái)。最主要的固體反應(yīng)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(chǎn)歷史，50年代經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化的生產(chǎn)。

該法使用高品位精礦粉(含F(xiàn)e69%～70%)為原料，精礦粉經(jīng)壓制后裝入黏土質(zhì)或碳化硅質(zhì)坩堝中，然后用還原焦粉和石灰在其周?chē)涮?。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(guò)量，以保證還原反應(yīng)充分及冷卻過(guò)程中不被再氧化。坩堝裝料后加蓋但并不密封使還原過(guò)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(tái)車(chē)上送入隧道窯中加熱，在30h內(nèi)使之升溫到1220℃，然后經(jīng)60h的保溫及冷卻，在爐料溫度下降到200℃以下時(shí)出窯，海綿鐵經(jīng)清理、破碎、研磨后用磁選機(jī)分選，產(chǎn)品用于粉末冶金或代替廢鋼用于生產(chǎn)特殊鋼。

該法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)率低是其最大的缺點(diǎn)，然而設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，產(chǎn)品質(zhì)量好是其優(yōu)點(diǎn)，因而此法實(shí)際上仍有一定的應(yīng)用價(jià)值。

隧道窯罐裝法生產(chǎn)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(chē)上推入隧道窯中，料罐經(jīng)預(yù)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(chǎn)工藝的特點(diǎn)：

(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(yuǎn)比富鐵塊礦好解決，同時(shí)，生產(chǎn)中不需要把精礦粉先變成氧化球團(tuán)，生產(chǎn)費(fèi)用也低；還原劑是普通無(wú)煙煤粉或焦碳末，煤中灰分熔點(diǎn)也不要求很高；供熱的燃料是普通動(dòng)力煤或煤粉，有多余高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)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(chǎn)工藝容易掌握，生產(chǎn)過(guò)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(shè)在沿隧道窯長(zhǎng)度方向的兩側(cè)墻上，根據(jù)爐溫的加熱曲線調(diào)整燃量或燃?xì)饬?，使?fàn)t內(nèi)溫度穩(wěn)定地控制在一定的范圍內(nèi)。正常反應(yīng)的爐內(nèi)溫度為950——1180℃。對(duì)于隧道窯車(chē)上的罐連續(xù)地從窯頭裝入窯內(nèi)，經(jīng)過(guò)預(yù)熱段、還原段、保溫緩冷段后，完成還原過(guò)程，進(jìn)入卸料工序；因此，隧道窯工藝容易掌握，過(guò)程容易控制。

(3).設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量均勻

隧道窯海綿鐵工藝的工序環(huán)節(jié)少，設(shè)備簡(jiǎn)單，隧道窯的特殊結(jié)構(gòu)保證了運(yùn)行可靠，隧道窯本身在上述焙燒溫度下壽命很長(zhǎng)，幾乎沒(méi)有故障可出。因?yàn)槊總€(gè)料罐都在同樣的氣氛下，經(jīng)過(guò)同樣時(shí)間的預(yù)熱、焙燒還原、保溫緩冷的過(guò)程，在一定容積的焙燒罐內(nèi)，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(shí)間的條件下必然能得到一定金屬化率的產(chǎn)品。產(chǎn)品質(zhì)量必然是均勻的，生產(chǎn)實(shí)踐已證實(shí)了這一點(diǎn)。

隧道窯直接還原法的鐵精粉與還原劑在圓筒形反應(yīng)罐內(nèi)進(jìn)行還原，反應(yīng)罐裝在有燃燒室和小車(chē)可以從中通過(guò)的隧道窯內(nèi)加熱，反應(yīng)罐冷卻后出窯倒罐取出直接還原鐵管，用機(jī)械刷清除管內(nèi)外粘附的非金屬物質(zhì)的顆粒。 反應(yīng)罐在窯內(nèi)總運(yùn)行時(shí)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(tái)車(chē)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(tái)車(chē)上，隧道窯長(zhǎng)165m，預(yù)熱段50m，均熱和冷卻段分別為55m和60m，窯內(nèi)可停放68個(gè)臺(tái)車(chē)，每個(gè)臺(tái)車(chē)有20個(gè)坩堝，坩堝在1220℃的高溫段停留30小時(shí)，總的停留時(shí)間為90h。主要的還原反應(yīng)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(chǎn)裝置，稱維伯爾法(Wiberg Soderfors process)。此法開(kāi)始是用木炭制造還原氣。后因經(jīng)濟(jì)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(lái)，先后有阿姆科(Armco)法、普羅費(fèi)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(wèn)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(chǎn)。

1968年意大利達(dá)涅利公司與瑞士蒙特福諾公司合作開(kāi)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(mén)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(chǎn)能力為6500t。此法簡(jiǎn)稱為KM法。

1981年。緬甸第三礦業(yè)公司1981～1983年先后引進(jìn)兩套意大利KM法裝置。每套能力為年產(chǎn)2萬(wàn)t，近幾年生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：噸鐵礦耗1.58t、煤（干）耗510kg、燃油耗166kg、電耗74kW·h。平均日產(chǎn)52t，最高日產(chǎn)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(lèi)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(jìn)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(nèi)運(yùn)輸設(shè)備可分為：

（1）車(chē)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(jìn)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(guò)程實(shí)質(zhì)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(yīng)。還原劑可用非結(jié)焦煤。工藝流程見(jiàn)圖1。

鐵礦石、煤與石灰石分別閉路破碎、篩分，取合格粒級(jí)配料與混合，混合料從爐頂部加入，隨下部排料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料沿爐身干燥、預(yù)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(guò)碳化硅磚墻傳入豎爐還原反應(yīng)室并傳導(dǎo)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(yīng)完的殘煤。經(jīng)磁選分離，大于3mm的直接還原鐵入庫(kù)；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(yù)熱段、還原段、水箱冷卻段及螺旋排料機(jī)構(gòu)等組成。反應(yīng)室上部是爐料預(yù)熱段，由一排5根φ280mm×3.1m的AISI310s不銹鋼管組成，爐料在鋼管內(nèi)既有均勻下料，又有受燃燒廢氣預(yù)熱的作用。

反應(yīng)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(zhǎng)、高，加熱面置于窄向兩側(cè)。一座豎爐內(nèi)含6個(gè)反應(yīng)室，單室有效容積為7.2m。反應(yīng)室外部為燃燒室，爐墻長(zhǎng)邊方向每邊沿高度布置15個(gè)短焰燒嘴，窄邊方向每端沿高度布置10個(gè)長(zhǎng)焰燒嘴。反應(yīng)室下部是水箱冷卻段。爐子底部是4個(gè)水平帶水冷套的液壓式螺旋排料機(jī)，既可排料又起控制爐料在反應(yīng)室內(nèi)停留時(shí)間的作用。其他設(shè)備及輔助設(shè)施包括原燃料的破碎系統(tǒng)、豎爐上料提升卷?yè)P(yáng)翻斗、移動(dòng)式布料機(jī)、磁選機(jī)、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(dòng)控制儀表、熱工儀表等。設(shè)備構(gòu)造較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，電耗較低。操作中主要控制還原溫度、還原時(shí)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(duì)難還原礦可稍高一些，但應(yīng)考慮碳化硅磚的承受能力，注意碳化硅磚的保護(hù)。依據(jù)直接還原鐵所需的金屬化率，可調(diào)整排料速度以控制爐料在還原段停留的時(shí)間。