转底炉

转底炉(RHF)工艺的主体设备转底炉是由轧钢使用的环形加热炉演变而来,是一个平坦的、内有耐火材料衬的可以转动的环形高温窑炉。其烧嘴位于炉膛上部,所用燃料可以是天然气、燃油、煤粉等。

炉内的工艺过程是:球团等炉料从装入区装入炉内后随着炉床前进,首先在加热区被加热到1000℃以上,然后进入温度更高的还原区,氧化锌和氧化铁通过球团等铁料中所含的碳进行还原反应。

在还原区,锌以气态形式分离出来而被脱除。燃烧及反应所生成的气体沿着与炉床前进的相反方向流入废气系统中。被还原的球团等在炉内稍微冷却后通过排出装置排到炉外。转底炉工艺中,含碳球团等炉料中的碳是主要的燃料,其加热后产生的挥发份和还原铁氧化物等产生的CO是主要还原剂,外部烧嘴加热用燃料只是辅助部分,仅占所需能量的约15%。因此,含碳球团等炉料中的碳利用非常充分,该工艺既有利于节能又有利于减少污染物的排放。一般含铁料还原时间为半小时以内,所以转底炉是生产效率较高的工艺。

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 。