CN110195139B - 一种铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺 - Google Patents

一种铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铁矿石低温还原‑常温渣铁分离‑电炉制钢工艺，在球团矿或块状铁矿石回转窑还原过程中，将低煤阶煤通过压缩空气喷入到回转窑的中后段，煤在高温段快速升温过程中热解成焦油、热解煤气和残炭，热解煤气作为待还原物料的还原剂进行利用，焦油作为回转窑燃料进行利用，球团矿或块状铁矿石将其中的铁选择性还原后，还原物料与残炭混合物再经过干式磁选后，得到的残炭返回配入到入窑物料中进行循环利用，得到的金属化物料再经过干式磨矿、干式磁选、铁粉压块、电炉熔炼后，可得到纯净钢。本发明极大限度地利用了低煤阶煤中的焦油、热解煤气和残炭，选择性还原过程中只还原铁而不还原其他元素，为制取纯净钢奠定了基础。

Description

一种铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺
技术领域
本发明属于冶金和矿物工程技术领域，涉及一种铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺。
背景技术
高炉炼铁发展已有数百年历史，其工艺已达到相当完善的地步。高炉炼铁主要由焦化、烧结、球团、高炉等工序组成，是现代钢铁冶炼的主导流程，具有产量大、产品质量高的特点。但在铁烧焦生产工艺日益完善和大型化的同时，也带来了流程长、投资大以及污染环境等问题。高炉炼铁需要高品位的块状或一定粒级的炉料，但随着钢铁工业规模的快速发展，高品位的铁矿资源逐渐减少。当利用贫矿作为炼铁原料时，需要对贫矿进行磨矿和磁选，再对铁精矿进行烧结造块，同时高炉炼铁需要消耗大量焦煤，使焦煤需求快速增长，但由于焦煤储量有限、供给不足及资源贫乏，使焦煤价格逐渐提高，高炉炼铁成本增加。此外，在烧结矿造块，球团矿生产，焦煤炼焦以及高炉炼铁过程中产生的“三废”严重污染大气、土地和水资源，迫使人们开始寻找一些不依赖于焦煤、经济环保的非高炉的炼铁方法。
非高炉炼铁以非焦煤为能源，省去了传统工艺的烧结、球团等工序，缩短了生产流程，对原料和燃料适应性强，工艺过程可控性好，能耗低，污染小，被认为是一种节能环保、投资小、生产成本低的炼铁工艺。在非高炉炼铁中，煤基直接还原的主体设备有回转窑、竖炉、隧道窑等。隧道窑法生产直接还原铁适合于小规模生产，投资量较小。目前，非高炉炼铁开发的原因主要有：（1）炼焦用煤的储量减少和质量下降，必须寻求不用焦炭的炼铁方法；（2）非高炉炼铁不用或少用焦炭，可以煤、油、煤气等为能源，可以省掉常规工艺的炼焦工序，不用制气，简化了钢铁生产流程，具有投资少收效快、适于中小钢铁企业发展的特点。（3）非高炉炼铁对原料的适应性强，一般铁矿石可以不经处理进行利用，还可以利用金属共生的复合铁矿石，不仅可使用块矿、球团矿、精矿粉、粉矿等物料，而且可以广泛处理含铁粉尘和工业废料，如高炉炉尘、转炉炉尘、瓦斯灰、烧结除法灰等，也是开展资源综合利用的一个重要方法。
在国内现有非高炉炼铁生产中，铁矿石直接还原工艺虽然可以解决不用焦炭问题，但精料要求比高炉还高，而其产品固态海绵铁主要供给电炉进行炼钢，不能满足转炉或高炉大规模生产的要求。为解决这个问题，又提出了直接用高品位精矿粉进行熔融还原的新工艺，其基本思路是把高炉作用分成两步来完成：第一步是预还原，主要任务是从铁精矿中夺取氧，提供预还原原料；第二步是深度还原，主要任务是熔化、精炼和渣铁分离，并为预还原炉提供高温还原性煤气。这样实际上等于把高炉工作分成彼此独立而又紧密联系的两部分，使其各自努力达到最高的目标。以上发明都没有同时解决以下四个问题：（1）在低煤阶煤综合利用的基础上进行还原气制作；（2）利用还原气对铁球团或块矿进行选择性还原,而不是过度还原；（3）对还原产物洁净化冶炼获得纯净钢；（4）节能、环保、低成本。因此，其都不能从综合方面与目前普遍采用的“高炉-转炉”流程相比较。
本发明根据回转窑设备投资少、见效快、矿石还原质量高的特点，在传统回转窑铁矿石直接还原生产工艺的基础上，为对传统铁烧焦生产工艺进行改良，缩短生产流程、降低焦炭消耗、合理利用***能源，提出了一种回转窑铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺。
发明内容
本发明提供一种铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺，通过使用不能炼焦的低煤阶煤作为能源和还原剂，采用回转窑生产的金属化物料，对金属化物料采用风磁同步联选技术制备高纯铁粉，形成一种流程简单、节能环保、能够一步法得到纯净铁粉的钢铁冶炼新流程，从而为“冶金煤基还原（低温制铁）—干磨干选（常温渣铁分离）—电炉（制钢）”生产纯净钢工艺技术的研发奠定物质基础。
本发明所述的铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺分为四部分：一是将低煤阶煤热解成焦油、热解煤气和残炭3种产品；二是以热解后的残炭为原料，与铁矿石还原过程中所产生的水蒸气或CO2反应制取还原气；三是热解煤气和还原气在通过球团矿或块矿的料层时进行选择性气基直接还原反应，只还原其中的铁得到金属化物料；四是将金属化物料干磨后进行风磁同步联选制备超纯金属化铁粉。
具体地，本发明所述铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺是使用低煤阶煤作为还原球团矿或块矿的能源和还原剂。按照下述方法制取纯净铁粉：
A）将粒度为8-16mm的球团矿或10-30mm块状铁矿石与5-10mm残炭按100:12-15比例配料及混合后，从回转窑的入窑端加入。物料在回转窑内高温作用下，其温度逐渐升高，当温度达到400-450℃铁矿石开始与碳进行还原反应，温度达到1000-1100℃时还原反应剧烈进行。
B）当铁矿石在回转窑内高温段还原反应进行到中后期时，还原反应速度降低，此时将低煤阶煤通过喷枪采用压缩空气喷入回转窑内中后段，煤在回转窑内与高温物料接触后，可使煤在以600-800℃/min升温过程中温度达到500-900℃时进行热解，可得到海绵状残炭及副产的热解煤气和焦油，焦油可作为回转窑的燃料进行利用。
C）回转窑内热解煤气在料层内部流动并逸出料层过程中与铁矿石接触，可使铁矿石得到进一步还原，铁矿石还原生成的CO2和水蒸汽在800-1100℃下与残炭进行碳气化反应，可得到CO及还原性较高的H2；由于H2的分子半径较小，与铁矿石接触时具有较高的还原性，可实现铁矿石的低温氢还原。
D）通过控制回转窑还原段温度为1000-1050℃、高温还原时间60-90min，可使球团矿或块状铁矿石与窑内还原气体进行选择性气基直接还原，得到被还原的铁与未被还原的其他氧化物混合的还原产物；
E）铁矿石还原过程中，从物料内部逸出的气体中含有一定的可燃成份，通过往回转窑中后段鼓入助燃空气使可燃成份燃烧，燃烧产生的热量供给回转窑自身利用。
F）从回转窑出来的900-950℃高温还原物料经过间接无氧冷却后，常温的还原物料采用滚筒式干选机进行干式磁选，干选得到金属化物料和残炭，残炭返回配料***作为球团矿或块状铁矿石的配料进行循环利用。
G）金属化物料采用干式磨粉机磨细至-200目占90%以上，再采用风磁同步联选装置进行干式磁选，实现常温渣铁分离后，可得到铁品位90%以上、金属化率95%以上、金属回收率90%以上的高纯铁粉。
H）将高纯铁粉采用压块机冷压成5-40mm冷压块，再将冷压块加入到电炉中进行熔炼后，一步法可得到纯净钢。
进一步，本发明将金属冷压块加入到碱性炉衬的电炉中，在1600-1680℃的冶炼温度下，加入辅料石灰冶炼1-2小时后，即可得到纯净钢。其中，石灰的加入量为所述还原产物中（SiO2+P2O5+A1203)总质量的2-4倍。
本发明控制将低煤阶煤以600-800℃/min的升温速率升温至500-900℃条件下进行热解，可以使热解过程得到焦油与热解煤气比为1：2-6，即每吨低煤阶煤可以热解得到焦油80-150Kg、热解煤气200-500Nm3和残炭400-700Kg。其中，会有50-l00Kg左右的灰份混杂在残炭中。
本发明将热解得到的残炭配入到球团矿或块状铁矿石中，当矿煤混合物温度升高到800-1000℃时，料层内部残炭中的碳素与物料空隙内的水蒸气和CO2发生碳气化反应制取还原气，得到的还原气中（CO+H2）体积比达到80%以上，还原气体在料层内与球团矿或块状铁矿石进行选择性气基直接还原反应，可使铁矿石在高温下得到快速还原。
本发明选择性气基直接还原反应是指还原气在还原过程中只还原球团矿或块状铁矿石中的氧化铁，而不还原其中的其他氧化物，而上述效果是通过控制所述还原反应条件下球团矿或块状铁矿石在回转窑还原段的停留时间来实现的。
控制球团矿或块状铁矿石在还原窑内还原段所述温度下的停留时间，则可以使球团矿或块状铁矿石中的SiO2、P2O5、MnO等氧化物不被还原，而只还原其中铁的氧化物。
本发明回转窑内低煤阶煤热解后产生的焦油及铁矿石还原反应后从物料内部逸出的气体产物，经与助燃空气混合燃烧后产生的热量可满足整个回转窑铁矿石直接还原中的热量需要。
更进一步，本发明直接还原物料采用干式磨矿进行金属铁与矿渣的单体解离，磨细后物料采用采用风磁同步联选装置进行常温渣铁分离，可在金属化铁粉不氧化的情况下，得到高纯铁粉。
本发明的有益效果：
（1）本发明低煤阶煤制取还原气是在中等加热速率下热解，极大限度地提取了低煤阶煤总质量8-15%的焦油和全部的热解煤气。使用价格低廉的、不能炼焦的低煤阶煤，在回转窑内的加热条件下热解，最大限度地得到了所述低煤阶煤中的焦油、热解煤气和残炭，热解煤气作为还原气体进行利用，残炭采用碳循环技术返回配料进行利用，焦油做为回转窑的燃料进行利用。
（2）本发明在煤基直接还原过程中，通过控制工艺参数得以选择性还原，只还原铁而不还原其他元素，为制取超级纯净钢奠定了基础。
（3）本发明可使传统电炉冶炼工序中氧化期和还原期同时消失，即炼钢工序中“吹氧-脱氧-精炼去除夹杂”的复杂过程也没有了，用更加简洁的流程获得了高纯铁粉。
（4）与传统“高炉-转炉”流程比较，本发明工艺流程的实现，不仅使钢铁冶炼彻底摆脱了依赖焦碳炼铁的历史，而且使获得纯净钢的流程大大简单。本发明排放物更少、更加简洁、节能环保，减轻“高炉-转炉”钢铁冶金流程的环境排放压力，并具有明显的成本优势。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
本发明涉及的原料及设备有：球团矿或块状铁矿石、混料机、回转窑、无氧冷却机、干式磁选机、干式磨粉机、风磁同步联选机组、铁粉压块机、电炉等。
实施例1
（1）将粒度为8-16mm的球团矿或10-30mm块状铁矿石与5-10mm残炭按100:15比例配料及混合后，从回转窑的入窑端加入。物料在回转窑内高温作用下，其温度逐渐升高，当温度达到400-450℃铁矿石开始与碳进行还原反应，温度达到1000-1100℃时还原反应剧烈进行。
（2）当铁矿石在回转窑内高温段还原反应进行到中后期时，还原反应速度降低，此时将低煤阶煤通过喷枪采用压缩空气喷入回转窑内中后段，煤在回转窑内与高温物料接触后，可使煤在以600-800℃/min升温过程中温度达到500-900℃时进行热解，可得到海绵状残炭及副产的热解煤气和焦油，焦油可作为回转窑的燃料进行利用。
（3）回转窑内热解煤气在料层内部流动并逸出料层过程中与铁矿石接触，可使铁矿石得到进一步还原，铁矿石还原生成的CO2和水蒸汽在800-1100℃下与残炭进行碳气化反应，可得到CO及还原性较高的H2；由于H2的分子半径较小，与铁矿石接触时具有较高的还原性，可实现铁矿石的低温氢还原。
（4）通过控制回转窑还原段温度为1000-1050℃、高温还原时间60min，可使球团矿或块状铁矿石与窑内还原气体进行选择性气基直接还原，得到被还原的铁与未被还原的其他氧化物混合的还原产物；
（5）铁矿石还原过程中，从物料内部逸出的气体中含有一定的可燃成份，通过往回转窑中后段鼓入助燃空气使可燃成份燃烧，燃烧产生的热量供给回转窑自身利用。
（6）从回转窑出来的900-950℃高温还原物料经过间接无氧冷却后，常温的还原物料采用滚筒式干选机进行干式磁选，干选得到金属化物料和残炭，残炭返回配料***作为球团矿或块状铁矿石的配料进行循环利用。
（7）金属化物料采用干式磨粉机磨细至-200目占90%以上，再采用风磁同步联选装置进行干式磁选，实现常温渣铁分离后，得到铁品位94%、金属化率95%、金属回收率93%的高纯铁粉。
（8）将高纯铁粉采用压块机冷压成5-40mm冷压块，再将冷压块加入到电炉中进行熔炼后，一步法可得到纯净钢。
实施例2
（1）将粒度为8-16mm的球团矿或10-30mm块状铁矿石与5-10mm残炭按100:12比例配料及混合后，从回转窑的入窑端加入。物料在回转窑内高温作用下，其温度逐渐升高，当温度达到400-450℃铁矿石开始与碳进行还原反应，温度达到1000-1100℃时还原反应剧烈进行。
（2）当铁矿石在回转窑内高温段还原反应进行到中后期时，还原反应速度降低，此时将低煤阶煤通过喷枪采用压缩空气喷入回转窑内中后段，煤在回转窑内与高温物料接触后，可使煤在以600-800℃/min升温过程中温度达到500-900℃时进行热解，可得到海绵状残炭及副产的热解煤气和焦油，焦油可作为回转窑的燃料进行利用。
（3）回转窑内热解煤气在料层内部流动并逸出料层过程中与铁矿石接触，可使铁矿石得到进一步还原，铁矿石还原生成的CO2和水蒸汽在800-1100℃下与残炭进行碳气化反应，可得到CO及还原性较高的H2；由于H2的分子半径较小，与铁矿石接触时具有较高的还原性，可实现铁矿石的低温氢还原。
（4）通过控制回转窑还原段温度为1000-1050℃、高温还原时间90min，可使球团矿或块状铁矿石与窑内还原气体进行选择性气基直接还原，得到被还原的铁与未被还原的其他氧化物混合的还原产物；
（5）铁矿石还原过程中，从物料内部逸出的气体中含有一定的可燃成份，通过往回转窑中后段鼓入助燃空气使可燃成份燃烧，燃烧产生的热量供给回转窑自身利用。
（6）从回转窑出来的900-950℃高温还原物料经过间接无氧冷却后，常温的还原物料采用滚筒式干选机进行干式磁选，干选得到金属化物料和残炭，残炭返回配料***作为球团矿或块状铁矿石的配料进行循环利用。
（7）金属化物料采用干式磨粉机磨细至-200目占90%以上，再采用风磁同步联选装置进行干式磁选，实现常温渣铁分离后，得到铁品位95%、金属化率96%、金属回收率92%的高纯铁粉。
（8）将高纯铁粉采用压块机冷压成5-40mm冷压块，再将冷压块加入到电炉中进行熔炼后，一步法可得到纯净钢。

Claims (2)

1.一种铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺，其特征在于方法如下：A）将粒度为8-16mm的球团矿或10-30mm块状铁矿石与5-10mm残炭按100:12-15比例配料及混合后，从回转窑的入窑端加入，物料在回转窑内高温作用下，其温度逐渐升高，当温度达到400-450℃时，铁矿石开始与碳进行还原反应，温度达到1000-1100℃时还原反应剧烈进行；
B）当铁矿石在回转窑内高温段还原反应进行到中后期时，还原反应速度降低，此时将低煤阶煤通过喷枪采用压缩空气喷入回转窑内中后段，煤在回转窑内与高温物料接触后，使煤在以600-800℃/min升温过程中温度达到500-900℃时进行热解，得到海绵状残炭及副产的热解煤气和焦油，焦油作为回转窑的燃料进行利用；
C）回转窑内热解煤气在料层内部往上流动并逸出料层过程中与铁矿石接触，可使铁矿石得到进一步还原，铁矿石还原生成的CO2和水蒸汽在800-1100℃下与残炭进行碳气化反应，得到CO及还原性较高的H2；由于H2的分子半径较小，与铁矿石接触时具有较高的还原性，得以实现铁矿石的低温氢还原；
D）通过控制回转窑还原段温度为1000-1050℃、高温还原时间60-90min，使球团矿或块状铁矿石与窑内还原气体进行选择性气基直接还原，得到被还原的铁与未被还原的其他氧化物混合的还原产物；
E）铁矿石还原过程中，从物料内部逸出的气体中含有一定的可燃成份，通过往回转窑中后段鼓入助燃空气使可燃成份燃烧，燃烧产生的热量供给回转窑自身利用；
F）从回转窑出来的900-950℃高温还原物料经过间接无氧冷却后，常温的还原物料采用滚筒式干选机进行干式磁选，干选得到金属化物料和残炭，残炭返回配料***作为球团矿或块状铁矿石的配料进行循环利用；
G）金属化物料采用干式磨粉机磨细至-200目占90%以上，采用风磁同步联选装置进行干式磁选，实现常温渣铁分离后，得到铁品位90%以上、金属化率95%以上、金属回收率90%以上的高纯铁粉；
H）将高纯铁粉采用压块机冷压成5-40mm冷压块，再将冷压块加入到电炉中进行熔炼后，一步法得到高品质的纯净钢。
2.根据权利要求1所述的一种铁矿石低温还原-常温渣铁分离-电炉制钢工艺，其特征在于所述金属冷压块加入到碱性炉衬的电炉中，在1600-1680℃的冶炼温度下，加入辅料石灰冶炼1-2小时后，即可得到纯净钢；其中，石灰的加入量为还原产物中SiO2+P2O5+A1203总质量的2-4倍。
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