CN101104873A - 一种采用铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原炼铁的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原炼铁的方法，以铁精矿热压含碳团块为原料，以竖炉为熔融还原反应器，向竖炉反应器内喷吹煤粉，并且鼓入工业氧、热空气、或高富氧热风，进行熔融还原炼铁；生产铁精矿热压含碳团块的含铁粉料为铁精矿粉，热压煤粉为烟煤煤粉，熔剂为生石灰，各组分质量百分比为：铁精矿粉60～75％，烟煤煤粉20～35％，生石灰粉5～10％；铁精矿煤粉热压团块由竖炉顶部双钟式布料系统加入，在竖炉内预热、还原和熔融；煤粉由竖炉风口喷入，为炉内铁精矿热压含碳团块的还原和熔化供热。该工艺适合我国炼铁资源条件，原料适应性强，吨铁能耗和氧耗低，不依赖焦炭，环境友好，流程短，成本低。

Description

一种采用铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原炼铁的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼技术领域，涉及熔融还原炼铁技术，具体涉及一种用铁精矿煤粉热压含碳团块入竖炉熔融还原炼铁的工艺方法。

背景技术

资源的合理利用和清洁生产已成为钢铁行业的发展主旋律。我国虽为钢铁大国，但在原燃料资源、能源消耗和清洁生产方面仍面临着严峻的挑战，解决这些问题已成为我国钢铁工业发展战略的重大需求。新一代熔融还原工艺是当代冶金重大前沿技术之一，也是解决钢铁工业可持续发展的重要途径之一。其主要技术特点是：1)以煤代焦直接生产铁水，有效利用能源，可减轻钢铁工业对焦煤资源的依赖；2)可实现钢铁生产和能源转换的双重职能；3)减少污染，有利于环境保护；4)将焦化、烧结和高炉冶炼三个工序缩短为熔融还原工序，简化生产流程，提高生产效率。在我国，随着焦煤供应的日趋紧张和对环保要求的日益严格，熔融还原技术的优势变得更加突出。因此开发适合于我国资源条件、有利于环境保护的新一代熔融还原炼铁技术越发迫切。这将实现钢铁流程以钢铁产品为中心向以资源和能源高效利用为中心的转移，实现钢铁生产观念和技术上的创新。开发对原料适应性强、不依赖冶金焦炭的环保型的熔融还原炼铁新工艺是世界钢铁冶金发展的趋势，也是我国钢铁工业实现可持续发展的重要前提。

熔融还原是近代钢铁工业的前沿技术，是炼铁生产工艺的重大变革。上世纪80年代以来，数十种熔融还原工艺通过了工业或半工业性试验。这些熔融还原技术的开发均单纯以炼铁为目标，其中较为成功的均采用二步法：先进行含铁原料的预还原，然后进行预还原料的熔融分离，存在着预还原和熔融分离工序以及反应装置的链接问题，最终影响了整个工艺的能耗、经济技术指标以及工艺的应用性。目前，某些用于工业化生产的熔融还原工艺存在原料适用性尚待改善(只可采用块状原料，国内可选用的煤种有限)、煤耗量高(约950kg/吨铁)、氧耗大(约580m³/吨铁)、仍使用部分焦炭等问题。其它的工艺有些处于“休眠”状态，有些正积极进行深入的研发工作，解决各种技术问题，但离真正工业化还有一段距离。

铁矿含碳球团(团块)具有高还原性能，是目前国内外积极研究和开发的优质炼铁原料。国内对冷固结含碳球团应用于熔融还原炼铁技术进行了深入的研究，提出了若干熔融还原炼铁专利(铁浴炉法和卧式炉法等)，并进行了半工业化试验，但未获得成功。主要是因为冷固结产品存在高温粘结剂失效造成的高温强度差等致命弱点，再加上粘结剂增加成本和渣量等问题，从而限制了冷固结含碳球团及相应熔融还原技术的应用和发展。

发明内容

针对现有熔融还原工艺存在的问题，本发明提供了一种铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原炼铁的工艺方法。本发明的工艺方法可通过如下技术路线来实现：

1)铁矿热压含碳团块制备：铁精矿、烟煤煤粉以及适量熔剂(生石灰)通过热压工艺生产铁矿热压含碳团块(热压含碳团块工业化生产的工艺流程示于图1)，作为竖炉原料。热压含碳团块的组成按质量百分比为：铁精矿粉60～75％，烟煤煤粉20～35％，生石灰粉5～10％。

2)铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原：以非焦煤为能源，竖炉为熔融还原反应器，用热空气(对应于生产普通煤气)、高富氧热风(对应于生产高热值煤气，用于轧钢)或工业氧(对应于生产直接还原用煤气)为气体介质(在使用工业氧的实施例中，氧气消耗量为300～375m³/吨铁)，直接生产铁水和煤气。铁矿热压含碳团块--竖炉熔融还原炼铁工艺流程如图2所示。其中，铁矿热压含碳团块由竖炉顶部双钟式系统加入，在竖炉中上部形成炉料预热还原区；粉煤由风口喷入(在使用工业氧的实施例中，煤粉喷吹量为240～260kg/吨铁)，在竖炉内风口前形成燃烧区，为炉内热压含碳团块的还原和熔化供热；风口以下为渣铁终还原区和液态渣铁集聚区。生产的铁水经预处理后直接供电炉炼钢使用；副产品炉渣经水淬、干燥、细磨成水渣微粉，用于生产建材或水泥。

3)竖炉顶气用于热风炉、热压原料预热以及水淬渣干燥等工序，充分利用其热能。最终，经净化处理的优质煤气高效应用于钢铁厂内部(包括与直接还原铁生产和轧钢生产有效结合)，解决钢铁厂内部的煤气平衡问题。

4)生产过程产生的粉尘全部进入本熔融还原工艺流程，加以循环利用。

本发明所述的熔融还原炼铁装置为竖炉。竖炉的内型尺寸如图3所示，竖炉内温度场和流场如图4所示。竖炉有效容积为80m³，附属系统由原料系统、炉顶布料(钟式)系统、冷却系统、渣铁处理系统、煤气处理系统、喷吹系统以及制氧系统等组成。竖炉的结构及附属系统均类似于高炉炼铁，故可借鉴和采用现有的成熟技术，大幅降低固定投资和生产成本。

铁矿热压含碳团块--竖炉熔融还原炼铁新工艺的创新点主要包括：

1)与其它熔融还原工艺以及高炉炼铁相比，本工艺具有如下优点：①流程短，可取消烧结和焦化，投资费用低；②可综合利用各种含铁和含碳资源，原料适应性强，有利于降低生产成本；③使用低成本的普通煤作为还原剂和能源，无需依赖焦炭；④吨铁氧耗相对低；⑤最终产品为合格铁水，直接供炼钢生产；⑥采用竖炉作为熔融还原反应器，有效解决了还原和熔融分离的链接问题，并可有效嫁接和移用已成熟应用的外围设备和技术，如采用高炉的热风富氧和煤粉喷吹等；⑦熔融还原反应器为竖炉，具有良好的可控性，拥有较长的炉役寿命；⑧采用高还原性炉料和紧凑式反应器，生产周期短，效率高；⑨整个流程完全符合循环经济和生态化冶金要求，粉尘全部进入工艺过程循环利用，CO₂排放量明显低于烧结-焦化-高炉流程。

2)“铁-煤-能源转换”流程将传统钢铁流程以钢铁产品为中心向以资源和能源高效利用及清洁生产为中心转移，突破目前单纯以炼铁为目标的熔融还原技术开发的束缚，实现观念和技术上的创新。

3)本工艺以普通煤粉和铁精矿粉为原料，利用热压工艺来生产热压含碳团块，具有高高温强度(主要由于高温下煤形成半焦以及金属铁生成并致密镶嵌)、高还原性和低熔滴温度(还原铁渗碳速度优越以及合适的碱度)、无需粘结剂等优点，解决了传统冷固结含碳球团的弊端(如高温强度差、粘结剂问题等)。热压含碳团块的形状和大小可以通过更换辊皮和改变辊皮表面的凹坑来实现，对辊热压机上装有最大压力为20t的液压机。当热压力为35MPa时，获得的热压含碳团块的冷态抗压强度高于1200N/个。制取的热压产物是椭球形，尺寸为21×19×13mm，体积为4.1cm³。

附图说明

图1是热压含碳团块工业化生产工艺示意图

图2是铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原新工艺流程

图3是熔融还原炼铁竖炉的内型尺寸(图中长度单位为m)

图4是熔融还原竖炉内的流场和温度场分布(图中a流场b温度场(℃))

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明工艺流程中主要原料如下：

1)含铁粉料。综合考虑整个工艺的技术经济指标、竖炉生产的顺行、上下游工序的衔接等因素，选用的含铁粉料应品位高、脉石含量低、磷和硫含量低、还原性好、粒度适宜。本工艺使用铁精矿粉(大石桥铁精矿)，主要成分见表1，产地为辽宁大石桥。

表1大石桥铁精矿成分(wt％)

项目	TFe	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	S	P	其它
									大石桥铁精矿	70.09	1.75	0.085	0.15	0.10	0.31	0.01	＜0.021

2)热压用煤。选择煤种的基本原则为：低灰分、低水分、低硫、有较好的热塑性(流动性，粘结性和结焦性等)。本工艺采用恒山烟煤，主要性能见表2。产地为黑龙江鹤岗恒山矿区。

表2热压用煤(恒山烟煤)的主要性能

项目	灰分(％)	挥发分(％)	全硫(％)	粘结指数(-)	胶质层指数(mm)
							Ad	Vdaf	St.d	G	x	y
	恒山烟煤	9.10	33.43	0.53	75	24							12

3)喷吹用煤。要求灰分和硫含量低，并对其理化性能(可磨性、燃烧性能、灰熔点)、粒度和经济性有一个综合要求。本工艺采用潞安煤，产地为山西潞安，其主要物性值示于表3。

表3喷吹用煤(潞安煤)的主要性能

水分	灰分	挥发分	含S量	干基发热量
					7.6％	10.17％	11.17％	0.34％	32.47 KJ

4)熔剂。要求是有效熔剂性指数高，脉石等杂质含量低。采用了生石灰(CaO)粉，产地为沈阳。

本发明具体实施步骤如下：

1)铁矿热压含碳团块制备：铁精矿粉、恒山烟煤和生石灰预热后，通过热压工艺产生铁精矿煤粉热压团块。原料各组分的质量百分比为：铁精矿粉∶恒山烟煤∶生石灰＝60％∶35％∶5％。具体生产系统示于图1。铁精矿粉(已按上述设定比例混入生石灰粉)在铁矿粉预热炉内均匀加热至600～700℃，煤粉预热炉内设置有搅拌器，煤粉在其内预热至150～200℃。经预热的铁精矿粉加入到煤粉预热炉的煤粉中，同时搅拌器高速转动(转动速度维持在60rpm左右)，充分混匀煤粉和矿粉。在煤粉和矿粉的混匀物达到设定温度(取决于煤种的塑性温度区间，本工艺原料条件下为450℃左右)后，自煤粉预热炉下部由螺旋给料器喂进对辊热压机内(双辊同时转动，转速维持在10rpm左右)，进行热压成型。整个过程利用煤的热塑性保证热压产品的强度，未添加任何粘结剂。热压产物的形状和大小可以通过更换辊皮和改变辊皮表面的凹坑来实现，对辊热压机上装有最大压力为20t的液压机。当热压力为35MPa时，获得的热压含碳团块的冷态抗压强度高于1200N/个。热压产物是椭球形，尺寸为21×19×13mm，体积为4.1cm³。成型的热压团块可置于热压机下部的封闭容器内在600℃时进行20～30min的维温热处理，在该维温过程中热压用煤继续形成半焦，从而进一步加强热压团块的强度。

适宜的热压含碳团块热压工艺参数包括：铁精矿粉粒度为-200目占80％以上、配煤量为20～35％、热压压力为30～42MPa、热压用煤粉粒度控制到-180目占100％、热压成型温度在400～475℃。对应于配煤量为35％时，热压含碳团块的成分见表4。

表4铁矿热压含碳团块的成分(wt％)

R	TFe	FC	C/O	CaO	SiO2	MgO	Al2O3	S
									1.05	42.11	19.23	1.60	5.36	5.11	0.06	0.87	0.36

2)铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原：铁矿热压含碳团块作为竖炉原料，由竖炉顶部双钟式系统加入，在竖炉内预热、还原和熔融；潞安煤作为燃料由竖炉风口喷入，为炉内热压含碳团块的还原和熔化供热，煤粉喷吹量为240～260kg/吨铁；风口喷吹的气体介质为常温工业氧，氧气喷吹量为300～375m³/吨铁。主副产品包括铁水和炉渣，铁水经预处理后直接供电炉炼钢使用；炉渣经水淬、干燥、细磨成水渣微粉，用于生产建材和水泥。

3)本熔融还原工艺的另一主要产品为竖炉炉顶煤气，煤气产生量为1350～1509m³/吨铁。将其用于热压原料预热以及水淬渣干燥等工序，充分利用其热能，其后经除尘净化处理的煤气用于轧钢和直接还原工序。

4)热压团块破碎物以及竖炉炉尘等粉尘物全部重新进入热压工艺流程，得到了高效循环利用。

热压含碳团块还原反应快速，渣铁熔融充分，并成功分离，获得了类似高炉生铁的合格铁水，熔融还原铁水的成分见表5。炉渣流动性良好，(FeO)含量低于2％。

表5熔融还原铁水的成分(wt％)

成分	Fe	C	P	Si	S
						含量	95.52	4.25	0.01	0.19	0.03

经核算，铁矿粉煤粉热压团块-竖炉熔融还原炼铁工艺的主要技术指标如下：

1)工艺总能耗约为710kg煤/吨铁，低于其他熔融还原工艺；

2)氧耗在375m³/吨铁左右，低于现有的其它熔融还原炼铁工艺；

3)主产品铁水的质量与高炉铁水类似；

4)吨铁成本比高炉生铁成本降低约283元/吨铁；

5)取消了烧结和焦化工序，环境负荷明显低于传统的焦化-烧结-高炉流程。

Claims (2)

1.一种采用铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原炼铁的方法，其特征在于以铁精矿热压含碳团块为原料，以竖炉为熔融还原反应器，向竖炉反应器内喷吹煤粉，并且鼓入工业氧、热空气、或高富氧热风，进行熔融还原炼铁；生产铁精矿热压含碳团块的含铁粉料为铁精矿粉，热压煤粉为烟煤煤粉，熔剂为生石灰，各组分质量百分比为：铁精矿粉60～75％，烟煤煤粉20～35％，生石灰粉5～10％；铁精矿煤粉热压团块由竖炉顶部双钟式布料系统加入竖炉，在炉内预热、还原和熔融，煤粉由竖炉风口喷入，为炉内铁精矿热压含碳团块的还原和熔化供热。

2.如权利要求1所述的一种采用铁矿热压含碳团块入竖炉熔融还原炼铁的方法，其特征在于铁精矿粉在铁矿粉预热炉内均匀加热至600～700℃，煤粉在煤粉预热炉内预热至150～200℃，经预热的铁精矿粉加入到煤粉预热炉的煤粉中，同时搅拌器高速转动，充分混匀煤粉和矿粉，在煤粉和矿粉的混匀物达到450℃左右温度后，自煤粉预热炉下部由螺旋给料器喂进对辊热压机内，进行热压成型，成型的热压团块可置于热压机下部的封闭容器内，600℃干馏20～30min左右，进行维温热处理，进一步加强热压块的强度。

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