摘  要：近年來，使用回轉(zhuǎn)窯處理復(fù)雜難選礦的工藝技術(shù)逐漸為人們關(guān)注。本文介紹了回轉(zhuǎn)窯煉鐵的發(fā)展歷程，對以回轉(zhuǎn)窯為還原反應(yīng)器的“深度還原—磁選分離”技術(shù)及特點進行了分析，提出回轉(zhuǎn)窯 “深度還原—磁選分離”技術(shù)是處理難選礦、紅土鎳礦有效方法。實驗室及半工業(yè)化試驗已獲得較好結(jié)果。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯；煉鐵；直接還原；紅土礦；深度還原—磁選分離技術(shù)

       近年來，我國煉鐵工作者對回轉(zhuǎn)窯處理復(fù)雜難選礦的工藝開展了一系列研究，中南大學、東北大學針對紅土鎳礦、難選褐鐵礦在回轉(zhuǎn)窯條件下的還原特點進行了系統(tǒng)研究。國內(nèi)建成一批以回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱預(yù)還原－礦熱爐流程處理紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵的生產(chǎn)線。多家企業(yè)進行了回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)鎳鐵顆粒的試驗、工業(yè)化試生產(chǎn)，并取得良好效果。本文分析了以回轉(zhuǎn)窯為還原反應(yīng)器的“深度還原—磁選分離”技術(shù)特點，并對其發(fā)展趨勢進行了討論。

1 回轉(zhuǎn)窯煉鐵的發(fā)展歷程

1.1 回轉(zhuǎn)窯煉鐵

        回轉(zhuǎn)窯直接還原法最早由J.T.Jones于1907年提出。1926年Bourcond、Snyder在實驗室成功進行回轉(zhuǎn)窯直接還原試驗。同年，出現(xiàn)了用回轉(zhuǎn)窯進行還原、增碳、得到熔融鐵水的Bseet法(我國稱為生鐵水泥法)。1930年Krupp公司開發(fā)了用低質(zhì)煤作燃料和還原劑，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)將低品位高硅鐵礦石還原，實現(xiàn)渣鐵分離，鐵聚合成細顆粒被夾裹在半液態(tài)的黏稠渣中，經(jīng)水淬、破碎、磁選分離出鐵粒的Krupp－Renn法，該法在我國被稱為粒鐵法。上世紀50年代粒鐵法世界總產(chǎn)能曾達到200萬t/a，之后隨著選礦和高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展，粒鐵法因單機產(chǎn)能低、耐火材料消耗高等缺欠相繼停產(chǎn)。目前，僅在朝鮮仍有數(shù)十座粒鐵窯在生產(chǎn)。

        1960年克虜伯公司開發(fā)了以煤作還原劑、固相還原生產(chǎn)直接還原鐵的Krupp－CODIR法。1974年在南非Dunswart年產(chǎn)15萬t的生產(chǎn)裝置建設(shè)并投產(chǎn)。

       1920～1930年美國共和鋼鐵公司和國際鋁公司開發(fā)了用回轉(zhuǎn)窯從低品位鐵礦石中還原富集鐵的RN法；1960年加拿大鋼鐵公司和德國魯奇公司開發(fā)了生產(chǎn)高品位海綿鐵的SL法。1969年合并為SL－RN法，該法是現(xiàn)今回轉(zhuǎn)窯直接還原的主導工藝。

       1976年美國阿瑟•G•麥基直接還原鐵公司引入澳大利亞西方鈦公司用回轉(zhuǎn)窯還原鈦鐵礦生產(chǎn)金紅石的方法，在美國羅克伍德（Roekwood）建成50000t／a的示范裝置，完成了多種煤和鐵礦石的試驗。后與英國戴維公司合并為戴維－麥基公司，并為南非斯考金屬公司建設(shè)了75000t/a的生產(chǎn)裝置。1983年投產(chǎn)，8天后全面達到設(shè)計指標，連續(xù)作業(yè)18個月。

       1960年美國阿里斯－恰爾默斯公司(Allis-chalmos)開發(fā)了雙層結(jié)構(gòu)窯的ACCAR法。1965年發(fā)展成可控氣氛回轉(zhuǎn)窯直接還原法，可用煤與油或天然氣為燃料。1969年建成中間試驗裝置。通過用不同燃料和鐵礦石進行生產(chǎn)試驗得出了生產(chǎn)指標和設(shè)計參數(shù)。同時進行了改造φ3.5×50m的SL—RN窯的生產(chǎn)試運行，證明該工藝可使用多種燃料，有效控制窯內(nèi)溫度和氣氛，產(chǎn)品的金屬化和含碳量可控，生產(chǎn)率高。1983年為印度Oressa海綿鐵公司建設(shè)ACCAR窯，采用全煤作業(yè)生產(chǎn)直接還原鐵。

       20世紀80年代后，在南非、印度、中國等國家、地區(qū)建設(shè)了一批生產(chǎn)直接還原鐵回轉(zhuǎn)窯工業(yè)化生產(chǎn)線，成為煤基直接還原的主導工藝。進入21世紀，印度建設(shè)了數(shù)百座直接還原回轉(zhuǎn)窯,能超過1900萬噸/a，2010年產(chǎn)量占印度直接還原鐵的75%以上。2010年世界煤基直接還原鐵的產(chǎn)量占世界直接還原鐵總產(chǎn)量的25.7%，回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)煉鋼用直接還原鐵（DRI）的能力和產(chǎn)量占煤基直接還原煉鐵法的95％以上。

       我國自1970年開始了粒鐵法的試生產(chǎn)，先后在遼寧遼陽、廣東梅縣、天津建成粒鐵法生產(chǎn)線生產(chǎn)多年。與此同時，浙江蕭山利用水泥窯改造進行了生鐵水泥法工業(yè)化試驗。后因這兩種方法的生產(chǎn)穩(wěn)定性差、操作難度大、耐火材料消耗高，無法趕上國內(nèi)高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展水平而相全部停產(chǎn)。

       在此期間，我國開展了回轉(zhuǎn)窯直接還原的開發(fā)試驗，先后在首鋼、浙江、北京、福建等第建設(shè)成多條（￠1.2～1.6m×12.0～16.0m）直接還原回轉(zhuǎn)窯試驗裝置，進行了大量的試驗研究。1986年建成我國第一條直接還原回轉(zhuǎn)窯（￠2.5m×40.0m）工業(yè)化生產(chǎn)線，1989年生產(chǎn)線試驗成功，并被列入1989年國家冶金十大科技成果之一。

        總體上，我國缺少適合直接還原富礦和球團，因而直接還原回轉(zhuǎn)窯技術(shù)的發(fā)展與國外有顯著差異，國內(nèi)技術(shù)建成4條生產(chǎn)線全部是以精礦粉為原料的鏈箅機—回轉(zhuǎn)窯法（一步法）。1993年天津鋼管公司引進了DRC技術(shù)，建成世界最大的直接還原回轉(zhuǎn)窯兩條，年產(chǎn)量為2×15萬噸。天津鋼管公司直接還原鐵廠通過對操作技術(shù)的改進、設(shè)備的改進和完善、原燃料的選擇和匹配研究達到了生產(chǎn)穩(wěn)定，基本消除了“結(jié)圈”事故的產(chǎn)生，能耗大幅度下降，噸含鐵94%的產(chǎn)品僅耗褐煤～900kg，同時發(fā)電120～150kwh，單座回轉(zhuǎn)窯年產(chǎn)達到18.0萬噸，成為世界單機產(chǎn)量、能耗、作業(yè)率、環(huán)境保護最佳的直接還原回轉(zhuǎn)窯。2008年后因進口球團上漲被迫停產(chǎn)。

1.2 回轉(zhuǎn)窯處理含鐵粉塵和共生礦

       除了用于生產(chǎn)直接還原鐵，回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝由于作業(yè)溫度較低，物料連續(xù)翻滾運動，料層內(nèi)氣體易于排出等特性，還被廣泛用于多金屬共生礦和含鐵粉塵等的綜合利用。

       1963年，日本川崎公司建設(shè)了處理高爐和轉(zhuǎn)爐粉塵的φ1.3×25m回轉(zhuǎn)窯；1968～1977年在千葉廠和水島廠建設(shè)了年產(chǎn)4萬t和18萬t還原鐵的3套工業(yè)裝置，以焦粉作還原劑。

       1971年日本住友金屬公司開發(fā)了住友粉塵法，用鋼鐵廠粉塵生產(chǎn)低品位海綿塊用作高爐精料，同時回收鋅。1975年在和歌山廠建成16萬t/a的工業(yè)裝置，后與久保田公司合作開發(fā)了SPM法，在鹿島廠建成月產(chǎn)1.8萬t的工業(yè)裝置。
此外，Krupp公司也開發(fā)了Recyc法處理粉塵，脫除多種易揮發(fā)元素后為高爐提供優(yōu)質(zhì)爐料。

       1969年南非海維爾德鋼釩公司采用回轉(zhuǎn)窯直接還原—礦熱電爐煉鐵工藝，實現(xiàn)了釩鈦磁鐵礦回收鐵和釩的綜合利用，年產(chǎn)熱還原料260萬t，是世界最大釩生產(chǎn)基地。1981年新西蘭采用此工藝建成年產(chǎn)90萬t還原料生產(chǎn)廠。

        希臘拉爾科公司用Krupp－Renn法處理貧鎳礦(紅土礦)生產(chǎn)含Ni7％～25％的鎳鐵或金屬鎳。日本金屬公司用Krupp－Renn法處理貧鎳礦(紅土礦)生產(chǎn)含Ni7％～25％的鎳鐵作為生產(chǎn)不銹鋼的原料，按金屬鎳計算年生產(chǎn)能力達1.5～1.8萬t。

2 回轉(zhuǎn)窯煉鐵基本特點

        依據(jù)窯內(nèi)的溫度和物料形態(tài)，煉鐵回轉(zhuǎn)窯可分為直接還原窯、粒鐵窯、熔態(tài)窯三種形式。如圖1所示。

        直接還原回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)要求窯內(nèi)各種物料的最低開始軟化溫度必須高于回轉(zhuǎn)窯操作溫度100～150℃，窯內(nèi)物料呈完全固體狀態(tài)。在物料不熔化、不造渣的條件下，完成鐵礦物從鐵的氧化物轉(zhuǎn)化成金屬鐵的還原，通常直接還原回轉(zhuǎn)窯的最高操作溫度～1000℃。世界最大的直接還原回轉(zhuǎn)窯可年處理原料～30萬噸，年作業(yè)時間可達8000小時。

       粒鐵法（Krupp－Renn）回轉(zhuǎn)窯不僅完成鐵礦物中鐵的還原，并使物料處于半熔融狀態(tài)，爐料中還原出來的金屬鐵形成1.20～50.00mm的鐵顆粒，并保證鐵顆粒懸浮在半熔融狀態(tài)的爐渣中。因此，粒鐵法通常以酸性脈石的貧鐵礦為原料，渣鐵比必須大于0.50～0.60，爐渣必須是CaO/SiO2為0.10～0.30的酸性渣，渣粘度大且隨溫度變化小。粒鐵法回轉(zhuǎn)窯內(nèi)最高操作溫度約1200～1250℃。世界最大的粒鐵回轉(zhuǎn)窯（¢4.6×125m），處理原料20～25萬t/a，年作業(yè)時間可達6000小時。

圖1 煉鐵回轉(zhuǎn)窯示意圖

    熔鐵法（Basset法）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料完成還原、熔化，金屬鐵形成液態(tài)鐵水，并定期從回轉(zhuǎn)窯內(nèi)最低點處的出鐵口放出，熔融爐渣從回轉(zhuǎn)窯出料端排出。熔鐵法回轉(zhuǎn)窯操作溫度>1400℃，為保證鐵水、爐渣的流動性，通常采用CaO/SiO2>2.0的堿性渣作業(yè)。該法由于鐵水沖刷爐襯，耐火材料消耗極高，生產(chǎn)的穩(wěn)定性差。上世紀70年代，我國在浙江蕭山水泥廠進行過工業(yè)化試生產(chǎn)，目前，該法未見有工業(yè)化生產(chǎn)的報道。

3 難選礦深度還原—磁選分離技術(shù)

   不可選或難選鐵礦、多金屬共生礦難以通過常規(guī)方法富集，而改變鐵礦物的結(jié)構(gòu)（褐鐵礦、菱鐵礦轉(zhuǎn)化為磁鐵礦）的方法工業(yè)實施難度大，加上轉(zhuǎn)化能耗、設(shè)備等問題，至今未能實現(xiàn)大型工業(yè)化生產(chǎn)。

   在長期非高爐煉鐵、難選礦綜合利用技術(shù)的開發(fā)研究中，深度還原—磁選分離技術(shù)由于其技術(shù)優(yōu)勢而逐漸得到重視，大量對不同類型礦石的深度還原—磁選分離試驗證明該技術(shù)的有效性。

3.1 深度還原—磁選分離技術(shù)的基本思路

    還原難選鐵礦時，如果僅將礦石中的含鐵礦物轉(zhuǎn)化為金屬鐵，不改變鐵在礦石中的分布狀態(tài)和嵌布粒度，多數(shù)礦石仍然無法實現(xiàn)鐵顆粒與其他組分的有效分離。因此，還原成金屬鐵后，還必須創(chuàng)造條件使還原出的金屬鐵聚合、顆粒長大，直到到易于與礦石中其它組分分離和選分（如＞0.10mm）。因該技術(shù)中鐵礦物的還原過程與單純鐵礦物的還原成金屬鐵的“直接還原”有明顯的區(qū)別，特命名為“深度還原”。

   “深度還原”將無法物理選分富集的難選礦中鐵礦物還原為金屬鐵，并創(chuàng)造條件使金屬鐵聚合長大，還原產(chǎn)品經(jīng)水淬、破碎、最大限度保持鐵顆粒大小的選擇性粉碎、磨細實現(xiàn)金屬鐵與脈石的分離，通過磁選實現(xiàn)金屬鐵顆粒與礦石中其他組分分離。

   深度還原－磁選分離工藝包含兩個部分：
   1．難選鐵礦中的鐵礦物還原為金屬鐵，并促使新還原出的金屬鐵聚合，顆粒長大到易于與礦石中其它組分分離和選分的大小，即深度還原部分；

   2．還原產(chǎn)品中金屬鐵顆粒與礦石中的其它組分分離、富集，鑒于分離富集的是金屬鐵，因此，還原產(chǎn)品的磨細、磁選分離工程與常規(guī)鐵礦石的磨細、磁選分離工程有明顯的區(qū)別。最終產(chǎn)品為可以直接用于煉鋼生產(chǎn)的，以金屬鐵為主要組成的金屬鐵粉，即磁選分離部分。

   由圖1可知，深度還原法回轉(zhuǎn)窯的爐內(nèi)氣氛仍為還原性氣氛，物料狀態(tài)介于直接還原窯（物料呈完全固態(tài)狀態(tài)）與粒鐵窯（物料呈半熔態(tài)）之間。在窯內(nèi)，物料不僅能快速完成還原的過程，并能充分利用回轉(zhuǎn)窯爐料在窯內(nèi)連續(xù)滾動的條件，促進新生成的金屬鐵聚合長大，使還原生成的金屬鐵聚合長大到適宜與脈石有效分離的粒度（如：＞0.10mm），深度還原回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料狀態(tài)呈干法水泥熟料生產(chǎn)窯的形態(tài)，物料產(chǎn)生固態(tài)造渣和燒結(jié)成塊反應(yīng)，但不產(chǎn)生熔化。由于控制爐料不產(chǎn)生熔化或半熔化，可大幅度減少“熔鐵法”、“粒鐵法”產(chǎn)生“結(jié)圈”幾率和耐火材料消耗，提高回轉(zhuǎn)窯的運行的穩(wěn)定性。

   深度還原－磁選分離工藝要求回轉(zhuǎn)窯在高于直接還原回轉(zhuǎn)窯作業(yè)溫度，但低于物料產(chǎn)生熔化的溫度下作業(yè)，深度還原回轉(zhuǎn)窯的適宜作業(yè)溫度取決于原料的軟熔特性溫度。物料在再此溫度下能確保鐵礦物快速還原，鐵金屬化率達到＞90.0%，且金屬鐵產(chǎn)生聚合，鐵顆粒能迅速長大到易于與脈石分離的粒度（＞0.10mm）。還原產(chǎn)品經(jīng)水淬、破碎，通過最大限度保持鐵顆粒大小的選擇性粉碎，分段、分級磁選將金屬鐵顆粒與其他組分分離，得到以金屬鐵為主要組成的顆粒粉狀物。該產(chǎn)品可通過壓塊或直接采用噴吹方式加入煉鋼爐作為生鐵、廢鋼的替代品。

3.2 深度還原—磁選分離工藝原則流程

難選鐵礦深度還原—磁選分離工藝的原則流程如圖2。

圖2 難選礦粉礦深度還原——磁選分離工藝原則流程

3.3 深度還原的裝備選擇

       理論上，可以用于難選鐵礦深度還原的裝備有轉(zhuǎn)底爐、車底爐、對行直底爐（PSH）、回轉(zhuǎn)窯、氣基豎爐、煤基豎爐等。通過對裝備能耗、運行穩(wěn)定性、運行費用、單位處理量的投資、單體設(shè)備的生產(chǎn)能力進行比較，顯然轉(zhuǎn)底爐、車底爐、對行直底爐（PSH）等工藝能耗高、單機產(chǎn)能難以大型化、運行費用高（原礦需要細磨造球）。轉(zhuǎn)底爐、車底爐產(chǎn)品金屬化率難以穩(wěn)定和保證大于90%，難以成為實施鐵礦物深度還原的還原裝備。

        氣基豎爐因其能耗低（噸還原產(chǎn)品能耗＜10.0GJ），環(huán)境友好（CO2、硫的排放量減少80%），單機生產(chǎn)能力大（單機處理＞300萬t/a），有大型工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)驗等優(yōu)勢。近年來，以煤制氣替代天然氣的豎爐技術(shù)成熟使氣基豎爐成為世界非高爐煉鐵關(guān)注的熱點。但豎爐為了保證運行的順暢，物料必須保證呈完全固態(tài)，不能產(chǎn)生粘連，難以滿足深度還原金屬鐵聚合長大的需要。

       已有的還原窯生產(chǎn)實踐表明，煤基還原回轉(zhuǎn)窯單機處理能力達到30～50萬t/a，單位還原產(chǎn)品凈能耗＜15.0GJ，年日歷作業(yè)時間可達7600小時，可直接使用非結(jié)焦煤為燃料和還原劑。有大型工業(yè)化生產(chǎn)的直接還原回轉(zhuǎn)窯和粒鐵回轉(zhuǎn)窯以及干法水泥熟料回轉(zhuǎn)窯的操作經(jīng)驗可以借鑒，還原回轉(zhuǎn)窯是實施深度還原－磁選分離首選設(shè)備。

3.4 深度還原－磁選分離技術(shù)特點

        國內(nèi)某公司以含TFe13.01%，Ni1.13%，SiO2 30.58%，MgO 8.52%的紅土礦粉礦為原料，用動力煤為還原劑，動力煤煤粉為燃料，以￠2.5×40米回轉(zhuǎn)窯為還原反應(yīng)器，進行了工業(yè)化試驗?；剞D(zhuǎn)窯還原產(chǎn)品含TFe18.43%，Ni 1.69%的燒結(jié)塊。還原產(chǎn)品經(jīng)水淬、破碎、細磨、磁選后磁性產(chǎn)品含TFe79.20%，Ni 8.20～8.15%，磁選產(chǎn)品扣除殘留渣相含TFe～90%，Ni～9.30%，熔化分離后獲得含鎳～10.0%的鎳鐵。試生產(chǎn)結(jié)果表明：采用“深度還原－磁選分離法”技術(shù)處理紅土鎳礦，噸產(chǎn)品（含鎳～9.0%鐵粉）總電耗～450kwh，非結(jié)焦煤3000～4000kg。生產(chǎn)成本低于燒結(jié)－礦熱爐工藝、RKEF工藝。

       深度還原－磁選分離技術(shù)以冶金手段改變難選鐵礦礦物的基本性能和結(jié)構(gòu)，將無法用物理選分、富集的難選鐵礦先還原為金屬鐵，并創(chuàng)造條件使金屬鐵聚合長大，還原產(chǎn)品通過磨、選實現(xiàn)鐵的富集和分離，為不可選、難選鐵礦的開發(fā)利用提供了新的途徑，將不可選、難選鐵礦轉(zhuǎn)化為可以利用的資源。其主要技術(shù)特點在于：

       1.深度還原－磁選分離技術(shù)處理不可選、難選的羚羊石鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦，避免了鐵礦物轉(zhuǎn)化為磁鐵礦的終點控制難點，提高鐵的回收率。

       2.深度還原—磁選分離技術(shù)采用一次中溫（＜1300℃）處理礦石，有可能直接獲得煉鋼生產(chǎn)用的鐵源材料，大幅度降低難選礦利用的能耗。

       與傳統(tǒng)的焙燒改性后再選工藝比較，將礦石磁化焙燒（700～900℃），精礦燒結(jié)/球團（1250～1300℃），燒結(jié)球團在高爐內(nèi)冶煉（1350～1550℃）的多次加熱改變?yōu)橐淮渭訜幔ǎ?300℃）直接獲得金屬鐵產(chǎn)品，有利于大幅度降低冶金過程的總能耗，減少CO2的排放。

       3.深度還原－磁選分離技術(shù)以非結(jié)焦煤為能源，有益于減少鋼鐵生產(chǎn)對焦煤資源的依賴，改善鋼鐵生產(chǎn)的能源結(jié)構(gòu)，降低鋼鐵生產(chǎn)能耗。

       4.深度還原－磁選分離利用技術(shù)為多金屬共生鐵礦（如硼鐵礦、低品位紅土鎳礦等）的開發(fā)利用提供新的技術(shù)途徑，在我國有廣闊的發(fā)展前景。

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