转底炉产品金属化球团用作高炉原料的分析和计算
时间：2023-02-28 16:30:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
田仕友
(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401122)
转底炉(rotary hearth furnace)工艺是一种非高炉炼铁工艺，主要设备源于轧钢的环形加热炉，既可以用于铁精矿的煤基直接还原，生产海绵体或粒铁，又可以处理钢铁厂的含铁尘泥，综合利用钢厂固废中锌、铅、铁、碳等资源。国外工业化应用的转底炉工艺主要有：Inmetco、Fastmet、Fastmelt、Itmk3和DryIron工艺等[1-4]；
国内转底炉工业化前期以引进国外技术为主，国内相关院所的积极研究和开发，以中冶赛迪为代表的技术开发和输出单位对转底炉关键技术的突破，国内转底炉呈现加速布局的态势，国内共有14座在运行的转底炉，其中仅中冶赛迪已先后在国内建成投产10座。
与其他炼铁方法相比较,转底炉工艺优点在于对原料、燃料和还原剂的要求比较灵活，受环境影响小，特别在国内钢铁企业在成本和环保的双重压力下，转底炉工艺的优势在处理钢铁企业冶金固废方面充分体现。国内目前对转底炉处理冶金含锌固废工艺已有了深入的研究，如：重庆大学的王贤君对转底炉处理冶金含锌尘泥的理论进行了理论分析及实验室研究，对使用含锌粉尘进行压球工艺、还原焙烧工艺的实现条件进行了探索，研究了黏结剂种类、黏结剂用量、含水量、配碳量对生球及烘球的性能的影响，并研究了料层数、配碳量、温度、时间和气氛对金属化球团的脱锌率、金属化率和抗压强度的影响，且对球团料层传热过程进行简化计算；
北京科技大学刘颖对转底炉工艺处理冶金粉尘含碳球团直接还原过程数学模型进行了研究，建立了含碳球团直接还原单球数学模型，在模型中详细考虑了球团还原过程中的传热传质、化学反应、孔隙率以及物性参数的变化；
中冶赛迪完成了转底炉处理含锌尘泥关键技术及装备研发与应用的项目攻关[5-7]。
长期以来，钢铁企业高锌的高炉重力灰、高炉布袋灰和炼钢除尘灰等，直接在钢铁内部循环或堆存处理，造成了资源的浪费，且在铁前系统内锌和碱金属没有很好的排出，在铁前系统内“大循环”和高炉内“小循环”，影响烧结、球团的产品质量的同时造成高炉能耗上升和设备寿命下降。转底炉处理冶金含锌尘泥工艺，以含铁含锌含碳尘泥为原料，配入适量黏结剂经混合后造球或压球成球，生球经烘干脱水后布置于转底炉炉底，通常铺设1～2层球的料层厚度，转底炉内主要通过辐射传热方式将含碳球团加热，当转底炉转动时生球被加热到1 250～1 300 ℃，含碳球团中的锌氧化物、铁氧化物在高温下被其中的碳素还原。经还原后的单质锌(沸点907 ℃)经蒸发并随烟气一起排出，通过冷却系统时被氧化成细小的固体粉末而沉积在布袋除尘器内并回收,转炉炉排出的金属化铁产品经热压或冷却后作业冶金原料，工艺流程如图1所示[8-11]。
图1 转底炉处理冶金含锌尘泥工艺流程图
常规的转底炉金属化产品主要金属化球团和金属化筛下粉，其中金属化球团占比约80%，TFe约60%[12]。金属化筛下粉一般用于烧结生产，金属化球团一般用于高炉和炼钢使用。鞍钢环保科研设计所汪志家早在1994年对转底炉金属化球团用于炼钢替代废钢进行可行性论证，从经济效益和可解决废钢不足的问题方面进行阐述[13]；
金属化球团应用于高炉也被广泛研究[14-15]。本文根据某钢厂转底炉金属化球团和现有高炉原料的物化性能，针对金属化球团用作高炉原料从经济性计算、高炉碳消耗及高炉顺行的影响进行理论计算分析，高炉使用转底炉金属化球团优势和劣势。
本文转底炉金属化球团产品的物、化组分以国内某转底炉金属化球团统计成分为代表，烧结矿和球团矿的物化成分以某钢厂现有的烧结矿和球团矿化检验指标为代表，具体如表1所示。
表1 各原料物理及化学性能 %
转底炉金属化球团属于熟料，但FeO含量较高，与磁铁矿水平一致，且金属铁含量高，因铁矿石在高炉内的还原过程为Fe2O3-Fe3O4-FeO-Fe，不利于高炉中上部低温区的间接还原的反应，不利于上部煤气的利用，配入后应重点关注煤气利用率，同时从配料上考虑调整，配入金属化球团后应提高球团矿配比降了烧结矿配比比例。
转底炉工艺脱锌率可以达到90%以上，但金属化球团的含锌量仍然偏高，ZnO含量为0.27%，锌蒸汽在高炉内氧化-还原循环，造成碳消耗上升，同时在炉衬和上升管结垢结瘤造成设备寿命降低，且易发生生产波动，高炉锌负荷一般控制在0.15～0.25 kg/t。
转底炉金属化球团含K2O、Na2O较烧结矿和球团矿明显偏高，碱金属会在高炉低温区炉墙结块，导致气流偏移，也会使烧结矿和球团矿异常膨胀粉化，在高炉耐火材料上堆积引起膨胀，引起生产波动和设备异常，国内高炉一般碱金属负荷不超过2 kg/t。
转底炉金属化球团含硫为0.26%，按照一般天然块矿含硫量界限量分级，属于二级铁矿石，一般钢铁厂按照吨生铁硫负荷<4 kg控制，且超过3 kg时适当提高炉渣碱度以期提高脱硫系数，因此配加金属化球团后应优先使用含硫分较低的焦炭和煤粉，进行硫负荷测算和配料碱度调整[16]。
转底炉金属化球团含有金属铁48.6%，金属铁开始熔化温度较铁氧化物低，与铁氧化物一同配入高炉后，会造成高炉软熔带变宽，从而提高煤气通过的阻力，而影响炉料的透气性，配入量受到限制，配入后应关注边缘气流的变化，控制合理的生产参数，避免过量配入导致高炉生产波动。
转底炉金属化球团CaO、SiO2、MgO、Al2O3与烧结矿基本同等水平，可实现不加入溶剂情况下进行配料，能满足高炉生产的要求，但因转底炉配入的物料种类较多，单种类物料量小，配料调整频繁，金属化球团质量的稳定性需要重点关注。
转底炉金属化球团抗压强度约为1 300～1 500 N/个，较氧化球团3 655 N/个，偏低较多，会因碰撞、挤压粉碎而影响炉料的稳定性和透气性，配入比例受到限制，同时在小高炉内配入较为适宜。
高炉生产要求炉料粒度<5 mm的不超过5%，从表1可以看出，金属化球团高炉上料筛分前<5 mm粉末含量与氧化球团基本一致，较烧结矿好，符合高炉要求。
在高炉冶炼过程中碳消耗主要用于炉料的还原和加热，炉料的还原度直接影响还原剂的用量。转底炉产品金属化球团，含有较高的金属铁和FeO，铁元素还原度高，配入后可以提高炉料的还原度，降低用于还原的碳素消耗，本节对假设加热消耗碳不变，理论分析用于还原消耗碳的变化。
高炉内的还原过程是由直接还原和间接还原组成，二者在最佳比例时还原消耗的碳素最低。根据直接还原铁所消耗的碳素还原剂量为：Cd=12/56×rd×ω([Fe])=0.215rd×ω([Fe])，Cd为直接还原碳素消耗量，rd为铁的直接还原度，以单位铁为计算基准，即ω(Fe)=1，上述公式简化为Cd=0.215rd。
间接还原铁是可逆反应，CO有较大的过剩系数n，即
FeO+n([CO])=Fe+CO2+(n-1)CO
Ci=n×12/56n([Fe])(1-rd)
图2为碳消耗与直接还原度的关系图，间接还原碳素消耗曲线AOBF与直接还原碳素消耗GBC焦点为最低碳消耗对应的rd，此时直接还原产生的CO量整个满足间接直接还原需要的CO量，在此点rd=n/(1+n)。
图2 碳消耗与直接还原度的关系
Cd和Ci在最低碳素消耗还原度rd点是过剩系数n的函数，n是受温度变化而变化，综合考虑高炉上部和下部温度为1 000 ℃时对应的n为3.52倍，计算rd为0.78。
原高炉烧结矿、球团配比分别为65%、35%，假设配入金属化球团比例2%后，烧结矿、球团矿配比为63%、35%进行计算分析如表2所示。由表2可以知道，配料2较配料1入炉铁品位上升0.23%，金属铁含量上升0.98%，w(FeO)上升0.34%。假设煤气利用系数和其他碳素消耗不变，金属铁和w(FeO)均上升，可以假设为减少了Fe3+→MFe，Fe3+→Fe2+的还原消耗碳量C。
表2 高炉入炉含铁原料的铁素分析表 %
配料2较配料1金属铁含量上升0.98%，此部分的铁素与铁水不需要再次还原，节省还原剂碳素量，按照Fe2O3+3C=2Fe+3CO，Fe2O3+C=2FeO+CO，生产1 t铁水需要铁料约为1.62 t，铁料中含金属铁量为0.016 t，此部分金属铁节省还原剂量为5.14 kg，按照上文理论最低碳消耗测算为5.14×0.78=4 kg。
配料2较配料1中w(FeO)上升0.34%，此部分较配料1节省了还原剂从[Fe3+]→[Fe2+]的还原剂量，节省还原剂量为0.486 kg，按照上文理论最低碳消耗测算为0.486×0.78=0.38 kg。
综合以上计算，配入2%的金属化球团可以节约还原剂碳素量约4.38 kg/t，假设含焦炭含碳量85%，可降低焦比为5.15 kg/t。2%配比金属化球团量为32.4 kg/t，相当于每使用1 kg/t的金属化球团降低焦比为5.15/32.4=0.17 kg/t。
配加2%的金属化球团后入炉原料铁品位上升0.23%，假设在高炉内铁料占的容积不变和上料制度不变的情况下，高炉铁水产量上升约0.23%。
假设正常生产时高炉焦比为350 kg/t,焦炭在高炉中容积占比约45%，焦比降低5.15 kg/t,降低比例为1.47%，焦炭容积占比下降至44.34%，则铁料容积占比上升至55.66%，上升比例为1.2%。
综上高炉铁水产量可以上升1.2%+0.23%=1.43%，如年生产1 000万t的炼铁厂，每天可以超产约为433 t铁水,年超产14.2万t。
转底炉金属化球团非常规高炉原料，且作为转底炉处理工业固废后产品中的一种，成本较低，目前市场销售价格约为800元/t。常规的烧结矿和球团矿价格分别为900元/t和1 400元/t，按配料1测算每吨混合铁料价格为1 075元，每吨铁矿含铁为584.9 kg铁素，折算铁素单价为1.838元/kg；
配料2测算每吨混合铁料价格为1 073元，每吨铁矿含铁素为587.2 kg，折算铁素单价为1.827元/kg，铁水中含铁95%测算，每吨铁水成本降低为0.95×1 000×(1.838-1.827)=10.45元/t，如年生产1 000万t的炼铁厂，每年成本降低约为1 000×10.45=10 450万元/年。
因配料2铁水焦比较配料1降低5.15 kg/t，目前国产一级冶金焦炭价格约为3 300元/t，则焦比降低带来的效益为5.15×3 300/1 000=17.0元/t,如年生产1 000万t的炼铁厂，每年成本降低约为1 000×17=17 000万元/年。
综合以上两部分铁水成本降低为10.45+17.0=27.45元/t。
(1)转底炉处理含铁含锌尘泥工艺可以综合利用工业固废中Fe、C、Zn等资源，目前国内较多钢厂已上线，生产稳定，经济效益较好。
(2) 转底炉金属化球团化学成分具有高金属铁、高FeO、高碱金属、高硫、高锌且强度较低等不利于高炉顺行的因素，高炉配加转底炉金属化球团时应及时调控，提前做好配料测算，生产过程中注意煤气利用率和高炉炉渣碱度的参数控制。
(3)转底炉金属化球团因金属化率高，还原度高，在高炉中节省较多的还原剂，通过计算配加2%的金属化球团，可降低5.15 kg的高炉焦比。
(4)高炉配入高品位的转底炉金属化球团，降低了焦比，使高炉炉容中含铁原料占比上升，有利于铁水增产，通过计算配加2%的金属化球团可提产1.43%。
(5)高炉配入金属化球团，因其成本较低，且焦比降低，通过计算配加2%的金属化球团铁水成本可降低27.45元/t。
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