铬铁合金冶炼中余热余能的综合利用

杨绪平， 邵志超， 杨 泉

(江苏省冶金设计院有限公司, 江苏 南京 210007)

铬铁合金冶炼中余热余能的综合利用

杨绪平， 邵志超， 杨 泉

(江苏省冶金设计院有限公司, 江苏 南京 210007)

摘要：不同的铬铁合金冶炼生产工艺，在物料、产品、炉渣或烟气排放的过程中，存在不同程度的热能；对这些热能进行有效整合，综合回收利用，对降低产品能耗、提高经济效益具有显著的价值。

关键词：铬铁合金； 热能； 综合利用

引 言

近20年来，随着国民经济的快速发展，中国的不锈钢制品在制造、建筑及生活的各个方面展现出了巨大的需求，带动了不锈钢工业的蓬勃发展，同时推动了作为不锈钢重要生产原料——铬铁生产的快速发展，中国已经成为了世界上最大的铬铁生产和消费国。铬铁产品需求的快速增长，一方面使得中国铬铁工业的冶炼和装备技术水平取得了长足的进步；另一方面也存在一些问题，如同质竞争、低水平重复建设、生产能耗高等。粗放式的生产方式在目前日趋饱和的铬铁生产环境下，对企业竞争力带来了严峻的挑战。因此，在新的市场竞争形势，以及国家对环保及能源消耗要求标准更高的情况下，铬铁作为高能耗产品，降低设备及工艺整体流程节能，对企业增强自身竞争力意义重大。

1 铬铁合金冶炼工艺

铬铁合金生产的原料为铬块矿和铬粉矿，根据冶炼反应的要求，矿热炉冶炼过程中，炉体内需要保持良好的透气性，因此，铬块矿可以直接入炉冶炼，铬粉矿需要制成一定粒度后才能冶炼铬铁。目前，世界铬矿开采量中，块矿占有量约20%，粉矿约80%；随着铬铁合金需求量的大幅增长，对铬矿资源的需求量加大，适合直接入炉的铬块矿越来越少，原矿品位降低，价格升高，同时，铬矿开采量的加大，产生的铬粉矿量也越来越多。由于铬粉矿供应量巨大，在价格方面具有明显的优势，因此开发了铬粉矿压块、烧结和球团等多种造块工艺，解决了铬粉矿直接冶炼产生的诸多问题。

1.1 冷压块法

津巴布韦合金厂具有多年的铬矿粉压块生产实践，开发了铬粉矿冷压块工艺，该工艺是将铬矿粉压块后养生固化[1]。首先将铬粉矿干燥至水分小于2.5%，在球磨机上破碎，配糖浆和石灰后混料、压块，在仓库中进行96 h的养生固化成型。冷压块法具有设备少，建设快，投资省，生产灵活，不需要与电弧炉同步等特点，但在铬铁冶炼渣中容易损失铬，降低回收率，且产品中碳含量高。

1.2 烧结法

蒋仁全等[2]针对铬矿粉的特点，进行了铬矿粉烧结制粒工艺的研究，以水分11%～13%、焦粉5%～8%、膨润土3%～6%进行配比制粒，能够得到满足工艺生产的铬矿粉烧结球团。在45 m2带式烧结机上进行了生产，生产流程为：铬粉矿、焦粉、膨润土经过配料后输送到一次混料机，混合料在一次混料机混匀、初步加水后，进入二次混料机，完成补水、制粒任务，混合料送到烧结机烧结。烧结物料经过单辊破碎机破碎，进入一次热振动筛，把粒度5 mm以下的筛出，进入皮带系统烧结循环，粒度5 mm以上的物料，经过链板机输送到二次热振动筛过筛，粒度6～20 mm进入铺底料仓(烧结铺底料备用)，粒度20～100 mm进入烧结成品料仓，定期出烧结成品矿。实践证明：带式烧结机生产的烧结矿球团强度高、粒度均匀，气孔率高，比表面积大，铬铁矿尖晶石矿物结构中Fe2+转变为Fe3+，部分铁离子脱离尖晶石，集中在晶粒表面，利于冶炼还原反应。采用该工艺后能够降低冶炼电单耗5%～12%，提高产能10%以上，降低碳单耗5%～8%。

1.3 球团法

1.3.1 奥托昆普法

奥托昆普工艺是芬兰Outokumpu公司在1968年首创，工艺技术成熟，近几年在南非具有广阔的应用市场[3]。奥托昆普铬矿粉烧结球团是将铬矿粉、除尘灰及约2%的焦粉配料，采用湿式球磨机混合磨细，至成品粒度范围小于200目的占78%～82%，过滤后物料水分控制为8.5%～9%的滤饼，配上膨润土造球，球团粒度18～22 mm，经钢带烧结机焙烧烘干，烘干后的球团可热送到电弧炉冶炼，同时电弧炉煤气回收利用，具有元素回收率和能效利用率高的特点。

1.3.2 SRC法

SRC法是日本昭和电工公司研制的一项铬矿固态还原法，在球团内配入碳素还原剂，以使铬矿得到预还原，也称预热球团法，最早在1970年前后的日本用于工业生产，在铬粉矿的预处理上得到广泛应用[4]。SRC法是将铬粉矿和焦粉按比例混合后，经干燥机烘干后配膨润土进行混合，混合物料加入到球磨机磨至200目，在圆盘造球机上制成粒度15～20 mm的生球，生球运输到链篦机干燥预热提高强度，热送入回转窑内，在炉内1300～1400 ℃温度下预还原成球，热态SRC预还原球团可冷却后或热装料罐送电弧炉车间冶炼。使用SRC法球团冶炼可比块矿直接冶炼节电30%，冶炼用焦减少45%，铬回收率提高1%～2%，电弧炉烟气量减少约20%。

1.3.3 DRC法

DRC法是加拿大国际金属回收公司开发的一种预热球团工艺[5]。铬矿粉配碳及膨润土后在圆盘造球机上造球，球团连续送入到转底炉的旋转床还原炉内，在炉内布料1～2层，厚度35 mm，在炉床旋转过程中，球团被炉膛内的高温气流预热还原。炉内根据温度进行分区，在燃烧区温度可达1400 ℃，产生约1100 ℃的烟气，烟气逆转底炉旋转方向流动至球团落料口附近的烟道，除尘后回收利用，提高了热效率。DRC法具有较高的金属还原率，能效利用高，高温球团可热送到矿热炉冶炼。炉体的冶炼设计能够有效解决铬粉矿球团在低温区700 ℃由Fe2O3向Fe3O4转换的低温还原膨胀性。

1.3.4 蒸汽养生球团(COBO法)

蒸汽养生球团工艺[6]是用消石灰和微硅粉作为粘结剂造球，在高温蒸汽的作用下，由热液反应产生凝胶物质将固态颗粒粘结在一起，使球团具有一定强度。经预湿和强力混合后，含水量为5%～6%的混合料进入圆盘造球机造球，成球时喷雾化水加湿，使生球水分达到10%～12%，生球筛除小于8 mm粉料后，进入带式干燥机将水分降低到2.5%以下。干燥后的球团装到高压釜内进行蒸汽养生，高压釜内蒸汽压力约1.6 MPa，温度150 ～250 ℃，球团固结时间2～4 h。

2 余热余能的利用

铬铁合金生产过程中，一方面，在铬粉矿造球后进行焙烧或预还原球团时，根据不同的球团生产工艺，存在大小不等的余热；另一方面，矿热炉冶炼铬铁合金后，铬铁水、铬渣中含有大量的物理显热，矿热炉炉顶排出的烟气中不仅含有物理显热，还有丰富的高热值煤气。充分利用好这些能量，能够显著地降低铬铁合金冶炼综合能耗。

2.1 预处理原料的余热利用

李忠等[7]进行了年产20万吨铬矿球团预还原热装试验，首先生球进入链篦机干燥、预热，经过高温表面生成烧结硬壳，使生球具有一定强度，从链篦机出来的球团温度控制在800 ℃左右，直接进入回转窑高温焙烧预还原，回转窑内保证烧结温度为 1250～1350 ℃，预还原结束后球团矿还原度50%～70%，球团含碳量3.5%～4.5%，热料温度900～1000 ℃，从回转窑出料口直接输送到矿热炉顶部的热料仓，球团入炉温度600～800 ℃，充分利用了热能，降低矿热炉冶炼电耗，提高了生产能力。实验表明，采用预还原热装球团工艺，能够明显提高产能，冶炼电耗从3350 kW·h/t降低到2100 kW·h/t，回收率增加3%，渣中跑铬减少2%。另外，奥托昆普、SRC、DRC工艺均能够实现铬矿球团800 ℃热装入炉[5]，热装不比预还原节电少，奥托昆普的技术在没有经过预还原的情况下，仅球团热装工艺就降低了电耗约700 kW·h/t。

2.2 铬铁合金的余热利用

国内不锈钢的冶炼通常把铬铁合金、镍铁合金等金属料加入电弧炉后熔炼成液态，再送到AOD炉或炉外精炼进行不锈钢生产。考虑到高碳铬铁合金从矿热炉出来后有1500 ℃以上的物理热，铬铁水及冶炼需要的镍铁水不用在铁水区域降温冷却为冷料，可直接供应给不锈钢冶炼车间，省掉金属熔化的过程[8]。热装铁水采用顶底复吹转炉或电弧炉，在炉内快速升温和脱碳，并在出钢前对渣中氧化铬进行还原，这样既可保证铬的回收率在96%以上，又可将铁水中的C，S，P，Si 控制在AOD精炼炉所需要的成分要求内，顺利完成不锈钢的冶炼；能够明显节约能源，降低冶炼成本，提高产能和产品质量，同时生产出超低碳不锈钢，保持了较高的铬回收率和金属回收率。实际生产表明，铬铁水能够热装、热送进行不锈钢冶炼，并且取得了显著的经济效益、能源效益和环境效益。

2.3 铬渣的余热利用

2.3.1 铬渣热送制矿棉

南京玻纤院[9]用铬渣作为主要原料，配以辅助原料，进行了矿棉制备实验研究，研究证明铬渣完全可以制成矿棉，性能及用途与普通矿棉相同，且最高使用温度和化学性能优于普通矿棉，铬渣棉中，由于在1400 ℃的高温下还原解毒，因此解毒彻底，矿渣棉水溶性六价铬含量大大低于有关固体废物污染控制标准。

义望铁合金公司[10]开发了锰铁炉渣热装生产粒状棉工艺，液态锰铁渣热装到渣包中，由转运车热送到矿棉车间，在调质电炉中加入调质料调整好酸碱度和熔点后注入保温电炉生产矿棉产品，降低了矿渣棉冶炼能耗。炉渣的热装能够广泛应用到铬渣、镍渣、高炉渣等生产矿棉的工艺中。

2.3.2 冲渣水余热利用

高碳铬铁的熔点高达1500 ℃以上，为保证电弧炉有高的反应速度并使生成的铬铁合金顺利地从炉内排出和渣铁分离，必须使电弧炉炉温控制在1650～1700 ℃以上，高碳铬铁的炉渣每吨显热可达2000 MJ以上。国内高碳铬铁炉渣的冷却通常采用冲渣水冷却的方式，冲渣水余热基本没有被回收。吕韬等[11]结合电弧炉冶炼生产的工艺特点，设计了高碳铬铁冲渣水余热回收方案，即在循环水池内，采暖循环水经过换热器后，温度由45 ℃升为60 ℃；采暖水通过室外管网进入各建筑物进行采暖，采暖后的采暖水温度由60 ℃降为 45 ℃，再通过采暖室外管网重新回到热力换热站，用热冲渣水重新加热后循环使用。采暖循环水可以就近对厂区办公楼及周边小区进行供暖。在极寒天气情况下及生产停产时，设置了备用蒸汽热源，实现了铬渣的余热回收利用。

2.4 烟气的余热利用

铁合金冶炼矿热炉有高烟罩敞口型、矮烟罩半封闭型和全封闭型。目前，落后的高烟罩敞口型基本被淘汰，中国绝大多数大、中型矿热炉已经采用矮烟罩半封闭型和全封闭型。半封闭矿热炉烟气波动较大，平均温度约380 ℃，主要对其显热进行余热利用，采用余热锅炉回收热量发电；全封闭矿热炉烟气温度高达850 ℃，烟气中CO占比约60%～80%。

封闭式矿热炉煤气热值高，净化回收后可直接作为煤气使用。封闭型矿热炉煤气净化有湿法净化和干法净化[12]。湿法净化是将荒煤气首先通过集灰箱除去粗颗粒粉尘，经雾化冷却器冷却后，先进喷淋塔一级除尘，再连续通过文氏管(Ⅰ)、脱水(Ⅰ)、文氏管(Ⅱ)、脱水器(Ⅱ)二级除尘脱水完成煤气净化。干法净化是通过集灰箱除去粗颗粒粉尘，经水冷烟道、风力列管式冷却器降温、旋风除尘器一级除尘后，通过主风机送入布袋除尘器二级除尘，然后经过外淋式空气列管冷却器降温完成煤气净化。

国内一些铁合金厂已经建设使用了先进的余热发电系统[13]，矿热炉煤气可不经过除尘，直接接入燃气锅炉燃烧，锅炉同时兼具除尘作用，产生的蒸汽通过汽轮发电机组发电，最高能够达到60%的余热回收利用，最终锅炉排烟温度158 ℃，还可做采暖使用，节能效果明显，能够为企业带来明显的经济效益。

经余热发电后，烟气的温度一般为80～130 ℃，由于烟气量较大，排空造成大量热量浪费。嵇晓沧等[14]利用烟气直接烘干球团，实现烟气余热的多级回收利用。在某铁合金厂25 MVA矿热炉生产线上，通过技术改造，利用烟气直接烘干球团，湿球团含水12%～15%，球团烘干后水分1%～3%，实现了球团烘干，同时烟气余热进行了多级回收利用，余热回收效果良好，取得了较好的经济效益。

矿热炉烟气中具有很高的物理显热和化学能，结合不同的铬粉矿预处理技术，可以分级利用烟气中的能源。高品质的矿热炉煤气不仅可以净化后作为洁净煤气供厂区内使用，也可外供；煤气还可以采用余热发电的形式转换成电能，分级后的低温烟气可以用来烘干铬粉矿、球团等物料，低温蒸汽可蒸压养生球团，或作为生产生活上的采暖、食堂、浴室等用途。

3 结束语

生产实验及实践表明，铬铁合金冶炼中，采用球团等预处理原料热装，铬铁合金热送，炉渣热送及余热利用，矿热炉炉顶煤气综合回收利用等节能措施，能够明显降低铬铁合金冶炼的单位生产能耗，有效地促进了节能减排工作的稳步推进，为企业提高产品竞争力奠定了坚实的基础。因此，在铬铁合金冶炼新建及改造项目中，推广和应用这些技术具有重要的意义。

参考文献：

[1] Shoko N R，Malila N N. Briquetted chrome ore fines utilisation in ferrochrome production at Zimbabwe alloys[C]. Tenth International Ferroalloys Congress, Capetown, South Africa: Document Transformation Technologies, 2004:291—299．

[2] 蒋仁全，邓小东，向花亮，等．铬精粉矿带式烧结工艺研究与实践[J]．铁合金，2015，46(1)：25—29．

[3] 孙 竞．南非粉铬矿球团烧结机工艺与技术装备简述[J]．铁合金，2011，42(3)：4—7．

[4] 毕传泰．国外铬矿预还原球团工艺(SRC法)及其冶炼铬铁的情况介绍[J]．铁合金，1992，(2)：38—43．

[5] 李志忠．铬矿预还原生产铬铁新工艺[J]．铁合金，2011，42(6)：7—10．

[6] 王首元，黄仁则．铬粉矿蒸养球团试验[J]．铁合金，1993，(6)：37—40．

[7] 李 忠，宋芃霏，纪 冰．矿热炉铬矿球团预还原热装工艺探讨[J]．铁合金，2016，47(1)：1—6．

[8] 王新凤．低成本冶炼不锈钢[J]．四川冶金，2013，35(2)：51—53．

[9] 韩芷英，葛敦世，李雄华，等．工业废渣—铬渣制取矿棉[J]．玻璃纤维, 1989，(2):12—18．

[10] 戴 维，舒 莉．铁合金工程技术[M]．北京：冶金工业出版社，2015．

[11] 吕 韬，王惠永，刘雪松．高碳铬铁冲渣水余热利用[J]．铁合金, 2017，48(1)：37—39．

[12] 张曾蟾．铁合金矿热炉烟气回收能源利用述评[J]．电力需求侧管理, 2011，13(5)：4—6．

[13] 谢奕敏，宋纪元，候宾才，等．铁合金矿热炉烟气余热回收及发电工艺系统[J]．铁合金, 2012，43(1)：41—44．

[14] 嵇晓沧，户少勇．铁合金矿热炉烟气余热利用的实践[J]．铁合金，2013，44(4)：33—35．

收稿日期：2017-01-02

作者简介：杨绪平(1985—)，男，工程师。电话：18205169992。E-mail: 18205169992@163.com

中图分类号：X758