1. 中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司 2. 國(guó)家燒結(jié)球團(tuán)裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心

　　1 前言

　　直接還原生產(chǎn)常用的方法有氣基豎爐法、煤基鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯法、煤基轉(zhuǎn)底爐法。氣基豎爐法主要以天然氣為還原劑，若用于天然氣資源匱乏和價(jià)格昂貴的地區(qū)，造成生產(chǎn)成本過(guò)高。加之該技術(shù)投資過(guò)大，設(shè)備性能要求較高，推廣受到了極大影響。煤基鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯法以煤為還原劑，對(duì)煤資源豐富的地區(qū)有很大的吸引力，但該技術(shù)對(duì)溫度控制精度要求較高，生產(chǎn)中極易結(jié)窯、作業(yè)率較低，導(dǎo)致經(jīng)常停產(chǎn)，其推廣和應(yīng)用難度大。煤基轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)因轉(zhuǎn)底爐設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、大型化難度小、不結(jié)窯、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單、投資相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的很多鋼鐵廠得到應(yīng)用，如美國(guó)Inmetco投產(chǎn)的年處理量9萬(wàn)噸的生產(chǎn)線，新日鐵君津No2和No3分別投產(chǎn)了13萬(wàn)t/a和31萬(wàn)t/a的生產(chǎn)線，以及國(guó)內(nèi)分別在龍蟒、馬鋼、日鋼、萊鋼、榮鋼和沙鋼等地建設(shè)有轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原生產(chǎn)線。

　　煤基直接還原轉(zhuǎn)底爐技術(shù)是以煤為還原劑，在非軟熔狀況下將礦石物料中的金屬氧化物還原成金屬的一種方法。該方法不依賴于焦煤資源，原料適應(yīng)性強(qiáng)，可處理釩鈦磁鐵礦、含鉛鋅塵泥、精礦粉等各種原料，相比傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)流程，可大大減少污染物的排放，其產(chǎn)品可代替廢鋼作為電爐冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的原料。因此，該工藝市場(chǎng)前景廣闊，是未來(lái)鋼鐵冶煉發(fā)展的重要方向之一。

　　2 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)底爐存在的問(wèn)題

　　傳統(tǒng)轉(zhuǎn)底爐熱工制度下，盡管爐底表面只鋪1-2層球，料層厚度不超過(guò)40mm，但由于物料和爐底處于相對(duì)靜止，高溫氣流對(duì)物料的加熱只靠輻射傳熱。這樣上下料層的升溫速度存在較大的差異，即與高溫氣流接觸的上部料層升溫快、還原也快，下部料層升溫慢、還原也慢，在上部料層過(guò)早完成還原時(shí)，下部料層還尚未全部還原，特別是在布料不均勻、料層過(guò)厚的情況下更為嚴(yán)重。研究表明：即使大幅延長(zhǎng)還原時(shí)間，盡可能減小上下層物料溫度梯度，產(chǎn)品金屬化率仍難以高于88%。若類似ITmk3工藝，進(jìn)一步提高還原溫度來(lái)擴(kuò)大生產(chǎn)率，當(dāng)還原溫度高達(dá)1350～1450℃，渣鐵分離，得到粒鐵。但溫度太高，還原后出現(xiàn)液相，殘留的FeO對(duì)爐床耐火材料的腐蝕很嚴(yán)重，導(dǎo)致?tīng)t床壽命大幅縮短，而且設(shè)備黏結(jié)嚴(yán)重，影響生產(chǎn)順行。在轉(zhuǎn)底爐處理鋼鐵廠含鋅粉塵時(shí)，預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)是期望轉(zhuǎn)底爐具有高的脫鋅率、產(chǎn)品金屬化率高。但投產(chǎn)后運(yùn)行結(jié)果很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，產(chǎn)品僅作為高爐原料，這大大降低了該工藝的市場(chǎng)價(jià)值。

　　轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品的再氧化是現(xiàn)有熱工制度存在的另外一個(gè)致命問(wèn)題。由于鐵鋅還原需要大量吸熱，而現(xiàn)有熱工制度是通過(guò)燃燒高熱值燃?xì)猱a(chǎn)生高溫?zé)煔猓ㄟ^(guò)輻射傳熱對(duì)物料進(jìn)行加熱。但煙氣中的CO2類氧化性氣氛會(huì)將上部物料中已還原的金屬再次氧化，利用常規(guī)的加熱方法很難解決以上問(wèn)題，若還原后段不布燒嘴，還原吸熱和爐體散熱將使?fàn)t溫快速下降，導(dǎo)致產(chǎn)品金屬化率無(wú)法進(jìn)一步提高。因此，常規(guī)轉(zhuǎn)底爐技術(shù)在熱工制度上存在致命的缺陷，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、金屬化率雙高的目標(biāo)。

　　3 新型轉(zhuǎn)底爐理論基礎(chǔ)及優(yōu)勢(shì)

　　3.1 微波加熱特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

　　微波加熱具有以下一些特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

　　(1)微波加熱的快速性。常規(guī)加熱如火焰、熱風(fēng)、電熱、蒸汽等，都是利用熱傳導(dǎo)的原理將熱量從被加熱物外部傳入內(nèi)部，逐步使物體中心溫度升高。微波加熱是被加熱物本身成為發(fā)熱體，不需要熱傳導(dǎo)的過(guò)程，內(nèi)外同時(shí)加熱，因此能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到加熱效果。

　　(2)微波加熱的高效性。采用微波進(jìn)行加熱時(shí)，介質(zhì)材料能吸收微波，并轉(zhuǎn)化為熱能。構(gòu)成設(shè)備殼體的金屬材料是微波反射型材料，它只能反射而不能吸收微波。另外，微波加熱是內(nèi)部“體加熱”，它并不需要高溫介質(zhì)來(lái)傳熱。因此，絕大部分微波能量被介質(zhì)物料吸收并轉(zhuǎn)化為升溫所需要的熱量，形成了微波能量利用高效率的特性。與常規(guī)電加熱方式相比，一般可以節(jié)電30%～50%。

　　(3)微波加熱的上下一致性。微波加熱過(guò)程在整個(gè)物料上下同時(shí)進(jìn)行，升溫迅速、溫度均勻、溫度梯度小，避免了傳統(tǒng)加熱物料的“冷中心”現(xiàn)象。微波是一種穿透力強(qiáng)的電磁波，如頻率為2.45GHz的電磁波，其波長(zhǎng)為12.2cm，它能穿透一定厚度的物體的內(nèi)部，使得物料上下同時(shí)被加熱。

　　(4)微波加熱的即時(shí)性。用微波加熱介質(zhì)物料時(shí)，加熱非常迅速。只要有微波輻射，物料即刻得到加熱。反之，物料得不到微波能量而立即停止加熱。

　　(5)微波加熱的選擇性。微波加熱的效果和被加熱物料的電磁性能有著密切關(guān)系，所以不同物料由于其自身的介電性質(zhì)不同，其對(duì)微波的耦合作用能力也不相同，所以可以利用微波加熱的選擇性對(duì)混合物料中的各組分進(jìn)行選擇性加熱，這也是選擇保溫材料的依據(jù)。

　　(6)微波加熱的無(wú)污染性。微波加熱所用能源為電能，是依靠分子等在微波場(chǎng)中的摩擦而產(chǎn)生熱量，所以加熱本身不產(chǎn)生任何廢氣和廢物，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。

　　(7)微波加熱的活化冶金化學(xué)反應(yīng)性。很多研究工作者把微波加熱區(qū)別于傳統(tǒng)加熱的一些現(xiàn)象和特點(diǎn)視為微波的“非熱效應(yīng)”，如微波加速了反應(yīng)的進(jìn)行，降低了反應(yīng)的活化能，使得反應(yīng)溫度降低，時(shí)間縮短;可以加快材料的致密化程度和晶體顆粒的聚集長(zhǎng)大。這些現(xiàn)象和特點(diǎn)在微波加熱的不同領(lǐng)域得到了一定程度的驗(yàn)證，這也是微波之所以能夠應(yīng)用于各行業(yè)的重要原因。

　　3.2 微波技術(shù)研究及發(fā)展現(xiàn)狀

　　日本東京理工學(xué)院K.Ishizaki等[7]對(duì)磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)微波加熱直接還原進(jìn)行了大量的研究工作，結(jié)果表明：內(nèi)配碳球團(tuán)在等溫(大約1350 ℃)微波加熱條件下可以快速形成碳含量2%左右的生鐵，由于鐵氧化物和碳快速升溫，球團(tuán)中的氧分壓上升使得雜質(zhì)氧化物得不到還原，最終保留在渣相中，有效實(shí)現(xiàn)了渣鐵分離。美國(guó)密西根理工大學(xué)Hwang Jiann-Yang等提出了“微波一步煉鋼法”，它是采用鐵礦石(粉末/球團(tuán))在全微波加熱手段的方式下進(jìn)行還原-熔煉以獲得低碳鋼的過(guò)程。

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