張志霞， 宋說講

（六盤水師范學院化學與材料工程學院， 貴州 六盤水 553000）

轉(zhuǎn)底爐煉鐵工藝是非高爐煉鐵的一個分支，國內(nèi)外均做過一些相關(guān)研究[1-5]。因其原料適應范圍廣，投資少，能耗低，對環(huán)境危害小等優(yōu)點受到鋼鐵業(yè)普遍關(guān)注，尤其是在日本和美國得到了工業(yè)化應用。針對唯一一個商業(yè)化的轉(zhuǎn)底爐煤基煉鐵工藝—ITmk3，本文介紹了其發(fā)展、流程、工藝特點，進而分析了其發(fā)展前景。

1 ITmk3工藝發(fā)展歷程

20世紀50年代，美國Midland Ross公司（后改名Midrex，再后被日本神戶制鋼收購）發(fā)明了含碳球團的轉(zhuǎn)底爐直接還原法，命名為Fastmet工藝。1974年，美國的Inmetco公司把轉(zhuǎn)底爐用于消納不銹鋼生產(chǎn)中的氧化物粉塵，命名為Inmetco工藝。但此兩工藝（同屬煤基直接還原）的產(chǎn)品（DRI）硫含量過高問題一直未能解決。20世紀90年代，日本神戶制鋼對其子公司美國Midrex公司的Fastmet工藝的評價試驗中意外發(fā)現(xiàn):溫度還未到鐵的熔點時，含碳球團發(fā)生熔化，且形成的粒狀鐵能與渣利索分離，粒鐵純度還很高（約95%）[6]。在此基礎(chǔ)上深入研究，取得突破性進展，命名為“Ironmaking Technology mark 3”（ITmk3）。該工藝溫度（1 350 ～1 450℃）突破了直接還原的范疇，介于直接還原和熔融還原之間，使金屬化球團還原時呈半熔融態(tài)進一步熔化分離，得到高純度粒鐵[7]，同時也徹底改變了直接還原對原料品位的苛刻要求。

日本的加古川鋼廠所建的內(nèi)徑為3.2 m、生產(chǎn)率為0.35 t/h的ITmk3用轉(zhuǎn)底爐（產(chǎn)能達3 000 t/a），于2000年12月完成中試。隨后神戶與美國合作成立了MNC公司專門研究開發(fā)ITmk3，用于工業(yè)試驗的的ITmk3轉(zhuǎn)底爐（設(shè)計產(chǎn)能為2.5萬t/a）于2003年5月出鐵，很快便24 h運行。2010年在美國的明尼蘇達建成的產(chǎn)能為50萬t/a的商業(yè)工廠順利出鐵，2011年上半年生產(chǎn)率達80%、設(shè)備利用率達85%，主要因煤傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)問題導致。目前，在北美、印度、哈薩克斯坦、烏克蘭等地正進行推廣。

2 ITmk3工藝流程

1）原料處理。將鐵精粉和煤粉配料混勻，用造球或壓塊機得到球團或團塊，干燥后備用。鐵精粉可以是磁鐵礦粉，也可是赤鐵礦粉，對品位無嚴格要求（但低品位造成能耗增加）。燃料用非焦煤粉，可使用普通煤，也可使用石油焦，或其他含碳原料。

2）還原熔分。將制好干燥的球團或壓塊放入轉(zhuǎn)底爐，料層不能過厚（1 ～3層為宜），隨爐床勻速轉(zhuǎn)動一周（生球依次經(jīng)過裝料區(qū)、排煙區(qū)、預熱區(qū)、中溫還原區(qū)、高溫還原區(qū)和出料區(qū)），在生球與爐床靜止狀態(tài)下（故對球團強度要求不高）被加熱到1 350 ～1 450℃，發(fā)生還原、滲碳及熔融反應，渣鐵熔化，各自聚集，整個過程約需10 min（煤粉與鐵氧化物緊密接觸，還原速度很快）。轉(zhuǎn)底爐爐床結(jié)構(gòu)見圖1[3]。

圖1 轉(zhuǎn)底爐爐床結(jié)構(gòu)展開示意圖

3）粒鐵產(chǎn)出。經(jīng)快速冷卻的凝聚態(tài)渣鐵，使用排料裝置排出。粒鐵（稱為Iron Nugget）直徑5 ～25 mm，且渣鐵分離干凈。

4）廢氣處理。廢煙氣經(jīng)熱交換器后除塵排出。

圖2 ITmk3工藝流程示意圖

3 ITmk3工藝特點

其獨特之處在于還原溫度精確的控制在1 350 ～1 450℃，使得體系處于Fe-C相圖中一個固液共存的新區(qū)域。不同煉鐵工藝的操作空間見如圖3[9]。在此相對較低的溫度范圍內(nèi)，含碳球團發(fā)生還原、熔化，同時脈石也熔化，液態(tài)渣鐵分離。整個過程僅10 min。還原熔分后的渣中殘留的FeO很少（質(zhì)量分數(shù)小于2%），基本不存在對爐襯的侵蝕破壞。

圖3 不同煉鐵工藝的操作區(qū)間示意圖

與傳統(tǒng)高爐煉鐵對比:

1）不需塊礦和焦炭，且礦粉和非焦煤粉品種選擇靈活，只需一般礦粉和煤粉即可（低品位礦粉也可，但影響能耗），原料適用性強。

2）還原和渣鐵分離同時進行，在相對較低的溫度下反應快（從原料入爐，到熔分完成，只需10min），生產(chǎn)節(jié)奏快、易于調(diào)整。

3）渣鐵分離徹底，產(chǎn)品粒鐵純度高、品質(zhì)好，適宜冶煉優(yōu)質(zhì)鋼，有金塊之稱。

4）無需焦化、燒結(jié)等鐵前工序，投資低，污染少，能耗更低。

所產(chǎn)粒鐵，經(jīng)電弧爐煉鋼試驗證明:純度高（w(Fe)為 96% ～97%）、不含渣、碳含量合適（w(C)為 2.5% ～3.5%），不存在再次氧化和粉化，熔解性能良好，比廢鋼、DRI品質(zhì)更好[7]。

ITmk3最大優(yōu)點是反應快；ITmk3的難點在于渣鐵分離及控制粒鐵尺寸和純度。配入適量的添加劑（B2O3、Na2CO3、CaF2、Na2O 等）可促進渣鐵分離；用冷凝水快速冷卻反應后的渣鐵混合物，有助于渣鐵分離更徹底；通過配加適量熔劑調(diào)整堿度（介于1.3 ～2.3，取決于原料含硫量），可降低粒鐵中硫含量（普遍低于0.08%）。

但轉(zhuǎn)底爐自身缺陷為生產(chǎn)能力有限（目前最大的轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)能力約50萬t/a）。與年產(chǎn)百萬噸規(guī)模的高爐不能相提并論，所以完全替代高爐不太可能。

4 ITmk3工藝發(fā)展前景

ITmk3在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)實現(xiàn)結(jié)塊、還原和熔分功能，是一步法煉鐵，球團最后被熔化，渣鐵分離良好，其產(chǎn)品是粒鐵。

ITmk3使用鐵礦粉和非焦煤，可避免使用氧化球團、燒結(jié)礦和焦炭，從而減輕焦爐和燒結(jié)機對環(huán)境的壓力。還可以處理冶金廠產(chǎn)生的粉塵，及其他含鐵、鉻、鋅等廢棄物。對原料適應性強，以節(jié)能環(huán)保、復合循環(huán)經(jīng)濟的特征，吸引了廣大冶金工作者的關(guān)注。

Itmk3產(chǎn)品可以直接代替廢鋼（最高比例達40% ～50%）用于電弧爐煉鋼，也可作品質(zhì)優(yōu)良的冷卻劑用于轉(zhuǎn)爐煉鋼，還可以用于高爐以降低焦比。電爐煉鋼中，可起到稀釋有害元素的作用，熱裝時還能加速熔煉，工藝操作良好，有助于生產(chǎn)高品質(zhì)鋼種。

ITmk3煤基直接還原工藝具有原料選擇靈活，設(shè)備和基建投資較低，設(shè)備運行穩(wěn)定、操作靈活，能提高煉鋼的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減低電爐煉鋼能耗，且能減少溫室氣體CO2及其他有害氣體和粉塵的排放，是新型友好的煉鐵工藝。

5 結(jié)語

ITmk3具有很強的適應性和巨大的發(fā)展?jié)摿?。尤其我國鐵礦資源以低品位為主，隨節(jié)能、環(huán)保壓力越來越大，短流程、能耗少的煉鐵工藝必然成為未來發(fā)展趨勢。但目前全世界僅1座商業(yè)化的ITmk3爐，工業(yè)相關(guān)的核心操作技術(shù)還嚴格保密。同期北京科技大學開發(fā)的CHARP工藝，與ITmk3幾乎相同，但尚處于實驗室研究階段[10-11]。更需深入進行系統(tǒng)研究、掌握其基本原理，盡快發(fā)展適宜我國資源的轉(zhuǎn)底爐煤基生產(chǎn)粒鐵技術(shù)。