CN104451017B - 一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，该工艺将竖炉还原的高温钒钛矿直接还原铁转送至外部渗碳器中，通过向渗碳器通入一定比例组分的渗碳气流，实现钒钛矿直接还原铁渗碳量的精确调控，含碳量范围在0.5%-4.0%，同时通过从渗碳器顶部抽回渗碳后的气体，并经换热器换热、洗涤器洗涤，脱水及加压后，形成了常温带压气流，回用至主渗碳气中，实现渗碳气的循环利用。本发明将还原区与渗碳区进行物理分离，避免了钒钛磁铁矿在高温还原区内由于渗碳反应导致直接还原铁粘结甚至粉化，利于钒钛磁铁矿的顺利还原。

Description

一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺
技术领域
本发明涉及冶炼工艺领域，特别涉及一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺。
背景技术
以钒钛磁铁矿为铁质原料，采用气基竖炉-矿热炉熔分的工艺流程，可生产高品质的钒钛磁铁矿直接还原铁(以下称钒钛矿DRI)，从而实现Fe、V、Ti资源的规模化回收，拓展钒钛制品的附加值，进一步挖掘我国攀西地区钒钛磁铁矿的资源优势。
为了充分发挥气基竖炉+矿热炉熔分实现钒钛矿综合利用流程的优越性和满足还原熔分对钒钛矿金属化球团适量的含碳量要求，气基竖炉生产的钒钛矿DRI不仅需要有较高的金属化率，而且还需满足一定的含碳量要求，为此需要采取一定的工艺技术来实现DRI碳含量的精确控制。
德国金属股份有限公司提出的海绵铁渗碳方法，是将在温度条件为800-1100℃下生产的DRI，从炉内还原区直接转送至滞留罐，并保持罐内DRI温度至少750℃的自身温度，使DRI在罐内与气态、蒸气态或液态的碳氢化合物接触，实现DRI的渗碳量在1％-2％的范围。该方法对转送至渗碳区域的DRI温度要求较严苛，需至少750℃以上，并且生产的DRI的渗碳范围也较窄，仅为1％-2％，无法满足高含碳量DRI的生产需求。
墨西哥伊尔萨公司(Hlysa)提出的生产热海绵铁的方法，是将温度条件为850-950℃的主工艺还原气通入炉内还原区，在还原铁氧化物的同时，补充经过冷却、脱水和脱碳后的炉顶气和一股以CH4为主的气流至主工艺还原气流中，通过调节CH4的流量来保持DRI的碳含量在0.5％-4％范围内，适合于高温DRI的压块处理。
伊尔萨公司还提出一种控制直接还原铁渗碳的方法和设备，其主要工艺特点和上述生产热海绵铁的方法类似，不采用外部天然气重整器，直接通入温度约900-1150℃的主工艺气至还原反应器的还原区，自重整还原铁氧化物，并同时与还原区内的Fe发生渗碳反应，温度约250-450℃的炉顶气经换热、洗涤、脱水和脱碳后，产生CO2含量≤10％的回流气重新混入主工艺气，然后加湿提高H2O含量至5％-12％，并加热至850-1000℃，再进行喷氧提温至950-1150℃，重新形成主工艺还原气。该方法同样在还原区内实现DRI的形成和渗碳，最后从反应器排出含预定碳量的DRI。
伊尔萨公司上述二种方法的本质是相同的，均利用了回流煤气混入主工艺气中通入还原区内，利用含CH4的还原气在还原区的自重整来实现DRI渗碳，提升了DRI的渗碳范围，一定程度上简化了工序，但局限性在于其使用于普通铁矿石来生产的DRI。研究发现，对于生产矿物结构更为复杂的钒钛磁铁DRI，通入炉内的主工艺气的CH4含量超过15％，还原区内DRI会出现粘结和部分粉化，不利于DRI生产和排出，利用含CH4还原气的自重整方法来控制钒钛矿DRI渗碳量，容易造成竖炉生产顺行不利。
目前针对竖炉直接还原生产钒钛磁铁矿海绵铁，尚无专有的渗碳工艺技术或方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，提升钒钛磁铁矿直接还原铁的含碳量要求，以满足钒钛磁铁矿综合利用流程中后续处理工序，如矿热炉对直接还原铁深度还原熔分的要求，以减低熔分工序的能源消耗，进一步提升钒钛磁铁矿的熔分效果。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，包括以下步骤：
a、在竖炉中通过还原反应生成高温直接还原铁；
b、将步骤a中获得的高温直接还原铁经竖炉下部排出，并保温转运至外部渗碳器；可以通过高温转运罐送至外部渗碳器
c、将步骤b中获得的直接还原铁从渗碳器顶部加入，渗碳气体从渗碳器的中下部通入，形成自下而上的渗碳气流并与下行的直接还原铁逆向接触，反应完成后，将直接还原铁从渗碳器底部排出。
本工艺将钒钛磁铁矿直接还原铁的还原区与渗碳区进行物理分离，避免了钒钛磁铁矿在高温还原区内由于渗碳反应导致直接还原铁粘结甚至粉化，利于钒钛磁铁矿的顺利还原，可以通过单独调节控制送入外部渗碳器冷却渗碳气体的气体组分比例，实现钒钛磁铁矿直接还原铁含碳量的精确控制，拓宽其含碳量范围，同时不会对竖炉还原区产生干涉或影响，也保证了钒钛磁铁矿海绵铁含碳量满足后续矿热熔分要求。
作为优选：所述步骤a中，将温度为1000℃-1100℃的还原气体通入竖炉还原区内，从竖炉顶部加入钒钛磁铁矿原料，与还原气体形成逆流接触进行还原反应生成钒钛磁铁矿直接还原铁。
作为优选：所述步骤c中，从渗碳器顶部抽出的渗碳后气体，经换热、洗涤、脱水、加压后，与渗碳气体一起通入渗碳器中。经过换热器换热、洗涤塔洗涤冷却，脱水，加压后，形成了常温带压气流回用至渗碳气体中，实现渗碳气体的循环利用，在渗碳后气体回用的过程中只需补充少量新的渗碳气体即可，实现循环经济。
作为优选：所述步骤c中，渗碳气体从渗碳器的中下部通入，通过分配器形成均匀煤气流进入渗碳器内部。
在渗碳器中下部锥段处设置煤气分配器，渗碳气体通过分配器均压进入内部，形成自下而上的均匀气流，与下行的钒钛磁铁矿直接还原铁接触逐步冷却渗碳。
作为优选：所述步骤c中，从渗碳器中下部通入的渗碳气体温度为30-40℃。
作为优选：所述步骤c中，从渗碳器中下部通入的渗碳气体的压力为0.1～0.3MPa。
作为优选：所述步骤c中，通入渗碳器的渗碳气体中H2O的体积百分比小于等于6％，CO2的体积百分比小于等于6％，所述CH4的体积百分比小于5％。。
作为优选：所述步骤c中，通过控制配入冷却渗碳气体不同组分的配比，实现精确调节钒钛磁铁矿直接还原铁的渗碳量，将从渗碳器底部排出的钒钛磁铁矿直接还原铁的含碳量控制在0.5％-4％。
作为优选：竖炉中还原气体经还原反应后成为竖炉炉顶气，通入渗碳器的渗碳气体为混有CH4的竖炉炉顶气。
炉顶气也可以作为渗碳气体的提供源，进行回收利用，只要其H2O和CO2百分比含量在规定范围内即可。
作为优选：所述步骤c中，从渗碳器顶部抽出的渗碳后气体的温度为350℃-450℃。
如上所述，本发明的有益效果在于：
1、本发明将钒钛磁铁矿直接还原铁的还原区与渗碳区进行物理分离，避免了钒钛磁铁矿在高温还原区内由于渗碳反应导致直接还原铁粘结甚至粉化，利于钒钛磁铁矿的顺利还原，也保证了钒钛磁铁矿海绵铁含碳量满足后续矿热熔分要求。
2、本发明工艺通过调节控制送入外部渗碳器冷却渗碳气体的气体组分比例，可实现钒钛磁铁矿直接还原铁含碳量的精确控制。
3、本发明工艺对转送至外部冷却渗碳器的钒钛磁铁矿直接还原铁的温度条件并无严苛限制，能够实现钒钛矿直接还原铁的含碳量控制在0.5％-4.0％的较宽范围，有效降低矿热炉在深度还原工序中的外配碳量，减小钒钛矿在熔分工序的能源消耗。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程图。
零件标号说明
1渗碳器
2换热器
3洗涤塔
4脱水器
5加压机
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，包括以下步骤：
1)将温度为1000-1100℃还原气通入竖炉还原区内，从竖炉顶部加入比例为100％的钒钛磁铁矿球团与高温还原气流形成逆流接触发生还原反应生成钒钛矿海绵铁，高温钒钛矿海绵铁从竖炉底部排出，经由高温转运罐输送至外部冷却渗碳器1。
2)经由转运罐输送而至的高温钒钛矿直接还原铁从外部渗碳器1顶部加入，渗碳气体从渗碳器1的中下部通入，渗碳气体的温度约为40℃，压力为0.13MPa，调节控制渗碳气体体积组分分别为CH4：3.4％，H2：65.67％，H2O：5.78％，CO：10.39％，CO2：3.04％，N2：11.72％，渗碳气流量约800Nm3/h，气体经由分配器后导入渗碳器1装置内部，形成自下而上的均布气流与高温直接还原铁逆向接触逐步提升直接还原铁的碳含量，后经渗碳器1底部排出的钒钛矿直接还原铁的含碳量约0.5％。
3)渗碳器1顶部抽出的渗碳后气体，温度约392℃，经换热器2换热、洗涤，气流的温度降至40℃左右，经脱水器4脱水控制H2O体积百分比含量在5％-6％，后经加压机5加压气流压力约0.13MPa，再重新回掺至渗碳气流中，与渗碳气体一同通入渗碳器1内，实现循环利用。第一次通入的气体是渗碳气体，由于渗碳过程中渗碳气体消耗较少，因此在后续的渗碳后气体循环使用时，只需要陆续补充一部分渗碳气体即可，节约能源。
竖炉中还原气体经还原反应后成为竖炉炉顶气，炉顶气经过处理后并加入适量天然气后可以作为渗碳气体的提供源，进行回收利用，只要其H2O和CO2百分比含量在规定范围内即可。
实施例2
1)将温度为1000-1100℃还原气通入竖炉还原区内，从竖炉顶部加入比例为100％的钒钛磁铁矿球团与高温还原气流形成逆流接触发生还原反应生成钒钛矿海绵铁，高温钒钛矿海绵铁从竖炉底部排出，经由高温转运罐输送至外部冷却渗碳器1。
2)经由转运罐输送而至的高温钒钛矿直接还原铁从外部渗碳器1顶部加入，渗碳气体从渗碳器1的中下部通入，渗碳气体的温度约为40℃，压力为0.13MPa，调节控制渗碳气体体积组分分别为CH4：3.9％，H2：65.17％，H2O：5.78％，CO：10.39％，CO2：3.04％，N2：11.72％，渗碳气流量约802Nm3/h，气体经由分配器后导入渗碳器1装置内部，形成自下而上的均布气流与高温直接还原铁逆向接触逐步提升直接还原铁的碳含量，后经渗碳器1底部排出的钒钛矿直接还原铁的含碳量约1.34％。
3)渗碳器1顶部抽出的渗碳后气体，温度约412℃，经换热器2换热、洗涤，气流的温度降至40℃左右，经脱水器4脱水控制H2O体积百分比含量在5％-6％，后经加压机5加压气流压力约0.1MPa，再重新回掺至渗碳气流中，与渗碳气体一同通入渗碳器1内，实现循环利用。
实施例3
1)将温度为1000-1100℃还原气通入竖炉还原区内，从竖炉顶部加入比例为100％的钒钛磁铁矿球团与高温还原气流形成逆流接触发生还原反应生成钒钛矿海绵铁，高温钒钛矿海绵铁从竖炉底部排出，经由高温转运罐输送至外部冷却渗碳器1。
2)经由转运罐输送而至的高温钒钛矿直接还原铁从外部渗碳器1顶部加入，渗碳气体从渗碳器1的中下部通入，渗碳气体的温度约为40℃，压力为0.13MPa，调节控制渗碳气体体积组分分别为CH4：4.8％，H2：64.27％，H2O：5.78％，CO：10.39％，CO2：3.04％，N2：11.72％，渗碳气流量约802Nm3/h，气体经由分配器后导入渗碳器1装置内部，形成自下而上的均布气流与高温直接还原铁逆向接触逐步提升直接还原铁的碳含量，后经渗碳器1底部排出的钒钛矿直接还原铁的含碳量约2.3％。
3)渗碳器1顶部抽出的渗碳后气体，温度约410℃，经换热器2换热、洗涤，气流的温度降至40℃左右，经脱水器4脱水控制H2O体积百分比含量在5％-6％，后经加压机5加压气流压力约0.1MPa，再重新回掺至渗碳气流中，与渗碳气体一同通入渗碳器1内，实现循环利用。
实施例4
1)将温度为1000-1100℃还原气通入竖炉还原区内，从竖炉顶部加入比例为100％的钒钛磁铁矿球团与高温还原气流形成逆流接触发生还原反应生成钒钛矿海绵铁，高温钒钛矿海绵铁从竖炉底部排出，经由高温转运罐输送至外部冷却渗碳器1。
2)经由转运罐输送而至的高温钒钛矿直接还原铁从外部渗碳器1顶部加入，渗碳气体从渗碳器1的中下部通入，渗碳气体的温度约为40℃，压力为0.1MPa，调节控制渗碳气体体积组分分别为CH4：0.3％，H2：15％，H2O：2％，CO：50.2％，CO2：5.5％，N2：27％，渗碳气流量约760Nm3/h，气体经由分配器后导入渗碳器1装置内部，形成自下而上的均布气流与高温直接还原铁逆向接触逐步提升直接还原铁的碳含量，后经渗碳器1底部排出的钒钛矿直接还原铁的含碳量约0.5％。
3)渗碳器1顶部抽出的渗碳后气体，温度约380℃，经换热器2换热、洗涤，气流的温度降至40℃左右，经脱水器4脱水控制H2O体积百分比含量在2％-3％，后经加压机5加压气流压力约0.1MPa，再重新回掺至渗碳气流中，与渗碳气体一同通入渗碳器1内，实现循环利用。
实施例5
1)将温度为1000-1100℃还原气通入竖炉还原区内，从竖炉顶部加入比例为100％的钒钛磁铁矿球团与高温还原气流形成逆流接触发生还原反应生成钒钛矿海绵铁，高温钒钛矿海绵铁从竖炉底部排出，经由高温转运罐输送至外部冷却渗碳器1。
2)经由转运罐输送而至的高温钒钛矿直接还原铁从外部渗碳器1顶部加入，渗碳气体从渗碳器1的中下部通入，渗碳气体的温度约为40℃，压力为0.2MPa，调节控制渗碳气体体积组分分别为CH4：0.3％，H2：15％，H2O：2％，CO：50.2％，CO2：5.5％，N2：27％，渗碳气流量约760Nm3/h，气体经由分配器后导入渗碳器1装置内部，形成自下而上的均布气流与高温直接还原铁逆向接触逐步提升直接还原铁的碳含量，后经渗碳器1底部排出的钒钛矿直接还原铁的含碳量约2.4％。
3)渗碳器1顶部抽出的渗碳后气体，温度约405℃，经换热器2换热、洗涤，气流的温度降至40℃左右，经脱水器4脱水控制H2O体积百分比含量在2％-3％，后经加压机5加压气流压力约0.2MPa，再重新回掺至渗碳气流中，与渗碳气体一同通入渗碳器1内，实现循环利用。
实施例6
1)将温度为1000-1100℃还原气通入竖炉还原区内，从竖炉顶部加入比例为100％的钒钛磁铁矿球团与高温还原气流形成逆流接触发生还原反应生成钒钛矿海绵铁，高温钒钛矿海绵铁从竖炉底部排出，经由高温转运罐输送至外部冷却渗碳器1。
2)经由转运罐输送而至的高温钒钛矿直接还原铁从外部渗碳器1顶部加入，渗碳气体从渗碳器1的中下部通入，渗碳气体的温度约为40℃，压力为0.3MPa，调节控制渗碳气体体积组分分别为CH4：0.3％，H2：15％，H2O：2％，CO：50.2％，CO2：5.5％，N2：27％，渗碳气流量约760Nm3/h，气体经由分配器后导入渗碳器1装置内部，形成自下而上的均布气流与高温直接还原铁逆向接触逐步提升直接还原铁的碳含量，后经渗碳器1底部排出的钒钛矿直接还原铁的含碳量约3.4％。
3)渗碳器1顶部抽出的渗碳后气体，温度约400℃，经换热器2换热、洗涤，气流的温度降至40℃左右，经脱水器4脱水控制H2O体积百分比含量在2％-3％，后经加压机5加压气流压力约0.3MPa，再重新回掺至渗碳气流中，与渗碳气体一同通入渗碳器1内，实现循环利用。
下表为本发明的实施例统计表
由上表和实施例可以看出，主渗碳气的成分配比中，主要是CH4-H2体系(简称C-H系)和CO-CO2体系(即C-O系)的占比对直接还原铁的含碳量起主要影响。
1、当C-H系主导时，即C-H系占渗碳气体百分比大于50％，小于等于85％，且主渗碳气中C-H系的CH4体积分数≥4.9％时，直接还原铁渗碳主要表现为C-H系的作用结果，提升C-H系中CH4比重，渗碳量明显增大。如实施例1至3所示，但需控制CH4含量，渗碳气中CH4体积分数＞5％可能会引起直接还原铁的粘结，不利于工艺顺行。如统计表中实施例编号7-11所示，由于受渗碳气体系中CH4含量限制，增大C-H系配比，只有不断增大H2的体积含量，因此，C-H系中CH4体积分数随之不断减小，渗碳效果将持续减弱。
2、当C-O系主导时，即C-O系占渗碳气体百分比大于50％，小于等于70％，且主渗碳气中C-O系的CO体积分数≥90％时，直接还原铁的渗碳主要是C-O系的作用结果，提高渗碳气的压力条件，直接还原铁渗碳量呈现逐渐增大趋势，此时CH4和H2主要起冷却作用，对渗碳量贡献不明显。如实施例4至6所示，渗碳气体中H2O和CO2的影响较小，一般控制在6％以下即可。如统计表中实施例编号12-13所示，理论上可通过继续加大C-O系比重，来增加渗碳量，但实际工况中由于动力学条件限制，较难达到，从生产操作经济性考虑也并不适宜。
从上述实施例中可以看出，本发明工艺通过调节控制送入外部渗碳器冷却渗碳气体的气体组分比例，可实现钒钛磁铁矿直接还原铁含碳量在0.5％-4.0％范围内精确控制；对转送至外部冷却渗碳器的钒钛磁铁矿直接还原铁的温度条件并无严苛限制，能够实现钒钛矿直接还原铁的含碳量控制在0.5％-4.0％的较宽范围，有效降低矿热炉在深度还原工序中的外配碳量，减小钒钛矿在熔分工序的能源消耗。
本发明还将钒钛磁铁矿直接还原铁的还原区与渗碳区进行物理分离，避免了钒钛磁铁矿在高温还原区内由于渗碳反应导致直接还原铁粘结甚至粉化，利于钒钛磁铁矿的顺利还原，也保证了钒钛磁铁矿海绵铁含碳量满足后续矿热熔分要求。
任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、在竖炉中通过还原反应生成直接还原铁；
b、将步骤a中获得的直接还原铁经竖炉下部排出，并保温转运至外部渗碳器；
c、将步骤b中获得的直接还原铁从渗碳器顶部加入，渗碳气体从渗碳器的中下部通入，形成自下而上的渗碳气流并与下行的直接还原铁逆向接触，反应完成后，将直接还原铁从渗碳器底部排出。
2.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：所述步骤a中，将温度为1000℃-1100℃的还原气体通入竖炉还原区内，从竖炉顶部加入钒钛磁铁矿原料，与还原气体形成逆流接触进行还原反应生成钒钛磁铁矿直接还原铁。
3.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：所述步骤c中，从渗碳器顶部抽出的渗碳后气体，经换热、洗涤、脱水、加压后，与渗碳气体一起通入渗碳器中。
4.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：所述步骤c中，渗碳气体从渗碳器的中下部通入，通过分配器形成均匀煤气流进入渗碳器内部。
5.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：所述步骤c中，从渗碳器中下部通入的渗碳气体温度为30℃-40℃。
6.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：所述步骤c中，从渗碳器中下部通入的渗碳气体的压力为0.1～0.3MPa。
7.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：所述步骤c中，通入渗碳器的渗碳气体中H2O的体积百分比为小于等于6％，CO2的体积百分比小于等于6％，CH4的体积百分比为小于5％。
8.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：所述步骤c中，从渗碳器底部排出的钒钛磁铁矿直接还原铁的含碳量为0.5％-4％。
9.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：竖炉中还原气体经还原反应后成为竖炉炉顶气，通入渗碳器的渗碳气体为混有CH4的竖炉炉顶气。
10.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿竖炉直接还原铁的渗碳工艺，其特征在于：所述步骤c中，从渗碳器顶部抽出的渗碳后气体的温度为350℃-450℃。
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