1、前言

　　回轉(zhuǎn)窯是現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的常用的工業(yè)化生產(chǎn)裝備，廣泛用于化工、建材、有色冶金、黑色冶金等行業(yè)。如：化工行業(yè)的物料的干燥、氧化焙燒;建材行業(yè)的原材料的干燥、水泥熟料的生產(chǎn)，白云石、石灰石的焙燒等;有色行業(yè)的原材料的干燥、原材料的氧化脫硫、試劑的合成等;鋼鐵行業(yè)的礦粉干燥、原材料的焙燒、冶煉熔劑的制備(活性石灰、合成渣)、氧化球團的生產(chǎn)、直接還原鐵的生產(chǎn)、鎳鐵的冶煉等。

　　在現(xiàn)代直接還原技術(shù)中，回轉(zhuǎn)窯直接還原法的產(chǎn)能約占世界直接還原鐵(DRI)總產(chǎn)能的25%，當(dāng)前世界有數(shù)百條直接還原回轉(zhuǎn)窯在運行?；剞D(zhuǎn)窯直接還原法是原料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，在不熔化、不造渣的條件下，將鐵的氧化物還原為金屬鐵，產(chǎn)品基本保持原料形態(tài)，包含原料所有雜質(zhì)的以金屬鐵為主要組成的“直接還原鐵(DRI)”,因其結(jié)構(gòu)呈“海綿”狀,體密度<2.0g/mm3，故俗稱“海綿鐵”。

　　回轉(zhuǎn)窯是傳統(tǒng)的處理難選礦、不可選鐵礦的主要還原反應(yīng)器之一。如：以劣質(zhì)煤為還原劑，以酸性脈石的貧鐵礦為原料，生產(chǎn)TFe>95%鐵顆粒的“粒鐵法” ，即Krupp—Ree法;以煤為還原劑，以紅土鎳礦為原料生產(chǎn)鎳鐵合金的“大江山法”等。

　　回轉(zhuǎn)窯是“非高爐煉鐵”技術(shù)中重要的反應(yīng)器之一，為配合國內(nèi)眾多回轉(zhuǎn)窯煉鐵技術(shù)的開發(fā)，將回轉(zhuǎn)窯煉鐵的相關(guān)資料歸納成文，與同行同仁共饗。

　　2、回轉(zhuǎn)窯的分類

　　依回轉(zhuǎn)窯的長徑比回轉(zhuǎn)窯可分為：長徑比>15的長窯、長徑比<15的短窯。

　　依回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)徑有無變化回轉(zhuǎn)窯可分為：長筒窯(直筒窯)、變徑窯。

　　依據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的被加工、處理物料發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng)，回轉(zhuǎn)窯可分為：氧化窯和還原窯兩大類。

　　氧化窯：待處理物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)在氧化氣氛中進行物理、化學(xué)反應(yīng)，如：加熱、脫水干燥;氧化;礦物的分解或合成等物理、化學(xué)反應(yīng)?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)自由空間和料層內(nèi)均呈氧化氣氛。

　　還原窯：待處理物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)被加熱的同時，在窯內(nèi)進行還原反應(yīng)(如：鐵礦物、鎳礦物的還原)，以及依據(jù)工藝要求進行造渣、金屬顆粒的聚合長大，甚至熔化等物理、化學(xué)反應(yīng)。還原窯內(nèi)的自由空間(沒有物料的空間)燃料燒嘴噴入燃料和空氣進行燃燒，向回轉(zhuǎn)窯供熱，呈氧化氣氛?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)料層內(nèi)部呈還原性氣氛，并能保證完成要求的還原、聚合等反應(yīng)。

　　3、還原性回轉(zhuǎn)窯的分類

　　還原性回轉(zhuǎn)窯依據(jù)窯內(nèi)物料的形態(tài)差異可分為：

　　1)、預(yù)熱預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯：回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)物料進行預(yù)熱、干燥、脫除結(jié)晶水、碳酸鹽分解、鐵礦物的部分還原。窯內(nèi)最高溫度通?！?000℃。通常預(yù)熱預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯是整個工藝中的一個環(huán)節(jié)，如：預(yù)熱預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯——礦熱爐法生產(chǎn)鎳鐵。

　　2)、直接還原回轉(zhuǎn)窯：窯內(nèi)爐料最高溫度低于“開始軟化溫度”最低的物料的開始軟化溫度值100～150℃。窯內(nèi)物料呈完全固體狀態(tài)，在不熔化、不造渣的條件下完成還原過程，產(chǎn)品呈基本保留入爐形狀的固態(tài)以金屬鐵為主要成分，包含原料脈石成分的“直接還原鐵”。

　　3)、深度還原窯：窯內(nèi)爐料最高溫度略高于軟化開始溫度(在荷重還原條件下收縮3%時的溫度)最低的物料的軟化開始溫度值，但低于爐料軟化溫度(在荷重還原條件下收縮30%時的溫度)。窯內(nèi)物料在進行還原反應(yīng)的同時產(chǎn)生固相造渣反應(yīng)，但不熔化，物～料呈現(xiàn)燒結(jié)塊狀，類似水泥熟料生產(chǎn)回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)物料形態(tài)。排出回轉(zhuǎn)窯的物料中鐵呈>0.10mm的金屬顆粒分布在物料團塊中?；剞D(zhuǎn)窯產(chǎn)品—還原團塊經(jīng)水淬、磁選獲得產(chǎn)品—細顆粒狀金屬鐵。

　　4)、粒鐵回轉(zhuǎn)窯：粒鐵法通常使用酸性脈石的礦石為原料，爐料在窯內(nèi)進行物料的干燥、預(yù)熱、鐵礦物的還原，隨著溫度的升高爐料生產(chǎn)造渣反應(yīng)，爐渣呈半熔狀態(tài)，通常爐渣的堿度(CaO+MgO/SiO2)0.10～0.30，還原出來的鐵以1.2～30mm的鐵顆粒包裹在半熔態(tài)的渣中，但不能聚合成過大鐵塊，避免鐵沉積在料層底部，引發(fā)結(jié)圈事故?；剞D(zhuǎn)窯產(chǎn)品—包裹著顆粒狀金屬鐵的半熔渣團經(jīng)水淬、磁選獲得產(chǎn)品—顆粒狀金屬鐵產(chǎn)品。如：朝鮮以劣質(zhì)煤為還原劑，以酸性脈石貧鐵礦為原料生產(chǎn)顆粒狀含鐵95～97%鐵粒的“粒鐵法回轉(zhuǎn)窯”;以銅冶煉渣為原料,以劣質(zhì)煤為還原劑生產(chǎn)顆粒狀的含鐵>95%產(chǎn)品的”粒鐵法”;日本金屬公司大江山廠以煤為還原劑以紅土鎳礦為原料,生產(chǎn)含鎳13～15%的顆粒狀鎳鐵的“大江山法”。

　　5)、熔態(tài)回轉(zhuǎn)窯:以高堿度堿性含鐵物料為原料,以煤為還原劑,原料在窯內(nèi)進行物料的干燥、預(yù)熱、鐵礦物的還原，隨著溫度的升高爐料熔化形成鐵水和液態(tài)爐渣，低P、低S鐵水定期從回轉(zhuǎn)窯最低點的出鐵口放出,液態(tài)渣從回轉(zhuǎn)窯出料端排出,爐渣冷卻后可作為水泥熟料使用——生鐵水泥法回轉(zhuǎn)窯(Baseet法)。該法適合處理堿性礦石，鐵水硫極低可用于鑄造，爐渣可替代水泥熟料，故稱為生鐵水泥法。該法耐火材料消耗高，生產(chǎn)能力過小已被淘汰。我國上世紀70年代在浙江蕭山進行過試驗性生產(chǎn)

　　在還原性回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，待處理物料加熱、物料還原所需要的大量熱主要靠窯頭的燃料燒嘴燃燒供給。燃燒是個氧化過程，為了保證燃料的充分燃燒，通常燃燒的空氣過剩系數(shù)是大于1的。因此，回轉(zhuǎn)窯的自由空間必然是氧化氣氛。還原性還原窯為了確保窯內(nèi)物料能順利、快速進行和完成強吸熱的還原反應(yīng)，必須進行高強度的加熱。因此，還原性回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的自由空間必然是氧化氣氛。

　　在回轉(zhuǎn)窯自由空間是氧化性氣氛的條件下，創(chuàng)造料層內(nèi)強還原性氣氛是還原性回轉(zhuǎn)窯與氧化性回轉(zhuǎn)窯的最大差異，也是還原性回轉(zhuǎn)窯完成還原最基礎(chǔ)條件。

　　還原性回轉(zhuǎn)窯的分類見附圖。

還原性回轉(zhuǎn)窯分類示意圖

　　4、還原性回轉(zhuǎn)窯的特征

　　還原性回轉(zhuǎn)窯通常以固體為還原劑(各種煤、焦)，進入回轉(zhuǎn)窯的待處理物料通常由礦石和煤、熔劑組成。為了保證料層內(nèi)的強還原氣氛，將回轉(zhuǎn)窯自由空間的強氧化性氣氛與料層內(nèi)的強還原性氣氛隔離開來是還原性回轉(zhuǎn)窯最重要的任務(wù)之一。

　　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)待處理的物料在被加熱后，料層內(nèi)由還原煤受熱放出的揮發(fā)份(H2+CO+CnHm)，物料進行還原反應(yīng)放出還原反應(yīng)產(chǎn)物(CO)，這些還原性氣體不斷從料層表面放出，在料層表面形成一個還原性氣體膜。如果這個由還原性氣體組成的氣膜能穩(wěn)定存在，即可實現(xiàn)將回轉(zhuǎn)窯自由空間的氧化性氣氛與料層內(nèi)的還原氣氛完全隔離，實現(xiàn)還原性回轉(zhuǎn)窯自由空間進行燃燒為回轉(zhuǎn)窯供熱，料層內(nèi)進行還原反應(yīng)。

　　控制還原性氣膜的穩(wěn)定存在是還原性回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)控制的最重要任務(wù)。因還原性氣膜的外層接觸回轉(zhuǎn)窯自由空間的氧化性氣氛必然產(chǎn)生氧化燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量成為回轉(zhuǎn)窯的重要熱源之一。還原性氣膜因外層的氧化燃燒消耗與料層放出的還原性氣體量達到動態(tài)平衡時，回轉(zhuǎn)窯即可實現(xiàn)加熱和還原同時進行，達到還原性回轉(zhuǎn)窯的還原的目的。

　　由此，造成還原性回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)、控制、操作與氧化性回轉(zhuǎn)窯有重大差異。

　　1)、回轉(zhuǎn)窯的燃料燃燒火焰應(yīng)遠離料面，絕對不得沖擊料面的還原性氣體保護膜。

　　2)、因回轉(zhuǎn)窯內(nèi)待處理物料中的煤從400℃開始大量放出揮發(fā)分，鐵的還原從570℃開始進行，回轉(zhuǎn)窯后部還原煤放出的揮發(fā)分和還原產(chǎn)生的CO難以從窯頭燒嘴供給燃燒所需要的氧氣，通常還原性回轉(zhuǎn)窯必須設(shè)置獨立的向回轉(zhuǎn)窯中、后部供氧的高風(fēng)速二次供風(fēng)管，或在窯身設(shè)置窯身風(fēng)機。

　　3)、還原窯內(nèi)狀況與氧化窯不同，氧化窯窯內(nèi)呈清晰、明亮狀，從窯頭可以清晰的看到窯內(nèi)物料狀態(tài)。而還原窯內(nèi)呈渾暗狀，不透亮，難以看到遠處的料面。

　　還原性回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)爐料表面有一層爐料內(nèi)放出的可燃性氣體構(gòu)成的氣膜，這層氣膜將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)自由空間的氧化氣氛與料層內(nèi)的還原氣氛分割開來。氣膜的表層與自由空間的氧化氣氛產(chǎn)生燃燒反應(yīng)形成一層火焰，這層火焰的形態(tài)、厚度影響爐料的還原結(jié)果。料面火焰有力向上，略向窯尾傾斜屬正常爐況;料面火焰傾向料面或窯的燃燒火焰撲向料面，爐料會產(chǎn)生再氧化;料面沒有火焰且窯的燃燒火焰直接接觸料面，料面發(fā)亮，爐料產(chǎn)生再氧化，由于新還原出來的鐵、鎳活性極大，已還原了的爐料被氧化，將使?fàn)t料表面溫度急劇上升，造成爐料熔化，繼而產(chǎn)生粘結(jié)，嚴重時產(chǎn)生“結(jié)圈”。

　　4)、為了保證單位料面有足夠的還原氣體溢出，需要有足夠的料層厚度。因此，還原性回轉(zhuǎn)窯的填充率遠大于氧化性回轉(zhuǎn)窯，通常還原性回轉(zhuǎn)窯填充率應(yīng)達到20.0～25.0%，而氧化性回轉(zhuǎn)窯填充率通常8～10%。直接還原窯出料端的出口直徑僅為窯內(nèi)徑的50%以下。粒鐵法回轉(zhuǎn)窯的出料端直徑僅為窯內(nèi)徑的0.45～0.50。

　　5)、因鐵和鎳礦物的還原是通過還原劑CO、還原產(chǎn)物CO2的擴散過程完成，回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)的還原反應(yīng)是擴散控制過程，還原過程需要較長的時間。還原窯內(nèi)爐料在窯內(nèi)的停留時間遠大于氧化窯物料在窯內(nèi)的停留時間。

　　氧化球團回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的停留時間僅僅30分鐘;生產(chǎn)水泥熟料的回轉(zhuǎn)窯爐料在窯內(nèi)停留時間2.0～3.0小時。而生產(chǎn)直接還原鐵的回轉(zhuǎn)窯爐料在窯內(nèi)的停留時間需要6～10小時。天津鋼管￠4.80×80m的直接還原窯爐料在窯內(nèi)停留時間約10小時?！?.60×60m粒鐵回轉(zhuǎn)窯物料在窯內(nèi)停留時間約為8.0小時。

　　因此，還原性回轉(zhuǎn)窯的斜度遠小于氧化窯，通常還原性回轉(zhuǎn)窯的斜度≯2.50%。還原性回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速也遠低于氧化窯，通常還原性回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速≮1.0轉(zhuǎn)/分鐘。

　　6)、為保證爐料充分還原，單純依靠加大窯長，降低回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、增大填充率是無法滿足還原反應(yīng)的需要，改善窯內(nèi)溫度的分布，延長適宜還原的溫度區(qū)間長度更為有效，還原性回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)溫度分布曲線與氧化性回轉(zhuǎn)窯有重大差異。因此，還原性回轉(zhuǎn)窯的窯頭燒嘴的型式與氧化性回轉(zhuǎn)窯差異巨大。還原性回轉(zhuǎn)窯必須使用長火焰燒嘴，以保證窯內(nèi)有較長的還原所需要的高溫區(qū)。大型還原性回轉(zhuǎn)窯通常不使用細顆粒煤粉、氣體燃料為燃料。大型直接還原鐵回轉(zhuǎn)窯使用粒煤(3.0～17.0mm)燒嘴進行加熱，不僅大幅度降低了煤粉加工成本，且大幅度加長了燒嘴燃燒火焰，使窯內(nèi)的溫度分布更加合理。

　　7)、為保證爐料充分還原，改善窯內(nèi)溫度的分布，延長適宜還原的高溫度區(qū)間長度，直接還原回轉(zhuǎn)窯通常在回轉(zhuǎn)窯設(shè)置若干窯身風(fēng)機，窯身風(fēng)機通過供風(fēng)管將空氣導(dǎo)入回轉(zhuǎn)窯中心，為還原反應(yīng)生成的CO、還原劑放出的揮發(fā)分的燃燒供氧?！?.8×80m直接還原回轉(zhuǎn)窯配備9個窯身風(fēng)機。“粒鐵法”回轉(zhuǎn)窯通常采用高壓二次風(fēng)向窯的后部供風(fēng)，提高后部的溫度，拉長還原帶的長度。二次風(fēng)管的出口速度超過80m/s。現(xiàn)代粒鐵回轉(zhuǎn)窯在窯的后端也采取設(shè)置窯身風(fēng)機提高回轉(zhuǎn)窯后部溫度，拉長還原帶的長度。

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