回转窑炼铁(一)

2015-07-09

　　1、前言

　　回转窑是现代工业化生产的常用的工业化生产装备，广泛用于化工、建材、有色冶金、黑色冶金等行业。如：化工行业的物料的干燥、氧化焙烧;建材行业的原材料的干燥、水泥熟料的生产，白云石、石灰石的焙烧等;有色行业的原材料的干燥、原材料的氧化脱硫、试剂的合成等;钢铁行业的矿粉干燥、原材料的焙烧、冶炼熔剂的制备(活性石灰、合成渣)、氧化球团的生产、直接还原铁的生产、镍铁的冶炼等。

　　在现代直接还原技术中，回转窑直接还原法的产能约占世界直接还原铁(DRI)总产能的25%，当前世界有数百条直接还原回转窑在运行。回转窑直接还原法是原料在回转窑内，在不熔化、不造渣的条件下，将铁的氧化物还原为金属铁，产品基本保持原料形态，包含原料所有杂质的以金属铁为主要组成的“直接还原铁(DRI)”,因其结构呈“海绵”状,体密度<2.0g/mm3，故俗称“海绵铁”。

　　回转窑是传统的处理难选矿、不可选铁矿的主要还原反应器之一。如：以劣质煤为还原剂，以酸性脉石的贫铁矿为原料，生产TFe>95%铁颗粒的“粒铁法” ，即Krupp—Ree法;以煤为还原剂，以红土镍矿为原料生产镍铁合金的“大江山法”等。

　　回转窑是“非高炉炼铁”技术中重要的反应器之一，为配合国内众多回转窑炼铁技术的开发，将回转窑炼铁的相关资料归纳成文，与同行同仁共飨。

　　2、回转窑的分类

　　依回转窑的长径比回转窑可分为：长径比>15的长窑、长径比<15的短窑。

　　依回转窑的内径有无变化回转窑可分为：长筒窑(直筒窑)、变径窑。

　　依据回转窑内的被加工、处理物料发生的物理、化学反应，回转窑可分为：氧化窑和还原窑两大类。

　　氧化窑：待处理物料在回转窑内在氧化气氛中进行物理、化学反应，如：加热、脱水干燥;氧化;矿物的分解或合成等物理、化学反应。回转窑内自由空间和料层内均呈氧化气氛。

　　还原窑：待处理物料在回转窑内被加热的同时，在窑内进行还原反应(如：铁矿物、镍矿物的还原)，以及依据工艺要求进行造渣、金属颗粒的聚合长大，甚至熔化等物理、化学反应。还原窑内的自由空间(没有物料的空间)燃料烧嘴喷入燃料和空气进行燃烧，向回转窑供热，呈氧化气氛。回转窑内料层内部呈还原性气氛，并能保证完成要求的还原、聚合等反应。

　　3、还原性回转窑的分类

　　还原性回转窑依据窑内物料的形态差异可分为：

　　1)、预热预还原回转窑：回转窑窑内物料进行预热、干燥、脱除结晶水、碳酸盐分解、铁矿物的部分还原。窑内最高温度通常≮1000℃。通常预热预还原回转窑是整个工艺中的一个环节，如：预热预还原回转窑——矿热炉法生产镍铁。

　　2)、直接还原回转窑：窑内炉料最高温度低于“开始软化温度”最低的物料的开始软化温度值100～150℃。窑内物料呈完全固体状态，在不熔化、不造渣的条件下完成还原过程，产品呈基本保留入炉形状的固态以金属铁为主要成分，包含原料脉石成分的“直接还原铁”。

　　3)、深度还原窑：窑内炉料最高温度略高于软化开始温度(在荷重还原条件下收缩3%时的温度)最低的物料的软化开始温度值，但低于炉料软化温度(在荷重还原条件下收缩30%时的温度)。窑内物料在进行还原反应的同时产生固相造渣反应，但不熔化，物～料呈现烧结块状，类似水泥熟料生产回转窑窑内物料形态。排出回转窑的物料中铁呈>0.10mm的金属颗粒分布在物料团块中。回转窑产品—还原团块经水淬、磁选获得产品—细颗粒状金属铁。

　　4)、粒铁回转窑：粒铁法通常使用酸性脉石的矿石为原料，炉料在窑内进行物料的干燥、预热、铁矿物的还原，随着温度的升高炉料生产造渣反应，炉渣呈半熔状态，通常炉渣的碱度(CaO+MgO/SiO2)0.10～0.30，还原出来的铁以1.2～30mm的铁颗粒包裹在半熔态的渣中，但不能聚合成过大铁块，避免铁沉积在料层底部，引发结圈事故。回转窑产品—包裹着颗粒状金属铁的半熔渣团经水淬、磁选获得产品—颗粒状金属铁产品。如：朝鲜以劣质煤为还原剂，以酸性脉石贫铁矿为原料生产颗粒状含铁95～97%铁粒的“粒铁法回转窑”;以铜冶炼渣为原料,以劣质煤为还原剂生产颗粒状的含铁>95%产品的”粒铁法”;日本金属公司大江山厂以煤为还原剂以红土镍矿为原料,生产含镍13～15%的颗粒状镍铁的“大江山法”。

　　5)、熔态回转窑:以高碱度碱性含铁物料为原料,以煤为还原剂,原料在窑内进行物料的干燥、预热、铁矿物的还原，随着温度的升高炉料熔化形成铁水和液态炉渣，低P、低S铁水定期从回转窑最低点的出铁口放出,液态渣从回转窑出料端排出,炉渣冷却后可作为水泥熟料使用——生铁水泥法回转窑(Baseet法)。该法适合处理碱性矿石，铁水硫极低可用于铸造，炉渣可替代水泥熟料，故称为生铁水泥法。该法耐火材料消耗高，生产能力过小已被淘汰。我国上世纪70年代在浙江萧山进行过试验性生产

　　在还原性回转窑内，待处理物料加热、物料还原所需要的大量热主要靠窑头的燃料烧嘴燃烧供给。燃烧是个氧化过程，为了保证燃料的充分燃烧，通常燃烧的空气过剩系数是大于1的。因此，回转窑的自由空间必然是氧化气氛。还原性还原窑为了确保窑内物料能顺利、快速进行和完成强吸热的还原反应，必须进行高强度的加热。因此，还原性回转窑内的自由空间必然是氧化气氛。

　　在回转窑自由空间是氧化性气氛的条件下，创造料层内强还原性气氛是还原性回转窑与氧化性回转窑的最大差异，也是还原性回转窑完成还原最基础条件。

　　还原性回转窑的分类见附图。

还原性回转窑分类示意图

　　4、还原性回转窑的特征

　　还原性回转窑通常以固体为还原剂(各种煤、焦)，进入回转窑的待处理物料通常由矿石和煤、熔剂组成。为了保证料层内的强还原气氛，将回转窑自由空间的强氧化性气氛与料层内的强还原性气氛隔离开来是还原性回转窑最重要的任务之一。

　　回转窑内待处理的物料在被加热后，料层内由还原煤受热放出的挥发份(H2+CO+CnHm)，物料进行还原反应放出还原反应产物(CO)，这些还原性气体不断从料层表面放出，在料层表面形成一个还原性气体膜。如果这个由还原性气体组成的气膜能稳定存在，即可实现将回转窑自由空间的氧化性气氛与料层内的还原气氛完全隔离，实现还原性回转窑自由空间进行燃烧为回转窑供热，料层内进行还原反应。

　　控制还原性气膜的稳定存在是还原性回转窑生产控制的最重要任务。因还原性气膜的外层接触回转窑自由空间的氧化性气氛必然产生氧化燃烧，燃烧产生的热量成为回转窑的重要热源之一。还原性气膜因外层的氧化燃烧消耗与料层放出的还原性气体量达到动态平衡时，回转窑即可实现加热和还原同时进行，达到还原性回转窑的还原的目的。

　　由此，造成还原性回转窑的结构、控制、操作与氧化性回转窑有重大差异。

　　1)、回转窑的燃料燃烧火焰应远离料面，绝对不得冲击料面的还原性气体保护膜。

　　2)、因回转窑内待处理物料中的煤从400℃开始大量放出挥发分，铁的还原从570℃开始进行，回转窑后部还原煤放出的挥发分和还原产生的CO难以从窑头烧嘴供给燃烧所需要的氧气，通常还原性回转窑必须设置独立的向回转窑中、后部供氧的高风速二次供风管，或在窑身设置窑身风机。

　　3)、还原窑内状况与氧化窑不同，氧化窑窑内呈清晰、明亮状，从窑头可以清晰的看到窑内物料状态。而还原窑内呈浑暗状，不透亮，难以看到远处的料面。

　　还原性回转窑窑内炉料表面有一层炉料内放出的可燃性气体构成的气膜，这层气膜将回转窑内自由空间的氧化气氛与料层内的还原气氛分割开来。气膜的表层与自由空间的氧化气氛产生燃烧反应形成一层火焰，这层火焰的形态、厚度影响炉料的还原结果。料面火焰有力向上，略向窑尾倾斜属正常炉况;料面火焰倾向料面或窑的燃烧火焰扑向料面，炉料会产生再氧化;料面没有火焰且窑的燃烧火焰直接接触料面，料面发亮，炉料产生再氧化，由于新还原出来的铁、镍活性极大，已还原了的炉料被氧化，将使炉料表面温度急剧上升，造成炉料熔化，继而产生粘结，严重时产生“结圈”。

　　4)、为了保证单位料面有足够的还原气体溢出，需要有足够的料层厚度。因此，还原性回转窑的填充率远大于氧化性回转窑，通常还原性回转窑填充率应达到20.0～25.0%，而氧化性回转窑填充率通常8～10%。直接还原窑出料端的出口直径仅为窑内径的50%以下。粒铁法回转窑的出料端直径仅为窑内径的0.45～0.50。

　　5)、因铁和镍矿物的还原是通过还原剂CO、还原产物CO2的扩散过程完成，回转窑窑内的还原反应是扩散控制过程，还原过程需要较长的时间。还原窑内炉料在窑内的停留时间远大于氧化窑物料在窑内的停留时间。

　　氧化球团回转窑内物料的停留时间仅仅30分钟;生产水泥熟料的回转窑炉料在窑内停留时间2.0～3.0小时。而生产直接还原铁的回转窑炉料在窑内的停留时间需要6～10小时。天津钢管￠4.80×80m的直接还原窑炉料在窑内停留时间约10小时。￠3.60×60m粒铁回转窑物料在窑内停留时间约为8.0小时。

　　因此，还原性回转窑的斜度远小于氧化窑，通常还原性回转窑的斜度≯2.50%。还原性回转窑的转速也远低于氧化窑，通常还原性回转窑的转速≮1.0转/分钟。

　　6)、为保证炉料充分还原，单纯依靠加大窑长，降低回转窑转速、增大填充率是无法满足还原反应的需要，改善窑内温度的分布，延长适宜还原的温度区间长度更为有效，还原性回转窑窑内温度分布曲线与氧化性回转窑有重大差异。因此，还原性回转窑的窑头烧嘴的型式与氧化性回转窑差异巨大。还原性回转窑必须使用长火焰烧嘴，以保证窑内有较长的还原所需要的高温区。大型还原性回转窑通常不使用细颗粒煤粉、气体燃料为燃料。大型直接还原铁回转窑使用粒煤(3.0～17.0mm)烧嘴进行加热，不仅大幅度降低了煤粉加工成本，且大幅度加长了烧嘴燃烧火焰，使窑内的温度分布更加合理。

　　7)、为保证炉料充分还原，改善窑内温度的分布，延长适宜还原的高温度区间长度，直接还原回转窑通常在回转窑设置若干窑身风机，窑身风机通过供风管将空气导入回转窑中心，为还原反应生成的CO、还原剂放出的挥发分的燃烧供氧。￠4.8×80m直接还原回转窑配备9个窑身风机。“粒铁法”回转窑通常采用高压二次风向窑的后部供风，提高后部的温度，拉长还原带的长度。二次风管的出口速度超过80m/s。现代粒铁回转窑在窑的后端也采取设置窑身风机提高回转窑后部温度，拉长还原带的长度。

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