周智強

摘要：目前，國內轉底爐工藝生產的直接還原鐵（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勢。根據工業試驗的結果，驗證了轉底爐工藝生產熱壓塊（HBI）的可行性，并以A企業轉底爐生產線為基礎，提出了轉底爐工藝生產熱壓塊設計的最佳方案。認為熱壓塊不僅降低能耗和生產成本，還為高爐和轉爐提供優質的原料，相比較于冷壓塊，其具有更加廣闊的前景。

關鍵詞：轉底爐工藝；直接還原鐵；熱壓塊；設計方案；含鋅固廢

2023年，我國粗鋼產量約為10.2億噸，鋼鐵行業在迅猛發展帶來巨大經濟效益的同時，鋼鐵廠日常作業產生的粉塵也對我國環境造成了嚴重的破。據統計，鋼鐵廠每年產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境的污染^[1]。轉底爐作為現階段處理鋼鐵廠含鋅粉塵成熟的工藝，其爐內溫度、氣氛多分區精準可控，能夠實現高溫快速還原，從而有力保證了產品質量，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]。采用轉底爐工藝的熱壓技術生產的熱壓塊（HBI）可以作為高爐和轉爐的優質原料，并且降低能耗，節約能源，讓含鋅塵泥固廢資源的綜合利用更上一層樓。

1  轉底爐工藝現狀

轉底爐是目前鋼鐵企業應用最廣泛的固廢資源處置工藝，該技術可追溯至 1965年Midland Ross 公司 （Midrex 公司前身）開發的 Heat-Fast工藝。中國轉底爐技術研究工作始于 20世紀90年代，北京科技大學首先在山西翼城和河南鞏義各建一座設計年產能力7萬 t的轉底爐。進入 21 世紀，國家重點支持鋼鐵企業轉底爐處置含鋅塵泥生產線建設，國內諸多技術團隊開發出符合國內的鐵礦資源和能源結構與產業政策的穩定成熟的轉底爐工業化產線^[3]。截至目前，世界范圍內已建成三十余座處理冶金含鋅塵泥的工業化轉底爐線。

目前轉底爐成熟的工藝流程為：轉底爐→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。這種傳統的工藝存在一些問題，轉底爐產生的金屬化球團經圓筒冷卻機冷卻，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，需要增加相應的壓機和除塵設施，增加了建設成本。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，轉底爐工藝的發展需要更好的創新。

2  壓塊工藝

目前世界上已有的直接還原鐵生產工藝，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的球團或粉末狀的直接還原鐵聚結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、黏結劑的選擇和使用、工藝參數及設備性能的影響，通過使用有機黏結劑，在冷壓的作用下，可以促進黏結劑的流動與鋪展，增加活性物質表面的有效黏結面積，減小黏結劑與活性顆粒表面間的距離，提高黏結的效果。冷壓工藝存在對DRI粉和黏結劑質量要求高，強度較低，以及粉塵影響環境的問題^[4]。

（2）熱壓工藝

熱壓工藝是在一定溫度范圍內，在機械力的作用下，讓熱態DRI產生塑性變形,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，宜與運輸等的優點^[5]。在國內，原沙鋼1號線曾采用熱壓工藝（對輥），但是由于冷卻系統（水淬）及沒有緩沖和控制給料等問題，轉底爐和熱壓之間工序不匹配，后將熱壓設備拆除，新增圓筒冷卻設備。目前由于模具壓塊技術成熟，國內京唐等就其轉底爐產品采用模具壓塊進行了工業化實驗，證明采用模具壓塊工藝是可行，可以壓制出高強度產品。在國外，韓國浦項廠轉底爐（2009年投產至今），采用造球+熱壓工藝（對輥熱壓機）生產HBI。

根據壓球工藝的介紹，目前國內轉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，相關技術分析及成本估算如表1所示。

表1 轉底爐工藝直接還原鐵不同壓塊方案技術成本分析

原料壓球+粉壓球的方案優勢有成熟工藝，應用廣泛；產品適應性較好，成球穩定；產品鐵品位更高；產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；黏結劑成本高；考慮物理損耗等1噸產品成本比造球工藝高130元/噸；考慮物理損耗等1噸產品成本比造球+熱壓高180元/噸。

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

原料造球+熱壓塊的方案優勢有：運營費用低；產品體積大，密度高，便于煉鋼回用；產品基本無粉化，產品的收得率高。劣勢是高溫DRI輸送設備工藝相對復雜；產品鐵品位較壓球低3%。轉底爐配熱壓塊工藝雖然目前國內應用很少，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量，實現更大的經濟效益。

3.2  試驗生產線情況

現有1套回轉窯熱壓鋼渣生產線，其回轉窯采用天然氣為燃氣，回轉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整至轉底爐生產的金屬化球團，進行工業化連續生產試驗。

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，緩沖倉下方設置4個卸料溜管，對應4臺熱壓機，物料經熱壓后通過鏈板機轉運輸送至成品區，經裝載機運轉至成品堆場。

3.4  試驗結果

單臺熱壓機生產能力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  熱壓工程設計方案

4.1 工藝設計

主要設計指標。工藝配置以A企業轉底爐生產線為基礎，熱壓工藝主要涉及指標如下：

（1）規模及產量：實際處理原料量為25萬噸/年，DRI產量約為18萬噸/年；

（2）DRI產品金屬化率：≥70%；

（3）DRI產品脫鋅率：≥88%；

（4）作業時間：310天，每天24h。

熱壓設計方案一：轉底爐DRI經冷卻機降溫至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。選用設備規格參數如下：

（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。

熱壓設計方案二：轉底爐DRI產品經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。選用設備規格參數如下：

（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。

工藝方案工藝關鍵點及針對性措施：①首先，最重要的是進入熱壓機前轉底爐DRI溫度控制，因為溫度高存在粘結料的風險，而溫度低無法進行熱壓。目前圓筒冷卻技術相對成熟，本方案通過控制冷卻機調節出料溫度，在冷卻機出口設置物料溫度在線監測，并且筒體轉速實時可調，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高溫工況設計（料斗采用耐熱鋼+內襯隔熱耐材），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可能導致粘連板結造成下料不暢。解決方法是控制緩沖斗的料位，避免料位過高，在緩沖斗內充氮保護，并將溜管設計為振動式。④為了預防熱壓機故障停機等突發情況，本方案設置熱壓機4臺，3用1備，3臺滿足正常生產，1臺備用；鏈板機2臺，單臺故障時仍可維持生產；緩沖斗設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，節省運維成本。但是相比較于方案二，其增加了冷卻機設備投資和土建成本。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水系統，鏈斗機邊運輸邊冷卻，設備負荷更大。綜上所述，方案一投資略高，但運營成本較低，技術風險低。方案二需配套氮氣冷卻循環系統，氮氣消耗量大，有一定技術風險。所以推薦方案一作為轉底爐工藝金屬化球團熱壓的最佳方案。

5   結語和展望

轉底爐工藝是一種廣泛應用的含鋅固廢處置工藝，但是傳統工藝流程中冷壓塊存在顯熱沒有充足利用，環境污染，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，發現熱壓塊技術不僅能解決這些問題，還有成本低的優勢，并且這項技術在國外也有類似應用。在國內通過工業熱壓試驗也驗證了其可行性，制出了高強度產品，找出了最佳的熱壓塊方案，為后續生產實踐提供了有效的技術支撐。

未來的研究圍繞轉底爐優化壓塊工藝繼續探索，以提高效率，降低成本，并解決現有工藝中存在的問題。特別是在熱壓塊試驗和工程設計方案方面，通過技術創新和工藝優化，實現更高的經濟和環保效益。此外，新方法和技術的突破，也能促進轉底爐工藝低成本和可持續性發展，DRI熱壓塊技術在轉底爐工藝中定會取得成功的應用和較大進步。

參考文獻：

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