趙慶杰
　　東北大學(xué) 冶金學(xué)院
 

　　1 前言

　　我國(guó)已建成數(shù)十條以紅土鎳礦為原料，以動(dòng)力煤為還原劑和加熱燃料生產(chǎn)鎳鐵的粒鐵法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線，耗資巨大。但多數(shù)生產(chǎn)線未能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，造成大量投資未能發(fā)揮作用，嚴(yán)重的影響了我國(guó)鎳金屬生產(chǎn)的發(fā)展。通過(guò)對(duì)部分生產(chǎn)線的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：多數(shù)生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)；供熱燃料燒嘴型式；二次風(fēng)的配置等方面不符合還原性回轉(zhuǎn)窯的最基本的要求。

　　史占彪教授是我國(guó)唯一在朝鮮考察、學(xué)習(xí)過(guò)回轉(zhuǎn)窯粒鐵法的技術(shù)人員。史教授回國(guó)后，以內(nèi)部資料的型式發(fā)表了“朝鮮粒鐵生產(chǎn)”出國(guó)參觀考察報(bào)告（1972年5月）。并于1970年接受冶金部、遼寧省下達(dá)的低品位鐵礦非高爐煉鐵冶煉工藝開(kāi)發(fā)的課題，在遼陽(yáng)市燈塔縣建設(shè)了新中國(guó)第一座粒鐵廠（?2.3×33.8m），該廠建設(shè)期僅僅100天，投產(chǎn)運(yùn)行了五年。后因產(chǎn)品銷(xiāo)售困難，轉(zhuǎn)產(chǎn)生產(chǎn)特種水泥。

　　1972年在沈陽(yáng)鋼鐵總廠建成（?1.5×18m）回轉(zhuǎn)窯，處理鼓風(fēng)爐煉銅爐渣，回收渣中的鐵獲得成功。但因產(chǎn)品含銅過(guò)高及經(jīng)濟(jì)效益等問(wèn)題終止研究。

　　1972年廣東梅州鋼鐵廠建成?2.5×40m粒鐵回轉(zhuǎn)窯，利用當(dāng)?shù)氐呢毜V和劣質(zhì)無(wú)煙煤生產(chǎn)“粒鐵”作為煉鋼原料推動(dòng)當(dāng)?shù)氐匿撹F工業(yè)發(fā)展。該廠粒鐵回轉(zhuǎn)窯的特點(diǎn)是：回轉(zhuǎn)窯的窯襯采用當(dāng)?shù)氐囊环N主要成分是SiO2的天然巖石加工而成“耐火磚”砌筑的。

　　上述兩粒鐵廠后來(lái)均因選礦技術(shù)和高爐煉鐵技術(shù)的進(jìn)步而轉(zhuǎn)產(chǎn)、停產(chǎn)，但這些粒鐵廠的生產(chǎn)實(shí)踐為我國(guó)后續(xù)的煤基直接還原回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)直接還原鐵技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　自上世紀(jì)七十年代，隨著世界非高爐煉鐵技術(shù)研究興起，我國(guó)開(kāi)展了廣泛的回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，建成多條（?1.5～2.0×15～20m）試驗(yàn)用回轉(zhuǎn)窯（如：首鋼鋼研所；有色總院；浙江省冶金研究所；沈陽(yáng)鋼鐵總廠；中南大學(xué)；東北大學(xué)等）,這些試驗(yàn)窯進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，對(duì)推動(dòng)我國(guó)直接還原鐵的發(fā)展起了積極的推動(dòng)作用。

　　1973年，東北大學(xué)主持了福州鐵廠（?1.5×15m）回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵、粉末冶金還原鐵粉試驗(yàn)。冶金部組織東北大學(xué)、鋼鐵研究總院、浙江省冶金研究所等單位于1989年，圓滿地完成了福州鋼廠?2.5×40.0m直接還原回轉(zhuǎn)窯的直接還原鐵工業(yè)化試驗(yàn)。該試驗(yàn)成果被列為1989年冶金部十大科技成就之一。這些工作為我國(guó)直接還原鐵技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。促成我國(guó)大型回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵生產(chǎn)線---天津鋼管公司直接還原鐵廠的建設(shè)和投產(chǎn)。

　　天津鋼管公司建成兩條?5.0×80.0m）直接還原回轉(zhuǎn)窯，穩(wěn)定運(yùn)行九年，未發(fā)生過(guò)嚴(yán)重結(jié)圈事故；總能耗僅900kg褐煤/t·DRI(余熱發(fā)電100～150Kwh/t·DRI)；粉塵、煙氣處理完全達(dá)到環(huán)保要求，在使用TFe～68.0%氧化球團(tuán)為原料時(shí)，產(chǎn)品（DRI,直接還原鐵球團(tuán)）TFe>94.50%，DRI的金屬化率（MFe /TFe）>94.0%。生產(chǎn)指標(biāo)達(dá)到世界同類生產(chǎn)線的最佳水平。但最終因進(jìn)口氧化球團(tuán)價(jià)格過(guò)高（TFe～68.0%氧化球團(tuán)到廠價(jià)>2400元/噸）被迫停產(chǎn)。

　　以回轉(zhuǎn)窯為唯一還原反應(yīng)器的“粒鐵法”和“直接還原鐵（DRI）法”在我國(guó)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)研究、工業(yè)化生產(chǎn)運(yùn)行，積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。利用這些經(jīng)驗(yàn)結(jié)合我國(guó)資源條件，成功的開(kāi)發(fā)了多種難選鐵礦、多金屬?gòu)?fù)合礦的綜合利用工藝技術(shù)。如：釩鈦磁鐵礦的鐵、釩、鈦分離綜合利用；硼鎂鐵礦硼、鐵的分離及綜合利用等。1993年?yáng)|北大學(xué)與吉林鐵合金廠合作，改造原有的?2.3×32.0m回轉(zhuǎn)窯，成功的進(jìn)行了鉻鐵礦還原造粒的工業(yè)化試驗(yàn)。試驗(yàn)以煤為還原劑，將鉻鐵礦中的Cr2O3 的還原達(dá)到金屬化率>80%，還原后的粉狀鉻鐵礦造成滿足大型礦熱爐生產(chǎn)要求的5.0～30.0mm顆粒，回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)溫度最高溫度達(dá)1500℃。

　　這些成果表明我國(guó)對(duì)以回轉(zhuǎn)窯為唯一還原反應(yīng)器的還原及冶煉技術(shù)；還原性回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)特性、回轉(zhuǎn)窯相關(guān)的配置（回轉(zhuǎn)窯供熱燒嘴；回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)配置；回轉(zhuǎn)窯壓力控制等）已具有了深刻、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)和理解。

　　本文依據(jù)現(xiàn)有資料、主要研究的總結(jié)報(bào)告、參與上述試驗(yàn)研究工作、參與回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)運(yùn)行的經(jīng)歷、體會(huì)，以及參與粒鐵法回轉(zhuǎn)窯操作工人培訓(xùn)等工作的體會(huì)，對(duì)以回轉(zhuǎn)窯為唯一還原反應(yīng)器的粒鐵法回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)；回轉(zhuǎn)窯燃料燃燒燒嘴、回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)、回轉(zhuǎn)窯的壓力控制設(shè)施等問(wèn)題做簡(jiǎn)要分析，提出一些看法和建議供同行參考和討論。

　　2 粒鐵法回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)特征

　　德國(guó)KRUPP公司于上世紀(jì)30年代開(kāi)發(fā)了以低品位酸性脈石鐵礦為原料，以非結(jié)焦煤為還原劑，以固、氣、液燃料為加熱熱源材料，以回轉(zhuǎn)窯為唯一還原反應(yīng)器，將礦石中鐵的氧化物還原為金屬鐵，并聚合成3.0～30.0mm金屬鐵顆粒?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)物料及燃料的灰分通過(guò)造渣、軟化、熔融形成粘度很大但不具備自由流動(dòng)性的爐渣。金屬鐵顆粒均勻的“懸浮”在渣中，渣鐵呈團(tuán)塊狀排出回轉(zhuǎn)窯。從回轉(zhuǎn)窯排出的渣鐵團(tuán)塊，經(jīng)水淬、選擇性破碎、磁選/重選獲得顆粒狀的以金屬鐵為主要成分（MFe>95%）顆粒狀產(chǎn)品，稱“krupp-Renn法”或“回轉(zhuǎn)窯法”。依據(jù)產(chǎn)品的形態(tài)我國(guó)將該工藝命名為“粒鐵法”。

　　日本在上世紀(jì)30年代從德國(guó)引進(jìn)了“krupp-Renn法”即“回轉(zhuǎn)窯法“，在日本本土、朝鮮、中國(guó)東北（鞍山2條，抗戰(zhàn)勝利時(shí)被拆除，大連2條1958年拆除）建設(shè)了數(shù)十條回轉(zhuǎn)窯粒鐵生產(chǎn)線（回轉(zhuǎn)窯主要規(guī)格為?3.6×60m）。其中，日本大江山廠以紅土鎳礦為原料生產(chǎn)含鎳的粒鐵。二次世界大戰(zhàn)之后，日本、中國(guó)的鋼鐵工業(yè)均采用煉焦--高爐--轉(zhuǎn)爐發(fā)展，回轉(zhuǎn)窯煉鐵技術(shù)被閑置。唯日本金屬公司大江山廠從上世紀(jì)30年代開(kāi)始采用回轉(zhuǎn)窯處理低品位紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵，獲得良好經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，回轉(zhuǎn)窯已增加到九條，該廠按金屬鎳計(jì)年產(chǎn)量達(dá)1.8萬(wàn)噸，被命名為“大江山法”。據(jù)報(bào)道該廠使用的回轉(zhuǎn)窯就是傳統(tǒng)的“krupp-Renn法”回轉(zhuǎn)窯。

　　朝鮮因缺乏焦煤資源，而有豐富的煤炭資源和酸性脈石的鐵礦資源條件，回轉(zhuǎn)窯粒鐵法得以保留和發(fā)展。據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，目前，朝鮮民用鋼鐵生產(chǎn)中有數(shù)十余條回轉(zhuǎn)窯在運(yùn)行，朝鮮鋼產(chǎn)量中70%的鐵源材料是回轉(zhuǎn)窯粒鐵法生產(chǎn)的“粒鐵”。在數(shù)十年生產(chǎn)過(guò)程中朝鮮積累了大量經(jīng)驗(yàn)、煤耗、耐火材料消耗有明顯的降低；回轉(zhuǎn)窯的作業(yè)率、產(chǎn)品的質(zhì)量、礦石中鐵的回收率有明顯的提高。由于，朝鮮處于特殊環(huán)境中，目前，對(duì)回轉(zhuǎn)窯粒鐵法技術(shù)采取極嚴(yán)格的保密措施，拒絕對(duì)該技術(shù)的任何形式的交流。

　　傳統(tǒng)的粒鐵法回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)特征：

　　(1)通常采用長(zhǎng)徑比>15的直筒型回轉(zhuǎn)窯，因爐料在窯內(nèi)的還原反應(yīng)是通過(guò)擴(kuò)散過(guò)程完成的，需要時(shí)間較長(zhǎng)，通常粒鐵法回轉(zhuǎn)窯爐料在窯內(nèi)停留時(shí)間為8.0～10.0小時(shí)。

　　(2)鑒于回轉(zhuǎn)窯是粒鐵法工藝中唯一的還原反應(yīng)器，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)爐料料層內(nèi)必須保持強(qiáng)還原氣氛，同時(shí)因鐵礦物還原反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)必須有足夠的供熱能力和足夠的供熱強(qiáng)度。因此，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)同一斷面上，在未被爐料填充的自由空間是燃料燃燒供熱空間，是強(qiáng)氧化氣氛。

　　因此，還原性回轉(zhuǎn)窯必須是高填充率（回轉(zhuǎn)窯內(nèi)爐料體積占回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)總?cè)莘e的百分?jǐn)?shù)）的回轉(zhuǎn)窯?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)有足夠的料層厚度，可保證料層內(nèi)還原反應(yīng)生成的CO在爐料表面形成一定厚度的穩(wěn)定的CO氣膜。這個(gè)CO氣膜的外層與自由空間氧化氣氛接觸產(chǎn)生氧化反應(yīng)，向爐料供熱。當(dāng)爐料內(nèi)還原反應(yīng)生成CO與氣膜表層氧化的消耗達(dá)到平衡時(shí)，爐料表層將形成一個(gè)穩(wěn)定的CO氣膜。這個(gè)CO氣膜將回轉(zhuǎn)窯同一橫斷面的料層和自由空間完全隔離成倆個(gè)不同氣氛的空間。在料層表面形成穩(wěn)定的CO氣膜是粒鐵法回轉(zhuǎn)窯、還原性回轉(zhuǎn)窯正常生產(chǎn)最基礎(chǔ)條件。通常粒鐵法回轉(zhuǎn)窯的爐料填充率應(yīng)≥20.0%。因此，粒鐵法回轉(zhuǎn)窯的進(jìn)料端、出料端必須有很大的縮口（進(jìn)、出料端的直徑/回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)徑≯0.50）。圖1為朝鮮粒鐵回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)過(guò)程示意圖。圖2為朝鮮粒鐵回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)尺寸和溫度分布示意圖。從圖2可看出：粒鐵窯內(nèi)徑為3600mm,卸料端出口直徑為1574mm,僅是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑的0.4372。裝料端縮口直徑為1600mm，僅是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑的0.4444。
 

 
　　圖1粒鐵回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過(guò)程示意圖

　　1-礦石和燃料（還原劑）的混合物;2-脫水和加熱帶;3-還原帶；4-粒鐵帶；5-半成品出口；6-燒嘴及空氣人入口；7-還原帶反應(yīng)情況；8-CO燃燒情況；9－鐵的氧化物在料層中還原情況；10-粒鐵帶反應(yīng)情況；11-氧化性氣體；12-還原性氣體；13-熔渣表面上形成的鐵的氧化物的還原；14一直接觸熔渣表面氧化性氣氛；15-粒鐵帶前邊爐料成份；16-燃料（還原劑）；17-海綿鐵；18-礦石；19-粒鐵帶料層中被充分還原的燃料；20-粒鐵；21-含F(xiàn)eO高的爐渣；22-出鐵前的爐料組成；23-含F(xiàn)eO低的爐渣。
 

 
 

  
　　圖2朝鮮粒鐵回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)尺寸和溫度分布示意圖。

　　3 粒鐵法回轉(zhuǎn)窯的供熱燃料燒嘴的特征
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