導讀：富氧熱風豎爐工藝(Oxycup工藝)是目前熔融還原法循環(huán)利用含鐵塵泥物料并實現(xiàn)工業(yè)化的代表之一。
　　
　　鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥主要來自于燒結(jié)、球團、高爐、轉(zhuǎn)爐和軋制等各工序的除塵和廢水治理工藝，一般TFe含量為30%～70%，同時含有一定量的碳和有害元素。在傳統(tǒng)的高爐—轉(zhuǎn)爐鋼鐵生產(chǎn)流程中，含鐵塵泥的產(chǎn)生量為鋼產(chǎn)量的10%左右，對我國含鐵塵泥進行資源化回收利用意義重大。
　　
　　含鐵塵泥處理的主要工藝
　　
　　含鐵塵泥處理工藝主要分為物理法處理工藝、濕法處理工藝、火法處理工藝及含鐵塵泥高附加值利用。目前鋼鐵工業(yè)主要采用火法工藝對含鐵塵泥予以處理和回收利用，主要方法有燒結(jié)法、球團法、粉塵噴吹法、直接還原法、熔融還原法和造塊返回煉鋼法。
　　
　　作為原料直接配入燒結(jié)、球團料的方法zui為簡單，能一定程度上實現(xiàn)鐵資源的回收利用，具有投入少、見效快、無須改變原有工藝等優(yōu)點，但存在配料、混合困難等問題，且會造成有害元素的循環(huán)和富集，給高爐帶來危害。
　　
　　粉塵噴吹法主要是將含鐵、含碳粉塵以一定比例混合噴吹到高爐或其他熔融爐中代替部分原料進行循環(huán)回收利用，從而達到降低煉鐵生產(chǎn)成本的目的。該方法對噴吹物料有相當高的技術要求，而且其處理量不大，應用受到了一定的限制。
　　
　　將含鐵塵泥造塊返回煉鋼工藝，用作煉鋼冷卻劑是含鐵塵泥資源化利用的又一途徑，目前國內(nèi)外許多企業(yè)已使用這種方法。該方法可充分利用粉塵中的FeO和CaO，代替部分造渣劑和冷卻劑，而且對粉塵強度要求不高，可降低煉鋼石灰和鋼鐵材料消耗，從而降低煉鋼成本，但該方法不適合處理低品位、高碳、高堿粉塵。
　　
　　直接還原法和熔融還原法能處理鋼鐵企業(yè)大部分含鐵塵泥，不僅能有效利用塵泥中的鐵、碳和CaO等物質(zhì)，同時還可脫除塵泥中Pb、Zn、S等有害雜質(zhì)，生產(chǎn)金屬化球團和鐵水，具有較好的處理效果。
　　
　　轉(zhuǎn)底爐是目前比較受關注的用于處理各鋼廠含鋅、鉛粉塵的快速直接還原裝置。該工藝將含鐵塵泥通過混合—配料—成型—轉(zhuǎn)底爐直接還原等工序脫除鉛、鋅等有害元素，得到直接還原鐵，可返回鋼鐵生產(chǎn)流程使用。其優(yōu)勢在于處理效率高，處理能力適中，對能源要求不是很高，可以直接用鋼鐵廠的副產(chǎn)煤氣作為熱源，能夠很好地回收含鐵塵泥中的鐵、鋅、鉛等金屬。其缺點包括爐膛高、料層薄、能源利用效率不高等，還有待進一步研究和完善。
　　
　　富氧熱風豎爐工藝(Oxycup工藝)是目前熔融還原法循環(huán)利用含鐵塵泥物料并實現(xiàn)工業(yè)化的代表之一。該工藝的金屬收得率高，處理含鐵物料的范圍廣，生產(chǎn)鐵水可直接用于煉鋼，不需要燒結(jié)機，環(huán)保效果相對較好。但該工藝冶煉過程須使用大塊的鑄造焦，影響到其運行成本，同時也存在設備運行周期短等缺點。
　　
　　鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥資源化利用的發(fā)展方向是含鐵塵泥的集中化處理，應按含鐵塵泥的基礎特性對其進行綜合分類和管理。同時資源化利用方式應能夠達到一定的規(guī)模和效率，才能實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)各工序產(chǎn)生的全部含鐵塵泥的回收利用。因此，富氧熱風豎爐工藝是未來我國含鐵塵泥資源化利用較為理想的工藝之一。
　　
　　富氧熱風豎爐處理含鐵塵泥的特點
　　
　　工藝概況及流程。富氧熱風豎爐工藝即Oxycup工藝，源自于沖天爐冶煉鑄鐵工藝，其工藝流程主要包括原料收集、配料混料、壓塊、硬化干燥和豎爐熔煉等過程。
　　
　　含鐵塵泥和固廢須要造塊，以滿足豎爐冶煉過程對透氣性的要求。Oxycup工藝采用冷固結(jié)球團法進行造塊，用于壓塊的含鐵物料為鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種含鐵塵泥，還原劑主要有焦粉、無煙煤等，黏結(jié)劑主要使用水泥。將含鐵物料、還原劑、黏結(jié)劑和水充分混合，經(jīng)過壓球機壓制成大小為100mm～150mm的六棱柱碳磚，養(yǎng)護一段時間后，碳磚具有一定的強度，便可送往Oxycup豎爐冶煉。
　　
　　Oxycup工藝的主體裝置是一個富氧熱風化鐵豎爐。Oxycup工藝的熱量來源為豎爐底部焦炭的燃燒，可為豎爐提供熔煉的熱量，完成含鐵物料的預熱、還原、熔化、渣鐵分離和過熱。
　　
　　含鐵塵泥球團、廢鋼、渣鋼、焦炭、熔劑等冶煉原料由爐頂料倉加入豎爐，進行高溫冶煉。富氧熱風由豎爐下部的風口吹入爐內(nèi)，使豎爐下部的焦炭燃燒，放出熱量，產(chǎn)生高溫煙氣，爐料與熾熱的焦炭和高溫爐氣接觸，進行激烈的熱交換，完成含鐵物料的預熱、還原、熔化、渣鐵分離等冶金過程，zui終生成鐵水、爐渣和煤氣。鐵水采用虹吸的方式排出爐外，經(jīng)預處理后由鐵水罐送往煉鋼車間或鑄造成塊;采用粒化裝置處理爐渣，將出渣口流出的爐渣用水急冷，爐渣被破碎，隨水流流至沉降池，可作為建筑材料或進行其他綜合利用;煤氣經(jīng)濕式凈化后可作為豎爐空氣預熱燃料或并入煤氣管網(wǎng)，煤氣凈化產(chǎn)生的粉塵或污泥含鋅量較高，可外售給制鋅廠或進一步進行高附加值利用。
　　
　　目前，Oxycup工藝在德國、墨西哥、日本和我國都得到了應用。我國太鋼建有3個Oxycup豎爐，兩個豎爐同時工作，第三個豎爐備用，每個爐子設計碳磚及其他含鐵物料處理量為45t/h。
　　
　　工藝基本原理。Oxycup豎爐冶煉過程主要由3個基本過程組成，即豎爐底部焦炭的燃燒、熱量交換和冶金反應，其中底部焦炭的燃燒是Oxycup豎爐冶煉的基礎。豎爐爐料分為兩個部分，下部為底焦，上部為批料。底焦是指爐身下部裝有的一定高度的焦炭，批料是指底焦上部由含鐵物料、熔劑、層焦組成的物料。在冶煉過程中所消耗的底焦由料批中的焦炭來補充，使冶煉過程持續(xù)進行。
　　
　　富氧熱風經(jīng)風口吹入底焦，使其燃燒，在風口以上形成由焦炭層氧化帶和焦炭層還原帶組成的燃燒帶，產(chǎn)生高溫的爐氣，爐氣往上與爐料接觸，進行激烈的熱交換，形成熔化帶、直接還原帶和預熱帶。
　　
　　預熱帶：Oxycup豎爐加料口溫度為200℃～400℃，從加料口到爐身1000℃以上的區(qū)域為Oxycup豎爐的預熱帶。爐料自加入豎爐后，通過與上升爐氣的對流傳熱，逐漸升溫，同時發(fā)生爐料中水分的蒸發(fā)、揮發(fā)分的逸出和碳酸鹽的分解等反應，爐氣的成分基本上不發(fā)生變化。同時，預熱帶內(nèi)部分金屬氧化物會被還原，主要以間接還原為主，但由于反應溫度低和反應時間短，還原程度較弱。
　　
　　直接還原帶：Oxycup豎爐直接還原帶為豎爐1000℃～1400℃溫度區(qū)域。該區(qū)域可實現(xiàn)含鐵爐料中鐵等氧化物的快速還原，同時爐料開始熔化。在直接還原帶的溫度條件下，含鐵塵泥中所含的鐵、鉀、鈉、鋅和鉛等氧化物都能被還原，且反應溫度較高，因此在短時間內(nèi)可實現(xiàn)含鐵塵泥中大部分金屬氧化物的直接還原。
　　
　　焦炭層還原帶：該區(qū)域的特點為高溫和缺氧，由焦炭層氧化帶生成的部分CO2氣體在該層與熾熱的焦炭反應，生成CO。爐氣的成分不斷變化，CO含量自下而上逐漸增加。熔化帶貫穿于直接還原帶和焦炭層還原帶，爐料在直接還原帶即開始熔化，降至焦炭層還原帶進一步熔化，鐵液滲碳，爐渣逐漸形成，使渣、鐵分離。
　　
　　焦炭層氧化帶：從風口到風口上方自由氧耗盡處為焦炭層氧化帶。在該區(qū)域內(nèi)，爐氣成分中的CO2含量由下而上逐漸增加，焦炭層氧化帶的上部CO2含量達到zui大值，O2含量由zui大值降至微量。該區(qū)域是Oxycup豎爐中溫度zui高的區(qū)域，溫度可達2100℃以上，鐵液在該區(qū)域急劇過熱，造渣過程快速進行，爐渣成分不斷變化。
　　
　　爐缸：Oxycup豎爐風口以下至豎爐底部為爐缸，爐缸內(nèi)的氣氛為還原性氣氛，鐵液和爐渣成本基本上不再變化，僅在渣、鐵界面上進行鐵液和爐渣成分的調(diào)整和再分配，鐵液和爐渣zui終排出爐外。由于含鐵原料和焦炭中有一定的硫含量，Oxycup豎爐生產(chǎn)的鐵液硫含量一般較高，應對鐵液進行爐外脫硫處理。
　　
　　工藝特點。具體而言，Oxycup工藝具有以下特點：
　　
　　Oxycup工藝使用的造塊方法為冷固結(jié)球團法，可省去燒結(jié)和球團造塊工序，減少能耗和降低污染是該工藝的一大優(yōu)點。同時該造塊方法對含鐵塵泥原料特性的要求不高，可處理鋼鐵企業(yè)的大部分含鐵塵泥。
　　
　　Oxycup工藝采用的含鐵物料是大小為100mm～150mm的六棱柱碳磚，粒度較大，因此碳磚內(nèi)部傳熱較差，溫度低于碳磚表面，高溫下碳磚表面會被還原形成金屬層，從而提高球團強度，減少因水泥黏結(jié)劑高溫失效而造成的粉化現(xiàn)象。
　　
　　Oxycup豎爐上部料倉的下方有環(huán)形爐氣集氣室，爐頂裝料口的壓力接近于零，在豎爐冶煉過程中可使爐頂沒有煙氣放散。該工藝可以回收得到含鋅較高的干式除塵灰或濕式污泥，對外銷售給制鋅廠或者進行高附加值利用。
　　
　　焦炭層氧化帶焦炭燃燒放出大量熱量，而焦炭層還原帶反應吸收熱量，故增大焦炭層氧化帶有利于焦炭的利用。焦炭粒度適當增大，可使焦炭層氧化帶拉長，同時改善爐膛內(nèi)的燃燒。因此，Oxycup豎爐使用大塊的鑄造焦，但鑄造焦的價格昂貴，導致Oxycup工藝冶煉成本增加。
　　
　　Oxycup豎爐沿用了沖天爐預熱送風與富氧送風的優(yōu)勢，采用富氧熱風操作，可大幅度降低焦比，提高風口理論燃燒溫度。目前富氧送風已發(fā)展為超音速吹氧技術，可將氧氣吹到爐子中心，有利于改善豎爐中心燃燒，降低爐殼冷卻水溫。
　　
　　Oxycup豎爐的廢氣中包含較大潛能，回收價值高。該工藝爐頂產(chǎn)生的爐氣經(jīng)冷卻后由濕式洗滌器進行除塵，采用換熱器對爐氣熱量進行利用，凈化后的煤氣可作為燃料，進入廠區(qū)的煤氣網(wǎng)。利用廢氣中的物理熱與CO的再燃燒對Oxycup豎爐進行預熱送風，是Oxycup豎爐節(jié)能降耗zui合理的途徑。
　　
　　總之，Oxycup工藝在處理鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥方面具有經(jīng)濟性和環(huán)保性等方面的較多優(yōu)勢，對鋼鐵企業(yè)來說具有一定的吸引力。但該工藝若想得到廣泛推廣和應用，須克服目前存在的造塊工序投資成本高、流程復雜、使用大塊鑄造焦、燃料比高、設備運行周期短、維修工作量大等缺點。