CN102051427A - 利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在富氧顶吹的条件下，用混合高磷铁矿和钛铁矿作原料、煤粉作还原剂、石灰石或白云石作熔剂生产铁水。工艺步骤为：将炉料高磷铁矿、钛铁矿、白云石、石灰和还原煤破碎；按照碱度R的范围为1.0～2.0，内配碳比C/O的范围为0.9～1.3的工艺参数配比混匀、预热；炉料从炉侧进入熔融还原炉，在富氧顶吹的条件下生产磷、钛含量相对较低的铁水，其铁水和炉渣则定期分别由出铁口和排渣口放出。本发明处理传统方法难以冶炼的高磷铁矿、钛铁矿。此种混合冶炼既降低了冶炼高磷铁矿时的磷负荷量，能达到磷含量更低的铁水，又减少了冶炼钛铁矿时的泡沫渣量，有助于炉况稳定。此发明将有利于开发我国大量储存的高磷铁矿和钛铁矿资源，增强中国钢铁企业的国际竞争力。

Description

利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法

技术领域

本发明涉及一种利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿的方法，属于能源与冶金技术领域。

背景技术

我国铁矿资源分布广泛，成因类型多样，贫矿多，富矿少，铁矿床中共生组分多。在已查明的1834处铁矿中，总探明储量为531.4亿吨，保有储量为501.2亿吨，其中高磷铁矿石的保有储量为74.5亿吨，占全国铁矿总保有储量的14.86％。我过的高磷铁矿石主要分布于长江流域的云南、四川、湖北、湖南、安徽、江苏及华北的内蒙古等地区，其分布广、储量大，但其矿物组成复杂，磷矿物嵌布粒度细小，磷矿物与铁矿物之间关系复杂，联结力大，属于难选矿石。长期以来，由于没有开发出理想的降磷方法而使得国内现存的大量铁矿资源不能得以有效利用，致使某些矿山因含磷高而停止开采。采用富氧顶吹熔融还原技术冶炼高磷铁矿已经被试验验证具有较好的效果。利用熔融还原炉内的强氧化性气氛和磷氧化物在炉渣中可以稳定存在的特点脱磷，从而达到理想冶炼效果。

我国攀西地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿，且成分稳定，S，P等有害元素含量低，价格低，其工业贮量达80亿吨以上。云南省也分布有相当丰富的钛铁矿资源，且精矿质量优于攀枝花地区，矿质以砂矿为主，易采易选，TiO₂品位较高，硅、铝、硫、磷等杂质含量少。据文献报道，其探明储量已有2000多万吨。但对于西南地区的这些含钛铁矿，高炉冶炼难度比较大，经济指标低下。在国内专家几十年的科研攻关下，采用高炉冶炼钒钛磁铁矿取得***的成果。但冶炼过程中，钛的低价化合物和Ti(C，N)的生成导致炉渣粘度大，流动性差导致炉况差以及渣铁分离不理想等诸多问题仍然存在。因此，采用新的冶炼工艺开发我国现有的大量“呆矿”具有重要的意义。当今世界，非高炉炼铁技术迅猛发展，个别工艺已凭借其独特优势崭露头角。经过实验室试验证明富氧顶吹熔融还原技术处理钛铁矿在脱钛方面取得了良好的效果。利用炉膛中的强氧化性气氛和钛氧化物可以稳定存在于渣中的特点脱钛，从而达到理想的效果。

在以上所述的试验背景下，高磷铁矿和钛铁矿进行混合冶炼的构思产生。冶炼全高磷铁矿时，由于铁矿中磷含量高，煤粉中也有一定负荷的磷，导致最终冶炼的脱磷效果不是很理想，还需要炉外继续脱磷才能达到合格铁水的要求。冶炼全钛铁矿时，虽然炉膛环境氧势较高，但经试验发现泡沫渣现象仍然存在。在冶炼过程中混合高磷铁矿和钛铁矿，一方面降低渣中钛含量，减缓泡沫渣的产生；另一方面，可以降低炉料磷负荷，可以得到更为合格的铁水；再一方面，利用磷与氧的亲和力高以及磷氧化物可以稳定存在于渣中的特点，可以稀释炉渣钛的浓度，同时增强炉渣的钛、磷容量。

发明内容

本发明在此铁矿资源日益恶化的环境下应运而生，用于解决高炉炼铁技术能耗高、污染大、热效率低以及我国大储量贫铁矿在高炉中难以冶炼的问题。本发明采用的工艺对原料要求简单，不需炼焦、烧结、造球等工序，而且投资建设、操作成本低，对环境影响较小。本发明的目的是采用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿，制取低磷低钛铁水。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案：

利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法，其特征在于含有以下工艺步骤：

将炉料高磷铁矿、钛铁矿、白云石、石灰和还原煤破碎；按照碱度R的范围为1.0～2.0，内配碳比C/O的范围为0.9～1.3的工艺参数配比混匀、预热；炉料由炉侧进入熔融还原炉，其铁水和炉渣则定期分别由出铁口和排渣口放出，高温烟气通过除尘、二次燃烧，然后利用其余热发电。

所述炉料粒度≤10mm。

碱度R的表达式为：

$R=\frac{\mathrm{CaO}(\%)+\mathrm{MgO}(\%)}{\mathrm{Si}{O}_2(\%)+{\mathrm{Al}}_2{O}_3(\%)}$

R范围为1.0～2.0。

还原煤的加入量为m(coal)：

$m\left(\mathrm{coal}\right)=k\·\frac{(C/O)\×\left\{\begin{array}{c}n\%\×m\left(\mathrm{ore}\right)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_P\right)\×\frac{16}{72}+[{\mathrm{TFe}}_P-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_P\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}+\\ (1-n\%)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_{\mathrm{Ti}}\right)\×\frac{16}{72}+[{\mathrm{TFe}}_{\mathrm{Ti}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_{\mathrm{Ti}}\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}\end{array}\right\}/16}{{\mathrm{\ω}}_C\left(\mathrm{coal}\right)/12}$

m(ore)-配入矿的总质量；

n％：(1-n％)-高磷铁矿与钛铁矿的配矿比；

TFe_P-高磷铁矿中的全铁品位；

ω_FeO(ore_P)-高磷铁矿中的FeO含量；

TFe_Ti-钛铁矿中的全铁品位；

ω_FeO(ore_Ti)-钛铁矿中的FeO含量；

ω_C(coal)-煤中C含量

k-针对熔融还原炉传热不同而产生的系数，煤粉在熔融还原炉中作还原剂，同时也为发热剂；

C/O范围为0.9～1.3。

一种利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法，熔融还原炉温控制在1400～1550℃，其富氧顶吹的氧枪、热交换器、除尘器、气体压缩机型号与熔融还原炉型号相匹配。

本发明的工艺步骤是：将炉料高磷铁矿、钛铁矿、白云石、石灰和还原煤破碎；按照工艺参数配比混匀、预热；炉料从炉侧加入熔融还原炉。在富氧顶吹的条件下生产磷、钛含量相对较低的铁水，其铁水和炉渣则定期分别由出铁口和排渣口放出。

本发明上述工艺步骤中的具体工艺参数为：(1)炉料破碎的粒度为≤10mm；(2)碱度R的范围为：1.0～2.0；(3)内配碳比C/O的范围为：0.9～1.3；(4)反应炉温控制在1400℃～1550℃；(4)富氧的浓度、压力和喷吹炉料的速度视熔融还原炉的型号和配矿比而定。

本发明的工艺流程如下：

在熔融还原炉热启动之后，将预热炉料由炉侧进入熔融还原炉内，控制氧枪为合理高度，开始鼓吹富氧。在富氧的助燃下，煤粉供热熔化炉料同时还原高磷铁矿和钛铁矿。在熔融还原炉中，渣层下方为还原区，为煤粉还原高磷铁矿的区域；渣层上方为顶吹富氧造成的氧化区，在富氧的助燃下炉腔内可燃气体二次燃烧，以辐射和热传导的方式传送给熔融还原炉下部的渣层和铁浴，维持反应温度。

在整个反应过程中，煤粉中的C不仅作为还原剂，同时也作为发热剂。其中提供热量的反应主要有：

2C+O₂＝2CO

CO+O₂＝CO₂

2H₂+O₂＝2H₂O

高磷铁矿和钛铁矿在高温下熔化并被还原，在下部还原区中高磷铁矿和钛铁矿被还原的反应主要有：

3Fe₂O₃+CO＝2Fe₃O₄+CO₂

Fe₃O₄+CO＝3FeO+CO₂

$\frac{1}{4}{\mathrm{Fe}}_3{O}_4+\mathrm{CO}=\frac{3}{4}\mathrm{Fe}+{\mathrm{CO}}_2$

FeO+CO＝Fe+CO₂

3Fe₂O₃+H₂＝2Fe₃O₄+H₂O

Fe₃O₄+H₂＝3FeO+H₂O

$\frac{1}{4}{\mathrm{Fe}}_3{O}_4+H_2=\frac{3}{4}\mathrm{Fe}+H_{2}O$

FeO+H₂＝Fe+H₂O

6Fe₂O₃+C＝4Fe₃O₄+CO₂

2Fe₃O₄+C＝6FeO+CO₂

2FeO+C＝Fe+CO₂

FeTiO₃+C＝Fe+TiO₂+CO

$\frac{3}{4}\mathrm{FeTi}{O}_3+C=\frac{3}{4}\mathrm{Fe}+\frac{1}{4}{\mathrm{Ti}}_3{O}_5+\mathrm{CO}$

$\frac{2}{3}\mathrm{FeTi}{O}_3+C=\frac{2}{3}\mathrm{Fe}+\frac{1}{3}{\mathrm{Ti}}_2{O}_3+\mathrm{CO}$

$\frac{1}{2}\mathrm{FeTi}{O}_3+C=\frac{1}{2}\mathrm{Fe}+\frac{1}{2}\mathrm{TiO}+\mathrm{CO}$

FeTiO₃+3C＝Ti+Fe+3CO

FeTiO₃+CO＝Fe+CO₂+TiO₂

磷和钛在渣铁中的反应有：

2Ca₃(PO₄)₂+3SiO₂＝3Ca₂SiO₄+2P₂O₅

2P₂O₅+10C＝4P+10CO

4P+5O₂＝2P₂O₅

2[P]+5(FeO)＝(P₂O₅)+5Fe

(P₂O₅)+3(FeO)＝(3FeO·P₂O₅)

(3FeO·P₂O₅)+3(CaO)＝(3CaO·P₂O₅)+3(FeO)

$\mathrm{Ti}+\frac{1}{2}{O}_2=\mathrm{TiO}$

Ti+O₂＝TiO₂

$2\mathrm{Ti}+\frac{3}{2}{O}_2=T{i}_2{O}_3$

$3\mathrm{Ti}+\frac{5}{2}{O}_2={\mathrm{Ti}}_3{O}_5$

Ti+O＝TiO

TiO+O＝TiO₂

Ti+FeO＝TiO+Fe

TiO+FeO＝TiO₂+Fe

在反应过程中产生的磷、钛的高价氧化物以稳定化合物的形式存在于渣中。另外，在反应过程中，炉料入炉进行的喷吹和渣层中CO等气体的产生将会引起熔池强烈扰动，增大渣铁接触面积以及加强二次燃烧热传导，大大改善熔融还原炉内的反应动力学条件。还原得出的铁水在熔池底部，磷和钛则形成稳定化合物富集在炉渣中，定期排放铁水、扒渣。对出炉烟气进行除尘、二次燃烧和余热回收发电。

本发明的有益效果：

采用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿具有以下优点：

1)此发明采用的工艺技术用于解决高炉炼铁技术能耗高、污染大、热效率低以及我国大储量贫铁矿在高炉中难以冶炼的问题，而且此工艺工序简单，不需炼焦、烧结造球等工序，污染少，成本低。直接利用普通煤粉、粉矿即可，更加节能。

2)利用磷氧与钛氧亲和力高以及其化合物可以稳定存在于炉渣中的特点，顶吹的富氧驱动磷、钛在渣中富集，从而产得磷、钛含量相对较低的铁水。

3)冶炼全高磷铁矿时，由于铁矿中磷含量高，煤粉中也有一定负荷的磷，导致最终冶炼的脱磷效果不是很理想，还需要炉外继续脱磷才能达到合格铁水的要求。冶炼全钛铁矿时，虽然炉膛环境氧势较高，但经试验发现泡沫渣现象仍然存在。在冶炼过程中混合高磷铁矿和钛铁矿，一方面降低渣中钛含量，减缓泡沫渣的产生；另一方面，可以降低炉料磷负荷，可以得到更为合格的铁水；再一方面，利用磷与氧的亲和力高以及磷氧化物可以稳定存在于渣中的特点，可以稀释炉渣钛的浓度，同时增强炉渣的钛、磷容量。

4)此工艺发明将有利于开发我国大量储存的高磷铁矿和钛铁矿资源，增强中国钢铁企业的国际竞争力。同时可以使得我国钢铁企业摆脱对世界三大矿山的依赖和国际铁矿价格的持续追涨。

具体实施方式

本发明具体工艺参数为：(1)炉料破碎的粒度为≤10mm；(2)碱度R的范围为：1.0～2.0；(3)内配碳比C/O的范围为：0.9～1.3；(4)反应炉温控制在1400℃～1550℃；(4)富氧的浓度、压力和喷吹炉料的速度视熔融还原炉的型号和配矿比而定。

本发明的工艺流程如下：

在熔融还原炉热启动之后，将预热炉料由炉侧进入熔融还原炉内，控制氧枪为合理高度，开始鼓吹富氧。在富氧的助燃下，煤粉供热熔化炉料同时还原高磷铁矿和钛铁矿。在熔融还原炉中，渣层下方为还原区，为煤粉还原高磷铁矿的区域；渣层上方为顶吹富氧造成的氧化区，在富氧的助燃下炉腔内可燃气体二次燃烧，以辐射和热传导的方式传送给熔融还原炉下部的渣层和铁浴，维持反应温度。

将炉料高磷铁矿、钛铁矿、白云石、石灰和还原煤破碎；按照碱度R的范围为1.0～2.0，内配碳比C/O的范围为0.9～1.3的工艺参数配比混匀、预热；炉料由炉侧进入熔融还原炉，其铁水和炉渣则定期分别由出铁口和排渣口放出，高温烟气通过除尘、二次燃烧，然后利用其余热发电。所述炉料粒度≤10mm。

本发明所述的一种利用富氧顶吹熔融还原高磷铁矿制取低磷铁水的方法的碱度表达式为：

$R=\frac{\mathrm{CaO}(\%)+\mathrm{MgO}(\%)}{\mathrm{Si}{O}_2(\%)+{\mathrm{Al}}_2{O}_3(\%)}$

R范围为1.0～2.0。

还原煤的加入量为m(coal)：

$m\left(\mathrm{coal}\right)=k\·\frac{(C/O)\×\left\{\begin{array}{c}n\%\×m\left(\mathrm{ore}\right)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_P\right)\×\frac{16}{72}+[{\mathrm{TFe}}_P-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_P\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}+\\ (1-n\%)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_{\mathrm{Ti}}\right)\×\frac{16}{72}+[{\mathrm{TFe}}_{\mathrm{Ti}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_{\mathrm{Ti}}\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}\end{array}\right\}/16}{{\mathrm{\ω}}_C\left(\mathrm{coal}\right)/12}$

m(ore)-配入矿的总质量；

n％：(1-n％)-高磷铁矿与钛铁矿的配矿比；

TFe_P-高磷铁矿中的全铁品位；

ω_FeO(ore_P)-高磷铁矿中的FeO含量；

TFe_Ti-钛铁矿中的全铁品位；

ω_FeO(ore_Ti)-钛铁矿中的FeO含量；

ω_C(coal)-煤中C含量

k-针对熔融还原炉传热不同而产生的系数，煤粉在熔融还原炉中作还原剂，同时也为发热剂；

C/O范围为0.9～1.3。

熔融还原炉温控制在1400～1550℃，其富氧顶吹的氧枪、热交换器、除尘器、气体压缩机等型号与熔融还原炉型号相匹配。

实施例

将惠民铁矿(TFe(％)＝49.01，FeO(％)＝1.36，SiO₂(％)＝18.99，Al₂O₃(％)＝5.81，MgO(％)＝0.23，CaO(％)＝0.36，TiO₂(％)＝0.28，S(％)＝0.038，P(％)＝0.90)、勐桥精矿(TFe＝60.06％，FeO(％)＝28.22，SiO₂(％)＝2.96，Al₂O₃(％)＝3.98，MgO(％)＝2.44，CaO(％)＝0.58，TiO₂(％)＝6.47，S(％)＝0.12，P(％)＝0.01)、熔剂和煤(C(％)＝76.43，灰分(％)＝15.29，挥发份(％)＝7.78，CaO(％)＝1.59，SiO₂(％)＝7.80，S(％)＝0.35，P(％)＝0.050)粉破碎(≤10mm)，惠民矿和勐桥精矿的配比为4∶6，按照碱度为1.1，配碳比C/O为1.0的工艺参数配比混匀，放入坩埚，再将坩埚置入电炉中，炉温控制在1550℃，在富氧顶吹的条件下得出的铁水结果：铁的回收率达到92％左右，生铁中磷含量大约为0.18％，硫含量0.05％。富氧浓度和炉料预热器、除尘器和气体压缩机等的型号与熔融还原炉型号相匹配。

Claims (5)

1.一种利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法，其特征在于含有以下工艺步骤：

将炉料高磷铁矿、钛铁矿、白云石、石灰和还原煤破碎；按照碱度R的范围为1.0～2.0，内配碳比C/O的范围为0.9～1.3的工艺参数配比混匀、预热；炉料由炉侧进入熔融还原炉，其铁水和炉渣则定期分别由出铁口和排渣口放出，高温烟气通过除尘、二次燃烧，然后利用其余热发电。

2.根据权利要求1所述的利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法，其特征是：所述炉料粒度≤10mm。

3.根据权利要求1所述的利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法，其特征是：碱度R的表达式为：

$R=\frac{\mathrm{CaO}(\%)+\mathrm{MgO}(\%)}{\mathrm{Si}{O}_2(\%)+{\mathrm{Al}}_2{O}_3(\%)}$

R范围为1.0～2.0。

4.根据权利要求1所述的利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法，其特征是：还原煤的加入量为m(coal)：

$m\left(\mathrm{coal}\right)=k\·\frac{(C/O)\×\left\{\begin{array}{c}n\%\×m\left(\mathrm{ore}\right)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_P\right)\×\frac{16}{72}+[{\mathrm{TFe}}_P-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_P\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}+\\ (1-n\%)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_{\mathrm{Ti}}\right)\×\frac{16}{72}+[{\mathrm{TFe}}_{\mathrm{Ti}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left({\mathrm{ore}}_{\mathrm{Ti}}\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}\end{array}\right\}/16}{{\mathrm{\ω}}_C\left(\mathrm{coal}\right)/12}$

m(ore)-配入矿的总质量；

n％：(1-n％)-高磷铁矿与钛铁矿的配矿比；

TFe_P-高磷铁矿中的全铁品位；

ω_FeO(ore_P)-高磷铁矿中的FeO含量；

TFe_Ti-钛铁矿中的全铁品位；

ω_FeO(ore_Ti)-钛铁矿中的FeO含量；

ω_C(coal)-煤中C含量

k-针对熔融还原炉传热不同而产生的系数，煤粉在熔融还原炉中作还原剂，同时也为发热剂；

C/O范围为0.9～1.3。

5.根据权利要求1所述的一种利用富氧顶吹熔融还原技术混合冶炼高磷铁矿和钛铁矿制取低磷低钛铁水的方法，熔融还原炉温控制在1400～1550℃，其富氧顶吹的氧枪、热交换器、除尘器、气体压缩机型号与熔融还原炉型号相匹配。