回转窑直接还原法

回转窑直接还原法(direct reduction process with rotary kiln)
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950〜1100C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。

高炉炼铁法有久远历史，已发展成高效、节能的冶金方法，是生产铁的基本方法，但它有一定局限性。

随着人类对钢铁需求的增长和技术进步，早在18世纪又提出开发直接还原技术的想法，直到20世纪初才出
现了工业化生产。

20世纪60年代后，由于石油和天然气的大量开发，为钢铁工业提供了丰富和廉价的新能源；选矿技术进步，为直接还原生产提供了优质精矿原料；电力工业开发，电炉技术和能力的迅速发展，导致优质废钢供应紧张；而高新技术发展需要大量优质钢和纯净钢，这又需要纯净的优质炼钢炉料。

总之，诸方面均为直接还原的开发开创了有利条件。

70年代起，直接还原技术，工业规模，实际产量都取得重大进步和稳步发展。

1975年世界直接还原炼铁的生产能力为436万t，实际产量为281万t，占生铁产量的0.6 %, 到1995年分别跃增到4460万t ，3075万t 和5.7％。

至今气基直接还原炼铁法的生产能力和实际产量都占主导地位，约占总生产能力和总产量的
90%，其中以米德莱克斯Midrex法和希尔（HYL）法占绝对优势。

煤基
直接还原法仅占10%左右，其中主要为回转窑直接还原法。

回转窑直接还原法开发于50〜60年代。

60年代末发展较快，世界各地建设了一批工业生产窑，但由于工艺不够成熟，技术和装备上遇到一系列困难。

如入窑料粉化严重，频繁出现窑衬粘结，无法实现正常运行，一度限制了该工艺发展。

70年代中，重视对原料、燃料的性能研究，开发和改进送煤、送风技术，改革操作工艺，完善和提高设备，开发废热回收技术，保证了窑的正常操作，使生产率提高，能耗大幅度下降；同时，加强生产过程监测和自动化管理，促使回转窑直接还原技术步入成熟；此外70年代能源危机，天然气价格大幅度上涨，天然气又是重要化工原料，
资源有限等，由此也促进了回转窑直接还原法的发展。

1980〜1995年期间，生产能力从216.2万t增加到365.5万t，直接还原铁产量从37万t增长到246万t。

印度生产能力达151万t，南非为108万t。

筒史1907 年琼斯（J ．T．Jones）最早提出回转窑直接还原法。

在回转窑卸料端设煤气发生炉，热煤气从卸料端入窑，在距窑加料端 1 ／3窑长处导入空气，与热煤气燃烧形成氧化加热带。

铁矿石和还原煤从加料端加入，被高温废气干燥、预热、氧化去硫，随窑体转动铁矿石向卸料端前移，同时被热煤气和还原煤还原，然后从卸料端排出。

后来改进为两台窑作业，一台氧化加热，另一台窑内铁矿石被油或煤粉不完全燃烧产生的还原气所还原，但因这样作业不经济，1912年停产。

1926年鲍肯德（Bourcond）、斯奈德（Snyder）在实验室进行了用发生炉煤气的回转窑直接还原实验成功。

同年还出现了用回转窑进行还原、增碳、得到熔融铁水的巴塞特（Basset）法。

1930
年克虏伯（krupp）公司开发了克虏伯一雷恩（krupp —Renn）法，用低质
煤作燃料和还原剂，在回转窑内将低品位高硅铁矿石还原，实现渣铁分离，铁聚合成细颗粒被夹裹在半液态的黏稠渣中，经水淬、破碎、磁选分离出铁粒。

到50年代发展到生产能力200万t ，后因自身缺陷相继停产。

1960年克虏伯公司在此基础上开发了以煤作还原剂的固相还原生产直接还原铁的krupp —CODIR法。

1970年在南非邓斯沃特(Dunswart)建设了年产15万t的生产装置，1974年投产。

1920〜1930年美国共和钢铁公司(Republic steel) 和国际铝公司(National lead) 开发了用回转窑从低品位铁矿石中还原富集铁的RN法；1960年加拿大钢铁公司和德国鲁奇(Lurgi)公司开发了生产高品位海绵铁的SL法，取长补短，1969
年合并为SL—RN法。

现已成为回转窑直接还原法的主导工艺，其生产能力和产量分别占煤基直接还原炼铁
法的90%和75%。

1976年美国阿瑟？6麦基直接还原铁公司引入澳大利亚西方钛公司用回转窑还原钛铁矿生产金红石的方法，在美国田纳西州罗克伍德(Roekwood)建成50000t /a的示范装置，完成了多种煤和铁矿石的试验，1981年取得DRC法技术许可证，后与英国戴维公司合并为戴维一麦基(Davy —Mckee)公司，并为南非斯考金属公司(Scaw Metal Ltd ．)建设了年产75000t 的生产装置1983年投产，8天后全面达到设计指标，连续作业18个月。

1960年美国阿里斯一恰尔默斯公司(Allis-chalmos) 开发了双层结构窑的ACCAF法，1965年发展成可控气氛回转窑直接还原法，可用煤与油或天然气为燃料。

1969年建成中间试验装置。

通过用不同燃料和铁矿石进行生产试验得出了生产指标和设计参数。

同时进行了改造©3.5 X50m的SL—RN窑的生产试运行，证明该工艺可使用多种燃料，有效控制窑内温度和气氛，产品的金属化和含碳量可控，生产率高。

1983年为印度奥里萨(Oressa)海绵铁公司建设的年产直接还原铁的ACCA窑投产，采用全煤作业。

回转窑直接还原工艺不仅用于生产直接还原铁，由于它具有作业温度较低，料层薄，物料连续翻滚运动，料层内气体易于排出等特性，还被广泛用于多金属共生矿和含铁粉尘、尾矿等的综合利用。

1963年日本川崎公司(Kawasaki)根据krupp-Renn法实践建设了处理高炉和转炉粉尘的©1.3 X25m回转窑；1968〜1977年分别在千叶厂和水岛厂建设了年产4万t和18万t还原铁的工业装置3套，以焦粉作还原剂，称川崎
法(见川崎熔融还原法)；1971年日本住友金属公司(Sumitomo metal Co.)开发了用钢铁厂粉尘生产低品位海绵块用作高炉精料和同时回收锌的住友粉尘法(Sumitomo dust reduction) ，1975年在和歌山厂建成年产16万t的工业装置，后与久保田公司合作开发了SPM法,在鹿岛厂建成月产1.8万t的工业装置，此外krupp
公司也开发了Recyc法处理粉尘，一方面可脱除多种易挥发元素，另一方面为高炉提供优质炉料。

此外南非海维尔德钢钒公司(Highveld steel & vanadium Co . )1969年采用回转窑直接还原-矿热电炉炼铁工艺实现了钒钛磁铁矿同时回收铁和钒的综合利用，年产热还原料260万t，是世界最大钒生产基地。

1981年新西
兰也采用此工艺建成年产90万t 还原料生产厂；希腊拉尔科公司用Krupp 法处理贫镍矿(红土矿)生产含Ni7 %〜
25%的镍铁或金属镍。

运出
回转窑直接还原工艺渡程举例
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950〜1100C 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。

从排料端排岀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120C 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、磁选分离得岀磁性颗粒料 （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 （950〜1100C ），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 %〜除尘 铁毅石
1
ri^~i
(50%)+ i5inm hum ^'r 沉酵联 Z1
▼ lmtn
-3 + ltnm
磁性料
-15 + 5mm (20%)
~ 25 ■* 3inm 磴品
'L 1
/ 一1弘块 L （
収炉 废尘
非磁件料
甜性料
0.3 %) , S、P均＜0.03 %、金属化率按要求控制在88 %〜93%。

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。

工艺原理随着窑体连续旋转，入窑物料因摩擦力被带起，超过物料运动角后，在重力作用下从堆尖滚落到底脚。

因窑体倾斜，物料稳定的料流分布。

物料偏析对窑内还原过程和还原煤的利用极为不利。

物料轴向移行速度决定了其在窑内停留时间，也即决定了窑的生产率。

物料在窑内停留时间(min) 可用下式表示：
T =L/v=L/knS
式中L 为窑体长度，m；v 为轴向移行速度，m／min ；k 为窑体转一周物料滚落次数；n 为窑体转速，r ／min ；S 为物料每次被带起落下所前移的距离，m。

S 受多种因素影响，如窑的进、出料端设挡料圈；入窑
铁矿石和还原煤的粒度、形状和密度差，以及热态物料性质变化等对移行速度引起变化等。

因此上式仅适于定性分析。

对颗粒状料可用Bayavd 经验式来确定物料在窑内停留时间t (min) ：
T =9 ( 9 +9' +24)/5.16nDgi
式中9为物料堆角，rad ; 9'为物料在旋转窑内堆角的增值，9 '=n/(g/R )0.5, rad ; R为窑的半径，m D为窑直径，m n为窑的转速，rad /min ；g为重力加速度，m7s2；i为窑体倾角，rad。

回转窑直接还原工艺所需热量主要由窑头及窑中供入空气燃烧还原煤释放的挥发分、碳素和还原生成的CO提供。

调节供风和改进布置可有效的改变供给热量和温度分布。

如果尚不满足工艺要求，还可在窑头
设置燃料烧嘴供热。

应注意到，为维持窑内高温还原区还原气氛，燃烧过程应控制在不完全燃烧下进行，以防止还原料的再氧化。

回转窑内物料的加热是热气流以辐射和对流传热方式将热量传给物料和窑衬，被加热的窑衬又以辐射
和传导热交换方式转交给物料。

回转窑作业时必须把物料加热到一定温度(约800C)才开始铁氧化物还原。

窑内预热段温度低(V900C)，辐射热交换强度小，而气流与入窑物料温差大，对流传热量较大，炉衬传给物料的热量也较少。

但由于预热段仅存Fe zQ和Fe s O还原成FeQ热效应很小，甚至可忽略不计。

因此虽热
变换综合强度不大，但物料仍能快速升温。

当进入高温还原段时，炉气温度高，辐射热交换强度明显加大，因物料与气流间温差变小，以对流和传导传热量相对减小，总传热量大幅度增大，但由料层内铁(与其他元素) 氧化物还原和碳的气化反应激烈进行，吸收热量剧增，因此还原段温度升高缓慢。

提高窑内作业温度可有效地促进铁氧化物还原反应进行。

但窑内最高作业温度的选定必须考虑到原料软化温度
和还原煤灰分的软熔特性。

为保证回转窑的安全运行，通常最高作业温度应低于原料软化温度或
灰分软化温度100〜150'C。

由于回转窑内物料受热面小，窑内物料与热气流间传热慢，预热段很长，一般占40％以上，已成为回转窑作业的障碍。

因此在允许的温度下，扩大高温还原段长度有利于窑内还原进程，是提高窑生产率的有效措施。

为此直接还原回转窑都采用了窑中供风(也有供燃料) 手段，借助于改变供入
风量(或燃料)调整窑内可燃物的燃烧，使窑内温度分布更趋合理，增加还原段长度。

在回转窑内铁矿石与还原煤密切接触，约700C就开始有还原反应发生，物料进入还原段后还原反应大量进行。

固体碳还原铁氧化物的动力学研究表明，如果反应仅在两个固相间进行。

反应速度甚为缓慢。

回转窑内实际还原过程应是：
FeO+CO=Fe+C2 O
CO2+C=2CO
即
FeO+C—Fe+CO
CO是两个固相间进行反应的中间媒体。

即CO先去还原铁氧化物，生成的CQ再与碳反应产生CQ在
回转窑高温(950〜1100C)还原段，有大量过剩碳存在，气化反应强烈发展，反应体系内CO浓度很低，可看成纯CO还原环境，促进了铁氧化物还原反应的快速进行，由此可见还原剂的碳气化反应是回转窑还原过
程的限制性环节。

反应性差的无烟煤、焦粉作还原剂，会影响铁氧化物还原速度，降低窑的生产率；如要满足铁矿石还原速度，则必须提高还原作业温度，改善碳的气化速度，由此又容易导致窑衬粘结故障。

反应性好的褐煤或次烟煤明显改善窑内还原进程，允许较低的作业温度，保证窑的安全运行；提高作业温度能加速还原煤的气化和铁氧化物还原反应，对反应性差的还原剂的影响更明显，但作业温度必须严格地控制在允许的最高温度限以下；增加还原剂量，可增强还原气氛，改善铁矿石与还原剂接触，促进还原反应。

更因为回转窑料面保护层以外呈氧化或弱氧化气氛，为防止还原铁的再氧化，通常还原剂配加量都多于理论量，还原剂反应性越差，过剩量应越多；提高窑内物料填充率既能增加物料停留时间，又因从料层逸出的CO量增多，对料层表面保护效果更好，另外充填率提高使物料暴露在气相的时间缩短，料层内还原势增强，明显有利于还原过程和节约还原用煤。

矿石中共生元素的行为(1)锌。

锌在铁矿石内多呈ZnS,在钢铁粉尘里呈ZnO,容易被碳还原和低温气化。

Zn可脱去95%，锌蒸气进入气相，温度下降，会重新被CQ或H2O氧化成ZnO,大部分以微粒随废气带出窑外，可用精细除尘得到回收；少量会沉积在物料和窑衬表面，形成锌在窑内的富集循环。

(2) 铅。

铅的沸点很高。

其化合物在回转窑作业温度下，不可能大量气化，脱去90%〜95%。

它大量
挥发的原因是密度大，还原后呈Pb 微粒析离海绵铁被气流带走。

(3) 砷化合物。

它在还原气氛下不稳定，易被碳还原气化随废气带出的约为80%。

当配料中加有石灰
石后能生成稳定的砷酸钙进入非磁性物。

(4) 钾、钠。

它们的气化温度低，在回转窑还原条件下易被还原呈蒸气逸出料层，到低温区重新冷凝沉积，与窑衬形成低熔点硅酸盐，成为窑衬黏结的初因，也影响到钾、钠元素的挥发脱除，挥发脱除率约
70%〜80%。

(5) 镍。

镍的性质与铁甚近，比铁还易于还原，可根据这一特性成功地处理红土矿；钒、钛、铬都是难还原元素，在回转窑直接还原条件下，钒、钛不被还原，铬氧化物只能被碳还原成低价化合物和极少金属铬出现，因此可利用这一性质在电炉熔化中实现分离。

(6) 磷、硫。

磷、硫都是有害元素。

磷主要由铁矿石带入。

磷酸盐在回转窑直接还原中还原率极低，挥发量很少，因此在直接还原过程中铁矿石带入的磷几乎全部进入海绵铁里。

硫主要由还原煤和燃料煤带入，矿石带入少。

煤中硫呈硫化物、硫酸盐形态；矿石里主要是硫化铁和磁黄铁矿。

物料进入高温区，各种硫化合物大部分分解、挥发，由于回转窑气相耳量很少，因此进入气相的硫是以COS为主。

COS既可被Ca0吸收，也可被金属Fe吸收。

CaO吸收COS能力大于Fe，一旦窑内脱硫剂分解成CaQ CaO吸硫反应大量进行，使气相pcos 大幅度降低，窑内还原条件下得以有效脱硫。

回转窑综合脱硫反应可表示为：
CaO+FeS+GOFe+CaS+CO
回转窑生产作业多采用白云石作脱硫剂，虽然白云石中MgP在900C下不能进行脱硫反应，但由于白
云石经焙烧后具有较高强度、不粉化，脱硫后的白云石易于分离，比石灰石能起到更好的脱硫效果。

发展与问题80 年代回转窑直接还原技术取得突破性进展，使回转窑直接还原工艺进入成熟稳定的发展阶段。

表现为：
(1) 选择高反应性还原煤。

70年代回转窑直接还原多选用无烟煤作还原剂，为满足铁矿石还原需要，必须采用较高作业温度，由此极易导致窑衬粘结，破坏窑的正常生产。

在总结教训和试验研究基础上，改用反应性好的褐煤和次烟煤作还原剂，允许用较低的作业温度，增强料层还原势，明显改善还原进程，提高窑生产率。

由此扩大了与矿石软化温度和灰分软熔温度间的差值，大大改善窑的安全作业。

(2) 窑头喷吹粒煤技术。

高挥发分还原煤从窑尾加入，会使大量挥发分随废气排出，既造成能量损失又增加废气处理难度。

采用窑头喷入，煤粒在窑内被高温气流迅速加热，放出的挥发分与细煤粒一起参与燃烧提供热量。

可省去窑头烧嘴供热、防止局部高温和便于调节温度分布；未被放出的挥发分待煤粒落入料层后继续放出，直接参与还原，降低料层氧势，以及煤粒因快速受热比表面增大，活性提高，都将强化还原进程。

实际生产证明，采用窑头喷吹高反应性还原粒煤措施后，窑内温度更趋合理，还原过程加速，还原煤利用改善，煤耗显著降低。

(3)废热回收。

回转窑直接还原时，占总能量的40%〜60%随窑废气以显热和化学热的形式排放掉，
因此回收利用废气余热一直是该工艺降低能耗的重要方向。

利用废气余热加热矿石、预热固结球团和生产蒸汽，继而发电是当前的两种办法。

前者是在加料端连接一台链算(焙烧)机，利用回转窑排出的高温废气(800〜1000'C)进一步补充空气燃烧未尽的可燃物后，用于干燥、预热固结精矿球团，将具有一定强度球团
送入回转窑还原，链算机排出的废气为150〜200C，使回转窑排出废气的60%〜70%余热得到利用。

同时
可简化工艺、节省投资、节约能耗。

1999年中国有一套设备投产。

另一种办法是在回转窑废气系统设置废
热锅炉和发电装置，利用废气余热生产蒸汽和用蒸汽发电。

鲁奇公司报道，每生产lt 海绵铁的废气热可生产
2.4t4.9MPa的蒸汽，可转变电能700kWh如此可将废气余热的65%得到回收。

此项技术已在南非依斯柯厂(Iscor)和印度海绵铁公司部分或全部采用。

(4) 防止回转窑结圈。

回转窑直接还原生产中，结圈故障曾一度成为该法发展的最大障碍。

结圈主要发生在窑中部，通常是因在窑温突然波动的高温下生成了低熔点硅酸盐化合物引起。

入窑料中有大量粉末或入窑后粉化严重是形成结圈的物质基础，温度波动是导致结圈发生的直接原因。

因此防止结圈的原则是根据原、燃料性质，制定合理的窑内温度制度和还原进程，避免高FeO料、脉石和煤灰进入高温区产生低
熔点化合物。

80年代通过优选高反应性还原煤，降低还原作业温度；采用窑头喷吹还原煤技术，充分利用煤中挥发分，提高煤活性，改善窑内温度分布，防止热点；改善窑温检测技术；重视原料选择和加强原料处理，防止粉末入窑，提高窑内充填率，增加热稳定，强化料层保护；提高窑内压力，严格控制气氛等。

从根本上消除了结圈故障发生，实现连续18〜20个月的稳定生产。

回转窑直接还原技术已经成熟，生产能力、规模、作业率都有很大发展，但与气体还原剂的竖炉直接还原法相比，仍存在能耗高、单机能力小、产率低等技术问题，它们仍是限制回转窑技术发展中亟待解决的。

最为突出的是强化回转窑冶炼行程，提高生产率。

80〜90年代中国钢铁工业发展迅速，电弧炉炼钢能力猛增，废钢不足、质量下降，影响到电炉生产能
力的发挥和优质钢生产的发展，因此发展直接还原工业势在必行。

从中国能源储备和能源政策看，发展直接还原必须立足于非焦煤。

回转窑直接还原技术已经成熟，80年代后在世界范围稳定发展。

中国也进行过
大量基础试验、工业试验和理论研究，并取得许多成果，因此发展煤基回转窑直接还原是适宜的，有基础
的。

1994年中国第1套工业生产窑投入生产，到1996年底天津无缝钢管公司的30万t装置建成，回转窑直接还原生产能力近36万t / a。

预计到2000年将达到50万t。