CN104870660A - 还原铁制造方法及制造设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及还原铁的制造方法和制造设备，并且更具体地，涉及通过使用在铁矿石中包含大量杂质磷、锌和碱金属元素的铁矿石制造具有优异还原率的还原铁、同时回收磷、锌和碱金属元素的还原铁制造方法和制造设备。

Description

还原铁制造方法及制造设备
技术领域
本发明涉及用于制造还原铁的方法和设备。更具体地，本发明涉及用于由富含磷、锌和碱金属元素杂质的铁矿石制造高还原率的铁、伴随着回收磷、锌和碱金属元素的方法和设备。
背景技术
在鼓风炉、转炉或电炉中，还原铁用作用于制造铁水或钢水的原料。
还原铁是由通过碳质还原剂(下文中称为“碳质原料”)或还原气体对诸如铁矿石或氧化铁的氧化铁源进行还原来制造的。该工艺(称为直接还原)最常用于制造还原铁。
为了制造直接还原铁(DRI)，使用其中对由极微量铁矿石组成的球粒进行还原的转底炉(RHF)。
关于使用RHF制造还原铁的工艺，例如可以参考名称为“Process forproducing reduced iron pellets，and process for producing pig iron(用于制造还原铁球粒的方法以及用于制造生铁的方法)”的韩国专利申请未审查公开No.10-2010-0043095(专利文献1)，以及题为“Process forproduction of direct-reduced iron(用于制造直接还原铁的方法)”的韩国专利申请未审查公开No.10-2010-0122946(专利文献2)。
专利文献1和专利文献2两者涉及使用回转炉制造还原铁。在专利文献1中，对原材料的粒径进行控制以提高反应率，从而制造出其中金属化率增加的还原铁球粒，同时专利文献2公开了富含锌的铁矿石的制造。
因为常规转炉被紧凑地构造为在还原气氛中在最高为1350℃下还原铁矿石，所以难以保持这样的炉中的还原气氛。另外，常规转炉不适合用于大规模制造，原因是其年生产能力合计仅为150 000吨至500 000吨。
由于转炉的限制，所以需要一种新工艺用于大量制造还原铁。
为了克服常规转炉的限制，已经提出在炉中在氧化性气氛下制造部分地还原的铁。然而，在炉中还原剂碳与氧化性气氛中的氧气混合燃烧，而生成燃烧热。也就是说，由于与作为用于铁矿石的还原剂相比，更大量的碳被用作能量源，所以铁矿石的还原效率很差。
此外，即使铁矿石在具有氧化性气氛的炉中被还原，还原铁也可以被氧化性气氛重新氧化，这也是还原率差的原因。
同时，铁矿石中的磷(P)、锌(Zn)和碱金属氧化物(K2O+Na2O)是可以造成还原铁成品中的各种缺陷的杂质。磷(P)、锌(Zn)和碱金属氧化物(K2O+Na2O)含量较低的铁矿石是优选的。
随着具有低杂质含量的铁矿石的逐渐耗尽，有品质的铁矿石的成本近来有所增加。伴随高原料成本，该耗尽使得更加难以生产有品质的铁矿石。在该背景下，已经提出以除去杂质为特征的制钢技术。然而，该技术需要对于除去这样的杂质必要的各种辅助原料和另外的除去杂质的工艺，从而增加了制造成本。
[相关技术文献]
[专利文献]
(专利文献1)韩国专利申请未审查公开No.10-2010-0043095(2010.04.27)
(专利文献2)韩国专利申请未审查公开No.10-2010-0122946(2010.11.23)
发明内容
技术问题
本发明提供一种用于在开放式炉中在氧化性气氛下制造还原铁的方法和设备。
在该方法和设备中，将铁矿石和碳质原料的混合物模制成型为团矿，并且在还原炉中在氧化性气氛下对该团矿进行充分还原。
另外，本发明提供一种用于制造还原铁的方法和设备，通过该方法和设备可以使用包括富含磷(P)、锌(Zn)、或碱金属氧化物(K2O+Na2O)中的一种或更多种的铁矿石的广谱的铁矿石来有效地制造还原铁。
此外，本发明提供一种用于制造还原铁的方法和设备，通过该方法和设备可以将磷(P)、锌(Zn)、或碱金属氧化物(K2O+Na2O)从铁矿石中分离并回收。
技术方案
根据本发明的一个方面，本发明提供一种用于制造还原铁的方法，其包括：将含磷、锌和碱金属氧化物的铁原料与碳质原料混合以制备混合物；使混合物形成为团矿；在开放式还原炉中还原团矿，伴随着从团矿中除去磷、锌和碱金属元素；破碎还原的团矿以使还原铁分离于含磷炉渣；以及使还原铁成块同时回收炉渣。
在混合步骤中，混合物包含按重量计为0.06％或更大的量的磷(P)、按重量计为0.02％或更大的量的锌(Zn)、以及按重量计为0.1％或更大的量的碱金属氧化物(K2O+Na2O)。
在本方法的一个实施方案中，铁原料选自磷(P)含量为0.06％或更大的铁矿石、锌(Zn)含量为0.02％或更大的铁矿石、碱金属氧化物(K2O+Na2O)含量为0.1％或更大的铁矿石、以及它们的组合。
在混合步骤中，碳质原料包括从采煤区或炼钢厂或两者中产生的含碳粉尘。
在混合步骤中，混合物的碱度(CaO/SiO2)为1或更大。
在混合步骤中，混合物的碱金属氧化物含量为0.5％或更大。
在混合步骤中，混合物还补充有用于调节碱度和碱金属氧化物含量的辅助原料，所述辅助原料包含用以调节混合物的碱度的CaO，以及包含用以调节混合物的碱金属氧化物含量的Na2CO3和K2CO3。
在本发明的另一实施方案中，碳质原料的用量基于100重量份的所述混合物为10重量份或更大。
在本发明的另一实施方案中，还原炉在还原步骤期间保持其中的氧化性气氛，在还原步骤期间，由于团矿内的碳质原料的还原作用而产生气体，形成包围团矿的气体膜，从而阻挡团矿接触氧化性气氛。
在本发明的另一实施方案中，开放式还原炉被加热至1000℃或更高的温度以煅烧团矿，并且运转有限时间段，所述一段时间最大为使得团矿中的碳被完全耗尽。
在本发明的另一实施方案中，还原步骤包括作为来自所述开放式炉的废气中的粉尘回收团矿内的锌(Zn)，对回收的粉尘用水造粒以分离出氧化锌(ZnO)并回收该氧化锌。
在本发明的另一实施方案中，其中团矿中的锌(Zn)在还原炉中在还原步骤期间被气化，与废气一起被排出，并且与废气中的氧气反应形成氧化锌(ZnO)，所述氧化锌作为粉尘被回收。
在本发明的另一实施方案中，回收的粉尘被用水造粒，在此期间碱金属元素被分离并与水一起被回收。
在本发明的另一实施方案中，使用磁选分离机将还原铁与炉渣分离。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种用于制造还原铁的方法，其包括：将铁原料与碳质原料混合以形成团矿，以及在开放式炉中还原团矿。
在该方法的一个实施方案中，碳质原料的用量基于100重量份的团矿为10重量份或更大，并且其中还原炉在还原步骤期间保持其中的氧化性气氛，在还原步骤期间，由于团矿内的碳质原料的还原作用而产生气体，从而形成包围团矿的气体膜并且阻挡团矿接触氧化性气氛。
根据本发明的又一方面，本发明提供一种制造还原铁的设备，包括：用于在其中分别存储不同类型的铁矿石的多个原材料料斗；用于在其中存储碳质原料的料斗；用于将来自原材料料斗的不同类型铁矿石的排出物与来自碳质原料料斗的碳质原料混合的混料机；用于使混合物形成为团矿的第一模压机；用于在氧化性气氛中还原团矿的开放式还原炉；用于破碎在还原炉中还原的团矿的碎矿机；用于利用磁性将经破碎、还原的颗粒分离成还原铁和炉渣的磁选分离机；以及用于对还原铁进行模制的第二模压机。
在一个实施方案中，该设备还可以包括：用于收集来自还原炉的废气中的粉尘的收集机；以及用于使用水将收集的粉尘造粒以从含碱金属元素的废水中分离出氧化锌的水成造粒机。
有益效果
如上所述，因高杂质含量而在常规制铁工艺中避免使用的铁矿石可以用于使用根据本发明的开放式炉在氧化性气氛下大规模制造还原铁。
为了详细地描述，提供本发明的用于制造还原铁的方法，该方法包括：将铁原料与碳质原料混合以形成团矿；以及在开放式炉中还原团矿，其中还原炉在还原步骤期间保持其中的氧化性气氛，在还原步骤期间，由于团矿内的碳质原料的还原作用而产生气体，从而形成包围团矿的气体膜并且阻挡团矿接触氧化性气氛。
此外，在还原步骤中可以使用包含在团矿中的诸如磷(P)、锌(Zn)、和碱金属氧化物(K2O+Na2O)的杂质，并且可以将其从铁中回收。
因此，可以使用广泛的铁矿石，这导致用于制铁的原材料的成本降低。另外，在该工艺中可以回收磷(P)、锌(Zn)、和碱金属氧化物(K2O+Na2O)。
附图说明
图1是示出用于制造还原铁的设备和方法的示意图。
图2是示出在1200℃下还原团矿20分钟之后炉渣中的磷回收率相对于碱度的图。
图3是示出在1200℃下还原碱度为1的团矿20分钟之后炉渣的磷回收率相对于团矿中的碱金属氧化物含量的图。
图4是示出根据碳质原料的量的团矿的金属化率相对于开放式还原炉的温度的图。
具体实施方式
参照附图描述本发明的实施方案以详细地描述本发明，使得具有本发明所属技术领域的普通知识水平的人员可以容易地实践本发明。应注意的是，整个附图中使用相同的附图标记指代相同或相似的元素。在本发明的以下描述中，将省略对视为模糊本发明主旨的已知功能和构造的详细描述。
首先，将给出对可以实施根据本发明一个实施方案的用于制造还原铁的方法的设备的描述。
参照图1，其为示出用于制造还原铁的设备和方法的示意图。
由图1可见，根据本发明一个实施方案的制造还原铁的设备包括：用于破碎铁矿石的第一碎矿机11；用于根据类型在其中存储在第一碎矿机11中破碎的铁矿石的多个料斗21、22和23；用于破碎碳质原料(例如煤)的第二碎矿机12；用于在其中存储由第二碎矿机12破碎的碳质原料的碳质原料料斗30；用于将来自原材料料斗21、22和23的不同类型铁矿石中的排出物与来自碳质原料料斗30的经破碎碳质原料混合的混料机50；用于使混合物形成为团矿的第一模压机61；用于在氧化性气氛中还原团矿的开放性还原炉70；用于破碎在还原炉70中还原的团矿的第三碎矿机13；用于利用磁性将经破碎、还原的颗粒分离成还原铁和炉渣的磁选分离机80；以及用于对还原铁进行模制的第二模压机62。任选地，该设备还可以包括用于在其中存储辅助原料的至少一个辅助原料料斗40；用于收集来自还原炉的废气中的粉尘的收集机90；以及用于使用水将收集的粉尘造粒以从含碱金属元素的废水中分离出氧化锌的水成造粒机100。
开放式还原炉具有开放而非封闭的内部空间。只要其可以加热团矿同时连续地输送团矿，则可以使用任何还原炉而不限于具体构造。通过举例的方式，可以提供具有输送装置的开放式还原炉，输送装置用于以传送带方式输送团矿。其中限定团矿被传送和还原的内部空间的炉***于输送装置上方。炉体的内部空间通过安装在其中的多个燃烧装置加热。另外，在输送装置下方设置有用于对来自炉体的内部空间的空气进行吸气的抽气装置。在该结构中，团矿通过输送装置传送，同时热量通过燃烧装置的燃烧和抽气装置的吸气从团矿的上部空间向下流动。在这样的开放式炉中，团矿可以以多层图案方式布置，并且可以被连续地还原以大规模地制造还原铁。
第一模压机61和第二模压机62中的每个模压机均为双辊结构。
接着，将描述使用上述设备来制造还原铁。
在图1中示出的第一碎矿机11中破碎各种铁矿石，并且根据类型将其分别存储在铁原材料料斗21、22和23中。铁矿石可以具有含量为0.06％或更大的磷(P)、含量为0.02％或更大的锌(Zn)、含量为0.1％或更大的碱金属氧化物(K2O+Na2O)或它们的组合。另外，在第二碎矿机12中破碎碳质原料并且将其存储在碳质原料料斗30中。碳质原料可以包括从采煤区或炼钢厂或两者产生的含碳粉尘。在这点上，碳质原料的粒径优选为0.1mm或更小以增强反应性。
另外，辅助原料料斗40组合或分别地在其中存储用于调节碱度的辅助原料和用于调节碱金属氧化物的含量的辅助原料。例如，可以使用CaO作为用于调节碱度的辅助原料，以及可以使用Na2CO3或K2CO3或两者来调节碱金属氧化物的含量。
在如此制备之后，将团矿、碳质原料和辅助原料各自称重，引入到混料机50中，并且进行混合以提供混合物。
优选地，该混合物包含碳质原料和大部分来源于团矿的0.06％或更大的量的磷(P)、0.02％或更大的量的锌(Zn)、以及0.1％或更大的量的碱金属氧化物(K2O+Na2O)。然而，如稍后将描述的，团矿优选地保持为具有高的碱度和高的碱金属氧化物含量，以在团矿的还原期间充分地分离出磷。因此，优选地以将混合物的碱度(CaO/SiO2)调节为1或更高并且将碱金属氧化物在混合物中的含量保持在0.5％的量来添加CaO、Na2CO3、和K2CO3。稍后将在结合图2和图3给出的描述中披露碱度和碱金属氧化物受限的原因。
将由此获得的混合物送料至第一模压机61，在第一模压机61中形成尺寸均一的团矿。
之后，将团矿引入到开放式还原炉70中，在开放式还原炉70中团矿中的铁(Fe)在氧化性气氛中被还原，同时磷、锌和碱金属元素从铁中被分离。在该背景中，氧化性气氛意指暴露于空气而没有任何气氛控制。
将详述还原工艺中的反应。如以下化学式1所示，团矿中的氧化铁反应(被还原)而生成Fe和CO。然后，如以下化学式2所示，该CO与团矿的氧化铁反应(还原)，伴随生成铁(Fe)和CO2。该CO2可以通过与团矿中的碳反应而转换为CO。通过团矿中的氧化铁与碳之间的反应产生的CO和CO2气体向外排出，从而形成包围团矿的气体膜。由于气体膜用于阻挡团矿接触开放式还原炉70的氧化性气氛，所以可以促进团矿在开放式还原炉70中的还原。
在一个优选实施方案中，通过使团矿的氧化铁与碳完全反应形成足量的气体膜。为此，团矿中包含足量的碳。在这点上，碳质原料优选地以占100重量份的总混合物的10重量份或更大重量份的量混合。
另外，开放式还原炉70优选地保持为具有1000℃或更高的煅烧温度以还原团矿。
图4是示出根据碳质原料的量的团矿的金属化率相对于开放式还原炉的温度的图。如可以看出的是，发现包含按10重量份的量的碳质原料的团矿在1000℃或更高的温度下就能够充分金属化。
由于因与团矿中的碳反应而形成气体膜，所以团矿的还原时间优选最大限制为团矿中的碳被完全耗尽。
在开放式炉70中的团矿的还原期间，团矿中的磷、氧和CaO元素经受反应而形成包含例如CaO·(P2O5)形式的元素的炉渣。因此，团矿为还原铁与炉渣的混合物。
转向包含在团矿中的锌，氧化锌和碱金属氧化物(K2O+Na2O)在比氧化铁的温度低的温度下被还原，并且被作为废气排出。
当与废气一起被排出时，在团矿的还原期间气化的锌(Zn)与废气中的氧气反应而形成氧化锌(ZnO)，之后被收集机90作为粉尘收集。
在团矿的还原期间，碱金属元素也被气化、被作为气体排放、以及与废气中的氧气反应而形成碱金属氧化物。同样地，该氧化物被收集机90作为粉尘收集。
在水成造粒机100中处理收集机90所收集的粉尘之后，包含粗氧化锌和碱金属元素的废水被回收。
同时，在第三碎料机13中破碎具有还原铁和炉渣的混合物形式的团矿，并且利用磁选分离机80将该团矿分离成还原铁和炉渣。在第二模压机62中使由此获得的还原铁形成为预定尺寸的团块，同时将富含CaO和磷的炉渣循环作为肥料原料。
实施例
可以通过下面为举例说明而阐述的实施例来获得对本发明的更好的理解，但这些实施例不应被理解为限制本发明。
下面在表1中归纳了用于试验的铁矿石的组分。
使用富含磷、锌和碱金属元素(Na2O、K2O)的铁矿石。每种铁矿石形成为富含磷、锌和碱金属元素的团块。任选地，添加全部为试剂级的氧化锌、氧化磷和碱金属氧化物，以最大化锌、磷和碱金属元素的含量。
为了比较，在表1中也给出了在典型制铁工艺中使用的铁矿石(铁矿石C)的组分。由表1可见，作为在常见制铁工艺中使用的铁矿石C具有含量为约0.06％或更小的磷、含量为约0.02％或更小的锌、以及含量为约0.03％或更小的碱金属氧化物，然而铁矿石A和铁矿石B两者相对地富含磷、锌和碱金属氧化物。
表1
分类 T.Fe SiO2 Al2O3 CaO MgO P Zn K2O Na2O
铁矿石A 41.1 17.8 2.41 3.20 13.7 0.013 0.103 0.687 -
铁矿石B 55.3 8.5 0.90 4.38 0.21 0.52 0.019 0.039 0.10
铁矿石C 65.7 1.87 1.19 0.01 0.09 0.023 0.009 0.036 0.012
铁矿石A和铁矿石B分别与煤(按重量计20％)混合并且形成为团块。为了增加团块中的碱度(CaO/SiO2)和碱金属氧化物含量，添加试剂级的CaO、K2O、Na2O。在模拟还原炉的条件下还原团块。
通过在50℃/分钟的速率下将温度提高至1200℃的还原温度并且通过将该还原温度保持20分钟来进行团块的还原试验。然后，对团块针对Fe、Zn和P含量进行分析，同时测试炉渣中的Fe、Zn、P、K和Na含量。
图2是示出在1200℃下还原铁矿石20分钟之后炉渣中的磷回收率相对于碱度的图，并且图3是示出在1200℃下还原碱度为1的团矿20分钟之后炉渣的磷回收率相对于团矿中的碱金属氧化物含量的图。
如从图2的数据中理解的是，炉渣中的磷回收率随着碱度的增加逐渐增加。对于氧化磷(P2O5)，其稳定性在高碱度条件下得以保持。特别地，炉渣中的氧化磷即使在添加强碱金属(例如碱金属氧化物)时也是稳定的。因此，添加少量高碱度炉渣和碱金属氧化物在防止氧化磷在还原铁的还原期间被还原和溶解在金属Fe中、及由此允许氧化磷存在于炉渣中是有效的。
在试验完成之后，发现团块具有不受碱度影响的约85％至约90％的还原率。另外，还原之后炉渣中的锌含量从初始阶段中的0.1％减少至约0.004％。还原氧化锌至金属Zn发生的温度比还原氧化铁至其金属发生的温度低。还原成金属锌之后不久，锌被气化，展示了高气化压力。气态锌被重新氧化成ZnO并且作为废气中的ZnO被排出。
由图3可见，观察到炉渣中的磷的回收率随着团块的碱金属氧化物含量的增加而增加。因此，在具有富磷的铁矿石的混合物中使用富碱金属氧化物的铁矿石的优点在于增强了炉渣中的磷回收率。相应地，发现当该混合物被设置成具有1或更高的碱度(CaO/SiO2)以及0.5％或更高的碱金属氧化物含量时，磷可以在期望的程度上被回收。
虽然已公开了本发明的优选实施方案用于说明目的，但是本领域技术人员将理解的是在不脱离本发明的如所附权利要求中公开的范围和精神的情况下可以进行各种修改、添加和替代。
<附图中的附图标记的描述>
11、12、13：碎矿机
21、22、23：原材料料斗
30：碳质原料料斗
40：辅助原料料斗
50：混料机
61、62：模压机
70：开放式还原炉
80：磁选分离机
90：收集机
100：水成造粒机

Claims (18)

1.一种用于制造还原铁的方法，包括：
将含磷、锌和碱金属氧化物的铁原料与碳质原料混合以制备混合物；
使所述混合物形成为团矿；
在开放式还原炉中还原所述团矿，伴随着从所述团矿除去磷、锌和碱金属元素；
将所还原的团矿破碎以使还原铁分离于含磷炉渣；以及
使所述还原铁成块同时回收所述炉渣。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物包含按重量计为0.06％或更大的量的磷(P)、按重量计为0.02％或更大的量的锌(Zn)、以及按重量计为0.1％或更大的量的碱金属氧化物(K2O+Na2O)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述铁原料选自磷(P)含量为0.06％或更大的铁矿石、锌(Zn)含量为0.02％或更大的铁矿石、碱金属氧化物(K2O+Na2O)含量为0.1％或更大的铁矿石、以及它们的组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳质原料包括由采煤区或炼钢厂或两者产生的含碳粉尘。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物的碱度(CaO/SiO2)为1或更大。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物的碱金属氧化物含量为0.5％或更大。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述混合物还补充有用于调节碱度和碱金属氧化物含量的辅助原料，所述辅助原料包括用以调节所述混合物的碱度的CaO以及用以调节所述混合物的碱金属氧化物含量的Na2CO3和K2CO3。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳质原料的用量基于100重量份的所述混合物为10重量份或更大。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述还原炉在还原步骤期间保持其中的氧化性气氛，在所述还原步骤中，由于所述团矿内的所述碳质原料的还原作用而产生气体，形成包围所述团矿的气体膜，并因此阻挡所述团矿接触所述氧化性气氛。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述开放式还原炉加热至1000℃或更高的温度以煅烧所述团矿并且运转一段时间，所述一段时间最大被限制到所述团矿中的碳被完全耗尽的程度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中还原步骤包括作为来自所述开放式炉的废气中的粉尘回收团矿内的锌，将所回收的粉尘用水造粒以分离出氧化锌(ZnO)并回收所述氧化锌。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述团矿内的所述锌在所述还原步骤期间在所述还原炉中被气化，与所述废气一起被排出，并与所述废气中的氧气反应以形成氧化锌(ZnO)，所述氧化锌作为粉尘被回收。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所回收的粉尘被用水造粒，在此期间将所述碱金属元素分离并且与水一起回收。
14.根据权利要求1所述的方法，其中使用磁选分离机将所述还原铁与所述炉渣分离。
15.一种用于制造还原铁的方法，包括：
将铁原料与碳质原料混合以形成团矿；以及
在开放式炉中还原所述团矿。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述碳质原料的用量基于100重量份的所述团矿为10重量份或更大，并且其中所述还原炉在还原步骤期间保持其中的氧化性气氛，在所述还原步骤中，由于所述团矿内的所述碳质原料的还原作用而产生气体，形成包围所述团矿的气体膜，并且阻挡所述团矿接触所述氧化性气氛。
17.一种制造还原铁的设备，包括：
用于在其中分别存储不同类型的铁矿石的多个原材料料斗；
用于在其中存储碳质原料的碳质原料料斗；
混料机，所述混料机用于将来自所述原材料料斗的不同类型的铁矿石的排出物与来自所述碳质原料料斗的所述碳质原料混合；
用于使所述混合物形成为团矿的第一模压机；
用于在氧化性气氛中还原所述团矿的开放式还原炉；
用于破碎在所述还原炉中还原的所述团矿的碎矿机；
用于将所破碎和还原的颗粒分离成还原铁和炉渣的磁选分离机；以及
用于对所述还原铁进行模制的第二模压机。
18.根据权利要求17所述的设备，还包括：
收集机，所述收集机用于收集来自所述还原炉的废气中的粉尘；以及
水成造粒机，所述水成造粒机用于用水将所收集的粉尘造粒以从含碱金属元素的废水中分离出氧化锌。
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