转底炉直接还原技术综述

宝武集团环境资源科技有限公司转底炉事业部

引 言

转底炉始源于轧钢用的环形加热炉，由美国罗斯米德兰有限公司（Midland Ross Co.）最先提出0，从20世纪60年代起被开发成为一项新的煤基直接还原工艺。

转底炉直接还原法属非高炉炼铁技术范畴，该技术以其原料适应性强和操作工艺灵活等优点，引起冶金界高度重视。20世纪90年代，美国、德国、日本等国家在转底炉发展过程中都相继投入力量开发研究，进行了大量的示范性试验和小规模生产试验，成功将转底炉用于炼铁和处理钢厂含铁固废，并于2000年起先后建立起工业化生产厂。目前该技术已经日趋成熟并表现出较好的商业发展潜力，全世界建成和投产的具有工业规模的转底炉有30余座。

目前，已实现工业化的转底炉生产工艺有Inmetco、FASTMET、IDI、DryIron和ITmk3 (第三代炼铁法)等。虽然这些生产工艺在原料加工方式、装料、炉温分布、烧嘴形式、高温废气热量利用、产品质量及产品用途等方面有所不同，但其基本工艺是相似的，即将含铁原料和还原剂按一定配比混合，同时配加适量粘结剂，经造球或压球后加入转底炉炉底，在温度1200～1400 ℃的转底炉环形炉膛旋转一周后，含铁原料被还原得到金属化球团或粒铁，原料中的锌、铅、钾、钠、银、铟、锡等元素通过烟气收尘系统回收，得到高价值的粉尘。

1 国外转底炉技术发展及工业化运行现状

国外转底炉技术主要可分为Inmetco、新日铁技术、FASTMET、IDI、ITmk3（第三代炼铁技术）、DryIron、Comet、Hi-Qip和Resmelt等。

1.1 Inmetco工艺

20世纪70年代，加拿大的国际镍集团-INCO公司先建成了一座直径6.3 m的环形炉进行合金钢废料的直接还原处理试验，获得成功后，该公司成立国际金属回收公司（Inmetco公司），并于1978年12月，在美国宾夕凡尼亚州Ellwood城建成了世界上第一座具有生产规模的转底炉，命名为Inmetco法，此为首次利用转底炉处理不锈钢厂废料生产DRI，并回收Zn、Ni、Cr等金属。Inmetco法转底炉生产的DRI热装入电炉生产合金铁水[3,4]。此外，此转底炉用铁精矿粉生产DRI，也取得了很好的效果。据称，该转底炉已正常运行几十年，经过多年的发展，目前主要处理不锈钢氧化铁皮、铁屑、粉尘、其他含镍、铬、钴的废水和污泥以及含锌电池等[5]。

Inmetco工艺流程见图1所示[6]，造球系统送过来的球团通过摆动皮带机由加料溜槽加入转底炉内，炉料厚度约1~2层，转底炉旋转经过炉料的加料区、燃烧区后还原成海绵铁，通过带水冷的螺旋卸料机排出炉外装入旋转料盘上的储料桶，然后送入6.2 MVA矿热炉（直径6.4m）进行熔炼，熔炼后的铁水经铸铁机浇铸成铁块。该工艺的特点为：该转底炉炉内由隔板分隔为加、排料区和燃烧区。燃烧区又分为4个区，每个区内外侧壁均配有不同数量的烧嘴，通过管道送入的燃气配助燃空气燃烧产生的热量来控制每个区的温度，产生的约1100 ℃烟气逆转底炉旋转方向流动至球团落料口附近的烟道排至烟气除尘系统，该转底炉炉墙和炉床采用水封密闭，水封内堆积的粉尘污泥等杂物用刮刀清理，炉床内外测的外围设置了多个刮刀。转底炉出来的废气用来预热助燃空气，过剩的空气可用来产生蒸汽和发电，每吨DRI可发电300~500 kWh。此外，该工艺过程中生球未经干燥直接入转底炉进行直接还原反应。该转底炉用于处理不锈钢冶炼废弃物时，年处理量为6万t，处理后金属化球团中镍金属化率约95%，铁金属化率约80%。

1.2 新日铁技术

新日铁公司在于1999年引进美国的DRyIRON工艺技术，并获得代理推销权后，针对各种不同的钢铁厂粉尘进行了有针对性的研发，形成了各种钢铁厂粉尘的转底炉处理技术，包括以君津厂转底炉为代表的高炉灰、转炉灰和污泥处理转底炉，以朝日工业厂转底炉为代表的处理电炉灰的转底炉，以及采用DRyIRON工艺处理不锈钢粉尘和污泥的转底炉。目前新日铁技术已成为应用范围较广的转底炉技术之一，采用该技术的商业化转底炉如表1所示。

1.3 FASTMET工艺与FASTMELT工艺

FASTMET工艺的前身是美国罗斯米德兰有限公司（Midland Ross Co.）研发的Heat Fast工艺。 20 世纪60 年代，美国罗斯米德兰有限公司（日本神户制钢美国子公司米德雷克斯公司（MIDREX Technologies Inc.）的前身），因直接还原的回转窑存在诸多问题，首先提出了复合球团（含铁矿和碳还原剂）的转底炉直接还原法。后来美国MIDREX技术有限公司研发出可同时处理铁精矿和钢厂粉尘的FASTMET工艺，此后，日本神户制钢引入此项技术，于1995年在加古川制铁所在建立了一座FASTMET法转底炉示范性试验厂（该转底炉于2001年经改造后用于商业化生产），进行了多组示范性试验，最终于2000年在日本新日铁广畑制铁建成了第一座商业化应用的FASTMET法转底炉。随后，神户制钢又分别于2005年，2008年，2009年，2011年在新日铁广畑制铁所和日本JEF钢铁的西日本制铁所（福山厂区）建成了四座FASTMET法转底炉，其中2008年在新日铁广畑制铁所建设的转底炉，是第一座实现FASTMET-HBI（Hot Briquette Iron）工艺的商业化转底炉[7]。

此外，由于FASTMET工艺生产DRI脱硫能力差，DRI硫含量约为0.15-0.4%，所产的DRI金属化率低，如直接用于炼钢，会使渣量增加，造成炼钢的能耗上升和产量下降，为了分离渣和铁，使铁水可用于热装炼钢，神户制钢在FASTMET工艺的基础上又研发了采用转底炉与电弧炉或煤基熔炉双联生产热态铁水的工艺，即FASTMELT工艺。

图 2为典型的FASTMET工艺流程图(含FASTMELT和FASTMET-HBI工艺)，图 3为FASTMET工艺转底炉炉内反应简图。

 

1.4  ITmk3工艺

ITmk3工艺又称第三代炼铁法，由日本神户钢铁公司与美国Midrex公司联合开发，并在20世纪90年代中后期取得了突破性的进展，ITmk3工艺与FASTMET工艺类似，所不同的是，它把工艺过程中还原温度精确控制在Fe-C平衡相图中一个固定固液共存的新区域（约1350-1450 ℃）。在这一温度范围内，含碳球团矿被还原和熔化，铁水从渣中分离出来，整个过程只需要10 min就可以完成[8]。工艺流程如图所示[9]。

1999年在日本加古川厂建立了年产3000t（生产率为0.35t/h）的中试厂，转底炉外径为5m，内径3.2m，并在同年10月及2000年12月分别完成了2次生产测试，其工艺设计得到了实际验证。2003年5月神户钢铁与美国动力钢公司合资在美国投建了2.5万t/年示范工厂，转底炉直径14m，并连续运行一年于2004年7月结束，期间产品质量和设备运转良好。

2007年末美国动力钢公司（占85%）与神户钢铁公司达成协议在明尼苏达州的Mesabi Nugget公司建设首座ITmk3商业化工厂，设计年产50万t粒铁（估计产能为43万t粒铁），转底炉直径60m（内径50m）。该厂于2010年1月正式开始商业化运营，主要处理所用原料为铁燧岩（属于磁铁矿），金属化率为85%，所生产的粒铁的铁含量可达到97%。2010年产量为7.5万t粒铁，2011年产量为15.9万t粒铁，2012年产17.8万t粒铁，2013年产21.4万t粒铁，2014年产24.1万t/粒铁，该生产线由于金属回收利润减少、市场前景低于预期等问题，美国动力钢公司决定从2015年5月份起长期停产[10,11]。

 
 

1.5 DRYIRON法

20世纪90年代，美国莫米研究和工程公司（MR&E，Maumee Research & Engineering）与罗杰钢公司（RSC）联合开发了DRYIRON的钢铁厂含锌粉尘处理回收工艺，新增了包括含铁粉尘和焦末的配混料系统和压块系统等，工艺流程图如图5所示[12]。在脱锌和回收铁的同时，还回收了废料中的镍、铬等合金成分，并根据这些废料含水量大、含碳很少的特点，对工艺作了适当改进，即对废料先干燥脱水，再配入还原用焦粉，然后压制成为较易还原的椭圆形块，该工艺被命名为DRyIRon法。DRyIRon法转底炉炉内反应温度为1160~1290 ℃，炉内停留时间15 min，所得DRI产品用于电炉和AOD炉。

 

1.6  IDI工艺

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