CN104388620B - 一种用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及到一种用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法。该方法在内配碳球团直接还原工艺中引入磁场的作用，利用磁场改变内配碳球团的自还原反应进程和结果，实现低温下快速还原。通过本发明所述方法，能有效克服内配碳球团直接还原炼铁工艺存在的还原时间长、还原温度高、还原效率低等不足，简化生产流程，大幅缩短还原时间，降低成本，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及到一种直接还原炼铁的方法。
背景技术
由于焦煤资源的短缺，冶金过程短流程的兴起，直接还原炼铁技术在世界各国快速发展。直接还原炼铁是一种不熔化即将铁矿石中氧化铁还原成金属铁的生产工艺。我国缺乏高品位铁矿，绝大部分需磨细、选矿、造矿后入炉，而且进口铁矿也以粉状铁矿价格低廉，因此利用粉矿进行煤基直接还原是符合我国国情的。
目前，利用煤粉生产直接还原铁的工艺主要有回转窑工艺、隧道窑工艺及转底炉工艺。回转窑和隧道窑工艺主要使用铁块矿或非内配碳球团与固体还原剂一起进行还原焙烧，其设备生产产能受窑内温度的影响很大，当温度较低时，还原所需时间长，金属化率低，生产效率低；当温度较高时，球团表面会发生粘连，形成大块物料，严重的话会造成窑内堵塞。而使用含碳球团进行直接还原的工艺是转底炉法，其典型代表是美国的Fastmet法。Fastmet法使用薄的内配碳球团料层(2-3层)并用高温敞焰加热，随着炉底的转动，球团在1250℃-1350℃高温下进行还原。这种方法存在的主要问题是：转底炉炉底上的料层是单面加热，依靠辐射传热的热量只能达到料层的表层，传热速度慢，生产率低。在通常的炉温下，单位炉底面积的生产率仅为30-50kg/(m2.h)，为了提高单位炉底面积的生产率，有人将焙烧温度提高到1500-1600℃，即使这样，单位炉底面积的生产率仅提高到约100kg/(m2.h)。难以实现规模生产。
因此，急需一种能在较低温度下快速还原的工艺，以提高直接还原铁的生产效率减少能耗、降低生产成本。
发明内容
本发明是针对现有技术中存在的含碳球团直接还原工艺的还原时间长、还原温度高、金属化率低的问题，提供一种新的在磁场作用下强化内配碳球团直接还原的方法。
该方法将含铁粉料内配碳球团置于磁场中，在较低温度下进行直接还原，利用磁场对化学反应的影响，来强化直接还原过程，以达到降低还原温度、缩短还原所需时间，提高生产效率的目的。
电磁场作为材料制备过程一种强有力的调控手段已经广泛应用到强磁场材料科学、钢的电磁冶金以及轻金属电磁冶金等领域。电磁通过影响化学反应粒子未成对电子的自旋状态，改变反应体系的熵，通过降低传质过程的活化能，使分子迁移更容易进行，进而影响化学反应进程与结果。在含碳球团直接还原过程中，还原气相在铁氧化物表面的化学吸附是还原反应中的重要一步，它涉及电子在反应分子之间的迁移，这与反应物的电子能级和电子存在的状态有关。在磁场作用下，铁氧化物及金属铁的电子随着空穴的增多比较容易发生迁移，使其更容易与还原剂发生反应。同时，洛伦兹力会加快铁、氧离子的扩散迁移，降低传质阻力，从而加快还原反应速率。
综合以上，本发明采用如下技术方案：
一种用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法，其工艺方法如下：
(1)原料配比：含铁粉料与固体还原剂按一定比例混合均匀。原料要求：粒径100目以下；混合比例为固体还原剂中固定碳与含铁粉料中铁氧化物的氧的原子比，即C/O为0.8-1.5。混合均匀后配加粘结剂，加入量为原料总质量的5％-10％。
(2)球团制备：将混合料采用造球机或压球机制备球团，球团直径为10-20mm；压制好的球团经干燥后备用，干燥方法为105℃下保温12-24h。
(3)固相还原：将2-3层含碳球团平铺于料盘中，置于磁场还原炉中，升温至800-1000℃进行还原；还原时间为30-90min，磁场强度在0.4-1.0T；还原结束后，渣铁分离得到直接还原铁产品。
进一步的，所述磁场为稳恒磁场。
进一步的，所述的还原剂为焦炭粉或者煤粉的一种或两种，粒度在100目以下
进一步的，所述含铁粉料可以为低品位铁矿粉、复合铁矿粉及含铁炉尘的一种或几种，粒度在100目以下。
本发明的有益效果：
(1)本发明在内配碳球团直接还原工艺中引入磁场的作用，利用磁场改变铁矿粉内配碳球团的自还原过程和结果，实现常规条件下不能达到的还原效果。
(2)通过本发明所述方法，固相还原温度降低到1000℃以下能快速还原到80％以上。这有效克服了内配碳球团直接还原炼铁工艺存在的还原温度高，能耗高的问题。
(3)缩短了还原时间，在磁场作用下，内配碳球团可以在1h内使金属化率达到90％以上，提高了生产效率。
附图说明
图1稳恒磁场强化还原复合铁矿粉内配碳球团工艺流程图。
具体实施方式
一种用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法，其具体的还原工艺如下：
(1)原料配比：对铁矿粉内配还原剂，所述的还原剂为焦炭粉或者煤粉的一种或两种。原料要求：粒径100目以下；混合比例为还原剂中的固定碳与含铁粉料中铁氧化物的氧的原子比，即C/O为0.8-1.5。混合均匀后配加粘结剂，加入量为原料总质量的5％-10％。
关于配碳比例，参照常规条件下还原时，还原剂中的固定碳与铁矿粉中铁氧化物的氧的原子比即C/O比为0.8-1.5时，相同还原条件下，金属化率提升明显并逐渐趋于平衡，不同铁矿粉对最佳配比的要求也不同。而C/O比低于0.8时还原剂量少，还原进行缓慢，金属化率提升不明显。C/O比大于1.5时，还原剂用量增大，对资源造成浪费。
(2)球团制备：将混合料采用造球机或压球机制备球团，球团直径为10-20mm；压制好的球团经干燥后备用，干燥方法为105℃下保温12-24h。
(3)固相还原：将2-3层含碳球团平铺于料盘中，置于磁场还原炉中，升温至800-1000℃进行还原；还原时间为30-90min，磁场强度在0.4-1.0T；还原结束后，渣铁分离得到直接还原铁产品。
磁场强度在0.4-1.0T；0.4T以下的磁场为弱磁场，对于化学反应作用的效果很弱，达不到强化的目的；而1T以上为强磁场，磁场作用更加明显，但是设备的投资大幅提高，不利于应用。还原时间为30-90min。该磁场为稳恒磁场。
该铁矿粉可以为低品位铁矿粉、复合铁矿粉(如图1所示)、含铁炉尘的一种或几种。
下面结合具体实例，进一步详细描述本发明的技术方案：
以粒度在200目以下白云鄂博铁矿粉为铁矿粉，粒度200-300目间的焦炭粉为还原剂。
原料质量详见表1和表2。
表1白云鄂博矿粉的化学成分/％
表2焦炭粉的化学成分/％
实施例1：
(1)原料配比：依据以上成分表，将白云鄂博铁矿粉配加焦碳粉充分混匀，焦碳粉中的固定碳与铁矿粉中铁氧化物的氧的原子比，即C/O为1.2。混匀后配加粘结剂，粘接剂采用水玻璃，加入量为原料总质量的5％。
(2)球团制备：将混合料压制成直径为10-12mm的含碳球团。将含碳球团干燥后备用，干燥方法是在105℃下保温12h。
(3)固相还原：将2层含碳球团平铺于料盘中，置于磁场管式还原炉内进行还原，还原温度为950℃；磁场强度在0.97T；还原时间为40min。
渣铁分离后得到金属化率为86％的直接还原铁产品。
实施例2：
(1)原料配比：依据以上成分表，将白云鄂博铁矿粉配加焦碳粉充分混匀，焦碳粉中的固定碳与铁矿粉中铁氧化物的氧的原子比，即C/O为1.2。混匀后配加粘结剂，粘接剂采用水玻璃，加入量为原料总质量的5％。
(2)球团制备：将混合料压制成直径为10-12mm的含碳球团。将含碳球团干燥后备用，干燥方法是在105℃下保温12h。
(3)还原参数：将2层含碳球团平铺于料盘中，置于无磁场的管式还原炉内进行还原，还原温度为950℃；还原时间为40min。
渣铁分离后得到金属化率为17％的直接还原铁产品。
实施例3
(1)原料配比：依据以上成分表，将白云鄂博铁矿粉配加焦碳粉充分混匀，焦碳粉中的固定碳与铁矿粉中铁氧化物的氧的原子比，即C/O为1.2。混匀后配加粘结剂，粘接剂采用水玻璃，加入量为原料总质量的5％。
(2)球团制备：将混合料压制成直径为10-12mm的含碳球团。将含碳球团干燥后备用，干燥方法是在105℃下保温12h。
(3)还原参数：将2层含碳球团平铺于料盘中，置于磁场管式还原炉内进行还原，还原温度为950℃；磁场强度在0.4T；还原时间为40min。
渣铁分离后得到金属化率为45％的直接还原铁产品。
比较可知，经本发明的稳恒磁场作用下，含碳球团的金属化率比无磁场作用下提高了数倍。因此，可以得出本发明的工艺方法使得白云鄂博矿内配碳团块的还原效率明显提高，同时使内配碳团块的快速还原温度降低到1000℃以下，降低了能耗且本发明的工艺流程操作简便。
Claims (5)
1.一种用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)原料配比：含铁粉料与固体还原剂按一定比例混合均匀；原料要求：粒径100目以下；混合比例为固体还原剂中固定碳与含铁粉料中铁氧化物的氧的原子比，即C/O为0.8-1.5；混合均匀后配加粘结剂，加入量为原料总质量的5％-10％；(2)球团制备：将上述混合料采用造球机或压球机制备球团，球团直径为10-20mm；压制好的球团经干燥后备用，干燥方法为105℃下保温12-24h；(3)固相还原：将2-3层含碳球团平铺于料盘中，置于磁场还原炉中，升温至800-1000℃进行还原，还原时间为30-90min，磁场强度0.4-1.0T；还原结束后，渣铁分离得到直接还原铁产品。
2.如权利要求1所述的用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法，所述磁场为稳恒磁场。
3.如权利要求1或2所述的用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法，所述的还原剂为焦炭粉或者煤粉的一种或两种。
4.如权利要求1或2所述的用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法，所述含铁粉料可以为低品位铁矿粉、复合铁矿粉、含铁炉尘的一种或几种。
5.如权利要求1所述的用磁场强化含铁粉料内配碳球团直接还原的方法，所述粘结剂可以采用水玻璃或膨润土。
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