CN105755196B - 一种清洁高效的钢铁冶金方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种清洁高效的钢铁冶金方法，以铁矿为原料，以煤炭为燃料，包括步骤：1)以煤炭气化产生的还原气为还原剂，以铁矿为原料，进行气固相还原，生产包含脉石的固态金属铁或海绵铁的工艺过程；2)还原气体返回气化炉重复气化，重复气化后的气体分成两部分，一部分用于还原铁矿，并持续气化循环，另一部分气体则用于发热、发电或生产煤化工原料；3)复合固态铁与废钢的电炉双渣冶炼工艺以及电炉新型热态熔渣的保温纤维棉制备工艺。本发明工艺流程短：减少了铁矿粉烧结、球团以及炼焦工艺环节，而且将高炉炉缸深度还原、渣铁分离工艺合并到电炉冶炼环节；能源效率高；生产成本低，而且还原气的部分循环利用也大幅度减少了废气的排放。
Description
技术领域
本发明属于资源综合利用领域，具体涉及一种能质耦合的钢铁冶金工艺新方法。
背景技术
现有的钢铁冶金过程存在如下问题，(1)能源消耗高，目前钢铁冶金过程基本采用高炉炼铁工艺，采用焦炭为主要还原剂、发热剂以及支撑剂，高炉冶炼过程中铁水与焦炭的紧密接触，造成铁水碳含量饱和(约5％)，该碳含量在随后的炼钢过程绝大部分被氧化而难以利用，从而造成炼铁过程的过高能耗；(2)工艺复杂、成本高，高炉炼铁过程需要进行炼焦以及铁粉造块(烧结、球团等)，不仅工艺过程复杂，设备投资大、而且生产成本高；(3)环境污染严重，冶金过程环境污染，包括废水、废渣、废气以及粉尘等，80％以上都是由于高炉炼铁工艺以及相应的诸如烧结、球团以及焦化等辅助工艺带来的。
非高炉炼铁工艺有望解决高炉炼铁带来的问题，但到目前为止，大部分非高炉炼铁基本都是基于将高炉上下两部分机械式的分开的原理，虽然不需要烧结与焦炭，但由于传热、传质条件明显不如高炉过程，煤炭或气体还原剂的利用率太低，造成非高炉炼铁新工艺成本过高，能源利用率低，能耗高等系列问题。因此，研发一种新的能够兼顾铁冶炼过程、能源利用效率与环境污染控制的新工艺将极其重要。
随着我国钢铁工业持续高产，今后，钢铁工业原料中，废钢的比例将会越来越大，这样，目前的转炉炼钢工艺将会因为废钢的增加而难以操作，因此，新型电炉炼钢比例会不断上升。同时，新型非高炉产品主要为固相铁或海绵铁，而非液态铁水，因此，也不适宜直接进入转炉炼钢，这样非高炉固相铁与废钢进入电炉冶炼将是必然的结果，未进行渣铁分离的非高炉固相铁进入电炉，将是全新的工艺流程，也是本工艺的主要组成部分。
此外，目前，电炉炼钢高温炉渣富含的热能则基本没有利用，通过高温过程的现场组成调控，不仅可以利用高温电炉渣的热能，而且可以制备出高性能的建筑与保温材料。
发明内容
本发明目的是针对现有的钢铁冶金工艺不足之处，提出一种钢铁冶金清洁新工艺。通过还原气部分循环还原铁矿石(粉)产生与脉石未分类的固态铁或海绵铁(简称复合固态铁)工艺、还原气循环气化与分流利用工艺、复合固态铁与废钢为原料的电炉双渣冶炼工艺以及新型电炉熔渣的能质耦合利用新工艺，生产钢铁原料以及能源与资源综合利用产品的高效、清洁利用新工艺与新方法。
为实现本发明目的的技术方案为：
一种高效清洁的钢铁冶金方法，以铁矿为原料，以煤炭为燃料，包括步骤：
1)以煤炭气化产生的还原气为还原剂，以铁矿为原料，进行气固相还原，制得与脉石未分类的复合固态铁，所述复合固态铁为固态铁或海绵铁与未还原脉石的混合体；所述铁矿为富矿块矿或是经选矿获得的铁精矿；
2)还原铁矿后的还原气体返回装有煤炭的气化炉再次气化，再次气化后的气体分成两部分，占气化气体体积比30-100％的气体用于循环还原，占气化气体0-70％的气体用于燃烧发电、供热或用于生产煤化工原料；
3)复合固态铁与废钢的电炉双渣冶炼工艺以及电炉新型热态熔渣的保温纤维棉制备工艺。
其中，铁矿可以为精矿粉或块矿，铁矿全铁含量为45-70wt％，还原产生的复合固相铁中金属铁占全铁的比大于60％。
其中，步骤1)中气化用煤炭为烟煤、褐煤和无烟煤中的一种或多种，煤炭的固定碳含量为40-95wt％，煤炭气化温度为600-1500℃。
步骤1)中当铁矿为选矿获得的铁精矿。优选地，对于铁精矿为原料，可配入质量比例1-4％的生石灰、5-20％的水分、0-20％的石墨粉混匀，制备为铁矿球团，干燥后作为炼铁原料；经气固相还原反应，获得包含未还原脉石的海绵铁。
更优选地，步骤1)中气固相还原反应温度为1000℃～1100℃。
进一步地，步骤2)中再次气化产生的气体中30-80％用于还原铁矿；20-70％用做燃气或化工原料。0-70％用于燃烧发电、供热或用于生产煤化工原料。
其中，煤炭气化后的灰分直接制备保温材料，实现资源综合利用。
其中，复合固相铁通过新型电炉双渣工艺炼钢，电炉炼钢原料中可配加各类废钢，其中，复合固相铁占原料比为30-100％；废钢占0-70％；电炉冶炼分为前后两期，前期用于代替高炉下部的渣铁熔化、分离与深度还原，产生新型电炉熔渣与低碳铁水，后期则通过脱碳、脱氧以及合金化生产合格钢水。
其中，前期熔炼产生的新型电炉熔渣在其高温状态下直接通过喷吹或甩丝方法生产纤维保温材料。
所述复合固相铁新型电炉熔炼工艺，前期产生的新型电炉渣可通过能质耦合直接生产保温材料，后期冶炼渣则可通过能质耦合生产建材原料。
本发明的有益效果在于：
本发明提出一种钢铁冶金清洁高效新工艺，包含还原气部分循环还原铁矿产生复合固相铁新工艺、还原气循环气化与分流利用工艺、复合固相铁与废钢为原料的电炉双渣冶炼工艺以及高温电炉渣能质耦合利用新工艺。
本发明与传统工艺相比，具有如下特点:(1)工艺流程短：减少了铁矿粉烧结、球团以及炼焦工艺环节，而且将高炉炉缸深度还原、渣铁分离工艺合并到电炉冶炼环节，对于同样规模的钢铁厂，可节约设备投资20％以上；(2)能源效率高：通过还原气的重复气化与部分循环利用，大幅度提高了还原气的能源利用效率，同时，减少高炉炉缸环节，可大幅度减少生铁高含碳造成的燃料损失，据估计，可节约能耗10％以上；(3)生产成本低：减少了烧结、球团以及炼焦环节，节省了很多成本，利用普通煤炭气化为还原剂比使用焦炭成本低很多；(4)环境污染少：减少了焦化、烧结等冶金过程污染最严重的工艺，而且还原气的部分循环利用也大幅度减少了废气的排放。
附图说明
图1为实施例1铁矿粉还原后的显微照片。
图2为实施例1电炉双渣冶炼初渣直接通过喷吹方法制备的纤维棉。
图3为实施例3中不同温度下的铁矿粉还原反应动力学曲线。图3中的纵坐标是还原减重量占原料原始总重量的百分比，横坐标为反应时间。
图4为实施例3铁矿粉还原后的显微照片。
图5为实施例3铁矿粉还原后XRD分析图谱。
具体实施方式
下面以优选的实施例对本发明技术方案进一步说明。本领域技术人员应当知晓，以下实施例只用来说明本发明，而不用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所采用的手段均为本领域公知的技术手段。
实施例1
以首钢进口的哈默斯利铁矿块矿为原料，铁矿成分为：TFe％，64.50％；SiO2％，2.25％；FeO％，0.40％；CaO％，0.40％，Al2O3％，2.25％；MgO％，0.10％。
将上述铁矿粉碎成2毫米直径左右的颗粒，放置在实验室竖式管内，通过电加热方式控制反应温度，本实施例的还原温度为1050℃，以煤炭气化气体为还原剂进行气固相还原，还原时间2小时。
气化用煤炭选用山西潞安公司的低挥发分烟煤，煤炭主要成分如下：C，81.00％(即为固定碳含量)；H，4.10％；O，3.16％；S，0.46％；N，1.18％；灰分，10.89％；挥发分，11.20％。煤炭粉碎为4毫米左右的颗粒，置于实验室的气化炉内，气化温度可通过电加热控制，实际温度控制为1100℃。
还原过程产生的气体进入气化炉内再次气化，其中主要是对还原
气体产物二氧化碳以及水蒸汽的气化，具体反应分别为
CO2+C＝2CO；
H2O+C＝H2+CO。
重复气化的气体部分循环进入还原炉内还原铁矿，部分分流，在本实施例中，60％分流进行循环气化，40％分流后直接点燃，经烟气净化后直接排出室外。
铁矿还原后对得到的复合固态铁进行成分与物相分析，还原产物的显微分析结果如图1所示，其中白色颗粒是固态金属铁，表明铁氧化物颗粒基本上整体被还原为金属铁，化学分析结果表明，产物中铁氧化物的还原度达到81％。
以还原后的复合固态铁为原料，在实验室中频感应炉内进行熔化、分离与深度还原，为促进与固相铁伴相的脉石熔化，配加了1.2％的生石灰作为助熔剂，将固相还原铁与生石灰至于中频炉内的石墨坩埚中，石墨坩埚还可充当未还原铁氧化物的还原剂。还原熔分后的炉渣(记为初渣)是一种新型的电炉渣，与高炉渣相近，但是碱度系数低，可直接通过喷吹等方法制备矿渣纤维。本实施例所制备的矿渣纤维棉的形貌如图2所示。
排出初渣的金属铁水在中频炉内继续熔炼，通过加入氧化剂或吹氧进行氧化除碳，加入各类合金成分，可制备各类合格的冶金钢水。
实施例2
采用实施例1同样的铁矿，还原与气化部分与实施例1相同，电炉熔炼不同。在电炉熔炼时，以气固相还原的复合金属铁为主要原料，同时加入30％的废钢以及1％的生石灰，在中频炉内进行深度还原与熔分，结果与实例1基本相同，初渣量减少了约25％，还原电耗略有减少。其余基本相同。
实施例3
以攀枝花钒钛磁铁矿精矿粉为原料进行了还原试验。铁矿的主要成分为：TFe：51.58wt％，FeO 31.12wt％，TiO2 13.05％，V2O5：0.56wt％，CaO：1.54wt％，MgO：4.01wt％，Al2O3：5.65wt％，SiO2：4.84％。
首先通过铁精矿造球，铁精矿粒度为-200目(粒度在200目以下)，在铁精矿中配入1.5％的生石灰，添加10％的水分混匀，然后通过压球的方法，制备直径为8毫米的类球形铁矿球团，经干燥后作为炼铁原料。为加速还原过程，造球时配加了部分石墨粉，石墨粉既可以作为还原剂，也可以辅助球团成型。
然后在实验室电加热的竖式反应器中进行气固相还原反应，获得包含脉石的复合金属铁球(海绵铁)。
用作燃料的煤炭为山西潞安公司的低挥发分烟煤，煤炭成分与实施例1相同，煤炭破碎为4毫米左右的颗粒，置于气化炉中气化，气化温度可控制在600-1500℃，本实施例气化温度控制在1100℃。
还原铁矿后的还原气体返回装有煤炭的气化炉重复气化，重复气化后的气体分成两部分，占体积比60％的气化气用于还原铁矿，并持续气化循环；另一部分气体则可用于冶金热风炉的燃气等，实现能源的高效利用，在本实施例中，另一部分气体则直接点燃。
气固相还原反应中，试验了1273K，1323K，1373K，1423K不同温度下的反应动力学曲线，如图3所示，从图中可以看出，适宜还原温度为1273-1373K，在1373K温度(从上数第二根曲线)，还原时间为60分钟时，还原度可超过85％。
本实施例中，在1273K温度，含铁球团(海绵铁)的显微照片如图4所示，其中白色颗粒为金属铁，其XRD分析结果如图5所示，其主要成分是金属铁，元素分析可知金属铁占全铁的比例为84％。
以还原后的复合固相铁为主要原料，在实验室进行电炉双渣冶炼工艺，按质量计，复合固态铁占原料比为80％；废钢占20％；将复合固态铁与废钢置于中频炉内的石墨坩埚中，石墨坩埚可充当未还原铁氧化物的还原剂。电炉冶炼分为前后两期，前期用于代替高炉下部的渣铁熔化、分离与深度还原，产生类高炉渣与低碳铁水，后期则通过脱碳、脱氧以及合金化生产合格钢水。
本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变换、变型都将落在本发明权利要求的范围内。
Claims (7)
1.一种清洁高效的钢铁冶金方法，以铁矿为原料，以煤炭为燃料，其特征在于，包括步骤：
1)以煤炭气化产生的还原气为还原剂，以铁矿为原料，进行气固相还原，气固相还原反应温度为1000℃～1100℃，制得与脉石未分类的复合固态铁，所述复合固态铁为固态铁或海绵铁与未还原脉石的混合体；所述铁矿为富矿块矿或是经选矿获得的铁精矿；
2)还原铁矿后的还原气体返回装有煤炭的气化炉再次气化，再次气化后的气体分成两部分，占气化气体体积比30-80％的气体用于循环还原，占气化气体20-70％的气体用于燃烧发电、供热或用于生产煤化工原料；
3)以铁矿还原产生的复合固态铁为原料，采用电炉双渣冶炼工艺炼钢；电炉冶炼产生的热态熔渣用于制备保温纤维棉。
2.如权利要求1所述的钢铁冶金方法，其特征在于，所述铁矿的全铁含量为45-70wt％，还原产物复合固态铁中金属铁占全铁的比大于60％。
3.如权利要求1所述的钢铁冶金方法，其特征在于，步骤1)中气化用煤炭为烟煤、褐煤和无烟煤中的一种或多种，煤炭的固定碳含量为40-95wt％，煤炭气化温度为600-1500℃。
4.如权利要求1所述的钢铁冶金方法，其特征在于，所述步骤1)中当铁矿为经选矿获得的铁精矿时，铁矿中配入质量比例1-4％的生石灰、5-20％的水分、0-20％的石墨粉混匀，制备为铁矿球团，干燥后作为炼铁原料；经气固相还原反应，获得包含未还原脉石的海绵铁。
5.如权利要求1～4任一所述的钢铁冶金方法，其特征在于，步骤3)还原产物复合固态铁通过电炉双渣工艺炼钢，电炉炼钢原料中配加各类废钢，其中，复合固态铁占原料质量比为30-100％；废钢占原料质量比为0-70％。
6.如权利要求5所述的钢铁冶金方法，其特征在于，电炉冶炼采用前后两期的双渣冶炼工艺，前期用于代替高炉下部的渣铁熔化、分离与深度还原，产生电炉熔渣与低碳铁水，后期则通过脱碳、脱氧以及合金化生产合格钢水。
7.如权利要求6所述的钢铁冶金方法，其特征在于，前期熔炼产生的电炉熔渣在其高温状态下直接通过喷吹或甩丝方法生产纤维保温材料。
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