CN101519705A - 氧气顶吹熔融还原炼铁制取铁水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在熔融状态下直接利用煤粉还原铁矿石生产铁水的方法，属于能源与冶金技术领域。本发明的工艺步骤为：将炉料铁矿石、白云石、石灰和还原煤破碎，按比例混合均匀，从炉顶给料口加入到熔融还原炉内，喷枪的中心氮管插入到熔池的渣层中，喷出氮气对渣层进行搅动，而喷枪的氧气夹套则高于熔渣，待反应一个周期后，将冶炼出的高温铁水和炉渣分别由出铁口和出渣口放出。本发明的方法原料不需要预先处理，省去了炼焦工序，且减少了环境污染；各种级别的煤均能作为燃料，炉内的氧化性气氛很强，对脱磷非常有利；建设投资成本低，可短时间回收投资成本。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种在熔融状态下直接利用煤粉还原铁矿石生产铁水的方法，属于能源与冶金技术领域。
二、技术背景
钢铁是我国经济发展和社会建设的基础材料，与人们生活息息相关的衣、食、住、行都有钢铁的存在；其已被广泛地应用于各种领域，直接为其它行业的发展提供基础材料，故在一定意义上说，一个国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经济发达的程度。钢铁材料的生产是集化工、冶金、自动控制技术于一体、复杂的系统工程。现在，国际上炼铁生产主要采用的是传统的高炉炼铁系统(包括焦化、烧结、高炉)，尽管高炉炼铁技术经过几百年的应用与发展，已具有技术完善、产量大、作业率高、设备寿命长等优点，但由于其工艺流程长、投资大、对环境污染严重、操作灵活性差、对入炉原料选择性差，尤其在当今世界各种资源日益匮乏，在量与质上很难满足高炉炼铁的要求，特别是炼焦煤的短缺，阻碍了高炉炼铁的进一步发展。据统计，生产一吨生铁需要含Fe＝58.08％铁矿石1914.02Kg、同时产生炉渣568.84Kg、烟气2485.98Kg，其中污染物占了73％以上，可见，高炉炼铁生产是一个典型的高能耗、高污染的行业，会对环境造成巨大的污染。19世纪末以来，越来越严格的环保要求及日益缺少的冶金焦严重地制约着高炉的发展，为了满足环保要求同时能开发出不使用焦炭的炼铁新工艺，世界上各国纷纷开展新的炼铁方法，其中铁矿熔融还原工艺最成功、最受关注，被誉为“21世纪冶金工业中的前沿技术之一”。它的开发是对传统的焦炉-烧结(球团)-高炉炼铁工艺的根本变革，由于其有高炉无法比拟的优势，从80年代末起，瑞典、德国、日本、韩国、美国、前苏联、澳大利亚等国家都开发熔融还原炼铁工艺，在较长的时间内进行了大量的工作，从基础理论、实验室试验到半工业性试验研究都取得了许多成果，积累了丰富的经验和试验数据，推进了熔融还原技术的发展。
熔融还原炼铁是以非焦煤作为主要的能源，使用块矿、球团矿或者直接使用铁矿粉等原料，在高温熔融状态下用碳把铁氧化物还原，渣铁能完全分离，生产出液态铁水的冶炼方法。目前世界上的熔融还原炼铁技术主要有COREX、FINEX、HISMELT、DIOS、ROMELT、CCF等，但大多数都处于研发阶段，只有COREX工艺是唯一成熟并实现了工业化生产的熔融还原炼铁技术。我国是世界上煤炭和铁矿石资源丰富的国家之一，储量都居世界前列，但高炉所需要的冶金焦和高品位的铁矿石占有量却很少，不能满足我国炼铁工业高速发展的要求，致使我国每年要从国外进口数亿吨的原料，最近，国际上焦炭和铁矿石的价格一路攀升，造成我国的钢铁生产成本不断升高，从而企业的市场竞争力下降。
为了使我国的钢铁工业更好地发展，解决现有的传统高炉炼铁技术能耗高、污染大、热效率低的问题，就必须使现在的冶炼技术从根本上发生变革，才能使钢铁工业更好地向前发展。国际上流行的熔融还原炼铁技术能很好地解决这一问题且有希望在较短的时间内取得突破，而且利用粉矿进行直接还原非常适合我国钢铁工业的发展现状。
氧气顶吹熔融还原技术可以使反应过程大大强化，反应速度加快，反应温度更高，化学反应可以很快达到平衡，熔融的铁氧化物可以被熔池中溶解的碳素迅速还原；二次燃烧率也较高，能较好地为精矿在熔融过程中提供反应热，无需其他辅助加热设备，可以极大的降低能耗。
如果能发明一种氧气顶吹熔融还原炼铁技术来代替传统高炉生产铁水的方法，不仅能有效的利用在反应过程中产生的热量，而且明显具有环境污染少、原料充足和生产成本低的优势，这也将会是我国钢铁行业可持续发展的一条高效途径。
三、发明内容
1、本发明的目的
本发明的目的是提供一种氧气顶吹熔融还原炼铁制取铁水的方法，它直接利用还原煤还原熔融的铁矿石生产铁水，省去了炼焦工序，减少了环境污染，具有良好的环保效益。
2、本发明的技术方案
本发明的工艺步骤是：将炉料铁矿石、白云石、石灰和还原煤破碎，按比例混合均匀，从炉顶给料口加入到熔融还原炉内，喷枪的中心氮管插入到熔池的渣层中，喷出氮气对渣层进行搅动，，而喷枪的氧气夹套则高于熔渣，待反应一个周期后，将冶炼出的高温铁水和炉渣分别由出铁口和出渣口放出。
本发明上述工艺步骤中的具体工艺参数为：(1)炉料破碎的粒度为2mm～25mm；(2)氮气的喷入压力为0.1MPa～1MPa；(3)氧气夹套与熔渣的距离为220mm～500mm；(4)还原炼铁的一个反应周期为10小时～15小时；(5)反应的炉温保持在1550℃～1750℃。
在本发明的反应开始时，应先向炉内加入炉料煤粉，同时还由夹套式喷枪喷入助燃柴油，加入量为120L/h，从而可以起到加强燃烧，提高炉内的温度的作用。
为了节能，并进一步减少烟气中的污染，应将反应产生的烟气引入余热锅炉，获得的蒸汽送到汽轮发电机发电，烟尘经过收尘、洗涤后排空。
本发明的熔炼过程如下：
将炉料从炉顶给料口加入到熔融还原炉内，在反应开始时，向炉内加入一些煤粉，同时由喷枪喷入柴油，加强燃烧，提高炉内的温度。水冷喷枪从炉顶中心插入炉内，喷枪头部浸没在熔池的熔渣层内，氧气夹套则与熔渣保持距离，从插入到渣层中的中心氮管在一定压力下喷出氮气对渣层进行剧烈搅动，使熔池上下翻动，加强传热效果；从停留在熔池上部的氧气夹套中吹出富氧，与熔池里逸出的CO、H2进行二次燃烧，释放出热能并在强烈的渣铁喷溅搅动中完成热传递，熔化喷入的固体炉料。渣层以上的区域主要是氧化区，为整个工艺反应的进行提供热量，主要反应：
2C+O2→2CO
CO+O2→CO2
2H2+O2→2H2O
从炉顶下落的物料在下落过程中不断地被预热，也将部分热量带入到处于高温状态下并剧烈搅动中的熔池内，迅速熔化并进行强烈的物理化学反应，熔融状态下的铁矿石更容易溶解碳素，发生还原反应，生成[Fe]和CO，主要反应：
C→[C]
3[C]+Fe2O3→3CO+2[Fe]
产生的气体从渣层中逸出，也会引起熔池的扰动；熔池的剧烈扰动增大了炉渣层和铁矿石与渣层上方高温区域的接触，强化了铁矿石还原动力学和热力学的条件。生成的铁水由于自身的重力且比渣的密度大迅速沉降到铁水熔池内，厚厚的高温渣覆盖在铁水熔池的上部，从而使还原出的铁水避免了再次被氧化的可能，同时也对熔池起到了保温作用。待反应一个周期后，将冶炼出的高温铁水和炉渣分别由出铁口和出渣口放出。
3、本发明的有益效果
采用氧气顶吹熔融还原技术生产铁水具有以下优点：
1)氧气顶吹熔融还原炉结构简单，占地面积小，流程短，原料不需要预先处理，因而省去了炼焦和烧结(或造球)工序，污染物排放少，建设周期短可以在短时间内回收投资成本；
2)原料适应性强，还原煤和铁矿石只需经过简单的破碎处理就可以直接入炉冶炼，不需要经过焦化和烧结处理，因此，不需要建焦炉、化工设施和烧结工序等，减少了污染物的排放，实现了钢铁厂的清洁生产，同时也减少了企业基建投资。
3)炉内的氧化性气氛很强，对脱磷非常有利，因而炉渣有良好的脱磷效果，非常适合冶炼高磷铁矿，从而将充分利用我国丰富的高磷铁矿原料，为炼铁工艺开辟了更广阔的原料来源，对实现我国钢铁工业的健康、可持续发展有重要的意义。
4)各种级别的煤均能作为燃料，不再必须使用炼焦煤和焦炭；由于我国煤炭资源丰富，为炼铁提供了更多的燃料，而且大大降低了生产成本；另一方面，从根本上解决了我国焦炭资源的不足对钢铁工业发展阻碍的问题。
5)整个炉内反应过程中的温度主要是通过喷枪位置、喷枪喷出氧气的含量、氧气的喷入分布状况来调节的，操作比较简单灵活、维修费用低。
6)工艺操作安全、对环境友好。工艺在微负压下生产，设备简单，缩短了生产流程，因此，污染物排放降低。
7)能生产出与传统高炉相媲美的铁水，尤其使用含磷高的铁矿石也能生产出磷含量满足炼钢要求的铁水。
四、附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
五、具体实施方式
实施例1
将铁矿石(主要化学成分/％：TFe＝58.08，CaO＝1.46，MgO＝1.97，SiO2＝8.02，S＝0.23，P＝0.17)破碎到2-25mm，将熔剂和无烟煤(主要化学成分/％：挥发份(VM)＝6.86，固定碳(FC)＝80.63，灰分含量＝11.61、分析水＝0.81)破碎到2-25mm，然后配料计算所得的数据充分混合均匀后从炉顶给料口加入到熔融还原炉内，正常生产时炉子温度维持在1550℃～1750℃，氮气的喷吹压力维持在0.2～1MPa，反应一个周期(3小时)后得到含P<0.015％的优质铁水，由于在反应过程中，只能脱去20％左右的S，因此，铁水进入下一工序前要经过脱硫处理，送至炼钢车间。
实施例2
将铁矿石(主要化学成分/％：TFe＝51.5，CaO＝2.25，MgO＝3.13，SiO2＝12.5，S＝0.2，P＝0.15)破碎到2-25mm，将熔剂和瘦煤(主要化学成分/％：挥发份(VM)＝13.42，固定碳(FC)＝76.07，灰分含量＝10.21、分析水＝2)破碎到2-25mm，然后配料计算所得的数据充分混合均匀后从炉顶给料口加入到熔融还原炉内，正常生产时炉子温度维持在1550℃～1750℃，氮气的喷吹压力维持在0.2～1MPa，反应一个周期(3小时)后得到含P<0.013％的优质铁水，由于在反应过程中，只能脱去20％左右的S，因此，铁水进入下一工序前要经过脱硫处理，送至炼钢车间。
实施例3
将铁矿石(主要化学成分/％：TFe＝57.79，CaO＝2.53，MgO＝2.07，SiO2＝9.72，S＝0.25，P＝0.08)破碎到2-25mm，将熔剂和还原煤(主要化学成分/％：挥发份(VM)＝7.06，固定碳(FC)＝82.03，灰分含量＝10.06、分析水＝1.71)破碎到2-25mm，然后配料计算所得的数据充分混合均匀后从炉顶给料口加入到熔融还原炉内，正常生产时炉子温度维持在1550℃～1750℃，氮气的喷吹压力维持在0.2～1MPa，反应一个周期(3小时)后得到含P<0.015％的优质铁水，由于在反应过程中，只能脱去20％左右的S，因此，铁水进入下一工序前要经过脱硫处理，送至炼钢车间。
Claims (4)
1、氧气顶吹熔融还原炼铁制取铁水的方法，其特征是工艺步骤为：将炉料铁矿石、白云石、石灰和还原煤破碎，按比例混合均匀，从炉顶给料口加入到熔融还原炉内，喷枪的中心氮管插入到熔池的渣层中，喷出氮气对渣层进行搅动，，而喷枪的氧气夹套则高于熔渣，待反应一个周期后，将冶炼出的高温铁水和炉渣分别由出铁口和出渣口放出。
2、根据权利要求1所述的氧气顶吹熔融还原炼铁制取铁水的方法，其特征是：(1)炉料破碎的粒度为2mm～25mm；(2)氮气的喷入压力为0.1MPa～1MPa；(3)氧气夹套与熔渣的距离为250mm～500mm；(4)还原炼铁的一个反应周期为10小时～15小时；(5)反应的炉温保持在1550℃～1750℃。
3、根据权利要求2所述的氧气顶吹熔融还原炼铁制取铁水的方法，其特征是：在反应开始时，先向炉内加入炉料煤粉，同时还由夹套式喷枪喷入助燃柴油，加入量为120L/h。
4、根据权利要求3所述的氧气顶吹熔融还原炼铁制取铁水的方法，其特征是：将反应产生的烟气引入余热锅炉，获得的蒸汽送到汽轮发电机发电，烟尘经过收尘、洗涤后排空。
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| CN103537480A (zh) * | 2013-10-31 | 2014-01-29 | 昆明理工大学 | 一种铜渣熔融还原后低碳化综合利用方法 |
| CN104327885A (zh) * | 2014-10-10 | 2015-02-04 | 昆明理工大学 | 一种应用于冶金火法冶炼过程中的地沟油混合油燃料还原剂 |
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2009
- 2009-03-27 CN CN200910094268A patent/CN101519705A/zh active Pending
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