CN101857910B - 一种富氧顶吹熔融还原冶炼高钛铁矿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在富氧顶吹的条件下，用高钛铁矿作原料、煤粉作还原剂、石灰石白云石作熔剂生产铁水和高钛渣，属于能源与冶金技术领域。工艺步骤为：将高钛铁矿、白云石、石灰石和煤粉破碎，按照工艺参数配比混匀、预热，再由经处理的高热值的气体作载气从炉侧喷吹炉料进入熔融还原炉，在富氧顶吹的条件下冶炼，其产品铁水和高钛渣则定期分别由出铁口和排渣口放出。本发明凭借炉内的强氧化性气氛和钛氧亲和力高的特点，处理在高炉难以冶炼的高钛铁矿。本工艺对原料要求简单，建设成本低，对高温炉气循环利用，达到零排放的标准，更加节能减排。此工艺发明将有利于开发我国大量储存的钛铁矿资源，同时对我国钛工业的发展也有很大的促进作用。

Description

一种富氧顶吹熔融还原冶炼高钛铁矿的方法

技术领域

本发明涉及一种在富氧顶吹熔融还原条件下利用普通煤粉作还原剂冶炼高钛铁矿的方法，同时利用高温炉气预热富氧和炉料，压缩经处理的高热值尾气作载气喷吹炉料进入熔融还原炉，从而能更高效利用熔融还原炉产生的高温炉气，属于能源与冶金技术领域。

背景技术

当今，中国经济高速发展，现代化建设对钢铁的需求依然呈刚性状态。在年年压缩产量的压力下，国内的年钢产量依然快速增长，淘汰落后产能依然困难重重。高炉炼铁经过几百年的发展成为世界的主流工艺，然而其工艺流程长、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，特别是焦煤资源的短缺和高炉系统的高能耗，阻碍了高炉炼铁的进一步发展。如今，非高炉炼铁技术迅猛发展，COREX是唯一得以工业化的一项工艺，其它技术也逐渐日趋成熟。

在我国铁矿储量中，贫铁矿占总储量的98.1％。高炉对铁矿的要求也比较高，使得我国诸多贫铁矿不能用于正常冶炼。然而当今国际铁矿石价格一路攀升，特别是2010年中钢协与三大矿山谈判失败，使得我国钢铁企业的生存更加困难。

当今世界，低碳经济已经不只是口号，它需要世界各国共同努力来节约资源和保护地球生态环境。我国的节能减排工作在“十一五”前四年取得重要进展，全国单位国内生产总值能耗累计下降14.38％，但与“十一五”降低20％左右的目标仍有较大差距，特别是去年三季度以来，高耗能、高排放行业快速增长，一些淘汰的落后产能死灰复燃，能耗强度下降趋势减缓甚至由降转升，节能减排形势十分严峻。

所以，采用新冶炼技术开发我国现有的大量贫铁矿迫在眉睫，我国攀西地区储藏有几十亿吨的钒钛磁铁矿，另外云南地区也储藏有大量的高钛铁矿，这些铁矿在现有的高炉技术下，难以正常冶炼。采用富氧顶吹熔融还原技术冶炼已经被试验验证具有较好的效果。利用熔融还原炉内的强氧化性气氛和钛氧亲和力高的特点使得钛在炉渣中富集，从而达到理想冶炼效果。

发明内容

本发明高效利用高温炉气的冶炼新技术在上述环境下应运而生，用于解决高炉炼铁技术能耗高、污染大、热效率低以及我国大储量贫铁矿在高炉难以冶炼的问题。此工艺对原料要求简单，不需炼焦、烧结造球等工序，而且投资建设、操作成本低，对环境影响较小。在高温炉气利用方面更是臻于低能耗零排放的标准。

本发明的目的是采用富氧顶吹熔融还原高钛铁矿，同时高效利用高温炉气预热富氧和入炉炉料，然后对炉气进行除尘和余热回收发电，再通过尾气处理除去其中CO₂，利用高热值的气体作载气，经气体压缩机将预热炉料喷吹进入熔融还原炉，在炉内进一步加强搅拌，改善反应动力学条件。本工艺发明不但可以充分利用高温炉气，而且可以直接利用普通煤粉还原高钛铁矿。冶炼过程中钛被氧化性气氛富集到渣中，从而收得高钛渣和低钛铁水。

为实现本发明富氧顶吹熔融还原冶炼高钛铁矿的方法的目的，采用以下技术方案：含有以下工艺步骤：将炉料高钛铁矿、白云石、石灰和还原煤破碎，按照碱度R的范围为1.0～1.5、内配碳比C/O的范围为0.9～1.3的工艺参数配比混匀、预热，将经处理的高热值尾气作载气，从炉侧喷吹炉料进入熔融还原炉，在富氧顶吹的条件下冶炼生产铁水和高钛渣，其产品铁水和高钛渣则定期分别由出铁口和排渣口放出，并利用熔融还原炉产生的高温烟气对富氧和入炉炉料进行预热，然后用除尘器除尘，利用热交换器进行余热回收发电，最后通过尾气处理出去CO₂，经气体压缩机压缩作喷吹载气。

所述炉料粒度≤30mm。

碱度R的表达式为：

$R=\frac{\mathrm{CaO}(\%)+\mathrm{MgO}(\%)+\mathrm{\δTiO}(\%)}{\mathrm{Si}{O}_2(\%)+{\mathrm{Al}}_2{O}_3(\%)+\mathrm{\αTi}{O}_2(\%)}$

δ-相当CaO的碱性；α-相当SiO₂的酸性；R范围为1.0～1.5。

还原煤的加入量为m(coal)：

$m\left(\mathrm{coal}\right)=k\·\frac{(C/O)\×m\left(\mathrm{ore}\right)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left(\mathrm{ore}\right)\×\frac{16}{72}+[\mathrm{TFe}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left(\mathrm{ore}\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}/16}{{\mathrm{\ω}}_C\left(\mathrm{coal}\right)/12}$

m(x)-x物质的质量；ω_y(z)-z中y的质量分数；k-针对熔融还原炉传热不同而产生的系数，煤粉在熔融还原炉中作还原剂，同时也为发热剂；C/O范围为0.9～1.3。

熔融还原炉温控制在1450～1600℃，其富氧顶吹的氧枪、热交换器、除尘器、气体压缩机等型号与熔融还原炉型号相匹配。

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，按照工艺参数配比混匀、预热，由炉侧喷吹进入熔融还原炉内。富氧顶吹在熔融还原炉内上方形成强氧化性驱使钛形成二氧化钛稳定存在于炉渣中。铁水和炉渣分别由出铁口和排渣口放出。利用熔融还原炉的高温炉气预热富氧和入炉炉料，然后经过除尘、余热回收，然后经尾气处理除去CO₂，再利用高热值气体作为载气喷吹炉料进入熔融还原炉，在炉内形成较强的扰动，改善了反应动力学条件。

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≤30mm；(2)碱度R的范围为：1.0～1.5；(3)内配碳比C/O的范围为：0.9～1.3；(4)反应炉温控制在1450℃～1600℃；(4)富氧的浓度、压力和喷吹炉料的速度视熔融还原炉的型号而定。

本发明的工艺流程如下：

在熔融还原炉热启动之后，将预热炉料由侧面喷吹进入熔融还原炉内，控制氧枪为合理高度，开始鼓吹富氧。在富氧的助燃下，煤粉供热熔化炉料同时还原钛铁矿。在熔融还原炉中，渣层下方为还原区，在此区域煤粉还原钛铁矿，在渣层上方为顶吹富氧造成的氧化区，在富氧的助燃下炉腔内可燃气体二次燃烧，以辐射和热传导的方式传送给熔融还原炉下部的渣层和铁浴，维持反应温度。

在整个反应过程中，煤粉中的C不仅作为还原剂，同时也作为发热剂。其中提供热量的反应主要有：

2C+O₂＝2CO

CO+O₂＝CO₂

2H₂+O₂＝2H₂O

高钛铁矿在高温下熔化并被还原，在下部还原区中钛铁矿被还原的反应主要有：

FeTiO₃+C＝Fe+TiO₂+CO

FeTiO₃+3C＝Ti+Fe+3CO

FeTiO₃+CO＝Fe+CO₂+TiO₂

上述反应中有部分Ti被还原，但由于Ti和O的较强亲和力，在强氧化性气氛的驱动下，钛又被氧化成钛氧化物稳定存在于渣层中，主要反应有：

Ti+O₂＝TiO₂

Ti+O＝TiO

TiO+O＝TiO₂

Ti+FeO＝TiO+Fe

TiO+FeO＝TiO₂+Fe

另外，在反应过程中，炉料入炉进行的喷吹和渣层中CO等气体的产生将会引起熔池强烈扰动，增大渣铁接触面积以及加强二次燃烧热传导，大大改善熔融还原炉内的反应动力学条件。还原得出的铁水在熔池底部，钛则富集在渣中，定期放铁水、扒渣。

利用熔融还原炉排出的高温炉气预热富氧和入炉炉料，然后对炉气进行除尘和余热回收发电，再通过尾气处理除去其中CO₂，利用高热值气体作为载气，通过气体压缩机喷吹预热炉料进入熔融还原炉，在炉内形成强烈扰动效果，改善了反应动力学条件。

本发明的有益效果：

采用富氧顶吹熔融还原技术冶炼高钛铁矿具有以下优点：

1)此技术用于解决高炉炼铁技术能耗高、污染大、热效率低以及我国大储量贫铁矿在高炉难以冶炼的问题，而且此工艺工序简单，不需炼焦、烧结造球等工序，污染少，成本低。直接利用普通煤粉、粉矿即可，更加节能

2)利用钛氧亲和力高的特点，顶吹的富氧驱动钛在渣中富集，从而产得低钛铁水和高钛渣。

3)利用熔融还原炉的高温炉气预热富氧和入炉炉料，然后经过除尘、余热回收，然后通过尾气处理除去其中CO₂，再利用高热值气体作为载气，经气体压缩机喷吹炉料由炉侧进入熔融还原炉，在炉内形成较强的搅拌，改善炉内反应动力学条件。此举能更充分地利用高温炉气，在节能减排方面臻于完美。

4)此工艺发明将有利于开发我国大量储存的钛铁矿资源，对我国钛工业的发展也有很大的促进作用。同时可以使得我国钢铁企业摆脱对世界三大矿山的依赖和国际铁矿价格的一路追涨。

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

本发明所述的富氧顶吹熔融还原冶炼高钛铁矿的方法的碱度表达式为：

$R=\frac{\mathrm{CaO}(\%)+\mathrm{MgO}(\%)+\mathrm{\δTiO}(\%)}{\mathrm{Si}{O}_2(\%)+{\mathrm{Al}}_2{O}_3(\%)+\mathrm{\αTi}{O}_2(\%)}$

δ-相当CaO的碱性；

α-相当SiO₂的酸性；

R范围为1.0～1.5。

还原煤的加入量为m(coal)：

$m\left(\mathrm{coal}\right)=k\·\frac{(C/O)\×m\left(\mathrm{ore}\right)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left(\mathrm{ore}\right)\×\frac{16}{72}+[\mathrm{TFe}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left(\mathrm{ore}\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}/16}{{\mathrm{\ω}}_C\left(\mathrm{coal}\right)/12}$

m(x)-x物质的质量；

ω_y(z)-z中y的质量分数；

k-针对熔融还原炉传热不同而产生的系数，煤粉在熔融还原炉中作还原剂，同时也为发热剂。

C/O范围为0.9～1.3。

熔融还原炉温控制在1450～1600℃，其富氧顶吹的氧枪、热交换器、除尘器、气体压缩机等型号与熔融还原炉型号相匹配。

实施例1

将勐桥铁矿(TFe＝60.06％，FeO(％)＝28.22，SiO₂(％)＝2.96，Al₂O₃(％)＝3.98，MgO(％)＝2.44，CaO(％)＝0.58，TiO₂(％)＝6.47，S(％)＝0.12，P(％)＝0.01)、熔剂和煤(C(％)＝76.43，灰分(％)＝15.29，挥发份(％)＝7.78，CaO(％)＝1.59，SiO₂(％)＝7.80，S(％)＝0.35，P(％)＝0.050)粉破碎(≤30mm)，按照碱度为1.1，配碳比C/O为1.1的工艺参数配比混匀，由炉侧喷吹进入熔融还原炉，炉温控制在1500℃，在富氧顶吹的条件下得出的铁水结果：铁的回收率达到92.5％左右，生铁中钛含量为0.043％，磷含量为0.019％，硫含量偏高0.30％，所以在铁水出炉后需要对其进行炉外脱硫，在送至炼钢车间。富氧和炉料预热器、除尘器和气体压缩机等的型号与熔融还原炉型号相匹配。

实施例2

上述原料相同，按照碱度为1.3，配碳比C/O为1.1的工艺参数配比混匀，由炉侧喷吹进入熔融还原炉，炉温控制在1550℃，在富氧顶吹的条件下得出的铁水结果：铁的回收率达到94.5％左右，生铁中钛含量为0.038％，磷含量为0.016％，硫含量偏高0.26％，所以在铁水出炉后仍然需要对其进行炉外脱硫，在送至炼钢车间。

Claims (3)

1.一种富氧顶吹熔融还原冶炼高钛铁矿的方法，其特征在于含有以下工艺步骤：将炉料高钛铁矿、白云石、石灰和还原煤破碎，按照碱度R的范围为1.0～1.5、内配碳比C/O的范围为0.9～1.3的工艺参数配比混匀、预热，将经处理的高热值尾气作载气，从炉侧喷吹炉料进入熔融还原炉，在富氧顶吹的条件下冶炼生产铁水和高钛渣，其产品铁水和高钛渣则定期分别由出铁口和排渣口放出，并利用熔融还原炉产生的高温烟气对富氧和入炉炉料进行预热，然后用除尘器除尘，利用热交换器进行余热回收发电，最后通过尾气处理出去CO₂，经气体压缩机压缩作喷吹载气；

碱度R的表达式为：

$R=\frac{\mathrm{CaO}(\%)+\mathrm{MgO}(\%)+\mathrm{\δTiO}(\%)}{{\mathrm{SiO}}_2(\%)+{\mathrm{Al}}_2{O}_3(\%)+{\mathrm{\αTiO}}_2(\%)}$

δ-相当CaO的碱性；α-相当SiO₂的酸性；R范围为1.0～1.5；

还原煤的加入量为m(coal)：

$m\left(\mathrm{coal}\right)=k\·\frac{(C/O)\×m\left(\mathrm{ore}\right)\×\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left(\mathrm{ore}\right)\×\frac{16}{72}+[{\mathrm{TFe}-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{FeO}}\left(\mathrm{ore}\right)\×\frac{56}{72}]\×\frac{48}{112}\}/16}{{\mathrm{\ω}}_C\left(\mathrm{coal}\right)/12}$

m(x)-x物质的质量；ω_y(z)-z中y的质量分数；k-针对熔融还原炉传热不同而产生的系数，煤粉在熔融还原炉中作还原剂，同时也为发热剂；C/O范围为0.9～1.3。

2.根据权利要求1所述的富氧顶吹熔融还原冶炼高钛铁矿的方法，其特征是：所述炉料粒度≤30mm。

3.根据权利要求1或2所述的富氧顶吹熔融还原冶炼高钛铁矿的方法，其特征是：熔融还原炉温控制在1450～1600℃，其富氧顶吹的氧枪、热交换器、除尘器、气体压缩机型号与熔融还原炉型号相匹配。

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