转底炉法含铁尘泥金属化球团

金俊、黄发元等。 2100433B

马鞍山钢铁股份有限公司、冶金工业信息标准研究院。

从所用原料角度来讲,转底炉工艺有使用含碳球团的、使用铁矿粉干压块的和直接使用铁矿粉的。已商业化的转底炉工艺中,大都是使用含碳球团的,包括Fastmet、Inmetco和美国ID I转底炉工艺等。使用铁矿粉干压块的DryIron工艺也实现了商业化生产。

在这些已商业化的转底炉中,只有美国ID I转底炉使用铁矿粉为原料,其它都是用于处理钢铁厂含铁废料的。一般情况下, Fastmet和Inmetco工艺所产的DR I金属化率较低,日本把这种产品用于高炉中。

Fastmelt、Redsmelt和美国的ID I工艺可以生产高品质的铁水,这些铁水可直接用于转炉炼钢。转底炉中直接使用铁矿粉的工艺有三种,都经过了中试,还没有工业生产厂。神户开发的ITmk3工艺中试成功后,计划于2009年在美国建成一座工业生产厂。ITmk3非常独特的一点是,其所产粒铁质量优良,可直接用于炼钢中 。2100433B

转底炉工艺有多种,主要包括Fastmet/ Fastmelt、ITmk3、Inmetco /Redsmelt、DryIron、Comet/Sidcomet、H I - Q IP等。

1　使用含碳球团的转底炉工艺

（1）　Fastmet和Fastmelt工艺

Fastmet和Fastmelt工艺都是由美国和神户合作开发的。铁料可以使用铁精矿,也可以使用钢铁厂含铁粉尘等废料, 还原剂采用含铁废料中含的碳,或者添加一些煤粉,把这些料混合在一起,添加粘结剂造球,成为含碳球团或者自还原球团,粒度为8～12mm,在160～180℃干燥后送给转底炉。在转底炉上铺厚约20～30mm的球团, 快速加热达到1 250～1 350℃,使其迅速还原成直接还原铁(DR I) 。还原过程只需10～20min。

这种工艺脱硫能力较差, DR I的硫含量约0. 15%～0. 4%。所产DR I金属化率较低。如把这种产品用于炼钢,会使渣量增加,造成炼钢的能耗上升和产量下降。所以Fastmet产品一般用于高炉。

新日铁在广畑厂共有2座年产能为19万t的Fastmet转底炉(分别于2000年和2005年投产)来处理含铁废料。神户加古川厂有1座年产能为1. 6万t的转底炉(2001年投产)来处理富锌含铁废料,尘泥含锌率为0. 7%～0. 9% ,还原铁的金属化率为70%～85%。

为了分离渣和铁,使铁水可用于热装炼钢,采用转底炉与埋弧电炉( E IF)双联,形成一种二步法熔融还原过程。转底炉进行“预还原”,电炉实现“终还原”, Fastmelt就是在Fastmet的基础上开发的具有这种二步法的工艺,用埋弧电炉把直接还原铁熔融成铁水,其主要目的是可以生产高品质的铁水供转炉使用。

（2）　ITmk3转底炉工艺

ITmk3工艺由日本神户钢铁公司及美国米德兰公司联合开发,在20世纪90年代中后期取得了突破性进展。类似于Fasmet的工艺流程。所不同的是, 它把工艺过程的还原温度精确地控制在Fe - C平衡相图中一个固液共存的新区域。在这一温度范围内(约1 350～1 450℃) ,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10min就可完成。还原后熔化残留的FeO很少,因而不存在FeO对耐火材料的破坏。该工艺对还原气氛的控制也非常独到,能防止已生成的DR I发生二次氧化,所生产的DR I(粒状铁块)金属化率很高,但所耗燃气比Fasmet多。

所用原料很广,铁矿粉和低品位铁矿都能使用,碳原料可用煤、石油焦或其他含碳原料。矿石中氧化物的铁都转化为金属铁,并且成品中不含FeO,碳含量可以通过碳的加入量和加热制度控制,最高可达3. 5%。DR I的硅、锰、磷含量则取决于原料的成分,硫含量取决于燃料中硫的含量。

2007年末,神户钢铁公司与美国动力钢公司达成协议,拟在美国的明尼苏达Hoyt湖建一座ITmk3商业生产厂,总投资约2. 35亿美元,年产能50万t,计划于2009年投产。

（3）　Inmetco和RedSmelt工艺

Inmetco工艺是加拿大国际镍集团( INCO, Ltd)为了处理利用冶金废弃物而开发的。1978年在美国宾州Ellwood城的国际金属回收公司建成世界上第一座商用转底炉,是首例通过处理冶金厂废弃物进行Zn、Ni、Cr等金属回收的转底炉,年处理4. 7万t循环料,该炉成功运行约30年。该工艺基本与Fasmet相似,但在装料、炉温分布、烧嘴形式、高温废气热量利用等方面有所不同。它是用带式输送机和1台专用振动输送给料机将生球均匀地布到转底炉的。炉内球团层总厚度为18～22mm (约2～3层球)。日本新日铁君津厂分别于2000年和2002年各投产了一座这种类型的转底炉,一座处理低锌灰尘,另一座处理高炉瓦斯灰和转炉尘,年处理能力分别为18万t和14万t。

近年德国曼内斯曼与意大利匹昂梯公司在In2metco基础上发展成转底炉与埋弧炉相结合的联合流程———RedSmelt,最终产品是铁水,类似于高炉铁水。直接还原铁可以在热态下送入埋弧炉,电耗约550kW · h / t, 直接还原铁的设计煤耗约为400kg/ t。之后, SMS Demag用氧煤基熔融炉代替埋弧炉形成RedSmelt NST (New Smelting Technology)工艺,以降低成本。示范厂在意大利Piombino厂建设,年处理含铁料能力为5. 5万t。

（4）　美国动力铁转底炉工艺

美国动力铁转底炉工艺是美国动力铁公司( ID I: Iron Dynamics Inc)开发的,包括矿石及煤的破碎研磨和制备、造球、转底炉还原、埋弧炉熔融等工序。含碳球团的平均粒度为11mm,干燥后使之含水分约1% ,然后预热至150℃,通过振动输送系统把球团分层装入转底炉内,炉内料层厚度为38. 1～50. 8mm。

转底炉炉膛外径为50m。所产直接还原铁的金属化率为85% ,温度1 000℃,DR I可热态送到埋弧炉。转底炉废气可以预热燃烧空气,以及为矿石、煤和球团干燥器供热等。埋弧炉有两个出铁口和一个出渣口。年产量为50 万t铁水,电耗为400 ～500kW·h / t。平均铁水成分为Fe: 95. 8%、C: 3. 2%、S:0. 025%、Si: 0. 50% ,温度1 500℃。

2　使用干压块的转底炉工艺

DryIron转底炉工艺是美国MR&E 公司开发的,其特点是用自然干燥的原料和燃料,混合后经高压成型机造块,而不用粘结剂。球团中碳与铁氧化物的重量之比应控制为1. 6 ∶1,可使所产DR I金属化率达到90%以上。焦粉或非冶金煤与铁矿石或者铁氧化物废料直接混合后压制成块,然后,在转底炉单层装料,把温度控制在1 288℃进行高温辐射加热。第一座DryIron转底炉是新日铁在光厂建设以处理残渣的,年产能为2. 8万t,转底炉外径为15. 0m,于2001年5月投产。

3　直接把铁矿粉和煤粉铺在转底炉中的工艺

把铁矿粉和煤粉直接铺在转底炉中进行DR I生产的工艺有Comet/Sidcomet、H I - Q IP和Pri2mus工艺。

（1）　Comet工艺

Comet是由卢森堡DRM 研制中心开发的工艺,把铁精矿和煤粉(加石灰石)在转底炉内分层布料,料层厚度为6. 4mm左右,加热时间为20min左右。铁精矿要求100目占80%,为了脱硫,煤中预先配入了少量石灰石。在原料相同的条件下,产品质量优于含碳球团转底炉工艺,金属化率可达92% ,但生产效率低20% ,由于减少了造球设备,设备投资有所降低。

Comet工艺进一步发展成两段式还原和熔融工艺,称为Sidcomet工艺,分为转底炉还原段和埋弧炉段,产品类似于高炉铁水。计划在希德马建一座年产量为75万t的工业厂,但没实施。

（2）　H I - Q IP工艺

H I - Q IP (High Quality Iron Pebble Process) 是JFE开发的转底炉工艺,可以直接使用铁矿粉和煤粉进行冶炼。该工艺的典型特点是,把含碳料层作为转底炉的耐火衬、熔融铁的铸模和辅助还原剂,因而投资少,成本低,且产品质量高。

把含碳物料(如煤粉,粒度小于3mm)作为转底炉的底部料层,然后将其表层铺匀,并在该料层表面做多个杯状孔洞,孔洞直径约50mm,深约15mm,间距约70～80mm,然后将铁矿粉、煤及其它原料混匀后铺在含碳料层上。在1 500℃的高温下,混合物中的煤粉气化后产生的还原气体作为主要还原剂,底层含碳物料作为辅助还原剂,铁矿粉被还原和熔融,脉石和灰分随石灰石一起熔融,形成的生铁和炉渣流进底部含碳料层的孔洞中,冷却后形成砾石状铁块和渣块,然后用螺旋卸料机卸出,整个还原时间约为15min。JFE已完成了中试,证明该工艺是成功的,可以在较高生产率下连续生产。

（3）　Primus工艺

Primus工艺是卢森堡PaulWurth开发的转底炉工艺,直接使用铁矿粉,不用造块设备。主要装置为多层转底炉。多层转底炉是个简单、紧凑而又可靠的装置,由几个相似的单元竖直配置而成。由搅拌臂来移动炉料,搅拌臂由装有冷却装置的旋转的轴向杆支撑。在每一层,该轴向杆都支撑几个搅拌臂,可以把炉料从炉墙移到中心,再从中心移到炉墙,然后炉料依靠重力下落到下层,最后从最底层排出。炉子靠安在炉墙的燃烧器加热,通常废气沿着炉子逆向流动。Primus工艺中,炉子工作温度达1 100℃,固体还原剂(煤)与含铁物料一起装入,在炉内进行混合。

在实验室试验成功后, Paul Wurth 在Luxem2bourg的Differdange 建一座中试厂,处理安赛乐在Luxembourg的三座电炉厂产生的副产品。设计处理能力为每年8万t,于2003年年初投产,取得良好效果 。

转底炉炼铁工艺是非高炉炼铁工艺的一种,是近30年才发展起来的,原料适用范围很广，不只适用于铁矿粉，还非常适合处理钢铁厂含铁含锌粉尘等废料。转底炉炼铁不使用焦炭,而是使用煤作还原剂，因而对环保非常有益。该工艺已获得工业应用，工业化应用较多的国家为日本和美国。我国自20世纪90 年代开始研究，2006 ～2007 年，山东瑞拓球团工程技术公司一座年产能为7万t转底炉曾连续生产7个月。因为转底炉工艺既有利于节能减排，又有利于发展循环经济，已成为国内外钢铁企业关注和研究的热点之一。韩国浦项、我国莱钢、马钢、昆钢等正在进行转底炉建设 。