王 敏，薛 遜，曹志成，王靜靜，古明遠(yuǎn)

（北京神霧環(huán)境能源科技集團(tuán)股份有限公司研究院，北京102200）

1 引言

轉(zhuǎn)底爐工藝的發(fā)展已經(jīng)有30多年的歷史，在轉(zhuǎn)底爐發(fā)展過程中，中國、美國、德國、日本等國家都相繼投入力量進(jìn)行開發(fā)研究，該技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟并表現(xiàn)出一定的商業(yè)發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，國?nèi)外已有多家企業(yè)進(jìn)行工業(yè)規(guī)模轉(zhuǎn)底爐建設(shè)和生產(chǎn)，其中INMETCO、新日鐵君津、馬鋼、日照、沙鋼等廠運(yùn)用轉(zhuǎn)底爐處理冶金塵泥，龍蟒集團(tuán)轉(zhuǎn)底爐處理釩鈦磁鐵礦，榮程鋼鐵用轉(zhuǎn)底爐處理精礦粉等[1-2]。

2 轉(zhuǎn)底爐工藝

2.1 轉(zhuǎn)底爐工藝原理

轉(zhuǎn)底爐由環(huán)形爐床、內(nèi)外側(cè)壁、爐頂、燃燒系統(tǒng)等組成。除塵系統(tǒng)控制爐內(nèi)保持微負(fù)壓狀態(tài)。側(cè)壁、爐頂固定不動，爐床由爐底傳動機(jī)構(gòu)帶動循環(huán)旋轉(zhuǎn)，將加入爐內(nèi)的爐料經(jīng)過預(yù)熱區(qū)、高溫區(qū)、冷卻區(qū)后還原成海綿鐵排出爐外。爐內(nèi)分為進(jìn)、出料區(qū)和燃燒區(qū)。燃燒區(qū)內(nèi)外側(cè)壁均配有不同數(shù)量的燒嘴，通過管道送入的燃?xì)馀渲伎諝馊紵a(chǎn)生的熱量來控制每個區(qū)的溫度[3]。

轉(zhuǎn)底爐內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng)有：

轉(zhuǎn)底爐工藝中，含碳球團(tuán)中的碳是主要的燃料，其加熱后產(chǎn)生的揮發(fā)份和還原鐵氧化物等產(chǎn)生的CO是主要還原劑。

2.2 轉(zhuǎn)底爐工藝流程簡介

轉(zhuǎn)底爐工藝流程主要分為原料處理和轉(zhuǎn)底爐直接還原兩部分，原料處理工序?yàn)閷⒑F原料與一定比例的還原劑（煤、焦粉、蘭炭等）進(jìn)行混合，并根據(jù)不同的處理原料配加一定量的添加劑、粘結(jié)劑混合均勻后進(jìn)行造塊（壓球或造球）處理，含碳球團(tuán)經(jīng)過烘干后進(jìn)入轉(zhuǎn)底爐內(nèi)快速還原，最終得到一定金屬化率的直接還原球團(tuán)。

具體的工藝流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)底爐工藝流程示意圖

2.3 轉(zhuǎn)底爐工藝特點(diǎn)

轉(zhuǎn)底爐工藝的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

（1）在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)還原焙燒的物料是含碳球團(tuán)，碳和氧化鐵之間的接觸緊密，具有良好的快速還原條件。

（2）轉(zhuǎn)底爐還原焙燒工藝是薄料層在高溫敞焰中加熱，可實(shí)現(xiàn)快速還原，爐料在爐內(nèi)還原時間短。在轉(zhuǎn)底爐中，含碳球團(tuán)均勻鋪在爐底上，料層為1～3層球高（約15～45 mm），隨著爐底的旋轉(zhuǎn)，球團(tuán)被加熱到1100～1350℃，球團(tuán)在爐底停留時間一般為8～40 min。還原時間和還原溫度取決于原料的特性、料層及其他因素[4]。而傳統(tǒng)有罐隧道窯還原時間需要28～42 h，無罐隧道窯也需要8～12 h[5]，回轉(zhuǎn)窯直接還原需要8～10 h[6]。

（3）由于薄料層、爐料在轉(zhuǎn)底爐中不受壓，且爐料與爐襯之間無相對運(yùn)動，因此對爐料的強(qiáng)度要求不高，不會產(chǎn)生料團(tuán)與爐子耐材粘結(jié)現(xiàn)象。

3 轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝的應(yīng)用

3.1 轉(zhuǎn)底爐處理冶金塵泥

在鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固廢產(chǎn)物包括高爐煤氣干法除塵灰、高爐煤氣濕法洗滌污泥、轉(zhuǎn)爐污泥、電爐除塵灰及各個工藝環(huán)節(jié)除塵粉塵、軋鋼鐵皮等。固廢產(chǎn)物量占到企業(yè)鋼產(chǎn)量的8%～10%[7]。冶金塵泥中主要含有鐵、碳、鋅、鉛、鎳等元素。

轉(zhuǎn)底爐處理冶金塵泥，可以利用原料中的內(nèi)碳，按一定比例配成含碳球團(tuán)，然后于轉(zhuǎn)底爐內(nèi)還原，還原溫度為 1200～1350℃，還原時間 20～40 min，能得到金屬化率85%以上直接還原球團(tuán)。直接還原產(chǎn)品進(jìn)行熱壓塊或進(jìn)行磨礦磁選流程得到鐵精粉。

在轉(zhuǎn)底爐處理冶金塵泥過程，球團(tuán)中的鋅由于易于還原和氣化而進(jìn)入煙氣被脫除。鋅蒸氣在煙氣中被氧化成氧化鋅，通過對煙氣的收集就可以得到富含氧化鋅的粉塵，從而對鋅元素進(jìn)行回收利用，最終實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。

馬鋼國內(nèi)首家20萬t/a含鋅塵泥轉(zhuǎn)底爐脫鋅裝置，自試生產(chǎn)以來，通過對工藝不斷優(yōu)化、調(diào)控，生產(chǎn)逐步趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了鋅、堿金屬有害元素的減少和金屬鐵、碳的回收利用，減輕了有害元素富集對高爐系統(tǒng)的危害，無害化利用了新區(qū)所產(chǎn)生的全部瓦斯泥和OG泥，并做到了回收含鋅55%的粗鋅粉0.3萬t/a，金屬化率大于80%的金屬化球團(tuán)14萬t/a，供高爐或轉(zhuǎn)爐使用[8]，以及過熱飽和蒸汽。系統(tǒng)脫鋅率達(dá)85%以上，排堿率達(dá)60%，煙塵濃度低于50 mg/m3。

1.表演式閱讀。顧名思義，這一閱讀方法主要是指借助角色扮演來完成閱讀過程，通過深入?yún)⑴c到表演過程中來，小學(xué)低年級學(xué)生將能更好地理解繪本中描述的故事情節(jié)，同時也能很好地調(diào)動學(xué)生積極性。以《猜猜我有多愛你》這一繪本為例，教師可以邀請學(xué)生分別扮演小兔和媽媽，并通過表演性的閱讀來輔助學(xué)生理解繪本中傳達(dá)的“母子情深”。

3.2 轉(zhuǎn)底爐處理紅土鎳礦

全球范圍內(nèi)的鎳資源只有30%為硫化礦，70%為紅土鎳礦[9]。隨著全球金屬鎳的需求不斷增加，開發(fā)儲量相對豐富的低品位紅土鎳礦已刻不容緩。濕法提鎳法鎳回收率不高，無法處理蛇紋石類紅土鎳礦。燒結(jié)高爐法提鎳能耗大、污染嚴(yán)重、鎳回收率低。

轉(zhuǎn)底爐處理紅土鎳礦，可根據(jù)需求控制鐵回收率。從經(jīng)濟(jì)效益考慮，一般不追求鐵回收率，主要考慮鎳鐵品位和鎳回收率，轉(zhuǎn)底爐工序可控制直接還原鐵的金屬化率，使金屬化率不必過高。對于需要同時回收鐵、鎳的企業(yè)而言，可提高轉(zhuǎn)底爐金屬化率來提高鐵回收率（相應(yīng)地鎳鐵合金中鎳品位將降低）。

北京神霧集團(tuán)開發(fā)的“轉(zhuǎn)底爐-熔分”工藝是克服傳統(tǒng)的礦熱爐冶煉工藝缺陷的一種新型工藝技術(shù)，具有節(jié)能減排、低成本的明顯優(yōu)勢，形成了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的處理紅土鎳礦的新技術(shù)——“轉(zhuǎn)底爐還原-電爐熔煉”流程，具體流程見圖2。與“回轉(zhuǎn)窯—電爐熔煉”工藝相比，采用“轉(zhuǎn)底爐還原——電爐熔煉”流程處理鎳品位為1.52%的紅土鎳礦，其鎳回收率可高出5個百分點(diǎn)，鎳品位高3.5個百分點(diǎn)，最終鎳富集到14%，鎳回收率達(dá)95%。神霧公司利用2.2萬t/a轉(zhuǎn)底爐的中試裝置及熔分裝置成功生產(chǎn)出直接還原鐵及鎳鐵，見圖3。

圖2 轉(zhuǎn)底爐還原-電爐熔煉流程圖

3.3 轉(zhuǎn)底爐處理復(fù)雜難選礦

我國有大量低品位、難采選、復(fù)合礦資源尚未得到充分有效利用。例如高磷鮞狀赤鐵礦，該礦由于礦石嵌布粒度微細(xì)，礦石結(jié)構(gòu)為鮞狀，含有害雜質(zhì)磷高，目前尚未有效開發(fā)利用。

高磷礦配加適量的還原劑和脫磷劑壓制成球，經(jīng)過轉(zhuǎn)底爐直接還原，能得到金屬化率85%以上的直接還原產(chǎn)品，直接還原產(chǎn)品經(jīng)過后期磨礦磁選能有效脫除有害雜質(zhì)磷，磷的脫除率高達(dá)90%以上。

武漢科技大學(xué)、中南大學(xué)及神霧集團(tuán)等高校和企業(yè)都對高磷礦“直接還原焙燒-磁選”提鐵降磷進(jìn)行了研究，并取得了一定的成效。周繼程等人[10]的研究結(jié)果表明，內(nèi)配碳比在0.8、堿度在1.2以下、還原溫度在1200～1300℃團(tuán)塊的脫磷率較好，可達(dá)80%以上。謝朝明等人[11]認(rèn)為，適宜的還原焙燒溫度為1050℃，還原焙燒時間為120 min，添加了7.5%硫酸鈉和1.5%輔助添加劑BS，鐵金屬化率達(dá)95.8%，磷揮發(fā)率25.1%，精礦鐵品位92.7%，鐵回收率92.5%，精礦磷品位0.086%，磷脫除率96.1%。

3.4 轉(zhuǎn)底爐處理釩鈦磁鐵礦

我國儲量比較豐富的低品位難選鐵礦及共伴生礦資源中，以釩鈦磁鐵礦為主，目前已探明儲量約105億t。此類鐵礦因含鐵量較低，不適用于傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝。使用傳統(tǒng)工藝流程冶煉，鈦資源的回收率只有12%，資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。采用直接還原技術(shù)進(jìn)行冶煉處理，具有重要的綜合利用價值。

釩鈦礦比其他鐵礦石難還原，且釩鈦礦的膨脹粉化率高，難還原，要求有更高的還原溫度，但高溫下釩鈦礦更易粉化，如果采用回轉(zhuǎn)窯工藝，這一矛盾更加突出。

使用轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)處理釩鈦磁鐵礦，由于轉(zhuǎn)底爐物料相對靜止的特點(diǎn)，基本不受還原膨脹的限制，能得到較高金屬化率的金屬化球團(tuán)，后期配上熔分工藝，能有效回收鐵、釩、鈦，選擇合適的工藝流程可以使鐵、釩、鈦回收率分別達(dá)到93%、80%、95%[12]。釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝流程見圖4[13]。

圖3 直接還原鐵和鎳鐵

圖4 釩鈦磁鐵礦綜合利用工藝流程圖

3.5 轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)粒鐵

粒鐵生產(chǎn)工藝大致由4個操作單元構(gòu)成：以鐵礦石、煤為主原料的制粒；還原熔融；金屬鐵和渣的分離；廢氣處理、余熱回收。

根據(jù)Itmk3快速反應(yīng)的特征，可選擇輻射加熱容易的轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行粒鐵生產(chǎn)，轉(zhuǎn)底爐成為第三代煉鐵技術(shù)的主體設(shè)備。用于生產(chǎn)粒鐵的轉(zhuǎn)底爐需要根據(jù)粒鐵生產(chǎn)的特性，選擇轉(zhuǎn)底爐爐床耐火材料，要承受反復(fù)升溫、冷卻的熱應(yīng)力，為更好地實(shí)現(xiàn)渣鐵分離及出料，爐底耐火材料要有好的抗侵蝕性。

神霧公司在2.2萬t/a的轉(zhuǎn)底爐中試裝置上成功生產(chǎn)出珠鐵（見圖5），珠鐵的全鐵品位達(dá)96.92%。

3.6 其他原料

轉(zhuǎn)底爐適應(yīng)的種類很多，還可以處理硫酸渣、銅渣尾礦、赤泥、硼鐵礦等原料。通過選擇合適的工藝流程和工藝條件，可以得到合格的焙燒產(chǎn)品。轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝的出現(xiàn)，在很大程度上使各種含鐵資源得到充分有效的利用。

赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時排出的污染性廢渣，一般平均每生產(chǎn)1 t氧化鋁，附帶產(chǎn)生1.0～2.0 t赤泥。中國作為世界第四大氧化鋁生產(chǎn)國，每年排放的赤泥高達(dá)數(shù)百萬噸。通過轉(zhuǎn)底爐直接還原處理赤泥（拜耳法赤泥），配加一定量的助熔劑，能得到鐵品位93%以上金屬鐵粉，鐵回收率達(dá)到80%。

圖5 神霧集團(tuán)生產(chǎn)的珠鐵

4 轉(zhuǎn)底爐工藝發(fā)展趨勢

轉(zhuǎn)底爐直接還原冶煉技術(shù)在充分利用低品位鐵礦石和共伴生礦資源、處理冶金塵泥等固體廢棄物資源方面具有工藝簡單、技術(shù)先進(jìn)、自動化程度高、對原料適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)率高、資源回收率高、投資省等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)底爐工藝是通過實(shí)踐證明了的一種高效直接還原工藝。

但該工藝在應(yīng)用發(fā)展上還有一些技術(shù)難題。如轉(zhuǎn)底爐處理粉塵過程中成球性及還原過程中球團(tuán)粉化的問題；轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)粒鐵時對爐襯和爐底耐火材料的特殊要求等問題；轉(zhuǎn)底爐處理高磷礦時雖然脫磷率很高，但產(chǎn)品中磷含量依然較高等問題。這就需要在完善相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，汲取國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)不同的處理原料完善工藝和設(shè)備，使轉(zhuǎn)底爐工藝具有真正的市場生命力。

另外，加大對該技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化示范力度，加速市場普及和推廣進(jìn)程，對鋼鐵行業(yè)提高資源綜合利用水平、節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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