胡俊鴿, 杜續恩, 周文濤

( 鞍鋼股份公司技術中心, 遼寧 鞍山 114009)

摘 要: 介紹了已實現工業化轉底爐工藝的特點, 以及國內外工業化轉底爐的運行狀況; 對轉底爐工藝的局限性進行了分析, 并介紹了針對其局限性而發展起來的技術; 對比了轉底爐與其它工業化高鋅含鐵固廢處理工藝的優劣, 展望了未來轉底爐技術的發展, 為國內企業建設轉底爐提出了建議。

關鍵詞: 轉底爐; 工業化轉底爐; 高鋅含鐵固廢處理

1 引 言

鋼鐵生產過程中會產生各種含鐵塵泥, 其中含鋅量低的可以返回燒結加以循環利用, 而含鋅量高的則不能用于燒結, 否則將影響燒結礦質量和高爐操作, 所以需另外處理。近來年,美國、日本、中國和韓國部分鋼鐵企業采用轉底爐技術來處理高鋅含鐵塵泥。轉底爐工藝屬于非高爐煉鐵范疇, 有很多種, 其中已實現工業化的有 Fastmet、Inmetco、DryIron 和 ITmk3 等工藝。本文在介紹這些工藝運行狀況的基礎上,對轉底爐的工藝特點、局限性及將來的發展進行了評述。

2 已實現工業化的轉底爐工藝及其特點

工業化應用最廣泛的轉底爐工藝是 Fastmet,其次是 Inmetco 工藝, ITmk3 和 DryIron 工藝的工業化爐較少。表 1 簡要概括了已實現工業化的轉底爐工藝及其特點。

Fasmet、Inmetco 和 ITmk3 工藝的流程和設備配 置 基 本 相 似, 但 ITmk3 與 Fasmet 和Inmetco 工藝的還原溫度以及 DRI 產品質量有很大不同, 而 Fasmet 與 Inmetco 工藝只是細微處有區別, 如爐溫分布、燒嘴形式、高溫廢氣熱量利用等。DryIron 工藝的最大特點是焦粉或煤粉與鐵礦粉或者含鐵固廢混合后直接壓制成塊, 不使用粘結劑, 而且這種含碳壓塊在轉底爐單層裝料。

3 國內外工業化轉底爐運行狀況

3、1 日本和美國轉底爐運行狀況

日本由于環境制度非常嚴格, 所以從 2000年開始, 日本鋼鐵公司相繼建起了轉底爐來處理高鋅含鐵固廢, 如表 2[1~ 3]所示。新日鐵轉底爐使用天然氣作燃氣, JFE 轉底爐使用焦爐煤氣作燃氣。

( 1) 神戶鋼鐵公司加古川廠 Fasmet 轉底爐神戶鋼鐵公司加古川的Fasmet 爐作為示范爐生產時, 處理的含鐵含鋅粉塵來自鋼廠, 轉底爐還原溫度為 1 300~ 1 350 e , 還原時間為 12min。表 3[4]為當時所用含碳球團以及所產 DRI的化學成分和鋅含量; DRI 金屬化率( MFe/TFe) 超過了 90% , 脫鋅率超過 90% ; 回收粉塵中鋅含量為 44170%。

( 2) 新日鐵廣 廠 1 號 Fasmet 爐新日鐵廣 廠 1 號 Fasmet 爐從 2000 年 4月開始連續運行, 至 2000年 7 月, 完成設備性能測試并開始正常商業運行, 之后于 2000 年 8 月,設備作業率曾達到 90%以上。該爐子在生產率為100 kg/ ( m2#h) 時, DRI 金屬化率達 9119% ,脫鋅率為 9410%; 轉底爐布袋過濾器回收的粉塵含鋅量約為 6314% (其中 7819% 是氧化鋅),鐵含量小于 1% , 是煉鋅廠很寶貴的原料[ 4]。

( 3) 新日鐵光廠 DryIron 轉底爐新日鐵光廠生產不銹鋼, 使用 DryIron 轉底爐來處理電爐粉塵、酸洗沉渣和軋鋼氧化鐵皮等固體廢料, 在脫鋅和回收鐵的同時, 還回收了廢料中的鎳、鉻等合金成分。并根據這些廢料含水量大、含碳很少的特點, 對工藝作了適當改進, 即對廢料先干燥脫水, 再配入還原用焦粉,然后壓制成為較易還原的橢圓形塊。轉底爐還原溫度為 1 300 e , 還原時間 15min, DRI 產品用于電爐和 AOD 爐。自投產以來, 作業率保持在 80% 左右, 通過控制配料使DRI 的金屬化率為 70% ~ 80% , 同時回收鎳和鉻, 取得了較好的經濟效益[ 5]。

( 4) 新日鐵君津廠 Inmetco 轉底爐君津廠 2 座 Inmetco 轉底爐的冶煉溫度為1 250~ 1 300 e , 還原時間分別為 10~ 20 min和15~ 30 min; 生球處理能力設計為 23 t/ h, 實際運行時達到 25 t/ h; DRI 金屬化率設計為70% , 實際運行時達到 75% ~ 85% ; 脫鋅率設計值 90% , 實際可達 92%[ 6~ 7]。

( 5) 美國商業化 IT mk3 轉底爐Steel Dynamics Inc( 鋼動力公司) 于 2009 年第 4季度在美國的明尼蘇達 Hoyt 湖投產了世界上第一座產能為 50 萬 t/ a 的 ITmk3 商業廠,使用當地的鐵燧巖( 屬于磁鐵礦) 生產優質DRI。2011 年上半年, 設備作業率為 85% , 生產率 80% , 主要原因是煤傳輸系統出現了問題。

3、2 國內轉底爐運行狀況

我國工業化轉底爐中, 以綜合利用復合礦為目的的有四川龍蟒、攀枝花和日照的轉底爐;以處理高鋅含鐵塵泥為目的的有馬鋼和沙鋼的轉底爐; 以生產預還原爐料為目的的有山西翼城、萊鋼和天津榮程等廠的轉底爐。

( 1) 日照鋼鐵的轉底爐

日照鋼鐵有 2 座國內自行研發設計的的轉底爐, 于 2010年 5 月投產, 產能 20 萬 t/ a。投產后, 原料壓球系統、螺旋排料機和煙氣系統存在的問題相繼暴露出來。經過不斷改進, 從 2010年12 月到 2011 年 4 月, 產量基本穩定在設計值的50%左右, 作業率低于 80% , DRI 金屬化率基本穩定在 50% ~ 80% ; 產能和作業率不高的主要原因是煙氣處理系統設計存在缺陷。2011 年5 月對轉底爐煙氣系統拆除改造后, 爐子作業率和 DRI 金屬化率分別達到 90% 和 80% 左右[ 8]。

生產的 DRI 已作為冷卻劑用于轉爐( 約 20~ 30kg/ t) , 因用量較少, 所以 DRI 質量對煉鋼消耗、轉爐生產成本和鋼水質量的影響不是很明顯。轉底爐回收的含鋅粉塵中, 氧化鋅含量呈下降趨勢, 降低了其商業利用價值。

( 2) 四川龍蟒集團的轉底爐

四川龍蟒集團建設了 1 座 7 萬 t/ a 的轉底爐(處理釩鈦磁鐵礦)與電爐熔分相結合的工業試驗性生產線, 目的是回收鈦、釩、鉻、鐵, 電爐熔分裝置用于生產鐵水和富鈦渣。該轉底爐于2007 年 2 月開始運行, 曾因燒嘴、爐底盤、水封、加料機、爐頂、煙道、電爐蓋、爐殼等處發生事故而多次停爐維修, 直至 2010 年 10 月, 才開始滿負荷作業。在轉底爐和電爐運行期間, DRI 金屬化率穩定在 70%~ 80% , 電爐富鈦渣 TiO2品位達 50%~ 52% , 比當地鈦精礦 TiO2 品位高出4~ 6 個百分點, 富鈦渣的商業價值已接近或等同于鈦精礦[ 9]。

( 3) 馬鞍山鋼鐵公司的轉底爐

馬鞍山鋼鐵公司引進新日鐵君津廠的技術, 于 2009 年 7 月建成投產了 1 座處理能力為20 萬 t/ a 的轉底爐, 用于處理高鋅塵泥。在試生產過程中, 污泥烘干系統、離心機、潤磨機、造球盤等相繼出現問題, 經過不斷的工藝優化和技術改造, 2010 年 1 月作業率曾達 95%。其生產的 DRI 的金屬化率約為 80% , 用作高爐爐料[ 10]。

4 轉底爐工藝的局限性及針對其

局限性而發展起來的技術轉底爐工藝在工業化生產中出現了許多問題, 有的是工藝本身的局限性問題, 有的是配套裝置產生的問題。概括來說, Fastmet、Inmetco和 DryIron 工藝本身的局限性問題較多, ITmk3的工藝局限性問題相對較少。

4、1 轉底爐工藝本身的局限性問題

( 1) Fastmet、Inmetco 和 DryIron 工 藝的DRI 產品中脈石和 S 含量較高, T Fe 和 DRI 金屬化率一般較低, 這是由其工藝特點決定的。Fastmet 和 Inmetco 工藝采用內配煤粉作還原劑, 加粘結劑造生球, 鐵礦粉品位或固廢等鐵料的含鐵量、粘結劑用量及煤中所含的灰分和 S等有害元素將直接影響 DRI 的品質; DryIron 與Fastmet 和 Inmetco 相比, 制作入爐團塊時雖不用粘結劑, 但鐵料和煤對 DRI 的影響是一樣的。

要生產優質 DRI, 需要高品位的鐵礦粉或含鐵量高的固廢和低灰分、低 S 的煤作還原劑才行。北京科技大學進行的理論計算表明[11], 要想得到TFe 和金屬化率都達到 90%的 DRI 產品, 磁鐵礦的 TFe 應達 6915%、赤鐵礦應為 6815%,而煤的灰分應小于 4%, S 應低于 016% 。如果用普通高爐用鐵礦(品位 64% 左右) 和普通煤( 灰分約 12% ) , 那么, 由轉底爐得到的 DRI 產品的TFe 只有 78% , 金屬化率約為 85% 。另外,由于采用敞焰加熱, 還原的鐵可能發生再氧化,只有抑制這一現象才能獲得較高的金屬化率。所以, Fastmet、Inmetco 和 DryIron 工藝的 DRI產品大都用作高爐原料, 也有用作轉爐和電爐爐料的, 但用量都很少, 以不至于影響煉鋼生產。

( 2) 轉底爐工藝普遍存在能耗高、生產率低的問題。據報道, 轉底爐的煤耗約為 500 kg/t[ 1, 12]。由于轉底爐主要依靠輻射傳熱, 爐底只能鋪 1~ 3 層球團, 故影響其生產率提高。

4、2 轉底爐配套設備及粉塵利用問題

( 1) 配套設備故障率高。轉底爐裝置類似于軋鋼環形加熱爐, 機械設備復雜, 高溫臺車、熱出料機及熱篩分設備故障率高, 運行維護費用較高。

( 2) 轉底爐粉塵的回收處理仍是個問題。

日本研究發現, 轉底爐原料中的鋅含量和氯含量對回收粉塵的鋅含量影響很大。在處理鋅含量為 20%、氯含量為 2% ~ 4% 的高鋅含鐵粉塵時(如電爐粉塵), 回收粉塵中鋅含量為 60% 左右; 如果轉底爐原料中鋅含量較低, 回收粉塵中的鋅含量也會降低, 直接影響其商業利用價值[13]。

4、3 針對轉底爐局限性而發展起來的技術

4、3、1 在轉底爐后配加熔融爐的工藝

針對 Fastmet 和 Inmetco 工藝 DRI 產品中脈石和 S 含量較高的問題, 產生了在其后接一熔融爐, 分 別能 夠 生 產 鐵水 的 Fastmelt 和RedSmelt 工藝。熔融爐可以是埋弧爐, 也可以是煤基熔化爐。將轉底爐生產的 DRI 熱態輸送至熔融爐, 脫 S 除渣, 可生產出與高爐相似的鐵水。神戶曾建了一座 Fastmelt 中試爐, 美國動力鐵公司的這種工藝則實現了商業化生產。

4、3、2 厚料層 PSH 工藝

為解決轉底爐工藝料層薄、生產率低的缺點, McMaster 大學提出了 PSH ( Paired StraightH earth Furnace) 工藝。 PSH 以 厚 料 層 ( 120mm) 、高火焰溫度( 1 600 e ) 、高能量利用率為基礎, 可以生產金屬化率達 90% 以上的具有高密度和高強度的 DRI, 能耗比當前高爐低 30%,生產的 DRI 可直接用于電爐煉鋼。美國已把該技術列為技術路線圖中的一個研究項目, 并建設了 415 萬 t/ a 的示范廠, 其 DRI 金屬化率為95% 。

5 轉底爐與其它高鋅含鐵固廢處理工藝的對比

已實現工業化的鋼鐵廠高鋅含鐵固廢處理工藝除了轉底爐之外, 還有蒂森克虜伯鋼鐵公司使用的 OxyCup 豎爐工藝, 以及德國杜伊斯堡地區 DK 公司的小高爐工藝。

5、1 OxyCup 豎爐工藝

德國蒂森克虜伯利用 OxyCup 豎爐回收高鋅含鐵固廢, 該裝置于 2004 年 8 月建成投產。把燒結機粉塵、高爐污泥、轉爐粉塵、軋機污泥、焦炭渣等含鐵含碳固體廢料混合后, 加入粘結劑制成六邊形型磚, 然后送入 OxyCup 豎爐冶煉。冶煉過程要求溫度為 620 e 的熱風 30 000m3/ h、氧氣 3 500 m3/ h 左右; 產生的爐頂煤氣量大約 50 000 m3/ h, 熱值約為 4 300 kJ/ m3。爐頂煤氣部分用于加熱熱風, 其余的并入鋼鐵廠總煤氣管網。鐵水產量為 15~ 65 t/ h, 渣量為 15~ 30 t/ h[14]。

OxyCup 豎爐當年投資 2100 萬歐元, 所用爐料除了蒂森克虜伯自己的高鋅含鐵固廢, 還外購一部分。在生產鐵水的同時, 回收一部分高鋅洗滌塔污泥。正常生產中, 由高鋅含鐵固廢制成的型磚只是其中一部分爐料( 占 60% 以上), 另外還使用一部分其它料, 如熔劑、焦炭和廢鋼鐵等。豎爐爐渣可以用作水壩的建筑材料和其他水利工程建材。

5、2 小高爐工藝

在德國的 Duisburg- Hochfeld, DK 公司利用工作容積為 580 m3的小高爐處理歐盟的固體廢料, 主要冶煉鑄造鐵。轉爐泥、高爐瓦斯灰、瓦斯塵泥、軋鋼屑、電池等固體廢料和部分普通鐵礦經過燒結機處理后, 送入高爐冶煉。小高爐入爐焦比為 630 kg/ t, 煤比為 70 kg/ t, 燃料比在 700 kg/ t 以上; 煤氣利用率較差, GCO約為30% ; 鐵水中 S 含量為 011% 左右。高爐入爐料鋅負荷和堿負荷分別為 38 kg/ t 和 815 kg/ t, 高爐瓦斯泥中鋅含量達 60% 以上, 可以作為回收鋅的原料。

5、3 轉底爐工藝與 OxyCup 和小高爐的對比

( 1) 工藝成熟性和生產穩定性: 在轉底爐、OxyCup 和小高爐工藝中, 工藝最成熟和生產最穩定的當屬小高爐。但小高爐也有很大缺點,如需要大量高鋅含鐵固廢原料, 在我國, 原料來源是個問題; 另外國家現在限制小高爐生產, 所以不適合發展小高爐工藝。

( 2) 金屬鐵產品: 這三種工藝中, 一般轉底爐生產的是含鐵量和金屬化率不高的 DRI,

OxyCup 和小高爐生產的均是可直接用于煉鋼的鐵水。

( 3) 副產品: 三種工藝均產生一定量的富鋅爐塵, 而 OxyCup 和小高爐除此之外, 還有爐渣需要處理。

( 4) 還原劑: 轉底爐所需還原劑只是含碳球團中的碳, OxyCup 除含碳型磚中的碳外, 還需一定量的焦炭, 小高爐則主要是焦炭。

( 5) 其它能源: 轉底爐需要一定量的燃氣來加熱, 以便使爐內達到一定溫度要求; OxyCup和小高爐需要一定溫度的熱風, 小高爐的熱風溫度比 OxyCup 高得多, 而 OxyCup 還需要噴吹大量氧氣。

( 6) 投資: 考慮全部配套設備在內, 小高爐因為需要燒結廠、煉焦廠和熱風爐, 噸鐵投資最貴; 其次是 OxyCup, 因為其豎爐本體投資與轉底爐差不多, 除此之外還需要投資型磚技術、壓塊設施以及制氧設施; 相比來說, 轉底爐投資最低。

綜合對比上述三種工藝, 在鋼鐵廠高鋅含鐵固廢處理方面, 轉底爐是最佳和最可行的, 因為它不需要消耗焦炭和熱風, 不需要像小高爐投資那么大, 技術上也不像 OxyCup 那樣全部需要引進。雖然大多數轉底爐工藝生產的 DRI 質量不如 OxyCup 和小高爐, 但鋼鐵廠內可以自行消化。

6 轉底爐技術的發展展望及對新建轉底爐的建議

6、1 轉底爐技術發展展望

未來轉底爐的發展基本上可有兩種定位。一種是以處理鋼鐵廠高鋅含鐵固廢和難選難燒鐵礦為目的, 主要生產高爐用 DRI, 代表性工藝有 Fastmet 和 Inmetco。這兩種工藝生產的 DRI質量較差, 雖然為應對此問題而開發了 Fasmelt和RedSmelt 工藝, 并已有商業化生產廠, 但這兩種工藝能耗太高, 除了轉底爐耗用的煤炭和燃氣之外, 與轉底爐相配套的電弧爐耗電約為 500kWh/ t鐵水, 并不適合我國國情。我國北京科技大學曾提出了提高 DRI 質量的/ 破碎- 磁選-分離技術, 也曾對煤基熱風熔融爐技術進行過研究, 比較適合我國國情, 但距離商業化尚遠。另一種則是以利用普通鐵礦或低級鐵礦增加產量為目的, 主要生產優質 DRI, 可直接用于電爐生產, 也可用作轉爐優質冷卻劑, 代表性工藝有ITmk3。但無論哪種轉底爐工藝, 都需要進一步優化主體系統和改進配套技術, 如煙氣系統、熱出料機及熱篩分設備等, 進一步提高轉底爐生產作業率。

6、2 關于新建轉底爐的建議

( 1) 如果只是以處理高鋅含鐵固廢為目的,建議上普通轉底爐, 同時著手研究在轉底爐后面配加提升 DRI 質量的新技術, 以便將來形成自主知識產權的研究成果。這種普通轉底爐國內就有, 其生產的 DRI 質量較低, 可用于高爐,也可少量用于轉爐。這種 DRI 在轉爐中用量較少的情況下不會對煉鋼產生影響, 用于高爐中可以改善高爐操作。新日鐵具有把質量較低的DRI 用于高爐的豐富經驗, 其君津廠轉底爐生產的 DRI 用于高爐生產, 每使用 30 kg/ t 的 DRI就能降低燃料比約 7 kg/ t[ 7]。

( 2) 如果以增加煉鐵產能和生產煉鋼用優質冷卻劑為目的, 則應考慮上先進的轉底爐工藝, 如類似 ITmk3 的技術。

7 結束語

轉底爐技術在處理鋼鐵廠高鋅含鐵固廢方面具有一定優勢, 在日本、中國、韓國和美國已有較多工業化應用, 但許多爐子運行效果并不理想, 而且也可能會產生低鋅爐塵副產品, 找不到合適買家。轉底爐技術僅有 30 多年的歷史,加上工藝本身具有的局限性以及一些配套技術和爐子控制技術并不成熟, 所以, 還有許多關鍵問題需要解決。在目前嚴峻的市場形勢下, 我們應結合自身的需要, 思考是否應立即上轉底爐, 以及上轉底爐的目的是為處理鋼鐵廠高鋅含鐵固廢, 還是兼顧增加煉鐵產能和將來發展非高爐煉鐵的需要, 而后慎重決策。

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