CN103154281A - 含有碳化铁的粉末还原铁及其制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种含有碳化铁的粉末还原铁及其制造方法。本发明的含有碳化铁的粉末还原铁在还原炉中还原难还原性极细粉矿之后在碳化炉中通过碳化反应在表面上形成碳化铁，由此含有20重量％至30重量％的碳化铁。本发明的含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置在碳化炉和还原炉中选择性使用包括在还原气内的硫化气，从而能够有效地还原及碳化粉末铁矿石。适用本发明的含有碳化铁的粉末还原铁能够增加粉末还原铁内的碳含量，从而能够提高熔融性，而且能够降低还原及熔融速度的提高所致的燃料费。

Description

含有碳化铁的粉末还原铁及其制造装置
技术领域
本发明涉及一种粉末还原铁及其制造装置，更为详细地涉及一种含有碳化铁的粉末还原铁及其制造装置。
背景技术
在通过多级流化床型还原炉和熔融炉(熔融气化炉)制造铁水的工序中，为了确保在流化炉内的还原气及炉料的流动性并为了增加粉末铁矿石的还原率，在流化炉的作业中调整工序条件。
另外，当用于还原的矿石为难还原性极细粉末时，即，随着难还原性极细粉末磁铁矿的使用量的增多，在目前的作业条件下还原率可能会下降。如此的粉末还原铁的还原率的下降会减少在流化炉中的气体使用率，而且会增加熔融炉的负担，从而会带来燃料费的增加。
为了解决这种问题，可以考虑提高装入熔融炉中的结块还原铁(HCI)的直接还原速度和熔融速度的方法。为此可在熔融炉中装填含有碳材料的颗粒(pellet)，然而当在粉末还原铁中增碳即添加碳材料而制造结块还原铁时，在压缩铁制造装置中的压制(compacting)效果很差，从而在制造对熔融炉作业适合的压缩铁有些难度。
为了解决这一问题，可以考虑在流化炉中增加还原铁本身的碳含量的方法，然而当简单地使用渗碳(carburization)反应时，就还原铁内的金属铁(Fe)能够含有的碳含量而言，铁素体类为0.02重量％，奥氏体类为2重量％，因此局限性很大，效果不佳。
若在粉末还原铁的内部能够形成如渗碳体(cementite，Fe3C)等碳化铁(iron carbide)，则由于能够含有6.67重量％以上的碳，因此可作为增碳方法有效，而且能够解决由于增碳导致的压缩铁制造装置的压制(compacting)效果差的问题。
发明内容
技术问题
本发明是为了解决所述的问题而提出的，其目的是提供一种含有碳化铁的还原铁及其制造装置，该含有碳化铁的还原铁为将粉末铁矿石还原后使之进行碳化反应，从而在表面上形成有碳化铁。
技术方案
为了达到所述目的，本发明的优选实施例的含有碳化铁的粉末还原铁的特征在于，预热粉末铁矿石后，通过至少一个还原炉进行还原，并且在碳化炉中对还原的所述粉末铁矿石进行而制造，而且所述含有碳化铁的粉末还原铁中的碳化铁含量为20重量％至34重量％。
所述含有碳化铁的粉末还原铁的特征在于，在其表层部形成有还原的金属铁(Fe)及碳化铁。
根据本发明的另一优选实施例的含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置包括：加热炉，用于预热粉末铁矿石；至少一个还原炉，用于还原预热的所述粉末铁矿石；及碳化炉，用于通过从外部供给的含有硫化氢的还原气对还原的所述粉末铁矿石进行碳化。
所述含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置还包括：硫化氢去除器，用于从由所述碳化炉排出的还原气中去除硫化氢。
所述含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置还包括：加热装置，用于向所述至少一个还原炉供给去除了硫化氢的所述还原气之前加热所述还原气。
根据本发明的另一优选实施例的铁水制造装置包括：加热炉，用于预热粉末铁矿石；至少一个还原炉，用于还原预热的所述粉末铁矿石；碳化炉，用于通过从外部供给的含有硫化氢的还原气对还原的所述粉末铁矿石进行碳化；压缩铁制造装置，用于使所述含有碳化铁的粉末还原铁结块；及熔融炉，装入结块的所述含有碳化铁的粉末还原铁并吹入氧气而制造铁水。
所述铁水制造装置还包括：混合器，用于向所述压缩铁制造装置中装入所述含有碳化铁的粉末还原铁之前将所述含有碳化铁的粉末还原铁与生石灰混合。
所述铁水制造装置还包括：硫化氢去除器，用于从由所述碳化炉排出的还原气中去除硫化氢。
而且，铁水制造装置还包括：加热装置，用于向所述至少一个还原炉供给去除了硫化氢的所述还原气之前加热所述还原气。
有益效果
如上所述的本发明的含有碳化铁的粉末还原铁及其制造装置具有如下的效果。
通过化学增碳使得在粉末还原铁中含有碳化铁，从而能够容易通过压缩体铁制造装置使粉末还原铁结块。
通过在熔融炉中装入含有碳化铁的压缩铁，大大降低熔融温度，从而能够降低燃料费及二氧化碳的排出量。
通过上述方案，可使用难还原性的低品位矿(ore)，从而能够确保铁水的生产成本竞争力。
附图说明
图1是示意地表示本发明的含有碳化铁的粉末还原铁的剖面的图。
图2是示意地表示本发明的含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置及包括该装置的铁水制造装置的作业工序的图。
具体实施方式
参照下面的结合附图详细描述的实施例能够清楚地理解本发明的优点和特征以及实现该优点和特征的方法。但本发明并不局限于下面公开的实施例，可通过不同的多种形态实现。本实施例只是为了完整地公开本发明，并向本发明所属技术领域中具有一般知识的人完整地告知发明范围而提供的，本发明只由权利要求的范畴而定义。在整个说明书中相同的附图标记表示相同的结构要素。
下面，参照附图说明本发明的优选实施例的含有碳化铁的粉末还原铁及其制造装置。需要说明的是，在本发明的说明中，对于认为对相关的公知功能或结构的具体说明可能会导致本发明要点不清楚的部分，省略了详细说明。
图1是示意地表示本发明的含有碳化铁的粉末还原铁的剖面的图。
如图1所示，根据本发明的含有碳化铁的粉末还原铁的内部具有未还原的铁氧化物(iron oxide)，而且在表面部具有金属铁(Fe)和碳化铁(ironcarbide)。
所述表面部的金属铁是随着粉末铁矿石在还原炉中还原而形成的，碳化铁是还原的金属铁通过碳化反应而形成的。
根据本发明的优选实施例的含有碳化铁的粉末还原铁的特征在于，预热粉末铁矿石后，通过至少一个还原炉进行还原，而且在碳化炉中碳化还原的所述粉末铁矿石而制造，而且碳化铁的含量为20重量％至35重量％。
根据本发明的粉末铁矿石的还原率可为50％至60％。
所述还原率定义为，还原率＝(1-2/3×X)×100，其中X是氧化铁的原子比(O/Fe)。例如，Fe2O3由于O/Fe＝3/2，因此还原率为0，FeO由于O/Fe＝1，因此还原率为33％。
当所述粉末铁矿石的还原率为50％时，由于X＝3/4＝O/Fe，因此Fe∶FeO的比率成为1∶3，当以重量％换算时，比率大约为1∶3.86，由此Fe的量为20.5％。
而且，当粉末铁矿石的还原率为60％时，由于X＝3/5即Fe∶FeO的比率为2∶3，当以重量％表示时大约为1∶1.93，因此Fe的比率为34.1％。
于是，当考虑作业误差时，在还原率为50％至60％的粉末还原铁(直接还原铁)中可形成的碳化铁的比率可为20重量％至35重量％。
而且，所述含有碳化铁的粉末还原铁的特征在于，在表层部形成有还原的金属铁(Fe)及碳化铁(iron carbide)。
所述粉末铁矿石可使用普通品味的矿石，可优选使用难还原性的极细粉末磁铁矿石或赤铁矿石。
更为详细地，所述粉末铁矿石可为低级矿、组织致密、粒度范围为10μm～100μm的粉末赤铁矿或粉末磁铁矿。
所述粉末铁矿石可预热至规定的温度，使得在还原炉中能够容易产生还原反应。可将如此通过加热而预热的粉末铁矿石装入至少一个流化床型还原炉中并通过还原气进行还原。
所述粉末铁矿石的预热可在还原反应的温度范围400℃～650℃中进行。
所述还原气可为包括一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)的气体。
在所述粉末铁矿石的还原中使用的还原炉可为流化床型还原炉或填充床型还原炉。
粉末铁矿石在所述还原炉中部分还原且其还原率可为50％至60％。还原率低的理由如下：当粉末铁矿石为难还原性极细粉末时，在表面部形成具有致密组织的金属铁(Fe)层，因此即使通过多个还原炉进行还原，由于在最终还原炉中的还原率的增加显著减少，因此还原率受到限制。
还原的粉末铁矿石装入碳化炉中，并通过包括硫化氢(H2S)的还原气进行碳化(carbidization)，由此在所述还原炉中还原而在表面形成有金属铁的粉末还原铁上形成碳化铁。
图2是示意地表示本发明的含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置及包括该装置的铁水制造装置的作业工序的图。
根据本发明的另一优选实施例的含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置包括：加热炉，用于预热粉末铁矿石；至少一个还原炉，用于还原预热的所述粉末铁矿石；及碳化炉，用于通过从外部供给的含有硫化氢的还原气对还原的所述粉末铁矿石进行碳化。
所述粉末铁矿石可使用普通品味的极细粉末矿，而且可优选使用低级矿、组织致密且粒度范围为10μm～100μm的粉末赤铁矿或粉末磁铁矿。
向还原炉中装入所述粉末铁矿石之前，在加热炉中以规定温度预热所述粉末铁矿石，从而促进在还原炉中的还原反应。这种加热炉可使用流化床型反应炉。
用于还原加热的所述粉末铁矿石的还原炉为了增加矿石的还原率且为了增加矿石的停留时间，可由一个以上的流化床型还原炉构成，可优选由三级流化炉构成。
当所述还原炉由多个还原炉构成时，可构成为当粉末铁矿石依次经过还原炉时增加还原炉的炉内温度。
当所述粉末铁矿石在多级还原炉中还原时，在还原炉内的粉末铁矿石的整体停留时间能够维持到大约100分钟。
在所述还原炉中还原的粉末还原铁可为，其表面由金属铁(Fe)构成，内部呈现为氧化铁(FeO)的形式，而且还原率可为大约50％至60％。
粉末铁矿石越为难还原性极细粉末，形成在还原铁表面的金属铁(Fe)层越具有致密的结构。
本发明能够有效地利用形成在难还原性极细粉末矿的表面非常致密的结构的金属铁(Fe)层。即，由于金属铁层具有致密的结构，因此氧气在金属铁(Fe)内的扩散迟钝，所以降低在金属铁内的氧浓度，而且分解在还原气中的一氧化碳(CO)，从而碳在所述金属铁内扩散并且其浓度增加，从而通过一氧化碳实现金属铁的碳化。
而且，在碳化炉中装入还原的所述粉末还原铁，而且在所述碳化炉中通过包括硫化氢(H2S)的还原气进行碳化反应，从而在所述粉末还原铁的表面上可形成渗碳体(Fe3C)、黑格碳化铁(hagg iron carbide，Fe5C2)等的碳化铁(iron carbide)。
由于还原气内具有氢气，因此在所述碳化炉内的粉末还原铁的碳化反应通过如以下反应式(1)的平衡反应而进行。
CO(g)+H2(g)＝C+H2O(g)…(1)
活性度ac可表示为如以下公式(2)。
ac＝K(pCO)(pH2)/pH2O…(2)
其中K是所述反应式(1)的平衡常数。
所述碳化炉可由一个流化床型还原炉构成，而且粉末还原铁的停留时间可为大约40分钟。
包括在所述还原气内的硫化氢(H2S)不直接参与碳化反应式(1)。但是，在硫化氢中的硫为表面活性(surface-active)物质，具有能够容易吸附于直接还原铁(DRI)表面的特性。如此的硫的吸附能够抑制在碳化反应时在直接还原铁表面上由于碳活性度的增加而可能形成的石墨(graphite)，从而间接帮助稳定地形成碳化铁。因此可通过调节碳化炉内硫的浓度而抑制积碳(carbon deposition)和碳化物的分解(carbide decomposition)等。
在所述碳化炉中，通过碳化反应粉末还原铁中的部分金属铁(Fe)层改变为碳化铁(iron carbide)，最终能够形成含有20重量％至30重量％的碳化铁的粉末还原铁。
在反应式(2)中，分子的次数为二次、分母的次数为一次。于是，在所述碳化炉内的压力越高，越能促进碳化铁的形成，因此在碳化炉内的压力优选设定为4bar～5bar左右。
所述含有碳化铁的粉末还原铁制造装置进一步包括：硫化氢去除器，用于去除从所述碳化炉中排出的还原气中的硫化氢(H2S)。
所述硫化氢去除器为了从包含硫化氢(H2S)的所述碳化炉的排气去除硫化氢，可填入粉状的生石灰。所述生石灰(CaO)可与硫化氢进行反应形成硫化钙(CaS)等。
之所以去除从所述碳化炉中排出并向所述还原炉中吹入的还原气中的硫化氢气体，是因为硫化氢在还原炉中降低粉末铁矿石的还原率。
通过所述生石灰去除了硫化氢的还原气能够维持低于10ppm的硫化氢。
所述含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置进一步包括：加热装置，用于向所述至少一个还原炉供给去除了硫化氢的所述还原气之前加热所述还原气。
在用于还原所述粉末铁矿石的还原炉和所述碳化炉中的还原气从所述碳化炉流向还原炉，因此在所述碳化炉和所述还原炉之间可设置有用于加热还原气的燃烧器等加热炉。
用于还原及碳化所述粉末铁矿石的还原气可通过还原气制造装置供给，优选地可利用在装入粉末还原铁的压缩铁(HCI)和碳材料后吹入氧气而能够制造铁水的熔融炉中通过煤炭(coal)燃烧而生成的气体。在这种熔融炉中通过煤炭(coal)燃烧而生成的气体可包括硫化氢(H2S)。
而且，在所述碳化炉中为了促进粉末还原铁的碳化反应，在所述碳化炉中可进一步吹入包括氢气(H2)、甲烷(CH4)等的液化天然气(LNG)。
在所述至少一个还原炉中用于粉末铁矿石的还原的还原气，在从还原炉中排出后可向用于预热所述粉末铁矿石的加热炉中吹入，而且吹入的还原气在矿石的预热中使用后，最终从加热炉中排出。
根据本发明的另一优选实施例的铁水制造装置包括：加热炉，用于预热粉末铁矿石；至少一个还原炉，用于还原预热的所述粉末铁矿石；碳化炉，用于通过从外部供给的含有硫化氢的还原气碳化还原的所述粉末铁矿石；压缩铁制造装置，用于使所述含有碳化铁的粉末还原铁结块；及熔融炉，装入经结块的所述含有碳化铁的粉末还原铁并吹入氧气而制造铁水。
所述铁水制造装置进一步包括：混合器，用于向所述压缩铁制造装置中装入所述含有碳化铁的粉末还原铁之前将所述粉末还原铁与生石灰混合。
而且，所述铁水制造装置进一步包括：硫化氢去除器，用于从由所述碳化炉排出的还原气中去除硫化氢。
如图2所示，在熔融炉中生成的还原气吹入碳化炉，而且从碳化炉中排出的还原气在吹入还原炉之前通过具有粉状生石灰的还原气去除器，从而去除还原气中的硫化氢，能够防止在还原炉中还原速度的变慢。
所述生石灰是在所述碳化炉中为了去除硫化氢气体而使用的生石灰，通过所述压缩铁制造装置与所述含有碳化铁的粉末还原铁结块。
所述含有碳化铁的粉末还原铁储存在压缩铁储存槽中，而且在压缩铁制造装置中结块并被装入熔融炉中。
本发明的含有碳化铁的粉末还原铁能够通过增加内部的碳含量以改善还原铁在熔融炉内的熔融性。
而且，能够增加在熔融炉内未还原的氧化铁和碳化铁(iron carbide)间的直接还原反应速度。
在粉末还原铁内的碳的浓度每增加1％，粉末还原铁的熔融温度能够下降约100℃，而且能够降低还原及熔融速度的提高所致的燃料费。
而且，碳和氧化铁形成得较微小，能够最大限度地提高熔融炉内的还原及熔融速度，因此能够具有内含碳材料的颗粒或含碳材料的块矿的优点，并且易于进行压缩铁的压制(compating)，能够解决由于增碳而引起的压制不良的问题。
上面参照附图说明了本发明的的实施例，但在本发明所属技术领域中具有一般知识的技术人员能够理解在不改变本发明的技术思想及必要技术特征的情况下也能以其他具体形式实施本发明。
因此，上述实施例在各方面均为示意性的说明，而不应理解为仅限于此。本发明的范围由权利要求书确定，而非由所述详细说明确定。本发明的范围应解释为包括由权利要求书的含义及范围以及其等同概念所能导出的全部变更或变形形态。

Claims (9)

1.一种含有碳化铁的粉末还原铁，其特征在于，
在预热粉末铁矿石后，通过至少一个还原炉进行还原，并在碳化炉中对还原的所述粉末铁矿石进行碳化而制造，所述含有碳化铁的粉末还原铁中的碳化铁的含量为20重量％至35重量％。
2.根据权利要求1所述的含有碳化铁的粉末还原铁，其特征在于，
所述含有碳化铁的粉末还原铁的表层部上形成有还原的金属铁(Fe)及碳化铁。
3.一种含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置，包括：
加热炉，用于预热粉末铁矿石；
至少一个还原炉，用于还原预热的所述粉末铁矿石；及
碳化炉，用于通过从外部供给的含有硫化氢的还原气对还原的所述粉末铁矿石进行碳化。
4.根据权利要求3所述的含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置，还包括：
硫化氢去除器，用于去除从所述碳化炉中排出的还原气中的硫化氢。
5.根据权利要求4所述的含有碳化铁的粉末还原铁的制造装置，还包括：
加热装置，用于向所述至少一个还原炉供给去除了硫化氢的所述还原气之前加热所述还原气。
6.一种铁水制造装置，包括：
加热炉，用于预热粉末铁矿石；
至少一个还原炉，用于还原预热的所述粉末铁矿石；
碳化炉，用于通过从外部供给的含有硫化氢的还原气对还原的所述粉末铁矿石进行碳化；
压缩铁制造装置，用于使所述含有碳化铁的粉末还原铁结块；及
熔融炉，装入结块的所述含有碳化铁的粉末还原铁并吹入氧气而制造铁水。
7.根据权利要求6所述的铁水制造装置，还包括：
混合器，用于向所述压缩铁制造装置装入所述含有碳化铁的粉末还原铁之前将所述含有碳化铁的粉末还原铁与生石灰混合。
8.根据权利要求6或7所述的铁水制造装置，还包括：
硫化氢去除器，用于从由所述碳化炉排出的还原气中去除硫化氢。
9.根据权利要求8所述的铁水制造装置，还包括：
加热装置，用于向所述至少一个还原炉供给去除了硫化氢的所述还原气之前加热所述还原气。
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