转底炉煤基炼铁工艺及其发展前景范文

摘要：详细介绍了被称之为“第三代炼铁技术”的ITmk3工艺，也是目前唯一工业化的转底炉煤基炼铁工艺，对其发展过程、流程、工艺特点及其发展前景进行了详细分析。

关键词：转底炉；ITmk3；粒铁转底炉

炼铁工艺是非高炉炼铁的一个分支，国内外均做过一些相关研究[1-5]。因其原料适应范围广，投资少，能耗低，对环境危害小等优点受到钢铁业普遍关注，尤其是在日本和美国得到了工业化应用。针对唯一一个商业化的转底炉煤基炼铁工艺—ITmk3，本文介绍了其发展、流程、工艺特点，进而分析了其发展前景。

1ITmk3工艺发展历程

20世纪50年代，美国MidlandRoss公司（后改名Midrex，再后被日本神户制钢收购）发明了含碳球团的转底炉直接还原法，命名为Fastmet工艺。1974年，美国的Inmetco公司把转底炉用于消纳不锈钢生产中的氧化物粉尘，命名为Inmetco工艺。但此两工艺（同属煤基直接还原）的产品（DRI）硫含量过高问题一直未能解决。20世纪90年代，日本神户制钢对其子公司美国Midrex公司的Fastmet工艺的评价试验中意外发现：温度还未到铁的熔点时，含碳球团发生熔化，且形成的粒状铁能与渣利索分离，粒铁纯度还很高（约95%）[6]。在此基础上深入研究，取得突破性进展，命名为“IronmakingTechnologymark3”（ITmk3）。该工艺温度（1350~1450℃）突破了直接还原的范畴，介于直接还原和熔融还原之间，使金属化球团还原时呈半熔融态进一步熔化分离，得到高纯度粒铁[7]，同时也彻底改变了直接还原对原料品位的苛刻要求。日本的加古川钢厂所建的内径为3.2m、生产率为0.35t/h的ITmk3用转底炉（产能达3000t/a），于2000年12月完成中试。随后神户与美国合作成立了MNC公司专门研究开发ITmk3，用于工业试验的的ITmk3转底炉（设计产能为2.5万t/a）于2003年5月出铁，很快便24h运行。2010年在美国的明尼苏达建成的产能为50万t/a的商业工厂顺利出铁，2011年上半年生产率达80%、设备利用率达85%，主要因煤传输系统出现问题导致。目前，在北美、印度、哈萨克斯坦、乌克兰等地正进行推广。

2ITmk3工艺流程

1）原料处理。将铁精粉和煤粉配料混匀，用造球或压块机得到球团或团块，干燥后备用。铁精粉可以是磁铁矿粉，也可是赤铁矿粉，对品位无严格要求（但低品位造成能耗增加）。燃料用非焦煤粉，可使用普通煤，也可使用石油焦，或其他含碳原料。2）还原熔分。将制好干燥的球团或压块放入转底炉，料层不能过厚（1~3层为宜），随炉床匀速转动一周（生球依次经过装料区、排烟区、预热区、中温还原区、高温还原区和出料区），在生球与炉床静止状态下（故对球团强度要求不高）被加热到1350~1450℃，发生还原、渗碳及熔融反应，渣铁熔化，各自聚集，整个过程约需10min（煤粉与铁氧化物紧密接触，还原速度很快）。转底炉炉床结构见图1[3]。3）粒铁产出。经快速冷却的凝聚态渣铁，使用排料装置排出。粒铁（称为IronNugget）直径5~25mm，且渣铁分离干净。4）废气处理。废烟气经热交换器后除尘排出。

3ITmk3工艺特点

其独特之处在于还原温度精确的控制在1350~1450℃，使得体系处于Fe-C相图中一个固液共存的新区域。不同炼铁工艺的操作空间见如图3[9]。在此相对较低的温度范围内，含碳球团发生还原、熔化，同时脉石也熔化，液态渣铁分离。整个过程仅10min。还原熔分后的渣中残留的FeO很少（质量分数小于2%），基本不存在对炉衬的侵蚀破坏。 与传统高炉炼铁对比：1）不需块矿和焦炭，且矿粉和非焦煤粉品种选择灵活，只需一般矿粉和煤粉即可（低品位矿粉也可，但影响能耗），原料适用性强。2）还原和渣铁分离同时进行，在相对较低的温度下反应快（从原料入炉，到熔分完成，只需10min），生产节奏快、易于调整。3）渣铁分离彻底，产品粒铁纯度高、品质好，适宜冶炼优质钢，有金块之称。4）无需焦化、烧结等铁前工序，投资低，污染少，能耗更低。所产粒铁，经电弧炉炼钢试验证明：纯度高（w(Fe)为96%~97%）、不含渣、碳含量合适（w(C)为2.5%~3.5%），不存在再次氧化和粉化，熔解性能良好，比废钢、DRI品质更好[7]。ITmk3最大优点是反应快；ITmk3的难点在于渣铁分离及控制粒铁尺寸和纯度。配入适量的添加剂（B2O3、Na2CO3、CaF2、Na2O等）可促进渣铁分离；用冷凝水快速冷却反应后的渣铁混合物，有助于渣铁分离更彻底；通过配加适量熔剂调整碱度（介于1.3~2.3，取决于原料含硫量），可降低粒铁中硫含量（普遍低于0.08%）。但转底炉自身缺陷为生产能力有限（目前最大的转底炉生产能力约50万t/a）。与年产百万吨规模的高炉不能相提并论，所以完全替代高炉不太可能。

4ITmk3工艺发展前景

ITmk3在转底炉内实现结块、还原和熔分功能，是一步法炼铁，球团最后被熔化，渣铁分离良好，其产品是粒铁。ITmk3使用铁矿粉和非焦煤，可避免使用氧化球团、烧结矿和焦炭，从而减轻焦炉和烧结机对环境的压力。还可以处理冶金厂产生的粉尘，及其他含铁、铬、锌等废弃物。对原料适应性强，以节能环保、复合循环经济的特征，吸引了广大冶金工作者的关注。Itmk3产品可以直接代替废钢（最高比例达40%~50%）用于电弧炉炼钢，也可作品质优良的冷却剂用于转炉炼钢，还可以用于高炉以降低焦比。电炉炼钢中，可起到稀释有害元素的作用，热装时还能加速熔炼，工艺操作良好，有助于生产高品质钢种。ITmk3煤基直接还原工艺具有原料选择灵活，设备和基建投资较低，设备运行稳定、操作灵活，能提高炼钢的生产效率和产品质量，减低电炉炼钢能耗，且能减少温室气体CO2及其他有害气体和粉尘的排放，是新型友好的炼铁工艺。

5结语

ITmk3具有很强的适应性和巨大的发展潜力。尤其我国铁矿资源以低品位为主，随节能、环保压力越来越大，短流程、能耗少的炼铁工艺必然成为未来发展趋势。但目前全世界仅1座商业化的ITmk3炉，工业相关的核心操作技术还严格保密。同期北京科技大学开发的CHARP工艺，与ITmk3几乎相同，但尚处于实验室研究阶段[10-11]。更需深入进行系统研究、掌握其基本原理，尽快发展适宜我国资源的转底炉煤基生产粒铁技术。

参考文献

[3]刘然，张欣媛，吕庆.转底炉炼铁工艺的发展和应用[J].材料导报A，2014，28（10）：36.

[4]王广，薛庆国，孔令坛.转底炉珠铁工艺及其在中国的应用前景[J].中国冶金，2013，23（12）：5.

[5]段世钰，陈永军.转底炉处理钢铁厂尘泥[J].工业炉，2016，38（9）：20.

[6]张伟，王再义，张宁.ITmk3工艺的技术特点及应用前景[J].鞍钢技术，2010（5）：10.

[7]多久也，根上.ITmk3—新千年的先进炼铁工艺[J].国外金属矿山，2002（1）：57.

[8]张颖异，师学峰，齐渊洪.ITmk3的工艺特点和商业应用现状[J].中国有色冶金，2014（5）：17.

[10]徐萌.转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的基础性研究[D].北京:北京科技大学，2006.

[11]郭明威，徐萌，张建良.CHARP工艺过程中的硫行为及硫控制[J].钢铁研究学报，2007，19（2）：10.

作者：张志霞 宋说讲 单位：六盘水师范学院 化学与材料工程学院