助力节能减排与国产矿利用

目前，资源短缺和环保压力对钢铁企业的生存和钢铁工业的可持续发展提出了严峻挑战，开发炼铁新工艺成为必然。转底炉珠铁工艺是近十几年来兴起的一项煤基非高炉炼铁新工艺，并已经实现了商业化应用。该工艺的基本特点是怎样？应用潜力如何？对我国钢铁工业的意义是什么？本期《热点聚焦》邀您一同关注这一炼铁新工艺。

王广薛庆国孔令坛

在不断完善现有高炉炼铁工艺的同时，炼铁工作者一直试图寻找新的非高炉炼铁工艺，以从源头上缓解炼铁工序高排放和对资源、环境过度依赖的问题，形成了众多直接还原、熔融还原技术。其中，转底炉珠铁工艺具有流程短、原料要求简单、反应速率快、设备简单、操作灵活等优点，同时可以在较低的温度下、较短的时间内实现渣铁分离，得到高品质生铁，近年来受到广泛关注。

珠铁工艺的基本原理和特点

转底炉珠铁工艺是转底炉煤基直接还原工艺的进一步延伸。该工艺仍然采用粉矿和粉煤的压块为原料，通过高温加热，除了要完成铁氧化物的还原外，还要实现金属铁渗碳和脉石造渣，最终达到渣铁分离的目的。含碳球团制备珠铁的过程包括加热、还原、渗碳和渣铁熔离4个基本过程，其中以还原、渗碳和渣铁熔离为主。

还原反应：一般认为铁矿含碳球团在高温条件下所发生的与铁氧化物还原有关的反应包括固—固直接还原、碳的气化、渗碳、气—固间接还原。整个还原反应包括固—固直接还原反应和借助气体中间产物的直接还原反应，并以借助气体中间产物的直接还原为主。

渗碳反应：铁氧化物被还原成金属铁后，由于其会与周围的CO和固体碳接触，从而会发生直接渗碳和间接渗碳反应。随着温度的提高，间接渗碳反应在热力学上会受到抑制，从而使间接渗碳反应速率先增加后减小，并且CO气体中只要有少量的CO2，渗碳反应速率就会显著降低。因此，珠铁生成过程中的渗碳反应以直接渗碳为主。众多研究表明，金属铁或珠铁中渗碳量与温度、还原剂种类、脉石组成等因素有密切关系。

渣铁熔化及分离：当铁矿含碳球团被加热至1350℃～1450℃时，在完成铁氧化物还原、金属铁渗碳后，金属铁即迅速熔化而聚集成铁珠，同时CaO、SiO2、MgO、Al2O3等脉石氧化物和残余FeO发生造渣反应而熔化。由于熔态的铁和渣在密度、表面张力等方面的差异，渣铁实现分离，而表面张力的差异是决定渣铁能否实现良好分离的关键。大量实验室试验和美国MesabiNugget的生产实践表明，在1350℃～1450℃经过10min～20min实现渣铁分离是完全可行的。

技术和设备存在缺陷和不足

目前，没有哪一种炼铁工艺理论上是没有缺点的。虽然，转底炉珠铁工艺与传统高炉炼铁工艺相比，不需烧结和焦化工序，工艺简单了许多，投资成本、污染物排放大大降低，操作也更加灵活，还可以利用低品质的铁矿资源和碳质原料。但是，转底炉珠铁工艺也有其技术和设备上的缺陷和不足。

珠铁中硫含量的控制存在问题。由于珠铁工艺所用含碳球团直接以铁矿粉、煤粉为原料，矿、煤中的硫均没有经过预处理脱除，而且含碳球团渣铁熔分过程时间短，渣、铁流动性差，渣中FeO含量较高，因此脱硫效果较差。若采用提高碱度、添加脱硫添加剂等方式实现珠铁脱硫，则可能造成渣铁难以分离。目前适宜的脱硫碱度最高为1.2，此时球团中约80%的硫被脱除。当原燃料中的硫负荷较高时，宜通过选矿或氧化焙烧实现原料的预脱硫，或者在后续炼钢过程采用成熟的铁水预脱硫技术将铁水中硫含量降至合格水平，还可以将高硫珠铁用于生产硫含量较高的钢种。总之，在转底炉珠铁工艺过程中要适度脱硫，不能对珠铁中的硫含量要求过于严格。

热效率和设备利用率低。转底炉通过烧嘴燃烧煤气加热炉体，热量通过炉顶耐火材料辐射至球团将其加热。与高炉良好的气固热交换相比，转底炉的热效率很低，同时高温烟气从炉膛直接进入烟道，造成热量流失。一般认为，转底炉烟气带走了炉膛全部输入热量的50%以上。若排料和热废气的显热得以充分回收，加上炉膛中CO二次燃烧放热，同时降低转底炉本体散热，那么综合比较整个流程的能耗，转底炉珠铁流程可能会低于高炉炼铁。此外，转底炉炉膛高、料层薄，设备的利用率较低，生产效率远低于高炉。

转底炉直接还原技术在我国成功的范例较少，工艺和设备成熟度低，尚没有丰富的工程设计和设备制造经验等均加大了该工艺的不确定性。对于珠铁工艺来说，由于要求更高的温度，设计、操作难度和设备维护费都会有所增加。目前较为成熟的转底炉年产量只能在50万吨左右。从产量规模这一点来说，转底炉与年产数百万吨的高炉是无法比拟的，替代高炉工艺更不现实，这也成为限制该技术推广的一大难题。因此，转底炉不适宜作为大规模冶炼普通生铁的设备。但是，在铁矿资源丰富、以煤为主要能源、环保要求高的国家和地区，该工艺还是有应用前景的。

珠铁工艺的应用潜力

珠铁工艺节能减排潜力大。转底炉珠铁工艺省去了烧结、球团和焦化工序，因而能耗和污染物排放会不同程度地降低。目前，最大商业规模的转底炉尺寸为50m×7m，转底炉珠铁工艺最大年产量为50万吨/年。在考虑烟气余热回收发电的条件下，转底炉珠铁工艺由于实现了煤的高效利用，吨铁能耗和CO2排放均比高炉炼铁工艺大大减少，其中吨铁能耗降低30%～35%。

转底炉珠铁—电炉炼钢流程与高炉—转炉炼钢流程相比，各种污染物排放率大大降低，减排率基本在40%以上。但是实际减排效果的好坏需要生产实践的考验，目前这方面数据鲜有报道。

珠铁工艺可用于处理低品位复杂铁矿资源。传统的高炉冶炼流程对铁矿石品位要求较高（一般TFe>50%），以减少渣量、实现炼铁过程的稳定操作。自然状态的铁矿石一般难以满足要求，铁矿石原矿必须经过破碎、磨矿、分选、脱水等一系列单元工序获得高品位的铁精矿，通过烧结、球团进入钢铁冶炼流程。但是，很多低品位铁矿石中铁矿物的嵌布粒度非常细，若要通过细磨实现铁矿物与脉石矿物的单体解离，要么成本增加，要么在目前的技术条件下难以实现。此外，有些矿石中的铁氧化物是非磁性的，富集工艺比较复杂。因此，现有炼铁流程只能利用那些可以经济地实现磨矿并通过选别获得高品位铁精矿的铁矿资源。

如果一种炼铁工艺可以直接有效利用脉石含量较高的低品位矿石，而无须经过复杂的富集过程，将极大地拓展可用铁矿石的资源量，并简化现有炼铁流程和降低生产成本。当然，过多脉石熔化造渣会增加能耗，从而降低其经济性。但是，与脉石尾矿不同，炼铁渣是一种商品，可以抵消一部分能耗成本的增加。

计算结果表明，随着矿石品位的降低，吨铁总能耗、烟气带走的显热和造渣耗热逐渐增加。当TFe从61%降低到30%时，总能耗增加20%左右，此时珠铁工艺的能耗仍优于高炉炼铁流程。但是，当矿石品位较低时，生产率和铁的收得率会有所降低，且炉渣、烟气显热占总能耗的比例增加，显热回收和减少炉体散热显得更加重要。

转底炉珠铁工艺的球团布料高度为1层～2层，气流不必穿过料层，不存在高炉炼铁工艺中因渣量大出现的透气性问题，转底炉珠铁工艺可以承受较大的渣量。

综合上述分析，珠铁工艺理论上可以处理较低品位的铁矿资源。调整好适宜的炉渣碱度和冷却制度，由于热应力的作用，渣和珠铁间可以自然脱离，经过简易的破碎和磁选，实现渣和铁的最终分离，获得高品质的生铁。

珠铁工艺在我国的应用前景

我国钢铁行业CO2排放量占全国的15%，能耗占全国总能耗的15%～16%。以传统的高炉—转炉流程为例，炼铁系统（包括烧结、球团、焦化和高炉）的CO2排放量约占整个流程的95%。此外，2010年钢铁工业排放的SO2、NOx分别约占全国工业企业的9.5%、6.3%，而钢铁工业排放的SO270%以上、NOx80%以上来自炼铁系统。钢铁工业节能减排的重点在炼铁系统，而如今高炉炼铁系统日益完善，工艺变革对节能减排的意义便凸显出来。

截至2011年末的统计，我国共有铁矿区4011个，铁矿查明资源储量为744亿吨。我国铁矿石绝大多数为须要选矿的贫铁矿，占总储量的97.5%，多组分共（伴）生铁矿石储量约占总储量的1/3。须选矿的贫矿中，磁铁矿占48.8%，矿石易选，是目前开采的主要矿石类型；钒钛磁铁矿占20.8%，成分相对复杂，是目前开采的重要矿石类型之一；赤铁矿占20.8%，混合矿(磁—赤、磁—菱、赤—菱铁矿的共生矿)占3.5%，菱铁矿占3.7%，褐铁矿占2.4%，这类铁矿石一般难选，目前部分选矿问题有所突破，但总体来说选别工艺流程复杂，精矿生产成本较高。我国铁矿石平均TFe品位为32.67%，比世界铁矿平均品位低11个百分点。

在含碳球团还原熔分渣铁分离过程中，渣和铁不必达到较高的熔融度，渣—金反应动力学条件差，因此元素在渣—金间的分配远偏离平衡态。而且实际的转底炉生产可以实现分段灵活控温，并且可以达到较高的温度水平。因此，转底炉珠铁工艺可以为我国低品位复杂铁矿资源的利用提供更加灵活的手段。

在可以预见的未来，我国环保要求会更加严格，现有高炉炼铁流程必将受到更多限制，而转底炉珠铁工艺可以在一定程度上作为高炉炼铁的有益补充。同时，“十二五”末我国共（伴）生矿产综合利用率的目标是45%，相应的共（伴）生矿、难选冶矿的综合利用量将达到2亿吨以上，我国复杂而丰富的铁矿资源也为转底炉珠铁工艺的开发提供了广阔的空间。