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　　復合影響因子：0.290綜合影響因子：0.144

　　摘要：轉底爐煉鐵是一項煉鐵新工藝,它以煤炭和熱風為基礎,不用焦炭和氧氣。本文介紹了它的原理和發展過程,對目前國外轉底爐煉鐵發展和工藝進行了綜合闡述,同時,對中國引進和發展這項技術闡述了其必要性和可行性。并就轉底爐在我國的發展和前景進行論述。

　　關鍵詞:轉底爐,煉鐵,直接還原

　　1引言

　　轉底爐煉鐵工藝是非高爐煉鐵工藝的一種,是近30年才發展起來的,主體設備源于軋鋼用的環形加熱爐，原料適用范圍很廣,不只適用于鐵礦粉,還非常適合處理鋼鐵廠含鐵含鋅粉塵等廢料。由于這一工藝無需燃料的制備和原料的深加工，對合理利用自然資源、保護人類環境有積極的作用，與其他煉鐵方法相比較,轉底爐優點在于對原料、燃料和還原劑的要求比較靈活,工藝簡單,設備易于制造。因而投資少,成本低。因而受到了冶金界的普遍關注。目前該工藝已獲得工業應用,工業化應用較多的國家為日本和美國。

　　2基本原理

　　轉底爐以含碳球團礦(或壓塊)為原料,其配方為鐵礦粉、煤粉和黏結劑,煤粉的配加量根據鐵礦粉含O2量和煤粉含C量,按照C/O(碳和氧的摩爾比)大致等于1計算;黏結劑的配加量以能使生球(或壓塊)的強度滿足工藝要求,過多的黏結劑不僅使生產成本增加,同時還可能降低產品的品質。如果鐵礦粉為赤鐵礦,制成的生球(或壓塊)在轉底爐內高溫烘烤下,發生如下的反應:

　　3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2(l)

　　2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO2(2)

　　6FeO+6CO=6Fe+6CO2(3)

　　9CO2+9C=9CO(4)

　　3Fe2O3+9C=6Fe+9CO(5)

　　(△H)25℃:862.5kcal/KgFe

　　轉底爐內溫度很高(1200一1400℃),當生球(或壓塊)內部有足夠的C時,Cq不能穩定存在,必然和C反應(見反應式(4)),因此,最終以反應式(5)進行,為吸熱反應。上述化學反應在高溫下進行的速度很快,一般只要20min左右。

　　3工藝流程

　　轉底爐的工藝流程比較簡單,如圖1所示:鐵礦粉、鋼鐵廠粉塵、煤粉和貓結劑存放在料倉之中,經過配料和混合,進人壓球機,壓制成含碳球團礦,然后送進烘干機,除去水分,裝人轉底爐。

　　含碳球團礦在轉底爐內均勻地鋪在爐底上(只鋪一層),在高溫下球團礦內的氧化鐵與碳反應,釋放出的CO在爐膛里燃燒成CO2。與煤氣燃燒生成廢氣混合,形成高溫廢氣。

　　高溫廢氣的溫度在1000℃以上,引出轉底爐后,經過蓄熱室和換熱器,回收其攜帶的熱能,同時將煤氣和助燃空氣分別預熱到400℃和900℃。低溫廢氣從蓄熱室和換熱器引出,再用于生球的烘干。

　　圖1轉底爐工藝流程圖

　　Fig.1FlowchartforproductionofRHF

　　4轉底爐工藝的發展過程

　　轉底爐的發展到目前已有30多年的歷史,主要經歷了3個階段。

　　(1)INMETCO和Fastmet工藝

　　INMETCO工藝是1978年加拿大國際鎳集團(INCO,Ltd)為了處理利用冶金廢棄物,在美國賓州Ellwood城的國際金屬回收公司研發建成的世界上第一座具有生產規模的轉底爐,并因此而命名為INMETCO[1],它也是首例利用冶金廠廢棄物并同時進行Zn,Ni,Cr等金屬回收的轉底爐。它既可用來還原鐵礦石,也可處理冶金廠產生的粉塵,以及其它含鐵廢棄物、含鉻氧化物、生產不銹鋼的廢棄物、廢電池以及酸洗殘渣等。該爐成功運行約30年,成為美國政府指定的處理冶金廢棄物中心,因此該廠具有較好的經濟效益。

　　Fastmet工藝是由著名直接還原公司Midrex的前身MidlandRossCorporation于60年代開發的HeatFastProcess演變而來,80年代前期轉向利用轉底爐(RHF)煉鐵。

　　以上兩種工藝雖然實現了冶金廢棄物的再利用,但是它還不能把料中的鐵與脈石和煤中灰分分離,而這些雜質必然進入煉鋼過程,使渣量增加,造成煉鋼的能耗上升和產量下降。

　　(2)Fastmelt工藝和IDP工藝等

　　為了分離渣和鐵,使鐵水可用于熱裝煉鋼,爐渣用來制成水泥或其它建材。國外一般采用埋弧電爐(礦熱爐)作為熔分手段。即:使轉底爐與電爐(熔分爐)雙聯,形成一種二步法熔融還原過程。轉底爐作為預還原,而電爐實現終還原,從而實現熱DRI[1]裝入電爐熔分,獲得鐵水,熱裝入電爐煉鋼或鐵水鑄塊。這就是Fastmelt[2]工藝,是由美國Midrex公司開發的。

　　IronDynamicsProcess(IDP)是由美國動力鋼公司(SteelDynamics,Inc.)開發,于1996年組建動力鐵公司(IronDynamics,Inc.簡稱IDI)。動力鐵公司擁有目前世界上最大的煉鐵轉底爐,年產能力為50萬t鐵水,轉底爐外徑為50m,爐床寬7m,以天然氣為燃料。

　　除以上兩種工藝外,國際上還有很多冶金公司試圖研發更加有效的轉底爐工藝,如由盧森堡CRM研究中心開發的COMET[3]轉底爐工藝,其特點是不需要造球,鐵礦粉和煤粉分層鋪在轉底爐上;由美國MR&E公司開發的DryIron工藝[4,5],其特點是用自然干燥的原料和燃料,并不用粘結劑,混合料經高壓成型機壓制成型(塊狀);由德國曼內斯德馬格公司開發的Redsmelt工藝,計劃為NSM帶鋼廠(年產鋼150萬t)的煉鋼電弧爐提供鐵水熱裝。DRI出轉底爐后趁熱(900℃)加入熔化的電爐中,獲得鐵水,計算成本為每噸鐵水168.85美元,低于同等條件下的高爐和其它熔融還原的鐵水。

　　圖2FASTMET和FASTMELT的工藝流程

　　(3)Itmk3第三代煉鐵法

　　日本神戶制鋼與美國米德蘭(Midrex)公司聯合開發轉底爐直接還原新工藝(Fastmet),在20世紀90年代中后期取得了突破性進展,使金屬化球團(直接還原鐵,DRI,海綿鐵)在轉底爐中還原時輕度熔化,生成鐵塊(Nuggets),同時脈石也熔化,形成渣鐵初步分離。此法的成功,將解脫DRI對原料品位的苛求,能用普通的高爐用鐵礦為電爐提供優質鐵料。因此意義重大,被命名為第三代煉鐵法(Itmk3)。他們把高爐稱為第一代煉鐵法,產品屬高碳液態鐵水;把直接還原稱為第二代煉鐵法,產品屬低碳固態鐵;第三代煉鐵法的產品介于二者之間,屬中碳準熔化(或半熔)狀態。

　　圖3ITmk3轉底爐工藝示意圖

　　5轉底爐的產品

　　轉底爐可以生產直接供電爐用的海綿鐵(DRI),但是需要高品位的鐵礦和低灰分和低硫的煤炭作為還原劑,方能使產品的TFe達到90%,金屬化率同時達到90%。理論計算表明,磁鐵礦的TFe應當達到69.5%,赤鐵礦應為68.5%,作為還原劑的煤粉灰分不大于4%,S低于0.6%。

　　如果用普通的高爐礦,含鐵品位在64%左右,一般的煤炭含灰分在12%的水平,轉底爐得到的產品含TFe約78%,金屬化率在85%左右,脈石的總含量為18%一19%。這種產品雖然也可以裝人電爐,但會導致渣量大,電耗高,未必經濟。國外采取電爐熔分的辦法,將這種產品再裝進礦熱爐冶煉,得到生鐵和液態的爐渣,每冶煉出1t生鐵約耗電500kw·h。我國的電價較貴,電力供應也比較緊張,不宜采用電爐熔分。若將這種產品作為高爐的金屬化爐料,與高堿度燒結礦配合使用,可以將高爐的“精料”提高到更高的水平。

　　從20世紀60年代起,美國、加拿大、日本和前蘇聯都曾做過高爐用金屬化爐料的冶煉試驗,配比從30%一95%,試驗表明,可以增產、節焦,技術效果是肯定的,但當時金屬化爐料用天然氣生產,成本太高,經濟不合算。如今用轉底爐,以煤為基礎,成本低了。理論計算表明,只要使用金屬化率高于65%的爐料,生鐵的成本便明顯低于一般高爐生鐵的成本(見表1)。

　　當然,也可以模仿COREX工藝過程,以轉底爐作為預還原設備,使爐料的金屬化率達到90%,再裝進終還原爐繼續還原和熔分。

　　表1高爐使用金屬化爐料的計算

　　6能耗與環保

　　轉底爐煉鐵新工藝與傳統的高爐煉鐵相比較,省去了煉焦、減少燒結、球團等工序,所以節能是顯而易見的。況且轉底爐本身的能量利用效率很高,排出的廢氣中幾乎沒有未燃燒的CO,而且經過換熱和烘干生球,廢氣的排放溫度也低于100℃。

　　轉底爐生產過程中全部使用循環水冷卻,沒有污水排放。采用壓球工藝,使粉塵大幅度減少,再經過除塵,廢氣含塵量可以降到50rng/m3以下,大大低于國家規定的標準。原料和燃料帶來的S,大部分固化在爐渣之中,SO2的排放量為340rng/m3,也低于國家規定的限度。

　　7結論

　　(l)轉底爐煉鐵是近20年發展起來的新工藝,它以煤炭為能源和還原劑,不用氧氣,設備簡單,易于操作,投資節省,成本低廉。

　　(2)轉底爐因鐵礦粉和煤炭品質的不同,可以生產多種產品,有可供直接人電爐的高品位海綿鐵,也能夠生產“珠鐵,’;但用一般原料、燃料生產的金屬化爐料更具有普遍實用價值。

　　(3)轉底爐省去了煉焦、燒結等工藝,廢氣帶走的熱量少,因此,可以節能。耗水量小,沒有污染;排放的廢氣中粉塵和SO2等有害物資的攜帶量也大大低于國家規定的標準。

　　(4)轉底爐的生產規模尚不夠大,生產效率較低,爐底的利用系數只有60一80Kg/(m2·h),尚需繼續研究改進。

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