轉底爐直接還原工藝的應用及發展趨勢

王 敏，薛 遜，曹志成，王靜靜，古明遠

（北京神霧環境能源科技集團股份有限公司研究院，北京102200）

1 引言

轉底爐工藝的發展已經有30多年的歷史，在轉底爐發展過程中，中國、美國、德國、日本等國家都相繼投入力量進行開發研究，該技術已經逐漸趨于成熟并表現出一定的商業發展潛力。目前，國內外已有多家企業進行工業規模轉底爐建設和生產，其中INMETCO、新日鐵君津、馬鋼、日照、沙鋼等廠運用轉底爐處理冶金塵泥，龍蟒集團轉底爐處理釩鈦磁鐵礦，榮程鋼鐵用轉底爐處理精礦粉等[1-2]。

2 轉底爐工藝

2.1 轉底爐工藝原理

轉底爐由環形爐床、內外側壁、爐頂、燃燒系統等組成。除塵系統控制爐內保持微負壓狀態。側壁、爐頂固定不動，爐床由爐底傳動機構帶動循環旋轉，將加入爐內的爐料經過預熱區、高溫區、冷卻區后還原成海綿鐵排出爐外。爐內分為進、出料區和燃燒區。燃燒區內外側壁均配有不同數量的燒嘴，通過管道送入的燃氣配助燃空氣燃燒產生的熱量來控制每個區的溫度[3]。

轉底爐內發生的主要反應有：

轉底爐工藝中，含碳球團中的碳是主要的燃料，其加熱后產生的揮發份和還原鐵氧化物等產生的CO是主要還原劑。

2.2 轉底爐工藝流程簡介

轉底爐工藝流程主要分為原料處理和轉底爐直接還原兩部分，原料處理工序為將含鐵原料與一定比例的還原劑（煤、焦粉、蘭炭等）進行混合，并根據不同的處理原料配加一定量的添加劑、粘結劑混合均勻后進行造塊（壓球或造球）處理，含碳球團經過烘干后進入轉底爐內快速還原，最終得到一定金屬化率的直接還原球團。

具體的工藝流程如圖1所示。

圖1 轉底爐工藝流程示意圖

2.3 轉底爐工藝特點

轉底爐工藝的特點主要體現在：

（1）在轉底爐內還原焙燒的物料是含碳球團，碳和氧化鐵之間的接觸緊密，具有良好的快速還原條件。

（2）轉底爐還原焙燒工藝是薄料層在高溫敞焰中加熱，可實現快速還原，爐料在爐內還原時間短。在轉底爐中，含碳球團均勻鋪在爐底上，料層為1～3層球高（約15～45 mm），隨著爐底的旋轉，球團被加熱到1100～1350℃，球團在爐底停留時間一般為8～40 min。還原時間和還原溫度取決于原料的特性、料層及其他因素[4]。而傳統有罐隧道窯還原時間需要28～42 h，無罐隧道窯也需要8～12 h[5]，回轉窯直接還原需要8～10 h[6]。

（3）由于薄料層、爐料在轉底爐中不受壓，且爐料與爐襯之間無相對運動，因此對爐料的強度要求不高，不會產生料團與爐子耐材粘結現象。

3 轉底爐直接還原工藝的應用

3.1 轉底爐處理冶金塵泥

在鋼鐵生產過程中產生的固廢產物包括高爐煤氣干法除塵灰、高爐煤氣濕法洗滌污泥、轉爐污泥、電爐除塵灰及各個工藝環節除塵粉塵、軋鋼鐵皮等。固廢產物量占到企業鋼產量的8%～10%[7]。冶金塵泥中主要含有鐵、碳、鋅、鉛、鎳等元素。

轉底爐處理冶金塵泥，可以利用原料中的內碳，按一定比例配成含碳球團，然后于轉底爐內還原，還原溫度為 1200～1350℃，還原時間 20～40 min，能得到金屬化率85%以上直接還原球團。直接還原產品進行熱壓塊或進行磨礦磁選流程得到鐵精粉。

在轉底爐處理冶金塵泥過程，球團中的鋅由于易于還原和氣化而進入煙氣被脫除。鋅蒸氣在煙氣中被氧化成氧化鋅，通過對煙氣的收集就可以得到富含氧化鋅的粉塵，從而對鋅元素進行回收利用，最終實現資源的綜合利用。

馬鋼國內首家20萬t/a含鋅塵泥轉底爐脫鋅裝置，自試生產以來，通過對工藝不斷優化、調控，生產逐步趨于穩定，實現了鋅、堿金屬有害元素的減少和金屬鐵、碳的回收利用，減輕了有害元素富集對高爐系統的危害，無害化利用了新區所產生的全部瓦斯泥和OG泥，并做到了回收含鋅55%的粗鋅粉0.3萬t/a，金屬化率大于80%的金屬化球團14萬t/a，供高爐或轉爐使用[8]，以及過熱飽和蒸汽。系統脫鋅率達85%以上，排堿率達60%，煙塵濃度低于50 mg/m3。

1.表演式閱讀。顧名思義，這一閱讀方法主要是指借助角色扮演來完成閱讀過程，通過深入參與到表演過程中來，小學低年級學生將能更好地理解繪本中描述的故事情節，同時也能很好地調動學生積極性。以《猜猜我有多愛你》這一繪本為例，教師可以邀請學生分別扮演小兔和媽媽，并通過表演性的閱讀來輔助學生理解繪本中傳達的“母子情深”。

3.2 轉底爐處理紅土鎳礦

全球范圍內的鎳資源只有30%為硫化礦，70%為紅土鎳礦[9]。隨著全球金屬鎳的需求不斷增加，開發儲量相對豐富的低品位紅土鎳礦已刻不容緩。濕法提鎳法鎳回收率不高，無法處理蛇紋石類紅土鎳礦。燒結高爐法提鎳能耗大、污染嚴重、鎳回收率低。

轉底爐處理紅土鎳礦，可根據需求控制鐵回收率。從經濟效益考慮，一般不追求鐵回收率，主要考慮鎳鐵品位和鎳回收率，轉底爐工序可控制直接還原鐵的金屬化率，使金屬化率不必過高。對于需要同時回收鐵、鎳的企業而言，可提高轉底爐金屬化率來提高鐵回收率（相應地鎳鐵合金中鎳品位將降低）。

北京神霧集團開發的“轉底爐-熔分”工藝是克服傳統的礦熱爐冶煉工藝缺陷的一種新型工藝技術，具有節能減排、低成本的明顯優勢，形成了擁有自主知識產權的處理紅土鎳礦的新技術——“轉底爐還原-電爐熔煉”流程，具體流程見圖2。與“回轉窯—電爐熔煉”工藝相比，采用“轉底爐還原——電爐熔煉”流程處理鎳品位為1.52%的紅土鎳礦，其鎳回收率可高出5個百分點，鎳品位高3.5個百分點，最終鎳富集到14%，鎳回收率達95%。神霧公司利用2.2萬t/a轉底爐的中試裝置及熔分裝置成功生產出直接還原鐵及鎳鐵，見圖3。

圖2 轉底爐還原-電爐熔煉流程圖

3.3 轉底爐處理復雜難選礦

我國有大量低品位、難采選、復合礦資源尚未得到充分有效利用。例如高磷鮞狀赤鐵礦，該礦由于礦石嵌布粒度微細，礦石結構為鮞狀，含有害雜質磷高，目前尚未有效開發利用。

高磷礦配加適量的還原劑和脫磷劑壓制成球，經過轉底爐直接還原，能得到金屬化率85%以上的直接還原產品，直接還原產品經過后期磨礦磁選能有效脫除有害雜質磷，磷的脫除率高達90%以上。

武漢科技大學、中南大學及神霧集團等高校和企業都對高磷礦“直接還原焙燒-磁選”提鐵降磷進行了研究，并取得了一定的成效。周繼程等人[10]的研究結果表明，內配碳比在0.8、堿度在1.2以下、還原溫度在1200～1300℃團塊的脫磷率較好，可達80%以上。謝朝明等人[11]認為，適宜的還原焙燒溫度為1050℃，還原焙燒時間為120 min，添加了7.5%硫酸鈉和1.5%輔助添加劑BS，鐵金屬化率達95.8%，磷揮發率25.1%，精礦鐵品位92.7%，鐵回收率92.5%，精礦磷品位0.086%，磷脫除率96.1%。

3.4 轉底爐處理釩鈦磁鐵礦

我國儲量比較豐富的低品位難選鐵礦及共伴生礦資源中，以釩鈦磁鐵礦為主，目前已探明儲量約105億t。此類鐵礦因含鐵量較低，不適用于傳統的高爐煉鐵工藝。使用傳統工藝流程冶煉，鈦資源的回收率只有12%，資源浪費現象嚴重。采用直接還原技術進行冶煉處理，具有重要的綜合利用價值。

釩鈦礦比其他鐵礦石難還原，且釩鈦礦的膨脹粉化率高，難還原，要求有更高的還原溫度，但高溫下釩鈦礦更易粉化，如果采用回轉窯工藝，這一矛盾更加突出。

使用轉底爐直接還原技術處理釩鈦磁鐵礦，由于轉底爐物料相對靜止的特點，基本不受還原膨脹的限制，能得到較高金屬化率的金屬化球團，后期配上熔分工藝，能有效回收鐵、釩、鈦，選擇合適的工藝流程可以使鐵、釩、鈦回收率分別達到93%、80%、95%[12]。釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝流程見圖4[13]。

圖3 直接還原鐵和鎳鐵

圖4 釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝流程圖

3.5 轉底爐生產粒鐵

粒鐵生產工藝大致由4個操作單元構成：以鐵礦石、煤為主原料的制粒；還原熔融；金屬鐵和渣的分離；廢氣處理、余熱回收。

根據Itmk3快速反應的特征，可選擇輻射加熱容易的轉底爐進行粒鐵生產，轉底爐成為第三代煉鐵技術的主體設備。用于生產粒鐵的轉底爐需要根據粒鐵生產的特性，選擇轉底爐爐床耐火材料，要承受反復升溫、冷卻的熱應力，為更好地實現渣鐵分離及出料，爐底耐火材料要有好的抗侵蝕性。

神霧公司在2.2萬t/a的轉底爐中試裝置上成功生產出珠鐵（見圖5），珠鐵的全鐵品位達96.92%。

3.6 其他原料

轉底爐適應的種類很多，還可以處理硫酸渣、銅渣尾礦、赤泥、硼鐵礦等原料。通過選擇合適的工藝流程和工藝條件，可以得到合格的焙燒產品。轉底爐直接還原工藝的出現，在很大程度上使各種含鐵資源得到充分有效的利用。

赤泥是制鋁工業提取氧化鋁時排出的污染性廢渣，一般平均每生產1 t氧化鋁，附帶產生1.0～2.0 t赤泥。中國作為世界第四大氧化鋁生產國，每年排放的赤泥高達數百萬噸。通過轉底爐直接還原處理赤泥（拜耳法赤泥），配加一定量的助熔劑，能得到鐵品位93%以上金屬鐵粉，鐵回收率達到80%。

圖5 神霧集團生產的珠鐵

4 轉底爐工藝發展趨勢

轉底爐直接還原冶煉技術在充分利用低品位鐵礦石和共伴生礦資源、處理冶金塵泥等固體廢棄物資源方面具有工藝簡單、技術先進、自動化程度高、對原料適應性強、作業率高、資源回收率高、投資省等優點。轉底爐工藝是通過實踐證明了的一種高效直接還原工藝。

但該工藝在應用發展上還有一些技術難題。如轉底爐處理粉塵過程中成球性及還原過程中球團粉化的問題；轉底爐生產粒鐵時對爐襯和爐底耐火材料的特殊要求等問題；轉底爐處理高磷礦時雖然脫磷率很高，但產品中磷含量依然較高等問題。這就需要在完善相關基礎試驗的基礎上，汲取國內外關鍵技術，根據不同的處理原料完善工藝和設備，使轉底爐工藝具有真正的市場生命力。

另外，加大對該技術的研發和產業化示范力度，加速市場普及和推廣進程，對鋼鐵行業提高資源綜合利用水平、節能降耗、實現可持續發展具有重要意義。

[1]黃潔.談轉底爐的發展[J].中國冶金，2007，17（4）:23-25.

[2]周瑜生，郭玉華，許海川，等.我國轉底爐工藝技術發展現狀與前景淺析[J].攀枝花科技與信息，2010，35（4）:11-16.

[3]唐恩，周強，秦涔，等.轉底爐處理含鐵原料的直接還原技術[J].煉鐵，2008，27（ 6）:57-60.

[4]周瑜生，張友平.轉底爐直接還原煉鐵工藝的發展 [J].世界鋼鐵，2009（ 1） ：1-8.

[5]佚名.中國煤基隧道窯法直接還原鐵（海綿鐵）生產新工藝技術[E B/O L].[2012-08-10].http://wenkubaidu.comview/6f33d71e6bd97f192279e945.html.

[6]佚名.回轉窯直接還原法 [E B/O L].[2012-08-10].http://www.chinabaike.com/article/baike/1002/2008/200805141486657_2.h t m l.

[7]熊華文，戴彥德.轉底爐直接還原技術對鋼鐵行業資源綜合利用的意義及發展前景分析[J].中國能源，2012，34（ 2）:5-7.

[8]佚名.馬鋼成功應用含鋅塵泥脫鋅技術[E B/O L].[2012-08-18]http://www.saes.com.cn/j1_show.asp?NewsID=608.

[9]佚名.紅土鎳礦資源現狀及加工工藝綜述[E B/O L].（2010-12-31）[2012-08-21].http://www.mining10com/html/1012/20101231_22372.asp.

[10]周繼程.高磷鮞狀赤鐵礦煤基直接還原法提鐵脫磷技術研究[D].武漢:武漢科技大學，2007.

[11]謝朝明.高磷鮞狀赤鐵礦還原焙燒—磁選新工藝及機理研究[D].長沙:中南大學，2010.

[12]付自碧，黎建明，孫朝暉，等.一種綜合回收釩鈦磁鐵精礦中鐵、釩、鈦的方法:中國，CN101168802A[P].2007-11-30.

[13]吳秋廷.釩鈦磁鐵礦轉底爐直接還原工程化技術研究 [J].鋼鐵，2010， 45（ 11）:22.