胡俊鸽, 杜续恩, 周文涛

( 鞍钢股份公司技术中心, 辽宁 鞍山 114009)

摘 要: 介绍了已实现工业化转底炉工艺的特点, 以及国内外工业化转底炉的运行状况; 对转底炉工艺的局限性进行了分析, 并介绍了针对其局限性而发展起来的技术; 对比了转底炉与其它工业化高锌含铁固废处理工艺的优劣, 展望了未来转底炉技术的发展, 为国内企业建设转底炉提出了建议。

关键词: 转底炉; 工业化转底炉; 高锌含铁固废处理

1 引 言

钢铁生产过程中会产生各种含铁尘泥, 其中含锌量低的可以返回烧结加以循环利用, 而含锌量高的则不能用于烧结, 否则将影响烧结矿质量和高炉操作, 所以需另外处理。近来年,美国、日本、中国和韩国部分钢铁企业采用转底炉技术来处理高锌含铁尘泥。转底炉工艺属于非高炉炼铁范畴, 有很多种, 其中已实现工业化的有 Fastmet、Inmetco、DryIron 和 ITmk3 等工艺。本文在介绍这些工艺运行状况的基础上,对转底炉的工艺特点、局限性及将来的发展进行了评述。

2 已实现工业化的转底炉工艺及其特点

工业化应用最广泛的转底炉工艺是 Fastmet,其次是 Inmetco 工艺, ITmk3 和 DryIron 工艺的工业化炉较少。表 1 简要概括了已实现工业化的转底炉工艺及其特点。

Fasmet、Inmetco 和 ITmk3 工艺的流程和设备配 置 基 本 相 似, 但 ITmk3 与 Fasmet 和Inmetco 工艺的还原温度以及 DRI 产品质量有很大不同, 而 Fasmet 与 Inmetco 工艺只是细微处有区别, 如炉温分布、烧嘴形式、高温废气热量利用等。DryIron 工艺的最大特点是焦粉或煤粉与铁矿粉或者含铁固废混合后直接压制成块, 不使用粘结剂, 而且这种含碳压块在转底炉单层装料。

3 国内外工业化转底炉运行状况

3、1 日本和美国转底炉运行状况

日本由于环境制度非常严格, 所以从 2000年开始, 日本钢铁公司相继建起了转底炉来处理高锌含铁固废, 如表 2[1~ 3]所示。新日铁转底炉使用天然气作燃气, JFE 转底炉使用焦炉煤气作燃气。

( 1) 神户钢铁公司加古川厂 Fasmet 转底炉神户钢铁公司加古川的Fasmet 炉作为示范炉生产时, 处理的含铁含锌粉尘来自钢厂, 转底炉还原温度为 1 300~ 1 350 e , 还原时间为 12min。表 3[4]为当时所用含碳球团以及所产 DRI的化学成分和锌含量; DRI 金属化率( MFe/TFe) 超过了 90% , 脱锌率超过 90% ; 回收粉尘中锌含量为 44170%。

( 2) 新日铁广 厂 1 号 Fasmet 炉新日铁广 厂 1 号 Fasmet 炉从 2000 年 4月开始连续运行, 至 2000年 7 月, 完成设备性能测试并开始正常商业运行, 之后于 2000 年 8 月,设备作业率曾达到 90%以上。该炉子在生产率为100 kg/ ( m2#h) 时, DRI 金属化率达 9119% ,脱锌率为 9410%; 转底炉布袋过滤器回收的粉尘含锌量约为 6314% (其中 7819% 是氧化锌),铁含量小于 1% , 是炼锌厂很宝贵的原料[ 4]。

( 3) 新日铁光厂 DryIron 转底炉新日铁光厂生产不锈钢, 使用 DryIron 转底炉来处理电炉粉尘、酸洗沉渣和轧钢氧化铁皮等固体废料, 在脱锌和回收铁的同时, 还回收了废料中的镍、铬等合金成分。并根据这些废料含水量大、含碳很少的特点, 对工艺作了适当改进, 即对废料先干燥脱水, 再配入还原用焦粉,然后压制成为较易还原的椭圆形块。转底炉还原温度为 1 300 e , 还原时间 15min, DRI 产品用于电炉和 AOD 炉。自投产以来, 作业率保持在 80% 左右, 通过控制配料使DRI 的金属化率为 70% ~ 80% , 同时回收镍和铬, 取得了较好的经济效益[ 5]。

( 4) 新日铁君津厂 Inmetco 转底炉君津厂 2 座 Inmetco 转底炉的冶炼温度为1 250~ 1 300 e , 还原时间分别为 10~ 20 min和15~ 30 min; 生球处理能力设计为 23 t/ h, 实际运行时达到 25 t/ h; DRI 金属化率设计为70% , 实际运行时达到 75% ~ 85% ; 脱锌率设计值 90% , 实际可达 92%[ 6~ 7]。

( 5) 美国商业化 IT mk3 转底炉Steel Dynamics Inc( 钢动力公司) 于 2009 年第 4季度在美国的明尼苏达 Hoyt 湖投产了世界上第一座产能为 50 万 t/ a 的 ITmk3 商业厂,使用当地的铁燧岩( 属于磁铁矿) 生产优质DRI。2011 年上半年, 设备作业率为 85% , 生产率 80% , 主要原因是煤传输系统出现了问题。

3、2 国内转底炉运行状况

我国工业化转底炉中, 以综合利用复合矿为目的的有四川龙蟒、攀枝花和日照的转底炉;以处理高锌含铁尘泥为目的的有马钢和沙钢的转底炉; 以生产预还原炉料为目的的有山西翼城、莱钢和天津荣程等厂的转底炉。

( 1) 日照钢铁的转底炉

日照钢铁有 2 座国内自行研发设计的的转底炉, 于 2010年 5 月投产, 产能 20 万 t/ a。投产后, 原料压球系统、螺旋排料机和烟气系统存在的问题相继暴露出来。经过不断改进, 从 2010年12 月到 2011 年 4 月, 产量基本稳定在设计值的50%左右, 作业率低于 80% , DRI 金属化率基本稳定在 50% ~ 80% ; 产能和作业率不高的主要原因是烟气处理系统设计存在缺陷。2011 年5 月对转底炉烟气系统拆除改造后, 炉子作业率和 DRI 金属化率分别达到 90% 和 80% 左右[ 8]。

生产的 DRI 已作为冷却剂用于转炉( 约 20~ 30kg/ t) , 因用量较少, 所以 DRI 质量对炼钢消耗、转炉生产成本和钢水质量的影响不是很明显。转底炉回收的含锌粉尘中, 氧化锌含量呈下降趋势, 降低了其商业利用价值。

( 2) 四川龙蟒集团的转底炉

四川龙蟒集团建设了 1 座 7 万 t/ a 的转底炉(处理钒钛磁铁矿)与电炉熔分相结合的工业试验性生产线, 目的是回收钛、钒、铬、铁, 电炉熔分装置用于生产铁水和富钛渣。该转底炉于2007 年 2 月开始运行, 曾因烧嘴、炉底盘、水封、加料机、炉顶、烟道、电炉盖、炉壳等处发生事故而多次停炉维修, 直至 2010 年 10 月, 才开始满负荷作业。在转底炉和电炉运行期间, DRI 金属化率稳定在 70%~ 80% , 电炉富钛渣 TiO2品位达 50%~ 52% , 比当地钛精矿 TiO2 品位高出4~ 6 个百分点, 富钛渣的商业价值已接近或等同于钛精矿[ 9]。

( 3) 马鞍山钢铁公司的转底炉

马鞍山钢铁公司引进新日铁君津厂的技术, 于 2009 年 7 月建成投产了 1 座处理能力为20 万 t/ a 的转底炉, 用于处理高锌尘泥。在试生产过程中, 污泥烘干系统、离心机、润磨机、造球盘等相继出现问题, 经过不断的工艺优化和技术改造, 2010 年 1 月作业率曾达 95%。其生产的 DRI 的金属化率约为 80% , 用作高炉炉料[ 10]。

4 转底炉工艺的局限性及针对其

局限性而发展起来的技术转底炉工艺在工业化生产中出现了许多问题, 有的是工艺本身的局限性问题, 有的是配套装置产生的问题。概括来说, Fastmet、Inmetco和 DryIron 工艺本身的局限性问题较多, ITmk3的工艺局限性问题相对较少。

4、1 转底炉工艺本身的局限性问题

( 1) Fastmet、Inmetco 和 DryIron 工 艺的DRI 产品中脉石和 S 含量较高, T Fe 和 DRI 金属化率一般较低, 这是由其工艺特点决定的。Fastmet 和 Inmetco 工艺采用内配煤粉作还原剂, 加粘结剂造生球, 铁矿粉品位或固废等铁料的含铁量、粘结剂用量及煤中所含的灰分和 S等有害元素将直接影响 DRI 的品质; DryIron 与Fastmet 和 Inmetco 相比, 制作入炉团块时虽不用粘结剂, 但铁料和煤对 DRI 的影响是一样的。

要生产优质 DRI, 需要高品位的铁矿粉或含铁量高的固废和低灰分、低 S 的煤作还原剂才行。北京科技大学进行的理论计算表明[11], 要想得到TFe 和金属化率都达到 90%的 DRI 产品, 磁铁矿的 TFe 应达 6915%、赤铁矿应为 6815%,而煤的灰分应小于 4%, S 应低于 016% 。如果用普通高炉用铁矿(品位 64% 左右) 和普通煤( 灰分约 12% ) , 那么, 由转底炉得到的 DRI 产品的TFe 只有 78% , 金属化率约为 85% 。另外,由于采用敞焰加热, 还原的铁可能发生再氧化,只有抑制这一现象才能获得较高的金属化率。所以, Fastmet、Inmetco 和 DryIron 工艺的 DRI产品大都用作高炉原料, 也有用作转炉和电炉炉料的, 但用量都很少, 以不至于影响炼钢生产。

( 2) 转底炉工艺普遍存在能耗高、生产率低的问题。据报道, 转底炉的煤耗约为 500 kg/t[ 1, 12]。由于转底炉主要依靠辐射传热, 炉底只能铺 1~ 3 层球团, 故影响其生产率提高。

4、2 转底炉配套设备及粉尘利用问题

( 1) 配套设备故障率高。转底炉装置类似于轧钢环形加热炉, 机械设备复杂, 高温台车、热出料机及热筛分设备故障率高, 运行维护费用较高。

( 2) 转底炉粉尘的回收处理仍是个问题。

日本研究发现, 转底炉原料中的锌含量和氯含量对回收粉尘的锌含量影响很大。在处理锌含量为 20%、氯含量为 2% ~ 4% 的高锌含铁粉尘时(如电炉粉尘), 回收粉尘中锌含量为 60% 左右; 如果转底炉原料中锌含量较低, 回收粉尘中的锌含量也会降低, 直接影响其商业利用价值[13]。

4、3 针对转底炉局限性而发展起来的技术

4、3、1 在转底炉后配加熔融炉的工艺

针对 Fastmet 和 Inmetco 工艺 DRI 产品中脉石和 S 含量较高的问题, 产生了在其后接一熔融炉, 分 别能 够 生 产 铁水 的 Fastmelt 和RedSmelt 工艺。熔融炉可以是埋弧炉, 也可以是煤基熔化炉。将转底炉生产的 DRI 热态输送至熔融炉, 脱 S 除渣, 可生产出与高炉相似的铁水。神户曾建了一座 Fastmelt 中试炉, 美国动力铁公司的这种工艺则实现了商业化生产。

4、3、2 厚料层 PSH 工艺

为解决转底炉工艺料层薄、生产率低的缺点, McMaster 大学提出了 PSH ( Paired StraightH earth Furnace) 工艺。 PSH 以 厚 料 层 ( 120mm) 、高火焰温度( 1 600 e ) 、高能量利用率为基础, 可以生产金属化率达 90% 以上的具有高密度和高强度的 DRI, 能耗比当前高炉低 30%,生产的 DRI 可直接用于电炉炼钢。美国已把该技术列为技术路线图中的一个研究项目, 并建设了 415 万 t/ a 的示范厂, 其 DRI 金属化率为95% 。

5 转底炉与其它高锌含铁固废处理工艺的对比

已实现工业化的钢铁厂高锌含铁固废处理工艺除了转底炉之外, 还有蒂森克虏伯钢铁公司使用的 OxyCup 竖炉工艺, 以及德国杜伊斯堡地区 DK 公司的小高炉工艺。

5、1 OxyCup 竖炉工艺

德国蒂森克虏伯利用 OxyCup 竖炉回收高锌含铁固废, 该装置于 2004 年 8 月建成投产。把烧结机粉尘、高炉污泥、转炉粉尘、轧机污泥、焦炭渣等含铁含碳固体废料混合后, 加入粘结剂制成六边形型砖, 然后送入 OxyCup 竖炉冶炼。冶炼过程要求温度为 620 e 的热风 30 000m3/ h、氧气 3 500 m3/ h 左右; 产生的炉顶煤气量大约 50 000 m3/ h, 热值约为 4 300 kJ/ m3。炉顶煤气部分用于加热热风, 其余的并入钢铁厂总煤气管网。铁水产量为 15~ 65 t/ h, 渣量为 15~ 30 t/ h[14]。

OxyCup 竖炉当年投资 2100 万欧元, 所用炉料除了蒂森克虏伯自己的高锌含铁固废, 还外购一部分。在生产铁水的同时, 回收一部分高锌洗涤塔污泥。正常生产中, 由高锌含铁固废制成的型砖只是其中一部分炉料( 占 60% 以上), 另外还使用一部分其它料, 如熔剂、焦炭和废钢铁等。竖炉炉渣可以用作水坝的建筑材料和其他水利工程建材。

5、2 小高炉工艺

在德国的 Duisburg- Hochfeld, DK 公司利用工作容积为 580 m3的小高炉处理欧盟的固体废料, 主要冶炼铸造铁。转炉泥、高炉瓦斯灰、瓦斯尘泥、轧钢屑、电池等固体废料和部分普通铁矿经过烧结机处理后, 送入高炉冶炼。小高炉入炉焦比为 630 kg/ t, 煤比为 70 kg/ t, 燃料比在 700 kg/ t 以上; 煤气利用率较差, GCO约为30% ; 铁水中 S 含量为 011% 左右。高炉入炉料锌负荷和碱负荷分别为 38 kg/ t 和 815 kg/ t, 高炉瓦斯泥中锌含量达 60% 以上, 可以作为回收锌的原料。

5、3 转底炉工艺与 OxyCup 和小高炉的对比

( 1) 工艺成熟性和生产稳定性: 在转底炉、OxyCup 和小高炉工艺中, 工艺最成熟和生产最稳定的当属小高炉。但小高炉也有很大缺点,如需要大量高锌含铁固废原料, 在我国, 原料来源是个问题; 另外国家现在限制小高炉生产, 所以不适合发展小高炉工艺。

( 2) 金属铁产品: 这三种工艺中, 一般转底炉生产的是含铁量和金属化率不高的 DRI,

OxyCup 和小高炉生产的均是可直接用于炼钢的铁水。

( 3) 副产品: 三种工艺均产生一定量的富锌炉尘, 而 OxyCup 和小高炉除此之外, 还有炉渣需要处理。

( 4) 还原剂: 转底炉所需还原剂只是含碳球团中的碳, OxyCup 除含碳型砖中的碳外, 还需一定量的焦炭, 小高炉则主要是焦炭。

( 5) 其它能源: 转底炉需要一定量的燃气来加热, 以便使炉内达到一定温度要求; OxyCup和小高炉需要一定温度的热风, 小高炉的热风温度比 OxyCup 高得多, 而 OxyCup 还需要喷吹大量氧气。

( 6) 投资: 考虑全部配套设备在内, 小高炉因为需要烧结厂、炼焦厂和热风炉, 吨铁投资最贵; 其次是 OxyCup, 因为其竖炉本体投资与转底炉差不多, 除此之外还需要投资型砖技术、压块设施以及制氧设施; 相比来说, 转底炉投资最低。

综合对比上述三种工艺, 在钢铁厂高锌含铁固废处理方面, 转底炉是最佳和最可行的, 因为它不需要消耗焦炭和热风, 不需要像小高炉投资那么大, 技术上也不像 OxyCup 那样全部需要引进。虽然大多数转底炉工艺生产的 DRI 质量不如 OxyCup 和小高炉, 但钢铁厂内可以自行消化。

6 转底炉技术的发展展望及对新建转底炉的建议

6、1 转底炉技术发展展望

未来转底炉的发展基本上可有两种定位。一种是以处理钢铁厂高锌含铁固废和难选难烧铁矿为目的, 主要生产高炉用 DRI, 代表性工艺有 Fastmet 和 Inmetco。这两种工艺生产的 DRI质量较差, 虽然为应对此问题而开发了 Fasmelt和RedSmelt 工艺, 并已有商业化生产厂, 但这两种工艺能耗太高, 除了转底炉耗用的煤炭和燃气之外, 与转底炉相配套的电弧炉耗电约为 500kWh/ t铁水, 并不适合我国国情。我国北京科技大学曾提出了提高 DRI 质量的/ 破碎- 磁选-分离技术, 也曾对煤基热风熔融炉技术进行过研究, 比较适合我国国情, 但距离商业化尚远。另一种则是以利用普通铁矿或低级铁矿增加产量为目的, 主要生产优质 DRI, 可直接用于电炉生产, 也可用作转炉优质冷却剂, 代表性工艺有ITmk3。但无论哪种转底炉工艺, 都需要进一步优化主体系统和改进配套技术, 如烟气系统、热出料机及热筛分设备等, 进一步提高转底炉生产作业率。

6、2 关于新建转底炉的建议

( 1) 如果只是以处理高锌含铁固废为目的,建议上普通转底炉, 同时着手研究在转底炉后面配加提升 DRI 质量的新技术, 以便将来形成自主知识产权的研究成果。这种普通转底炉国内就有, 其生产的 DRI 质量较低, 可用于高炉,也可少量用于转炉。这种 DRI 在转炉中用量较少的情况下不会对炼钢产生影响, 用于高炉中可以改善高炉操作。新日铁具有把质量较低的DRI 用于高炉的丰富经验, 其君津厂转底炉生产的 DRI 用于高炉生产, 每使用 30 kg/ t 的 DRI就能降低燃料比约 7 kg/ t[ 7]。

( 2) 如果以增加炼铁产能和生产炼钢用优质冷却剂为目的, 则应考虑上先进的转底炉工艺, 如类似 ITmk3 的技术。

7 结束语

转底炉技术在处理钢铁厂高锌含铁固废方面具有一定优势, 在日本、中国、韩国和美国已有较多工业化应用, 但许多炉子运行效果并不理想, 而且也可能会产生低锌炉尘副产品, 找不到合适买家。转底炉技术仅有 30 多年的历史,加上工艺本身具有的局限性以及一些配套技术和炉子控制技术并不成熟, 所以, 还有许多关键问题需要解决。在目前严峻的市场形势下, 我们应结合自身的需要, 思考是否应立即上转底炉, 以及上转底炉的目的是为处理钢铁厂高锌含铁固废, 还是兼顾增加炼铁产能和将来发展非高炉炼铁的需要, 而后慎重决策。

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