微波燃料联合加热煤基转底炉直接还原新工艺

　　1. 中冶长天国际工程有限责任公司 2. 国家烧结球团装备系统工程技术研究中心

　　1 前言

　　直接还原生产常用的方法有气基竖炉法、煤基链篦机-回转窑法、煤基转底炉法。气基竖炉法主要以天然气为还原剂，若用于天然气资源匮乏和价格昂贵的地区，造成生产成本过高。加之该技术投资过大，设备性能要求较高，推广受到了极大影响。煤基链篦机-回转窑法以煤为还原剂，对煤资源丰富的地区有很大的吸引力，但该技术对温度控制精度要求较高，生产中极易结窑、作业率较低，导致经常停产，其推广和应用难度大。煤基转底炉直接还原技术因转底炉设备构造简单、大型化难度小、不结窑、设备维护简单、投资相对较少等优点，在国内外的很多钢铁厂得到应用，如美国Inmetco投产的年处理量9万吨的生产线，新日铁君津No2和No3分别投产了13万t/a和31万t/a的生产线，以及国内分别在龙蟒、马钢、日钢、莱钢、荣钢和沙钢等地建设有转底炉煤基直接还原生产线。

　　煤基直接还原转底炉技术是以煤为还原剂，在非软熔状况下将矿石物料中的金属氧化物还原成金属的一种方法。该方法不依赖于焦煤资源，原料适应性强，可处理钒钛磁铁矿、含铅锌尘泥、精矿粉等各种原料，相比传统钢铁生产流程，可大大减少污染物的排放，其产品可代替废钢作为电炉冶炼优质钢的原料。因此，该工艺市场前景广阔，是未来钢铁冶炼发展的重要方向之一。

　　2 传统转底炉存在的问题

　　传统转底炉热工制度下，尽管炉底表面只铺1-2层球，料层厚度不超过40mm，但由于物料和炉底处于相对静止，高温气流对物料的加热只靠辐射传热。这样上下料层的升温速度存在较大的差异，即与高温气流接触的上部料层升温快、还原也快，下部料层升温慢、还原也慢，在上部料层过早完成还原时，下部料层还尚未全部还原，特别是在布料不均匀、料层过厚的情况下更为严重。研究表明：即使大幅延长还原时间，尽可能减小上下层物料温度梯度，产品金属化率仍难以高于88%。若类似ITmk3工艺，进一步提高还原温度来扩大生产率，当还原温度高达1350～1450℃，渣铁分离，得到粒铁。但温度太高，还原后出现液相，残留的FeO对炉床耐火材料的腐蚀很严重，导致炉床寿命大幅缩短，而且设备黏结严重，影响生产顺行。在转底炉处理钢铁厂含锌粉尘时，预期的技术目标是期望转底炉具有高的脱锌率、产品金属化率高。但投产后运行结果很难实现这一目标，产品仅作为高炉原料，这大大降低了该工艺的市场价值。

　　转底炉产品的再氧化是现有热工制度存在的另外一个致命问题。由于铁锌还原需要大量吸热，而现有热工制度是通过燃烧高热值燃气产生高温烟气，通过辐射传热对物料进行加热。但烟气中的CO2类氧化性气氛会将上部物料中已还原的金属再次氧化，利用常规的加热方法很难解决以上问题，若还原后段不布烧嘴，还原吸热和炉体散热将使炉温快速下降，导致产品金属化率无法进一步提高。因此，常规转底炉技术在热工制度上存在致命的缺陷，难以实现产量、金属化率双高的目标。

　　3 新型转底炉理论基础及优势

　　3.1 微波加热特点及优势

　　微波加热具有以下一些特点及优势：

　　(1)微波加热的快速性。常规加热如火焰、热风、电热、蒸汽等，都是利用热传导的原理将热量从被加热物外部传入内部，逐步使物体中心温度升高。微波加热是被加热物本身成为发热体，不需要热传导的过程，内外同时加热，因此能在短时间内达到加热效果。

　　(2)微波加热的高效性。采用微波进行加热时，介质材料能吸收微波，并转化为热能。构成设备壳体的金属材料是微波反射型材料，它只能反射而不能吸收微波。另外，微波加热是内部“体加热”，它并不需要高温介质来传热。因此，绝大部分微波能量被介质物料吸收并转化为升温所需要的热量，形成了微波能量利用高效率的特性。与常规电加热方式相比，一般可以节电30%～50%。

　　(3)微波加热的上下一致性。微波加热过程在整个物料上下同时进行，升温迅速、温度均匀、温度梯度小，避免了传统加热物料的“冷中心”现象。微波是一种穿透力强的电磁波，如频率为2.45GHz的电磁波，其波长为12.2cm，它能穿透一定厚度的物体的内部，使得物料上下同时被加热。

　　(4)微波加热的即时性。用微波加热介质物料时，加热非常迅速。只要有微波辐射，物料即刻得到加热。反之，物料得不到微波能量而立即停止加热。

　　(5)微波加热的选择性。微波加热的效果和被加热物料的电磁性能有着密切关系，所以不同物料由于其自身的介电性质不同，其对微波的耦合作用能力也不相同，所以可以利用微波加热的选择性对混合物料中的各组分进行选择性加热，这也是选择保温材料的依据。

　　(6)微波加热的无污染性。微波加热所用能源为电能，是依靠分子等在微波场中的摩擦而产生热量，所以加热本身不产生任何废气和废物，对环境没有污染。

　　(7)微波加热的活化冶金化学反应性。很多研究工作者把微波加热区别于传统加热的一些现象和特点视为微波的“非热效应”，如微波加速了反应的进行，降低了反应的活化能，使得反应温度降低，时间缩短;可以加快材料的致密化程度和晶体颗粒的聚集长大。这些现象和特点在微波加热的不同领域得到了一定程度的验证，这也是微波之所以能够应用于各行业的重要原因。

　　3.2 微波技术研究及发展现状

　　日本东京理工学院K.Ishizaki等[7]对磁铁矿内配碳球团微波加热直接还原进行了大量的研究工作，结果表明：内配碳球团在等温(大约1350 ℃)微波加热条件下可以快速形成碳含量2%左右的生铁，由于铁氧化物和碳快速升温，球团中的氧分压上升使得杂质氧化物得不到还原，最终保留在渣相中，有效实现了渣铁分离。美国密西根理工大学Hwang Jiann-Yang等提出了“微波一步炼钢法”，它是采用铁矿石(粉末/球团)在全微波加热手段的方式下进行还原-熔炼以获得低碳钢的过程。

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