CN104195278B - 一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺，包括如下工艺步骤：（1）铁矿石磨矿后进行磁选富集，得到的粗精矿粉与膨润土混合后进行润磨、造球，得到球团矿；（2）将球团矿从竖炉顶部加入，在竖炉内球团矿得到充分的加热、氧化和固结；（3）氧化球团矿与粒煤混合后加入到回转窑中进行还原；（4）将还原后球团矿加入余热回收装置，使球团矿与空气进行间接换热；（5）将余热回收装置排出的物料进行磁选，得到金属化率85%以上、铁品位80%以上的金属化铁粉。本发明解决了难选低品位铁矿石直接还原中球团强度低及还原易产生液相的难题，提高了球团矿在还原焙烧回转窑内的还原温度、缩短了还原时间、减少了球团的粉化现象。
Description
技术领域
本发明属于冶金和矿物工程技术领域，涉及一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺。
背景技术
随着国内高品位富矿及易选矿资源的日趋枯竭，难选低品位矿石的开发利用成为钢铁企业关注的重点。在难选低品位铁矿石直接还原方面，由于铁矿石晶体粒度分布一般在5～20μm之间，铁矿物大多与脉石共生，分散程度较高，嵌布关系较为复杂。为使这类铁矿石得到有效利用，国内外进行了大量的研究工作，主要是在磁铁矿的矿物组成、物相及嵌布特性的研究基础上，采用传统的强磁选、单一浮选(包括正浮选、反浮选等)、磁化焙烧-磁选以及磁选-浮选等工艺对原矿进行研究，其结果表明这些工艺均不能实现这类铁矿物的有效富集。当这类铁矿石在1050～1150℃温度下进行煤基直接还原时，矿石中铁氧化物晶粒在逐级还原过程中（Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe）不仅不能得到长大，而且高温下矿石中石英、硅酸盐矿物与FeO、Fe3O4易于生成低熔点化合物铁橄榄石(2FeO.Si02)，当低熔点化合物发生软化和熔化后可形成液相，包裹在团块表面，影响还原气氛向团块内部扩散,使铁矿石的还原速度降低,并造成生产铁精粉的铁品位及金属回收率降低。同时，在直接还原过程中采用未氧化的球团矿，在还原的高温段球团强度较低（干球抗压强度只有80～100N/个），难以满足回转窑还原的生产需要。
为使难选低品位铁矿石在直接还原过程中不产生液相，同时满足球团矿还原强度的需要，国内在对铁矿石直接还原温度降低到950～1200℃的情况下，采用的还原设备主要有隧道窑、转底炉和回转窑。隧道窑设备对球团矿的强度要求较低，但球团矿在隧道窑内一般需要停留30～40h才能得到充分还原，造成隧道窑单窑产量较低；对于转底炉设备，由于物料在炉内停留时间一般为30～50min，较短的还原时间造成产品的金属化率较低，不能满足炼钢转炉或电炉对还原铁质量的要求，同时转底炉设备较难实现大型化；对于回转窑设备，由于原矿制备的球团矿在回转窑高温段还原时强度较低甚至发生粉化现象，粉化的细粉在回转窑的高温下，其表面容易产生熔化现象，从而造成球团矿内部铁矿石还原的困难，同时熔化的细粉粘附在回转窑的窑壁上，造成窑体的结圈现象，从而造成回转窑还原质量下降。
发明内容
本发明针对难选低品位铁矿石直接还原中存在的球团矿强度及金属回收率较低的问题，提供了一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺，包括如下工艺步骤：
（1）铁矿石的干磨、造球：磨矿到粒度-200目占80%以上后进行磁选富集，得到铁品位为35～45%的粗精矿粉，得到的粗精矿粉与膨润土按100:1～3质量比混合后进行润磨、造球，得到粒度为8～16mm的球团矿；
（2）球团矿的干燥预固结及氧化焙烧：将球团矿从竖炉顶部加入，在竖炉干燥带，球团矿经过温度200～400℃、时间10～15min干燥后依靠自身重力下流到竖炉预热焙烧带和均热带，在预热焙烧带和均热带，球团矿经过温度1200～1300℃、时间40～50min的氧化焙烧后，得到充分的加热、氧化和固结；高温球团矿再依靠自身重力下流到冷却带并与上升冷却气流进行热交换，当球团矿温度降低到500～600℃、FeO含量降低到1%以下、强度达到1500N/个以上时从竖炉底部排出；
（3）氧化球团矿的直接还原：从竖炉排出的温度为500～600℃氧化球团矿与干燥后粒煤按100：40～50的质量比混合后加入到回转窑中进行还原，控制球团矿还原温度为1050～1150℃、时间为60～120min；
（4）还原球团矿的余热回收：将还原回转窑排出的1050～1150℃还原球团矿加入到余热回收装置中，使球团矿与空气进行间接换热，当还原球团矿温度降低到200℃以下时从余热回收装置中排出；
（5）还原球团矿的磨选：将余热回收装置排出的物料进行磁选分离，得到的磁性物料磨矿到粒度-200目占80%以上后再进行弱磁选，得到金属化率85%以上、铁品位80%以上的金属化铁粉。
进一步地，步骤（4）中，所述余热回收装置包括罐体，所述罐体设有物料入口、物料出口，所述罐体的上腔为延续还原区，下腔为换热区，所述换热区内设有换热管，所述换热管具有入口端和出口端，所述罐体的上腔连通有还原气体出口；所述换热管包括一级换热管和二级换热管，所述一级换热管位于二级换热管上方，且罐体内一级换热管所在区域形成一级换热区，二级换热管所在区域形成二级换热区。
进一步地，步骤（4）中，所述余热回收的具体过程为：1050～1150℃金属化球团进入到余热回收装置后，在延续还原区内利用自身余热与碳进行进一步还原反应，然后球团进入换热区，在一级换热区与通入一级换热管的常温空气经过换热后，使一级换热管出口端排出的空气温度提高到600～700℃；在二级换热区与通入二级换热管的常温空气经过换热后，使二级换热管出口端排出的空气温度提高到350～450℃，然后，将温度降低到200℃以下的金属化球团从余热回收装置物料出口排出。
进一步地，步骤（2）中，竖炉加热的燃料采用从还原回转窑排出的经过除尘的高温还原废气，助燃空气采用从余热回收装置一级换热管排出的600～700℃空气。
进一步地，步骤（3）中，还原回转窑所用粒煤干燥的热源采用从余热回收装置二级换热管排出的350～450℃热空气。
本发明步骤（2）中，铁矿石中Fe304、FeO逐步氧化为α-Fe2O3，FeO含量逐步降低到1%以下，铁氧化物晶粒得到长大，球团矿强度逐步得到提高。具体地，铁矿石在200～400℃进行氧化焙烧时，其化学过程占优势，不发生晶型转变，由FeO、Fe3O4氧化生成γ-Fe2O3，而在温度为400～1300℃进行氧化焙烧时，其晶型转变占优势，晶体重新排列，晶格从立方晶系转变为斜方晶系，由磁性γ-Fe2O3氧化生成无磁性α-Fe2O3。由于生成的Fe203有较强迁移能力，随着氧化焙烧温度的提高，Fe203通过初晶-发育晶-互连晶的依次形成，可在提高球团矿抗压强度的同时，使磁铁矿晶粒度得到一定的长大。当氧化后的铁矿石进行磁化还原焙烧时，依据Fe203向Fe3O4转变过程中的原子扩散可使Fe3O4产生一定的再结晶，但由于原子扩散速度较慢，还原过程中，其晶粒度长大的幅度较小。
本发明为解决难选低品位微细粒铁矿石直接还原中存在的磨选产品金属回收率较低的问题，根据铁矿石中铁氧化物晶粒长大可提高直接还原产品的铁品位及金属回收率的原理，即提高铁氧化物晶粒大小后，使得步骤（7）磨矿后粘贴于金属铁颗粒表面上的脉石杂质易于磁选分离，从而提高金属回收率及铁品位。另外，由于粗粒铁矿石在还原焙烧过程中受结构致密的制约，铁矿物的迁移受到限制，其嵌布粒度并无明显变化，若粗粒铁矿石细磨后再焙烧，则铁矿物颗粒会明显聚集长大。因此，通过对铁矿石采取在焙烧前的细磨措施，可使其在氧化焙烧及直接还原的过程中晶粒度得到长大。通过FeO、Fe3O4、Fe2O3的晶型转变及氧化可使铁矿石中Fe2O3晶粒由5～20μm长大到74μm以上。
此外，本发明为提高铁矿石（特别是高硅低品位微细粒铁矿石）直接还原过程中的还原速度和产品质量，针对还原过程中铁矿石中含有的石英、硅酸盐矿物与金属铁氧化物在温度1205℃时易于生成低熔点化合物-铁橄榄石(2FeO.Si02)，形成液相的问题，步骤（3）中，本发明采取的还原温度为1050～1150℃。
再次，本发明直接还原设备使用氧化球团矿进行还原，由于氧化后球团矿具有更高的含氧量，可使还原过程中产生大量的CO2，CO2再与碳进行气化反应，提高了还原介质中CO浓度，从而提高了铁矿石的还原速度，缩短了还原时间，提高了单炉的产量，可使直接还原设备的单炉年产由10～20万吨提高到百万吨级以上。
综上，本发明的有益效果在于：
（1）解决了难选低品位铁矿石直接还原中球团强度低及还原易产生液相的难题；
（2）提高了球团矿在还原焙烧回转窑内的还原温度、缩短了还原时间、减少了球团的粉化现象；
（3）本发明工艺投资较低、占地面积小；
（4）生产系统内热量得到了循环利用，有效降低了能耗。
附图说明
图1为本发明余热回收装置的结构示意图；
图中，1-罐体，2-物料入口，3-物料出口，4-延续还原区，5-一级换热区，6-二级换热区，7-一级换热管，8-二级换热管，9-还原气体出口。
具体实施方式
实施例物料的选择：
本工艺原料选择有代表性的低品位难选铁矿石，铁品位为31～35%、SiO2含量为25～48%的铁矿石；球团内配煤粉选择固定碳含量为45～74%、粒度为-200目占80%以上的煤种；还原焙烧回转窑用煤选择固定碳含量为74%以上、粒度为0～5mm的煤种。
实施例1
一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺，包括如下工艺步骤：
（1）铁矿石的干磨、造球：磨矿到粒度-200目占80%以上后进行磁选富集，得到铁品位为36.1%的粗精矿粉，得到的粗精矿粉与膨润土按100:1质量比混合后进行润磨、造球，得到粒度为8～16mm的球团矿；
（2）球团矿的干燥预固结及氧化焙烧：将球团矿从竖炉顶部加入，在竖炉干燥带，球团矿经过温度200～300℃、时间15min干燥后依靠自身重力下流到竖炉预热焙烧带和均热带，在预热焙烧带和均热带，球团矿经过温度1200～1300℃、时间40min的氧化焙烧后，得到充分的加热、氧化和固结；高温球团矿再依靠自身重力下流到冷却带并与上升冷却气流进行热交换，当球团矿温度降低到500～600℃、FeO含量降低到1%以下、强度达到1500N/个以上时从竖炉底部排出；
（3）氧化球团矿的直接还原：从竖炉排出的温度为500～600℃氧化球团矿与干燥后粒煤按100：45的质量比混合后加入到回转窑中进行还原，控制球团矿还原温度为1050～1090℃、时间为120min；
（4）还原球团矿的余热回收：将还原回转窑排出的还原球团矿加入到余热回收装置中，使球团矿与空气进行间接换热，当还原球团矿温度降低到200℃以下时从余热回收装置中排出；
如图1所示，所述余热回收装置包括罐体1，罐体1设有物料入口2、物料出口3，罐体的上腔为延续还原区4，下腔为换热区，所述换热区中设有换热管，所述换热管具有入口端和出口端，罐体1的上腔连通有还原气体出口9；所述换热管包括一级换热管7和二级换热管8，一级换热管7位于二级换热管8上方，且罐体1内一级换热管7所在区域形成一级换热区5，二级换热管8所在区域形成二级换热区6；
所述余热回收的具体过程为：还原球团进入到余热回收装置后，在延续还原区内利用自身余热与碳进行进一步还原反应，然后球团进入换热区，在一级换热区与通入一级换热管的常温空气经过换热后，使一级换热管出口端排出的空气温度提高到600～700℃；在二级换热区与通入二级换热管的常温空气经过换热后，使二级换热管出口端排出的空气温度提高到350～450℃，然后，将温度降低到200℃以下的金属化球团从余热回收装置物料出口排出；
（5）还原球团矿的磨选：将余热回收装置排出的物料进行磁选分离，得到的非磁性物料中，过剩碳返回到还原回转窑进行循环利用，其它非磁性物料返回步骤（1）造球利用，得到的磁性物料经过磨矿到粒度-200目占80%以上后再进行弱磁选，弱磁性的磁场强度为1000-1500Oe，经检测，得到的金属化铁粉的铁品位为82.4%、金属化率为87.1%。
上述步骤中，竖炉加热的燃料采用从还原回转窑排出的经过除尘的高温还原废气，助燃空气采用从余热回收装置一级换热管排出的600～700℃空气；还原回转窑所用粒煤干燥的热源采用从余热回收装置二级换热管排出的350～450℃热空气。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于：
步骤（1）中，磁选富集后得到的粗精矿粉的铁品位为37.8%，得到的粗精矿粉与膨润土按100:2质量比混合后进行润磨、造球；
步骤（2）中，在竖炉干燥带，球团矿经过温度250～350℃、时间12min干燥后依靠自身重力下流到竖炉预热焙烧带和均热带，在预热焙烧带和均热带，控制球团矿氧化焙烧的时间为50min；
步骤（3）中，氧化球团矿与干燥后粒煤按100：40的质量比混合后加入到回转窑中进行还原，控制球团矿还原温度为1080～1120℃、时间为90min；
步骤（5）中，弱磁选后，经检测，得到的金属化铁粉的铁品位为84.6%、金属化率为88.1%。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于：
步骤（1）中，磁选富集后得到的粗精矿粉的铁品位为42.3%，得到的粗精矿粉与膨润土按100:3质量比混合后进行润磨、造球；
步骤（2）中，在竖炉干燥带，球团矿经过温度300～400℃、时间10min干燥后依靠自身重力下流到竖炉预热焙烧带和均热带，在预热焙烧带和均热带，控制球团矿氧化焙烧的时间为45min；
步骤（3）中，氧化球团矿与干燥后粒煤按100：50的质量比混合后加入到回转窑中进行还原，控制球团矿还原温度为1110～1150℃、时间为60min；
步骤（5）中，弱磁选后，经检测，得到的金属化铁粉的铁品位为87.5%、金属化率为92.6%。
Claims (4)
1.一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺，其特征在于，包括如下工艺步骤：
（1）铁矿石的干磨、造球：磨矿到粒度-200目占80%以上后进行磁选富集，得到铁品位为35～45%的粗精矿粉，得到的粗精矿粉与膨润土按100:1～3质量比混合后进行润磨、造球，得到粒度为8～16mm的球团矿；
（2）球团矿的干燥预固结及氧化焙烧：将球团矿从竖炉顶部加入，在竖炉干燥带，球团矿经过温度200～400℃、时间10～15min干燥后依靠自身重力下流到竖炉预热焙烧带和均热带，在预热焙烧带和均热带，球团矿经过温度1200～1300℃、时间40～50min的氧化焙烧后，得到充分的加热、氧化和固结；高温球团矿再依靠自身重力下流到冷却带并与上升冷却气流进行热交换，当球团矿温度降低到500～600℃、FeO含量降低到1%以下、强度达到1500N/个以上时从竖炉底部排出；
（3）氧化球团矿的直接还原：从竖炉排出的温度为500～600℃氧化球团矿与干燥后粒煤按100：40～50的质量比混合后加入到回转窑中进行还原，控制球团矿还原温度为1050～1150℃、时间为60～120min；
（4）还原球团矿的余热回收：将还原回转窑排出的1050～1150℃还原球团矿加入余热回收装置，使球团矿与空气进行间接换热，当还原球团矿温度降低到200℃以下时从余热回收装置中排出；所述余热回收装置包括罐体，所述罐体设有物料入口、物料出口，所述罐体的上腔为延续还原区，下腔为换热区，所述换热区内设有换热管，所述换热管具有入口端和出口端，所述罐体的上腔连通有还原气体出口；所述换热管包括一级换热管和二级换热管，所述一级换热管位于二级换热管上方，且罐体内一级换热管所在区域形成一级换热区，二级换热管所在区域形成二级换热区；
（5）还原球团矿的磨选：将余热回收装置排出的物料进行磁选，得到的磁性物料磨矿到粒度-200目占80%以上后再进行弱磁选，得到金属化率85%以上、铁品位80%以上的金属化铁粉。
2.根据权利要求1所述的一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺，其特征在于，步骤（4）中，所述余热回收的具体过程为：1050～1150℃金属化球团进入到余热回收装置后，在延续还原区内利用自身余热与碳进行进一步还原反应，然后球团进入换热区，在一级换热区与通入一级换热管的常温空气经过换热后，使一级换热管出口端排出的空气温度提高到600～700℃；在二级换热区与通入二级换热管的常温空气经过换热后，使二级换热管出口端排出的空气温度提高到350～450℃，然后，将温度降低到200℃以下的金属化球团从余热回收装置物料出口排出。
3.根据权利要求2所述的一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺，其特征在于，步骤（2）中，竖炉加热的燃料采用从还原回转窑排出的经过除尘的高温还原废气，助燃空气采用从余热回收装置一级换热管排出的600～700℃空气。
4.根据权利要求2所述的一种铁矿石竖炉-回转窑直接还原生产铁粉工艺，其特征在于，步骤（3）中，还原回转窑所用粒煤干燥的热源采用从余热回收装置二级换热管排出的350～450℃热空气。
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