回转窑炼铁技术的新进展：深度还原—磁选分离技术

2013-08-22   作者：佚名   网友评论 0 条

摘  要：近年来，使用回转窑处理复杂难选矿的工艺技术逐渐为人们关注。本文介绍了回转窑炼铁的发展历程，对以回转窑为还原反应器的“深度还原—磁选分离”技术及特点进行了分析，提出回转窑 “深度还原—磁选分离”技术是处理难选矿、红土镍矿有效方法。实验室及半工业化试验已获得较好结果。

关键词：回转窑；炼铁；直接还原；红土矿；深度还原—磁选分离技术

       近年来，我国炼铁工作者对回转窑处理复杂难选矿的工艺开展了一系列研究，中南大学、东北大学针对红土镍矿、难选褐铁矿在回转窑条件下的还原特点进行了系统研究。国内建成一批以回转窑预热预还原－矿热炉流程处理红土镍矿生产镍铁的生产线。多家企业进行了回转窑生产镍铁颗粒的试验、工业化试生产，并取得良好效果。本文分析了以回转窑为还原反应器的“深度还原—磁选分离”技术特点，并对其发展趋势进行了讨论。

1 回转窑炼铁的发展历程

1.1 回转窑炼铁

        回转窑直接还原法最早由J.T.Jones于1907年提出。1926年Bourcond、Snyder在实验室成功进行回转窑直接还原试验。同年，出现了用回转窑进行还原、增碳、得到熔融铁水的Bseet法(我国称为生铁水泥法)。1930年Krupp公司开发了用低质煤作燃料和还原剂，在回转窑内将低品位高硅铁矿石还原，实现渣铁分离，铁聚合成细颗粒被夹裹在半液态的黏稠渣中，经水淬、破碎、磁选分离出铁粒的Krupp－Renn法，该法在我国被称为粒铁法。上世纪50年代粒铁法世界总产能曾达到200万t/a，之后随着选矿和高炉炼铁技术的发展，粒铁法因单机产能低、耐火材料消耗高等缺欠相继停产。目前，仅在朝鲜仍有数十座粒铁窑在生产。

        1960年克虏伯公司开发了以煤作还原剂、固相还原生产直接还原铁的Krupp－CODIR法。1974年在南非Dunswart年产15万t的生产装置建设并投产。

       1920～1930年美国共和钢铁公司和国际铝公司开发了用回转窑从低品位铁矿石中还原富集铁的RN法；1960年加拿大钢铁公司和德国鲁奇公司开发了生产高品位海绵铁的SL法。1969年合并为SL－RN法，该法是现今回转窑直接还原的主导工艺。

       1976年美国阿瑟•G•麦基直接还原铁公司引入澳大利亚西方钛公司用回转窑还原钛铁矿生产金红石的方法，在美国罗克伍德（Roekwood）建成50000t／a的示范装置，完成了多种煤和铁矿石的试验。后与英国戴维公司合并为戴维－麦基公司，并为南非斯考金属公司建设了75000t/a的生产装置。1983年投产，8天后全面达到设计指标，连续作业18个月。

       1960年美国阿里斯－恰尔默斯公司(Allis-chalmos)开发了双层结构窑的ACCAR法。1965年发展成可控气氛回转窑直接还原法，可用煤与油或天然气为燃料。1969年建成中间试验装置。通过用不同燃料和铁矿石进行生产试验得出了生产指标和设计参数。同时进行了改造φ3.5×50m的SL—RN窑的生产试运行，证明该工艺可使用多种燃料，有效控制窑内温度和气氛，产品的金属化和含碳量可控，生产率高。1983年为印度Oressa海绵铁公司建设ACCAR窑，采用全煤作业生产直接还原铁。

       20世纪80年代后，在南非、印度、中国等国家、地区建设了一批生产直接还原铁回转窑工业化生产线，成为煤基直接还原的主导工艺。进入21世纪，印度建设了数百座直接还原回转窑,能超过1900万吨/a，2010年产量占印度直接还原铁的75%以上。2010年世界煤基直接还原铁的产量占世界直接还原铁总产量的25.7%，回转窑生产炼钢用直接还原铁（DRI）的能力和产量占煤基直接还原炼铁法的95％以上。

       我国自1970年开始了粒铁法的试生产，先后在辽宁辽阳、广东梅县、天津建成粒铁法生产线生产多年。与此同时，浙江萧山利用水泥窑改造进行了生铁水泥法工业化试验。后因这两种方法的生产稳定性差、操作难度大、耐火材料消耗高，无法赶上国内高炉炼铁技术发展水平而相全部停产。

       在此期间，我国开展了回转窑直接还原的开发试验，先后在首钢、浙江、北京、福建等第建设成多条（￠1.2～1.6m×12.0～16.0m）直接还原回转窑试验装置，进行了大量的试验研究。1986年建成我国第一条直接还原回转窑（￠2.5m×40.0m）工业化生产线，1989年生产线试验成功，并被列入1989年国家冶金十大科技成果之一。

        总体上，我国缺少适合直接还原富矿和球团，因而直接还原回转窑技术的发展与国外有显着差异，国内技术建成4条生产线全部是以精矿粉为原料的链箅机—回转窑法（一步法）。1993年天津钢管公司引进了DRC技术，建成世界最大的直接还原回转窑两条，年产量为2×15万吨。天津钢管公司直接还原铁厂通过对操作技术的改进、设备的改进和完善、原燃料的选择和匹配研究达到了生产稳定，基本消除了“结圈”事故的产生，能耗大幅度下降，吨含铁94%的产品仅耗褐煤～900kg，同时发电120～150kwh，单座回转窑年产达到18.0万吨，成为世界单机产量、能耗、作业率、环境保护最佳的直接还原回转窑。2008年后因进口球团上涨被迫停产。

1.2 回转窑处理含铁粉尘和共生矿

       除了用于生产直接还原铁，回转窑直接还原工艺由于作业温度较低，物料连续翻滚运动，料层内气体易于排出等特性，还被广泛用于多金属共生矿和含铁粉尘等的综合利用。

       1963年，日本川崎公司建设了处理高炉和转炉粉尘的φ1.3×25m回转窑；1968～1977年在千叶厂和水岛厂建设了年产4万t和18万t还原铁的3套工业装置，以焦粉作还原剂。

       1971年日本住友金属公司开发了住友粉尘法，用钢铁厂粉尘生产低品位海绵块用作高炉精料，同时回收锌。1975年在和歌山厂建成16万t/a的工业装置，后与久保田公司合作开发了SPM法，在鹿岛厂建成月产1.8万t的工业装置。
此外，Krupp公司也开发了Recyc法处理粉尘，脱除多种易挥发元素后为高炉提供优质炉料。

       1969年南非海维尔德钢钒公司采用回转窑直接还原—矿热电炉炼铁工艺，实现了钒钛磁铁矿回收铁和钒的综合利用，年产热还原料260万t，是世界最大钒生产基地。1981年新西兰采用此工艺建成年产90万t还原料生产厂。

        希腊拉尔科公司用Krupp－Renn法处理贫镍矿(红土矿)生产含Ni7％～25％的镍铁或金属镍。日本金属公司用Krupp－Renn法处理贫镍矿(红土矿)生产含Ni7％～25％的镍铁作为生产不锈钢的原料，按金属镍计算年生产能力达1.5～1.8万t。

2 回转窑炼铁基本特点

        依据窑内的温度和物料形态，炼铁回转窑可分为直接还原窑、粒铁窑、熔态窑三种形式。如图1所示。

        直接还原回转窑生产要求窑内各种物料的最低开始软化温度必须高于回转窑操作温度100～150℃，窑内物料呈完全固体状态。在物料不熔化、不造渣的条件下，完成铁矿物从铁的氧化物转化成金属铁的还原，通常直接还原回转窑的最高操作温度～1000℃。世界最大的直接还原回转窑可年处理原料～30万吨，年作业时间可达8000小时。

       粒铁法（Krupp－Renn）回转窑不仅完成铁矿物中铁的还原，并使物料处于半熔融状态，炉料中还原出来的金属铁形成1.20～50.00mm的铁颗粒，并保证铁颗粒悬浮在半熔融状态的炉渣中。因此，粒铁法通常以酸性脉石的贫铁矿为原料，渣铁比必须大于0.50～0.60，炉渣必须是CaO/SiO2为0.10～0.30的酸性渣，渣粘度大且随温度变化小。粒铁法回转窑内最高操作温度约1200～1250℃。世界最大的粒铁回转窑（¢4.6×125m），处理原料20～25万t/a，年作业时间可达6000小时。

图1 炼铁回转窑示意图

    熔铁法（Basset法）回转窑内物料完成还原、熔化，金属铁形成液态铁水，并定期从回转窑内最低点处的出铁口放出，熔融炉渣从回转窑出料端排出。熔铁法回转窑操作温度>1400℃，为保证铁水、炉渣的流动性，通常采用CaO/SiO2>2.0的碱性渣作业。该法由于铁水冲刷炉衬，耐火材料消耗极高，生产的稳定性差。上世纪70年代，我国在浙江萧山水泥厂进行过工业化试生产，目前，该法未见有工业化生产的报道。

3 难选矿深度还原—磁选分离技术

   不可选或难选铁矿、多金属共生矿难以通过常规方法富集，而改变铁矿物的结构（褐铁矿、菱铁矿转化为磁铁矿）的方法工业实施难度大，加上转化能耗、设备等问题，至今未能实现大型工业化生产。

   在长期非高炉炼铁、难选矿综合利用技术的开发研究中，深度还原—磁选分离技术由于其技术优势而逐渐得到重视，大量对不同类型矿石的深度还原—磁选分离试验证明该技术的有效性。

3.1 深度还原—磁选分离技术的基本思路

    还原难选铁矿时，如果仅将矿石中的含铁矿物转化为金属铁，不改变铁在矿石中的分布状态和嵌布粒度，多数矿石仍然无法实现铁颗粒与其他组分的有效分离。因此，还原成金属铁后，还必须创造条件使还原出的金属铁聚合、颗粒长大，直到到易于与矿石中其它组分分离和选分（如＞0.10mm）。因该技术中铁矿物的还原过程与单纯铁矿物的还原成金属铁的“直接还原”有明显的区别，特命名为“深度还原”。

   “深度还原”将无法物理选分富集的难选矿中铁矿物还原为金属铁，并创造条件使金属铁聚合长大，还原产品经水淬、破碎、最大限度保持铁颗粒大小的选择性粉碎、磨细实现金属铁与脉石的分离，通过磁选实现金属铁颗粒与矿石中其他组分分离。

   深度还原－磁选分离工艺包含两个部分：
   1．难选铁矿中的铁矿物还原为金属铁，并促使新还原出的金属铁聚合，颗粒长大到易于与矿石中其它组分分离和选分的大小，即深度还原部分；

   2．还原产品中金属铁颗粒与矿石中的其它组分分离、富集，鉴于分离富集的是金属铁，因此，还原产品的磨细、磁选分离工程与常规铁矿石的磨细、磁选分离工程有明显的区别。最终产品为可以直接用于炼钢生产的，以金属铁为主要组成的金属铁粉，即磁选分离部分。

   由图1可知，深度还原法回转窑的炉内气氛仍为还原性气氛，物料状态介于直接还原窑（物料呈完全固态状态）与粒铁窑（物料呈半熔态）之间。在窑内，物料不仅能快速完成还原的过程，并能充分利用回转窑炉料在窑内连续滚动的条件，促进新生成的金属铁聚合长大，使还原生成的金属铁聚合长大到适宜与脉石有效分离的粒度（如：＞0.10mm），深度还原回转窑内的物料状态呈干法水泥熟料生产窑的形态，物料产生固态造渣和烧结成块反应，但不产生熔化。由于控制炉料不产生熔化或半熔化，可大幅度减少“熔铁法”、“粒铁法”产生“结圈”几率和耐火材料消耗，提高回转窑的运行的稳定性。

   深度还原－磁选分离工艺要求回转窑在高于直接还原回转窑作业温度，但低于物料产生熔化的温度下作业，深度还原回转窑的适宜作业温度取决于原料的软熔特性温度。物料在再此温度下能确保铁矿物快速还原，铁金属化率达到＞90.0%，且金属铁产生聚合，铁颗粒能迅速长大到易于与脉石分离的粒度（＞0.10mm）。还原产品经水淬、破碎，通过最大限度保持铁颗粒大小的选择性粉碎，分段、分级磁选将金属铁颗粒与其他组分分离，得到以金属铁为主要组成的颗粒粉状物。该产品可通过压块或直接采用喷吹方式加入炼钢炉作为生铁、废钢的替代品。

3.2 深度还原—磁选分离工艺原则流程

难选铁矿深度还原—磁选分离工艺的原则流程如图2。

图2 难选矿粉矿深度还原——磁选分离工艺原则流程

3.3 深度还原的装备选择

       理论上，可以用于难选铁矿深度还原的装备有转底炉、车底炉、对行直底炉（PSH）、回转窑、气基竖炉、煤基竖炉等。通过对装备能耗、运行稳定性、运行费用、单位处理量的投资、单体设备的生产能力进行比较，显然转底炉、车底炉、对行直底炉（PSH）等工艺能耗高、单机产能难以大型化、运行费用高（原矿需要细磨造球）。转底炉、车底炉产品金属化率难以稳定和保证大于90%，难以成为实施铁矿物深度还原的还原装备。

        气基竖炉因其能耗低（吨还原产品能耗＜10.0GJ），环境友好（CO2、硫的排放量减少80%），单机生产能力大（单机处理＞300万t/a），有大型工业化生产的经验等优势。近年来，以煤制气替代天然气的竖炉技术成熟使气基竖炉成为世界非高炉炼铁关注的热点。但竖炉为了保证运行的顺畅，物料必须保证呈完全固态，不能产生粘连，难以满足深度还原金属铁聚合长大的需要。

       已有的还原窑生产实践表明，煤基还原回转窑单机处理能力达到30～50万t/a，单位还原产品净能耗＜15.0GJ，年日历作业时间可达7600小时，可直接使用非结焦煤为燃料和还原剂。有大型工业化生产的直接还原回转窑和粒铁回转窑以及干法水泥熟料回转窑的操作经验可以借鉴，还原回转窑是实施深度还原－磁选分离首选设备。

3.4 深度还原－磁选分离技术特点

        国内某公司以含TFe13.01%，Ni1.13%，SiO2 30.58%，MgO 8.52%的红土矿粉矿为原料，用动力煤为还原剂，动力煤煤粉为燃料，以￠2.5×40米回转窑为还原反应器，进行了工业化试验。回转窑还原产品含TFe18.43%，Ni 1.69%的烧结块。还原产品经水淬、破碎、细磨、磁选后磁性产品含TFe79.20%，Ni 8.20～8.15%，磁选产品扣除残留渣相含TFe～90%，Ni～9.30%，熔化分离后获得含镍～10.0%的镍铁。试生产结果表明：采用“深度还原－磁选分离法”技术处理红土镍矿，吨产品（含镍～9.0%铁粉）总电耗～450kwh，非结焦煤3000～4000kg。生产成本低于烧结－矿热炉工艺、RKEF工艺。

       深度还原－磁选分离技术以冶金手段改变难选铁矿矿物的基本性能和结构，将无法用物理选分、富集的难选铁矿先还原为金属铁，并创造条件使金属铁聚合长大，还原产品通过磨、选实现铁的富集和分离，为不可选、难选铁矿的开发利用提供了新的途径，将不可选、难选铁矿转化为可以利用的资源。其主要技术特点在于：

       1.深度还原－磁选分离技术处理不可选、难选的羚羊石铁矿、赤铁矿、菱铁矿，避免了铁矿物转化为磁铁矿的终点控制难点，提高铁的回收率。

       2.深度还原—磁选分离技术采用一次中温（＜1300℃）处理矿石，有可能直接获得炼钢生产用的铁源材料，大幅度降低难选矿利用的能耗。

       与传统的焙烧改性后再选工艺比较，将矿石磁化焙烧（700～900℃），精矿烧结/球团（1250～1300℃），烧结球团在高炉内冶炼（1350～1550℃）的多次加热改变为一次加热（＜1300℃）直接获得金属铁产品，有利于大幅度降低冶金过程的总能耗，减少CO2的排放。

       3.深度还原－磁选分离技术以非结焦煤为能源，有益于减少钢铁生产对焦煤资源的依赖，改善钢铁生产的能源结构，降低钢铁生产能耗。

       4.深度还原－磁选分离利用技术为多金属共生铁矿（如硼铁矿、低品位红土镍矿等）的开发利用提供新的技术途径，在我国有广阔的发展前景。

参考文献：
1. 史占彪等. 非高炉炼铁学[M]. 沈阳：东北大学出版社，1990.
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3. A•H 赫维斯聂夫. 国外非高炉炼铁（俄文）[M]. P176～236.
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