周智強

摘要：目前，國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐工藝生產(chǎn)的直接還原鐵（DRI）存在一些不足。本文簡單介紹了熱壓工藝的特點，并通過與冷壓工藝方案的對比確認了熱壓工藝方案的優(yōu)勢。根據(jù)工業(yè)試驗的結(jié)果，驗證了轉(zhuǎn)底爐工藝生產(chǎn)熱壓塊（HBI）的可行性，并以A企業(yè)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，提出了轉(zhuǎn)底爐工藝生產(chǎn)熱壓塊設(shè)計的最佳方案。認為熱壓塊不僅降低能耗和生產(chǎn)成本，還為高爐和轉(zhuǎn)爐提供優(yōu)質(zhì)的原料，相比較于冷壓塊，其具有更加廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)底爐工藝；直接還原鐵；熱壓塊；設(shè)計方案；含鋅固廢

2023年，我國粗鋼產(chǎn)量約為10.2億噸，鋼鐵行業(yè)在迅猛發(fā)展帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，鋼鐵廠日常作業(yè)產(chǎn)生的粉塵也對我國環(huán)境造成了嚴重的破。據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵廠每年產(chǎn)生的粉塵量約為出鋼量的9%~13%，粉塵含有Fe、Zn、Pb、K、Na等元素，如此大量的粉塵如果不妥善處置，必將帶來巨大的浪費和對環(huán)境的污染^[1]。轉(zhuǎn)底爐作為現(xiàn)階段處理鋼鐵廠含鋅粉塵成熟的工藝，其爐內(nèi)溫度、氣氛多分區(qū)精準可控，能夠?qū)崿F(xiàn)高溫快速還原，從而有力保證了產(chǎn)品質(zhì)量，確保了塵泥中有價元素的高效回收利用，該工藝目前被許多鋼鐵廠采用^[2]。采用轉(zhuǎn)底爐工藝的熱壓技術(shù)生產(chǎn)的熱壓塊（HBI）可以作為高爐和轉(zhuǎn)爐的優(yōu)質(zhì)原料，并且降低能耗，節(jié)約能源，讓含鋅塵泥固廢資源的綜合利用更上一層樓。

1  轉(zhuǎn)底爐工藝現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)底爐是目前鋼鐵企業(yè)應(yīng)用最廣泛的固廢資源處置工藝，該技術(shù)可追溯至 1965年Midland Ross 公司 （Midrex 公司前身）開發(fā)的 Heat-Fast工藝。中國轉(zhuǎn)底爐技術(shù)研究工作始于 20世紀90年代，北京科技大學(xué)首先在山西翼城和河南鞏義各建一座設(shè)計年產(chǎn)能力7萬 t的轉(zhuǎn)底爐。進入 21 世紀，國家重點支持鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)底爐處置含鋅塵泥生產(chǎn)線建設(shè)，國內(nèi)諸多技術(shù)團隊開發(fā)出符合國內(nèi)的鐵礦資源和能源結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)政策的穩(wěn)定成熟的轉(zhuǎn)底爐工業(yè)化產(chǎn)線^[3]。截至目前，世界范圍內(nèi)已建成三十余座處理冶金含鋅塵泥的工業(yè)化轉(zhuǎn)底爐線。

目前轉(zhuǎn)底爐成熟的工藝流程為：轉(zhuǎn)底爐→圓筒冷卻機（DRI＞1000℃）→成品振動篩（DRI＜200℃），篩分為DRI成品球（≥6mm）和DRI成品粉（＜6mm），篩上DRI球送入DRI球倉中進行貯存，DRI球倉下設(shè)汽車外運接口，定期卸至汽車后送至下游用戶點。篩下DRI粉送冷壓球處理。這種傳統(tǒng)的工藝存在一些問題，轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)生的金屬化球團經(jīng)圓筒冷卻機冷卻，顯熱沒有充足的利用。并且DRI粉占比一般為30%左右，一般需要壓塊后才能進行利用，需要增加相應(yīng)的壓機和除塵設(shè)施，增加了建設(shè)成本。DRI粉冷壓球的強度偏低和存放時間短也是存在的。綜上，由于種種問題的存在，轉(zhuǎn)底爐工藝的發(fā)展需要更好的創(chuàng)新。

2  壓塊工藝

目前世界上已有的直接還原鐵生產(chǎn)工藝，大部分采用壓塊工藝來解決DRI的粉末含量高、密度小、易燃、揚塵大，以及潛熱利用不充分等問題。壓塊就是采用施加機械壓力的方法把直接還原生產(chǎn)的球團或粉末狀的直接還原鐵聚結(jié)成為比較致密的團塊的工藝，包括熱壓塊和冷壓塊兩種方法。

（1）冷壓工藝

冷壓工藝是將小于6mm的DRI粉進行處理，在機械力和毛細力作用下壓成一定外形尺寸的過程，具體受原料種類、壓力大小、黏結(jié)劑的選擇和使用、工藝參數(shù)及設(shè)備性能的影響，通過使用有機黏結(jié)劑，在冷壓的作用下，可以促進黏結(jié)劑的流動與鋪展，增加活性物質(zhì)表面的有效黏結(jié)面積，減小黏結(jié)劑與活性顆粒表面間的距離，提高黏結(jié)的效果。冷壓工藝存在對DRI粉和黏結(jié)劑質(zhì)量要求高，強度較低，以及粉塵影響環(huán)境的問題^[4]。

（2）熱壓工藝

熱壓工藝是在一定溫度范圍內(nèi)，在機械力的作用下，讓熱態(tài)DRI產(chǎn)生塑性變形,使其密度增大，得到具有一定外形尺寸和強度的HBI產(chǎn)品。熱壓塊具有強度好、密度大，抗氧化性強，可長期露天存放，宜與運輸?shù)鹊膬?yōu)點^[5]。在國內(nèi)，原沙鋼1號線曾采用熱壓工藝（對輥），但是由于冷卻系統(tǒng)（水淬）及沒有緩沖和控制給料等問題，轉(zhuǎn)底爐和熱壓之間工序不匹配，后將熱壓設(shè)備拆除，新增圓筒冷卻設(shè)備。目前由于模具壓塊技術(shù)成熟，國內(nèi)京唐等就其轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品采用模具壓塊進行了工業(yè)化實驗，證明采用模具壓塊工藝是可行，可以壓制出高強度產(chǎn)品。在國外，韓國浦項廠轉(zhuǎn)底爐（2009年投產(chǎn)至今），采用造球+熱壓工藝（對輥熱壓機）生產(chǎn)HBI。

根據(jù)壓球工藝的介紹，目前國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐工藝金屬化球團可以采用3種方案：①原料壓球+成品粉壓球 ②原料造球+成品粉壓球 ③原料造球+熱壓塊，相關(guān)技術(shù)分析及成本估算如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)底爐工藝直接還原鐵不同壓塊方案技術(shù)成本分析

原料壓球+粉壓球的方案優(yōu)勢有成熟工藝，應(yīng)用廣泛；產(chǎn)品適應(yīng)性較好，成球穩(wěn)定；產(chǎn)品鐵品位更高；產(chǎn)品進入煉鋼或煉鐵使用接受度較高。劣勢是其一次投資費用高；黏結(jié)劑成本高；考慮物理損耗等1噸產(chǎn)品成本比造球工藝高130元/噸；考慮物理損耗等1噸產(chǎn)品成本比造球+熱壓高180元/噸。

原料造球+粉壓球的方案優(yōu)勢有：工藝成熟，現(xiàn)有應(yīng)用較多；一次投資費用低；運營費用低。劣勢是球團產(chǎn)品抗壓強度低，鐵品位較壓球工藝低3%，產(chǎn)品粉化較壓球工藝高10％，比熱壓高30％；產(chǎn)品進入煉鋼或煉鐵使用接受度不如壓球產(chǎn)品。

原料造球+熱壓塊的方案優(yōu)勢有：運營費用低；產(chǎn)品體積大，密度高，便于煉鋼回用；產(chǎn)品基本無粉化，產(chǎn)品的收得率高。劣勢是高溫DRI輸送設(shè)備工藝相對復(fù)雜；產(chǎn)品鐵品位較壓球低3%。轉(zhuǎn)底爐配熱壓塊工藝雖然目前國內(nèi)應(yīng)用很少，但是具有極佳的前景。

3   熱壓塊試驗驗證

3.1  試驗方案

熱壓鐵試驗，是基于金屬化球團密度較輕，在高爐鐵溝中配加，金屬化球團浮在鐵水上方，進入水渣系統(tǒng)中。因此擬通過熱壓，將金屬化球團壓制成密度約5 t/m³的鐵塊，加入高爐鐵溝中，替代廢鋼增加鐵水產(chǎn)量，實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益。

3.2  試驗生產(chǎn)線情況

現(xiàn)有1套回轉(zhuǎn)窯熱壓鋼渣生產(chǎn)線，其回轉(zhuǎn)窯采用天然氣為燃氣，回轉(zhuǎn)窯僅起到將原料加熱至熱壓溫度（約650℃）的功能。本次熱壓試驗將熱壓原料全部調(diào)整至轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的金屬化球團，進行工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)試驗。

3.3  試驗流程

汽車運輸入廠的金屬化球團卸至原料堆場，通過裝載機上料至地上受料倉，倉下設(shè)置2套帶式定量給料機、斗提機（1用1備），將原料輸送進入回轉(zhuǎn)窯（直徑2.8m，長度46m）窯尾窯口，窯頭燃燒天然氣，物料和煙氣逆流交換，將金屬化球團加熱至約650℃，從窯頭卸料至緩沖倉，緩沖倉下方設(shè)置4個卸料溜管，對應(yīng)4臺熱壓機，物料經(jīng)熱壓后通過鏈板機轉(zhuǎn)運輸送至成品區(qū)，經(jīng)裝載機運轉(zhuǎn)至成品堆場。

3.4  試驗結(jié)果

單臺熱壓機生產(chǎn)能力4 ~6 t/h，熱壓塊成品尺寸直徑約280 mm，高度約220 mm，堆比重約4.8~5 t/m³，熱壓后的鐵塊強度很高，需要拿錘頭大力才能砸開。熱壓后的鐵塊取了兩次樣，單次樣1 kg，通過小電爐，熔化后的鐵水收得率分別為48.5%和56%。

圖1 原料堆場（圖中原料即為金屬化球團）

圖2  帶式定量給料機計量給料

圖3  壓塊機

圖4  熱壓塊產(chǎn)品

圖5  熱壓塊堆場

圖6  熱壓塊

圖7  熱壓塊熔化

4  熱壓工程設(shè)計方案

4.1 工藝設(shè)計

主要設(shè)計指標。工藝配置以A企業(yè)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，熱壓工藝主要涉及指標如下：

（1）規(guī)模及產(chǎn)量：實際處理原料量為25萬噸/年，DRI產(chǎn)量約為18萬噸/年；

（2）DRI產(chǎn)品金屬化率：≥70%；

（3）DRI產(chǎn)品脫鋅率：≥88%；

（4）作業(yè)時間：310天，每天24h。

熱壓設(shè)計方案一：轉(zhuǎn)底爐DRI經(jīng)冷卻機降溫至600~750℃——鏈斗機輸送至緩沖斗——熱壓機進行模具成型為Φ260×220mm密實塊——鏈板機輸送堆存——電磁吊裝車外運。選用設(shè)備規(guī)格參數(shù)如下：

（1）圓筒冷卻機：30 t/h，出料溫度控制在600~750℃，共1臺；

（2）鏈斗機：30 t/h，氮氣保護，共1臺；

（3）熱壓機：YR1600，3用1備，單臺能力 ~9.5 t/h，共4臺；

（4）鏈板機：單臺能力20 t/h，共2臺。

熱壓設(shè)計方案二：轉(zhuǎn)底爐DRI產(chǎn)品經(jīng)鏈斗機輸送至緩沖斗過程中利用氮氣降溫至600~750℃——熱壓機進行模具成型為Φ260×220mm密實塊——鏈板機輸送堆存——電磁吊裝車外運。選用設(shè)備規(guī)格參數(shù)如下：

（1）鏈斗機：30 t/h，充氮冷卻，料溫從1100℃降至600~750℃，共1臺；

（2）熱壓機：YR1600，3用1備，單臺能力 ~9.5 t/h，共4臺；

（3）鏈板機：單臺能力20 t/h，共2臺。

工藝方案工藝關(guān)鍵點及針對性措施：①首先，最重要的是進入熱壓機前轉(zhuǎn)底爐DRI溫度控制，因為溫度高存在粘結(jié)料的風險，而溫度低無法進行熱壓。目前圓筒冷卻技術(shù)相對成熟，本方案通過控制冷卻機調(diào)節(jié)出料溫度，在冷卻機出口設(shè)置物料溫度在線監(jiān)測，并且筒體轉(zhuǎn)速實時可調(diào)，從而保障熱壓進料溫度要求。②冷卻機排料DRI溫度控制在600~750℃，輸送過程中若接觸空氣，存在二次氧化甚至燃燒的可能。解決方法是讓鏈斗輸送機適應(yīng)高溫工況設(shè)計（料斗采用耐熱鋼+內(nèi)襯隔熱耐材），全程密封罩封閉，并充氮保護氣氛，避免氧化。③緩沖斗及分料溜管中，高溫DRI可能導(dǎo)致粘連板結(jié)造成下料不暢。解決方法是控制緩沖斗的料位，避免料位過高，在緩沖斗內(nèi)充氮保護，并將溜管設(shè)計為振動式。④為了預(yù)防熱壓機故障停機等突發(fā)情況，本方案設(shè)置熱壓機4臺，3用1備，3臺滿足正常生產(chǎn)，1臺備用；鏈板機2臺，單臺故障時仍可維持生產(chǎn)；緩沖斗設(shè)計事故卸料溜管及事故料坑。

4.2 方案對比

方案一使用冷卻機冷卻DRI，降溫幅度可控，節(jié)省運維成本。但是相比較于方案二，其增加了冷卻機設(shè)備投資和土建成本。方案二使用氮氣為媒介冷卻降溫DRI，換熱效率低，氮氣消耗量大，氮氣換熱也需配套冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，鏈斗機邊運輸邊冷卻，設(shè)備負荷更大。綜上所述，方案一投資略高，但運營成本較低，技術(shù)風險低。方案二需配套氮氣冷卻循環(huán)系統(tǒng)，氮氣消耗量大，有一定技術(shù)風險。所以推薦方案一作為轉(zhuǎn)底爐工藝金屬化球團熱壓的最佳方案。

5   結(jié)語和展望

轉(zhuǎn)底爐工藝是一種廣泛應(yīng)用的含鋅固廢處置工藝，但是傳統(tǒng)工藝流程中冷壓塊存在顯熱沒有充足利用，環(huán)境污染，DRI冷壓球的強度和存放時間短等的問題。通過不同方案的比較，發(fā)現(xiàn)熱壓塊技術(shù)不僅能解決這些問題，還有成本低的優(yōu)勢，并且這項技術(shù)在國外也有類似應(yīng)用。在國內(nèi)通過工業(yè)熱壓試驗也驗證了其可行性，制出了高強度產(chǎn)品，找出了最佳的熱壓塊方案，為后續(xù)生產(chǎn)實踐提供了有效的技術(shù)支撐。

未來的研究圍繞轉(zhuǎn)底爐優(yōu)化壓塊工藝繼續(xù)探索，以提高效率，降低成本，并解決現(xiàn)有工藝中存在的問題。特別是在熱壓塊試驗和工程設(shè)計方案方面，通過技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟和環(huán)保效益。此外，新方法和技術(shù)的突破，也能促進轉(zhuǎn)底爐工藝低成本和可持續(xù)性發(fā)展，DRI熱壓塊技術(shù)在轉(zhuǎn)底爐工藝中定會取得成功的應(yīng)用和較大進步。

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