季愛兵
(江蘇柏瀚環境科技有限公司, 江蘇 南京 210000)
鉻鐵是以鉻和鐵為主要成分的鐵合金,鉻鐵合金作為鋼的添加料,可以生產多種高強度、抗腐蝕、耐磨、耐高溫、耐氧化的特種鋼。如:不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼、滾珠軸承鋼、彈簧鋼、工具鋼等。
2020年全國高碳鉻鐵總產能為1285.8萬噸,其中內蒙古產能約585萬噸,占比47%,近全國一半;其次是四川、山西,產能分別達到107、103萬噸;2020年中國進口鉻鐵307萬噸[1]。
隨著全球鉻礦資源的大量開采,優質塊礦資源越來越少,粉礦資源成為中國鉻鐵冶煉的主要原料,粉礦量(-8 mm)約占80%[2];因此粉礦處理工藝成為中國鉻鐵冶煉的主要工藝。但在礦熱爐冶煉高碳鉻鐵時,粉礦過多會使爐料透氣性變差,爐況惡化,嚴重影響安全、電耗和鉻收得率等技術經濟指標[3-4]。目前主流的鉻粉礦預處理、冶煉工藝分為氧化法和還原法。
氧化法主流工藝有:燒結法、Outokumpu法;還原法主流工藝有:SRC(回轉窯+礦熱爐)法和DRC(轉底爐+礦熱爐)法。
1.1.1 燒結法
燒結法將鉻粉礦燒結成塊后投入礦熱爐進行還原冶煉,雖然燒結法有設備簡單、投資省、流程短等優點,但是存在成品強度差、粉末率高、不適合大型的密閉電爐使用、環境污染嚴重等問題;20萬噸鉻鐵生產配備24 m2的燒結機,根據《產業結構調整目錄》(2019年)規定:鐵合金生產用24平方米以下帶式鉻礦燒結機屬于淘汰類;由于還原負荷全在礦熱爐內,電耗高,約3400 kWh/t,高能耗導致生產成本高,能耗較高。
1.1.2 Outokumpu法
太鋼萬邦和明拓兩個大型鉻鐵生產項目,引進芬蘭Outotec技術,Outokumpu法是鉻粉礦在帶式焙燒機進行焙燒,混合料送入預熱窯預熱至500-600 ℃后,進入礦熱爐進行熔煉。這種技術在礦熱爐爐頂設有爐料的預熱裝置,以自產煤氣加熱爐料,降低電耗,冶煉電耗約2800 kWh/t。
1.2還原法鉻鐵冶煉工藝
由于氧化法存在的諸多問題,還原法應運而生,主要特點是將礦熱爐冶煉工序的功能提前,在進入礦熱爐之前將球團進行預還原,有效的降低了礦熱爐的冶煉電耗;主流工藝有SRC法和DRC法。
1.2.1 SRC法
SRC法利用回轉窯作為預還原設備,使鉻礦得到預還原,減少礦熱爐冶煉負荷,從而降低了礦熱爐冶煉電耗,冶煉電耗約~2500 kWh/t(綜合還原率30-40%),但存在如下問題:
1)回轉窯內易結圈,必須停窯檢修,作業率低,難以保證穩定生產;
2)對鉻礦和燃煤要求高(鉻礦的w(SiO2)<6%,所用煤粉灰分低);
3)完全做到球團熱裝入電爐冶煉是很困難的,為此一般均設置冷裝線,因此熱裝節電這一優點難以完全實現;
4)成品球團粉化率高;
5)回轉窯內只在窯尾安裝一個燃燒器,溫度和氣氛難以得到有效的控制,預還原度低。
1.2.2 DRC法
DRC法采用轉底爐-礦熱爐雙聯工藝能將轉底爐、礦熱爐的優勢進行連接、耦合,鉻鐵DRI的熱裝溫度約850 ℃,礦熱爐能有效的利用物理顯熱、更能有效的利用球團的高還原率(綜合還原率60%),降低冶煉電耗(冶煉電耗2150-2200 kWh/t),提高了生產效率,降低生產成本,具有明顯的經濟效益及市場前景。DRC法工藝流程如圖1所示。
圖1 DRC法工藝流程圖
DRC法作為低碳還原鉻鐵冶煉工藝,具有以下特點:
(1)原料適用性廣,可適應各種品位鉻鐵礦;
(2)DRC法能真正實現有價金屬的高效、低成本綜合回收,資源綜合利用效率高,符合循環經濟效益;
(3)熱態金屬化球團可直接進入燃氣熔煉爐冶煉,減少了熱能損失,采用大量燃氣作為加熱熱原,大幅降低工序電耗。
(4)DRC法整個生產過程能耗低,對環境友好;極大減少大氣霧霾和溫室氣體排放、節能環保效益顯著,每噸產品有效降低能耗15%,降低CO2排放量20%。