轉底爐

轉底爐煤基直接還原是最近30 年間發展起來的鍊鐵新工藝，主體設備源於軋鋼用的環形加熱爐，雖然最初的目的只是用於處理含鐵廢料，但很快就有美國、德國、日本等國將其轉而開發應用於鐵礦石的直接還原。由於這一工藝無需燃料的製備和原料的深加工，對合理利用自然資源、保護人類環境有積極的作用，因而受到了冶金界的普遍關注。

在 20 世紀50 年代，美國Midrex 公司的前身Ross 公司就發明了含碳球團的轉底爐直接還原法方法，於1965~1966 年在明尼蘇達州的Cooley 進行了2 t⋅h−1 的小規模熱固結法試驗，獲得了成功，後取名為Fastmet 工藝。1974 年，加拿大的國際鎳集團——Inmetco 公司開始研究把轉底爐用於還原該公司生產不鏽鋼的氧化物粉塵廢料，經轉底爐預還原的金屬化球團，直接熱裝入電爐生產，同時將其命名為Inmetco 工藝。之後，二者各自申請了專利，並開發和轉讓技術。

當以 Fastmet 和Inmetco 工藝為代表的兩大轉底爐工藝在不斷進行轉底爐工業化生產和推廣的時候，產品硫含量過高的問題始終未得到很好解決，難以成為電爐的優質原料， 因此相繼出現了Fastmelt、Redsmelt 等轉底爐直接還原−埋弧式電爐熔分的雙聯工藝（RHF−SAF）。

日本神户制鋼與美國 Midrex 公司聯合開發轉底爐直接還原新工藝，在20 世紀90 年代中後期取得了突破性進展，使金屬化球團在轉底爐中還原時熔化，生成鐵塊(Nuggets)，同時脈石也熔化，形成渣鐵分離。此法的成功，將解脱DRI 對原料品位的苛求，能用普通的高爐用鐵礦為電爐提供優質鐵料。 因此意義重大， 被命名為“ 第三代鍊鐵法”(Itmk3)。建於美國明尼蘇達州北部，年產能為25000 t 的Itmk3 轉底爐示範廠，已於2003 年5月24 日投產出鐵。預計Mesabi Nugget LLC 將於2006 年在美國Minnesota 或者位於Indiana 的美國鋼鐵動力公司附近建成第一台50 萬t 轉底爐，到2007年建成年產能150 萬t Iron Nugget 的生產廠。

根據國內的鐵礦資源和能源結構，開發具有投資少、操作簡便、生產成本低等特點的轉底爐工藝符合我國國情以及我國的產業政策。北京科技大學是國內第一家，也是迄今為止唯一一家轉底爐工藝的研究單位。經過多年的基礎研究和工藝開發，已經全面掌握了轉底爐的工作原理、工藝和相關的設備設計、製造等配套技術。自主開發了轉底爐−熔融造氣爐雙聯鍊鐵工藝和煤基熱風熔融還原鍊鐵工藝(Coal，Hot-air，Rotary Hearth Furnace Process，簡稱CHARP) ^[1]  。

轉底爐因具有環形爐膛和可轉動的爐底而得名，其原料是鐵礦粉和煤粉製成的含碳球團，經配料、混料、制球和乾燥後加入轉底爐中，爐膛温度可達1250~1350℃左右，含碳球團在這樣的高温下，隨着爐底旋轉一週的過程中，鐵礦被碳快速還原，生成金屬化球團，最後由螺旋出料機推出爐外，經冷卻後運往熔分爐作原料，或作為電爐鍊鋼的原料。

長期以來，北京科技大學一直致力於含碳球團還原的機理和實驗研究，獲得了大量的理論依據和實驗數據，充分證明由含碳球團自還原作用生產金屬鐵是完全可以實現的。在此基礎上，開始了大量的半工業、工業試驗。

1992 年，北京科技大學和當時的舞陽鋼鐵公司合作，自行設計和建設了一座直徑3 m，年生產能力3000 t 的試驗用轉底爐，於1992 年5 月開始第一次半工業試驗，同年12 月至1993 年2 月進行了第二次半工業試驗。這是在我國建設的第一座用於鐵礦石直接還原的轉底爐。由於設備原因和缺乏操作經驗，產品的平均金屬化率只達到76%~78%。

1996 年，北京科技大學和鞍山市科委合作，在鞍山湯崗子鐵礦建成了一座轉底爐試驗裝置，轉底爐平均直徑5.5 m，爐底有效寬度2.0 m，爐底面積30 m2，設計油燒嘴12 個。1997 年6 月8 日，開始熱態試驗，6 月19 日完成了第一次熱試，這次試驗是北京科技大學在舞陽鋼鐵公司的轉底爐生產試驗的繼續。試驗初步取得了良好的結果：產品的金屬化率穩定，達80%~85%；操作容易，證明轉底爐生產直接還原鐵是可行的。

北京科技大學冶金噴槍研究中心自1998 年以來，一直致力於轉底爐生產金屬化球團——熔分爐熔分雙聯工藝的研究開發，並從2000 年着手設計工業規模的轉底爐。現在已經在山西和河南的兩家鋼鐵公司建成了中徑13.5 m, 爐底面積100 m2 的轉底爐2 台，設計年生產能力為金屬化球團礦7 萬t。2001 年12 月山西翼城的轉底爐建成，舉行了開爐儀式，並生產出一批合格的金屬化球團礦。由於山西翼城明亮鋼鐵公司的高爐煤氣不能持續穩定供應，轉底爐爐温難以保持必要的水平，因此被迫停爐，解決煤氣供應問題。河南鞏義永通鋼鐵公司的轉底爐於2003 年11 月試運轉成功，但由於諸多因素的制約，一直處於停爐狀態。2005 年9 月山西明亮鋼鐵公司、北京科技大學與山東瑞拓公司合作，對轉底爐進行完善和改造，於2006 年4 月進行試生產，取得成功，生產出金屬化球團，金屬化率達到80%以上，各項經濟指標達到預期的結果 ^[2]  。

1 含碳球團成球技術

冷固結含碳球團是實現轉底爐直接還原工藝的關鍵因素，具有與一般氧化球團和塊礦不同的還原方式，是靠內部碳進行自身直接還原，無需外部提供還原劑。還原產生的CO 在球團周圍形成自封閉作用，一定程度上隔絕了球團內部與環境氣氛，因而使球團可在氧化性氣氛下進行還原反應。

含碳球團製造所採用的研磨、配料、混合設備必須保證球團的化學成分精確及礦煤的均勻混合，煤粉的粒度應在0.25 mm 以下，礦粉粒度小於0.1mm。還原劑用煤一般為無煙煤，要求固定碳>75%，揮發分<20%，低灰分，低硫。揮發分高，球團還原後強度差，不能滿足熔分爐的要求。

冷固結含碳球團應滿足恰當的物理和力學性能，在輸送、加熱、還原的過程中粉化率最低。為達到這一要求，首先必須選用合適的特殊粘結劑配方，其次採用合理的造球技術。傳統造球技術多采用圓盤滾球機，對原料粒度要求比較高，因此需要配備相應規格的磨料設備。目前所採用的對輥壓球技術對原料粒度要求相對較低，生產率高，球團強度好。美國動力鋼公司原來採用滾球技術，後來也改為壓球技術。目前所生產的含碳球團的強度指標一般為：濕球0.5 m 落下次數4～7 次，濕球抗壓6～7 kg/個；幹球1 m 落下次數10～15 次，幹球抗壓75～95 kg /個。完全可以滿足轉底爐生產的要求。

2 轉底爐喂料和出料設備

轉底爐內含碳球團升温、反應所需熱量主要來源於爐壁、爐氣的輻射傳熱，因此要求爐內球團薄層均勻布料。根據這一特點，研製出振動布料機，實現在轉底爐爐底橫向、徑向都均勻布料，避免機械強度有限的球團破碎，避免原料堆積和料層不均。振動給料機兼有篩除球團粉末的作用。該裝置易於維護，且允許在各種生產率下操作。

螺旋出料機的功能是將還原後的金屬化球團卸出爐外，因處理的金屬化球團温度為1000℃左右，所以必須耐熱耐磨，螺旋採用水冷，葉片上堆焊硬質合金，由北京科技大學冶金噴槍研究中心專門設計。該裝置可使成品金屬化球團從爐膛順利排出且不產生大量粉末，螺旋本身也易於拆卸和維修。

3 金屬化球團冷卻設備

不同於氧化球團，高温金屬化球團在大氣中易於氧化，因此，設計金屬化球團冷卻機時應考慮到防止再氧化。熔分爐採用熱裝時同樣需要採取防氧化的措施。

4 爐子熱工

轉底爐高温快速還原，關鍵爐温必須保持在1350℃左右，國外使用天然氣為燃料，容易實現大於1350℃的爐温。我們採用發生爐煤氣或者高爐煤氣，實現辦法主要採取高風温和煤氣預熱。另一方面，預熱段、還原段應噴吹二次空氣並形成強紊流，使得預熱段產生的揮發分和還原產生的CO 在爐內快速、充分地燃燒（後燃燒），以便彌補球團還原強烈吸熱，節約外部燃料消耗。在爐子還原末段，為了避免球團層上表面再氧化，則應嚴格控制二次空氣流的進入，且控制燒嘴燃燒在亞化學計量條件下進行，以保持該區域一定的還原性氣氛。

燒嘴設計應最大程度確保：在爐料上提供均勻的温度分佈，防止局部過熱；降低擾動和爐料附近的攪拌，以消除被CO2 和H2O 再氧化。

根據還原過程的要求控制爐內各段的温度和氣氛，從而優化各段燒嘴的佈置 ^[2]  。

原來冶金界希望由轉底爐生產出來的金屬化球團能夠直接作為鍊鋼原料，併為此努力了很多年。但是由於轉底爐工藝以含碳球團為原料，所得到的產品中既包括了礦粉中的脈石，又增加了煤灰分，導致產品中的TFe 含量低。因此，必然要求選用高品位精礦粉以及低灰分煤。轉底爐直接還原工藝另一個難以克服的難點是原料中硫含量絕大部分保留在金屬化球團產品中，過高的硫含量顯然不適用於鍊鋼的要求。

於是，國外研究者不得不將目光轉向預還原金屬化球團+熔分生產鐵水的工藝路線，主要採用埋弧電爐與轉底爐相匹配， 結果每噸鐵水耗電500~550 kWh，不符合我國國情。

在這樣的背景下，北京科技大學自主開發了轉

底爐預還原+熱裝終還原熔分爐的工藝。熔分爐，又名熔融造氣爐，類似於COREX 的終還原爐，不同的是它不用氧氣，而用高温熱風(1200℃)。金屬化球團從上部熱裝入爐(1000℃)，可充分利用原料的物理熱。熔融造氣爐每生產1 t鐵水，大約使用300 kg 型煤，可以節約焦炭及焦煤資源。

金屬化球團在熔融造氣爐內進一步還原、熔化，使渣鐵分離，調節爐渣的鹼度，可使大部分硫進入到爐渣中，有較強的脱硫作用，既保證了鐵水質量又減少了SO2 向大氣的排放。

熔融造氣爐與轉底爐相匹配，無論在技術上還是在經濟上都實現了最佳配合和互補，轉底爐為熔融造氣爐提供了優質的原料，即金屬化球團，實現了無焦鍊鐵。熔分的結果使原料的脈石和有害雜質去除，獲得優質鐵水。熔融造氣爐還可分擔一部分還原任務，從而提高了轉底爐的生產率。熔融造氣爐的副產品煤氣除了可用於熱風爐，還可作為轉底爐的燃料 ^[3]  。

轉底爐熔融還原鍊鐵存在的主要問題仍在於轉底爐薄層爐料操作導致整個工藝的生產率低。目前為止最大的轉底爐單爐產量是動力鋼公司的年產60 萬t 金屬化球團，這樣的產量不足以進入鋼鐵生產主流程。

目前轉底爐熔融還原鍊鐵主要應用於：

(a)為電爐短流程提供熱裝鐵水；

(b)鋼鐵廠粉塵回收利用；

(c)特殊礦綜合利用。

如何解決厚料層的還原是實現提高生產規模的關鍵，我們正在致力於這方面的實驗研究 ^[1]  。

轉底爐直接還原生產金屬化球團直接供給電爐作爐料必須用高品位的鐵礦和低灰分低硫煤，否則影響電爐產量和質量；而且轉底爐要另供煤氣作燃料。

轉底爐與熔分爐相匹配，使熔分爐獲得金屬化原料，從而大大提高生產效率；緩解了直接還原受原料品位的制約，使普通高爐用的礦源和普通煤種也可用於直接還原，這對我國發展直接還原具有現實意義。反過來，熔分爐又為轉底爐提供煤氣作為燃料，同時充分利用轉底爐煙氣餘熱，率先採用助燃風和煤氣雙預熱的蓄熱式燒咀，在熱工上實現了突破。

轉底爐熔分爐雙聯工藝，與傳統的高爐工藝（含燒、焦）相比，投資省、成本低、環保好，具有良好的經濟效益和社會效益 ^[3]  。