目前，資源短缺和環(huán)保壓力對(duì)鋼鐵企業(yè)的生存和鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，開發(fā)煉鐵新工藝成為必然。轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝是近十幾年來興起的一項(xiàng)煤基非高爐煉鐵新工藝，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。該工藝的基本特點(diǎn)是怎樣？應(yīng)用潛力如何？對(duì)我國鋼鐵工業(yè)的意義是什么？

　　在不斷完善現(xiàn)有高爐煉鐵工藝的同時(shí)，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(duì)資源、環(huán)境過度依賴的問題，形成了眾多直接還原、熔融還原技術(shù)。其中，轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝具有流程短、原料要求簡(jiǎn)單、反應(yīng)速率快、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以在較低的溫度下、較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)渣鐵分離，得到高品質(zhì)生鐵，近年來受到廣泛關(guān)注。

　　珠鐵工藝的基本原理和特點(diǎn)

　　轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝是轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原工藝的進(jìn)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(shí)現(xiàn)金屬鐵滲碳和脈石造渣，最終達(dá)到渣鐵分離的目的。含碳球團(tuán)制備珠鐵的過程包括加熱、還原、滲碳和渣鐵熔離4個(gè)基本過程，其中以還原、滲碳和渣鐵熔離為主。

　　還原反應(yīng)：一般認(rèn)為鐵礦含碳球團(tuán)在高溫條件下所發(fā)生的與鐵氧化物還原有關(guān)的反應(yīng)包括固―固直接還原、碳的氣化、滲碳、氣―固間接還原。整個(gè)還原反應(yīng)包括固―固直接還原反應(yīng)和借助氣體中間產(chǎn)物的直接還原反應(yīng)，并以借助氣體中間產(chǎn)物的直接還原為主。

　　滲碳反應(yīng)：鐵氧化物被還原成金屬鐵后，由于其會(huì)與周圍的CO和固體碳接觸，從而會(huì)發(fā)生直接滲碳和間接滲碳反應(yīng)。隨著溫度的提高，間接滲碳反應(yīng)在熱力學(xué)上會(huì)受到抑制，從而使間接滲碳反應(yīng)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(yīng)速率就會(huì)顯著降低。因此，珠鐵生成過程中的滲碳反應(yīng)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(guān)系。

　　渣鐵熔化及分離：當(dāng)鐵礦含碳球團(tuán)被加熱至1350℃～1450℃時(shí)，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(shí)CaO、SiO2、MgO、Al2O3等脈石氧化物和殘余FeO發(fā)生造渣反應(yīng)而熔化。由于熔態(tài)的鐵和渣在密度、表面張力等方面的差異，渣鐵實(shí)現(xiàn)分離，而表面張力的差異是決定渣鐵能否實(shí)現(xiàn)良好分離的關(guān)鍵。大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和美國MesabiNugget的生產(chǎn)實(shí)踐表明，在1350℃～1450℃經(jīng)過10min～20min實(shí)現(xiàn)渣鐵分離是完全可行的。

　　技術(shù)和設(shè)備存在缺陷和不足

　　目前，沒有哪一種煉鐵工藝?yán)碚撋鲜菦]有缺點(diǎn)的。雖然，轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝與傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝相比，不需燒結(jié)和焦化工序，工藝簡(jiǎn)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(zhì)的鐵礦資源和碳質(zhì)原料。但是，轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝也有其技術(shù)和設(shè)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(tuán)直接以鐵礦粉、煤粉為原料，礦、煤中的硫均沒有經(jīng)過預(yù)處理脫除，而且含碳球團(tuán)渣鐵熔分過程時(shí)間短，渣、鐵流動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(shí)球團(tuán)中約80%的硫被脫除。當(dāng)原燃料中的硫負(fù)荷較高時(shí)，宜通過選礦或氧化焙燒實(shí)現(xiàn)原料的預(yù)脫硫，或者在后續(xù)煉鋼過程采用成熟的鐵水預(yù)脫硫技術(shù)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(chǎn)硫含量較高的鋼種。總之，在轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝過程中要適度脫硫，不能對(duì)珠鐵中的硫含量要求過于嚴(yán)格。

　　熱效率和設(shè)備利用率低。轉(zhuǎn)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(tuán)將其加熱。與高爐良好的氣固熱交換相比，轉(zhuǎn)底爐的熱效率很低，同時(shí)高溫?zé)煔鈴臓t膛直接進(jìn)入煙道，造成熱量流失。一般認(rèn)為，轉(zhuǎn)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(shí)降低轉(zhuǎn)底爐本體散熱，那么綜合比較整個(gè)流程的能耗，轉(zhuǎn)底爐珠鐵流程可能會(huì)低于高爐煉鐵。此外，轉(zhuǎn)底爐爐膛高、料層薄，設(shè)備的利用率較低，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)低于高爐。

　　轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)在我國成功的范例較少，工藝和設(shè)備成熟度低，尚沒有豐富的工程設(shè)計(jì)和設(shè)備制造經(jīng)驗(yàn)等均加大了該工藝的不確定性。對(duì)于珠鐵工藝來說，由于要求更高的溫度，設(shè)計(jì)、操作難度和設(shè)備維護(hù)費(fèi)都會(huì)有所增加。目前較為成熟的轉(zhuǎn)底爐年產(chǎn)量只能在50萬噸左右。從產(chǎn)量規(guī)模這一點(diǎn)來說，轉(zhuǎn)底爐與年產(chǎn)數(shù)百萬噸的高爐是無法比擬的，替代高爐工藝更不現(xiàn)實(shí)，這也成為限制該技術(shù)推廣的一大難題。因此，轉(zhuǎn)底爐不適宜作為大規(guī)模冶煉普通生鐵的設(shè)備。但是，在鐵礦資源豐富、以煤為主要能源、環(huán)保要求高的國家和地區(qū)，該工藝還是有應(yīng)用前景的。

　　珠鐵工藝的應(yīng)用潛力

　　珠鐵工藝節(jié)能減排潛力大。轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝省去了燒結(jié)、球團(tuán)和焦化工序，因而能耗和污染物排放會(huì)不同程度地降低。目前，最大商業(yè)規(guī)模的轉(zhuǎn)底爐尺寸為50m×7m，轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝最大年產(chǎn)量為50萬噸/年。在考慮煙氣余熱回收發(fā)電的條件下，轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝由于實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)底爐珠鐵―電爐煉鋼流程與高爐―轉(zhuǎn)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(shí)際減排效果的好壞需要生產(chǎn)實(shí)踐的考驗(yàn)，目前這方面數(shù)據(jù)鮮有。

　　珠鐵工藝可用于處理低品位復(fù)雜鐵礦資源。傳統(tǒng)的高爐冶煉流程對(duì)鐵礦石品位要求較高（一般TFe>50%），以減少渣量、實(shí)現(xiàn)煉鐵過程的穩(wěn)定操作。自然狀態(tài)的鐵礦石一般難以滿足要求，鐵礦石原礦必須經(jīng)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(jié)、球團(tuán)進(jìn)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(xì)，若要通過細(xì)磨實(shí)現(xiàn)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(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)。此外，有些礦石中的鐵氧化物是非磁性的，富集工藝比較復(fù)雜。因此，現(xiàn)有煉鐵流程只能利用那些可以經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)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(jīng)過復(fù)雜的富集過程，將極大地拓展可用鐵礦石的資源量，并簡(jiǎn)化現(xiàn)有煉鐵流程和降低生產(chǎn)成本。當(dāng)然，過多脈石熔化造渣會(huì)增加能耗，從而降低其經(jīng)濟(jì)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(jì)算結(jié)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(dāng)TFe從61%降低到30%時(shí)，總能耗增加20%左右，此時(shí)珠鐵工藝的能耗仍優(yōu)于高爐煉鐵流程。但是，當(dāng)?shù)V石品位較低時(shí)，生產(chǎn)率和鐵的收得率會(huì)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(zhuǎn)底爐珠鐵工藝的球團(tuán)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(xiàn)的透氣性問題，轉(zhuǎn)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?yán)碚撋峡梢蕴幚磔^低品位的鐵礦資源。調(diào)整好適宜的爐渣堿度和冷卻制度，由于熱應(yīng)力的作用，渣和珠鐵間可以自然脫離，經(jīng)過簡(jiǎn)易的破碎和磁選，實(shí)現(xiàn)渣和鐵的最終分離，獲得高品質(zhì)的生鐵。

　　珠鐵工藝在我國的應(yīng)用前景

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

　　截至2011年末的統(tǒng)計(jì)，我國共有鐵礦區(qū)4011個(gè)，鐵礦查明資源儲(chǔ)量為744億噸。我國鐵礦石絕大多數(shù)為須要選礦的貧鐵礦，占總儲(chǔ)量的97.5%，多組分共（伴）生鐵礦石儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)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(duì)復(fù)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(fù)雜，精礦生產(chǎn)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(gè)百分點(diǎn)。

　　在含碳球團(tuán)還原熔分渣鐵分離過程中，渣和鐵不必達(dá)到較高的熔融度，渣―金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件差，因此元素在渣―金間的分配遠(yuǎn)偏離平衡態(tài)。而且實(shí)際的轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)分段靈活控溫，并且可以達(dá)到較高的溫度水平。因此，轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝可以為我國低品位復(fù)雜鐵礦資源的利用提供更加靈活的手段。

　　在可以預(yù)見的未來，我國環(huán)保要求會(huì)更加嚴(yán)格，現(xiàn)有高爐煉鐵流程必將受到更多限制，而轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝可以在一定程度上作為高爐煉鐵的有益補(bǔ)充。同時(shí)，“十二五”末我國共（伴）生礦產(chǎn)綜合利用率的目標(biāo)是45%，相應(yīng)的共（伴）生礦、難選冶礦的綜合利用量將達(dá)到2億噸以上，我國復(fù)雜而豐富的鐵礦資源也為轉(zhuǎn)底爐珠鐵工藝的開發(fā)提供了廣闊的空間。