周智强

摘要：目前，国内转底炉工艺生产的直接还原铁（DRI）存在一些不足。本文简单介绍了热压工艺的特点，并通过与冷压工艺方案的对比确认了热压工艺方案的优势。根据工业试验的结果，验证了转底炉工艺生产热压块（HBI）的可行性，并以A企业转底炉生产线为基础，提出了转底炉工艺生产热压块设计的最佳方案。认为热压块不仅降低能耗和生产成本，还为高炉和转炉提供优质的原料，相比较于冷压块，其具有更加广阔的前景。

关键词：转底炉工艺；直接还原铁；热压块；设计方案；含锌固废

2023年，我国粗钢产量约为10.2亿吨，钢铁行业在迅猛发展带来巨大经济效益的同时，钢铁厂日常作业产生的粉尘也对我国环境造成了严重的破。据统计，钢铁厂每年产生的粉尘量约为出钢量的9%~13%，粉尘含有Fe、Zn、Pb、K、Na等元素，如此大量的粉尘如果不妥善处置，必将带来巨大的浪费和对环境的污染^[1]。转底炉作为现阶段处理钢铁厂含锌粉尘成熟的工艺，其炉内温度、气氛多分区精准可控，能够实现高温快速还原，从而有力保证了产品质量，确保了尘泥中有价元素的高效回收利用，该工艺目前被许多钢铁厂采用^[2]。采用转底炉工艺的热压技术生产的热压块（HBI）可以作为高炉和转炉的优质原料，并且降低能耗，节约能源，让含锌尘泥固废资源的综合利用更上一层楼。

1  转底炉工艺现状

转底炉是目前钢铁企业应用最广泛的固废资源处置工艺，该技术可追溯至 1965年Midland Ross 公司 （Midrex 公司前身）开发的 Heat-Fast工艺。中国转底炉技术研究工作始于 20世纪90年代，北京科技大学首先在山西翼城和河南巩义各建一座设计年产能力7万 t的转底炉。进入 21 世纪，国家重点支持钢铁企业转底炉处置含锌尘泥生产线建设，国内诸多技术团队开发出符合国内的铁矿资源和能源结构与产业政策的稳定成熟的转底炉工业化产线^[3]。截至目前，世界范围内已建成三十余座处理冶金含锌尘泥的工业化转底炉线。

目前转底炉成熟的工艺流程为：转底炉→圆筒冷却机（DRI＞1000℃）→成品振动筛（DRI＜200℃），筛分为DRI成品球（≥6mm）和DRI成品粉（＜6mm），筛上DRI球送入DRI球仓中进行贮存，DRI球仓下设汽车外运接口，定期卸至汽车后送至下游用户点。筛下DRI粉送冷压球处理。这种传统的工艺存在一些问题，转底炉产生的金属化球团经圆筒冷却机冷却，显热没有充足的利用。并且DRI粉占比一般为30%左右，一般需要压块后才能进行利用，需要增加相应的压机和除尘设施，增加了建设成本。DRI粉冷压球的强度偏低和存放时间短也是存在的。综上，由于种种问题的存在，转底炉工艺的发展需要更好的创新。

2  压块工艺

目前世界上已有的直接还原铁生产工艺，大部分采用压块工艺来解决DRI的粉末含量高、密度小、易燃、扬尘大，以及潜热利用不充分等问题。压块就是采用施加机械压力的方法把直接还原生产的球团或粉末状的直接还原铁聚结成为比较致密的团块的工艺，包括热压块和冷压块两种方法。

（1）冷压工艺

冷压工艺是将小于6mm的DRI粉进行处理，在机械力和毛细力作用下压成一定外形尺寸的过程，具体受原料种类、压力大小、黏结剂的选择和使用、工艺参数及设备性能的影响，通过使用有机黏结剂，在冷压的作用下，可以促进黏结剂的流动与铺展，增加活性物质表面的有效黏结面积，减小黏结剂与活性颗粒表面间的距离，提高黏结的效果。冷压工艺存在对DRI粉和黏结剂质量要求高，强度较低，以及粉尘影响环境的问题^[4]。

（2）热压工艺

热压工艺是在一定温度范围内，在机械力的作用下，让热态DRI产生塑性变形,使其密度增大，得到具有一定外形尺寸和强度的HBI产品。热压块具有强度好、密度大，抗氧化性强，可长期露天存放，宜与运输等的优点^[5]。在国内，原沙钢1号线曾采用热压工艺（对辊），但是由于冷却系统（水淬）及没有缓冲和控制给料等问题，转底炉和热压之间工序不匹配，后将热压设备拆除，新增圆筒冷却设备。目前由于模具压块技术成熟，国内京唐等就其转底炉产品采用模具压块进行了工业化实验，证明采用模具压块工艺是可行，可以压制出高强度产品。在国外，韩国浦项厂转底炉（2009年投产至今），采用造球+热压工艺（对辊热压机）生产HBI。

根据压球工艺的介绍，目前国内转底炉工艺金属化球团可以采用3种方案：①原料压球+成品粉压球 ②原料造球+成品粉压球 ③原料造球+热压块，相关技术分析及成本估算如表1所示。

表1 转底炉工艺直接还原铁不同压块方案技术成本分析

原料压球+粉压球的方案优势有成熟工艺，应用广泛；产品适应性较好，成球稳定；产品铁品位更高；产品进入炼钢或炼铁使用接受度较高。劣势是其一次投资费用高；黏结剂成本高；考虑物理损耗等1吨产品成本比造球工艺高130元/吨；考虑物理损耗等1吨产品成本比造球+热压高180元/吨。

原料造球+粉压球的方案优势有：工艺成熟，现有应用较多；一次投资费用低；运营费用低。劣势是球团产品抗压强度低，铁品位较压球工艺低3%，产品粉化较压球工艺高10％，比热压高30％；产品进入炼钢或炼铁使用接受度不如压球产品。

原料造球+热压块的方案优势有：运营费用低；产品体积大，密度高，便于炼钢回用；产品基本无粉化，产品的收得率高。劣势是高温DRI输送设备工艺相对复杂；产品铁品位较压球低3%。转底炉配热压块工艺虽然目前国内应用很少，但是具有极佳的前景。

3   热压块试验验证

3.1  试验方案

热压铁试验，是基于金属化球团密度较轻，在高炉铁沟中配加，金属化球团浮在铁水上方，进入水渣系统中。因此拟通过热压，将金属化球团压制成密度约5 t/m³的铁块，加入高炉铁沟中，替代废钢增加铁水产量，实现更大的经济效益。

3.2  试验生产线情况

现有1套回转窑热压钢渣生产线，其回转窑采用天然气为燃气，回转窑仅起到将原料加热至热压温度（约650℃）的功能。本次热压试验将热压原料全部调整至转底炉生产的金属化球团，进行工业化连续生产试验。

3.3  试验流程

汽车运输入厂的金属化球团卸至原料堆场，通过装载机上料至地上受料仓，仓下设置2套带式定量给料机、斗提机（1用1备），将原料输送进入回转窑（直径2.8m，长度46m）窑尾窑口，窑头燃烧天然气，物料和烟气逆流交换，将金属化球团加热至约650℃，从窑头卸料至缓冲仓，缓冲仓下方设置4个卸料溜管，对应4台热压机，物料经热压后通过链板机转运输送至成品区，经装载机运转至成品堆场。

3.4  试验结果

单台热压机生产能力4 ~6 t/h，热压块成品尺寸直径约280 mm，高度约220 mm，堆比重约4.8~5 t/m³，热压后的铁块强度很高，需要拿锤头大力才能砸开。热压后的铁块取了两次样，单次样1 kg，通过小电炉，熔化后的铁水收得率分别为48.5%和56%。

图1 原料堆场（图中原料即为金属化球团）

图2  带式定量给料机计量给料

图3  压块机

图4  热压块产品

图5  热压块堆场

图6  热压块

图7  热压块熔化

4  热压工程设计方案

4.1 工艺设计

主要设计指标。工艺配置以A企业转底炉生产线为基础，热压工艺主要涉及指标如下：

（1）规模及产量：实际处理原料量为25万吨/年，DRI产量约为18万吨/年；

（2）DRI产品金属化率：≥70%；

（3）DRI产品脱锌率：≥88%；

（4）作业时间：310天，每天24h。

热压设计方案一：转底炉DRI经冷却机降温至600~750℃——链斗机输送至缓冲斗——热压机进行模具成型为Φ260×220mm密实块——链板机输送堆存——电磁吊装车外运。选用设备规格参数如下：

（1）圆筒冷却机：30 t/h，出料温度控制在600~750℃，共1台；

（2）链斗机：30 t/h，氮气保护，共1台；

（3）热压机：YR1600，3用1备，单台能力 ~9.5 t/h，共4台；

（4）链板机：单台能力20 t/h，共2台。

热压设计方案二：转底炉DRI产品经链斗机输送至缓冲斗过程中利用氮气降温至600~750℃——热压机进行模具成型为Φ260×220mm密实块——链板机输送堆存——电磁吊装车外运。选用设备规格参数如下：

（1）链斗机：30 t/h，充氮冷却，料温从1100℃降至600~750℃，共1台；

（2）热压机：YR1600，3用1备，单台能力 ~9.5 t/h，共4台；

（3）链板机：单台能力20 t/h，共2台。

工艺方案工艺关键点及针对性措施：①首先，最重要的是进入热压机前转底炉DRI温度控制，因为温度高存在粘结料的风险，而温度低无法进行热压。目前圆筒冷却技术相对成熟，本方案通过控制冷却机调节出料温度，在冷却机出口设置物料温度在线监测，并且筒体转速实时可调，从而保障热压进料温度要求。②冷却机排料DRI温度控制在600~750℃，输送过程中若接触空气，存在二次氧化甚至燃烧的可能。解决方法是让链斗输送机适应高温工况设计（料斗采用耐热钢+内衬隔热耐材），全程密封罩封闭，并充氮保护气氛，避免氧化。③缓冲斗及分料溜管中，高温DRI可能导致粘连板结造成下料不畅。解决方法是控制缓冲斗的料位，避免料位过高，在缓冲斗内充氮保护，并将溜管设计为振动式。④为了预防热压机故障停机等突发情况，本方案设置热压机4台，3用1备，3台满足正常生产，1台备用；链板机2台，单台故障时仍可维持生产；缓冲斗设计事故卸料溜管及事故料坑。

4.2 方案对比

方案一使用冷却机冷却DRI，降温幅度可控，节省运维成本。但是相比较于方案二，其增加了冷却机设备投资和土建成本。方案二使用氮气为媒介冷却降温DRI，换热效率低，氮气消耗量大，氮气换热也需配套冷却循环水系统，链斗机边运输边冷却，设备负荷更大。综上所述，方案一投资略高，但运营成本较低，技术风险低。方案二需配套氮气冷却循环系统，氮气消耗量大，有一定技术风险。所以推荐方案一作为转底炉工艺金属化球团热压的最佳方案。

5   结语和展望

转底炉工艺是一种广泛应用的含锌固废处置工艺，但是传统工艺流程中冷压块存在显热没有充足利用，环境污染，DRI冷压球的强度和存放时间短等的问题。通过不同方案的比较，发现热压块技术不仅能解决这些问题，还有成本低的优势，并且这项技术在国外也有类似应用。在国内通过工业热压试验也验证了其可行性，制出了高强度产品，找出了最佳的热压块方案，为后续生产实践提供了有效的技术支撑。

未来的研究围绕转底炉优化压块工艺继续探索，以提高效率，降低成本，并解决现有工艺中存在的问题。特别是在热压块试验和工程设计方案方面，通过技术创新和工艺优化，实现更高的经济和环保效益。此外，新方法和技术的突破，也能促进转底炉工艺低成本和可持续性发展，DRI热压块技术在转底炉工艺中定会取得成功的应用和较大进步。

参考文献：

[1]  王静松, 李岩, 冯怀萱, 等. 钢铁产业集聚区难处理尘泥处理与全量资源化利用进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1737-1749.

[2]  罗磊, 郭灵巧. 转底炉助力钢铁企业实现绿色制造[J]. 工业加热, 2021, 50(11):59-62.

[3]  李东海. 转底炉处理冶金含锌尘泥技术工业化历程概述[J]. 工业加热, 2022, 51(09): 1-4+14.

[4]  郑锡瀚, 陈铁军, 万军营等. 中国转底炉处理含锌尘泥生产中含碳球团粉化原因解析[J/OL]. 钢铁研究学报, 1-10

[5]  周顺成. 转底炉工艺生产热压块试验及设计方案[J]. 炼铁, 2022, 41(03):58-62.