轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品金屬化球團(tuán)用作高爐原料的分析和計(jì)算

田仕友

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122)

1 前 言

轉(zhuǎn)底爐(rotary hearth furnace)工藝是一種非高爐煉鐵工藝，主要設(shè)備源于軋鋼的環(huán)形加熱爐，既可以用于鐵精礦的煤基直接還原，生產(chǎn)海綿體或粒鐵，又可以處理鋼鐵廠的含鐵塵泥，綜合利用鋼廠固廢中鋅、鉛、鐵、碳等資源。國(guó)外工業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)底爐工藝主要有：Inmetco、Fastmet、Fastmelt、Itmk3和DryIron工藝等[1-4]；國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)底爐工業(yè)化前期以引進(jìn)國(guó)外技術(shù)為主，國(guó)內(nèi)相關(guān)院所的積極研究和開(kāi)發(fā)，以中冶賽迪為代表的技術(shù)開(kāi)發(fā)和輸出單位對(duì)轉(zhuǎn)底爐關(guān)鍵技術(shù)的突破，國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)底爐呈現(xiàn)加速布局的態(tài)勢(shì)，國(guó)內(nèi)共有14座在運(yùn)行的轉(zhuǎn)底爐，其中僅中冶賽迪已先后在國(guó)內(nèi)建成投產(chǎn)10座。

與其他煉鐵方法相比較,轉(zhuǎn)底爐工藝優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)原料、燃料和還原劑的要求比較靈活，受環(huán)境影響小，特別在國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)在成本和環(huán)保的雙重壓力下，轉(zhuǎn)底爐工藝的優(yōu)勢(shì)在處理鋼鐵企業(yè)冶金固廢方面充分體現(xiàn)。國(guó)內(nèi)目前對(duì)轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅固廢工藝已有了深入的研究，如：重慶大學(xué)的王賢君對(duì)轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥的理論進(jìn)行了理論分析及實(shí)驗(yàn)室研究，對(duì)使用含鋅粉塵進(jìn)行壓球工藝、還原焙燒工藝的實(shí)現(xiàn)條件進(jìn)行了探索，研究了黏結(jié)劑種類、黏結(jié)劑用量、含水量、配碳量對(duì)生球及烘球的性能的影響，并研究了料層數(shù)、配碳量、溫度、時(shí)間和氣氛對(duì)金屬化球團(tuán)的脫鋅率、金屬化率和抗壓強(qiáng)度的影響，且對(duì)球團(tuán)料層傳熱過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算；北京科技大學(xué)劉穎對(duì)轉(zhuǎn)底爐工藝處理冶金粉塵含碳球團(tuán)直接還原過(guò)程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，建立了含碳球團(tuán)直接還原單球數(shù)學(xué)模型，在模型中詳細(xì)考慮了球團(tuán)還原過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)、孔隙率以及物性參數(shù)的變化；中冶賽迪完成了轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)與應(yīng)用的項(xiàng)目攻關(guān)[5-7]。

長(zhǎng)期以來(lái)，鋼鐵企業(yè)高鋅的高爐重力灰、高爐布袋灰和煉鋼除塵灰等，直接在鋼鐵內(nèi)部循環(huán)或堆存處理，造成了資源的浪費(fèi)，且在鐵前系統(tǒng)內(nèi)鋅和堿金屬?zèng)]有很好的排出，在鐵前系統(tǒng)內(nèi)“大循環(huán)”和高爐內(nèi)“小循環(huán)”，影響燒結(jié)、球團(tuán)的產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)造成高爐能耗上升和設(shè)備壽命下降。轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥工藝，以含鐵含鋅含碳?jí)m泥為原料，配入適量黏結(jié)劑經(jīng)混合后造球或壓球成球，生球經(jīng)烘干脫水后布置于轉(zhuǎn)底爐爐底，通常鋪設(shè)1～2層球的料層厚度，轉(zhuǎn)底爐內(nèi)主要通過(guò)輻射傳熱方式將含碳球團(tuán)加熱，當(dāng)轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)生球被加熱到1 250～1 300 ℃，含碳球團(tuán)中的鋅氧化物、鐵氧化物在高溫下被其中的碳素還原。經(jīng)還原后的單質(zhì)鋅(沸點(diǎn)907 ℃)經(jīng)蒸發(fā)并隨煙氣一起排出，通過(guò)冷卻系統(tǒng)時(shí)被氧化成細(xì)小的固體粉末而沉積在布袋除塵器內(nèi)并回收,轉(zhuǎn)爐爐排出的金屬化鐵產(chǎn)品經(jīng)熱壓或冷卻后作業(yè)冶金原料，工藝流程如圖1所示[8-11]。

圖1 轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥工藝流程圖

常規(guī)的轉(zhuǎn)底爐金屬化產(chǎn)品主要金屬化球團(tuán)和金屬化篩下粉，其中金屬化球團(tuán)占比約80%，TFe約60%[12]。金屬化篩下粉一般用于燒結(jié)生產(chǎn)，金屬化球團(tuán)一般用于高爐和煉鋼使用。鞍鋼環(huán)保科研設(shè)計(jì)所汪志家早在1994年對(duì)轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)用于煉鋼替代廢鋼進(jìn)行可行性論證，從經(jīng)濟(jì)效益和可解決廢鋼不足的問(wèn)題方面進(jìn)行闡述[13]；金屬化球團(tuán)應(yīng)用于高爐也被廣泛研究[14-15]。本文根據(jù)某鋼廠轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)和現(xiàn)有高爐原料的物化性能，針對(duì)金屬化球團(tuán)用作高爐原料從經(jīng)濟(jì)性計(jì)算、高爐碳消耗及高爐順行的影響進(jìn)行理論計(jì)算分析，高爐使用轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

2 金屬化球團(tuán)用于高爐對(duì)高爐順行的影響

本文轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)產(chǎn)品的物、化組分以國(guó)內(nèi)某轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)統(tǒng)計(jì)成分為代表，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的物化成分以某鋼廠現(xiàn)有的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦化檢驗(yàn)指標(biāo)為代表，具體如表1所示。

表1 各原料物理及化學(xué)性能 %

轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)屬于熟料，但FeO含量較高，與磁鐵礦水平一致，且金屬鐵含量高，因鐵礦石在高爐內(nèi)的還原過(guò)程為Fe2O3-Fe3O4-FeO-Fe，不利于高爐中上部低溫區(qū)的間接還原的反應(yīng)，不利于上部煤氣的利用，配入后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注煤氣利用率，同時(shí)從配料上考慮調(diào)整，配入金屬化球團(tuán)后應(yīng)提高球團(tuán)礦配比降了燒結(jié)礦配比比例。

轉(zhuǎn)底爐工藝脫鋅率可以達(dá)到90%以上，但金屬化球團(tuán)的含鋅量仍然偏高，ZnO含量為0.27%，鋅蒸汽在高爐內(nèi)氧化-還原循環(huán)，造成碳消耗上升，同時(shí)在爐襯和上升管結(jié)垢結(jié)瘤造成設(shè)備壽命降低，且易發(fā)生生產(chǎn)波動(dòng)，高爐鋅負(fù)荷一般控制在0.15～0.25 kg/t。

轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)含K2O、Na2O較燒結(jié)礦和球團(tuán)礦明顯偏高，堿金屬會(huì)在高爐低溫區(qū)爐墻結(jié)塊，導(dǎo)致氣流偏移，也會(huì)使燒結(jié)礦和球團(tuán)礦異常膨脹粉化，在高爐耐火材料上堆積引起膨脹，引起生產(chǎn)波動(dòng)和設(shè)備異常，國(guó)內(nèi)高爐一般堿金屬負(fù)荷不超過(guò)2 kg/t。

轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)含硫?yàn)?.26%，按照一般天然塊礦含硫量界限量分級(jí)，屬于二級(jí)鐵礦石，一般鋼鐵廠按照噸生鐵硫負(fù)荷<4 kg控制，且超過(guò)3 kg時(shí)適當(dāng)提高爐渣堿度以期提高脫硫系數(shù)，因此配加金屬化球團(tuán)后應(yīng)優(yōu)先使用含硫分較低的焦炭和煤粉，進(jìn)行硫負(fù)荷測(cè)算和配料堿度調(diào)整[16]。

轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)含有金屬鐵48.6%，金屬鐵開(kāi)始熔化溫度較鐵氧化物低，與鐵氧化物一同配入高爐后，會(huì)造成高爐軟熔帶變寬，從而提高煤氣通過(guò)的阻力，而影響爐料的透氣性，配入量受到限制，配入后應(yīng)關(guān)注邊緣氣流的變化，控制合理的生產(chǎn)參數(shù)，避免過(guò)量配入導(dǎo)致高爐生產(chǎn)波動(dòng)。

轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)CaO、SiO2、MgO、Al2O3與燒結(jié)礦基本同等水平，可實(shí)現(xiàn)不加入溶劑情況下進(jìn)行配料，能滿足高爐生產(chǎn)的要求，但因轉(zhuǎn)底爐配入的物料種類較多，單種類物料量小，配料調(diào)整頻繁，金屬化球團(tuán)質(zhì)量的穩(wěn)定性需要重點(diǎn)關(guān)注。

轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度約為1 300～1 500 N/個(gè)，較氧化球團(tuán)3 655 N/個(gè)，偏低較多，會(huì)因碰撞、擠壓粉碎而影響爐料的穩(wěn)定性和透氣性，配入比例受到限制，同時(shí)在小高爐內(nèi)配入較為適宜。

高爐生產(chǎn)要求爐料粒度<5 mm的不超過(guò)5%，從表1可以看出，金屬化球團(tuán)高爐上料篩分前<5 mm粉末含量與氧化球團(tuán)基本一致，較燒結(jié)礦好，符合高爐要求。

3 金屬化球團(tuán)用于高爐原料碳消耗的影響

在高爐冶煉過(guò)程中碳消耗主要用于爐料的還原和加熱，爐料的還原度直接影響還原劑的用量。轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品金屬化球團(tuán)，含有較高的金屬鐵和FeO，鐵元素還原度高，配入后可以提高爐料的還原度，降低用于還原的碳素消耗，本節(jié)對(duì)假設(shè)加熱消耗碳不變，理論分析用于還原消耗碳的變化。

高爐內(nèi)的還原過(guò)程是由直接還原和間接還原組成，二者在最佳比例時(shí)還原消耗的碳素最低。根據(jù)直接還原鐵所消耗的碳素還原劑量為：Cd=12/56×rd×ω([Fe])=0.215rd×ω([Fe])，Cd為直接還原碳素消耗量，rd為鐵的直接還原度，以單位鐵為計(jì)算基準(zhǔn)，即ω(Fe)=1，上述公式簡(jiǎn)化為Cd=0.215rd。

間接還原鐵是可逆反應(yīng)，CO有較大的過(guò)剩系數(shù)n，即

FeO+n([CO])=Fe+CO2+(n-1)CO

Ci=n×12/56n([Fe])(1-rd)

圖2為碳消耗與直接還原度的關(guān)系圖，間接還原碳素消耗曲線AOBF與直接還原碳素消耗GBC焦點(diǎn)為最低碳消耗對(duì)應(yīng)的rd，此時(shí)直接還原產(chǎn)生的CO量整個(gè)滿足間接直接還原需要的CO量，在此點(diǎn)rd=n/(1+n)。

圖2 碳消耗與直接還原度的關(guān)系

Cd和Ci在最低碳素消耗還原度rd點(diǎn)是過(guò)剩系數(shù)n的函數(shù)，n是受溫度變化而變化，綜合考慮高爐上部和下部溫度為1 000 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的n為3.52倍，計(jì)算rd為0.78。

原高爐燒結(jié)礦、球團(tuán)配比分別為65%、35%，假設(shè)配入金屬化球團(tuán)比例2%后，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦配比為63%、35%進(jìn)行計(jì)算分析如表2所示。由表2可以知道，配料2較配料1入爐鐵品位上升0.23%，金屬鐵含量上升0.98%，w(FeO)上升0.34%。假設(shè)煤氣利用系數(shù)和其他碳素消耗不變，金屬鐵和w(FeO)均上升，可以假設(shè)為減少了Fe3+→MFe，F(xiàn)e3+→Fe2+的還原消耗碳量C。

表2 高爐入爐含鐵原料的鐵素分析表 %

配料2較配料1金屬鐵含量上升0.98%，此部分的鐵素與鐵水不需要再次還原，節(jié)省還原劑碳素量，按照Fe2O3+3C=2Fe+3CO，F(xiàn)e2O3+C=2FeO+CO，生產(chǎn)1 t鐵水需要鐵料約為1.62 t，鐵料中含金屬鐵量為0.016 t，此部分金屬鐵節(jié)省還原劑量為5.14 kg，按照上文理論最低碳消耗測(cè)算為5.14×0.78=4 kg。

配料2較配料1中w(FeO)上升0.34%，此部分較配料1節(jié)省了還原劑從[Fe3+]→[Fe2+]的還原劑量，節(jié)省還原劑量為0.486 kg，按照上文理論最低碳消耗測(cè)算為0.486×0.78=0.38 kg。

綜合以上計(jì)算，配入2%的金屬化球團(tuán)可以節(jié)約還原劑碳素量約4.38 kg/t，假設(shè)含焦炭含碳量85%，可降低焦比為5.15 kg/t。2%配比金屬化球團(tuán)量為32.4 kg/t，相當(dāng)于每使用1 kg/t的金屬化球團(tuán)降低焦比為5.15/32.4=0.17 kg/t。

4 金屬化球團(tuán)用于高爐原料對(duì)產(chǎn)量的影響

配加2%的金屬化球團(tuán)后入爐原料鐵品位上升0.23%，假設(shè)在高爐內(nèi)鐵料占的容積不變和上料制度不變的情況下，高爐鐵水產(chǎn)量上升約0.23%。

假設(shè)正常生產(chǎn)時(shí)高爐焦比為350 kg/t,焦炭在高爐中容積占比約45%，焦比降低5.15 kg/t,降低比例為1.47%，焦炭容積占比下降至44.34%，則鐵料容積占比上升至55.66%，上升比例為1.2%。

綜上高爐鐵水產(chǎn)量可以上升1.2%+0.23%=1.43%，如年生產(chǎn)1 000萬(wàn)t的煉鐵廠，每天可以超產(chǎn)約為433 t鐵水,年超產(chǎn)14.2萬(wàn)t。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)非常規(guī)高爐原料，且作為轉(zhuǎn)底爐處理工業(yè)固廢后產(chǎn)品中的一種，成本較低，目前市場(chǎng)銷售價(jià)格約為800元/t。常規(guī)的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦價(jià)格分別為900元/t和1 400元/t，按配料1測(cè)算每噸混合鐵料價(jià)格為1 075元，每噸鐵礦含鐵為584.9 kg鐵素，折算鐵素單價(jià)為1.838元/kg；配料2測(cè)算每噸混合鐵料價(jià)格為1 073元，每噸鐵礦含鐵素為587.2 kg，折算鐵素單價(jià)為1.827元/kg，鐵水中含鐵95%測(cè)算，每噸鐵水成本降低為0.95×1 000×(1.838-1.827)=10.45元/t，如年生產(chǎn)1 000萬(wàn)t的煉鐵廠，每年成本降低約為1 000×10.45=10 450萬(wàn)元/年。

因配料2鐵水焦比較配料1降低5.15 kg/t，目前國(guó)產(chǎn)一級(jí)冶金焦炭?jī)r(jià)格約為3 300元/t，則焦比降低帶來(lái)的效益為5.15×3 300/1 000=17.0元/t,如年生產(chǎn)1 000萬(wàn)t的煉鐵廠，每年成本降低約為1 000×17=17 000萬(wàn)元/年。

綜合以上兩部分鐵水成本降低為10.45+17.0=27.45元/t。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)轉(zhuǎn)底爐處理含鐵含鋅塵泥工藝可以綜合利用工業(yè)固廢中Fe、C、Zn等資源，目前國(guó)內(nèi)較多鋼廠已上線，生產(chǎn)穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益較好。

(2) 轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)化學(xué)成分具有高金屬鐵、高FeO、高堿金屬、高硫、高鋅且強(qiáng)度較低等不利于高爐順行的因素，高爐配加轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)控，提前做好配料測(cè)算，生產(chǎn)過(guò)程中注意煤氣利用率和高爐爐渣堿度的參數(shù)控制。

(3)轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)因金屬化率高，還原度高，在高爐中節(jié)省較多的還原劑，通過(guò)計(jì)算配加2%的金屬化球團(tuán)，可降低5.15 kg的高爐焦比。

(4)高爐配入高品位的轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)，降低了焦比，使高爐爐容中含鐵原料占比上升，有利于鐵水增產(chǎn)，通過(guò)計(jì)算配加2%的金屬化球團(tuán)可提產(chǎn)1.43%。

(5)高爐配入金屬化球團(tuán)，因其成本較低，且焦比降低，通過(guò)計(jì)算配加2%的金屬化球團(tuán)鐵水成本可降低27.45元/t。