回转窑炼铁(二)

2015-07-09

　　一.回转窑炼铁的发展历程

　　1907年琼斯(J.T.Jones)最早提出回转窑直接还原法。在回转窑卸料端设煤气发生炉，热煤气从卸料端入窑，在距窑加料端1/3窑长处导入空气，与热煤气燃烧形成氧化加热带。铁矿石和还原煤从加料端加入，被高温废气干燥、预热、氧化去硫，随窑体转动铁矿石向卸料端前移，同时被热煤气和还原煤还原，然后从卸料端排出。后来改进为两台窑作业，一台氧化加热，另一台窑内铁矿石被油或煤粉不完全燃烧产生的还原气所还原，但因这样作业不经济，1912年停产。

　　1926年鲍肯德(Bourcond)、斯奈德(Snyder)在实验室进行了用发生炉煤气的回转窑直接还原实验成功。同年还出现了用回转窑进行还原、增碳、得到熔融铁水的巴塞特(Basset)法。

　　1930年克虏伯(krupp)公司开发了克虏伯一雷恩(krupp—Renn)法，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。到50年代发展到生产能力200万t，后因自身缺陷相继停产，目前仅朝鲜仍有数十座粒铁回转窑在生产，铁的产量约占朝鲜铁产量的70%。

　　1960年克虏伯公司在此基础上开发了以煤作还原剂的固相还原生产直接还原铁的krupp—CODIR法。1970年在南非邓斯沃特(Dunswart)建设了年产15万t的生产装置，1974年投产。1920～1930年美国共和钢铁公司(Republic steel)和国际铝公司(National lead)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(Lurgi)公司开发了生产高品位海绵铁的SL法，取长补短，1969年合并为SL—RN法。现已成为回转窑直接还原法的主导工艺。

　　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，在美国田纳西州罗克伍德(Roekwood)建成50000t/a的示范装置，完成了多种煤和铁矿石的试验，1981年取得DRC法技术许可证，后与英国戴维公司合并为戴维一麦基(Davy—Mckee)公司，并为南非斯考金属公司(Scaw Metal Ltd.)建设了年产75000t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年美国阿里斯一恰尔默斯公司(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年为印度奥里萨(Oressa)海绵铁公司建设的年产直接还原铁的ACCAR窑投产，采用全煤作业。

　　二十世纪八十年代后，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。进入二十一世纪，印度建设了数百座直接还原回转窑，总产能超过1900万吨，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%，回转窑直接还原法的生产炼钢用直接还原铁(DRI)的能力和产量均占煤基直接还原炼铁法的95%以上。

　　回转窑直接还原工艺不仅用于生产直接还原铁，由于它具有作业温度较低，料层薄，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、尾矿等的综合利用。

　　1963年日本川崎公司(Kawasaki)根据krupp-Renn法实践建设了处理高炉和转炉粉尘的φ1.3×25m回转窑;1968～1977年分别在千叶厂和水岛厂建设了年产4万t和18万t还原铁的工业装置3套，以焦粉作还原剂，称川崎法。

　　1971年日本住友金属公司(Sumitomo metal Co.)开发了用钢铁厂粉尘生产低品位海绵块用作高炉精料和同时回收锌的住友粉尘法(Sumitomo dust reduction)，1975年在和歌山厂建成年产16万t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，一方面可脱除多种易挥发元素，另一方面为高炉提供优质炉料。

　　1969年南非海维尔德钢钒公司(Highveld steel & vanadium Co.)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同时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年新西兰也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法处理贫镍矿(红土矿)生产含Ni7%～25%的镍铁。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。

　　二.我国回转窑炼铁的发展历程及现状

　　上世纪三十年代日本分别在大连、鞍山建成粒铁回转窑各两座，并进行了生产，抗战胜利后，这些设备均拆除。

　　1970年东北大学在辽阳市灯塔建设成了￠2.30×33.8m粒铁回转窑一座，并进行了长达3年的生产。1972年在广东梅县钢铁厂建设成了￠3.60×60.0m粒铁回转窑一座，并进行了长期生产。产品用于电弧炉炼钢。上世纪七十年代初天津，将水泥窑改造为粒铁窑进行过粒铁试验和生产。

　　1973年浙江萧山将水泥窑改造为生铁水泥法(巴塞特(Basset)法)回转窑进行了工业化试验和生产，产品为低硫生铁和高碱度炉渣，炉渣细磨后可替代部分水泥熟料用于矿渣水泥生产。

　　1973年东北大学在沈阳建成￠1.50×18.0m的粒铁回转窑处理鼓风炉炼铜的铜渣回收铜渣中铁。试验表明：采用铜渣为原料，以无烟煤为还原剂可以有效回收铜渣的铁，铁的回收率约90%，但因铜渣中有残留的铜，粒铁含铜，产品用于炼钢影响钢材质量等原因未继续进行。

　　随着选矿技术的进步，钢铁生产技术的进步，钢铁生产发展的需要，我国的粒铁法回转窑、生铁水泥法回转窑在1976年后全部停产、转产，转入回转窑直接还原铁(DRI)生产的试验和开发。

　　从1975年开始，我国分别在北京、浙江、福建、四川、云南等地建成了多个直接还原铁(DRI)回转窑试验装置，开展回转窑法生产炼钢用直接还原铁(DRI)的试验研究，以及以回转窑为反应器对钒钛磁铁矿进行还原实施钒钛磁铁矿综合利用的研究。

　　上世纪八十年代在四川西昌建成年产万吨的链箅机—回转窑工业化试验装置，进行钒钛磁铁矿还原，实施钒钛磁铁矿综合利用的研究。在福州建成￠2.5×40.0m回转窑进行了以块矿为原料生产炼钢用直接还原铁的试验研究。

　　1989年福州￠2.5×40.0m回转窑以块矿为原料生产炼钢用直接还原铁的工业化试验成功，为我国直接还原铁的发展奠定了基础，被列为当年冶金工业十大科技成果之一。

　　1990年四川西昌链箅机—回转窑完成了钒钛磁铁矿预还原的试验研究及工业化试验，打通了回转窑预还原—电炉深度还原的钒钛磁铁矿铁、钒、钛综合利用流程，为我国钒钛磁铁矿资源利用开辟了新的途径。

　　1991年天津钢管公司引进DRC法建成￠4.8×80.0m以块矿/球团为原料的回转窑2条，设计生产能力年30万吨炼钢用直接还原铁DRI，实现了我国直接还原铁生产的零突破。此后，辽宁喀左建成年产2.5万吨的链箅机—回转窑生产线，北京密云建成年产6.2万吨的链箅机—回转窑生产线，山东莱芜建成年产5.0万吨的冷固结球团—回转窑生产线(后改造为链箅机—回转窑)。2009年在新疆富蕴建成年产15万吨链箅机—回转窑生产线。

　　我国回转窑直接还原技术成熟，结圈问题已得到解决，生产指标世界领先。天津钢管在引进DRC技术的基础上，进行了大量改造，技术上有了重大进步，年产量最高超过设计产量20%，煤耗(褐煤)仅850～900kg/t DRI，尾气余热发电进一步降低了能耗，在使用TFe68%球团时，产品TFe>94.0%，金属化率>93.0%，S、P<0.015%，SiO2～1.0%，回转窑生产指标世界领先。

　　我国自行开发的链箅机—回转窑法(一步法)实现了工业化，煤耗(褐煤)仅900～950kg/t DRI。

　　然而，回转窑法对原燃料的要求苛刻，单位产能投资高，运行费用高，生产运行的稳定难度大，难以实现自动化生产，规模难以扩大(最大20万吨/年座)，难以成为我国DRI发展的主体工艺，仅是在资源适宜，中小规模需求条件下可供选择的方法。

　　目前，我国已建成回转窑生产线6条总生产能力约60万吨。但2009年以来，因天津钢管依靠进口原料，进口原料价格过高被迫停产。

　　喀左、密云、莱芜、富蕴均采用链箅机——回转窑工艺(一步法回转窑)，因控制难度大，生产稳定性差，以及经济效益等原因停产。2009年以来我国直接还原铁的产量没有回转窑生产的产品，仅仅～60万吨的产量全部为隧道窑生产的产品。

　　虽然，目前我国没有炼铁回转窑生产线在运行，但几十年的试验、研究，大量实践经验为我国炼铁回转窑技术的发展奠定了基础。

　　三、以红土镍矿、动力煤为原料回转窑一步法镍铁生产

　　以红土镍矿为原料，煤为还原剂，以回转窑为反应器，生产镍铁是世界上成熟的镍铁生产工艺之一。日本、希腊等地使用回转窑处理红土镍矿生产镍铁已有几十年历史，虽发展十分缓慢，但生产效果良好，镍的回收率>90%，生产成本显著低于电炉生产镍铁工艺。

　　近年来，我国建成处理红土镍矿的回转窑数十条(不包括回转窑—矿热电炉工艺中的回转窑)，但至今多数生产运行情况难以令人满意，严重的困扰了我国回转窑处理红土矿生产镍铁技术的发展。

　　工艺设计者、设备生产商、生产运营商的保密和技术封锁是该工艺技术成熟速度缓慢的重要原因之一。

　　分析我国用回转窑处理红土矿生产镍铁技术发展遇到的问题主要是：

　　1)、对原燃料基本性能的检测、试验等基础工作做的不够。

　　红土镍矿来源复杂，红土矿自身的不稳定性，红土矿成分、形态、冶金特性变化大，红土矿的形态特殊(红色胶泥状，极易泥化)，含水高达30～40%，不仅含自由水、吸附水，同时含有结晶水，脱水难度大。矿石中镍的赋存形态极细微(5～20微米)，不仅还原难度大，还原成金属后聚合难度大。因这些基本性能的检测、试验等基础工作做的不够，使制定工艺路线，确定操作参数缺乏依据。

　　2)、原燃料的预处理工艺、技术及工艺装备的选择缺乏依据和经验。

　　鉴于红土矿的性能独特，回转窑工艺对原燃料的预处理要求必须满足还原和还原出来的金属铁、镍的聚合长大的需要，要求苛刻，缺乏可以借鉴的经验。

　　红土镍矿细磨，加入还原剂、造渣剂混合造球或压球工艺在日本、我国一些企业生产遭遇湿磨、脱水、混合、造球或压球难以实现连续工业化生产的困扰。其中，红土镍矿湿磨后脱水困难;混合设备、压球设备的选型困难;压块的干燥设备选择及干燥能耗高等问题至今缺乏明确的解决方法和方向。

　　有企业进行了“半干法”处理红土镍矿的试验，采用红土镍矿半干燥、破碎(≯3.0mm)、配料(加入还原剂、造渣剂、粘结剂)、混合(轮碾)、对辊压块机压块、干燥、配料(加入外配煤)、入回转窑还原。回转窑产品经水淬、破碎、磁选、获得颗粒状镍铁(镍的回收率>90%)的半工业化试验取得成功。但大型化生产的可行性、可靠性仍需要工业化生产的证实。

　　3)、红土镍矿回转窑法生产镍铁工艺及回转窑设计缺乏依据和经验

　　当前，实现了工业化生产的回转窑法处理红土镍矿并直接获得镍铁产品的工艺只有“日本大江山法”，即是德国“Klupp-reen”法。因该工艺产品呈颗粒状，我国称之为“粒铁法”。

　　虽然我国有“粒铁法”回转窑建设和生产的记载，但因当时认为该技术是落后被淘汰的技术，技术资料的收集、保存被忽略，保留甚少。

　　但上世纪80年代，我国进行了大量的回转窑直接还原铁技术的开发研究的试验，并建成十余条试验窑(￠1.2～2.5×12.0～40.0m)，并引进了(￠4.8×80.0m)的DRC直接还原回转窑。因我国缺乏富矿资源，当时氧化球团生产未形成大型工业化， 无奈之下，我国开发了以精矿粉为原料生产直接还原铁的链箅机—回转窑工艺(一步法回转窑直接还原工艺)。并建成4条工业化生产线(喀左、密云、张家洼、富蕴)，回转窑最大为￠4.8×80.0m。

　　我国回转窑直接还原铁工艺的开发、生产为还原性回转窑的设计、设备制造积累了大量的资料和丰富经验。以回转窑为唯一反应器处理红土镍矿直接生产粒状镍铁合金的回转窑设计应汲取上述经验和教训。

　　4)、对“粒铁法”回转窑的认识问题

　　①、粒铁回转窑错误采用无缩口的直筒窑，窑内炉料填充率不足10%

　　粒铁法回转窑是还原性回转窑，红土镍矿的还原需要足够的还原势、足够的温度，足够的还原时间。因此，还原窑的炉料填充率必须是高的，通常炉料填充率应大于20%。保持还原性回转窑窑内炉料的高填充率是保证回转窑内料层有足够的厚度，保证料层表面形成足够厚度CO膜的基础。

　　为此，粒铁回转窑窑的进口、出口必须有足够大的缩口，保证回转窑内物料有足够大的填充率。

　　②、粒铁回转窑窑内温度及温度分布问题

　　粒铁回转窑窑内的温度及温度分布通常依据窑内物料的反应及形态分为：预热带(<600℃)、还原带(600℃～炉料软化开始温度)、粒铁带(炉料软化开始温度～允许最高温度)三个区域。三个区域分别占回转窑长度的20%、50%、30%。

　　上述：600℃为镍、铁开始大量还原的温度;炉料软化开始温度是炉料开始软化的温度中;允许最高温度是由炉料化学成分确定的，是炉料呈半熔融状态(铁镍矿物以外的成分造渣，但没有自由流动性)的最高温度。

　　为了保证窑内的合理温度分布，回转窑的供热燃料的选择、烧嘴的形式的选择，必须保证窑头烧嘴的供热强度、火焰长度达到满足回转窑温度分布的需求。这与氧化窑是完全不同的。

　　③、还原性回转窑的供热除燃料烧嘴外，还原反应产生的CO、还原剂放出的挥发分的燃烧放出热量可占回转窑总热收入量的20～30%。因此，如何向回转窑中、后部供应足够量的氧是还原性回转窑降低能耗，提高回转窑的生产能力的关键。直接还原铁回转窑采用在回转窑窑身上安装窑身风机方式向回转窑中、后部供氧。传统的粒铁回转窑向窑的中后部区域供氧仍主要依靠窑头高压、高气流速度的二次风管的方式进行，近代粒铁回转窑的后部也设置窑身风机向回转窑中后部供氧，以保证回转窑内的温度合理分布。

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