转底炉直接还原炼铁工艺的发展
2010-02-07 作者：佚名 网友评论 0 条
一、前言
为了满足冶炼高纯净钢的要求, 炼钢生产对纯净铁资源的需求越来越大。与此同时, 优质废钢与铁资源却日益短缺其价格不断升高, 对炼钢生产影响很大, 为此，各国冶金工作者开发了许多直接还原或熔融还原工艺来为炼钢生产提供质优价廉的纯净铁资源。但由于技术、投资等方面的原因，真正具有市场竞争力、适合于工业应用的并不多见。同时，钢铁厂每年生产的大量含铁废弃物也给环保带来很大的压力。如何对其进行回收利用是困扰冶金行业的一个难题。
直接还原工艺中气基法虽然具有生产效率高，生产规模大，能耗低和容易操作等优点，但必须以一次能源---天然气为还原剂，因此该工艺只能在天然气资源丰富的国家得以发展。而煤基法以煤作为还原剂，较好的解决了气基法的不足。目前世界上很多国家都在开发煤基直接还原新技术，有些技术已经应用于工业生产。其中，转底炉法以其原料适应性强和操作工艺的零活性等优点，引起冶金界的高度重视。但由于原料条件和对产品质量要求的不同，转底炉直接还原炼铁又发展为FASTMET，ITKM3和DRYIRON等不同工艺路线。
二、FASTMET工艺
早在50年代Midex的前身Ross公司就发明了转底炉含碳球团直接还原法。1964~1966年进行了2t/h规模试验。1974年Inco公司开始研究把转底炉用于处理电炉生产不锈钢产生的氧化物粉尘的方法，并建立了一座年处理2.5万吨废料的工厂。经转底炉预还原的球团，通过运输罐热装入电炉。1978年美国Inmetco在宾州埃尔伍德市建成一座年处理5.6万吨电炉钢厂粉尘能力的转底炉，回收锌及可用作电炉原料的含Cr，Ni的还原铁。1982年Midex公司将转底炉法命名为FASTMET，用于煤基直接还原。神户制钢收购Midex公司后，1995年开始建设2.5t/h示范装置，经过两年半试验后，认为Fastmet技术成熟可靠，已达到商业水平化水平。神户制钢与三井公司合资对在美国建设年产DRI50~100万吨项目进行报价，1998年9月神户钢铁公司报价年产DRI50万吨的转底炉装置，每套售价1亿美元。
世界上首次利用FASTMET工艺以含铁废料为原料的商业化直接还原铁厂，于2000年二季度在日本新日本制铁株式会社广火田厂投产，年产能力19万吨，其中14万吨将直接装入广火田厂的氧气转炉。神户制钢株式会社新加古川厂是第二个用该工业建设的直接还原铁厂。2002年5月，日本神户制钢株式会社和尼日利亚签订基本协议，日方将帮助AJAOKUTA钢公司建设一座年产50万吨的FASTMET直接还原铁工厂。
2.1 工艺流程
FASTMET法的工艺流程见图1。铁精矿(或含铁废料)、煤粉和粘结剂经混合搅拌器后进入造球机造球，生球可装入干燥器，也可直接装入转底炉。在转底炉中，球团矿均匀地铺在炉底上，料层为1~3层球的高度。随着炉底的旋转，球团矿被加热到1250℃~1350℃。同时，约90%~95%的氧化铁被球团内部的固体碳还原成DRI。球团矿在炉底停留时间一般为8~30分钟，它取决于原料的特性、球团矿层数及其他因素。从转底炉出来的煤气经过焚化炉和热交换器将转底炉烧嘴助燃空气预热，并将高温废气用来干燥球团，生产用水循环使用，生产中产生的粉末回收利用。
2.2 工艺特点
与其他直接还原工艺相比，FASTMET工艺具有以下特点：
（1）以煤粉作为还原剂，摆脱了天然气地域分布不均的限制，对煤的质量也没有回转窑那么严格，故其应用地域广泛。
（2）主要设备是环形转底炉，与回转窑相比，该工艺设备简单、投资省、能耗低。
（3）对炉料的强度要求不高，因为料层很薄且随炉底一起转动，炉料既不受压，又与炉底之间没有相对运动，破碎量很少。
（4）炉料在转底炉内停留时间短(约20min)，操作容易。
FASTMET法直接使用粉矿和煤粉，因而在矿石和能源上具有很好的适应性和经济性。该法生产出的典型DRI成分主要与原料条件有关，若以铁精矿和低灰份煤为原料，生产的DRI产品TFe可达98%，金属化率可达95%。
2.3 存在问题
（1）由于采用敞焰加热，还原的铁可能会被再氧化，只有抑制这一现象才能获得较高的金属化率。
（2）燃烧燃料的选择与供应问题。目前工业化及试验设备均用天然气或重油作燃料，使控制简化。在气体、液体燃料较贵的地区，可以采用煤粉，但煤的储存、干燥、制粉及烟气除尘设备的投资、维护费用大。而且污染环境，在大城市附近的工厂因环保要求严格而难于采用，使用煤气必须解决煤气稳定供应问题。
（3）由于全部还原剂均加入到球团矿内，因而还原剂中所含的灰分和有害元素将直接影响DRI的质量。这对还原剂质量提出了较高的要求：固定碳的含量要高，灰粉及挥发分含量要低，硫磷含量也要低。
尽管如此，FASTMET法已日益引起人们的重视。日本神户制钢株式会社新加古川厂建成了2.5t/h的试验设备，如果进展顺利，Midex公司拟在北美建设第一个工业性生产厂，年产规模45万吨，基建建设估计为6500~7500万美元。
三、干铁法
MR&E公司新开发的专利技术干铁法（DRuIron）工艺是一种较理想的煤基直接还原工艺。该工艺是由米德兰-罗斯快速加热工艺发展而来的，由于采用了无粘结剂干压块、能源利用及环保方面的最新技术，以及合理的转底炉设计，它克服了通常煤基还原带来的粉化、脉石含量高、硫高、金属化率低等缺点。该工艺过程中的反应基于煤基直接还原动力学，加之在转底炉内的高温作用与短暂的停留时间（约10min），其操作具有巨大的灵活性，而且设备的操作控制非常容易。煤的化学能在反应中100%得到利用，不会被其它工艺步骤（如气化等）所消耗。尾气中的热能可回收用于发电或其他辅助工艺。大量工业试验表明，该工艺不仅可用铁精粉矿为原料生产质量稳定的海绵铁或热压块铁，作为优质废钢的理想替代品供应电炉，而且可用于处理钢铁厂各类含铁废弃物。所采用的转底炉工业化设备很适合规模化生产，当达到10万吨/年以上的生产规模时，效益就比较显著。
3.1 工艺流程
干铁法的核心设备为转底炉，其工艺流程为：混料-冷态干法压球-转底炉焙烧-热压快。其中，采用的冷态干法（无粘接剂）压球工艺使压制的球团无需干燥即可直接送入转底炉处理，简化了工艺步骤。对于转底炉的加料、排料装置的改进则使得操作控制更为容易。转底炉焙烧过程产生的尾气中蕴含着大量的化学能和热能，用余热锅炉回收产生的蒸汽或用来发电，还可用于预热助燃空气。尾气中的粉尘与有害气体如SO2等采用喷有石灰水的布袋除尘装置去除，同时还使用MR&E公司的低NOX控制专利技术处理尾气，从而使其对环境的污染降至最低限度，尤其是通过一项称作金属氧化物粉末处理工艺的综合专利技术的使用，使得干铁法工艺不仅可用铁精矿粉作原料，而且同样适用于钢铁厂含铁粉尘的回收利用。该专利包括一系列先进技术：无粘接剂压块，转底炉内的单层布料，高辐射加热，转底炉温控技术，各种非铁金属氧化物的有效去除。这些技术的应用，大大地改进了海绵铁的生产。
3.2 基本原理
干铁法工艺的理论基础是碳与铁氧化物之间的直接还原反应与固-固相反应动力学。实际应用过程是将铁氧化物与煤粉或焦粉均匀混合后冷压成球，使得铁氧化物与碳紧密接触，具备良好的反应动力学条件。然后用转底炉进行加热处理。在炉内的高温作用下，铁氧化物与固定碳反应生成金属铁并释放CO2。干铁法压块中固定碳与铁氧化物的理论摩尔比为1.5：1，但这实际反应过程中均会产生CO2与CO，MR&E公司在试验中摸索到控制球团中碳与铁氧化物重量之比为1.6：1较为适当。此时，不仅生成CO2与CO，而且在反应后的球团中留有约4%的残碳，这有利于保持球团中的还原气氛，加速还原反应速度，减少再氧化的发生。因此，该工艺的关键是要控制CO2与CO的比率，以达到尽量降低再氧化，减少碳消耗与缩短炉内停留时间的目的。
3.3 干铁法的工业试验
MR&E公司在俄亥俄州匹兹堡的工业试验厂对干铁法工艺进行了试验验证。该试验厂分别用铁精粉矿粉、电炉除尘灰及传统流程钢铁厂的废弃物为原料进行了一系列工业试验，获得了大量工业试验数据。
（1）用铁精粉矿生产海绵铁(DRI)或热压块铁(HBI)
将铁精矿粉与煤粉混合压球后加入转底炉，球团在炉内受控的还原气氛中被加热。当达到反应温度时，铁氧化物被还原为金属铁。反应所需的热能全部由煤提供。从转底炉出来的海绵铁带有较多显热，可采用热压块工艺加工为热压块铁，以便运输与存储。该法生产的热压块铁TFe含量达92%，金属化率高达95%，C含量约4%，脉石含量约2.4%，S含量仅为0.04%，可见其品质纯净，脉石与硫等杂质含量很低，可作为优质废钢的理想替代品。而且与废钢相比，其质量均匀稳定，波动小，对于炼钢生产极为有利。
（2）回收电炉除尘灰与轧钢铁鳞
电炉除尘灰与轧钢铁鳞的特点是含有较多非铁金属的氧化物，如锌、铅、镉等，被美国环保部门定为有害物质，称作KO61。在干铁法工艺处理过程中，这些非铁氧化物将以气态逸出，并在后续的烟气处理装置中予以收集，此时KO61已转化为提炼有价值非铁金属的原料。球团中ZnO脱除率高于95%，生成的海绵铁金属化率高达91%。转底炉焙烧含锌粉尘时以气态逸出的非金属氧化物在尾气处理过程中，由布袋除尘器收集，可作为提炼锌的原料使用。
（3）回收钢铁厂传统废弃物
传统钢铁厂废弃物包括转炉尘泥，热轧污泥，连铸氧化铁皮及高炉粉尘与瓦斯泥。这些物质总体来说碳含量很高，与电炉除尘灰相比，锌含量低，而铅、镉含量极少。灰泥原料中的铁与碳含量较高，经转底炉焙烧后，生成的海绵铁金属化率高于90%，其尾气收尘富含ZnO，可以回收增加收入。
干铁法工艺的投资与效益估算。建造年产100万吨海绵铁的生产厂的单位投资成本约125美元/(t.a)，由于干铁法可以用较便宜的铁精粉矿作原料，用非炼焦煤做热源及还原剂，所以原料与能源价格较低，单位生产成本约为72美元/吨DRI。
干铁法工艺不仅在能源及原料结构上特别适合中国的国情，而且在投资与生产运行成本上都比传统的直接还原工艺法更有竞争力。干铁法工艺用优质铁矿粉生产的海绵铁及热压块铁作为优质废钢的替代品供应电炉，所带来的效益十分显著，这主要源于其稳定均匀的成分与质量，与废钢相比，其质量与成分波动小，对稳定钢水质量有利。且其生产成本不会象废钢价格那样随市场变化产生较大波动，对稳定电炉生产非常有利。
四、Itmk3工艺
Itmk3是由神户钢铁公司开发的一种新型炼钢技术。它是一种灵活、环保的一步法生产粒铁块的方法，其产品质量与高炉生铁相当。神户钢铁公司视Itmk3为第三代炼铁方法。第一代炼铁方法定义为高炉炼铁法，第二代则是包括Midrex技术在内的气基直接还原法。
4.1 工艺流程
Itmk3以固体球团为生产原料。球团用矿粉和非焦煤粉混合制成。这些球团被装入转底炉，加热到1350-1450℃的范围。在这个温度区域内，球团被迅速还原成金属铁，并部分熔化，使铁能干净利落地与球团内产生的液态渣分离。冷铁块可以运输，而热铁块可直接装入电炉或者转炉使用。
取样分析表明，念珠状铁块基本在9分钟内形成，2分钟试样为典型的DRI断面结构。5分钟试样正好处在熔化前，仍保持最初的圆形形状，金属铁壳已经在表面形成，其内部是熔化与金属分离后留下的空间。6分钟试样为金属铁熔化，渣与金属分离。
4.2 Itmk3工艺的特征
（1）还原时间短，一步法Itmk3工艺以生产小铁块时间短而闻名。还原、熔化、除渣仅在10分钟内就能完成。相比之下，高炉炼铁需要8小时，直接还原工艺需要6小时。还原时间短使得启动、停产和调整产量很容易。
（2）高纯度小铁块的组成为96%-98%的金属块铁，2%-4%的碳。高度金属化的铁的含量与高炉生铁相近。生产的小铁块可为矿山公司带来了高附加值产品。
（3）Itmk3工艺在铁矿石种类方面有很大的灵活性。磁铁矿、赤铁矿在早期试验中试用过，而且，MesabiNugget还使用了由铁燧岩（一种低品位铁矿）制成的球团矿。
（4）投资量约为常规炼铁技术的一半。在同等规模下，Itmk3工艺设备初期投资大约是高炉（含相关设备，如焦炉、制氧机等）的一半左右。
（5）因能源效率高环保效果好，Itmk3工艺二氧化碳排放量至少比高炉低20%。对Itmk3工艺和高炉-转炉系统温室气体的排放量进行了比较。在日本，高炉-转炉系统吨钢二氧化碳的排放量约为2251kg，而Itmk3系统则降低到1734kg，减少23%。而且，Itmk3不需要焦炉和烧结厂，致使氮氧化物、硫化物和颗粒物的排放量均比传统高炉低。
4.3 Itmk3的中间试验
神户钢铁公司开发了Itmk3工艺，此后便与他的子公司Midrex就此展开了研究。Itmk3使用与Fastmet直接还原工艺相同的粉矿和煤粉。实验室测试在Midrex技术中心进行。小型试验采用了内径4m的转底炉，年产能3000t，该设备建在了日本神户钢铁公司加古川厂区内。于1999年10月至2000年12月进行了生产测试，在连续运转的状态下成功生产出了小铁块。
虽然在小型设备上取得成功，但在逐步实现商业应用前，在更高产量规模下的生产状况仍需要证实。下一个关键步骤就是建设并试运转一个中试厂，在更大设备规模的连续运转条件下来测试Itmk3工艺。处于这个目的，Mesabi项目将神户钢铁公司、矿山公司和电炉钢厂凝聚在一起。该项目以合资形式运作，称作Mesabi Nugget LLC，于2001年9月建在了美国明尼苏达州东北部。参与成员主要有克里夫兰克里夫斯公司、动力钢公司、神户钢铁公司。明尼苏达州政府为建设部分筹措了资金。同时，该项目还引起了美国能源部的注意，提供了500万美元的资金。这个为期两年的项目总款项达到了2600万美元。
随着建设工作的完成，第一炉小铁块与2003年5月24日生产出来，两天内共生产出5t小铁块。6月7日，该设备开始全天候运转，每小时产量约2t。一周后，首批货送往动力钢公司在印第安纳州巴特勒的电炉厂进行试用。虽然就此得出结论还为时尚早，但在初期阶段，中设设备运转稳定，小铁块的试用获得了良好效果。中试设备连续运行了35天后按计划停产检修，第二次连续运行于当年的秋天开始。计划要求该中试厂将运行壹年，到2004年6月结束。
于此同时，第一个工业生产厂的准备工作也在进行中，附带了EPA许可的工业厂有可能在2006年开始生产。Mesabi Nugget厂的成功运转将会验证Itmk3工艺的商业可行性，使得能够建造年产能50万t的工厂。
五、其它转底炉法
5.1 REDSMELT法
德国曼内斯曼公司于1985年获得Inmetco转底炉技术许可证，并将其与埋弧电炉组成Redsmelt法熔融还原炼铁水工艺。基本方法也是将含碳球团装入转底炉还原成金属化直接还原铁，但在装料、烧嘴形式、炉温分布、金属料收集和运输设备，以及高温废气热量利用等方面有其缺点。日本新日铁株式会社君津厂于2000年利用Inmetco法建成年处理能力18万吨的直接还原铁生产线。用此工艺生产出直接还原铁经埋弧电炉熔化后生产出液态铁水。美国印第安纳州IRON DYNAMICS公司(STEEL DYNAMICS的子公司)利用此法建成年产60万t还原铁的生产线，转底炉直径50m，底宽7m。直接还原铁出转底炉后加入埋弧电炉生产铁水供STEEL DYNAMICS公司的电炉使用，1999年投产。
意大利LICCHINI集团在其PIOMBINO厂投资建设Redsmelt新炼铁工艺车间，由德国西马克.德马克公司作为合作伙伴，计划于2002年10月开工建设，2004年6月投产。
5.2 COMET工艺
比利时DRM研究中心提出的Comet工艺是对转底炉法的重大改进，此法直接使用铁矿粉与煤粉，交替逐层布料，煤粉中配入少量石灰石以脱硫，在转底炉1300℃以上加热20min以后，出炉的DRI结块可用过筛的方法与过剩的煤和石灰粉料分开，获得的DRI含硫量低于0.05%，脉石低于5%，可作优质海绵铁供电炉炼钢使用。
COMET工艺（SIDMAR法）在转底炉中从底部开始顺序装入熟石灰和石灰石混合的石灰层（用以脱硫） -铁矿石粉矿–煤层–铁矿石粉矿–煤层依次布料，从喷嘴喷入燃料开始燃烧，在转底炉转动过程中，铁矿石逐渐熔化、还原。该工艺生产的直接还原铁金属化率为92%，硫含量小于0.05%。
5.3 HI-QIP工艺
该工艺由日本川崎钢铁株式会社开发，将铁矿粉用粉煤直接还原和熔化得到高质量粒铁，经小型试验后，正在建设年产10000t示范设备。生产过程是将小于3mm的含碳原料装入转底炉然后将其表层均匀压坑，坑直径约50mm，深约15mm，坑间距约70~80mm，然后将铁矿粉、煤和其他原料的混匀料铺在具有压坑的含碳原料层上，将转底炉加热至1500℃，铁还原并熔化。熔融物料在含碳原料层的坑中收集、凝固并从炉内取出。在15分钟内生成低杂质高质量的直接还原铁。该工艺能直接用矿粉和煤粉，投资少、成本低、且产品质量高，金属化率接近100%。现拟建年产50万t规模的工业生产设备。
5.4 COF-C工艺
北京科技大学王尚槐等提出一种具有转底炉特点的连续炉工艺(COF-C工艺)、它采用大台车。在一个燃煤反烧的窑内敞焰加热还原含碳球团，采用碳粉覆盖法防止炉内烟气对海绵铁产品的氧化作用，使设备可靠性及产品金属化率得到提高。在解决好连续和大规模生产（约30万t/a）技术以后，也是一种有前途的直接还原工艺。
六、结论
在直接还原方法中，近几年转底炉法的发展引人瞩目，其中FASTMET工艺已有多年的生产实践，工艺过程正在不断优化；干铁法和Itmk3工艺正处于试验阶段。但由于原料条件和对产品的要求不同，可以选择不同的工艺路线。若生产冶炼优质钢所需的海绵铁，则必须使用铁精矿和低灰份的煤种。若利用转底炉法处理钢铁企业的含铁粉尘，其产品的利用往往受到限制。实践证实，转底炉已成为一种普遍接受的成熟的直接还原和粉尘处理的生产设备，已引起许多企业的重视。含铁粉尘冷固结球团利用转底炉工艺进行热固结预还原生产海绵铁，可作为COREX及高炉炼铁的原料使用，提高其附加值，为企业带来可观的经济效益。（周渝生，张友平）
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