1.前言
在不锈钢制造过程中，会产生粉尘、氧化铁皮和淤泥等废弃物，这些废弃物中的一部分可再利用，但大多数不能利用而是作填埋等处理。最近随着人类环保意识不断增强，废弃物丢弃变得越来越困难，要求削减由炼铁过程产生的废弃物量。此外，从经济及节约资源的观点看，废弃物中含有的有价物质的再利用是非常重要的。
为了适应废弃物丢弃限制及其有效利用的需求，大同特殊钢公司于1996年从美国INMETCO公司引进了利用转底炉（简称RHF）的废弃物再循环技术，用于处理炼钢粉尘。
本文介绍炼钢粉尘还原处理工艺-INMETCO法的概况及采用INMETCO法的不锈钢炼钢厂中废弃物再循环设备的操作情况。
2．INMETCO法的概况
INMETCO法是将氧化金属粉末和还原材粉末混合造粒后，采用转底炉进行直接还原，获得有价金属的再资源化工艺。INMETCO法的工艺流程如图1所示。
INMETCO法工艺由3个步骤组成，分别是：原料的入料、储存及造粒；采用RHF炉还原；浸没式电炉（简称SAF）下的熔融还原。
首先介绍原料的入料和储存。细粒含铁氧化物原料，如几乎不含水分的炼钢粉尘等在喷射履带下从一侧输送，通过空气输送到筒仓储存。酸洗淤泥等料浆状原料经除水后由装料器输送到料仓储存，事前干燥后作为干粉储存。另一方面，轧机氧化铁皮等粒径比较大的废弃物，除去水分后进行筛选，规定尺寸以上的氧化铁皮经粉碎机粉碎，储存在筒仓中。作为还原材的碳粉和粘结剂也采用空气输送装置送到筒仓储存。将临时储存的原料按规定配比从储存筒仓中取出，混匀后造粒。造粒形状，即原料性能、从造粒到转底炉的搬运形态、还原处理后的搬运形态，由最终产品的要求决定。根据原料性能、用途等，选择压块或挤压等颗粒成型方法。含较多水分的淤泥作为原料处理时，干燥后不需要再次水分调整的挤压成型是有利的。干燥原料的情况下，也可以选择压块。在球形颗粒的情况下，接着继续进行还原处理，成为能耐爆裂的直径数毫米到数十毫米的颗粒。
INMETCO法工艺的第2阶段是在RHF炉中氧化金属的预还原。在前处理中成形的颗粒根据情况被连续投入到RHF炉中，在炉床上铺设1～2层的厚度。RHF炉内保持1100～1350℃高温，炉床转动1次（10～20min）的时间内，颗粒中的氧化铁被还原，成为金属化率高的还原铁。被还原的颗粒从抽出口被连续抽出。另一方面，锌、铅及一部分碱、氯化物、氟化物在还原处理中和废气一起被排出，作为有色原料在可再循环的程度下被浓缩，作为二次粉尘被回收。
INMETCO法工艺的第3阶段是从RHF中抽出的还原颗粒在SAF炉中被熔融还原处理。被连续抽出的高温还原颗粒通过吊车被搬移到SAF上方的内衬有耐火材料的保温仓内，随后还原颗粒通过投入溜槽从保温仓的下部被连续投入到SAF内，在炉内进行熔融还原处理。为了SAF炉内的还原和炉渣调整，在保温仓内同时装入助溶剂和还原用碳粒。在SAF炉内还原颗粒分离成被熔融还原的铁水和炉渣，根据比重的不同，金属在下部，炉渣在上部。将分离物从SAF炉侧面的出铁口定期抽出。抽出的铁水直接返回到炼钢工序，考虑到搬运性和便利性，浇铸成钢锭或钢棒。
RHF炉内大致可分成加热带、还原带和装入? 抽出带3个区域。堆积在转底炉床上的薄层颗粒随着炉床的转动，通过烧嘴火焰及来自炉内壁的辐射被快速加热。炉内废气与颗粒移动方向成反方向流动，从颗粒投入位置附近的加热带一侧被排放出。在还原带产生的CO不仅形成了防止还原颗粒再氧化的气体层，还在加热带燃烧生成CO2气体，成为加热带的加热源。
转底炉的投入位置作为0°。在120°时，金属化率超过80%，在超过中间点180°取得最大值。另一方面，作为氧化金属在原料颗粒中含有如锌、铅这样的高蒸汽压的重金属，通过还原反应在挥发废气中再氧化。投后从70°开始快速还原反应，在240°反应基本结束。铅、氯几乎被100%除去。
3．INMETCO法的优点
采用RHF炉煤基直接还原工艺具有如下优点：
1)由于在高温下熔融还原，还原时间短，仅为10～20min，还原效率高。
2)由于可利用廉价的煤基能源，对节约运行成本是有效的。
3)可以处理含有重金属的粉尘，与窑式相比，炉内颗粒的粉化程度低，所以二次粉尘的重金属浓缩度高。
4)操作简单，适合稳定连续作业。
而且，与使用其他RHF炉直接还原工艺相比，INMETCO法具有如下优点：
a)长寿命的水冷式颗粒抽出螺孔
作为将炉内被还原的高温颗粒向炉外排放的结构，螺孔式排放装置结构简单且具有稳定性和可靠性。高温颗粒连续排放的情况下，旋转轴被焊接成螺旋状，将颗粒连续刮出的刮板容易磨损，也可能因气体产生腐蚀，和颗粒一起被投入到炉床上的颗粒粉在炉床表面烧结硬化，颗粒排放装置的好坏决定了设备的维护间隔。
这种水冷式颗粒抽出螺孔是根据多年的经验进行了各种改进，寿命长达2年左右，延长了维护周期。
b)对原料适应性强及且可长期稳定的操作
该公司自操作以来经过了30多年，从各种炼钢废弃物的处理经验中，积累了根据原料选择处理形态、配比控制、处理参数、维护方法、炉床管理技术及特殊炉体结构等丰富的技术诀窍。
4.不锈钢粉尘再循环设备的概况
介绍大同特殊钢公司采用INMETCO法的不锈钢粉尘再循环设备的操作实绩。
该设备于2004年开始商业化运行。按照处理附近年产量80万t的不锈钢制造厂产生的各种废弃物而设计，粉尘处理能力为5万t/a。
除了集尘器外，设备都布置在厂房内，分成1）原料入料?储存区；2）混匀?造粒区；3）RHF；4）SAF；5）铸造区。
作为原料的各种废弃物根据其性能和形状不同，入料过程也不同。电炉粉尘、精炼炉粉尘等干粉尘，酸洗退火线（APL：Annealing and Pickling Line）喷丸及干燥处理后的酸回收设备（ARP：Acid Recovery Plant）淤泥被直接输送到筒仓。还有还原材-碳粉、粘结剂等干粉由软质（包装）容器搬入，暂时储存后通过场内的空气输送装置储存到同样的筒仓中。
另一方面，含有水分的轧钢氧化铁皮在料仓中进行预除水。为了造粒，干燥和粉碎是必要的，在氧化铁皮干燥机干燥后，粉碎储存到筒仓中。
根据处理计划将各原料从筒仓下部的定量取出装置中取出一定量，在传送带上输送时完成混合，在盘形回转造粒机上造成直径6～13mm的颗粒。
颗粒被连续投入到外径17m的RHF炉中，在炉床转动1次约20min时间内，颗粒中的氧化铁被还原，成为金属化率高的还原铁。被还原的颗粒从抽出口被连续抽出。在抽出口下方的转盘上有2台颗粒搬运仓呈对角设置，一旦一侧的搬运仓被还原颗粒填满，转动转盘，另一侧的搬运仓就移动到抽出口的下方，通过吊车将填满的搬运仓输送到SAF炉上方的搬运仓位置。
从SAF炉上方的颗粒搬运仓内连续向炉内投入还原颗粒，进行熔融还原。炉渣调整材和还原用碳材也被投入。通过浸没加热维持炉温，投入的还原颗粒在炉内被分离成熔融金属和熔融炉渣，分别被定期排出。
抽出的金属浇铸成大型钢锭，测定成分后在炼钢厂和废钢一起被投入到电炉中。
5.设备作业实绩
处理对象物的典型成分如表1所示。粉尘是来自电炉、转炉、真空精炼炉的粉尘，因受到废钢的影响，炼钢粉尘中的锌浓度为5.6%，属于较高位。另外，粉尘中含有氯成分。ARP淤泥是酸洗线的酸洗液再生时产生的淤泥粉。轧钢氧化铁皮含有碎片，经过粉碎工序。
表1 不锈钢炼钢厂产生废弃物的化学成分
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项目 重量t/a 成分（%）
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Fe Ni Cr C S Zn Pb P2O5 Al2O3 SiO2 MgO CaO Cl-
粉尘 29700 31.0 2.4 8.2 0.6 0.10 5.62 0.81 0.00 0.41 3.98 2.90 8.00 0.30
CCIM氧化铁皮 2900 30.2 2.4 8.3 14.7 0.20 3.4 0.72 0.03 1.54 5.90 2.40 9.90 0.40
轧钢氧化铁皮 13000 31.8 3.2 6.5 7.7 0.20 0.10 0.74 0.03 1.00 1.21 2.07 0.67 0.00
ARP淤泥 2200 46.9 6.9 10.1 1.3 0.60 0.02 0.01 0.28 0.11 1.61 0.10 0.30 0.00
APL喷丸 4100 69.9 1.0 9.0 1.7 0.10 0.01 0.01 0.24 0.35 1.32 0.10 0.30 0.00
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造粒的颗粒成分如表2所示。造粒时添加少量的粘结剂和作为还原材的碳粉。
表2 造粒颗粒的化学成分
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项目 成分（%）
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Fe Ni Cr C S Zn Pb P2O5 Al2O3 SiO2 MgO CaO Cl-
颗粒 28.7 2.0 7.1 14.9 0.24 5.5 0.8 0.03 1.43 5.40 2.55 9.09 0.1
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造粒后的颗粒在RHF炉中预还原，并在SAF炉中熔融还原，得到的金属与炉渣的典型成分如表3、4所示。出铁时的金属温度为1440～1540℃，得到含有5%镍、15.2%铬、约4%碳的生铁。SAF炉渣的成分、温度的调整及维持是稳定作业的关键点。
表3 SAF金属成分
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项目 成分（%）
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Fe Ni Cr C S Mo Mn Co Cu P
SAF金属 71.4 5.0 15.2 4.3 0.05 0.17 2.81 0.04 0.95 0.05
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表4 SAF炉渣成分
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项目 成分（%）
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Al2O3 SiO2 MgO CaO S Cr2O3 Fe
SAF炉渣 4.9 21.3 9.5 35.0 0.9 6.4 1.3
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该工艺总的金属回收率如表5所示。作业2年后，达到了95%。铬回收率与炉渣成分调整密切相关，通过适当调整炉渣成分，可实现铬的高回收率。
表5 金属再循环设备下的金属回收率
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Fe Ni Cr
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回收率（%） 95 95 86
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通过采用本设备处理粉尘，迄今从稳定化处理的废弃物中每年回收1100t镍和4300t铬。还有，SAF炉渣满足美国环境保护局（EPA）的TCLP（Toxicity Characteristic Leaching Procedure）法关于重金属溶出规定值，可用作路基材。
6．结语
由于从炼钢厂排放的各种废弃物的丢弃被限制，废弃物的处理成为问题，同时对于循环型社会的要求，回收废弃物中的有价金属是企业的责任。INMETCO法作为从不锈钢制造工艺产生的废弃物中回收有价金属的工艺被世界所认可，并拥有实绩，今后要以发展中国家为中心，加快该工艺的推广应用。
