转底炉的发展及其功能

佘雪峰，孔令坛（北京科技大学，北京100083）



转底炉的发展及其功能

佘雪峰，孔令坛
（北京科技大学，北京100083）

摘要：在对国内外转底炉的发展进行综合论述的同时，简要介绍了转底炉在处理钢铁厂粉尘，生产海绵铁，以及复合矿综合利用方面的实验研究和工业生产实践。美国、日本、中国和韩国已经利用转底炉处理钢铁厂粉尘和污泥，去除其中有害元素，生产金属化球团矿或压块，作为炉料返回高炉，同时回收锌等有价元素，并改善了钢铁厂的环境。此外，转底炉生产海绵铁（DRI），作为炼钢的原料，简化钢铁生产流程。近年来利用转底炉处理复合铁矿石，如含钒、钛，含硼、镁，含稀土和氟等铁矿正在实验室研究和工业试验之中。

关键词：转底炉；直接还原；粉尘处理；复合矿；综合利用

1　前　言

转底炉技术属于煤基直接还原工艺中发展较快的一种，其最初的目标是处理含铁废料［1-2］，并回收其中的有用元素，如Cr、Ni、Zn、Pb、K和Na等。其后美国、日本、中国等将转底炉进一步开发应用于铁矿石的直接还原和熔融还原，并分别建立了工业示范厂［3-5］。转底炉直接还原工艺主要包括配料、制团、烘干、高温还原、成品冷却、烟气余热回收、烟尘中有用元素回收等主要工序［6-8］，从20世纪末，我国开始研究开发用转底炉处理复合铁矿，如处理四川的钒钛磁铁矿，包头的含稀土和氟的铁矿石，辽宁的含硼、镁铁矿石，有的已经进行了工业规模生产，有的尚处于实验室研究阶段。

转底炉将所需处理的含铁原料和还原剂（煤炭）按照一定的比例配合，再经过混合、制团、烘干，然后将生球送入转底炉，在转底炉内经过1 250～1 350℃的高温快速还原，得到金属化球团，然后高温金属化球团由螺旋出料机排出，经过冷却，便得到成品金属化球团。转底炉排出的废气温度通常在1 000℃以上，必须利用余热锅炉回收余热，若采用的原料是钢铁厂含锌粉尘，则于铁氧化物还原的同时，锌、铅、钾、钠等被还原和挥发并进入烟气，烟气经降温后，将携带的上述物质通过袋式除尘器收集起来，是为副产品。转底炉直接还原工艺对于原料、还原剂要求不太严格，可处理的原料范围广，不仅可以利用自然资源，而且能够处理各种含铁粉尘，是钢铁厂保护环境的设施，因此，在钢铁和有色冶金领域有广阔的前景。

2　转底炉工艺发展历程

2.1转底炉在国外的发展

20世纪50年代，美国Midrex公司的前身Ross公司发明了含碳球团—转底炉直接还原法，并于1965—1966年在明尼苏达州的Cooley进行了2 t/h的热模型试验，获得成功，由于还原过程很快（20 min左右），故取名为Fastmet［1-2，9］。从60年代到90年代，Fastmet工艺由2 t/h的试验规模，发展为年产50万t金属化球团矿的现代化生产设备。在此期间，以Fastmet工艺为主旨的研究很多，并发表了许多文章，足见其基础研究和工艺设计已相当成熟。1974年，加拿大的国际镍（集团）—Imnetco公司把转底炉用于处理不锈钢的粉尘，回收金属Cr和Ni，取得良好的经济效益。该公司将转底炉预还原的产品—金属化球团，直接热装进入电炉冶炼，并命名为Inmetco［10-16］，Fastmet和Inmetco工艺流程基本类似，其工艺流程如图1所示。

20世纪90年代以来，日本新日铁与美国公司合作，利用Fastmet工艺处理钢铁厂含锌粉尘，取得了成功，并建起了工业生产规模的设施。2000—2009年在Kimitsu，Hikari，Hirohata相继投产5座处理钢铁厂含锌粉尘的转底炉［17-21］。2006—2009年日本又相继建成了3台处理钢铁厂含锌粉尘的转底炉，最大者达到30万t。此外，韩国浦项、光阳钢铁公司在2009年也建起了20万t的转底炉，用于粉尘处理，各项生产指标均达到设计水平。

2.2转底炉在我国的发展

1992年北京科技大学物理化学系在实验室工作取得成功的基础上，与舞阳钢铁公司合作，在现场建造了一座直径3 m的转底炉热模型，设计年生产能力为3 000 t金属化球团矿，这是我国自行建设的第1座用于铁矿石直接还原的转底炉，试验获得成功，产品的金属化率达到76%～78%。1996年北京科技大学冶金系和鞍山市科委合作，在汤岗子铁矿建成了一座工业试验规模的转底炉，平均直径5.5 m，炉底宽度2.0 m，以鞍山地区的铁精矿为原料，煤粉作为还原剂，滚动成球。该转底炉设有12个喷油的烧嘴，1997年6月8日开始热态试验，6月19日完成了热试，并取得了良好的结果，产品的金属化率稳定在80%～85%，证明转底炉生产直接还原铁是可行的。

图1　转底炉直接还原工艺流程

2001年北京科技大学冶金系和山西翼城明亮钢铁公司合作，建成了年产7万t金属化球铁矿的转底炉，目的是与该公司的75 m3小高炉匹配，以期代替烧结矿，大幅度降低焦比，但受资金的限制，原料制备和压球系统设备不够完善，作为燃料的高炉煤气供应也不稳定，直到2006年，添置了煤气发生炉，改造了原料系统，才正常生产，并且承担了为期半年的印度尼西亚含镍红土矿金属化和电炉熔分工业试验。

2007年为了解决莱钢高炉中锌的危害，北科大与莱钢合作研究利用转底炉处理含锌粉尘和污泥，由国家发改委批准立项，成为国家的示范工程项目。经过数年努力，于2010年建成了年处理粉尘、污泥30万t，平均直径32 m，炉底宽度5 m的大型转底炉，并投入生产。

21世纪以来，高炉的锌害日趋严重，为此，我国一些大型钢铁公司纷纷建起转底炉［22-24］，如马钢引进日本的技术，建成生产能力为14万t/a的转底炉，江苏沙钢采用北京神雾公司的技术，建成30万t的转底炉，山东日钢由钢铁研究总院设计，建起20万t的转底炉。此外，台湾中国钢铁公司也投产了2座10万t级的转底炉。在四川攀枝花地区，为了综合利用当地的钒钛磁铁矿，四川龙蟒集团和攀钢分别建起了较小规模的转底炉，进行工业试验。目前我国几家大型设计院也都具备设计转底炉的能力。

3　转底炉的功能

3.1生产海绵铁（DRI）

转底炉生产海绵铁（DRI）的工艺并不复杂，将铁矿粉与还原剂－煤粉或任何含碳的粉料按照一定的比例配合，压制（或滚动）成型，在高温1 200~ 1 300℃，15~20 min便得到金属化球团矿（或称海绵铁）。还原反应产生的CO与二次风中的氧反应生产CO2，所释放出热能占转底炉总能耗的40%左右。

转底炉生产的海绵铁与传统的竖炉（或回转窑）的产品不同，它的含铁品位较低，金属化率只有80%～85%，甚至还低一些，含硫、碳和其他杂质较高，一般达不到含Fe 90%、金属化率90%的要求，难为电炉炼钢接受，所以美国Dynamics的50万t的转底炉与矿热炉相配，生产铁水。我国山西翼城的转底炉也是与小高炉配套，最终产品是生铁。山西翼城生产的金属化球团矿的化学成分见表1，金属化球铁矿的外观见图2，金属化球铁矿金相组织见图3。

表1　山西翼城转底炉生产的金属化球铁矿成分%

图2　金属化球铁矿外观

图3　金属化球铁矿金相组织

转底炉很难生产出高品质的海绵铁，主要原因是由于还原剂配在球团矿之内，不可避免带来灰分和硫，并且由于二次燃烧，使得转底炉同一个炉膛内兼有还原（CO）与氧化（CO2）气氛。

3.2处理钢铁厂粉尘

目前国内外多数转底炉用于处理钢铁厂含锌粉尘，莱钢转底炉便是其中之一，取得了良好的效果，球团矿的金属化率达到70%~88%，脱锌率高于90%，铅、钾和钠的脱除率也在80%以上。此外，莱钢将转底炉生产的金属化球团矿用于高炉的生产，获得了良好的效果，莱钢转底炉工艺流程见图4，莱钢尘泥经转底炉处理前后的化学成分对比见表2，袋式除尘器中收集的粉尘的化学成分见表3。

图4　莱钢转底炉工艺流程

表2　莱钢尘泥经转底炉处理前后的化学成分对比%

表3　转底炉废气所含粉尘的化学成分%

用转底炉处理钢铁厂含锌粉尘的意义重大［25］，统计数字表明，每生产1 t钢可产生粉尘和污泥100~ 120 kg。我国的钢产量已经达到8亿t左右，所以粉尘和污泥是一个庞大的数字。到目前，烧结是钢铁公司消化粉尘和污泥的主要措施，但是随着废钢回收量增加，锌在烧结和高炉之间循环积累，锌害日趋严重，造成高炉上部结瘤，炉衬涨裂，甚至堵塞煤气管道。烧结过程无法脱锌，因此，只有寄希望于转底炉。钢铁公司的含锌尘泥，经过转底炉处理，得到洁净的高炉炉料，返回高炉作为金属化炉料，据日本专家提供的数据，每配加1 kg金属化炉料，可以降低焦比0.375 kg［26］。我国的经验数字是，每配加含金属铁60%以下的碎铁，可以降低焦比20 kg；相应的含金属铁60%~80%，可降低焦比30 kg；当含金属铁高于80%，则焦比可降低40 kg［27］，此外还能回收锌等金属。我国对于锌的需求量很大，但是国内资源不足，需要依靠进口，转底炉能够使镀于钢板表面的锌和矿石所含的锌得到循环利用。此外，钾、钠等元素也是重要的化工原料，通过转底炉既减轻了锌和碱金属对于高炉的危害，又回收了重要的化工资源。

3.3复合铁矿综合利用

3.3.1钒钛磁铁矿综合利用

钒钛磁铁矿是一种含有铁、钒、钛等多种元素的复合矿，主要分布在我国的攀攀枝花－西昌和承德地区，其中攀西地区的保有储量达100亿t。采用传统的“高炉—转炉”工艺流程，只能回收铁和部分钒，高炉渣中含TiO2只有25%，无法利用。2002年北京科技大学冶金学院在实验室做转底炉－电弧炉流程模拟实验时，偶然发现用电弧炉熔分时，有大量白色的挥发物，使得炉渣中TiO2含量大幅度超过理论计算值，达到50%左右，甚至超过钛精矿的含TiO2水平。2004年四川龙蟒集团公司决定开发转底炉－电弧炉综合利用钒钛磁铁矿工艺［28-30］，他们借鉴美国Inmetco的经验，建起了平均直径12.58 m，炉底宽度4.375 m的小型转底炉和9 MW的封闭式电弧炉，经过6 a不懈地努力，终于2010年6月完成了工业试验和装备优化工作，球团矿的金属化率达到75%～85%。经过电炉熔分得到的生铁与炉渣的化学成分见表4和表5［31］。由表4可知，钒的回收率比高炉流程提高了50%，含S较高，需要进一步处理。由表5可知，炉渣中的TiO2含量达到了钛精矿的水平，钛的回收率达到99%以上，可与钛精矿混合，制取R996型金红石钛白粉。

表4　电炉生铁的化学成分

表5　电炉炉渣的化学成分%

稍后，攀钢也建起了转底炉工业试验系统，进一步开发钒钛磁铁矿的综合利用。

3.3.2处理包头白云鄂博稀土、氟复合铁矿

基于转底炉还原铁矿石的原理，可以处理包头白云鄂博稀土、氟复合铁矿。目前采用的工艺流程回收稀土不到20%，大量宝贵的稀土资源流失［32，33］。北京科技大学冶金学院在实验室模拟转底炉还原熔分过程，以无烟煤为还原剂，含碳生球中炭和氧配比（C/O）为1.2，矿石中的CaF2是良好的熔剂，不需要再配加石灰石，在1 350～1 450℃下，球团的金属化率和加热时间与温度的关系如图5所示［34］。

升温至1 400℃，保持12 min可以实现渣铁分离，炉渣中CaF2含量高达36.82%，稀土氧化物含量14.19%，达到了富稀土渣一级品的要求。炉渣的活性（酸浸出率）高达90%以上，满足工业生产的需求。

图5　加热温度和时间对含碳球团还原的影响

3.3.3处理硼镁磁铁矿

辽宁有我国最大型硼铁共生矿床，硼矿资源占我国硼矿总储量的58%，是综合利用价值较高的矿产资源。北京科技大学冶金学院在实验室采用转底炉还原熔分处理硼铁矿，以无烟煤为还原剂，硼是矿石自带的天然熔剂，不用再配加石灰石。还原温度和还原时间对金属化率的影响见图6［35-37］。

图6　硼铁矿金属化率随温度、时间的变化

将获得金属化球团在1 400℃下熔分30 min，可获得铁粒和富硼渣，富硼渣含B2O320.01%，超过了一级硼矿的B2O3含量（B2O3＞14%）。该富硼渣在高于1 100℃以上采用缓冷，低于1 100℃时采用空冷，所获得富硼渣的活性（酸浸出率）高达86.46%，超过了原生硼矿的硼浸出率，满足了工业化生产的需要。

4　转底炉熔融还原

1997年北京科技大学在实验室里做转底炉模拟实验，偶然在球团矿中配加了溶剂—石灰石，经过1 300℃高温还原后，在冷却的过程中发现金属化球团矿自然粉化，形成灰色的粉末，其中夹杂着许多银亮的小铁珠，直径一般在2 mm以下，转底炉熔融还原生产珠铁的工艺开发便由此开始。基于此，继续深入研究含铁球团矿的配渣，目标是在转底炉可能达到的温度下，使含碳球团矿熔化，并达到渣、铁分离。经过一段时间探索，终于达到了目的。

北京科技大学将此工艺定名为恰普（Charp）即碳和热风还原过程，将产品命名为“珠铁”，并获得了专利。实验室里造出的珠铁见图7。

大约在相同的时期，日本也开展了类似的研究，1998年进行了小型的工业试验，2002年在美国召开的钢铁年会上，神户制钢和几家美国的钢铁公司一起公布了工业试验的结果，其思路与我国的研究不谋而合，他们在小型试验的基础上，于2002年又做了较大规模的工业试验，产品见图8。他们将此工艺取名为ITmk3，意思是第三代炼铁工艺，产品定名为Iron Nugget（铁块）。其后日本和美国的几家公司合作，在美国的明尼苏达州建立了一座年产铁块50万t级工厂，但近几年未见到详细的技术报导。

图7　中国实验室里做出的珠铁

图8　日本试验工厂生产　的铁块

5　结论

5.1转底炉来自轧钢环形加热炉，上世纪被移用于冶金行业，首先启用于北美，本世纪以来在亚洲发展迅速。

5.2转底炉目前主要用于处理钢铁公司的粉尘和污泥，既解除了锌对于高炉的危害，又回收有价值的锌、钾、钠等元素，还增强了对环境的保护。

5.3转底炉能够解决多种复合铁矿的综合利用，我国已经进行了钒钛磁铁矿综合利用的工业规模生产试验，并获得成功。对于包头白云鄂博的含稀土、氟的特殊铁矿石，以及辽宁省的硼镁铁矿，北京科技大学冶金学院也在实验室里做了还原和熔分实验，获得成功。

5.4日本、美国和我国都利用转底炉进一步开发，直接生产珠铁（或铁块），在美国已经建成了工业规模的（50万t）的转底炉，我国也完成了实验室实验。

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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

专论综述

作者简介：佘雪峰，男，1978年生，2011年毕业于北京科技大学冶金工程专业，博士。现为北京科技大学讲师，从事直接还原、冶金废弃物综合利用等方面研究工作。

收稿日期：2015-11-16

中图分类号：TF556

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2015）06-0001-05