目前，資源短缺和環保壓力對鋼鐵企業的生存和鋼鐵工業的可持續發展提出了嚴峻挑戰，開發煉鐵新工藝成為必然。轉底爐珠鐵工藝是近十幾年來興起的一項煤基非高爐煉鐵新工藝，并已經實現了商業化應用。該工藝的基本特點是怎樣？應用潛力如何？對我國鋼鐵工業的意義是什么？本期《熱點聚焦》邀您一同關注這一煉鐵新工藝。

王廣薛慶國孔令壇

在不斷完善現有高爐煉鐵工藝的同時，煉鐵工作者一直試圖尋找新的非高爐煉鐵工藝，以從源頭上緩解煉鐵工序高排放和對資源、環境過度依賴的問題，形成了眾多直接還原、熔融還原技術。其中，轉底爐珠鐵工藝具有流程短、原料要求簡單、反應速率快、設備簡單、操作靈活等優點，同時可以在較低的溫度下、較短的時間內實現渣鐵分離，得到高品質生鐵，近年來受到廣泛關注。

珠鐵工藝的基本原理和特點

轉底爐珠鐵工藝是轉底爐煤基直接還原工藝的進一步延伸。該工藝仍然采用粉礦和粉煤的壓塊為原料，通過高溫加熱，除了要完成鐵氧化物的還原外，還要實現金屬鐵滲碳和脈石造渣，最終達到渣鐵分離的目的。含碳球團制備珠鐵的過程包括加熱、還原、滲碳和渣鐵熔離4個基本過程，其中以還原、滲碳和渣鐵熔離為主。

還原反應：一般認為鐵礦含碳球團在高溫條件下所發生的與鐵氧化物還原有關的反應包括固—固直接還原、碳的氣化、滲碳、氣—固間接還原。整個還原反應包括固—固直接還原反應和借助氣體中間產物的直接還原反應，并以借助氣體中間產物的直接還原為主。

滲碳反應：鐵氧化物被還原成金屬鐵后，由于其會與周圍的CO和固體碳接觸，從而會發生直接滲碳和間接滲碳反應。隨著溫度的提高，間接滲碳反應在熱力學上會受到抑制，從而使間接滲碳反應速率先增加后減小，并且CO氣體中只要有少量的CO2，滲碳反應速率就會顯著降低。因此，珠鐵生成過程中的滲碳反應以直接滲碳為主。眾多研究表明，金屬鐵或珠鐵中滲碳量與溫度、還原劑種類、脈石組成等因素有密切關系。

渣鐵熔化及分離：當鐵礦含碳球團被加熱至1350℃～1450℃時，在完成鐵氧化物還原、金屬鐵滲碳后，金屬鐵即迅速熔化而聚集成鐵珠，同時CaO、SiO2、MgO、Al2O3等脈石氧化物和殘余FeO發生造渣反應而熔化。由于熔態的鐵和渣在密度、表面張力等方面的差異，渣鐵實現分離，而表面張力的差異是決定渣鐵能否實現良好分離的關鍵。大量實驗室試驗和美國MesabiNugget的生產實踐表明，在1350℃～1450℃經過10min～20min實現渣鐵分離是完全可行的。

技術和設備存在缺陷和不足

目前，沒有哪一種煉鐵工藝理論上是沒有缺點的。雖然，轉底爐珠鐵工藝與傳統高爐煉鐵工藝相比，不需燒結和焦化工序，工藝簡單了許多，投資成本、污染物排放大大降低，操作也更加靈活，還可以利用低品質的鐵礦資源和碳質原料。但是，轉底爐珠鐵工藝也有其技術和設備上的缺陷和不足。

珠鐵中硫含量的控制存在問題。由于珠鐵工藝所用含碳球團直接以鐵礦粉、煤粉為原料，礦、煤中的硫均沒有經過預處理脫除，而且含碳球團渣鐵熔分過程時間短，渣、鐵流動性差，渣中FeO含量較高，因此脫硫效果較差。若采用提高堿度、添加脫硫添加劑等方式實現珠鐵脫硫，則可能造成渣鐵難以分離。目前適宜的脫硫堿度最高為1.2，此時球團中約80%的硫被脫除。當原燃料中的硫負荷較高時，宜通過選礦或氧化焙燒實現原料的預脫硫，或者在后續煉鋼過程采用成熟的鐵水預脫硫技術將鐵水中硫含量降至合格水平，還可以將高硫珠鐵用于生產硫含量較高的鋼種。總之，在轉底爐珠鐵工藝過程中要適度脫硫，不能對珠鐵中的硫含量要求過于嚴格。

熱效率和設備利用率低。轉底爐通過燒嘴燃燒煤氣加熱爐體，熱量通過爐頂耐火材料輻射至球團將其加熱。與高爐良好的氣固熱交換相比，轉底爐的熱效率很低，同時高溫煙氣從爐膛直接進入煙道，造成熱量流失。一般認為，轉底爐煙氣帶走了爐膛全部輸入熱量的50%以上。若排料和熱廢氣的顯熱得以充分回收，加上爐膛中CO二次燃燒放熱，同時降低轉底爐本體散熱，那么綜合比較整個流程的能耗，轉底爐珠鐵流程可能會低于高爐煉鐵。此外，轉底爐爐膛高、料層薄，設備的利用率較低，生產效率遠低于高爐。

轉底爐直接還原技術在我國成功的范例較少，工藝和設備成熟度低，尚沒有豐富的工程設計和設備制造經驗等均加大了該工藝的不確定性。對于珠鐵工藝來說，由于要求更高的溫度，設計、操作難度和設備維護費都會有所增加。目前較為成熟的轉底爐年產量只能在50萬噸左右。從產量規模這一點來說，轉底爐與年產數百萬噸的高爐是無法比擬的，替代高爐工藝更不現實，這也成為限制該技術推廣的一大難題。因此，轉底爐不適宜作為大規模冶煉普通生鐵的設備。但是，在鐵礦資源豐富、以煤為主要能源、環保要求高的國家和地區，該工藝還是有應用前景的。

珠鐵工藝的應用潛力

珠鐵工藝節能減排潛力大。轉底爐珠鐵工藝省去了燒結、球團和焦化工序，因而能耗和污染物排放會不同程度地降低。目前，最大商業規模的轉底爐尺寸為50m×7m，轉底爐珠鐵工藝最大年產量為50萬噸/年。在考慮煙氣余熱回收發電的條件下，轉底爐珠鐵工藝由于實現了煤的高效利用，噸鐵能耗和CO2排放均比高爐煉鐵工藝大大減少，其中噸鐵能耗降低30%～35%。

轉底爐珠鐵—電爐煉鋼流程與高爐—轉爐煉鋼流程相比，各種污染物排放率大大降低，減排率基本在40%以上。但是實際減排效果的好壞需要生產實踐的考驗，目前這方面數據鮮有報道。

珠鐵工藝可用于處理低品位復雜鐵礦資源。傳統的高爐冶煉流程對鐵礦石品位要求較高（一般TFe>50%），以減少渣量、實現煉鐵過程的穩定操作。自然狀態的鐵礦石一般難以滿足要求，鐵礦石原礦必須經過破碎、磨礦、分選、脫水等一系列單元工序獲得高品位的鐵精礦，通過燒結、球團進入鋼鐵冶煉流程。但是，很多低品位鐵礦石中鐵礦物的嵌布粒度非常細，若要通過細磨實現鐵礦物與脈石礦物的單體解離，要么成本增加，要么在目前的技術條件下難以實現。此外，有些礦石中的鐵氧化物是非磁性的，富集工藝比較復雜。因此，現有煉鐵流程只能利用那些可以經濟地實現磨礦并通過選別獲得高品位鐵精礦的鐵礦資源。

如果一種煉鐵工藝可以直接有效利用脈石含量較高的低品位礦石，而無須經過復雜的富集過程，將極大地拓展可用鐵礦石的資源量，并簡化現有煉鐵流程和降低生產成本。當然，過多脈石熔化造渣會增加能耗，從而降低其經濟性。但是，與脈石尾礦不同，煉鐵渣是一種商品，可以抵消一部分能耗成本的增加。

計算結果表明，隨著礦石品位的降低，噸鐵總能耗、煙氣帶走的顯熱和造渣耗熱逐漸增加。當TFe從61%降低到30%時，總能耗增加20%左右，此時珠鐵工藝的能耗仍優于高爐煉鐵流程。但是，當礦石品位較低時，生產率和鐵的收得率會有所降低，且爐渣、煙氣顯熱占總能耗的比例增加，顯熱回收和減少爐體散熱顯得更加重要。

轉底爐珠鐵工藝的球團布料高度為1層～2層，氣流不必穿過料層，不存在高爐煉鐵工藝中因渣量大出現的透氣性問題，轉底爐珠鐵工藝可以承受較大的渣量。

綜合上述分析，珠鐵工藝理論上可以處理較低品位的鐵礦資源。調整好適宜的爐渣堿度和冷卻制度，由于熱應力的作用，渣和珠鐵間可以自然脫離，經過簡易的破碎和磁選，實現渣和鐵的最終分離，獲得高品質的生鐵。

珠鐵工藝在我國的應用前景

我國鋼鐵行業CO2排放量占全國的15%，能耗占全國總能耗的15%～16%。以傳統的高爐—轉爐流程為例，煉鐵系統（包括燒結、球團、焦化和高爐）的CO2排放量約占整個流程的95%。此外，2010年鋼鐵工業排放的SO2、NOx分別約占全國工業企業的9.5%、6.3%，而鋼鐵工業排放的SO270%以上、NOx80%以上來自煉鐵系統。鋼鐵工業節能減排的重點在煉鐵系統，而如今高爐煉鐵系統日益完善，工藝變革對節能減排的意義便凸顯出來。

截至2011年末的統計，我國共有鐵礦區4011個，鐵礦查明資源儲量為744億噸。我國鐵礦石絕大多數為須要選礦的貧鐵礦，占總儲量的97.5%，多組分共（伴）生鐵礦石儲量約占總儲量的1/3。須選礦的貧礦中，磁鐵礦占48.8%，礦石易選，是目前開采的主要礦石類型；釩鈦磁鐵礦占20.8%，成分相對復雜，是目前開采的重要礦石類型之一；赤鐵礦占20.8%，混合礦(磁—赤、磁—菱、赤—菱鐵礦的共生礦)占3.5%，菱鐵礦占3.7%，褐鐵礦占2.4%，這類鐵礦石一般難選，目前部分選礦問題有所突破，但總體來說選別工藝流程復雜，精礦生產成本較高。我國鐵礦石平均TFe品位為32.67%，比世界鐵礦平均品位低11個百分點。

在含碳球團還原熔分渣鐵分離過程中，渣和鐵不必達到較高的熔融度，渣—金反應動力學條件差，因此元素在渣—金間的分配遠偏離平衡態。而且實際的轉底爐生產可以實現分段靈活控溫，并且可以達到較高的溫度水平。因此，轉底爐珠鐵工藝可以為我國低品位復雜鐵礦資源的利用提供更加靈活的手段。

在可以預見的未來，我國環保要求會更加嚴格，現有高爐煉鐵流程必將受到更多限制，而轉底爐珠鐵工藝可以在一定程度上作為高爐煉鐵的有益補充。同時，“十二五”末我國共（伴）生礦產綜合利用率的目標是45%，相應的共（伴）生礦、難選冶礦的綜合利用量將達到2億噸以上，我國復雜而豐富的鐵礦資源也為轉底爐珠鐵工藝的開發提供了廣闊的空間。