轉(zhuǎn)底爐法含鐵塵泥金屬化球團(tuán)

金俊、黃發(fā)元等。 2100433B

馬鞍山鋼鐵股份有限公司、冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院。

從所用原料角度來(lái)講,轉(zhuǎn)底爐工藝有使用含碳球團(tuán)的、使用鐵礦粉干壓塊的和直接使用鐵礦粉的。已商業(yè)化的轉(zhuǎn)底爐工藝中,大都是使用含碳球團(tuán)的,包括Fastmet、Inmetco和美國(guó)ID I轉(zhuǎn)底爐工藝等。使用鐵礦粉干壓塊的DryIron工藝也實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。

在這些已商業(yè)化的轉(zhuǎn)底爐中,只有美國(guó)ID I轉(zhuǎn)底爐使用鐵礦粉為原料,其它都是用于處理鋼鐵廠含鐵廢料的。一般情況下, Fastmet和Inmetco工藝所產(chǎn)的DR I金屬化率較低,日本把這種產(chǎn)品用于高爐中。

Fastmelt、Redsmelt和美國(guó)的ID I工藝可以生產(chǎn)高品質(zhì)的鐵水,這些鐵水可直接用于轉(zhuǎn)爐煉鋼。轉(zhuǎn)底爐中直接使用鐵礦粉的工藝有三種,都經(jīng)過(guò)了中試,還沒(méi)有工業(yè)生產(chǎn)廠。神戶(hù)開(kāi)發(fā)的ITmk3工藝中試成功后,計(jì)劃于2009年在美國(guó)建成一座工業(yè)生產(chǎn)廠。ITmk3非常獨(dú)特的一點(diǎn)是,其所產(chǎn)粒鐵質(zhì)量?jī)?yōu)良,可直接用于煉鋼中 。2100433B

轉(zhuǎn)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(tuán)的轉(zhuǎn)底爐工藝

（1）　Fastmet和Fastmelt工藝

Fastmet和Fastmelt工藝都是由美國(guó)和神戶(hù)合作開(kāi)發(fā)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, 還原劑采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(jié)劑造球,成為含碳球團(tuán)或者自還原球團(tuán),粒度為8～12mm,在160～180℃干燥后送給轉(zhuǎn)底爐。在轉(zhuǎn)底爐上鋪厚約20～30mm的球團(tuán), 快速加熱達(dá)到1 250～1 350℃,使其迅速還原成直接還原鐵(DR I) 。還原過(guò)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(chǎn)DR I金屬化率較低。如把這種產(chǎn)品用于煉鋼,會(huì)使渣量增加,造成煉鋼的能耗上升和產(chǎn)量下降。所以Fastmet產(chǎn)品一般用于高爐。

新日鐵在廣畑廠共有2座年產(chǎn)能為19萬(wàn)t的Fastmet轉(zhuǎn)底爐(分別于2000年和2005年投產(chǎn))來(lái)處理含鐵廢料。神戶(hù)加古川廠有1座年產(chǎn)能為1. 6萬(wàn)t的轉(zhuǎn)底爐(2001年投產(chǎn))來(lái)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,使鐵水可用于熱裝煉鋼,采用轉(zhuǎn)底爐與埋弧電爐( E IF)雙聯(lián),形成一種二步法熔融還原過(guò)程。轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行“預(yù)還原”,電爐實(shí)現(xiàn)“終還原”, Fastmelt就是在Fastmet的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)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(chǎn)高品質(zhì)的鐵水供轉(zhuǎn)爐使用。

（2）　ITmk3轉(zhuǎn)底爐工藝

ITmk3工藝由日本神戶(hù)鋼鐵公司及美國(guó)米德蘭公司聯(lián)合開(kāi)發(fā),在20世紀(jì)90年代中后期取得了突破性進(jìn)展。類(lèi)似于Fasmet的工藝流程。所不同的是, 它把工藝過(guò)程的還原溫度精確地控制在Fe - C平衡相圖中一個(gè)固液共存的新區(qū)域。在這一溫度范圍內(nèi)(約1 350～1 450℃) ,含碳球團(tuán)礦被還原和熔化,鐵水從渣中分離出來(lái),整個(gè)過(guò)程只需10min就可完成。還原后熔化殘留的FeO很少,因而不存在FeO對(duì)耐火材料的破壞。該工藝對(duì)還原氣氛的控制也非常獨(dú)到,能防止已生成的DR I發(fā)生二次氧化,所生產(chǎn)的DR I(粒狀鐵塊)金屬化率很高,但所耗燃?xì)獗菷asmet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(zhuǎn)化為金屬鐵,并且成品中不含F(xiàn)eO,碳含量可以通過(guò)碳的加入量和加熱制度控制,最高可達(dá)3. 5%。DR I的硅、錳、磷含量則取決于原料的成分,硫含量取決于燃料中硫的含量。

2007年末,神戶(hù)鋼鐵公司與美國(guó)動(dòng)力鋼公司達(dá)成協(xié)議,擬在美國(guó)的明尼蘇達(dá)Hoyt湖建一座ITmk3商業(yè)生產(chǎn)廠,總投資約2. 35億美元,年產(chǎn)能50萬(wàn)t,計(jì)劃于2009年投產(chǎn)。

（3）　Inmetco和RedSmelt工藝

Inmetco工藝是加拿大國(guó)際鎳集團(tuán)( INCO, Ltd)為了處理利用冶金廢棄物而開(kāi)發(fā)的。1978年在美國(guó)賓州Ellwood城的國(guó)際金屬回收公司建成世界上第一座商用轉(zhuǎn)底爐,是首例通過(guò)處理冶金廠廢棄物進(jìn)行Zn、Ni、Cr等金屬回收的轉(zhuǎn)底爐,年處理4. 7萬(wàn)t循環(huán)料,該爐成功運(yùn)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(jī)和1臺(tái)專(zhuān)用振動(dòng)輸送給料機(jī)將生球均勻地布到轉(zhuǎn)底爐的。爐內(nèi)球團(tuán)層總厚度為18～22mm (約2～3層球)。日本新日鐵君津廠分別于2000年和2002年各投產(chǎn)了一座這種類(lèi)型的轉(zhuǎn)底爐,一座處理低鋅灰塵,另一座處理高爐瓦斯灰和轉(zhuǎn)爐塵,年處理能力分別為18萬(wàn)t和14萬(wàn)t。

近年德國(guó)曼內(nèi)斯曼與意大利匹昂梯公司在In2metco基礎(chǔ)上發(fā)展成轉(zhuǎn)底爐與埋弧爐相結(jié)合的聯(lián)合流程———RedSmelt,最終產(chǎn)品是鐵水,類(lèi)似于高爐鐵水。直接還原鐵可以在熱態(tài)下送入埋弧爐,電耗約550kW · h / t, 直接還原鐵的設(shè)計(jì)煤耗約為400kg/ t。之后, 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。示范廠在意大利Piombino廠建設(shè),年處理含鐵料能力為5. 5萬(wàn)t。

（4）　美國(guó)動(dòng)力鐵轉(zhuǎn)底爐工藝

美國(guó)動(dòng)力鐵轉(zhuǎn)底爐工藝是美國(guó)動(dòng)力鐵公司( ID I: Iron Dynamics Inc)開(kāi)發(fā)的,包括礦石及煤的破碎研磨和制備、造球、轉(zhuǎn)底爐還原、埋弧爐熔融等工序。含碳球團(tuán)的平均粒度為11mm,干燥后使之含水分約1% ,然后預(yù)熱至150℃,通過(guò)振動(dòng)輸送系統(tǒng)把球團(tuán)分層裝入轉(zhuǎn)底爐內(nèi),爐內(nèi)料層厚度為38. 1～50. 8mm。

轉(zhuǎn)底爐爐膛外徑為50m。所產(chǎn)直接還原鐵的金屬化率為85% ,溫度1 000℃,DR I可熱態(tài)送到埋弧爐。轉(zhuǎn)底爐廢氣可以預(yù)熱燃燒空氣,以及為礦石、煤和球團(tuán)干燥器供熱等。埋弧爐有兩個(gè)出鐵口和一個(gè)出渣口。年產(chǎn)量為50 萬(wàn)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　使用干壓塊的轉(zhuǎn)底爐工藝

DryIron轉(zhuǎn)底爐工藝是美國(guó)MR&E 公司開(kāi)發(fā)的,其特點(diǎn)是用自然干燥的原料和燃料,混合后經(jīng)高壓成型機(jī)造塊,而不用粘結(jié)劑。球團(tuán)中碳與鐵氧化物的重量之比應(yīng)控制為1. 6 ∶1,可使所產(chǎn)DR I金屬化率達(dá)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后壓制成塊,然后,在轉(zhuǎn)底爐單層裝料,把溫度控制在1 288℃進(jìn)行高溫輻射加熱。第一座DryIron轉(zhuǎn)底爐是新日鐵在光廠建設(shè)以處理殘?jiān)?年產(chǎn)能為2. 8萬(wàn)t,轉(zhuǎn)底爐外徑為15. 0m,于2001年5月投產(chǎn)。

3　直接把鐵礦粉和煤粉鋪在轉(zhuǎn)底爐中的工藝

把鐵礦粉和煤粉直接鋪在轉(zhuǎn)底爐中進(jìn)行DR I生產(chǎn)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 研制中心開(kāi)發(fā)的工藝,把鐵精礦和煤粉(加石灰石)在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)分層布料,料層厚度為6. 4mm左右,加熱時(shí)間為20min左右。鐵精礦要求100目占80%,為了脫硫,煤中預(yù)先配入了少量石灰石。在原料相同的條件下,產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于含碳球團(tuán)轉(zhuǎn)底爐工藝,金屬化率可達(dá)92% ,但生產(chǎn)效率低20% ,由于減少了造球設(shè)備,設(shè)備投資有所降低。

Comet工藝進(jìn)一步發(fā)展成兩段式還原和熔融工藝,稱(chēng)為Sidcomet工藝,分為轉(zhuǎn)底爐還原段和埋弧爐段,產(chǎn)品類(lèi)似于高爐鐵水。計(jì)劃在希德馬建一座年產(chǎn)量為75萬(wàn)t的工業(yè)廠,但沒(méi)實(shí)施。

（2）　H I - Q IP工藝

H I - Q IP (High Quality Iron Pebble Process) 是JFE開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)底爐工藝,可以直接使用鐵礦粉和煤粉進(jìn)行冶煉。該工藝的典型特點(diǎn)是,把含碳料層作為轉(zhuǎn)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(chǎn)品質(zhì)量高。

把含碳物料(如煤粉,粒度小于3mm)作為轉(zhuǎn)底爐的底部料層,然后將其表層鋪勻,并在該料層表面做多個(gè)杯狀孔洞,孔洞直徑約50mm,深約15mm,間距約70～80mm,然后將鐵礦粉、煤及其它原料混勻后鋪在含碳料層上。在1 500℃的高溫下,混合物中的煤粉氣化后產(chǎn)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(jìn)底部含碳料層的孔洞中,冷卻后形成礫石狀鐵塊和渣塊,然后用螺旋卸料機(jī)卸出,整個(gè)還原時(shí)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(chǎn)率下連續(xù)生產(chǎn)。

（3）　Primus工藝

Primus工藝是盧森堡PaulWurth開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)底爐工藝,直接使用鐵礦粉,不用造塊設(shè)備。主要裝置為多層轉(zhuǎn)底爐。多層轉(zhuǎn)底爐是個(gè)簡(jiǎn)單、緊湊而又可靠的裝置,由幾個(gè)相似的單元豎直配置而成。由攪拌臂來(lái)移動(dòng)爐料,攪拌臂由裝有冷卻裝置的旋轉(zhuǎn)的軸向桿支撐。在每一層,該軸向桿都支撐幾個(gè)攪拌臂,可以把爐料從爐墻移到中心,再?gòu)闹行囊频綘t墻,然后爐料依靠重力下落到下層,最后從最底層排出。爐子靠安在爐墻的燃燒器加熱,通常廢氣沿著爐子逆向流動(dòng)。Primus工藝中,爐子工作溫度達(dá)1 100℃,固體還原劑(煤)與含鐵物料一起裝入,在爐內(nèi)進(jìn)行混合。

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功后, Paul Wurth 在Luxem2bourg的Differdange 建一座中試廠,處理安賽樂(lè)在Luxembourg的三座電爐廠產(chǎn)生的副產(chǎn)品。設(shè)計(jì)處理能力為每年8萬(wàn)t,于2003年年初投產(chǎn),取得良好效果 。

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(lái)的,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。轉(zhuǎn)底爐煉鐵不使用焦炭,而是使用煤作還原劑，因而對(duì)環(huán)保非常有益。該工藝已獲得工業(yè)應(yīng)用，工業(yè)化應(yīng)用較多的國(guó)家為日本和美國(guó)。我國(guó)自20世紀(jì)90 年代開(kāi)始研究，2006 ～2007 年，山東瑞拓球團(tuán)工程技術(shù)公司一座年產(chǎn)能為7萬(wàn)t轉(zhuǎn)底爐曾連續(xù)生產(chǎn)7個(gè)月。因?yàn)檗D(zhuǎn)底爐工藝既有利于節(jié)能減排，又有利于發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，已成為國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)之一。韓國(guó)浦項(xiàng)、我國(guó)萊鋼、馬鋼、昆鋼等正在進(jìn)行轉(zhuǎn)底爐建設(shè) 。