CN103898264B - 一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，第一步，将含钛铁矿和还原煤破碎后与粘结剂一起混匀并制成原料团块；第二步，将原料团块送入一个预还原炉中干燥、预热和预还原；第三步，将一个燃煤炉中燃煤所产生的高温火焰喷入一个熔融还原炉中,使熔融还原炉达到熔融还原所需的高温，然后将预还原炉中的原料团块送入熔融还原炉中还原、熔化和造渣，从而得到铁水和炉渣。本发明可直接使用非焦煤冶炼含钛铁矿，提高冶炼炉渣中二氧化钛的含量，实现含钛铁矿中的钛资源的有效回收利用，并可显著地简化冶炼炉渣中二氧化钛的回收工艺，提高含钛铁矿中的钛资源回收利用的经济性。

Description

一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法

技术领域

本发明涉及一种铁矿石冶炼工艺，尤其是涉及一种对钒钛磁铁矿的熔融还原炼铁方法。

背景技术

目前，世界各国研究发展了很多的炼铁方法，其中最主要的是采用铁矿石作为主要原料的高炉炼铁法，高炉炼铁方法具有技术经济指标良好、工艺简单、生产量大、劳动生产率高等优点。我国具有较为丰富的钒钛磁铁矿，其分布广泛，储量丰富，已探明储量98.3亿吨，远景储量达300亿吨以上。钒钛磁铁矿的主要有用组分为铁45~60％，钛氧化物6~12％，钒0.2~0.8％，铬0.1~2%。对于钒钛磁铁矿而言，如果采用高炉法炼铁，当炉渣中的二氧化钛含量超过百分之三十时，将会出现泡沫渣严重、炉渣粘稠、铁水粘罐、渣铁沟挂渣多等诸多问题，因此，为了保证高炉炼铁时的顺行，必须通过添加部分普通矿的方法使炉渣中二氧化钛的含量控制在百分之二十五以下，由于炉渣中二氧化钛的含量低，使钛的回收利用成本高，经济性差，这样，炉渣中的二氧化钛难以得到有效的开发利用，大量的钛资源白白浪费。

熔融还原方法是一种较为新颖的炼铁方法，例如，在中国专利文献上公开的“一种利用富氧顶吹熔融还原冶炼钒钛磁铁矿的方法”，公布号为CN102382919A，首先分别将炉料钒钛磁铁矿、白云石、石灰和非焦煤破碎后进行混匀并预热，然后喷吹进入熔融还原炉内；同时以富氧顶吹方式进行熔炼得到铁水和炉渣；将炉渣与钠盐焙烧，使其中的钒、钛转化为钒酸钠和钛酸钠，再对其进行水浸和酸浸，然后过滤，使钒酸钠和钛酸钠分开，最后分别对钒酸钠和钛酸钠以常规方法进行回收钒、钛。该技术方案可以直接使用非焦煤和粉矿，从而减少了对宝贵的焦炭的需求以及对环境的污染。但是上述炼铁方法存在如下问题：首先，由于熔融还原工艺能耗比高炉要高，也就是说，需要使用大量的煤用于提供热量和还原铁，因而炉渣中含有大量的煤灰，进而贫化炉渣中的二氧化钛含量；其次，对炉渣中的钛的回收工艺步骤多。因而增加了后续钛的提炼回收难度和成本，经济性差。

发明内容

本发明的目的之一在于解决现有的含钛铁矿炼铁方法所存在的炉渣中二氧化钛含量低、不利于对钛的回收利用的问题，提供一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，一方面可直接使用非焦煤炼铁，同时提高冶炼炉渣中二氧化钛的含量，实现含钛铁矿中的钛资源的有效回收利用。

本发明的另一个目的在于解决现有的含钛铁矿炼铁方法所存在的炉渣中二氧化钛的回收利用工艺复杂、成本高的问题，提供一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，可显著地简化冶炼炉渣中二氧化钛的回收工艺，提高含钛铁矿中的钛资源回收利用的经济性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，包括如下步骤：

a.将含钛铁矿和还原煤破碎后与粘结剂一起混匀并制成原料团块；

b.将原料团块送入一个预还原炉中干燥、预热和预还原；

c.将一个燃煤炉中燃煤所产生的高于1500℃的高温火焰喷入一个熔融还原炉中,使熔融还原炉达到熔融还原所需的高温，然后将预还原炉中的原料团块送入熔融还原炉中还原、熔化和造渣，从而得到铁水和炉渣。

现有的熔融还原冶炼工艺是将燃煤直接在熔融还原炉中燃烧产生热量，从而实现含钛铁矿的还原的，而本发明的熔融还原炉***中新增了燃煤炉，燃煤炉中的非焦煤燃烧所产生的高于1500℃的高温火焰喷入熔融还原炉中，以便为熔融还原炉提供还原含钛铁矿所需要的热量，而还原必须的碳可由原料团块中的还原煤所提供，从而可极大地减少熔融还原炉中的煤灰，显著地提高冶炼后形成的炉渣中二氧化钛的含量，进而降低后续对炉渣中的钛的回收利用成本，使炉渣中的二氧化钛难以得到有效的开发利用。其中的预还原炉则可以是转底炉、隧道窑或者带式焙烧炉。

作为优选，在步骤c后增加步骤d：

将炉渣送入一个碳化炉内，该碳化炉内部装有由煤干馏形成的碳颗粒，碳化炉通过电加热到1500℃~2500℃，炉渣中的二氧化钛与高温的碳颗粒反应生成碳化钛，碳化钛附着在碳颗粒上，同时炉渣中的铁氧化物、铬氧化物和钒氧化物还原后生成铁-铬-钒合金。

本发明的熔融还原炉***中还增加了碳化炉，以用于提取炉渣中的钛、钒等资源，从熔融还原炉排出的高温炉渣直接进入碳化炉，炉渣中的二氧化钛与高温的碳颗粒反应后生成碳化钛，并附着在碳颗粒上，以便于收集利用；而炉渣中的铬氧化物、钒氧化物和剩余的铁氧化物还原后形成的铁-铬-钒合金从碳化炉中流出后形成铸锭，可作为钢铁企业的炼钢原料。由于碳化钛具有高硬度、耐腐蚀、热稳定性好的特点，因此是硬质合金的重要成分，还可用作金属陶瓷，或者可用来制造切削工具，在炼钢工业中则可用作脱氧剂，因此，通过碳化炉回收利用炉渣中的钛，不仅工艺简单成本低，而且其生成物无需二次提炼即可直接利用，大大地提高了钛资源回收利用的经济性，有利于实现含钛铁矿中的资源充分回收。

作为优选，所述熔融还原炉和碳化炉的顶部分别设有煤气出口，煤气出口通过煤气管道与预还原炉连接，以便为预还原炉提供热量。

由于预还原炉所需的温度要远低于熔融还原炉和碳化炉所需的温度，因此，用熔融还原炉内高温烟气和碳化炉中高温煤气的余热为预还原炉提供热量，可充分地利用能源，从而降低冶炼的能耗和成本，提高其经济性。

作为优选，所述燃煤炉由一个鼓风机通过送风管道提供燃煤所需的空气，所述煤气管道上连接有一个换热装置，该换热装置同时连接在送风管道上，以便利用煤气管道内的烟气和煤气的余热使送风管道内的空气预热升温。

燃煤炉需要燃烧大量的非焦煤以便为熔融还原炉提供足够的高温烟气，使熔融还原炉维持一个合适的温度，因此需要通过鼓风机提供大量的新鲜空气，本发明通过一个换热装置，用熔融还原炉内高温烟气和碳化炉中高温煤气的余热去提升进入燃煤炉的空气温度，有效地利用了熔融还原炉内高温烟气和碳化炉中高温煤气的余热，并可显著地降低燃煤炉的非焦煤消耗量，有利于进一步提高能源利用率，降低生产成本。

作为优选，所述原料团块的制作方法如下：

第一步、将破碎后的含钛铁矿、还原煤、无机粘结剂和水用滚筒混料机混匀，从而形成初始混合料；

第二步、将初始混合料和有机粘结剂在碾砂机中碾细并混合，从而形成团块混合料；

第三步、用压块机将团块混合料压制成原料团块。

将含钛铁矿、还原煤压制成原料团块，有利于原料的投放，而原料团块内的含钛铁矿、还原煤是在破碎后混合均匀的，因此，有利于在熔融还原炉中充分地进行还原反应，提高还原的效率。无机粘结剂可选用消石灰、膨润土、粘土、水玻璃中一中或两中以上的混合物，有机粘结剂可选用糖蜜和腐植酸钠中的一种。

作为优选，碳化炉的顶部设有炉渣入口，在碳化炉内的碳颗粒上面设有压板，压板的外形与碳化炉的内壁相适配，压板上均布有若干过渣孔。

由于碳颗粒的比重要小于炉渣的比重，因此，在碳化炉内的碳颗粒上面设置压板可防止炉渣进入碳化炉后出现碳颗粒的上浮现象，而压板上的过渣孔则可确保炉渣顺利地通过压板。

作为优选，碳化炉的顶部设有炉渣入口，在碳化炉内部的底面设有上端开口的外分隔桶，外分隔桶内设有等高的内分隔桶，内、外分隔桶开口端覆盖有压架，压架包括间隔设置的上压环和下压环，上、下压环的外形与碳化炉的内壁相适配，上、下压环的内边缘与内分隔桶的开口相适配，上、下压环的内边缘之间连接有支撑套筒，在内分隔桶的底部侧壁上、以及下压环上分别设有若干过渣孔，所述的碳颗粒位于内、外分隔桶之间以及外分隔桶与碳化炉内侧壁之间的间隙内。

压架可起到和压板相同的作用，避免碳颗粒的上浮。与此同时，进入碳化炉的炉渣首先通过压架中间的支撑套筒进入内分隔桶，并通过内分隔桶底部的过渣孔进入到内、外分隔桶之间的间隙内，然后通过压架的下压环上的过渣孔进入到上、下压环之间的空隙内，最后再流入到外分隔桶与碳化炉内侧壁之间的间隙内。这样，一方面延长了炉渣在碳化炉内的流动路径，另一方面，炉渣在内、外分隔桶之间的间隙内是由下往上流动的，因此可降低炉渣的流动速度，使炉渣与碳颗粒充分接触，从而有利于炉渣内含有的二氧化钛与碳颗粒之间充分反应并形成碳化钛，提高钛资源的回收率。

作为优选，所述熔融还原炉的侧壁设有氧枪，通过氧枪向熔融还原炉供氧，以调节熔融还原炉的温度并控制炉渣的氧化度。

通过控制氧枪的供氧量，既可控制熔融还原炉的温度，又可控制炉渣中氧化铁的含量，进而可减少从熔融还原炉中流出的炉渣中碳化钛的生成量。

因此，本发明具有如下有益效果：可直接使用非焦煤冶炼含钛铁矿，提高冶炼炉渣中二氧化钛的含量，实现含钛铁矿中的钛资源的有效回收利用，并可显著地简化冶炼炉渣中二氧化钛的回收工艺，提高含钛铁矿中的钛资源回收利用的经济性。

附图说明

图1是本发明所采用的熔融还原炉***示意图。

图2是本发明的碳化炉的一种结构示意图。

图3是本发明的碳化炉的另一种结构示意图。

图中：1、预还原炉2、熔融还原炉21、煤气出口3、燃煤炉4、碳化炉41、炉渣入口42、碳颗粒43、压板431、过渣孔44、外分隔桶45、内分隔桶46、压架461、上压环462、下压环463、支撑套筒47、出铁口48、出渣口5、煤气管道6、鼓风机7、送风管道8、换热炉

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，是对现有的含钛铁矿熔融还原炼铁工艺的一种改进，其中的含钛铁矿为含钛磁铁矿，主要有用组分为铁45~60％，钛氧化物6~12％，钒0.2~0.8％，铬0.1~2%，所采用的熔融还原炉***如图1所示，其包括一个熔融还原炉2、为熔融还原炉提供热量的燃煤炉3、以及用于回收钛资源的碳化炉4。燃煤炉可设置4个，并分别布置在熔融还原炉的四角，以便燃煤炉的高温火焰从熔融还原炉的四角送入，确保熔融还原炉具有足够的熔融还原温度。碳化炉的顶部设有炉渣入口41，碳化炉内部装有由煤干馏形成的碳颗粒42，碳化炉采用电加热，其炉内温度控制在2000℃，熔融还原炉和碳化炉的顶部分别设置煤气出口21，煤气出口通过煤气管道5与预还原炉1连接，以便利用熔融还原炉烟气以及碳化炉煤气的余热为预还原炉提供热量，而燃煤炉是由一个鼓风机6通过送风管道7提供燃煤所需的空气。为了降低燃煤炉的煤耗，提高熔融还原炉和碳化炉的余热利用效率，我们可在煤气管道上连接一个用于换热的换热炉8，相应地，送风管道也经过该换热炉，这样，送风管道内的空气与煤气管道内的烟气和煤气在换热炉内进行充分的热交换，煤气管道内的烟气和煤气的余热使送风管道内的空气预热升温至800℃。含钛铁矿外燃煤熔融还原方法具体包括如下步骤：

a.先将含钛铁矿和还原煤破碎至粒度小于100微米，还原煤可以是一种煤或者是几种煤的混合，还原煤中的固定碳作为含钛铁矿中的铁氧化物熔融还原时所需的碳源，破碎后的含钛铁矿、还原煤与无机粘结剂和水用滚筒混料机混匀，从而形成初始混合料，其中的无机粘结剂选用消石灰，其加入量为含钛铁矿重量的百分之二点五；然后将初始混合料和有机粘结剂在碾砂机中碾细并混合，从而形成团块混合料，其中的有机粘结剂选用糖蜜，其加入量为含钛铁矿重量的百分之八；最后用对辊压块机将团块混合料压制成40mm╳30mm╳25mm的原料团块。需要说明的是，原料团块中还原煤的用量可少于熔融还原时所需的实际还原煤用量，以有利于原料团块的成型，确保原料团块的落下强度大于3次/0.5米，抗压强度达到250N/个，具体可控制原料团块的还原煤中固定碳的含量为原料团块的含钛铁矿中铁氧化物直接还原所需碳量的0.5倍；

b.将原料团块送入预还原炉中，利用熔融还原炉烟气以及碳化炉煤气对原料团块干燥、预热至1200℃并预还原。需要说明的是，为了确保预还原炉的温度，如图1所示，我们还可将煤气管道与燃煤炉相连接，以便将燃煤炉产生的高温烟气的一部分送入煤气管道中，并通过控制高温烟气进入煤气管道的流量调节预还原炉的温度；

c.将燃煤炉中燃煤所产生的高于1500℃的高温火焰喷入熔融还原炉中，使熔融还原炉达到熔融还原所需的高温，然后将预还原炉中的原料团块送入熔融还原炉中还原、熔化和造渣，从而得到铁水和炉渣，铁水经过熔融还原炉的出铁口，流入铸铁机铸成铁块。可以理解的是，我们需要向熔融还原炉中投放石灰之类的造渣用熔剂，以有利于炉渣的形成。另外，由于原料团块中的还原煤用量少于熔融还原所需的实际还原煤用量，因此，我们还需要向熔融还原炉中适当地补充一些还原煤，补充的还原煤一方面作为还原时的碳源，另一方面则起到辅助燃烧升温的作用，使熔融还原炉的温度维持在1600℃。

我们知道，用还原煤直接还原铁氧化物时会形成大量的一氧化碳，因此，我们可在熔融还原炉的侧壁设置氧枪9，通过氧枪向熔融还原炉供氧，以燃烧一氧化碳，为熔融还原炉提供辅助的热量，并调节熔融还原炉的温度、以及控制炉渣的氧化度，氧气纯度应大于百分之九十；

d.将熔融还原炉中流出的炉渣通过碳化炉顶部的炉渣入口直接送入如图2所示的碳化炉内，此时炉渣中的二氧化钛与高温的碳颗粒反应生成碳化钛，碳化钛附着在碳颗粒上。当碳颗粒附着的碳化钛达到一定量时，可将其倒出碳化炉，并通过选分获得碳化钛。同时，炉渣中剩余的铁氧化物、铬氧化物和钒氧化物被碳颗粒还原后生成铁-铬-钒合金，并从碳化炉下部的出铁口47流出形成铸锭，以作为钢铁企业的炼钢原料。剩余的炉渣则从碳化炉的出渣口48排出，该炉渣可作为水泥厂的原料。

由于碳颗粒的比重要小于炉渣的比重，因此，为了防止碳化炉中碳颗粒的上浮，我们可在碳化炉内的碳颗粒上面设置外形与碳化炉的内壁相适配的压板43，以便将碳颗粒压住。与此同时，在压板上均布若干过渣孔431，以便于从碳化炉上部流入的炉渣能顺利地通过压板上的过渣孔并均匀地流经碳化炉内的碳颗粒，从而使炉渣与碳颗粒充分反应生成碳化钛。

进一步地，为了尽量延长炉渣在碳化炉内的流动行程，如图3所示，作为上述压板的一种替代结构，我们可在碳化炉内部的底面设置一个上端开口的外分隔桶44，再在外分隔桶内设置一个与外分隔桶等高的内分隔桶45，从而在内、外分隔桶之间以及外分隔桶与碳化炉内侧壁之间形成放置碳颗粒的间隙，碳颗粒则填充于内、外分隔桶之间以及外分隔桶与碳化炉内侧壁之间的间隙内。然后在内、外分隔桶开口端覆盖一个压架46，压架总体呈工字形骨架状，其包括间隔设置的上压环461和下压环462，上、下压环的外形与碳化炉的内壁相适配，从而可压住碳颗粒，避免碳颗粒的上浮。上、下压环的内边缘则与内分隔桶的开口相适配，并且在上、下压环的内边缘之间连接一个支撑套筒463，从而使支撑套筒和内分隔桶顺滑连接。当然，我们还需在内分隔桶的底部侧壁上、以及下压环上分别设置若干过渣孔431，这样，从上部进入碳化炉的炉渣受到上压环的阻挡后通过压架中间的支撑套筒进入内分隔桶，并通过内分隔桶底部的过渣孔进入到内、外分隔桶之间的间隙内，随着流入碳化炉的炉渣的逐步增多，内、外分隔桶之间的间隙内的炉渣液面逐步上升，最终通过压架的下压环上的过渣孔进入到上、下压环之间的空隙内，再通过下压环上的过渣孔均匀地流入到外分隔桶与碳化炉内侧壁之间的间隙内。从而可有效地延长炉渣在碳化炉内的流动路径和时间，使炉渣与碳颗粒充分接触并形成碳化钛，提高钛资源的回收率。同时，炉渣中剩余的铁氧化物、铬氧化物和钒氧化物被碳颗粒还原后生成铁-铬-钒合金，并从碳化炉下部的出铁口流出形成铸锭，剩余的炉渣则从碳化炉的出渣口排出。

Claims (5)

1.一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，其特征是，包括如下步骤：

a.将含钛铁矿和还原煤破碎后与粘结剂一起混匀并制成原料团块；

b.将原料团块送入一个预还原炉中干燥、预热和预还原；

c.将一个燃煤炉中燃煤所产生的高于1500℃的高温火焰喷入一个熔融还原炉中,使熔融还原炉达到熔融还原所需的高温，然后将预还原炉中的原料团块送入熔融还原炉中还原、熔化和造渣，从而得到铁水和炉渣；

d.将炉渣送入一个碳化炉内，该碳化炉内部装有由煤干馏形成的碳颗粒，碳化炉通过电加热到1500℃~2500℃，炉渣中的二氧化钛与高温的碳颗粒反应生成碳化钛，碳化钛附着在碳颗粒上，同时炉渣中的铁氧化物、铬氧化物和钒氧化物还原后生成铁-铬-钒合金，碳化炉的顶部设有炉渣入口，在碳化炉内部的底面设有上端开口的外分隔桶，外分隔桶内设有等高的内分隔桶，内、外分隔桶开口端覆盖有压架，压架包括间隔设置的上压环和下压环，上、下压环的外形与碳化炉的内壁相适配，上、下压环的内边缘与内分隔桶的开口相适配，上、下压环的内边缘之间连接有支撑套筒，在内分隔桶的底部侧壁上、以及下压环上分别设有若干过渣孔，所述的碳颗粒位于内、外分隔桶之间以及外分隔桶与碳化炉内侧壁之间的间隙内。

2.根据权利要求1所述的一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，其特征是，所述熔融还原炉和碳化炉的顶部分别设有煤气出口，煤气出口通过煤气管道与预还原炉连接，以便为预还原炉提供热量。

3.根据权利要求2所述的一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，其特征是，所述燃煤炉由一个鼓风机通过送风管道提供燃煤所需的空气，所述煤气管道上连接有一个换热装置，该换热装置同时连接在送风管道上，以便利用煤气管道内的烟气和煤气的余热使送风管道内的空气预热升温。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，其特征是，所述原料团块的制作方法如下：

第一步、将破碎后的含钛铁矿、还原煤、无机粘结剂和水用滚筒混料机混匀，从而形成初始混合料；

第二步、将初始混合料和有机粘结剂在碾砂机中碾细并混合，从而形成团块混合料；

第三步、用压块机将团块混合料压制成原料团块。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种含钛铁矿外燃煤熔融还原方法，其特征是，所述熔融还原炉的侧壁设有氧枪，通过氧枪向熔融还原炉供氧，以调节熔融还原炉的温度并控制炉渣的氧化度。