第四章+钒钛磁铁矿直接还原工艺

4.1 回转窑还原工艺4.1.1 回转窑还原工艺流程回转窑是一个稍呈倾斜放置在几对支撑轮(托轮)上的筒形高温反应器。

作业时窑体按一定转速旋转，钒钛磁铁矿球团与还原煤(部分或全部)从窑尾加料端连续加入，并加入脱硫剂控制产品含硫。

随窑体转动，固体物料不断地翻滚，向窑头排料端移动。

排料端设置主燃料烧嘴和还原煤喷入装置，提供工艺过程所需要的部分热量和还原剂。

沿窑身长度方向装有若干供风管(或燃料烧嘴)向窑中供风，燃烧煤释放的挥发分、还原反应产生CO和煤中的碳，用以补充工艺所需大部分热量和调节窑内温度分布。

物料移动过程中，被逆向(或同向)高温气流加热，进行物料的干燥、预热、碳酸盐分解、铁氧化物还原以及熔碳渗出反应。

煤炭资源在世界能源分布中占很大比例，许多国家都在大力开发以煤为还原剂的固体还原剂法，这种方法的主导工艺是煤基回转窑直接还原法。

褐煤是回转窑直接还原的较佳能源，攀枝花钒钛磁铁矿直接还原新流程以褐煤为能源，有利于回转窑顺行，强化及降低煤耗，并且原燃料均立足于西南地区，经济上也是合理的。

其工艺流程如图4-1所示。

图4-1 回转窑还原工艺流程回转窑还原过程示意图如图4-2所示，图4-2 回转窑还原过程示意图钒钛磁铁矿以褐煤为能源回转窑直接还原除适应了焦煤资源日益匮乏的形势外，还具有如下优点：（1）回转窑具有较大的燃烧空间和热力场，可以供应足够的空气，是一个装备优良的燃料燃烧装置，能够保证燃烧的充分燃烧，可以为钒钛磁铁矿的还原提供必要的热量。

另外，回转窑具有比较均匀的温度场，可以满足钒钛磁铁矿还原过程中各个阶段的换热要求。

（2）以煤代焦，可以省去高炉流程的炼焦与烧结工序，不但缩短工艺流程，而且减少环境污染。

（3）钒钛磁铁矿回转窑直接还原产品（海绵铁、金属化球团）在钢铁生产中主要作为废钢代用品，为电炉炼钢提高优质铁资源，满足电炉生产优质钢材的需要。

回转窑直接还原产品海绵铁的粒度均匀，性能稳定，更有利于实现电炉进料操作自动化，缩短冶炼周期。

（4）钒钛磁铁矿回转窑直接还原工艺与传统的高炉炼铁工艺比较，其设备简单，投资少，效益明显，适用于地方钢铁工业，弥补了高炉——转炉生产工艺的不足。

（5）回转窑工艺较适合于钒钛磁铁矿等复杂矿的冶炼，可实现冶金灰尘及各种工业废渣的回收利用。

减少环境污染，降低了钢铁生产能耗。

这些特点使得回转窑直接还原钒钛磁铁矿工艺具有迅速发展的可能。

将“钒钛磁铁矿以煤为能源回转窑直接还原—电炉熔分炼钢—熔渣提取钒钛”是综合利用铁、钒、钛的新流程之一。

西南地区丰富的水电资源与煤储量，为这一流程提供了足够的能源条件。

4.1.2 回转窑还原工艺各工序描述细粒煤(0～3mm)作还原剂，0～3mm的石灰石或白云石作脱硫剂，以及经过链篦机干燥预热的钒钛磁铁矿球团组成的炉料由窑尾加入，因窑体稍有倾斜(4%斜度)，在窑体以4rpm 左右速度转动时，炉料被推向窑头行进。

窑头外侧有烧嘴燃烧燃料，燃烧废气则向窑尾排出，炉气与炉料逆向运动，炉料在预热段加热，蒸发水分及分解石灰石，达到800℃的温度后，在料层内进行固体碳还原。

具体过程为：（1）配料球团的配料包括四个部分：钒钛磁铁矿粉、煤粉、添加剂和粘结剂。

——钒钛磁铁矿粉是配料的主要部分，约占75%～85%。

——煤粉是还原剂，在配料中占15%～25％，将金属铁还原出来。

——粘结剂帮助成球，使生球强度能够满足生产工艺要求，在配料中加入1%～2％。

——添加剂可缩短还原周期和提高金属化率。

（2）混料混料工段包括混合和加水，其目的是使钒钛磁铁矿粉、煤粉、添加剂和粘结剂充分混匀，并添加适当的水。

混合料的水分含量适度，是保证产品质量的关键。

混合不匀，直接关系产品的收得率；加水是否合适，直接影响压球机的正常作业和生球强度，所以混料工作十分重要。

在通常情况下，混合料的水分以7%～8％为宜。

混合料堆比重一般在（1.2～1.6）g/cm3之间。

（3）压球含碳球团的成型方法有两种。

1）滚球法：将磨细的铁矿粉、煤粉和粘结剂按照一定的比例配好，混匀后在圆盘或圆筒造球机中滚动成球。

滚动成球的基理是靠微细颗粒间水的毛细管作用力和分子间的引力。

此工艺适用于外配碳球团还原法。

2）压球法：工业中多采用对辊压球机，少数采用冲压机。

压球的优点在于对原料的粒度要求不太严格，且可以根据工艺的要求压成各种形状的球（或块），如圆形、枕头形、椭圆型、水滴型、菱形等。

此工艺适用于内配碳球团还原法。

抗压强度、落下强度是生球的强度指标，要求单球平均抗压强度在1kg 以上，平均落下强度应在3次以上。

（4）球团的干燥与预热钒钛磁铁矿生球水分含量高，直接入窑还原会因水分剧烈汽化而致生球爆裂，同时大量吸收窑内热量使热耗增加。

通过干燥和预热可以使球团安全的承受预热阶段的温度应力，还可以提高生球的强度，提高设备的生产率。

链篦机是对生球进行干燥和预热的设备，一般安装在衬有耐火砖的室内，分为干燥室和预热室两部分，篦条下面有风箱，生球经多辊布料器布在链篦机上，随同篦条向前移动。

在干燥室，生球被从预热室抽过来的250～450℃的废气干燥，然后进入预热室，被从回转窑出来的1000～1100℃氧化性废气加热，发生部分氧化和再结晶。

通过干燥和预热，钒钛磁铁矿球团强度大大增加（可达15公斤/个球以上），窑内球团粉化率大幅降低。

同时，钒钛磁铁矿焙烧后预热球的Fe2O3含量增加，有害杂质S等得到部分去除，为回转窑的还原提供有利条件。

（5）回转窑直接还原的过程回转窑还原过程主要包括以下几个方面：1）窑内炉料运动窑体旋转很慢，由钒钛磁铁矿球团，细粒煤以及脱硫剂组成的物料，在摩擦力作用被窑体带起，超过物料运动角后，在重力作用下，自堆尖滚落到底脚，因窑体倾斜，物料也前移一小段距离。

同一回转窑内，物料在窑内的停留时间与填充率成正比。

提高填充率有利于物料加热和还原，提高单位窑容产量。

近年来国外作业窑的填充率已提高到20％~25%。

2）窑内气体流动。

还原性回转窑按气流与物料流向有逆流和顺流之分。

目前多数直接还原回转窑均采用逆流窑。

钒钛磁铁矿回转窑直接还原工艺中，褐煤分别从窑身加入和窑头喷入，前者需确定合适位置，后者需选择合适的喷吹参数。

研究表明，当风速较小时，总煤量大部分靠近窑头，而风速较大则远离窑头；在风速相同条件下，细粒煤靠近窑头，粗粒煤远离窑头，前者在靠近窑头处燃烧及防止已还原球的再氧化均有好处，后者在窑内充分起还原剂作用，这种分布规律适合工艺需要。

近年来，许多工艺都将部分高挥发分还原煤改从窑头排料端喷入，并在窑尾段设置埋入式送风管，从而使挥发分得以高温析出并在窑内充分燃烧，改善了窑内温度分布和能量利用，也提高了窑尾温度，物料的加热也得到了改善，提高了设备生产能力。

3）窑内燃烧要提高回转窑生产率，除了提供充足的热量外，还应尽量扩大高温带长度。

煤粉不仅有良好的反应性，也有高的燃烧性。

由于窑内料层表面同二次风接触，褐煤燃烧性好，会使煤耗增大，钒钛磁铁矿球团得不到足够煤量的还原与保护，金属化率将会下降。

由此可见，用褐煤还原钒钛磁铁矿球团时，提高料层填充率就十分重要。

料层上部空间不含O2时，金属化率基本不受填充率影响, 不管料层厚薄，金属化率都比较高。

一旦料层上部空间有O2时，由于燃烧性好的作用，金属化率就会下降，含O2越多，下降越剧烈。

若提高填充率就能抑制含O2气氛的不利影响。

提高填充率对抑制褐煤燃烧性好的不良影响有积极作用，而控制一、二次风量和窑内空间氧化气氛，则可减少燃烧性所起作用的条件。

4）窑内热交换回转窑内热气流以辐射和对流方式加热物料和窑衬，窑衬所得热量又通过辐射传给物料、以传导方式将热量传给与之接触的物料。

5）窑内温度分布提高温度会促进窑内铁氧化物还原反应进行，但窑内最高作业温度的确定必须考虑到钒钛磁铁矿软化温度和还原褐煤灰分软熔特性。

一般情况下，钒钛磁铁矿矿回转窑直接还原的最高作业温度应低于原料软化温度和灰分软化温度100℃～150℃，选择最高操作温度为1030～1050℃，同时为保证获得85％以上的金属化率，应保持1000℃以上的高温区占窑长的一半左右。

在允许温度下，扩大高温区长度有利于窑内钒钛磁铁矿的还原，可有效提高生产率。

为此，还原回转窑采取了窑中供风或供燃料的手段，借助于改变供入空气量或燃料量，调节窑内可燃物的燃烧，以使温度分布更加理想。

6）回转窑内的还原回转窑内的物料在热气流的加热下被干燥、预热并进行还原反应。

还原性回转窑可分为预热带和还原带两部分。

在预热带物料没有大量吸热的反应，水当量小，虽然热速度比较小，但物料温升却比较大。

由于铁矿石与还原剂密切接触，还原反应约在700℃开始。

物料进入还原带后，还原反应大量进行，反应产生的CO从料层表面逸出，形成保护层，料层内有良好还原气氛。

料层逸出气体与空气燃烧形成稳定的氧化或弱氧化气氛。

因此回转窑还原有两种不同的气体。

窑内还原反应分为二步：CO2 + C = 2CO （1）F n O m + mCO = nFe + mCO2（2）气化反应在高炉冶炼过程是不希望的，而回转窑过程则是不可少的，进行得越快，越有利于窑内还原反应。

在不致产生结圈的前提下，窑内维持较高的温度，不仅有利于燃烧反应快速进行，而且使其窑头喷入的粉煤，窑中加入煤的燃烧生成的CO浓度增加，气化反应得以顺利发展，有利于窑内钒钛磁铁矿的还原反应。

由于气化属增压反应，窑内压力增加对反应不利，所以，当回转窑为了防止大量吸入冷空气而采用正压操作时，其正压值应当尽量的小，做到两兼顾。

攀枝花钒钛磁铁矿由于共生有钒钛等元素，因而它的还原是一个复杂的过程。

尤其在回转窑内，还原剂有气态的CO，H2(H2主要来自煤挥发物和少量的水的反应产物)以及固态的C，而且CO的还原作用又受煤气化反应的制约，这就更增加了过程的复杂性。

通过热力学和动力学的分析，在回转窑的特定条件下，C的还原作用是较为次要的，所以有时为了对窑内铁氧化物的还原过程进行分析计算，将过程简化为还原剂主要是CO和H2，而略去C在其中的直接还原作用。

钒钛磁铁矿球团在回转窑中用煤粉还原的还原历程可以简写为：7）回转窑脱硫入窑硫少量由铁矿石带入，大量(60％~90％)是还原剂和燃烧煤带入的。

钒钛磁铁矿中硫主要呈FeS2，FeS和磁黄铁矿形态。

矿石入窑后，随着温度升高，FeS2开始分解(300~600℃)，900℃分解激烈进行。

煤中硫的形态复杂，多为有机硫、硫化物(FeS2，FeS，磁黄铁矿)和硫酸盐(CaSO4，Fe2(S04)3)三种形态。

由于加煤方法和条件不同，窑内行为也有差异。

就多数煤粉来说，含硫多在 1.5％以上。

高硫煤粉的使用，有三种途径: 用碱性灰份褐煤控制海绵铁含S量；用酸性灰分褐煤配用碱性灰分煤粉控制海绵铁含硫量；酸性灰分褐煤加脱硫剂。

通常认为还原钒钛磁铁矿时，回转窑用白云石或脱硫效果好，可使海绵铁含硫量＜0.07％。