宝武环科转底炉直接还原技术综述
转底炉直接还原技术综述
彭程，曹志成，刘长正，崔慧君
宝武集团环境资源科技有限公司转底炉事业部
引 言
转底炉始源于轧钢用的环形加热炉，由美国罗斯米德兰有限公司（Midland Ross Co.）最先提出0，从20世纪60年代起被开发成为一项新的煤基直接还原工艺。
转底炉直接还原法属非高炉炼铁技术范畴，该技术以其原料适应性强和操作工艺灵活等优点，引起冶金界高度重视。20世纪90年代，美国、德国、日本等国家在转底炉发展过程中都相继投入力量开发研究，进行了大量的示范性试验和小规模生产试验，成功将转底炉用于炼铁和处理钢厂含铁固废，并于2000年起先后建立起工业化生产厂。目前该技术已经日趋成熟并表现出较好的商业发展潜力，全世界建成和投产的具有工业规模的转底炉有30余座。
目前，已实现工业化的转底炉生产工艺有Inmetco、FASTMET、IDI、DryIron和ITmk3 (第三代炼铁法)等。虽然这些生产工艺在原料加工方式、装料、炉温分布、烧嘴形式、高温废气热量利用、产品质量及产品用途等方面有所不同，但其基本工艺是相似的，即将含铁原料和还原剂按一定配比混合，同时配加适量粘结剂，经造球或压球后加入转底炉炉底，在温度1200～1400 ℃的转底炉环形炉膛旋转一周后，含铁原料被还原得到金属化球团或粒铁，原料中的锌、铅、钾、钠、银、铟、锡等元素通过烟气收尘系统回收，得到高价值的粉尘。
1 国外转底炉技术发展及工业化运行现状
国外转底炉技术主要可分为Inmetco、新日铁技术、FASTMET、IDI、ITmk3（第三代炼铁技术）、DryIron、Comet、Hi-Qip和Resmelt等。
1.1 Inmetco工艺
20世纪70年代，加拿大的国际镍集团-INCO公司先建成了一座直径6.3 m的环形炉进行合金钢废料的直接还原处理试验，获得成功后，该公司成立国际金属回收公司（Inmetco公司），并于1978年12月，在美国宾夕凡尼亚州Ellwood城建成了世界上第一座具有生产规模的转底炉，命名为Inmetco法，此为首次利用转底炉处理不锈钢厂废料生产DRI，并回收Zn、Ni、Cr等金属。Inmetco法转底炉生产的DRI热装入电炉生产合金铁水[3,4]。此外，此转底炉用铁精矿粉生产DRI，也取得了很好的效果。据称，该转底炉已正常运行几十年，经过多年的发展，目前主要处理不锈钢氧化铁皮、铁屑、粉尘、其他含镍、铬、钴的废水和污泥以及含锌电池等[5]。
Inmetco工艺流程见图1所示[6]，造球系统送过来的球团通过摆动皮带机由加料溜槽加入转底炉内，炉料厚度约1~2层，转底炉旋转经过炉料的加料区、燃烧区后还原成海绵铁，通过带水冷的螺旋卸料机排出炉外装入旋转料盘上的储料桶，然后送入6.2 MVA矿热炉（直径6.4m）进行熔炼，熔炼后的铁水经铸铁机浇铸成铁块。该工艺的特点为：该转底炉炉内由隔板分隔为加、排料区和燃烧区。燃烧区又分为4个区，每个区内外侧壁均配有不同数量的烧嘴，通过管道送入的燃气配助燃空气燃烧产生的热量来控制每个区的温度，产生的约1100 ℃烟气逆转底炉旋转方向流动至球团落料口附近的烟道排至烟气除尘系统，该转底炉炉墙和炉床采用水封密闭，水封内堆积的粉尘污泥等杂物用刮刀清理，炉床内外测的外围设置了多个刮刀。转底炉出来的废气用来预热助燃空气，过剩的空气可用来产生蒸汽和发电，每吨DRI可发电300~500 kWh。此外，该工艺过程中生球未经干燥直接入转底炉进行直接还原反应。该转底炉用于处理不锈钢冶炼废弃物时，年处理量为6万t，处理后金属化球团中镍金属化率约95%，铁金属化率约80%。
1.2 新日铁技术
新日铁公司在于1999年引进美国的DRyIRON工艺技术，并获得代理推销权后，针对各种不同的钢铁厂粉尘进行了有针对性的研发，形成了各种钢铁厂粉尘的转底炉处理技术，包括以君津厂转底炉为代表的高炉灰、转炉灰和污泥处理转底炉，以朝日工业厂转底炉为代表的处理电炉灰的转底炉，以及采用DRyIRON工艺处理不锈钢粉尘和污泥的转底炉。目前新日铁技术已成为应用范围较广的转底炉技术之一，采用该技术的商业化转底炉如表1所示。
1.3 FASTMET工艺与FASTMELT工艺
FASTMET工艺的前身是
美国罗斯米德兰有限公司（Midland Ross Co.）研发的Heat Fast工艺。20 世纪60 年代，美国
罗斯米德兰有限公司（日本神户制钢美国子公司
米德雷克斯公司（MIDREX Technologies Inc.）的前身），因直接还原的回转窑存在诸多问题，首先提出了复合球团（含铁矿和碳还原剂）的转底炉直接还原法。后来美国MIDREX技术有限公司研发出可同时处理铁精矿和钢厂粉尘的FASTMET工艺，此后，日本神户制钢引入此项技术，于1995年在加古川制铁所在建立了一座FASTMET法转底炉示范性试验厂（该转底炉于2001年经改造后用于商业化生产），进行了多组示范性试验，最终于2000年在日本新日铁广畑制铁建成了第一座商业化应用的
FASTMET法转底炉。随后，神户制钢又分别于2005年，2008年，2009年，2011年在新日铁广畑制铁所和日本JEF钢铁的西日本制铁所（福山厂区）建成了四座
FASTMET法转底炉，其中2008年在新日铁广畑制铁所建设的转底炉，是第一座实现FASTMET-HBI（Hot Briquette Iron）工艺的商业化转底炉[7]。
此外，由于FASTMET工艺生产DRI脱硫能力差，DRI硫含量约为0.15-0.4%，所产的DRI金属化率低，如直接用于炼钢，会使渣量增加，造成炼钢的能耗上升和产量下降，为了分离渣和铁，使铁水可用于热装炼钢，神户制钢在FASTMET工艺的基础上又研发了采用转底炉与电弧炉或煤基熔炉双联生产热态铁水的工艺，即FASTMELT工艺。
图 2为典型的FASTMET工艺流程图(含FASTMELT和FASTMET-HBI工艺)，图 3为FASTMET工艺转底炉炉内反应简图。
1.4 ITmk3工艺
ITmk3工艺又称第三代炼铁法，由日本神户钢铁公司与美国Midrex公司联合开发，并在20世纪90年代中后期取得了突破性的进展
，ITmk3工艺与FASTMET工艺类似，所不同的是，它把工艺过程中还原温度精确控制在Fe-C平衡相图中一个固定固液共存的新区域（约
1350-1450 ℃）。在这一温度范围内，含碳球团矿被还原和熔化，铁水从渣中分离出来，整个过程只需要10 min就可以完成[8]。工艺流程如图所示[9]。
1999年在日本加古川厂建立了年产3000t（生产率为0.35t/h）的中试厂，转底炉外径为5m，内径3.2m，并在同年10月及2000年12月分别完成了2次生产测试，其工艺设计得到了实际验证。2003年5月神户钢铁与美国动力钢公司合资在美国投建了2.5万t/年示范工厂，转底炉直径14m，并连续运行一年于2004年7月结束，期间产品质量和设备运转良好。
2007年末美国动力钢公司（占85%）与神户钢铁公司达成协议在明尼苏达州的Mesabi Nugget公司建设首座ITmk3商业化工厂，设计年产50万t粒铁（估计产能为43万t粒铁），转底炉直径60m（内径50m）。该厂于2010年1月正式开始商业化运营，主要处理所用原料为铁燧岩（属于磁铁矿），金属化率为85%，所生产的粒铁的铁含量可达到97%。2010年产量为7.5万t粒铁，2011年产量为15.9万t粒铁，2012年产17.8万t粒铁，2013年产21.4万t粒铁，2014年产24.1万t/粒铁，该生产线由于金属回收利润减少、市场前景低于预期等问题，美国动力钢公司决定从2015年5月份起长期停产[10,11]。
1.5 DRYIRON法
20世纪90年代，
美国莫米研究和工程公司（MR&E，Maumee Research & Engineering）与
罗杰钢公司（
RSC）联合开发了DRYIRON的钢铁厂含锌粉尘处理回收工艺，新增了包括含铁粉尘和焦末的配混料系统和压块系统等，工艺流程图如图5所示[12]。在脱锌和回收铁的同时，还回收了废料中的镍、铬等合金成分，并根据这些废料含水量大、含碳很少的特点，对工艺作了适当改进，即对废料先干燥脱水，再配入还原用焦粉，然后压制成为较易还原的椭圆形块，该工艺被命名为
DRyIRon法。
DRyIRon法转底炉炉内反应温度为1160~1290 ℃，炉内停留时间15 min，所得DRI产品用于电炉和AOD炉。
1.6 IDI工艺
1996年美国动力钢公司（Steel Dynamics, Inc.）于美国印第安纳州组建动力铁公司（Iron Dynamics, Inc.），负责开发、建设IDI 生产线，设计年产铁水30万t，转底炉外径为50 m，炉宽7 m，最初设计包括铁精矿和煤混合料的成球系统，转底炉生产DRI系统以及矿热炉熔炼DRI生产铁水系统。其中，转底炉系统于1999年1月建成投产，运行状态良好，但矿热炉系统由于种种原因，进行了重新设计，并于2001年开始重建，于2001年3月投产，顺利生产出铁水，但由于其所生产的铁水（Iron Dynamics iron）无法与低价的废钢和生铁相竞争，故该生产线于2001年6月停产。2003年2月，美国动力钢公司鉴于当时生铁价格昂贵的情况，宣布重新启动美国动力铁公司，并在原先的矿热炉炼铁工艺前增加热压块工艺，生产HBI（hot-briquetted iron），再将HBI送入矿热炉中冶炼热态铁水，同时通过改造转底炉的烟气系统，使得可以使用低成本的钢厂废物作为生产DRI的原料。2013年起该生产线全面使用氧化铁皮替代铁精矿作为含铁原料，并尝试回收利用高炉灰和转炉碱性渣。此外，2013年，美国动力铁公司还将转底炉燃料系统和矿热炉的烟气处理系统进行改造，实现了矿热炉煤气供转底炉使用，减少了50%的天然气用量。改造后IDI工艺流程为：1）将含铁原料和煤混合造球后，送入转底炉生产DRI；2）DRI经热压装置，生产热压铁块（HBI）；3）大部分的热压铁块送入矿热炉进行熔分，生产液态铁水，液态铁水经钢包送入炼钢熔炼炉中，少量热压铁块则直接送入炼钢熔炼炉中冶炼。
该生产线自2004年9月首次获利，2005年，美国动力铁公司的生产达到了一个新的里程碑，实现了其热压块和热铁水的商业化规模生产，2005年达到每月生产铁水2万t，2009年至2016年的铁产品产量如表2所示[13]。
1.7 其他转底炉
除以上几种工艺都是将含铁物料与煤粉混合并固结成球团在转底炉中进行还原，还有将铁矿粉和煤粉直接铺在转底炉中进行DRI生产的工艺，目前主要有Comet工艺，HI-QIP、RedIron和Redsmelt等工艺。
Comet工艺是由卢森堡CRM研制中心开发的工艺，将铁精矿与煤粉在转底炉内分层布料，为了脱硫煤中预先配入了少量石灰石。1997年2月CRM建设的DRI产量100 kg/h Comet工艺半工业试验装置开始运行[14]，其试验结果表明Comet工艺可生产出金属化率达92%，脉石含量小于4%，硫含量可低于0.05%的DRI产品，但是其生产效率较制球团的转底炉工艺降低20%，据称有四家钢铁企业拟建DRI产量为1.5 t/h的示范性工厂，且计划在希德马建一座年产量为75万吨的工业厂，但均没实施。
HI-QIP工艺是JFE开发的转底炉生产粒铁的新工艺，该工艺是以铁矿和碳质还原剂为原料，在转底炉中生产出粒铁和炉渣，其典型特点是把含碳料层作为转底炉炉底的耐火材料，即有助于熔化铁成粒，又可作为辅助还原剂，2008年JEF钢厂建立了一台直径为7m，炉膛宽为1m的中试试验转底炉，设置有11个烧嘴，最高炉膛温度设计为1600 ℃（试验时炉内熔融区温度为1500~1600 ℃），并进行了持续6天的中试试验，单位平方米（炉膛）最高日产量达1.23 t粒铁，所生产粒铁的磷含量小于0.04%，硫含量小于0.25%，碳含量小于3%[15,16]。
RedSmeltTM工艺是由曼内斯曼-德马格公司（SMS Demag）与Inmetco 公司和国际研究院合作将转底炉与埋弧电炉相结合，研发出的一种新的炼铁工艺，该工艺目前应用于Inmetco公司。随后，SMS Demag于2003年6月卢基尼集团和德马克公司合资在意大利皮翁比诺（Piombino）建成了一个采用RedSmelt NST工艺的，年处理含铁废料5.5万t，年产3万t生铁的示范厂，并在2004年进行了全年的试验。
RedIronTM 是采用转底炉RHF工艺将炼钢废弃物转化为DRI或HBI，再将其加入到高炉、转炉或电炉中进行最终熔炼。这种技术的首次应用是在意大利皮翁比诺市的卢基尼冶金公司直接还原厂，由Paul Wurth（保尔沃特）开发、建造并于2010年5月投产。这个厂的设计能力为年处理6万吨废弃物，生产4万吨DRI，并将DRI加工成HBI，加入高炉中。这种技术可用于处理高炉和转炉粉尘、高炉泥尘、轧钢铁皮和球团粉末。
2 国内转底炉技术发展及工业化运行现状
自20世纪80年代，国内开始引进转底炉工艺。1992年，北京科技大学理化系与河南舞阳钢铁公司合作，借鉴美国的FASTMET和Inmetco工艺，在舞阳钢铁公司建成一座直径3 m的转底炉试验炉，取得初步成功，其第二次半工业试验以舞钢氧化铁皮为原料，配入煤、粘结剂和水，经造球烘干后送入转底炉进行还原，还原温度为1300~1350 ℃，试验结果表明，其金属化率为73.5%~88.7%[17]。
1996年，北京科技大学和鞍山市科委合作，在鞍山汤岗子铁矿建成了一座转底炉试验装置，转底炉平均直径5.5 m，炉底全宽2.0 m，炉底有效宽度1.8 m，炉底面积30 m2，设计油烧嘴12个，生产率为1.5 t/h，设计年产能为1万t。1997年6月8日，开始热态试验，6月19日完成了第一次热试，试验初步取得了良好的结果：产品的金属化率稳定，达80%~85%；操作容易，证明转底炉生产直接还原铁是可行的。
1997年，北京科技大学冶金与生态工程学院冶金喷枪研究中心在含碳球团直接还原的实验过程中发现了珠铁析出的现象，同年即申请了转底炉珠铁生产的专利[18]。2002年再次申请了名为煤基热风转底炉熔融还原炼铁法的专利，即转底炉煤基热风熔融炼铁工艺，又称恰普法(Coal Hot-Air Rotary Hearth Furnace Process，简称CHARP)。2004年在山西翼城和河南巩义永通钢铁公司建成了两台直径为13.5 m的转底炉，设计年生产能力为金属化球团矿7万t，但是由于技术、资金等问题，目前都处于停炉状态[19]。
2012年山东莱芜钢铁公司与宁夏宏岩矿业有限公司合资成立了一家宁夏众磊鑫科技实业有限公司[20]，于2014年建成了1条年产30万吨金属化球团的转底炉生产线，并于2014年9月15日正式投料试生产，具体试生产情况未见报道，其后续配套有2条熔分电炉系统，设计产品为20万t钒铁锭和40万t钛渣0。
近年来，随着钢铁工业的发展，冶金生产总能耗量占全国能源消耗总量的比例居高不下，单位能耗与发达国家相比仍然高出约10％。转底炉技术因其流程短、能耗低、环境友好等优点得到快速发展。2015年和2016年，中冶赛迪分别与燕山钢铁公司和宝武钢铁集团开发设计的处理钢铁厂含锌尘泥的20万吨/年转底炉投产，该项目每年可处理高炉、转炉除尘灰等冶金固废约20万吨，实现脱锌率＞85%，金属化率＞75%，获得约14万吨金属化球团、0.5万吨氧化锌粉尘、13万吨蒸汽，具有很高的经济和环保价值。2016年，由神雾集团设计的年处理80万吨铜渣转底炉项目在金川投产，金属化率85%以上，脱锌率90%以上，回收氧化锌粉尘中锌品位60%以上，但限于资金、铁产品销售问题暂停。
目前，我国工业化转底炉中，综合利用复合矿的转底炉项目有四川龙蟒和攀枝花转底炉；处理高锌含铁尘泥为的转底炉项目有莱钢、日钢、马钢、沙钢、燕钢、宝钢湛江的转底炉；生产预还原炉料的转底炉有山西翼城和天津荣程等厂的转底炉，处理有色冶金固废的转底炉有金川神雾的转底炉[22-24]。
多年来，宝武集团一直致力于转底炉直接还原技术研发与产业化开发，2016年在宝钢湛江建成了年处理20万吨含锌粉尘转底炉生产线，已达标达产，实现100%固废不出厂，成为国内转底炉处理含锌粉尘的标杆企业。目前，宝武集团正在筹建多条转底炉处理含锌粉尘生产线：包括宝钢湛江二期年处理20万吨含锌粉尘生产线、上海在建的2条年处理25万吨含锌粉尘生产线、韶关钢铁年处理25万吨含锌粉尘生产线、江苏永刚在建的年处理25万吨含锌粉尘生产线、武钢筹建2条年处理20万吨含锌粉尘生产线等。转底炉处理含锌粉尘生产线已然是业内共识的大型钢厂的标准配置，强有力地支撑了钢铁企业的稳定健康发展。
目前，国内已实现工业化的转底炉项目[25,26]共计17座；正在建设的转底炉项目共10座，处理原料均为钢铁厂含锌粉尘，具体见表3。此外尚有鞍钢、攀钢、新余钢铁等多家钢铁企业正在规划建设转底炉项目，可以说国内钢厂上马转底炉项目的场面十分火热！
3 国内外转底炉分布情况及运行现状总结
综合国内外转底炉发展和建设情况[27-30]，目前国内外建成的转底炉试验炉共计13台，汇总见表4。国内外商业化运行的转底炉共有34座，美国3座；日本11座；韩国2座；意大利1座；中国 17座，其具体基本参数和运行情况见表5。
综上，转底炉工艺的主要优点有：
（1）工艺流程短：冶炼过程中，没有焦化、烧结、高炉等高能耗高污染设备，不需要焦煤资源，只需要动力煤作为原料。
（2）原料适应性广：高炉炼铁需要Fe含量60%以上的富矿，而转底炉直接还原工艺可处理各种低品位难选矿、复合共伴生矿（钒钛矿，钛铁矿）、稀贵与有色金属矿（红土镍矿、铬铁矿等）、钢铁厂粉尘、有色冶金渣等固废资源。
（3）多元素协同提取：该技术在高效提取黑色、有色金属矿及其固体废弃物中铁资源的同时，还能够实现对Ni、Ti、V、Cr、Zn、Pb、In、Ag、Sn等元素的协同提取和高值化利用。
（4）产品应用灵活：可加入电炉替代部分废钢进行冶炼，或作为转炉的冷却剂；亦可作为高炉冶炼的含铁原料，增加铁产量，降低焦比。
4 结语与展望
（1）阐述了国内外转底炉技术的发展历程，国外包括Inmetco、新日铁技术、FASTMET、IDI、ITmk3、DryIron、Comet、Hi-Qip与Resmelt等技术；国内包括宝武环科、北京科技大学、钢铁研究总院、中冶赛迪、神雾集团等技术。
（2）目前，国内宝武集团正在建设7条转底炉处理含锌粉尘生产线，接下来的几年将会规划建设多条转底炉生产线，实现100%固废不出厂。转底炉处理含锌粉尘生产线已然是业内共识的大型钢厂的标准配置，强有力地支撑了钢铁企业的稳定健康发展。
（3）实践证明，转底炉技术不仅可以处理钢铁厂含锌固废，同时可处理各种低品位难选矿、复合共伴生矿（钒钛矿，钛铁矿）、稀贵与有色金属矿（红土镍矿、铬铁矿等）、有色冶金渣等固废资源。
（4）转底炉技术可实现Fe、Ni、Ti、V、Cr、Zn、Pb、In、Ag、Sn等元素的协同提取和高值化利用。
（5）转底炉直接还原技术尽管优势明显，但也存在着炉膛热效率低、处理量低的缺点，科研工作者应加大研发力度，在原料造块、烘干、还原、烟气系统、金属化球团处理等方面进一步优化，努力完善转底炉直接还原技术。
钢铁冶金
中国2000万钢铁人的媒体平台