转底炉工艺生产直接还原铁的现况和前景

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一、概述
        第一类正在生产的工厂有加拿大INCO．Ltd、新日铁广烟厂、君津厂、光厂、神户加古川厂等，正在建设的有浦项公司浦项厂和光阳厂(年产各15万t)。
    第二类已建成年产50万t直接还原铁的美国动力铁厂1998年建成。1999年停产。我国于2000年在山西建成一座年产7万t用转底炉生产直接还原铁的工厂．

二、转底炉工艺简介

1．INMETCO和Fasmet工艺

1978年加拿大国际镍集团和德国德马格公司合作，为处理利用冶金废弃物在美国宾州Ellwood城的国际金属回收公司研发建成世界上第一座具有生产规模的转底炉，转底炉直径16．7m，宽4．3m，转速15—20r／min,金属化率96％，它所采用的工艺称为INMETCO工艺。

2000年日本新日铁广烟厂建成以钢铁厂含铁废弃物为原料的转底炉，炉子外径21．5m，宽2．8m，转速3．75r／min，金属化率90％，年产能力19万t，其中14万t用于该厂转炉炼钢。

2000年和2002年新日铁君津厂先后建成两座转底炉。年产能力10—13万t，金属化率75％－85％，第一座转底炉外径24m，宽4m，转速10—20r／min。

2001年日本神户加古川厂和新日铁光厂建成年产能力分别为1．1万t和2．8万t的转底炉。
    广熘和加古川厂采用的是美国米德兰公司开发的Fasmet工艺。君津厂采用了INMETCO工艺。这两种工艺都是将金属废料、煤粉和黏合剂混合造球，经干燥后在转底炉内还原，但在装料、烧嘴型式、炉温分布、金属收集、运输设备以及高温废气热量利用等方面则各有特点。它们都可以实现冶金废弃物的再利用，但如用铁矿粉作原料，按同一工艺处理则不能把料中的铁和脉石及煤中灰分分离，这些杂质必然进入炼钢过程，使渣量增加，造成炼钢的能耗上升和产量下降。

2．FASTMELT工艺、Redsmelt工艺和IDP工艺
    当用铁矿粉为原料，采用Fastmeh转底炉法生产还原铁时，为使渣铁分离，一般采用埋弧电炉(矿热炉)作为熔分手段，以热直接还原铁装入电炉熔分，获得铁水热装入电炉炼钢或铸块，这就是Fastmelt工艺，也是由美国米德兰公司开发的。采用INMETCO工艺生产直接还原铁加入电炉熔分的称为Redsmelt工艺。
IDP工艺(动力铁工艺)是由美国动力钢公司(SDI)和项目伙伴合作开发的，从1996年开始投入试验室和试验厂，并成立了动力铁公司主持此事，1998年11月建成一座年产50万t铁水工厂。其生产流程是将铁矿粉、煤粉经干燥后加黏结剂造球．再经干燥后入转底炉还原(转底炉外径50m,宽7m用天然气加热)，出转底炉后直接还原铁热装至埋弧电炉(变压器容量3×16MVA)，所生产的铁水经脱硫后送往炼钢炉炼钢。但投产后出现的问题较多，不久即停产。

3．Itmk3工艺
    日本神户公司及其子公司米德兰技术公司于1996年开始研究Itmk3工艺．于1999年建成一座3000t／a试验厂。从1999年到2000年12月问成功地进行了试验，生产出所需铁块。
    在前述基础上，神户钢公司和美国Mesabi Nugget公司合作在后者建造一座中试工厂．并已于2003年开始生产，产品品质与高炉生铁相当，含铁96％－98％，含碳2％－4％．以2t／h生产率稳定运行，项目总投资2600万美元。

hmk3工艺是一种用转底炉使薄料层(30—50mm)快速还原的工艺。其优点是产品在Fe—C平衡相图中出现在一个新的区域，在这一区域含碳球团在1350℃这一相对低的温度下被还原和熔化，铁水容易从渣中分离出来．Itmk3的反应被发现于液——同共存相，不同于传统的炼铁工艺，还原后熔化。并且残留的FeO低于2％，因而不会产生对耐火材料的破坏。该工艺能量效率和环境状况都良好．它比高炉作业少产生20％CO2，还原、熔化、排渣仅需约10分钟，此外投资仅为高炉流程的一半。其缺点是料层薄，影响生产率的提高，难与高炉规模况争。

4．Hi—Qip工艺
    此工艺由日本川崎钢铁公司开发。将铁矿粉用粉煤直接还原并熔化，得到高质量粒铁，经小型试验后正在建设年产1万t示范设备。生产过程是将小于3mm的含碳原料装入转底炉，然后将其表层铺匀并压坑，坑直径约50mm，深约15mm，坑间距约70—80mm，然后将铁矿粉、煤及其他原料混匀后铺在具有坑的含碳原料层上，将转底炉加热到1500℃，铁矿还原并熔化，熔融物料在含碳原料层的坑中凝固，然后从炉内取出，在15分钟内生成低杂质高质量直接还原铁。该工艺能直接用粉矿和煤粉，投资少，成本低，且产品质量高，现拟建年产50万t规模的工业生产设备。

5．我国第一台金属化球团转底炉
    上个世纪80年代．北京科技大学等单位先后在舞阳和鞍山建成了小型的试验装置，2000年和山西明亮钢铁公司合作建设我国第一座金属化球团转底炉，由于资金不足，几年来时开时停。2005年山东瑞拓球团工程技术公司注资进行了技术改造。2006—2007年连续生产7个月，使该工艺获得成功。该炉平均直径为13．5m，炉宽2．8m，有效面积104m2。设计年产能力为7万t。工艺流程和Fastmetl相似，参见图1。
   

 

    转底炉设计以国产铁精矿(含铁62％－65％)为基础。无烟煤或瘦煤为还原剂，铁精矿与还原剂的配比为0．9—1．0，以发生炉煤气为燃料。发热值为5300kJ／m3。煤气消耗为600m3／t．实际生产的利用系数仅达到47kg／m2·h。金属化率75％－86％。金属化球团化学成分见表1。
  

 

    该转底炉先后投资约1750万元，包括添置煤气发生炉在内。
    我国第一座金属化球团转底炉虽成功地投入生产。在布料、出料和热工制度等关键技术问题上积累了经验，但还未经长期生产实践，金属化率过低，燃料消耗甚高，有待进一步改善。
    除上述工艺外，还有由卢森堡CRM研究中心开发的COMET转底炉工艺，其特点是不需要造球，铁矿粉和煤粉分层铺在转底炉上；还有由美国MR&E公司开发的DryIron工艺，其特点是用自然干燥的原料和燃料，并不用黏结剂，混合料经高压成型机压制成型(块状)。

三、转底炉炼铁的特点

1．完全用煤为还原剂，不用焦炭，且不需焦煤，不需块煤，无烟煤及瘦煤均可。

2．对原料要求灵活，不需块状料，粉矿、精矿粉均可适用。
3．还原温度较高。因而还原生成的金属铁能形成颗粒较粗大的铁粒，易于分离出来，而且还原速度快，生产效率较高。

4．转底炉及其附属设备构造比较简单．投资费用相对较低。

5．工艺操作易于控制和掌握。

四、转底炉工艺的发展前景

1．用转底炉回收金属废弃物在技术上是成熟的，经济上是合理的，将高炉、转炉瓦斯灰。轧钢氧化铁皮等通过转底炉生产出直接还原铁供炼钢用．较之作为烧结掺合料经烧结、炼铁等工序再送往炼钢，金属回收率高，生产流程短，能源利用效率高，对环境影响小。我国目前各钢铁厂还没有这种装置，建议选择适当地点抓紧建设几座，以更好地适应循环经济要求。

2．以铁矿粉作原料，用转底炉生产高质量还原铁．目前还没有商业规模工厂长期运行，技术上还不成熟，但其优点突出。由于我国绝大多数铁矿是贫矿，需磨细精选．以含碳球团状态通过转底炉生产直接还原铁是很有效的途径，虽然目前在技术上还存在一些困难，应
当努力探索研究解决。人们把Itmk3工艺称为第三代炼铁法；高炉工艺为第一代，产品为高碳液态铁水；把原来已有的直接还原称为第二代，产品属低碳固态铁。第三代炼铁法的产品介于二者之间．属中碳准熔化(或半熔)状态。

3．我国自主研发转底炉生产直接还原铁起步并不晚，但未受到足够重视，进展较慢。虽已出现第一座金属化球团转底炉，但其主要指标差距还很大，除了国内注入必要资金加速自主开发以外，在可能条件下应引进一套转底炉，以取长补短，加速开发进程。