回轉(zhuǎn)窯煉鐵法的分類及現(xiàn)狀

2017-07-25

　　還原性回轉(zhuǎn)窯依據(jù)窯內(nèi)物料的形態(tài)差異可分為：

　　1)、預(yù)熱預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯：回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)物料進(jìn)行預(yù)熱、干燥、脫除結(jié)晶水、碳酸鹽分解、鐵礦物的部分還原。窯內(nèi)最高溫度通?！?000℃。通常預(yù)熱預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯是整個(gè)工藝中的一個(gè)環(huán)節(jié)，如：預(yù)熱預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯--礦熱爐法生產(chǎn)鎳鐵。

　　2）、直接還原回轉(zhuǎn)窯：窯內(nèi)爐料最高溫度低于“開(kāi)始軟化溫度”最低的物料的開(kāi)始軟化溫度值100～150℃。窯內(nèi)物料呈完全固體狀態(tài)，在不熔化、不造渣的條件下完成還原過(guò)程，產(chǎn)品呈基本保留入爐形狀的固態(tài)以金屬鐵為主要成分，包含原料脈石成分的“直接還原鐵”。

　　3）、深度還原窯：窯內(nèi)爐料最高溫度略高于軟化開(kāi)始溫度（在荷重還原條件下收縮3%時(shí)的溫度）最低的物料的軟化開(kāi)始溫度值，但低于爐料軟化溫度（在荷重還原條件下收縮30%時(shí)的溫度）。窯內(nèi)物料在進(jìn)行還原反應(yīng)的同時(shí)產(chǎn)生固相造渣反應(yīng)，但不熔化，物～料呈現(xiàn)燒結(jié)塊狀，類似水泥熟料生產(chǎn)回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)物料形態(tài)。排出回轉(zhuǎn)窯的物料中鐵呈＞0.10mm的金屬顆粒分布在物料團(tuán)塊中。回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)品-還原團(tuán)塊經(jīng)水淬、磁選獲得產(chǎn)品-細(xì)顆粒狀金屬鐵。

　　4）、粒鐵回轉(zhuǎn)窯：粒鐵法是上世紀(jì)30年代德國(guó)開(kāi)發(fā)的以酸性脈石的礦石為原料，以低階煤為還原劑和燃料，生產(chǎn)顆粒狀金屬鐵的工藝方法，還原反應(yīng)器為回轉(zhuǎn)窯。爐料入窯后，經(jīng)干燥、預(yù)熱、鐵礦物還原、爐料的造渣，最終鐵礦物還原為金屬鐵，并以1.2～30mm鐵顆粒的形態(tài)均勻的“懸浮在”半熔態(tài)的爐渣中。包裹著顆粒狀金屬鐵顆粒的半熔態(tài)“團(tuán)塊”，連續(xù)的從卸料端排出回轉(zhuǎn)窯，然后，經(jīng)水淬、選擇性破碎、磁選獲得產(chǎn)品--顆粒狀金屬鐵。

　　朝鮮以劣質(zhì)煤為還原劑，酸性脈石鐵礦為原料，采用 “回轉(zhuǎn)窯粒鐵法”爐渣堿度（CaO+MgO/SiO2）0.10～0.30，生產(chǎn)含鐵95～97%顆粒狀金屬鐵是朝鮮鋼鐵生產(chǎn)中煉鐵生產(chǎn)的主要方法。

　　日本金屬公司大江山廠以煤為還原劑以紅土鎳礦為原料,生產(chǎn)含鎳13～15%的顆粒狀鎳鐵的“大江山法”。鎳、鐵礦物在固態(tài)下還原成金屬，并聚合成0.10～30.0mm顆粒。鎳鐵金屬顆粒均勻的懸浮在半熔狀態(tài)爐渣中。渣鐵混合物已團(tuán)塊形態(tài)排除回轉(zhuǎn)窯，經(jīng)水淬、選擇性破碎、磁選獲得顆粒狀金屬鎳鐵。該工藝因低階煤為還原劑和燃料，電力消耗低，生產(chǎn)成本低，成為紅土鎳礦生產(chǎn)鎳鐵最經(jīng)濟(jì)的方法之一。

　　5）、熔態(tài)回轉(zhuǎn)窯（生鐵水泥法回轉(zhuǎn)窯）:以高堿度堿性含鐵物料為原料,以煤為還原劑,原料在窯內(nèi)進(jìn)行物料的干燥、預(yù)熱、鐵礦物的還原，爐料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)最終形成鐵水和液態(tài)爐渣。鐵水從回轉(zhuǎn)窯最低點(diǎn)的出鐵口定期放出,液態(tài)渣從回轉(zhuǎn)窯出料端排出。因爐渣冷卻后可作為水泥熟料原料，故該法稱為生鐵水泥法（Baseet法）。該法適合處理堿性礦石，所生產(chǎn)的鐵水S、P極低可用于鑄造。該法因單機(jī)生產(chǎn)能力過(guò)小，耐火材料消耗高，操作困難等原因被淘汰。我國(guó)上世紀(jì)70年代在浙江蕭山進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)性生產(chǎn)。

　　2.2 還原性回轉(zhuǎn)窯的特征

　　還原性回轉(zhuǎn)窯通常以低階煤為還原劑、燃料，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的待處理物料通常由礦石和煤、熔劑組成。還原性回轉(zhuǎn)窯最重要的任務(wù)是爐料的還原，創(chuàng)造和保證還原性回轉(zhuǎn)窯內(nèi)良好還原氣氛和足夠的還原能力是回轉(zhuǎn)窯控制的最重要任務(wù)。因還原反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，因此，回轉(zhuǎn)窯還必須具有足夠的供熱能力?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)燃料的燃燒需要強(qiáng)氧化性氣氛，以保證足夠的燃燒強(qiáng)度和能力。

　　在回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)同一橫截面上，創(chuàng)造自由空間的強(qiáng)氧化氣氛和料層內(nèi)的強(qiáng)還原性氣氛并存，并相互促進(jìn)強(qiáng)化，保持一個(gè)穩(wěn)定地動(dòng)態(tài)平衡是還原性回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)行的最基本條件。

　　從圖1右側(cè)橫截面圖可看出：料層表面的CO氣膜是保證回轉(zhuǎn)窯自由空間的強(qiáng)氧化氣氛和料層內(nèi)的強(qiáng)還原性氣氛并存的最基礎(chǔ)條件。

　　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)待處理的物料在被加熱后，料層內(nèi)由還原煤受熱放出的揮發(fā)份（H2+CO+CnHm），物料進(jìn)行還原反應(yīng)放出還原反應(yīng)產(chǎn)物（CO），這些還原性氣體不斷從料層表面放出，在料層表面形成一個(gè)還原性氣體膜。如果這個(gè)由還原性氣體組成的氣膜能穩(wěn)定存在，即可實(shí)現(xiàn)將回轉(zhuǎn)窯自由空間的氧化性氣氛與料層內(nèi)的還原氣氛完全隔離，實(shí)現(xiàn)還原性回轉(zhuǎn)窯自由空間進(jìn)行燃燒為回轉(zhuǎn)窯供熱，料層內(nèi)進(jìn)行還原反應(yīng)。

　　控制還原性氣膜的穩(wěn)定存在是還原性回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)控制的最重要任務(wù)。因還原性氣膜的外層接觸回轉(zhuǎn)窯自由空間的氧化性氣氛必然產(chǎn)生氧化燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量成為回轉(zhuǎn)窯的重要熱源之一。還原性氣膜因外層的氧化燃燒消耗與料層放出的還原性氣體量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，回轉(zhuǎn)窯即可實(shí)現(xiàn)加熱和還原同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到還原性回轉(zhuǎn)窯的還原的目的。

　　由此，造成還原性回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)、控制、操作與氧化性回轉(zhuǎn)窯有重大差異。

　　1）、回轉(zhuǎn)窯的燃料燃燒火焰應(yīng)遠(yuǎn)離料面，絕對(duì)不得沖擊料面的還原性氣體保護(hù)膜。

　　2）、因回轉(zhuǎn)窯內(nèi)待處理物料中的煤從400℃開(kāi)始大量放出揮發(fā)分，鐵的還原從570℃開(kāi)始進(jìn)行，回轉(zhuǎn)窯后部還原煤放出的揮發(fā)分和還原產(chǎn)生的CO難以從窯頭燒嘴供給燃燒所需要的氧氣，通常還原性回轉(zhuǎn)窯必須設(shè)置獨(dú)立的向回轉(zhuǎn)窯中、后部供氧的高風(fēng)速二次供風(fēng)管，或在窯身設(shè)置窯身風(fēng)機(jī)。

　　3）、還原窯內(nèi)狀況與氧化窯不同，氧化窯窯內(nèi)呈清晰、明亮狀，從窯頭可以清晰的看到窯內(nèi)物料狀態(tài)。而還原窯內(nèi)呈渾暗狀，不透亮，難以看到遠(yuǎn)處的料面。

　　還原性回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)爐料表面有一層爐料內(nèi)放出的可燃性氣體構(gòu)成的氣膜，這層氣膜將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)自由空間的氧化氣氛與料層內(nèi)的還原氣氛分割開(kāi)來(lái)。氣膜的表層與自由空間的氧化氣氛產(chǎn)生燃燒反應(yīng)形成一層火焰，這層火焰的形態(tài)、厚度影響爐料內(nèi)的還原氣氛，影響爐料的還原。料面火焰有力向上，略向窯尾傾斜屬正常爐況；料面火焰傾向料面或窯的燃燒火焰撲向料面，爐料會(huì)產(chǎn)生再氧化；料面沒(méi)有火焰且窯的燃燒火焰直接接觸料面，料面發(fā)亮，爐料產(chǎn)生再氧化，由于新還原出來(lái)的金屬鐵活性極大，已還原了的爐料被氧化，將使?fàn)t料表面溫度急劇上升，造成爐料熔化，繼而產(chǎn)生粘結(jié)，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生“結(jié)圈”。

　　4）、為了保證單位料面有足夠的還原氣體溢出，需要有足夠的料層厚度。因此，還原性回轉(zhuǎn)窯的填充率遠(yuǎn)大于氧化性回轉(zhuǎn)窯，通常還原性回轉(zhuǎn)窯填充率應(yīng)達(dá)到20.0～25.0%，而氧化性回轉(zhuǎn)窯填充率通常8.0～10.0%。直接還原窯出料端的出口直徑僅為窯內(nèi)徑的50%以下。粒鐵法回轉(zhuǎn)窯的出料端直徑僅為窯內(nèi)徑的0.45～0.50。

　　5）、因待還原的鐵礦物的還原是通過(guò)還原劑CO、還原產(chǎn)物CO2的擴(kuò)散過(guò)程完成，回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)的還原反應(yīng)是擴(kuò)散控制過(guò)程，還原過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間。還原窯內(nèi)爐料在窯內(nèi)的停留時(shí)間遠(yuǎn)大于氧化窯物料在窯內(nèi)的停留時(shí)間。

　　氧化球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的停留時(shí)間僅僅30分鐘；生產(chǎn)水泥熟料的回轉(zhuǎn)窯爐料在窯內(nèi)停留時(shí)間2.0～3.0小時(shí)。而生產(chǎn)直接還原鐵的回轉(zhuǎn)窯爐料在窯內(nèi)的停留時(shí)間需要8.0～10.0小時(shí)。天津鋼管￠4.80×80m的直接還原窯爐料在窯內(nèi)停留時(shí)間～10.0小時(shí)?！?.60×60m粒鐵回轉(zhuǎn)窯物料在窯內(nèi)停留時(shí)間為8.0～10.0小時(shí)。

　　因此，還原性回轉(zhuǎn)窯的斜度遠(yuǎn)小于氧化窯，通常還原性回轉(zhuǎn)窯的斜度≯2.50%。還原性回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速也遠(yuǎn)低于氧化窯，通常還原性回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速≮1.0轉(zhuǎn)/分鐘。

　　6）、為保證爐料充分還原，單純依靠加大窯長(zhǎng)，降低回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、增大填充率是無(wú)法滿足還原反應(yīng)的需要，改善窯內(nèi)溫度的分布，延長(zhǎng)適宜還原的溫度區(qū)間長(zhǎng)度更為有效，還原性回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)溫度分布曲線與氧化性回轉(zhuǎn)窯有重大差異。因此，還原性回轉(zhuǎn)窯的窯頭燒嘴的型式與氧化性回轉(zhuǎn)窯差異巨大。還原性回轉(zhuǎn)窯必須使用長(zhǎng)焰層流燒嘴，以保證窯內(nèi)有較長(zhǎng)的還原所需要的高溫區(qū)。大型還原性回轉(zhuǎn)窯通常不使用細(xì)顆粒煤粉、氣體燃料為燃料。大型直接還原鐵回轉(zhuǎn)窯使用粒煤（3.0～17.0mm）燒嘴進(jìn)行加熱，不僅大幅度降低了煤粉加工成本，且大幅度加長(zhǎng)了燒嘴燃燒火焰，使窯內(nèi)的溫度分布更加合理。

　　7）、為保證爐料充分還原，改善窯內(nèi)溫度的分布，延長(zhǎng)適宜還原的高溫度區(qū)間長(zhǎng)度，直接還原回轉(zhuǎn)窯通常在回轉(zhuǎn)窯設(shè)置若干窯身風(fēng)機(jī)，窯身風(fēng)機(jī)通過(guò)供風(fēng)管將空氣導(dǎo)入回轉(zhuǎn)窯中心，為還原反應(yīng)生成的CO、還原劑放出的揮發(fā)分的燃燒供氧?！?.8×80m直接還原回轉(zhuǎn)窯配備9臺(tái)窯身風(fēng)機(jī)。“粒鐵法”回轉(zhuǎn)窯通常采用高壓二次風(fēng)向窯的后部供風(fēng)，提高后部的溫度，拉長(zhǎng)還原帶的長(zhǎng)度。二次風(fēng)管的出口速度超過(guò)80m/s?，F(xiàn)代粒鐵回轉(zhuǎn)窯在窯的后端也采取設(shè)置窯身風(fēng)機(jī)提高回轉(zhuǎn)窯后部溫度，拉長(zhǎng)還原帶的長(zhǎng)度。

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