CN100500873C

CN100500873C - 熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法

Info

Publication number: CN100500873C
Application number: CNB2007101216395A
Authority: CN
Inventors: 郭培民; 赵沛
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute; China Iron and Steel Research Institute Group
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: CN101117650A

Abstract

本发明属于钢铁冶炼领域，特别涉及熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法。该制备流程的预还原所使用的细微铁矿粉的粒度范围为：磁铁矿粉的平均粒度为2微米～40微米，赤铁矿粉的平均粒度为2微米～70微米；细微铁矿粉的预还原率控制在70%～85%，反应温度控制在580℃～750℃，细微铁矿粉在各级气基低温快速预还原反应器中的停留时间不超过5min，预还原所用的熔融气化炉产生的经调整成分的煤气中CO与H₂的体积含量高于90%；气基低温快速预还原反应器采用输送式反应器或快速循环流化床。本发明与现有技术相比具有提高预还原反应器的还原速度和设备利用系数，实现低能耗、防粘结失流效果好、环境良好、生产成本低的优点。

Description

熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼领域，特别涉及熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法，特别适用于采用我国的精矿粉与进口矿中的筛下铁矿粉生产铁水。

背景技术

在现有技术中，高炉炼铁工艺是现代钢铁工业的主要炼铁流程，但由于高炉炼铁工艺流程复杂、能耗高、污染大，投资大，人们也试图开发出各种非高炉炼铁工艺。

熔融还原炼铁法是一种非高炉炼铁工艺。COREX流程是一种比较成熟的熔融还原流程，在南非、韩国、印度等国家已实现工业生产。COREX流程就是将矿石的还原和熔融分开在两个炉子中进行，采用预还原竖炉及熔融气化炉分别对铁矿石进行预还原和熔化。从还原竖炉排出的预还原矿石的还原率约为95％，料温为800～900℃。熔融气化炉的任务是熔化预还原矿石及产生还原性煤气。COREX流程的突出优点是以非焦煤为能源，摆脱了高炉炼铁对优质冶金焦的依赖，有利于环保。但是COREX流程也存在一定问题：

(1)生产效率偏低，由于竖炉预还原采用块矿，气固接触面积小，反应速度慢，而熔融气化炉的反应速度很快，造成预还原炉和终还原炉的生产效率很难匹配。COREX流程的设备综合利用系数仅为0.9吨/立方米·天，大大低于高炉的利用系数指标。

(2)只能使用块矿或球团矿，不能使用粉矿。显然COREX流程无法直接使用我国的精矿粉。国外进口的块矿，也存在一定比例的粉矿，也不适用于COREX流程。

韩国POSCO的Finex以3级普通流化床取代COREX工艺中的还原竖炉，用普通流化床还原粉矿、压块成热压铁块再加入熔融气化炉，克服了COREX不能使用粉矿的缺点。此工艺适合使用粒度1～10mm的粉矿。另外，由于Finex流化床采用较高的预还原温度(850℃左右)，高的预还原率(90％左右)，粘结失流问题无法根本性解决，从而影响操作的连续性和稳定性，此外，由于使用粒度较大的粉矿，气固反应速度依然较慢。这些都是Finex工艺进一步发展所面临的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高预还原反应器的还原速度和设备利用系数，实现低能耗、防粘结失流效果好、环境良好、生产成本低的熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法。

根据上述目的，本发明方法的原理为：

从反应动力学和传输原理角度出发，块度越大，能量交换速率和物质转化效率就越低，能源使用效率也就越低，单位产品的能耗和CO₂排放量也就越大。例如，单个粒度为φ30mm块矿的比表面积为200m^-1，而同样质量的1mm粉矿的比表面积则为6000m^-1，同样质量的0.1mm的粉矿的比表面积达到60000m^-1，同样质量的0.01mm的粉矿的比表面积竟达到6×10⁵m^-1。很显然，细微粉矿与气体的反应条件远远优于块状料与气体的反应条件，大大地改善了反应的扩散条件。同时经过球磨后的细微铁矿粉表面活性和晶格畸变也大大增加，有利于降低还原反应的表观活化能，还原效率可以大幅度提高。另一方面，铁矿粉在球磨机中细磨过程中，部分机械能能够转换为细微铁矿粉的内能，有利于提高还原性气体的利用率，降低吨铁的气体消耗量。我们的研究表明，当铁矿粉的粒度磨细到40微米以下时，在700℃左右条件下，反应时间不超过5min，使用CO、H₂还原性气体就可实现80％左右的还原率，而1mm左右的铁矿粉，则需要数十分钟才能达到相近的还原率。

虽然粉体越细，越有利于气固反应，但是长期以来的炼铁反应器并不能使用粉矿，并对粉体的粒度有着明确的范围。例如，高炉和COREX流程，铁矿的粒度一般在10～40mm。即使Finex流程，也仅使用粒度1～10mm的粉矿。可见，目前的炼铁流程，并不利于高效率快速生产，主要原因还是这些反应器及相应的工艺技术参数并不适合细微铁矿粉的还原与冶炼。

根据以上分析，熔融气化炉的冶炼速度是相当迅速的，而竖炉预还原反应器及普通流化床预还原反应器与熔融气化炉的冶炼速度匹配不尽如人意，导致整个流程生产效率低下、吨铁能耗增加。因此本发明重点是研究与熔融气化炉相匹配的预还原反应器及工艺技术，形成一条快速、高效、低能耗及环境良好的新型熔融还原流程。

本发明对铁矿粉的粒度提出了明确要求，它与铁矿粉的种类有关。由于物相结构的不同，磁铁矿(Fe₃O₄)的反应性能差于赤铁矿(Fe₂O₃)。虽然我国的精矿粉平均粒度已降低到200微米左右，但是由于反应性能差，必须通过细磨增加其表面积，细磨的同时也提高了磁铁矿的表面活性和内在反应性能，根据我们的研究结果，当精矿粉的粒度磨细到40微米以下时，反应性能大幅度提高，700℃左右时，不超过5min就可实现80％左右的还原率。对于赤铁矿等进口矿的筛下物，其粒度大于我国的精矿粉，但赤铁矿的反应性能较好，因此所要求快速还原的粒度应高于磁铁矿粉，研究结果表明，将其平均粒度磨细到70微米以下，赤铁矿粉的低温快速还原效果比较好。虽然铁矿粉粒度越细反应性能越好，但是当铁矿粉的平均粒度小于2微米时，气固分离效果变差，不利于粉气分离。因此适合本发明的磁铁矿粉的平均粒度为2微米～40微米；赤铁矿粉的平均粒度为2微米～70微米，远小于现有预还原工艺(如Finex等)对铁矿粒度的使用范围。

熔融气化炉主要完成直接还原铁的熔化和造气功能，因此要求直接还原铁的还原率高于90％，给预还原工艺带来很大压力，直接造成预还原工艺所需煤气量大、铁矿的停留时间加长。根据我们的研究，熔融气化炉能够还原一定量的氧化铁，因此可将直接还原铁的预还原率适当降低。铁矿粉的粘结失流一直是流化床反应器不易解决的难题。还原温度与铁矿粉的还原率是影响粘结失流的重要因素，还原温度越高，粘结失流的可能性越大；铁矿粉的还原率越高，粘结失流的可能性越大。根据我们的研究结果，反应温度高于750℃，利于粉体间的烧结而引发的粘结，过低的温度不利于反应进行且容易因为煤气中CO过量析碳，将还原温度控制在580℃～750℃比较适合低温快速预还原工艺。还原率高于85％以上，粉体所含金属化铁量过高，容易发生粘结，铁矿粉的还原率低于70％，整个熔融还原炼铁流程的煤耗过高，因此本发明的铁矿粉的还原率控制在70％～85％比较适宜，反应温度控制在580℃～750℃，远低于Finex预还原工艺所要求的850℃。

由于细微铁矿粉的临界流化速度与带走速度差距不大，同时细微铁矿粉还存在团聚的可能性，因此普通流化床(包括鼓泡流化床和湍动流化床)不太适宜作为细微铁矿粉的反应器。我们的研究表明，细微铁矿粉的带走速度较低，例如平均粒度为30微米的铁矿粉，带走速度约为0.15m/s，远低于粗矿粉的流化速度(平均粒度3mm，流化速度约为3～5m/s)，粗矿粉本身反应动力学条件就差，但其流化速度却很高，导致流化床设备的利用系数和气体利用率降低。细微铁矿粉可使用快速循环流化床或输送式反应器，所要求的气速低于粗矿粉的流化气速，同时细微铁矿粉的反应速度又快，因此反应器的效率高。可见，输送式反应器或快速循环流化床是比较适宜细微铁矿粉还原的反应器。输送式反应器即铁矿粉和还原性气体同时在一个反应器中移动并反应，当粉体离开反应器时，已达到所需的还原率，然后通过旋风除尘器等分离装置实现气粉分离；快速循环流化床则是还原性气体和铁矿粉在提升管中移动并反应，然后经旋风除尘器分离粉和气，粉体经下降管返回提升管继续还原。粗矿粉不宜使用快速循环流化床或输送式反应器，因为它们所要求的气体速度过高，反应器的利用效率更低，冶炼能耗更高，只适宜选择普通流化床。可见，本发明所使用的反应器类型不同于Finex的预还原流化床，且反应器效率也明显高于Finex的预还原流化床。

气基低温快速预还原反应器不同于传统的炼铁反应器，它可实现铁矿粉的低温快速还原。然而铁矿粉的气固还原，不仅涉及反应动力学，还涉及了反应热力学。若使用一级反应器，不利于提高煤气中CO、H₂的利用率，而吨铁实际需要的CO+H₂摩尔量是一定的，因此气体利用率越低，所需的总煤气量越大，增加了吨铁冶炼能耗。根据氧化铁还原的热力学平衡图及反应动力学，本发明提出了在双级气基低温快速预还原反应器中还原细微铁矿粉：在第一级低温快速预还原反应器中将预热后的细微铁矿粉还原到浮氏体，然后将物料输送到第二级气基低温快速预还原反应器中，在第二级低温快速预还原反应器中完成铁矿粉的预还原；第二级低温快速预还原反应器所需的还原性气体来自熔融气化炉产生的经调整成分与温度的煤气；第一级低温快速预还原反应器所需的还原气体来自第二级低温快速预还原反应器还原后的气体。这样煤气的利用率可控制在30～55％之间，大大减少了预还原所需的总煤气量。新型的双级气基快速预还原反应器不同于Finex流程所使用的多级普通循环流化床，它能使用更细的铁矿粉，实现预还原反应器的高效作业，且适合我国精矿粉的使用，吨铁能耗仅为350～600kg煤，远低于Finex的750～1000kg煤/吨铁。当然对于某些缺少煤气的钢铁厂，也可使用单级低温快速预还原反应器，这样吨铁能耗约为750kg煤。

细微铁矿粉在预还原反应器内的停留时间是可调节的，根据高效率生产和细微铁矿粉还原动力学的要求，停留时间控制在5min之内是比较适宜的。而预还原所需要的煤气也要含有较高的CO和H₂体积浓度，我们的研究表明预还原所用的熔融气化炉产生的经调整成分的煤气中CO与H₂的体积含量高于90％。

本发明的气基低温快速预还原反应器所使用的还原气体来自熔融气化炉经过调整温度的还原性气体，主要成分为CO和H₂，具有一定温度的还原性气体在预还原反应器中快速还原预热后的细微铁矿粉，得到一定还原率的铁粉，经过压块或喷粉方式送入熔融气化炉内继续还原和熔化，得到铁水和高温还原性煤气，离开熔融气化炉的高温还原性气体经过调整后再供给预还原过程。

根据上述目的和方法原理，本发明的具体的技术方案为：

该方法的具体流程是，将一定粒度的铁矿粉预热后，在预还原反应器中进行预还原，还原后的铁料经压块或喷粉导入熔融气化炉中进行终还原得到铁水和高温煤气，高温煤气经处理后供预还原反应器使用。其特征在于制备流程的预还原所使用的细微铁矿粉的粒度范围为：磁铁矿粉的平均粒度为2微米～40微米，赤铁矿粉的平均粒度为2微米～70微米；细微铁矿粉的预还原率控制在70％～85％，反应温度控制在580℃～750℃，细微铁矿粉在各级预还原反应器中的停留时间不超过5min，预还原所用的熔融气化炉产生的经调整成分的煤气中CO与H₂的体积含量高于90％；气基低温快速预还原反应器采用输送式反应器或快速循环流化床。

气基低温快速预还原反应器采用单级或双级低温快速预还原反应器。

采用双级气基低温快速预还原反应器形式，即在第一级低温快速预还原反应器中将预热后的细微铁矿粉还原到浮氏体，然后将物料输送到第二级低温快速预还原反应器中，在第二级低温快速预还原反应器中完成铁矿粉的预还原；第二级低温快速预还原反应器所需的还原性气体来自熔融气化炉产生的经调整成分与温度的煤气，第一级低温快速预还原反应器所需的还原气体来自第二级低温快速预还原反应器还原后的气体。

采用单级气基低温快速预还原反应器，即用熔融气化炉产生的经调整成分与温度的煤气在一个低温快速预还原反应器内完成细微铁矿粉的还原，还原后的固态产物经压块或喷粉送入熔融气化炉内继续还原和熔化分离。

本发明与现有技术相比具有提高预还原反应器的还原速度和设备利用系数，实现低能耗、防粘结失流效果好、环境良好、生产成本低的优点。上述优点具体为：当铁矿粉的粒度磨细到40微米以下时，在700℃左右条件下，不超过5min，使用CO、H₂还原性气体就可实现80％左右的还原率，而1mm左右的铁矿粉，则需要数十分钟才能达到相近的还原率。本发明的磁铁矿粉的平均粒度为2微米～40微米；赤铁矿粉的平均粒度为2微米～70微米，远小于现有预还原工艺(如Finex等)对铁矿粒度的使用范围。还原率高于85％以上，粉体所含金属化铁量过高，容易发生粘结，铁矿粉的还原率低于70％，整个熔融还原炼铁流程的煤耗过高，因此本发明的铁矿粉的还原率控制在70％～85％比较适宜，反应温度控制在580℃～750℃，远低于Finex预还原工艺所要求的850℃。细微铁矿粉可使用快速循环流化床或输送式反应器，所要求的气速低于粗矿粉的流化气速，同时细微铁矿粉的反应速度又快，因此反应器的效率高。在双级气基低温快速预还原反应器中还原细微铁矿粉，这样煤气的利用率可控制在30～55％之间，大大减少了预还原所需的总煤气量。实现预还原反应器的高效作业，且适合我国精矿粉的使用，吨铁能耗仅为350～600kg煤，远低于Finex的750～1000kg煤/吨铁。使用单级低温快速预还原反应器，吨铁能耗约为750kg煤。

具体实施方式

实施例中所用铁矿粉为澳矿粉(赤铁矿类型，成分见表1)和磁铁矿粉(成分见表1)，选用原始粒度小于40目(即450微米)的铁矿粉，经高效搅拌球磨机磨细到一定粒度的细微铁矿粉，粒度的测定使用激光粒度分析仪。实施例所用煤气，通过数十个CO、H₂等气瓶配气仿造熔融气化炉出来的煤气，其成分如表2所示。

表1 实验所用铁矿粉成分/wt％

矿种	全铁	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	MgO
矿种	全铁	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	MgO	澳矿	63.8	5.6	2.5	0.5	0.3
磁铁矿	65.7	3.6	0.8	1.8	1.7	澳矿	63.8	5.6	2.5	0.5	0.3

表2 实施例所用煤气成分

气体组分	CO	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	CO<sub>2</sub>
气体组分	CO	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	CO<sub>2</sub>	体积含量	71.5％	24.8％	2.6％	1.1％

实施例在四种快速预还原反应器中进行，包括热态双级快速循环流化床、热态双级输送式反应器和单级输送式反应器。

热态双级快速循环流化床的装置：每级快速循环流化床由提升管、旋风除尘分离器、储料仓、下降循环管等组成；在两级快速循环流化床之间，通过下料管和导气管连接；配套设备包括粉体预热炉、气体预热炉、进料装置、铁粉钝化装置等。实验过程：先将一定粒度的细微铁矿粉预热到一定温度，放入双级快速循环流化床的料仓内，然后导入第一级快速循环流化床的提升管中，第一级反应器所需煤气来自第二级反应器的尾气。第一级反应器内的粉体在旋风除尘器中实现气固分离，粉体进入储料仓，再经下降循环管返回到提升管中。还原好的粉体经过流量控制装置后沿下料管进入第二级反应器中的提升管。配好的还原性气体经过气体预热炉预热到一定温度进入第二级反应器的提升管。

热态双级输送式反应器的装置：主要组成是热态垂直输送管以及旋风除尘器；在两级输送反应器之间，通过导料管和导气管连接；配套设备包括粉体预热炉、气体预热炉、进料装置、铁粉钝化装置等。实验过程：先将一定粒度的细微铁矿粉预热到一定温度，放入双级输送式反应器的料仓内，然后导入第一级输送式反应器中，第一级输送式反应器所需煤气来自第二级反应器的尾气。第一级反应器内的粉体在旋风除尘器中实现气固分离，经导料管导入第二级输送式反应器，配好的还原性气体经过气体预热炉预热到一定温度进入第二级输送式反应器。

单级输送式反应器的装置：主要组成是热态垂直输送管以及旋风除尘器；配套设备包括粉体预热炉、气体预热炉、进料装置、铁粉钝化装置等。实验过程：先将一定粒度的细微铁矿粉预热到一定温度，放入输送式反应器的料仓内，然后导入输送式反应器中，配好的还原性气体经过气体预热炉预热到一定温度进入输送式反应器中与细微铁矿粉一起运动并发生还原反应，然后在旋风除尘器中实现气固分离。

单级快速循环流化床的装置：主要由提升管、旋风除尘分离器、储料仓、下降循环管等组成；配套设备包括粉体预热炉、气体预热炉、进料装置、铁粉钝化装置等。实验过程：先将一定粒度的细微铁矿粉预热到一定温度，放入料仓内，然后导入单级快速循环流化床中的提升管中，配好的还原性气体经过气体预热炉预热到一定温度进入提升管中，与细微铁矿粉一起运动并发生还原反应，然后在旋风除尘器中实现气固分离，粉料经储料仓与下降管返回提升管中继续还原。

上述四种反应器还原后的粉体均需导入铁粉钝化装置进行高温烧结钝化(850℃)，钝化后的粉体分析化学成分，使用多组分在线气体分析仪分析各级煤气成分。实施例中改变了一定参数，如铁矿粉的平均粒度、冶炼温度、铁矿粉的平均停留时间等，以及实施例所得到的结果一同列入表3。

为了与本发明进行比较，还特地在三级普通流化床上进行了对比实验，使用煤气见表2，澳矿粉的平均粒度为3mm，实施条件和结果列入表4。

实施例结果表明，在快速循环流化床和输送式反应器中预还原细微铁矿粉，可以取得所期望的预还原率70％～85％。

在本发明中，对物料的温度有着明确的要求，温度的选择受粉体粒度、粉体停留时间、所需还原率等多种因素影响，更要考虑温度所引发的粘结失流、析碳过多等影响工艺顺行问题。从实施例结果可见，将还原温度控制在580℃～750℃比较适合快速预还原反应器，也能很好地避免粗粉体在较高反应温度(高于800℃)引发粘结失流问题，还能避开快速析碳区(550℃左右)。从实施例结果可见，对澳矿粉与磁铁矿的粒度要求有所不同，对于澳矿粉的粒度控制在2～70微米铁矿粉能够满足低温快速还原要求；对于磁铁矿粉的粒度，控制在2～40微米也能满足低温快速还原要求。从实施例结果可见，停留时间在5min之内已能达到需求，再延长停留时间，只会降低生产效率。

从实施例结果可见，使用单级输送式反应器还原细微铁矿粉的速度也是非常迅速的，并且产物的还原率能够满足熔融气化炉的要求，由于单级快速反应器受热力学条件所限，气体利用率偏低，所使气量高于双级反应器，适合缺少煤气的钢铁厂应用。

与三级普通流化床预还原粗矿粉的实验比较可知，本发明的反应时间明显缩短，表明本发明生产效率高；本发明的反应温度也明显较低，表明本发明具有更强的防粘结失流能力。本发明与Finex流程的主要流程参数及指标的比较见表5，可见本发明不仅具有很高的生产效率，而且能耗低、防粘结失流效果好、环保等优势。特别适合我国的精矿粉与进口矿粉的筛下物。

Claims

1、一种熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法，其制备流程是将一定粒度的铁矿粉预热后，在预还原反应器中进行预还原，还原后的铁料经压块或喷粉导入熔融气化炉中进行终还原得到铁水和高温煤气，高温煤气经处理后供预还原反应器使用，其特征在于制备流程的预还原所使用的细微铁矿粉的粒度范围为：磁铁矿粉的平均粒度为2微米～40微米，赤铁矿粉的平均粒度为2微米～70微米；细微铁矿粉的预还原率控制在70％～85％，反应温度控制在580℃～750℃，细微铁矿粉在各级气基低温快速预还原反应器中的停留时间不超过5min，预还原所用的熔融气化炉产生的经调整成分的煤气中CO与H₂的体积含量高于90％；气基低温快速预还原反应器采用输送式反应器或快速循环流化床。

2、根据权利要求1所述的熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法，其特征在于气基低温快速预还原反应器采用单级或双级低温快速预还原反应器。

3、根据权利要求2所述的熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法，其特征在于采用单级气基低温快速预还原反应器，即用熔融气化炉产生的经调整成分与温度的煤气在一个低温快速预还原反应器内完成细微铁矿粉的还原，还原后的固态产物经压块或喷粉送入熔融气化炉内继续还原和熔化分离。

4、根据权利要求2所述的一种熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法，其特征在于采用双级气基低温快速预还原反应器形式，即在第一级低温快速预还原反应器中将预热后的细微铁矿粉还原到浮氏体，然后将物料输送到第二级低温快速预还原反应器中，在第二级低温快速预还原反应器中完成铁矿粉的预还原；第二级低温快速预还原反应器所需的还原性气体来自熔融气化炉产生的经调整成分与温度的煤气，第一级低温快速预还原反应器所需的还原气体来自第二级低温快速预还原反应器还原后的气体。