佘雪峰，孔令壇（北京科技大學，北京100083）

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轉(zhuǎn)底爐的發(fā)展及其功能

佘雪峰，孔令壇
（北京科技大學，北京100083）

摘要：在對國內(nèi)外轉(zhuǎn)底爐的發(fā)展進行綜合論述的同時，簡要介紹了轉(zhuǎn)底爐在處理鋼鐵廠粉塵，生產(chǎn)海綿鐵，以及復合礦綜合利用方面的實驗研究和工業(yè)生產(chǎn)實踐。美國、日本、中國和韓國已經(jīng)利用轉(zhuǎn)底爐處理鋼鐵廠粉塵和污泥，去除其中有害元素，生產(chǎn)金屬化球團礦或壓塊，作為爐料返回高爐，同時回收鋅等有價元素，并改善了鋼鐵廠的環(huán)境。此外，轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)海綿鐵（DRI），作為煉鋼的原料，簡化鋼鐵生產(chǎn)流程。近年來利用轉(zhuǎn)底爐處理復合鐵礦石，如含釩、鈦，含硼、鎂，含稀土和氟等鐵礦正在實驗室研究和工業(yè)試驗之中。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)底爐；直接還原；粉塵處理；復合礦；綜合利用

1　前　言

轉(zhuǎn)底爐技術(shù)屬于煤基直接還原工藝中發(fā)展較快的一種，其最初的目標是處理含鐵廢料［1-2］，并回收其中的有用元素，如Cr、Ni、Zn、Pb、K和Na等。其后美國、日本、中國等將轉(zhuǎn)底爐進一步開發(fā)應用于鐵礦石的直接還原和熔融還原，并分別建立了工業(yè)示范廠［3-5］。轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝主要包括配料、制團、烘干、高溫還原、成品冷卻、煙氣余熱回收、煙塵中有用元素回收等主要工序［6-8］，從20世紀末，我國開始研究開發(fā)用轉(zhuǎn)底爐處理復合鐵礦，如處理四川的釩鈦磁鐵礦，包頭的含稀土和氟的鐵礦石，遼寧的含硼、鎂鐵礦石，有的已經(jīng)進行了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，有的尚處于實驗室研究階段。

轉(zhuǎn)底爐將所需處理的含鐵原料和還原劑（煤炭）按照一定的比例配合，再經(jīng)過混合、制團、烘干，然后將生球送入轉(zhuǎn)底爐，在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)經(jīng)過1 250～1 350℃的高溫快速還原，得到金屬化球團，然后高溫金屬化球團由螺旋出料機排出，經(jīng)過冷卻，便得到成品金屬化球團。轉(zhuǎn)底爐排出的廢氣溫度通常在1 000℃以上，必須利用余熱鍋爐回收余熱，若采用的原料是鋼鐵廠含鋅粉塵，則于鐵氧化物還原的同時，鋅、鉛、鉀、鈉等被還原和揮發(fā)并進入煙氣，煙氣經(jīng)降溫后，將攜帶的上述物質(zhì)通過袋式除塵器收集起來，是為副產(chǎn)品。轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝對于原料、還原劑要求不太嚴格，可處理的原料范圍廣，不僅可以利用自然資源，而且能夠處理各種含鐵粉塵，是鋼鐵廠保護環(huán)境的設施，因此，在鋼鐵和有色冶金領(lǐng)域有廣闊的前景。

2　轉(zhuǎn)底爐工藝發(fā)展歷程

2.1轉(zhuǎn)底爐在國外的發(fā)展

20世紀50年代，美國Midrex公司的前身Ross公司發(fā)明了含碳球團—轉(zhuǎn)底爐直接還原法，并于1965—1966年在明尼蘇達州的Cooley進行了2 t/h的熱模型試驗，獲得成功，由于還原過程很快（20 min左右），故取名為Fastmet［1-2，9］。從60年代到90年代，F(xiàn)astmet工藝由2 t/h的試驗規(guī)模，發(fā)展為年產(chǎn)50萬t金屬化球團礦的現(xiàn)代化生產(chǎn)設備。在此期間，以Fastmet工藝為主旨的研究很多，并發(fā)表了許多文章，足見其基礎研究和工藝設計已相當成熟。1974年，加拿大的國際鎳（集團）—Imnetco公司把轉(zhuǎn)底爐用于處理不銹鋼的粉塵，回收金屬Cr和Ni，取得良好的經(jīng)濟效益。該公司將轉(zhuǎn)底爐預還原的產(chǎn)品—金屬化球團，直接熱裝進入電爐冶煉，并命名為Inmetco［10-16］，F(xiàn)astmet和Inmetco工藝流程基本類似，其工藝流程如圖1所示。

20世紀90年代以來，日本新日鐵與美國公司合作，利用Fastmet工藝處理鋼鐵廠含鋅粉塵，取得了成功，并建起了工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的設施。2000—2009年在Kimitsu，Hikari，Hirohata相繼投產(chǎn)5座處理鋼鐵廠含鋅粉塵的轉(zhuǎn)底爐［17-21］。2006—2009年日本又相繼建成了3臺處理鋼鐵廠含鋅粉塵的轉(zhuǎn)底爐，最大者達到30萬t。此外，韓國浦項、光陽鋼鐵公司在2009年也建起了20萬t的轉(zhuǎn)底爐，用于粉塵處理，各項生產(chǎn)指標均達到設計水平。

2.2轉(zhuǎn)底爐在我國的發(fā)展

1992年北京科技大學物理化學系在實驗室工作取得成功的基礎上，與舞陽鋼鐵公司合作，在現(xiàn)場建造了一座直徑3 m的轉(zhuǎn)底爐熱模型，設計年生產(chǎn)能力為3 000 t金屬化球團礦，這是我國自行建設的第1座用于鐵礦石直接還原的轉(zhuǎn)底爐，試驗獲得成功，產(chǎn)品的金屬化率達到76%～78%。1996年北京科技大學冶金系和鞍山市科委合作，在湯崗子鐵礦建成了一座工業(yè)試驗規(guī)模的轉(zhuǎn)底爐，平均直徑5.5 m，爐底寬度2.0 m，以鞍山地區(qū)的鐵精礦為原料，煤粉作為還原劑，滾動成球。該轉(zhuǎn)底爐設有12個噴油的燒嘴，1997年6月8日開始熱態(tài)試驗，6月19日完成了熱試，并取得了良好的結(jié)果，產(chǎn)品的金屬化率穩(wěn)定在80%～85%，證明轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)直接還原鐵是可行的。

圖1　轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝流程

2001年北京科技大學冶金系和山西翼城明亮鋼鐵公司合作，建成了年產(chǎn)7萬t金屬化球鐵礦的轉(zhuǎn)底爐，目的是與該公司的75 m3小高爐匹配，以期代替燒結(jié)礦，大幅度降低焦比，但受資金的限制，原料制備和壓球系統(tǒng)設備不夠完善，作為燃料的高爐煤氣供應也不穩(wěn)定，直到2006年，添置了煤氣發(fā)生爐，改造了原料系統(tǒng)，才正常生產(chǎn)，并且承擔了為期半年的印度尼西亞含鎳紅土礦金屬化和電爐熔分工業(yè)試驗。

2007年為了解決萊鋼高爐中鋅的危害，北科大與萊鋼合作研究利用轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵和污泥，由國家發(fā)改委批準立項，成為國家的示范工程項目。經(jīng)過數(shù)年努力，于2010年建成了年處理粉塵、污泥30萬t，平均直徑32 m，爐底寬度5 m的大型轉(zhuǎn)底爐，并投入生產(chǎn)。

21世紀以來，高爐的鋅害日趨嚴重，為此，我國一些大型鋼鐵公司紛紛建起轉(zhuǎn)底爐［22-24］，如馬鋼引進日本的技術(shù)，建成生產(chǎn)能力為14萬t/a的轉(zhuǎn)底爐，江蘇沙鋼采用北京神霧公司的技術(shù)，建成30萬t的轉(zhuǎn)底爐，山東日鋼由鋼鐵研究總院設計，建起20萬t的轉(zhuǎn)底爐。此外，臺灣中國鋼鐵公司也投產(chǎn)了2座10萬t級的轉(zhuǎn)底爐。在四川攀枝花地區(qū)，為了綜合利用當?shù)氐拟C鈦磁鐵礦，四川龍蟒集團和攀鋼分別建起了較小規(guī)模的轉(zhuǎn)底爐，進行工業(yè)試驗。目前我國幾家大型設計院也都具備設計轉(zhuǎn)底爐的能力。

3　轉(zhuǎn)底爐的功能

3.1生產(chǎn)海綿鐵（DRI）

轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)海綿鐵（DRI）的工藝并不復雜，將鐵礦粉與還原劑－煤粉或任何含碳的粉料按照一定的比例配合，壓制（或滾動）成型，在高溫1 200~ 1 300℃，15~20 min便得到金屬化球團礦（或稱海綿鐵）。還原反應產(chǎn)生的CO與二次風中的氧反應生產(chǎn)CO2，所釋放出熱能占轉(zhuǎn)底爐總能耗的40%左右。

轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的海綿鐵與傳統(tǒng)的豎爐（或回轉(zhuǎn)窯）的產(chǎn)品不同，它的含鐵品位較低，金屬化率只有80%～85%，甚至還低一些，含硫、碳和其他雜質(zhì)較高，一般達不到含F(xiàn)e 90%、金屬化率90%的要求，難為電爐煉鋼接受，所以美國Dynamics的50萬t的轉(zhuǎn)底爐與礦熱爐相配，生產(chǎn)鐵水。我國山西翼城的轉(zhuǎn)底爐也是與小高爐配套，最終產(chǎn)品是生鐵。山西翼城生產(chǎn)的金屬化球團礦的化學成分見表1，金屬化球鐵礦的外觀見圖2，金屬化球鐵礦金相組織見圖3。

表1　山西翼城轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的金屬化球鐵礦成分%

圖2　金屬化球鐵礦外觀

圖3　金屬化球鐵礦金相組織

轉(zhuǎn)底爐很難生產(chǎn)出高品質(zhì)的海綿鐵，主要原因是由于還原劑配在球團礦之內(nèi)，不可避免帶來灰分和硫，并且由于二次燃燒，使得轉(zhuǎn)底爐同一個爐膛內(nèi)兼有還原（CO）與氧化（CO2）氣氛。

3.2處理鋼鐵廠粉塵

目前國內(nèi)外多數(shù)轉(zhuǎn)底爐用于處理鋼鐵廠含鋅粉塵，萊鋼轉(zhuǎn)底爐便是其中之一，取得了良好的效果，球團礦的金屬化率達到70%~88%，脫鋅率高于90%，鉛、鉀和鈉的脫除率也在80%以上。此外，萊鋼將轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的金屬化球團礦用于高爐的生產(chǎn)，獲得了良好的效果，萊鋼轉(zhuǎn)底爐工藝流程見圖4，萊鋼塵泥經(jīng)轉(zhuǎn)底爐處理前后的化學成分對比見表2，袋式除塵器中收集的粉塵的化學成分見表3。

圖4　萊鋼轉(zhuǎn)底爐工藝流程

表2　萊鋼塵泥經(jīng)轉(zhuǎn)底爐處理前后的化學成分對比%

表3　轉(zhuǎn)底爐廢氣所含粉塵的化學成分%

用轉(zhuǎn)底爐處理鋼鐵廠含鋅粉塵的意義重大［25］，統(tǒng)計數(shù)字表明，每生產(chǎn)1 t鋼可產(chǎn)生粉塵和污泥100~ 120 kg。我國的鋼產(chǎn)量已經(jīng)達到8億t左右，所以粉塵和污泥是一個龐大的數(shù)字。到目前，燒結(jié)是鋼鐵公司消化粉塵和污泥的主要措施，但是隨著廢鋼回收量增加，鋅在燒結(jié)和高爐之間循環(huán)積累，鋅害日趨嚴重，造成高爐上部結(jié)瘤，爐襯漲裂，甚至堵塞煤氣管道。燒結(jié)過程無法脫鋅，因此，只有寄希望于轉(zhuǎn)底爐。鋼鐵公司的含鋅塵泥，經(jīng)過轉(zhuǎn)底爐處理，得到潔凈的高爐爐料，返回高爐作為金屬化爐料，據(jù)日本專家提供的數(shù)據(jù)，每配加1 kg金屬化爐料，可以降低焦比0.375 kg［26］。我國的經(jīng)驗數(shù)字是，每配加含金屬鐵60%以下的碎鐵，可以降低焦比20 kg；相應的含金屬鐵60%~80%，可降低焦比30 kg；當含金屬鐵高于80%，則焦比可降低40 kg［27］，此外還能回收鋅等金屬。我國對于鋅的需求量很大，但是國內(nèi)資源不足，需要依靠進口，轉(zhuǎn)底爐能夠使鍍于鋼板表面的鋅和礦石所含的鋅得到循環(huán)利用。此外，鉀、鈉等元素也是重要的化工原料，通過轉(zhuǎn)底爐既減輕了鋅和堿金屬對于高爐的危害，又回收了重要的化工資源。

3.3復合鐵礦綜合利用

3.3.1釩鈦磁鐵礦綜合利用

釩鈦磁鐵礦是一種含有鐵、釩、鈦等多種元素的復合礦，主要分布在我國的攀攀枝花－西昌和承德地區(qū)，其中攀西地區(qū)的保有儲量達100億t。采用傳統(tǒng)的“高爐—轉(zhuǎn)爐”工藝流程，只能回收鐵和部分釩，高爐渣中含TiO2只有25%，無法利用。2002年北京科技大學冶金學院在實驗室做轉(zhuǎn)底爐－電弧爐流程模擬實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)用電弧爐熔分時，有大量白色的揮發(fā)物，使得爐渣中TiO2含量大幅度超過理論計算值，達到50%左右，甚至超過鈦精礦的含TiO2水平。2004年四川龍蟒集團公司決定開發(fā)轉(zhuǎn)底爐－電弧爐綜合利用釩鈦磁鐵礦工藝［28-30］，他們借鑒美國Inmetco的經(jīng)驗，建起了平均直徑12.58 m，爐底寬度4.375 m的小型轉(zhuǎn)底爐和9 MW的封閉式電弧爐，經(jīng)過6 a不懈地努力，終于2010年6月完成了工業(yè)試驗和裝備優(yōu)化工作，球團礦的金屬化率達到75%～85%。經(jīng)過電爐熔分得到的生鐵與爐渣的化學成分見表4和表5［31］。由表4可知，釩的回收率比高爐流程提高了50%，含S較高，需要進一步處理。由表5可知，爐渣中的TiO2含量達到了鈦精礦的水平，鈦的回收率達到99%以上，可與鈦精礦混合，制取R996型金紅石鈦白粉。

表4　電爐生鐵的化學成分

表5　電爐爐渣的化學成分%

稍后，攀鋼也建起了轉(zhuǎn)底爐工業(yè)試驗系統(tǒng)，進一步開發(fā)釩鈦磁鐵礦的綜合利用。

3.3.2處理包頭白云鄂博稀土、氟復合鐵礦

基于轉(zhuǎn)底爐還原鐵礦石的原理，可以處理包頭白云鄂博稀土、氟復合鐵礦。目前采用的工藝流程回收稀土不到20%，大量寶貴的稀土資源流失［32，33］。北京科技大學冶金學院在實驗室模擬轉(zhuǎn)底爐還原熔分過程，以無煙煤為還原劑，含碳生球中炭和氧配比（C/O）為1.2，礦石中的CaF2是良好的熔劑，不需要再配加石灰石，在1 350～1 450℃下，球團的金屬化率和加熱時間與溫度的關(guān)系如圖5所示［34］。

升溫至1 400℃，保持12 min可以實現(xiàn)渣鐵分離，爐渣中CaF2含量高達36.82%，稀土氧化物含量14.19%，達到了富稀土渣一級品的要求。爐渣的活性（酸浸出率）高達90%以上，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

圖5　加熱溫度和時間對含碳球團還原的影響

3.3.3處理硼鎂磁鐵礦

遼寧有我國最大型硼鐵共生礦床，硼礦資源占我國硼礦總儲量的58%，是綜合利用價值較高的礦產(chǎn)資源。北京科技大學冶金學院在實驗室采用轉(zhuǎn)底爐還原熔分處理硼鐵礦，以無煙煤為還原劑，硼是礦石自帶的天然熔劑，不用再配加石灰石。還原溫度和還原時間對金屬化率的影響見圖6［35-37］。

圖6　硼鐵礦金屬化率隨溫度、時間的變化

將獲得金屬化球團在1 400℃下熔分30 min，可獲得鐵粒和富硼渣，富硼渣含B2O320.01%，超過了一級硼礦的B2O3含量（B2O3＞14%）。該富硼渣在高于1 100℃以上采用緩冷，低于1 100℃時采用空冷，所獲得富硼渣的活性（酸浸出率）高達86.46%，超過了原生硼礦的硼浸出率，滿足了工業(yè)化生產(chǎn)的需要。

4　轉(zhuǎn)底爐熔融還原

1997年北京科技大學在實驗室里做轉(zhuǎn)底爐模擬實驗，偶然在球團礦中配加了溶劑—石灰石，經(jīng)過1 300℃高溫還原后，在冷卻的過程中發(fā)現(xiàn)金屬化球團礦自然粉化，形成灰色的粉末，其中夾雜著許多銀亮的小鐵珠，直徑一般在2 mm以下，轉(zhuǎn)底爐熔融還原生產(chǎn)珠鐵的工藝開發(fā)便由此開始?；诖耍^續(xù)深入研究含鐵球團礦的配渣，目標是在轉(zhuǎn)底爐可能達到的溫度下，使含碳球團礦熔化，并達到渣、鐵分離。經(jīng)過一段時間探索，終于達到了目的。

北京科技大學將此工藝定名為恰普（Charp）即碳和熱風還原過程，將產(chǎn)品命名為“珠鐵”，并獲得了專利。實驗室里造出的珠鐵見圖7。

大約在相同的時期，日本也開展了類似的研究，1998年進行了小型的工業(yè)試驗，2002年在美國召開的鋼鐵年會上，神戶制鋼和幾家美國的鋼鐵公司一起公布了工業(yè)試驗的結(jié)果，其思路與我國的研究不謀而合，他們在小型試驗的基礎上，于2002年又做了較大規(guī)模的工業(yè)試驗，產(chǎn)品見圖8。他們將此工藝取名為ITmk3，意思是第三代煉鐵工藝，產(chǎn)品定名為Iron Nugget（鐵塊）。其后日本和美國的幾家公司合作，在美國的明尼蘇達州建立了一座年產(chǎn)鐵塊50萬t級工廠，但近幾年未見到詳細的技術(shù)報導。

圖7　中國實驗室里做出的珠鐵

圖8　日本試驗工廠生產(chǎn)　的鐵塊

5　結(jié)論

5.1轉(zhuǎn)底爐來自軋鋼環(huán)形加熱爐，上世紀被移用于冶金行業(yè)，首先啟用于北美，本世紀以來在亞洲發(fā)展迅速。

5.2轉(zhuǎn)底爐目前主要用于處理鋼鐵公司的粉塵和污泥，既解除了鋅對于高爐的危害，又回收有價值的鋅、鉀、鈉等元素，還增強了對環(huán)境的保護。

5.3轉(zhuǎn)底爐能夠解決多種復合鐵礦的綜合利用，我國已經(jīng)進行了釩鈦磁鐵礦綜合利用的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)試驗，并獲得成功。對于包頭白云鄂博的含稀土、氟的特殊鐵礦石，以及遼寧省的硼鎂鐵礦，北京科技大學冶金學院也在實驗室里做了還原和熔分實驗，獲得成功。

5.4日本、美國和我國都利用轉(zhuǎn)底爐進一步開發(fā)，直接生產(chǎn)珠鐵（或鐵塊），在美國已經(jīng)建成了工業(yè)規(guī)模的（50萬t）的轉(zhuǎn)底爐，我國也完成了實驗室實驗。

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Development and Function of Rotary Hearth Furnace

SHE Xuefeng, KONG Lingtan
（University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China）

Abstrraacctt:: Experiment or industrial practices on disposal of dust generated by iron and steel plant, production of sponge iron and comprehensive utilization of compound mineral were introduced briefly and the development of Rotary Hearth Furnace(RHF) was comprehensively discussed in domestic and overseas. American, Japan, China and Korea had disposed the dust and sludge generated by iron and steel plant. Hazardous elements were removed from the dust and the zinc was recycled for improving the environment. At the same time metallized pellets and hot briquette iron(HBI) were produced by RHF used as raw materials of BF. In addition, DRI produced by RHF was used as raw materials of steelmaking which can be simplified the steelmaking process. Many compound iron ore containing vanadium, titanium, boron, magnesium, rare earth were investigated in lab and industry.

Key worrddss:: rotary hearth furnace; direct reduction; disposal dust; compound ore; comprehensive utilization

專論綜述

作者簡介：佘雪峰，男，1978年生，2011年畢業(yè)于北京科技大學冶金工程專業(yè)，博士。現(xiàn)為北京科技大學講師，從事直接還原、冶金廢棄物綜合利用等方面研究工作。

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：TF556

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0001-05