CN103602773A

CN103602773A - 一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法

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Publication number: CN103602773A
Application number: CN201310616734.8A
Authority: CN
Inventors: 王静松; 王广; 薛庆国; 佘雪峰; 宁晓宇; 郁新芸
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: CN103602773B

Abstract

本发明公开了一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法，属于炼铁和资源综合利用领域。涉及硼铁矿中硼和铁分离、富集的方法，用于硼铁矿的开发利用。其特征在于利用硼铁矿矿粉、碳质还原剂、粘结剂为原料，经过配料、混匀、造块、转底炉还原、电炉熔分等工序制得液态生铁（或半钢）和B₂O₃含量为10～22%的高质量富硼渣。生产出的液态生铁（或半钢）可以作为炼钢的原料，富硼渣可以代替硼镁石矿来生产硼酸或硼砂，从而可以充分利用硼资源和铁资源，实现硼铁矿的综合利用。此方法工艺简单、流程短、硼铁分离彻底、效率高，分离所得产品可以同时满足硼工业和钢铁工业的需求，具有较好的社会和经济效益。

Description

一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法

技术领域

本发明属于化工、冶金、资源综合利用领域，涉及转底炉煤基直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法，用于硼铁矿的开发利用。

背景技术

硼在化工、医药、轻工、纺织、电子、冶金、建材、国防军工、尖端科学、农业等部门广泛使用。自1956年以来，我国硼工业主要以硼镁石矿（俗称“白硼矿”）为主要原料，目前该种矿石已接近枯竭，60%以上依赖进口。位于辽-吉地区的硼铁矿（俗称“黑硼矿”）是我国已探明的大型硼镁铁共生矿床，铁矿储量2.83亿t，硼矿储量（以B₂O₃计）2185万t，硼矿资源占我国内地硼矿总储量的58%，是硼镁石矿重要的替代资源。因此，立足本国实际，充分利用我国复合硼铁矿资源显得尤为重要。

目前公开的硼铁矿综合利用工艺主要包括湿法分离工艺、选矿分离工艺、火法分离工艺、做烧结球团的添加剂、制备Fe-Si-B母合金等。

发明名称为“硫酸分解硼镁铁矿综合利用工艺”的中国专利（申请号：95110090.4），公开了一种用硫酸分解硼镁铁矿直接制取高收率硼酸和高质量一水硫酸镁的工艺技术，对于低至10%B₂O₃含量的硼矿，硼收率仍可达82%。又如发明名称为“硼铁矿中硼、镁、铁的分离方法”的中国专利（申请号：200510129367.4），公开了一种用无机酸将硼镁铁矿粉分解完全并堆至室温后置于硼镁饱和液中分离制取铁精矿粉、硼酸和一水硫酸镁的方法。但是湿法工艺耗酸量比较大，既腐蚀设备，又增加了成本，降低了经济效益，且残渣中存在大量的酸根离子，用于高炉冶炼容易造成环境污染。

发明名称为“硼铁矿磁一重选分离综合利用的方法”的中国专利（申请号：02109097.1），公开了一种采用阶段磨矿、阶段磁选、磁选-重选联合选矿工艺对硼铁矿中硼和铁进行分离，从硼铁矿中生产硼精矿和含硼铁精矿的方法。又如发明名称为“一种硼铁矿选矿方法”的中国专利（申请号：200510046824.3），公开了一种采用细磨-阳离子正浮选硼镁石-磁选联合工艺生产硼精矿和铁精矿的方法。但是选矿工艺流程较长且复杂，矿石需要细磨，电耗很高，又容易造成泥化，即使磨至很细也难以达到硼与铁的完全分离。

发明名称为“硼镁铁矿的综合利用”的中国专利（申请号：89105056.6），公开了一种以高炉为主要设备、以硼镁铁矿块矿或其制取的烧结矿、球团矿为原料进行冶炼，实现铁、硼熔态分离，制取含硼铁水和富硼渣的方法，生产出的铁水可作铸铁或直接炼钢，另外一种产品富硼渣可以当硼镁矿使用。但是该方法能耗较高，且需要用昂贵的冶金焦作还原剂，同时高炉炉衬侵蚀严重，更重要的是富硼渣中B₂O₃活性低，不能满足碳碱法生产硼砂的要求。又如发明名称为“一种低品位硼铁矿中铁和硼的富集方法”的中国专利（申请号：200710178150.1），公开了一种利用低品位硼铁矿经过焙烧、粉碎、磨矿、配加固体还原剂、焙烧、磁选制得含B₂O₃12～15%的硼精粉和铁品位在60～90%的铁精粉的方法。但是该方法产率较低，硼铁分离不是十分彻底，硼精粉中B₂O₃的品位较低，不适用于含B₂O₃较高的硼矿的硼铁分离。再如，发明名称为“硼镁铁矿直接制取硼铁的方法”的中国专利（申请号：87101579），公开了一种以电炉为主要设备制取硼铁方法，该方法以硼镁铁矿、焦炭、铝、萤石等为原料，经过原料处理、混合配料、装炉冶炼、炉渣处理、出铁等工序制得符合国家标准的硼铁合金，该方法工艺流程短、投资少见效快、成产成本低。但是，该方法硼的利用形式单一，受原料中铁、硼元素含量的影响，硼铁合金中硼元素含量可调范围较窄。

发明名称为“硼镁矿及富硼渣直接冶炼铁基非晶母合金的方法” 的中国专利（申请号：94110021.9），公开了一种以硼镁矿、富硼渣或直接还原硼铁矿为原料，焦炭、无烟煤或硅铁做还原剂，将原料、还原剂、废钢按比例混合，通过电极中心孔用氩气将混合料带至直流等离子炉的电弧区熔化，完成碳-硅复合热还原，最后向炉内加入石灰和萤石化渣，渣铁混出，分离渣铁，制得铁基非晶母合金。该方法工艺简单、冶炼操作灵活，开停方便，硼的收得率高，成产成本低，但是，硼的利用形式单一，生产规模小，不适用于硼铁矿的大规模开发利用。

发明名称为“一种运用转底炉珠铁工艺综合利用硼铁矿的方法” 的中国专利（申请号：201110066165.5），公开了一种以硼铁矿和碳质还原剂为原料，采用转底炉高温熔融还原法一步实现硼铁分离，得到含硼珠铁和富硼渣，工艺流程短、操作灵活简单、硼铁分离较彻底、富硼渣含硼品位高。但是该工艺需要高温操作，对转底炉设备和制造水平要求较高，出料比较复杂，而且对硼铁矿中B₂O₃、SiO₂的含量有一定的要求，否则难以实现渣铁分离，进而阻碍了其在低品位硼铁矿中的应用。

李壮年等在第七届（2009年）中国钢铁年会上阐述了“硼铁矿直接还原一电炉熔分新工艺”，该工艺的基本内容是：在通过磁-重联合选矿实现硼铁矿初步物理分离，得到硼铁精矿和硼精矿的基础上，通过选择行还原熔分实现硼铁精矿中硼铁的二次分离，得到含硼生铁或半钢以及高活性富硼渣。生铁中含B0.24～0.72%，富硼渣中含B₂O₃20%以上，活性在76～86%之间。该工艺以硼铁精矿的选择性还原为中心内容，他提出的硼铁精矿的还原工艺有：隧道窑、回转窑、和气基竖炉三种。隧道窑法是一种煤基直接还原技术，占我国直接还原铁生产的较大比例。隧道窑法虽然具有投资省、工艺成熟、易于掌握等特点，但其能耗高（还原煤粉500～650kg/t·DRI，加热用煤450～550 kg/t·DRI，约为回转窑法的1.5～2.0倍）、产品质量不稳定、耐火材料消耗高（150～300kg/t）、对环境污染严重（还原煤灰、废还原罐等废弃物多）、生产规模小、生产周期长（48～76小时）。近年来由于进行技术改造和单机产能达10～20万吨/年的大型煤气隧道窑的出现，使得隧道窑直接还原法继续发展，但投资成本越来越高。直接还原回转窑是世界煤基直接还原铁采用的主流工艺，出窑产品经磁选后提高了铁品位，技术成熟，单机生产能力、能耗、产品质量等方面均有一定的优势。适合于我国的资源条件和技术水平，性价比较高，尤其是一步法回转窑技术，是我国煤基直接还原的主导技术。但是也有其固有的缺点：料在窑中随窑体转动而滚动运动，易被粉碎，产生的粉末和煤灰粘在一起而形成“结圈”，从而损坏炉衬，形成操作事故，使作业率下降；受“结圈”影响，还原温度偏低，一般最高1100℃左右，影响反应速度；对煤种有特定要求，灰熔点必须高于1280℃，否则就要结圈。此外，该工艺流程长、机械设备多、单位产量投资高、运行费用高、能耗也比较高（实物煤的消耗约950 kg/t (DRI)）、生产运行的稳定难度大。煤制气-竖炉工艺，以煤为能源，且竖炉生产能力大、工艺成熟，可以作为我国煤基直接还原的发展放向。近年来，我国众多的钢铁、化工工作者，对煤制气-竖炉直接还原铁生产进行了大量调查、研究工作，取得了大量的数据，为我国采用煤制气-竖炉直接还原技术奠定了良好的基础。但是煤制气工艺的选择、制气用还原剂的选择、造出的还原气质量、含铁原料的选择、制气副产物的综合利用、煤制气与竖炉的衔接、煤气压力与竖炉压力的衔接及相关装备等问题还有待进一步深入研究和探讨，因此尚无成功实施的范例。

发明内容

本发明的目的在于找到一种技术上可行、经济上合理的硼铁矿综合利用方法，打通低品位硼铁矿综合利用的流程，从而充分利用我国硼资源和铁资源。本发明的特征在于以转底炉为主要设备，利用硼铁矿矿粉或选别后的含硼铁精矿粉、碳质还原剂和粘结剂为原料，经过配料、混匀、造块、转底炉还原、电炉熔分等工序制得液态生铁（或半钢）和B₂O₃含量为10～22%的高品位富硼渣。

本项发明以转底炉和电炉为主要设备，辅助设备包括上料系统、料仓、电子皮带秤、混料机、造球机、烘干机、出料机和皮带输送设备。

本发明是一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法，利用硼铁矿矿粉、碳质还原剂和粘结剂为原料，经过配料、混匀、造块、转底炉还原、电炉熔分工序制得液态生铁和富硼渣；

主要生产工艺流程为：

（1）将硼铁矿矿粉、碳质还原剂以及粘结剂用混料机混匀，其中还原剂的配入量为硼铁矿量的15～25%、粘结剂的配入量为硼铁矿量的2～5%，混合料的总水分为7～10%，经混料机混匀后制成含碳球团，烘干备用；

（2）将烘干后的球团单层布在转底炉的炉底耐火材料上，事先在炉底上铺一层3～5mm厚的碳质或耐火材料粉末，含碳球团在转底炉内经加热还原制得金属化球，还原温度为1200～1350℃，还原时间为15～40分钟，球团的金属化率达到80～95%；

（3）将金属化球团用出料器排出，配入0～5%的焦炭，经冷却或直接热装入熔分设备，制得液态生铁或半钢和B₂O₃含量为10～22%的富硼渣两种产品，液态生铁用来炼钢，富硼渣经过缓冷处理以提高活性，用来生产硼砂或硼酸。

本发明的优选方案是所述的硼铁矿矿粉B₂O₃含量3～8%，全铁含量30～55%，粒度80%以上小于150目。

本发明的优选方案是：所用的碳质还原剂为无烟煤、烟煤、褐煤、石油焦、半焦或焦粉，粒度100%小于1mm，所用的造球设备为对辊压球机或圆盘造球机。

本发明的优选方案是：所用的还原设备为环形转底炉，还原温度为1200～1350℃，还原时间为15～40分钟，球团的金属化率达到80～95%。

本发明的优选方案是：所用的熔分设备为电弧炉、矿热炉或电渣炉，所得的最终产品为液态生铁或半钢，以及B₂O₃含量为10～22%的富硼渣。

与现有技术相比所具有的优点：

本发明工艺流程短、操作简单、温度可控性强、反应速度快、生产效率高、硼铁分离彻底、成本低、易于实现自动化，此外，对生球强度要求不高、原料和能源的灵活性大、环境友好。所采用的预还原工艺即转底炉煤基直接还原技术是炼铁领域的前沿技术，在国内外均有较好的发展趋势。

附图说明

图1 为本发明工艺的原则流程。

具体实施方式

实施例1

按照图1所示的工艺流程，将某含B₂O₃3.26%的硼铁矿矿粉、重量为硼铁矿重量20%的煤粉、重量为硼铁矿和煤粉重量总和2%的粘结剂经过皮带输送至混料机混匀，并调节混匀料水分至7%。将混合好的混匀料经皮带输送至对辊压球机制成含碳球团，压力为15MPa，球团尺寸为40×30×20mm枕状椭球。生球经干燥后单层铺在转底炉的碳质耐火材料上，事先在碳质耐火材料上铺一层3～5mm厚的碳质或耐火材料粉末。转底炉内的温度为1200~1300℃，球团在转底炉内的停留时间为15~25分钟，金属化率达到90%左右，然后由螺旋出料机排出，金属化球团直接送入镁质炉衬电炉熔分，熔分温度1550℃，时间40min，得到液态生铁和富硼渣。所采用的硼铁矿以及熔分所得的液态生铁和富硼渣的成分分别如表1、2、3所示。

表1 硼铁矿（低硼）化学成分

成分	B₂O₃	TFe	MgO	SiO₂	Al₂O₃	CaO	P	S
									含量/%	3.26	55.30	13.32	4.09	0.32	0.42	0.027	0.54

表2 生铁主要成分

成分	C	Si	B	P	S
						含量/%	1.29	0.035	0.045	0.055	0.050

表3富硼渣主要成分

成分	TFe	MgO	Al₂O₃	CaO	B₂O₃	SiO₂
							含量/%	1.55	56.20	3.38	1.80	11.80	20.3

实施例2

按照图1所示的工艺流程，将含B₂O₃6.90%的硼铁矿矿粉、重量为硼铁矿重量17%的煤粉、重量为硼铁矿和煤粉重量总和2%的粘结剂经过皮带输送至混料机混匀，并调节混匀料水分至7%。将混合好的混匀料经皮带输送至对辊压球机制成含碳球团，压力为15MPa，球团尺寸为40×30×20mm枕状椭球。生球经干燥后单层铺在转底炉的碳质耐火材料上，事先在碳质耐火材料上铺一层3～5mm厚的碳质或耐火材料粉末。转底炉内的温度为1200~1350℃，球团在转底炉内的停留时间为20~30分钟，金属化率达到85%左右，然后由螺旋出料机排出，金属化球团直接送入碳质炉衬电炉熔分，熔分温度1550℃，时间40min，得到液态生铁和富硼渣。所采用的硼铁矿以及熔分所得的液态生铁和富硼渣的成分分别如表4、5、6所示。

表4 硼铁矿（高硼）化学成分

成分	B₂O₃	TFe	MgO	SiO₂	Al₂O₃	CaO	P	S
									含量/%	6.90	47.20	19.20	5.32	0.15	0.34	0.020	0.16

表5 生铁主要成分

成分	C	Si	B	P	S
						含量/%	3.41	1.44	0.97	0.034	0.031

表6 富硼渣主要成分

成分	TFe	MgO	Al₂O₃	CaO	B₂O₃	SiO₂
							含量/%	1.67	61.0	2.02	1.98	15.6	16.1

实施例3

按照实施例2的方法得到金属化球团，将金属化球团直接装入镁质炉衬的电炉熔分，熔分温度1500℃，时间40min，得到液态生铁和富硼渣，生铁中的渗碳量降低，硼含量也相应降低，而富硼渣中氧化硼的含量有所增加，达到一等硼镁石矿的标准。所采用的硼铁矿成分如表4所示，熔分所得的液态生铁和富硼渣的成分分别如表7、8所示。

表7 生铁主要成分

成分	C	Si	B	P	S
						含量/%	1.25	0.048	0.055	0.028	0.061

表8 富硼渣主要成分

成分	TFe	MgO	Al₂O₃	CaO	B₂O₃	SiO₂
							含量/%	2.05	50.72	2.62	1.66	20.11	19.44

Claims

1.一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法，其特征在于利用硼铁矿矿粉、碳质还原剂和粘结剂为原料，经过配料、混匀、造块、转底炉还原、电炉熔分工序制得液态生铁和富硼渣；

主要生产工艺流程为：

2.如权利要求1所述的一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法，其特征在于：所述的硼铁矿矿粉B₂O₃含量3～8%，全铁含量30～55%，粒度80%以上小于150目。

3.如权利要求1所述的一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法，其特征在于：所用的碳质还原剂为无烟煤、烟煤、褐煤、石油焦、半焦或焦粉，粒度100%小于1mm，所用的造球设备为对辊压球机或圆盘造球机。

4.如权利要求1所述的一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法，其特征在于：所用的还原设备为环形转底炉，还原温度为1200～1350℃，还原时间为15～40分钟，球团的金属化率达到80～95%。

5.如权利要求1所述的一种转底炉直接还原-电炉熔分综合利用硼铁矿的方法，其特征在于：所用的熔分设备为电弧炉、矿热炉或电渣炉，所得的最终产品为液态生铁或半钢，以及B₂O₃含量为10～22%的富硼渣。