回转窑生产直接还原铁工艺网络收集图文并茂详解 一二三.docx
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回转窑生产直接还原铁工艺网络收集图文并茂详解一二三
直接还原铁生产工艺——回转窑
（一）
2011-05-3015:
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回转窑直接还原法是以连续转动的回转窑作反应器，以固体碳作还原剂，通过固相还原反应把铁矿石炼成铁的直接还原炼铁方法。
回转窑直接还原是在950～1100℃进行的固相碳还原反应，窑内料层薄，有相当大的自由空间，气流能不受阻碍的自由逸出，窑尾温度较高，有利于含铁多元共生矿实现选择性还原和气化温度低的元素和氧化物以气态排出，然后加以回收，实现资源综合利用。
由于还原温度较低，矿石中的脉石都保留在产品里，未能充分渗碳。
由于还原失氧形成大量微气孔，产品的微观类似海绵，故也称海绵铁。
原料要求
铁矿石（包括氧化球团矿）、还原与燃烧用煤和脱硫剂是煤基回转窑直接还原生产的主要原料，是直接还原生产的物质基础。
原料的质量不仅对直接还原的生产效率、产品质量和能源消耗等技术经济指标有直接影响，还决定着直接还原工艺的成败。
因此，做好原料选择和加工准备是直接还原生产十分重要的基础工作，是能否生产出直接还原铁的关键。
一含铁原料的选用
用于回转窑直接还原生产的含铁原料可以是天然铁矿石（即块矿），也可以是氧化球团。
决定含铁原料质量的主要因素是：
化学成分、物理性质和冶金性能。
适宜于回转窑直接还原生产的铁矿石必须：
含铁量高、脉石含量少、有害杂质少、化学成分稳定、粒度适宜，并且具有良好的还原性及一定的强度。
化学成分
1．含铁量与脉石
含铁原料以铁氧化物为主，还含有SiO2Al2O3、CaO、MgO等成分。
在回转窑还原过程中，所发生的主要化学变化是在固态下脱除含铁原料中的氧，而不能脱除脉石成分和其他杂质。
因此选用的含铁原料必须是含铁量高、脉石含量低。
通常要求含铁量在66％以上，脉石总量小于8%。
CaO与MgO通常在矿石中含量不多，在炼钢过程中不是有害成分，对回转窑工艺也没有大的影响。
一般要求原料中CaO<2.5%,Mgo<1.5％。
保留在直接还原铁中的酸性脉石SiO2和Al2O3导至炼钢电耗增高，生产率下降，渣量和各种材料消耗增加、炉衬寿命缩短。
铁矿石中（SiO2+Al203）应小于5.5％。
2．含硫量
硫对钢材是最有害的成分，因为它使钢材具有热脆性。
在回转窑直接还原生产中，原料带入的硫，部分挥发进入废气，部分被脱硫剂吸收，工艺本身有一定的脱硫能力。
但综合考虑冶炼效果，含铁原料的含硫量应尽可能低，一般要求小于0.03%。
3．含磷量’
磷也是钢材的有害成分，它使钢材具有冷脆性。
铁矿石中的磷，在回转窑还原过程中不能脱除。
直接还原铁的含磷量取决于矿石的带入量。
高磷直接还原铁用于炼钢，迫使炼钢增加渣量，提高炉渣碱度，使炼钢能耗增加和产率下降。
因此铁矿石原料中磷含量应尽可能低，最好在O．03％以下。
4．其他成分
铅、锌、铜、砷、锡是优质钢中的受控成分。
一般要求含铁原料中这些元素与其他有色金属元素的总含量不大于O．02％钾、钠等碱金属氧化物的腐蚀性很强，易与窑衬生成低熔点硅酸盐，造成窑衬粘结，以致结圈，影响回转窑正常作业。
另外，含铁原料内含有碱金属氧化物，将会促使其在还原过程中产生膨胀、粉化，造成粉尘损失。
含铁原料中碱金属氧化物含量一般以低于0.02％为宜。
物理性质
原料的物理性质也是影响回转窑直接还原的重要因素。
主要包括粒度和强度。
1．粒度
入窑矿石粒度主要是取决于矿石的还原性，粒度上限与还原性成正比，它以回窑卸料端排出物的核心得到还原为原则；粒度下限的选择要能保证料层具有足够的透气性，而且能与其他原料较均匀混合，有利于防止低熔物生成和局部区段过热。
一般认为采用块矿时粒度为5～20mm，其中小于5mm和大于20mm量分别不大于5％；采用球团矿时，粒度为9～16mm，其中10～16mm量不少于95%。
2．强度
矿石强度表示矿石在窑内抗冲击和磨擦的能力。
原料强度不高，在回转窑内将被破碎，产生粉末，容易引起结圈。
另外，还原过程产生粉末会增加后续处理工作，影响经济效益。
通常用转鼓指数和抗压强度表示矿石的这一性能。
冶金性能
铁矿原料的冶金性能与回转窑直接还原工艺有密切关系，一定程度上决定着回转窑直接还原在技术经济上的可行与否。
冶金性能主要表现为矿石的还原性和爆裂性。
1．还原性
还原性是指铁矿石中与铁结合的氧被气体还原剂（CO、H2）夺取的难易程度。
与铁结合的氧容易被气体还原剂夺取的矿石，还原性好，反之则还原性差。
在回转窑里把铁矿石还原成金属化直接还原铁的时间，主要取决于矿石的还原性。
还原性越好，物料在回转窑内停留的时间越短，窑的生产率越高，且允许适当降低还原作业温度，提高回转窑作业的安全性。
另一方面，还原性好的矿石可放宽入窑粒度上限，能改善矿石的利用率和还原产品的利用，取得直接经济效益。
回转窑直接还原工艺应该选用还原性好的块矿和球团矿作原料。
一般情况，经过充分氧化固结的球团矿，其还原性优于天然块矿。
通常铁矿石还原性指标用还原度在40％时的还原速率表示，这项指标应大于O．55％／分。
2．爆裂性
在回转窑直接还原生产中，铁矿石的爆裂现象是由于受热爆裂和还原引起爆裂的综合效应所产生的。
矿石爆裂严重时，回转窑作业铁损高，产量下降，还易引起窑内结圈。
含铁原料的综合评价’
选用铁矿石，尤其是天然块矿，全面符合上述回转窑直接还原工艺要求是困难的，也是不多的。
往往某种矿石含铁品位高，脉石含量少，但硫、磷含量偏高；或是含铁量高，硫、磷杂质含量合适，而有害金属元素偏高；或是矿石的化学成份都比较理想，而其冶金性能或物理性质不好。
固此，对矿石作出正确的综合评价，是选用含铁原料的重要前提。
生产实践证明，选用回转窑直接还原含铁原料，不能单纯重视化学成分，必须兼顾矿石的冶金性能和物理性质。
二煤的选用
煤是回转窑直接还原生产不可缺少的原料，它是煤基直接还原的还原剂和供热燃料。
煤的品质对回转窑直接还原的工艺流程、生产结果、经济效益均有重大影响。
做好煤的选择是回转窑直接还原生产中致关重要的前提。
作为煤基回转窑直接还原用煤的质量要求，主要从化学成分和冶金性能进行评价。
化学成分
1．固定碳和灰分
生产直接还原铁的煤耗主要取决于煤的固定碳含量。
固定碳含量越高，煤耗就越低。
煤的固定碳含量低，则灰分增多，占去回转窑的有效容积增加，从而降低设备效率。
同时消耗于加热灰分的能量增加。
大量实践证明，直接还原用煤最好选用固定碳含量大于50％、灰分小于20％的煤种。
2．挥发分
挥发分是指煤在加热过程中释放出的挥发性物质。
挥发分的放出有利于促进还原反应，为还原反应提供燃烧热量和调节反应区域的温度分布。
但挥发分过高，使废气量增加，废气热损失大，导致热量消耗的增加，而控制不好则易产生局部过热。
煤的挥发分一般在30％为宜。
3．含硫量
入窑原料中硫负荷的80～90％是由煤带入的。
减少还原煤的含硫量是降低直接还原铁产品含硫量的主要措施。
煤的含硫量应小于1.0%。
使用含硫量高的煤作为还原剂，需增加脱硫剂的使用量，以保证产品含硫量合格，从而也导致热量消耗的增加。
4．水份
煤的水分过高，同样会增加回转窑直接还原的热消耗，导致降低回转窑的产率，并影响喷煤的正常作业。
加入煤的含水量一般应小于10～l5%，窑头喷吹煤最好小于5％。
并且，煤的含水量应稳定，以保证还原过程的稳定。
冶金性能
1．反应性
煤的反应性是指煤在某温度下，煤中固定碳与CO2反应生成CO的能力。
煤的反应性是评价固体还原剂的重要指标。
反应性好的煤可以使回转窑反应窑间维持较高的cO浓度，促进铁氧化物的还原，允许采用较低的还原作业温度，有利于防止窑内结圈，可以相应降低对还原煤灰分软化温度的要求。
通常希望煤的反应性值在950℃时达到90％以上。
2．灰分熔融性
灰分熔融性是指煤的灰分在高温条件下开始软化（T1）、变形（T2）、到完全熔化为液态（T3）的温度。
这也是评价煤的一个重要指标。
煤灰软化温度（T1）越高，在正常操作温度下，窑内物料越不容易粘结，防止窑内结圈。
回转窑所允许的操作温度应低于煤灰软化温度150℃。
一般认为灰分软化温度最好大于1200℃。
3。
热稳定性
热稳定性是指煤在加热过程中维持其原始粒度的性质。
热稳定性差的煤在使用中将过度粉碎，生成大量粉末，引起偏析，影响正常作业。
热稳定性适当的煤，在升温过程中粉粹适当，可以减少用前破碎处理。
在回转窑直接还原工艺中，煤的热稳定性指标TS+6mm大于70％即可适用。
4．自由臌胀指数和结焦指数
自由膨胀指数是测定挥发物在挥发过程中煤产生自由膨胀的指标。
煤在窑内超常膨胀会引起炉料体积增大，堆比重下降，炉料偏析，恶化热传导条件。
回转窑用煤，通常要求煤的自由膨胀指数小于l。
结焦指数大，易使煤粒粘结块长大，导致物料偏析和炉料粘结，造成煤的利用率下降。
为了保证窑内不产生结焦，通常要求煤的结焦指数小于3。
5．粒度
煤的平均粒度应与矿石（或球团）的平均粒度相近，以保证炉料混合均匀，不产生偏析。
热稳定性差的煤，其粒度上限可适当放宽。
窑尾加入的煤应尽量减少粉末的数量，避免吹损和结圈。
窑头喷入煤的粒度必须严格控制，并力求稳定。
三脱硫剂的选用
回转窑加入脱硫剂的目的是去除物料的硫，改善直接还原铁的质量。
回转窑直接还原生产常用的脱硫剂是石灰石（CaCO3）或白云石[caMg（c03）2]。
回转窑直接还原生产对脱硫剂的质量要求
1．碱性氧化物（CaO+MgO）含量高，否则，脱硫剂的用量多，增加热量消耗。
一般要求脱硫剂中酸性氧化物（SiO2+A1203）不大于3.5%。
酸性氧化物含量高，即降低了碱性氧化物含量。
2．硫、磷含量要低。
3.石灰石应有一定的粒度。
粒度过大，石灰石分解速度慢，增加高温区的热量消耗。
直接还原铁生产工艺——回转窑
（二）
回转窑直接还原法工艺特征
回转窑法工艺流程如图示。
回转窑是与水平稍呈倾斜放置在几组支撑托轮上、内衬耐火材料可连续旋转的筒形高温反应器。
作业时，将一定粒度的铁矿石（块矿、球闭矿）、部分还原煤（包括返回炭）和脱硫剂按比例连续从窑加料端（尾端）加入，随着窑体转动（0.5～1.2r/min），物料受摩擦力被带起一定高度并因重力作用翻滚落下，同时向窑排料端（低端）前移一小距离。
在窑排料端还设有还原煤喷送装疆，靠高压空气将适宜粒度的还原煤送入窑内，调节喷送空气量能有效地控制喷入距离和分布。
窑内物料加热和反应热由排料端和沿窑长装设的伸入窑内的供风管送入空气（一次风和二次风），燃烧窑内还原煤释放的挥发分、还原反应生成的CO和碳提供。
如热量不足，可在窑头增设煤粉烧嘴补充。
物料在前移过程中逐渐被逆向的热气流加热，完成干燥、预热、碳酸盐分解、脱硫、铁氧化物（或其他元素）还原和渗碳反应等。
调节各风管供风量、煤粉和还原煤数量、粒度和分布，可灵活的控制窑内温度和分布。
使入窑铁矿石在窑内停留8～10小时和950～1100℃下转变成海绵铁。
有些回转窑为扩大高温还原带长度，在预热段安有埋入烧嘴，空气送入料层燃烧窑尾还原煤释放的挥发分，提高预热段温度。
从排料端排出的高温料通过溜槽落入冷却筒。
靠筒外喷水（或内、外同时喷水）将料冷却到120℃以下。
为改善物料运动强化冷却，筒内装有扬料板。
在回转窑卸料端及冷却筒两端安装有密封装置，生产时维持微正压，防止空气吸入发生再氧化。
冷却后的物料经筛分分级、磁选分离得出磁性颗粒料（直接还原铁）、磁性粉料、非磁性颗粒料和非磁性粉。
磁性粉料拌加黏结剂后压成块，与直接还原铁一起供电炉炼钢。
非磁性颗粒料含较高固定碳，可作还原剂重新利用。
因回转窑还原温度较高（950～1100℃），产品比较安定，通常不需钝化处理。
回转窑直接还原铁含碳低（0.05％～0.3％），S、P均<0.03％、金属化率按要求控制在88％～93％。
回转窑直接还原工艺过程举例
当使用细精矿为原料时，可采用细精矿造球，铺放在与回转窑加料端相连的链箅机箅床上，利用回转窑排出的高温废气将球团干燥、预热和固结，到一定强度后从链算机卸料端卸下进入回转窑继续还原作业。
用一套装置完成从精矿粉生产金属化球团过程。
称回转窑一步法省去细精矿生产氧化球团环节，简化生产工艺、减少建设投资、节省能源、生产费用降低。
回转窑直接还原工艺已进入技术成熟，稳步发展阶段。
其发展方向是改进操作技术，降低能耗，提高产率、扩大生产能力。
当前回转窑直接还原方法繁多，各有特色，原料和产品也各有差异。
生产炼钢海绵铁的方法如SL/RN法、CODIR法、DRC、TDR、ACCAR等；还有用于处理含铁粉尘和复合矿综合利用的多种方法。
各种方法虽有其特征，但其工艺过程和原理基本相同。
回转窑直接还原法工作原理
经预热装置或直接进入回转窑简体的物料与窑头的燃烧气体按逆流方式进行热交换。
物料从窑尾至出料端经过干燥、预热、分解、煅烧及冷却等段带。
燃烧装置设在窑头，喷入燃料，燃烧的烟气受排烟装置（烟囱或排烟机）造成的负压的影响沿筒体上升流动，与物料逆向相遇进行热交换，并从窑尾排出。
回转窑简体呈3％～3．5％的斜度安装，并以1～2r／min慢速旋转，自窑尾端加入的物料沿窑体以翻滚及滑动的方式朝窑头出料端移动，最后从出料端卸出。
窑内各段带的分配及其长度随加入物料的性质及其在加热过程中的物理化学变化不同而有所差异。
煅烧带以辐射传热为主，预热带则以对流和传导传热为主。
从窑尾排出的烟气温度较高，一般可达900～1100℃。
为了有效地利用余热，可在窑的加料端设置各种原料预热装置或余热锅炉。
出窑的熟料温度有的高达1000～1300℃。
在窑的出料端设置熟料冷却装置，以便回收余热。
熟料冷却至250℃以下时进入下一工序。
设备组成
主要由筒体、滚圈、支承装置、传动装置、窑头罩、密封装置、集尘室、燃烧装置及热烟室等部分构成。
（见图）
（1）筒体。
回转窑的筒体由钢板卷成，从铆接已发展为全部焊接。
筒体应具有足够的刚度和强度，以保证在安装和运转中轴线的直线性和截面的圆度。
筒体内衬耐火材料，起保护简体和减少散热的作用，简体衬砖应能满足操作条件的要求。
预热带一般采用粘土砖，烧成带根据煅烧温度、化学侵蚀等因素选择。
煅烧粘土的回转窑一般采用粘土砖或3等高铝砖砌筑；高铝矾土回转窑一般采用高铝砖砌筑；镁质、镁质合成砂、白云石砂、活性石灰回转窑则采用碱性砖砌筑。
筒体两端设有窑口护板，防止筒体因受灼热物料或高温烟气作用而变形开裂以及导致筒体的窑衬脱落。
由于窑口工作温度有时高达1000～1300℃，故窑口护板应由可以更换的耐热、耐磨材料制成，必要时还采用风冷或水冷措施。
（2）滚圈。
简体上装有若干个滚圈（轮带），将筒体分成数跨。
简体、窑衬、物料及窑皮等所有回转部分的重量均通过滚圈传递到支承装置上。
滚圈由耐磨性好，接触疲劳强度高的碳钢、合金钢铸成或锻造。
滚圈截面形状有矩形和箱形两种，当前多数采用矩形截面滚圈。
滚圈与筒体之间留有适度的间隙，既可增强筒体刚度，又不致使筒体和滚圈产生较大的热应力。
（3）支承装置。
承受着回转设备的全部重量。
对简体起着轴向与径向定位作用，使其能安全平稳的运转。
支承装置由托轮、托轮轴、托轮轴承、挡轮及底座等部分构成。
托轮直接与滚圈接触。
各组托轮轴线必须与简体中心线平行，且两组托轮中心与筒体断面中心的三点连线应形成等边三角形。
托轮宽度略宽于滚圈，由耐磨铸钢制成，托轮断面有单轮幅、双轮幅及三轮幅等3种结构，安装方式有心轴式和转轴式2种。
转轴式托轮轴一般是热配合装配。
托轮轴承结构形式分滑动轴承、滚动轴承及滑动一滚动轴承等，大多采用滑动轴承。
滑动轴承的瓦衬镶在球面瓦上，形成球面接触，能自动调心，油勺带油润滑，球面瓦窜水冷却，轴端设有止推盘，轴肩有止推环以承受轴向推力。
轴承固定在型钢底座上，并有调整托轮位置用的顶丝。
滚动轴承虽具有结构简单，摩擦阻力小，电耗低等优点，但大型轴承的一次性投资大，寿命较滑动轴承低。
除前苏联在大直径回转窑的支承装置上采用滚动轴承外，美国、丹麦和日本等国的回转窑均采用滑动轴承，中国仅在中小型回转窑上有的采用滚动轴承。
挡轮的作用是限制或控制筒体轴向窜动。
窑体支承装置的组数称为窑的档数。
可在一档或数档支承装置上装有挡轮，称为带挡轮支承装置，除液压挡轮外，一般只在靠大齿圈附近的滚圈两旁装一组挡轮。
挡轮按其功能分为“信号挡轮”，“推力挡轮”及“液压挡轮”。
“信号挡轮”多数用在旧式窑上，它不是防止窑体轴向窜动的止挡装置，只起信号作用。
“推力挡轮”承受窑体下滑力，限制筒体轴向窜动。
“液压挡轮”是通过液压装置推动挡轮，迫使简体作轴向运动，保证滚圈和托轮在全宽度上均匀磨损及简体直线性以减少动力消耗。
这种装置可同时采用几个小型液压挡轮，共同承受窑体轴向窜动力，特别适用于大直径多挡数的回转窑。
（4）传动装置。
通过减速机构将动力传递给用弹簧板固定在简体上的大齿圈，使筒体作慢速回转。
由于运输和安装的要求，齿圈为两半剖分式，其齿数均为偶数。
弹簧板有切向和纵向两种。
窑传动装置特点是传动比大，要求平滑无级调速，起动力矩大。
分为主传动和辅助传动两个系统。
主传动系统多数由主电动机、主减速机、齿轮和大齿圈组成，亦可中间再加一级半敞开齿轮或皮带传动，或采用两套电动机和减速机构的双传动方式。
主电动机应有调速功能。
辅助传动系统的作用是当主电动机或主电源发生故障时定期转动窑体，避免筒体产生变形与弯曲，在窑体砌砖或检修时亦使用。
由辅助电动机带动辅助减速机，通过离合器与主减速机的高速轴相连。
辅助电动机与主电动机分别用不同电源供电。
辅助电动机也可用柴油发动机代替。
（5）窑头罩。
连接筒体窑头端与冷却装置，罩内砌有粘土砖，并设有监视窑内燃料和物料燃烧情况的看火孔和检修门。
窑头罩有固定式和移动式2种。
大型回转窑多数采用固定式。
（6）密封装置。
防止从窑的回转部件与固定装置间隙处吸入空气或窑内携尘的气体外泄。
有窑头，窑尾密封之分，窑头罩与简体间的密封称窑头密封；集尘室与简体间的密封称窑尾密封。
密封装置的基本要求首先是密封性能好，能适应运转时简体圆度公差值和轴向窜动幅度；此外是结构简单，维修方便，耐磨损且不影响窑的热工制度。
密封装置有迷宫式（曲径式），接触式（摩擦式）和气封式等3种。
也可将上述两种或3种综合应用。
（7）集尘室。
设于窑尾端，由红砖砌筑，内砌筑粘土砖，外部用钢骨架加强。
其顶部设加料管将物料直接喂入窑内，烟气自窑尾进入集尘室，因流速降低，一部分粉尘在室内沉降，侧墙装有烟气排出管，室下部设有粉尘清理门或机械运灰装置。
当窑尾采用预热装置时，则不设集尘室。
（8）燃烧装置。
根据燃料不同，燃烧装置有喷煤管、燃油烧嘴及燃气烧嘴。
燃烧装置装设在支架上，从窑头以悬臂形式伸入窑内，支承架上装有烧嘴调节机构，可调节火焰的位置。
（9）热烟室。
设于窑头罩下部，由红砖砌筑，内衬粘土砖，外部用钢骨架加强，其中部一侧设有下料口，将回转窑煅烧好的料溜至冷却装置。
进入冷却装置的冷空气经与回转窑煅烧好的物料进行热交换后，温度可达500℃左右，被排烟装置吸引至窑内作为二次空气使用。
热烟室侧墙装有小门，供观察及处理结砣的物料用。
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