轉(zhuǎn)底爐煤基煉鐵工藝及其發(fā)展前景分析

張志霞， 宋說講

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院， 貴州 六盤水 553000）

轉(zhuǎn)底爐煉鐵工藝是非高爐煉鐵的一個(gè)分支，國內(nèi)外均做過一些相關(guān)研究[1-5]。因其原料適應(yīng)范圍廣，投資少，能耗低，對(duì)環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)受到鋼鐵業(yè)普遍關(guān)注，尤其是在日本和美國得到了工業(yè)化應(yīng)用。針對(duì)唯一一個(gè)商業(yè)化的轉(zhuǎn)底爐煤基煉鐵工藝—ITmk3，本文介紹了其發(fā)展、流程、工藝特點(diǎn)，進(jìn)而分析了其發(fā)展前景。

1 ITmk3工藝發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代，美國Midland Ross公司（后改名Midrex，再后被日本神戶制鋼收購）發(fā)明了含碳球團(tuán)的轉(zhuǎn)底爐直接還原法，命名為Fastmet工藝。1974年，美國的Inmetco公司把轉(zhuǎn)底爐用于消納不銹鋼生產(chǎn)中的氧化物粉塵，命名為Inmetco工藝。但此兩工藝（同屬煤基直接還原）的產(chǎn)品（DRI）硫含量過高問題一直未能解決。20世紀(jì)90年代，日本神戶制鋼對(duì)其子公司美國Midrex公司的Fastmet工藝的評(píng)價(jià)試驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn):溫度還未到鐵的熔點(diǎn)時(shí)，含碳球團(tuán)發(fā)生熔化，且形成的粒狀鐵能與渣利索分離，粒鐵純度還很高（約95%）[6]。在此基礎(chǔ)上深入研究，取得突破性進(jìn)展，命名為“Ironmaking Technology mark 3”（ITmk3）。該工藝溫度（1 350 ～1 450℃）突破了直接還原的范疇，介于直接還原和熔融還原之間，使金屬化球團(tuán)還原時(shí)呈半熔融態(tài)進(jìn)一步熔化分離，得到高純度粒鐵[7]，同時(shí)也徹底改變了直接還原對(duì)原料品位的苛刻要求。

日本的加古川鋼廠所建的內(nèi)徑為3.2 m、生產(chǎn)率為0.35 t/h的ITmk3用轉(zhuǎn)底爐（產(chǎn)能達(dá)3 000 t/a），于2000年12月完成中試。隨后神戶與美國合作成立了MNC公司專門研究開發(fā)ITmk3，用于工業(yè)試驗(yàn)的的ITmk3轉(zhuǎn)底爐（設(shè)計(jì)產(chǎn)能為2.5萬t/a）于2003年5月出鐵，很快便24 h運(yùn)行。2010年在美國的明尼蘇達(dá)建成的產(chǎn)能為50萬t/a的商業(yè)工廠順利出鐵，2011年上半年生產(chǎn)率達(dá)80%、設(shè)備利用率達(dá)85%，主要因煤傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致。目前，在北美、印度、哈薩克斯坦、烏克蘭等地正進(jìn)行推廣。

2 ITmk3工藝流程

1）原料處理。將鐵精粉和煤粉配料混勻，用造球或壓塊機(jī)得到球團(tuán)或團(tuán)塊，干燥后備用。鐵精粉可以是磁鐵礦粉，也可是赤鐵礦粉，對(duì)品位無嚴(yán)格要求（但低品位造成能耗增加）。燃料用非焦煤粉，可使用普通煤，也可使用石油焦，或其他含碳原料。

2）還原熔分。將制好干燥的球團(tuán)或壓塊放入轉(zhuǎn)底爐，料層不能過厚（1 ～3層為宜），隨爐床勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一周（生球依次經(jīng)過裝料區(qū)、排煙區(qū)、預(yù)熱區(qū)、中溫還原區(qū)、高溫還原區(qū)和出料區(qū)），在生球與爐床靜止?fàn)顟B(tài)下（故對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度要求不高）被加熱到1 350 ～1 450℃，發(fā)生還原、滲碳及熔融反應(yīng)，渣鐵熔化，各自聚集，整個(gè)過程約需10 min（煤粉與鐵氧化物緊密接觸，還原速度很快）。轉(zhuǎn)底爐爐床結(jié)構(gòu)見圖1[3]。

圖1 轉(zhuǎn)底爐爐床結(jié)構(gòu)展開示意圖

3）粒鐵產(chǎn)出。經(jīng)快速冷卻的凝聚態(tài)渣鐵，使用排料裝置排出。粒鐵（稱為Iron Nugget）直徑5 ～25 mm，且渣鐵分離干凈。

4）廢氣處理。廢煙氣經(jīng)熱交換器后除塵排出。

圖2 ITmk3工藝流程示意圖

3 ITmk3工藝特點(diǎn)

其獨(dú)特之處在于還原溫度精確的控制在1 350 ～1 450℃，使得體系處于Fe-C相圖中一個(gè)固液共存的新區(qū)域。不同煉鐵工藝的操作空間見如圖3[9]。在此相對(duì)較低的溫度范圍內(nèi)，含碳球團(tuán)發(fā)生還原、熔化，同時(shí)脈石也熔化，液態(tài)渣鐵分離。整個(gè)過程僅10 min。還原熔分后的渣中殘留的FeO很少（質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%），基本不存在對(duì)爐襯的侵蝕破壞。

圖3 不同煉鐵工藝的操作區(qū)間示意圖

與傳統(tǒng)高爐煉鐵對(duì)比:

1）不需塊礦和焦炭，且礦粉和非焦煤粉品種選擇靈活，只需一般礦粉和煤粉即可（低品位礦粉也可，但影響能耗），原料適用性強(qiáng)。

2）還原和渣鐵分離同時(shí)進(jìn)行，在相對(duì)較低的溫度下反應(yīng)快（從原料入爐，到熔分完成，只需10min），生產(chǎn)節(jié)奏快、易于調(diào)整。

3）渣鐵分離徹底，產(chǎn)品粒鐵純度高、品質(zhì)好，適宜冶煉優(yōu)質(zhì)鋼，有金塊之稱。

4）無需焦化、燒結(jié)等鐵前工序，投資低，污染少，能耗更低。

所產(chǎn)粒鐵，經(jīng)電弧爐煉鋼試驗(yàn)證明:純度高（w(Fe)為 96% ～97%）、不含渣、碳含量合適（w(C)為 2.5% ～3.5%），不存在再次氧化和粉化，熔解性能良好，比廢鋼、DRI品質(zhì)更好[7]。

ITmk3最大優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快；ITmk3的難點(diǎn)在于渣鐵分離及控制粒鐵尺寸和純度。配入適量的添加劑（B2O3、Na2CO3、CaF2、Na2O 等）可促進(jìn)渣鐵分離；用冷凝水快速冷卻反應(yīng)后的渣鐵混合物，有助于渣鐵分離更徹底；通過配加適量熔劑調(diào)整堿度（介于1.3 ～2.3，取決于原料含硫量），可降低粒鐵中硫含量（普遍低于0.08%）。

但轉(zhuǎn)底爐自身缺陷為生產(chǎn)能力有限（目前最大的轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)能力約50萬t/a）。與年產(chǎn)百萬噸規(guī)模的高爐不能相提并論，所以完全替代高爐不太可能。

4 ITmk3工藝發(fā)展前景

ITmk3在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)塊、還原和熔分功能，是一步法煉鐵，球團(tuán)最后被熔化，渣鐵分離良好，其產(chǎn)品是粒鐵。

ITmk3使用鐵礦粉和非焦煤，可避免使用氧化球團(tuán)、燒結(jié)礦和焦炭，從而減輕焦?fàn)t和燒結(jié)機(jī)對(duì)環(huán)境的壓力。還可以處理冶金廠產(chǎn)生的粉塵，及其他含鐵、鉻、鋅等廢棄物。對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，以節(jié)能環(huán)保、復(fù)合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的特征，吸引了廣大冶金工作者的關(guān)注。

Itmk3產(chǎn)品可以直接代替廢鋼（最高比例達(dá)40% ～50%）用于電弧爐煉鋼，也可作品質(zhì)優(yōu)良的冷卻劑用于轉(zhuǎn)爐煉鋼，還可以用于高爐以降低焦比。電爐煉鋼中，可起到稀釋有害元素的作用，熱裝時(shí)還能加速熔煉，工藝操作良好，有助于生產(chǎn)高品質(zhì)鋼種。

ITmk3煤基直接還原工藝具有原料選擇靈活，設(shè)備和基建投資較低，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、操作靈活，能提高煉鋼的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減低電爐煉鋼能耗，且能減少溫室氣體CO2及其他有害氣體和粉塵的排放，是新型友好的煉鐵工藝。

5 結(jié)語

ITmk3具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ绕湮覈F礦資源以低品位為主，隨節(jié)能、環(huán)保壓力越來越大，短流程、能耗少的煉鐵工藝必然成為未來發(fā)展趨勢(shì)。但目前全世界僅1座商業(yè)化的ITmk3爐，工業(yè)相關(guān)的核心操作技術(shù)還嚴(yán)格保密。同期北京科技大學(xué)開發(fā)的CHARP工藝，與ITmk3幾乎相同，但尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[10-11]。更需深入進(jìn)行系統(tǒng)研究、掌握其基本原理，盡快發(fā)展適宜我國資源的轉(zhuǎn)底爐煤基生產(chǎn)粒鐵技術(shù)。