直接還原鐵生產工藝——回轉窯（一）
回轉窯直接還原法是以連續轉動的回轉窯作反應器，以固體碳作還原劑，通過固相還原反應把鐵礦石煉成鐵的直接還原煉鐵方法。回轉窯直接還原是在950～1100℃進行的固相碳還原反應，窯內料層薄，有相當大的自由空間，氣流能不受阻礙的自由逸出，窯尾溫度較高，有利于含鐵多元共生礦實現選擇性還原和氣化溫度低的元素和氧化物以氣態排出，然后加以回收，實現資源綜合利用。由于還原溫度較低，礦石中的脈石都保留在產品里，未能充分滲碳。由于還原失氧形成大量微氣孔，產品的微觀類似海綿，故也稱海綿鐵。
原料要求
鐵礦石(包括氧化球團礦)、還原與燃燒用煤和脫硫劑是煤基回轉窯直接還原生產的主要原料，是直接還原生產的物質基礎。原料的質量不僅對直接還原的生產效率、產品質量和能源消耗等技術經濟指標有直接影響，還決定著直接還原工藝的成敗。因此，做好原料選擇和加工準備是直接還原生產十分重要的基礎工作，是能否生產出直接還原鐵的關鍵。
一含鐵原料的選用
用于回轉窯直接還原生產的含鐵原料可以是天然鐵礦石(即塊礦)，也可以是氧化球團。決定含鐵原料質量的主要因素是：化學成分、物理性質和冶金性能。適宜于回轉窯直接還原生產的鐵礦石必須：含鐵量高、脈石含量少、有害雜質少、化學成分穩定、粒度適宜，并且具有良好的還原性及一定的強度。
化學成分
1．含鐵量與脈石
含鐵原料以鐵氧化物為主，還含有SiO2Al2O3、CaO、MgO等成分。在回轉窯還原過程中，所發生的主要化學變化是在固態下脫除含鐵原料中的氧，而不能脫除脈石成分和其他雜質。因此選用的含鐵原料必須是含鐵量高、脈石含量低。通常要求含鐵量在66％以上，脈石總量小于8%。
CaO與MgO通常在礦石中含量不多，在煉鋼過程中不是有害成分，對回轉窯工藝也沒有大的影響。一般要求原料中CaO<2.5%,Mgo<1.5％。保留在直接還原鐵中的酸性脈石SiO2和Al2O3導至煉鋼電耗增高，生產率下降，渣量和各種材料消耗增加、爐襯壽命縮短。鐵礦石中(SiO2+Al203)應小于5.5％。
2．含硫量
硫對鋼材是有害的成分，因為它使鋼材具有熱脆性。在回轉窯直接還原生產中，原料帶入的硫，部分揮發進入廢氣，部分被脫硫劑吸收，工藝本身有一定的脫硫能力。但綜合考慮冶煉效果，含鐵原料的含硫量應盡可能低，一般要求小于0.03%。
3．含磷量
磷也是鋼材的有害成分，它使鋼材具有冷脆性。鐵礦石中的磷，在回轉窯還原過程中不能脫除。直接還原鐵的含磷量取決于礦石的帶入量。高磷直接還原鐵用于煉鋼，迫使煉鋼增加渣量，提高爐渣堿度，使煉鋼能耗增加和產率下降。因此鐵礦石原料中磷含量應盡可能低，更好在O．03％以下。
4．其他成分
鉛、鋅、銅、砷、錫是優質鋼中的受控成分。一般要求含鐵原料中這些元素與其他有色金屬元素的總含量不大于O．02％鉀、鈉等堿金屬氧化物的腐蝕性很強，易與窯襯生成低熔點硅酸鹽，造成窯襯粘結，以致結圈，影響回轉窯正常作業。另外，含鐵原料內含有堿金屬氧化物，將會促使其在還原過程中產生膨脹、粉化，造成粉塵損失。含鐵原料中堿金屬氧化物含量一般以低于0.02％為宜。
物理性質
原料的物理性質也是影響回轉窯直接還原的重要因素。主要包括粒度和強度。
1．粒度
入窯礦石粒度主要是取決于礦石的還原性，粒度上限與還原性成正比，它以回窯卸料端排出物的核心得到還原為原則；粒度下限的選擇要能保證料層具有足夠的透氣性，而且能與其他原料較均勻混合，有利于防止低熔物生成和局部區段過熱。一般認為采用塊礦時粒度為5～20mm，其中小于5mm和大于20mm量分別不大于5％；采用球團礦時，粒度為9～16mm，其中10～16mm量不少于95%。
2．強度
礦石強度表示礦石在窯內抗沖擊和磨擦的能力。原料強度不高，在回轉窯內將被破碎，產生粉末，容易引起結圈。另外，還原過程產生粉末會增加后續處理工作，影響經濟效益。通常用轉鼓指數和抗壓強度表示礦石的這一性能。
冶金性能
鐵礦原料的冶金性能與回轉窯直接還原工藝有密切關系，一定程度上決定著回轉窯直接還原在技術經濟上的可行與否。冶金性能主要表現為礦石的還原性和爆裂性。
1．還原性
還原性是指鐵礦石中與鐵結合的氧被氣體還原劑(CO、H2)奪取的難易程度。與鐵結合的氧容易被氣體還原劑奪取的礦石，還原性好，反之則還原性差。
在回轉窯里把鐵礦石還原成金屬化直接還原鐵的時間，主要取決于礦石的還原性。還原性越好，物料在回轉窯內停留的時間越短，窯的生產率越高，且允許適當降低還原作業溫度，提高回轉窯作業的安全性。另一方面，還原性好的礦石可放寬入窯粒度上限，能改善礦石的利用率和還原產品的利用，取得直接經濟效益。
回轉窯直接還原工藝應該選用還原性好的塊礦和球團礦作原料。一般情況，經過充分氧化固結的球團礦，其還原性優于天然塊礦。通常鐵礦石還原性指標用還原度在40％時的還原速率表示，這項指標應大于O．55％／分。
2．爆裂性
在回轉窯直接還原生產中，鐵礦石的爆裂現象是由于受熱爆裂和還原引起爆裂的綜合效應所產生的。礦石爆裂嚴重時，回轉窯作業鐵損高，產量下降，還易引起窯內結圈。
含鐵原料的綜合評價
選用鐵礦石，尤其是天然塊礦，全面符合上述回轉窯直接還原工藝要求是困難的，也是不多的。往往某種礦石含鐵品位高，脈石含量少，但硫、磷含量偏高；或是含鐵量高，硫、磷雜質含量合適，而有害金屬元素偏高；或是礦石的化學成份都比較理想，而其冶金性能或物理性質不好。固此，對礦石作出正確的綜合評價，是選用含鐵原料的重要前提。
生產實踐證明，選用回轉窯直接還原含鐵原料，不能單純重視化學成分，必須兼顧礦石的冶金性能和物理性質。
二煤的選用
煤是回轉窯直接還原生產不可缺少的原料，它是煤基直接還原的還原劑和供熱燃料。煤的品質對回轉窯直接還原的工藝流程、生產結果、經濟效益均有重大影響。做好煤的選擇是回轉窯直接還原生產中致關重要的前提。作為煤基回轉窯直接還原用煤的質量要求，主要從化學成分和冶金性能進行評價。
化學成分
1．固定碳和灰分
生產直接還原鐵的煤耗主要取決于煤的固定碳含量。固定碳含量越高，煤耗就越低。煤的固定碳含量低，則灰分增多，占去回轉窯的有效容積增加，從而降低設備效率。同時消耗于加熱灰分的能量增加。大量實踐證明，直接還原用煤最好選用固定碳含量大于50％、灰分小于20％的煤種。
2．揮發分
揮發分是指煤在加熱過程中釋放出的揮發性物質。揮發分的放出有利于促進還原反應，為還原反應提供燃燒熱量和調節反應區域的溫度分布。但揮發分過高，使廢氣量增加，廢氣熱損失大，導致熱量消耗的增加，而控制不好則易產生局部過熱。煤的揮發分一般在30％為宜。
3．含硫量
入窯原料中硫負荷的80～90％是由煤帶入的。減少還原煤的含硫量是降低直接還原鐵產品含硫量的主要措施。煤的含硫量應小于1.0%。使用含硫量高的煤作為還原劑，需增加脫硫劑的使用量，以保證產品含硫量合格，從而也導致熱量消耗的增加。
4．水份
煤的水分過高，同樣會增加回轉窯直接還原的熱消耗，導致降低回轉窯的產率，并影響噴煤的正常作業。加入煤的含水量一般應小于10～l5%，窯頭噴吹煤小于5％。并且，煤的含水量應穩定，以保證還原過程的穩定。
冶金性能
1．反應性
煤的反應性是指煤在某溫度下，煤中固定碳與CO2反應生成CO的能力。煤的反應性是評價固體還原劑的重要指標。反應性好的煤可以使回轉窯反應窯間維持較高的cO濃度，促進鐵氧化物的還原，允許采用較低的還原作業溫度，有利于防止窯內結圈，可以相應降低對還原煤灰分軟化溫度的要求。通常希望煤的反應性值在950℃時達到90％以上。
2．灰分熔融性
灰分熔融性是指煤的灰分在高溫條件下開始軟化(T1)、變形(T2)、到完全熔化為液態(T3)的溫度。這也是評價煤的一個重要指標。煤灰軟化溫度(T1)越高，在正常操作溫度下，窯內物料越不容易粘結，防止窯內結圈。回轉窯所允許的操作溫度應低于煤灰軟化溫度150℃。一般認為灰分軟化溫度大于1200℃。
3。熱穩定性
熱穩定性是指煤在加熱過程中維持其原始粒度的性質。熱穩定性差的煤在使用中將過度粉碎，生成大量粉末，引起偏析，影響正常作業。熱穩定性適當的煤，在升溫過程中粉粹適當，可以減少用前破碎處理。在回轉窯直接還原工藝中，煤的熱穩定性指標TS+6mm大于70％即可適用。
4．自由臌脹指數和結焦指數
自由膨脹指數是測定揮發物在揮發過程中煤產生自由膨脹的指標。煤在窯內超常膨脹會引起爐料體積增大，堆比重下降，爐料偏析，惡化熱傳導條件。回轉窯用煤，通常要求煤的自由膨脹指數小于l。
結焦指數大，易使煤粒粘結塊長大，導致物料偏析和爐料粘結，造成煤的利用率下降。為了保證窯內不產生結焦，通常要求煤的結焦指數小于3。
5．粒度
煤的平均粒度應與礦石(或球團)的平均粒度相近，以保證爐料混合均勻，不產生偏析。熱穩定性差的煤，其粒度上限可適當放寬。窯尾加入的煤應盡量減少粉末的數量，避免吹損和結圈。窯頭噴入煤的粒度必須嚴格控制，并力求穩定。
三脫硫劑的選用
回轉窯加入脫硫劑的目的是去除物料的硫，改善直接還原鐵的質量。回轉窯直接還原生產常用的脫硫劑是石灰石(CaCO3)或白云石[caMg(c03)2]。
回轉窯直接還原生產對脫硫劑的質量要求
1．堿性氧化物(CaO+MgO)含量高，否則，脫硫劑的用量多，增加熱量消耗。一般要求脫硫劑中酸性氧化物(SiO2+A1203)不大于3.5%。酸性氧化物含量高，即降低了堿性氧化物含量。
2．硫、磷含量要低。
3.石灰石應有一定的粒度。粒度過大，石灰石分解速度慢，增加高溫區的熱量消耗。
直接還原鐵生產工藝——回轉窯（二）
回轉窯直接還原法工藝特征
回轉窯法工藝流程如圖示。回轉窯是與水平稍呈傾斜放置在幾組支撐托輪上、內襯耐火材料可連續旋轉的筒形高溫反應器。作業時，將一定粒度的鐵礦石(塊礦、球閉礦)、部分還原煤(包括返回炭)和脫硫劑按比例連續從窯加料端(尾端)加入，隨著窯體轉動(0.5～1.2r/min)，物料受摩擦力被帶起一定高度并因重力作用翻滾落下，同時向窯排料端(低端)前移一小距離。在窯排料端還設有還原煤噴送裝疆，靠高壓空氣將適宜粒度的還原煤送入窯內，調節噴送空氣量能有效地控制噴入距離和分布。窯內物料加熱和反應熱由排料端和沿窯長裝設的伸入窯內的供風管送入空氣(一次風和二次風)，燃燒窯內還原煤釋放的揮發分、還原反應生成的CO和碳提供。如熱量不足，可在窯頭增設煤粉燒嘴補充。物料在前移過程中逐漸被逆向的熱氣流加熱，完成干燥、預熱、碳酸鹽分解、脫硫、鐵氧化物(或其他元素)還原和滲碳反應等。調節各風管供風量、煤粉和還原煤數量、粒度和分布，可靈活的控制窯內溫度和分布。使入窯鐵礦石在窯內停留8～10小時和950～1100℃下轉變成海綿鐵。
有些回轉窯為擴大高溫還原帶長度，在預熱段安有埋入燒嘴，空氣送入料層燃燒窯尾還原煤釋放的揮發分，提高預熱段溫度。從排料端排出的高溫料通過溜槽落入冷卻筒。靠筒外噴水(或內、外同時噴水)將料冷卻到120℃以下。為改善物料運動強化冷卻，筒內裝有揚料板。在回轉窯卸料端及冷卻筒兩端安裝有密封裝置，生產時維持微正壓，防止空氣吸入發生再氧化。冷卻后的物料經篩分分級、磁選分離得出磁性顆粒料(直接還原鐵)、磁性粉料、非磁性顆粒料和非磁性粉。磁性粉料拌加黏結劑后壓成塊，與直接還原鐵一起供電爐煉鋼。非磁性顆粒料含較高固定碳，可作還原劑重新利用。因回轉窯還原溫度較高(950～1100℃)，產品比較安定，通常不需鈍化處理。回轉窯直接還原鐵含碳低(0.05％～0.3％)，S、P均<0.03％、金屬化率按要求控制在88％～93％。
回轉窯直接還原工藝過程舉例
當使用細精礦為原料時，可采用細精礦造球，鋪放在與回轉窯加料端相連的鏈箅機箅床上，利用回轉窯排出的高溫廢氣將球團干燥、預熱和固結，到一定強度后從鏈算機卸料端卸下進入回轉窯繼續還原作業。用一套裝置完成從精礦粉生產金屬化球團過程。稱回轉窯一步法省去細精礦生產氧化球團環節，簡化生產工藝、減少建設投資、節省能源、生產費用降低。
回轉窯直接還原工藝已進入技術成熟，穩步發展階段。其發展方向是改進操作技術，降低能耗，提高產率、擴大生產能力。當前回轉窯直接還原方法繁多，各有特色，原料和產品也各有差異。生產煉鋼海綿鐵的方法如SL/RN法、CODIR法、DRC、TDR、ACCAR等；還有用于處理含鐵粉塵和復合礦綜合利用的多種方法。各種方法雖有其特征，但其工藝過程和原理基本相同。
回轉窯直接還原法工作原理
經預熱裝置或直接進入回轉窯簡體的物料與窯頭的燃燒氣體按逆流方式進行熱交換。物料從窯尾至出料端經過干燥、預熱、分解、煅燒及冷卻等段帶。燃燒裝置設在窯頭，噴入燃料，燃燒的煙氣受排煙裝置(煙囪或排煙機)造成的負壓的影響沿筒體上升流動，與物料逆向相遇進行熱交換，并從窯尾排出。
回轉窯簡體呈3％～3．5％的斜度安裝，并以1～2r／min慢速旋轉，自窯尾端加入的物料沿窯體以翻滾及滑動的方式朝窯頭出料端移動，而后從出料端卸出。窯內各段帶的分配及其長度隨加入物料的性質及其在加熱過程中的物理化學變化不同而有所差異。煅燒帶以輻射傳熱為主，預熱帶則以對流和傳導傳熱為主。從窯尾排出的煙氣溫度較高，一般可達900～1100℃。
為了有效地利用余熱，可在窯的加料端設置各種原料預熱裝置或余熱鍋爐。出窯的熟料溫度有的高達1000～1300℃。在窯的出料端設置熟料冷卻裝置，以便回收余熱。熟料冷卻至250℃以下時進入下一工序。
設備組成
主要由筒體、滾圈、支承裝置、傳動裝置、窯頭罩、密封裝置、集塵室、燃燒裝置及熱煙室等部分構成。(見圖)
(1)筒體。回轉窯的筒體由鋼板卷成，從鉚接已發展為全部焊接。筒體應具有足夠的剛度和強度，以保證在安裝和運轉中軸線的直線性和截面的圓度。筒體內襯耐火材料，起保護簡體和減少散熱的作用，簡體襯磚應能滿足操作條件的要求。預熱帶一般采用粘土磚，燒成帶根據煅燒溫度、化學侵蝕等因素選擇。煅燒粘土的回轉窯一般采用粘土磚或3等高鋁磚砌筑；高鋁礬土回轉窯一般采用高鋁磚砌筑；鎂質、鎂質合成砂、白云石砂、活性石灰回轉窯則采用堿性磚砌筑。筒體兩端設有窯口護板，防止筒體因受灼熱物料或高溫煙氣作用而變形開裂以及導致筒體的窯襯脫落。由于窯口工作溫度有時高達1000～1300℃，故窯口護板應由可以更換的耐熱、耐磨材料制成，必要時還采用風冷或水冷措施。
(2)滾圈。簡體上裝有若干個滾圈(輪帶)，將筒體分成數跨。簡體、窯襯、物料及窯皮等所有回轉部分的重量均通過滾圈傳遞到支承裝置上。滾圈由耐磨性好，接觸疲勞強度高的碳鋼、合金鋼鑄成或鍛造。滾圈截面形狀有矩形和箱形兩種，當前多數采用矩形截面滾圈。滾圈與筒體之間留有適度的間隙，既可增強筒體剛度，又不致使筒體和滾圈產生較大的熱應力。
(3)支承裝置。承受著回轉設備的全部重量。對簡體起著軸向與徑向定位作用，使其能安全平穩的運轉。支承裝置由托輪、托輪軸、托輪軸承、擋輪及底座等部分構成。托輪直接與滾圈接觸。各組托輪軸線必須與簡體中心線平行，且兩組托輪中心與筒體斷面中心的三點連線應形成等邊三角形。托輪寬度略寬于滾圈，由耐磨鑄鋼制成，托輪斷面有單輪幅、雙輪幅及三輪幅等3種結構，安裝方式有心軸式和轉軸式2種。轉軸式托輪軸一般是熱配合裝配。托輪軸承結構形式分滑動軸承、滾動軸承及滑動一滾動軸承等，大多采用滑動軸承。滑動軸承的瓦襯鑲在球面瓦上，形成球面接觸，能自動調心，油勺帶油潤滑，球面瓦竄水冷卻，軸端設有止推盤，軸肩有止推環以承受軸向推力。軸承固定在型鋼底座上，并有調整托輪位置用的頂絲。滾動軸承雖具有結構簡單，摩擦阻力小，電耗低等優點，但大型軸承的一次性投資大，壽命較滑動軸承低。除前蘇聯在大直徑回轉窯的支承裝置上采用滾動軸承外，美國、丹麥和日本等國的回轉窯均采用滑動軸承，中國僅在中小型回轉窯上有的采用滾動軸承。擋輪的作用是限制或控制筒體軸向竄動。窯體支承裝置的組數稱為窯的檔數。可在一檔或數檔支承裝置上裝有擋輪，稱為帶擋輪支承裝置，除液壓擋輪外，一般只在靠大齒圈附近的滾圈兩旁裝一組擋輪。擋輪按其功能分為“信號擋輪”，“推力擋輪”及“液壓擋輪”。“信號擋輪”多數用在舊式窯上，它不是防止窯體軸向竄動的止擋裝置，只起信號作用。“推力擋輪”承受窯體下滑力，限制筒體軸向竄動。“液壓擋輪”是通過液壓裝置推動擋輪，迫使簡體作軸向運動，保證滾圈和托輪在全寬度上均勻磨損及簡體直線性以減少動力消耗。這種裝置可同時采用幾個小型液壓擋輪，共同承受窯體軸向竄動力，特別適用于大直徑多擋數的回轉窯。
(4)傳動裝置。通過減速機構將動力傳遞給用彈簧板固定在簡體上的大齒圈，使筒體作慢速回轉。由于運輸和安裝的要求，齒圈為兩半剖分式，其齒數均為偶數。彈簧板有切向和縱向兩種。窯傳動裝置特點是傳動比大，要求平滑無級調速，起動力矩大。分為主傳動和輔助傳動兩個系統。主傳動系統多數由主電動機、主減速機、齒輪和大齒圈組成，亦可中間再加一級半敞開齒輪或皮帶傳動，或采用兩套電動機和減速機構的雙傳動方式。主電動機應有調速功能。
輔助傳動系統的作用是當主電動機或主電源發生故障時定期轉動窯體，避免筒體產生變形與彎曲，在窯體砌磚或檢修時亦使用。由輔助電動機帶動輔助減速機，通過離合器與主減速機的高速軸相連。輔助電動機與主電動機分別用不同電源供電。輔助電動機也可用柴油發動機代替。
(5)窯頭罩。連接筒體窯頭端與冷卻裝置，罩內砌有粘土磚，并設有監視窯內燃料和物料燃燒情況的看火孔和檢修門。窯頭罩有固定式和移動式2種。大型回轉窯多數采用固定式。
(6)密封裝置。防止從窯的回轉部件與固定裝置間隙處吸入空氣或窯內攜塵的氣體外泄。有窯頭，窯尾密封之分，窯頭罩與簡體間的密封稱窯頭密封；集塵室與簡體間的密封稱窯尾密封。密封裝置的基本要求首先是密封性能好，能適應運轉時簡體圓度公差值和軸向竄動幅度；此外是結構簡單，維修方便，耐磨損且不影響窯的熱工制度。密封裝置有迷宮式(曲徑式)，接觸式(摩擦式)和氣封式等3種。也可將上述兩種或3種綜合應用。
(7)集塵室。設于窯尾端，由紅磚砌筑，內砌筑粘土磚，外部用鋼骨架加強。其頂部設加料管將物料直接喂入窯內，煙氣自窯尾進入集塵室，因流速降低，一部分粉塵在室內沉降，側墻裝有煙氣排出管，室下部設有粉塵清理門或機械運灰裝置。當窯尾采用預熱裝置時，則不設集塵室。
(8)燃燒裝置。根據燃料不同，燃燒裝置有噴煤管、燃油燒嘴及燃氣燒嘴。燃燒裝置裝設在支架上，從窯頭以懸臂形式伸入窯內，支承架上裝有燒嘴調節機構，可調節火焰的位置。
(9)熱煙室。設于窯頭罩下部，由紅磚砌筑，內襯粘土磚，外部用鋼骨架加強，其中部一側設有下料口，將回轉窯煅燒好的料溜至冷卻裝置。進入冷卻裝置的冷空氣經與回轉窯煅燒好的物料進行熱交換后，溫度可達500℃左右，被排煙裝置吸引至窯內作為二次空氣使用。熱煙室側墻裝有小門，供觀察及處理結砣的物料用。
