CN105969925A - 一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，属于炼铁技术领域。所述方法首先通过往铁矿粉中配入Al₂O₃调整铁矿粉中Al₂O₃含量，以及通过往铁矿粉中配入碱性氧化物或酸性氧化物调整铁矿粉的二元碱度，获得调整后铁矿粉，往所述整后铁矿粉中配入碳质还原剂和粘结剂，形成混合料，将混合料制成含碳球团，将所述含碳球团置于环形转底炉内进行加热还原，实现渣铁分离，制备获得碳含量为0.8%～4.0%的粒状生铁。本发明通过调整铁矿粉中Al₂O₃含量和二元碱度来改变反应过程渣铁分离和渗碳行为，从而找到一种可以调节生铁中渗碳量的方法，达到灵活调控生铁成分、降低炼铁工序耗碳量、提高炼钢效率、降低二氧化碳排放的目的。

Description

一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺

技术领域

本发明主要属于炼铁技术领域，具体涉及一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺。

背景技术

钢铁材料是人类社会生产、生活的所必须的结构材料，应用十分广泛。从历史发展角度来说，钢铁制造过程均是先按照先炼铁后炼钢的顺序进行的，因此，炼铁是钢铁生产中的重要环节。人类在古代就发明了高炉炼铁工艺，这种方法是由古代竖炉炼铁发展、改进而成的，在1709年开始使用焦炭炼铁从而产生了近代意义上的高炉。目前，在中国90％左右的钢材是通过高炉-转炉工艺生产的，然而在美国，这种工艺生产的钢材比例不足40％。经过三百多年的发展，高炉炼铁工艺从技术角度已接近完美，高炉炼铁以其技术经济指标良好、工艺简单、生产量大、劳动生产率高、能耗低的优点而占世界铁总产量的95％。

高炉炼铁是在一个密闭的反应器中进行的。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭，从位于炉子下部的风口吹入经过富氧的热风，同时喷吹煤粉。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入热风中的氧燃烧生成的一氧化碳，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到金属铁。全过程是在炉料自上而下、煤气自下而上的相互紧密接触过程中完成的。当矿石升到一定温度时先软化，后熔融滴落，实现渣铁分离。已熔化的渣铁之间及与固态焦炭接触过程中，发生终还原及渗碳反应，最终得到铁水。可见，高炉炼铁无法摆脱对块状含铁炉料和焦炭的依赖，而且烧结和焦化过程均是污染较大的工艺，随着社会经济的发展，受环保要求的约束会越来越大。此外，焦煤资源有限，我国焦煤储量仅够使用30年。更为重要的是，受热力学平衡的影响，高炉炼铁过程会产生大量含CO的低热值炉顶煤气，而且铁水渗碳几乎无法调节，现代高炉条件下，炼钢生铁的铁水含碳量在4.5％～5.4％之间波动，这样高的碳含量对炼钢工序来说是大大过剩的，转炉吹炼过程中生铁中的碳被氧化脱除，同时又产生大量的热和煤气。煤气和显热只能用来燃烧和回收发电，而这些碳元素和热量均来自宝贵的焦炭，受能源转换效率的制约且能源品质大大降低，使得焦炭资源被大大浪费了。

为了摆脱对高成本焦炭资源的依赖，国际上相继成功开发了Corex、Finex等非高炉熔融还原炼铁工艺，并实现了工业化应用。这两种工艺本质上讲是将高炉拆分成了预还原炉和熔融造气炉两个相对独立的部分，不同的是Corex采用是竖炉实现块状铁矿的预还原，而Finex采用的是流化床实现粉状铁矿的预还原。二者均设置有熔融造气炉，预还原的铁料在其中进行熔融还原和渗碳，而且均需要消耗一定量的块状焦炭在炉内维持一个焦炭床以保证冶炼过程的顺行。液态的生铁和焦炭共存时渗碳反应很容易接近平衡，使得生铁里的碳量达到与高炉生铁相近的数值。因此，Corex和Finex工艺同样也无法避免通过铁水渗碳消耗部分焦炭且铁水中过量的碳在炼钢工序被再次消耗的事实。

因此，目前已有的液态生铁冶炼工艺，无论是高炉炼铁还是非高炉炼铁，均无法人为控制铁水的渗碳量，因此很少有研究人员从降低生铁含碳量这个角度去思考如何实现炼铁工序的节碳减排，大多是从原燃料优化、工艺参数调整、煤气循环等角度进行相关研究。

根据生产经验来说：入炉含铁炉料品位提高1％，焦比下降1.0～1.5％；烧结矿碱度降低0.1(当CaO/SiO₂＜1.85时)，焦比升高3～3.5％；烧结矿的FeO升高1％，高炉焦比升高1.0～1.5％；烧结及球团转鼓强度每提高1％，高炉燃料比下降0.5％；矿石含S每增加1％，燃料比上升5％；含铁原料还原性降低10％，焦比升高8～9kg/t；渣量每增加100kg/t，焦比升高3.0～3.5％。高炉热风温度提高100℃(在950℃～1300℃风温范围内)，入炉焦比下降8～20kg/t；高炉鼓风富氧1％，焦比下降0.5％；炉顶压力提高10kPa，焦比下降0.3～0.5％。

发明名称为“一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺”的中国专利(申请号：CN201410360923.8)，公开了一种基于喷吹高温煤气的炼铁工艺，该工艺采用富氧气常温鼓风代替空气热风操作，利用煤气化装置产生的高温煤气混合脱除CO₂的炉顶循环煤气分别从炉身和炉缸鼓入高炉，该炼铁工艺焦比可降低到180～260kg/tHM。

转底炉煤基直接还原工艺已有近40年的发展历史，主体设备源于轧钢用的环形加热炉，最初的目的是用于处理钢铁企业含铁废料，但很快就有美国、德国、日本等国将其转而开发应用于铁矿石的直接还原，从而成为一种有发展前景的非高炉炼铁工艺。转底炉因具有环形炉膛和可转动的炉底而得名，其原料主要是铁矿粉和煤粉制成的含碳球团，经配料、混料、制球和干燥后加入转底炉中，含碳球团在随着炉底旋转的过程中被加热，铁矿被内配碳快速还原。若炉膛还原段温度在1250～1300℃左右，产品为金属化球团，若继续提高还原温度至1350～1450℃，球团还原后会发生渣铁分离，产品为粒状铁珠，与高炉生铁化学性质相似，主要成分为Fe、C，杂质元素含量主要受原燃料条件和还原熔分工艺的影响，可以用作电炉炉料、转炉炼钢的冷却剂和铸造用的优质洁净铁源。

高炉炼铁和其它以生铁为产品的非高炉炼铁工艺，铁水和炉渣均充分熔融，同时铁水与焦炭良好接触渗碳，导致渗碳量难以调控，而转底炉煤基直接还原熔分制备珠铁工艺中，由于温度低、时间短，铁和渣尚处于半熔融状态，反应的动力学条件不充分，从而为调节生铁成分提供了基础。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，所述方法充分利用转底炉内含碳球团原位非稳态快速渣铁分离的动力学优势，通过调整铁矿粉中Al₂O₃含量和二元碱度来改变反应过程渣铁分离和渗碳行为，从而找到一种可以调节生铁中渗碳量的方法，达到灵活调控生铁成分、降低炼铁工序耗碳量、提高炼钢效率、降低二氧化碳排放的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

所述方法首先通过往铁矿粉中配入Al₂O₃调整铁矿粉中Al₂O₃含量，以及通过往铁矿粉中配入碱性氧化物或酸性氧化物调整铁矿粉的二元碱度，获得调整后铁矿粉，往所述整后铁矿粉中配入碳质还原剂和粘结剂，形成混合料，将混合料制成含碳球团，将所述含碳球团置于环形转底炉内进行加热还原，实现渣铁分离，制备获得碳含量为0.8％～4.0％的粒状生铁；其中，二元碱度是指CaO/SiO₂。

进一步地，在调整后铁矿粉中控制Al₂O₃的含量在2～5％以及控制SiO₂的含量在10～20％，并且调整后铁矿粉的二元碱度为0.6～1.2；并控制还原剂的配入量为调整后铁矿粉的15～25％、粘结剂的配入量为调整后铁矿粉的1～3％，控制所述混合料中总水分的质量含量在8～12％。

进一步地，用于调整二元碱度的碱性氧化物为CaO或CaCO₃；用于调整二元碱度的酸性氧化物为SiO₂。

进一步地，所述铁矿粉为TFe在50-60％的高品位铁矿粉，或者所述铁矿粉为TFe在25-40％的低品位铁矿粉。

进一步地，所述碳质还原剂为无烟煤、烟煤、褐煤、石油焦、半焦、焦粉中的任意一种或两种以上的混合。

进一步地，控制所述铁矿粉和所述还原剂的粒度均小于1mm。

进一步地，在环形转底炉内进行加热还原的条件为：还原温度1350～1450℃，还原时间10～30分钟。

进一步地，所述方法具体为：

(1)铁矿粉成分调整及配料：根据铁矿粉的成分，通过配入Al₂O₃调整铁矿粉中Al₂O₃含量，控制铁矿粉中Al₂O₃的含量在2～5％；以及往铁矿粉中配入CaO、CaCO₃和SiO₂中的任意一种或两种，调整铁矿粉的二元碱度在0.6～1.2；再配入碳质还原剂以及粘结剂，形成混合料；其中，还原剂的配入量为铁矿粉的15～25％、粘结剂的配入量为铁矿粉的1～3％，混合料中总水分的质量含量控制在8～12％；

(2)还原熔分：将步骤(1)中的混合料经造球设备制成含碳球团，将所述含碳球团烘干备用，在转底炉的炉底耐火材料上铺3～5mm厚的焦炭颗粒，然后将烘干后的含碳球团单层布在转底炉的炉底耐火材料上，所述含碳球团在转底炉内经加热还原，实现渣铁分离，制得粒状生铁。

在铁矿含碳球团还原熔分过程中，当外部碳素过剩时，金属铁渗碳的多少是由渣相性质来决定的。随着含碳球团还原的进行，不同Al₂O₃含量、碱度时所形成渣相的性质在渣铁熔分渗碳过程的作用机制是不同的。当Al₂O₃含量达到较高数值时，随着还原的进行，渣中FeO含量先快速增加，当渣中FeO含量较高时(>20％)，渣相熔点很低，流动性良好，熔融渣相就会包裹在金属化球团外层金属铁壳的表面，随着还原的进行，渣中FeO含量逐渐降低，渣相的熔点则相应显著升高，渣相进而固结在金属铁壳的表面，从物理层面阻碍金属铁与固体碳之间的渗碳反应，使得生铁的渗碳量大大降低。

本发明中通过控制Al₂O₃的含量在2～5％以及控制调整后铁矿粉的二元碱度为0.6～1.2，进而获得不同性质的渣相，从而改变含碳球团还原熔分过程的渣铁分离行为，最终获得不同碳含量的生铁。

本发明的有益技术效果：

本发明完全不用块状冶金焦炭，对铁矿石品质要求不高，用于调整铁矿粉，而向铁矿粉中配入的Al₂O₃、石灰石(CaCO₃)、CaO以及SiO₂廉价易得；通过调整铁矿粉能够在转底炉内短时间实现原位还原熔分，最终实现生铁中碳含量的有效调控。

本发明生产周期短，操作简单，固定资产投资小，产品品质高，可以完成其它生铁冶炼工艺所不能实现的功能，有助于建设低碳环保型钢铁工业，具有较好的经济和社会效益。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

通过向高品位铁矿粉中配加SiO₂、Al₂O₃来调整铁矿粉的成分，获得调整后铁矿粉；其中，控制高品位铁矿粉的TFe(即全铁含量)为55.0％(重量百分比)、调整后铁矿粉中Al₂O₃含量为4.0％(重量百分比)；将调整后铁矿粉、无烟煤粉、粘结剂混匀，并调节混匀料水分至8％；其中，无烟煤粉的重量为调整后铁矿粉重量的20％，粘结剂重量为调整后铁矿粉质量的2％，将混合好的混匀料经对辊压球机制成含碳球团，压力为15MPa，含碳球团尺寸为40×30×20mm枕状椭球。将含碳球团经干燥后单层铺在转底炉的耐火材料上，事先在炉底耐火材料上铺3～5mm厚的焦炭颗粒。转底炉内的还原温度为1450℃，还原时间为15分钟，实现渣铁分离，得到粒状生铁。该条件下获得的生铁中碳含量为0.87％。调整后铁矿粉的成分、无烟煤粉的成分分别如表1、表2所示。

实施例2

通过向高品位铁矿粉中配加SiO₂、Al₂O₃来调整铁矿粉的成分，获得调整后铁矿粉；其中，控制高品位铁矿粉的TFe(即全铁含量)为55.0％(重量百分比)、调整后铁矿粉中Al₂O₃含量为4.0％(重量百分比)；将调整后铁矿粉、CaCO₃粉(矿石碱度为0.8)、无烟煤粉、粘结剂混匀，并调节混匀料水分至8％；其中，CaCO₃粉重量为调整后铁矿粉重量的24.8％、无烟煤粉的重量为调整后铁矿粉重量的20％，粘结剂重量为调整后铁矿粉的2％，将混合好的混匀料经对辊压球机制成含碳球团，压力为15MPa，含碳球团尺寸为40×30×20mm枕状椭球。将含碳球团经干燥后单层铺在转底炉的耐火材料上，事先在炉底耐火材料上铺3～5mm厚的焦炭颗粒。转底炉内的还原温度为1450℃，还原时间为15分钟，实现渣铁分离，得到粒状生铁。该条件下获得的生铁中碳含量为1.17％。调整后铁矿粉的成分以及无烟煤粉的成分分别如表1、表2所示。

实施例3

通过向高品位铁矿粉中配加SiO₂、Al₂O₃来调整铁矿粉的成分，获得调整后铁矿粉；其中，控制高品位铁矿粉的TFe(即全铁含量)为55.0％(重量百分比)、调整后铁矿粉中Al₂O₃含量为4.0％(重量百分比)；将调整后铁矿粉、CaCO₃粉(矿石碱度为1.2)、无烟煤粉、粘结剂混匀，并调节混匀料水分至8％；其中，CaCO₃粉重量为调整后铁矿粉重量的37.3％、无烟煤粉的重量为调整后铁矿粉重量的20％，粘结剂重量为调整后铁矿粉的2％，将混合好的混匀料经对辊压球机制成含碳球团，压力为15MPa，含碳球团尺寸为40×30×20mm枕状椭球。将含碳球团经干燥后单层铺在转底炉的耐火材料上，事先在炉底耐火材料上铺3～5mm厚的焦炭颗粒。转底炉内的还原温度为1450℃，还原时间为15分钟，实现渣铁分离，得到粒状生铁。该条件下获得的生铁中碳含量为2.05％。调整后铁矿粉的成分以及无烟煤粉的成分分别如表1、表2所示。

实施例4

通过向高品位铁矿粉中配加SiO₂、Al₂O₃来调整铁矿粉的成分，获得调整后铁矿粉；其中，控制高品位铁矿粉的TFe(即全铁含量)为55.0％(重量百分比)、调整后铁矿粉中Al₂O₃含量为2.0％(重量百分比)；将调整后铁矿粉、CaCO₃粉(矿石碱度为0.6)、无烟煤粉、粘结剂混匀，并调节混匀料水分至8％；其中，CaCO₃粉重量为调整后铁矿粉重量的16.5％、无烟煤粉的重量为调整后铁矿粉重量的20％，粘结剂重量为调整后铁矿粉的2％，将混合好的混匀料经对辊压球机制成含碳球团，压力为15MPa，含碳球团尺寸为40×30×20mm枕状椭球。将含碳球团经干燥后单层铺在转底炉的耐火材料上，事先在炉底耐火材料上铺3～5mm厚的焦炭颗粒。转底炉内的还原温度为1400℃，还原时间为15分钟，实现渣铁分离，得到粒状生铁。该条件下获得的生铁中碳含量为3.76％。调整后铁矿粉的成分以及无烟煤粉的成分分别如表3、表2所示。

表1调整后铁矿粉化学成分/％

表2无烟煤粉主要成分/％

表3调整后铁矿粉化学成分/％

Claims (8)

1.一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，其特征在于，所述方法首先通过往铁矿粉中配入Al₂O₃调整铁矿粉中Al₂O₃含量，以及通过往铁矿粉中配入碱性氧化物或酸性氧化物调整铁矿粉的二元碱度，获得调整后铁矿粉，往所述整后铁矿粉中配入碳质还原剂和粘结剂，形成混合料，将混合料制成含碳球团，将所述含碳球团置于环形转底炉内进行加热还原，实现渣铁分离，制备碳含量为0.8%～4.0%的粒状生铁。

2.根据权利要求1所述一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，其特征在于，在调整后铁矿粉中控制Al₂O₃的含量在2～5%以及控制SiO₂的含量在10～20%，并且调整后铁矿粉的二元碱度为0.6～1.2；并控制还原剂的配入量为调整后铁矿粉的15～25%、粘结剂的配入量为调整后铁矿粉的1~3%，控制所述混合料中总水分的质量含量在8~12%。

3.根据权利要求1所述一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，其特征在于，用于调整二元碱度的碱性氧化物为CaO或CaCO₃；用于调整二元碱度的酸性氧化物为SiO₂。

4.根据权利要求1所述一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，其特征在于，所述铁矿粉为TFe在50-60%的高品位铁矿粉，或者所述铁矿粉为TFe在25-40%的低品位铁矿粉。

5.根据权利要求1所述一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，其特征在于，所述碳质还原剂为无烟煤、烟煤、褐煤、石油焦、半焦、焦粉中的任意一种或两种以上的混合。

6.根据权利要求1所述一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，其特征在于，控制所述铁矿粉和所述还原剂的粒度均小于1mm。

7.根据权利要求1所述一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，其特征在于，在环形转底炉内进行加热还原的条件为：还原温度1350～1450℃，还原时间10～30分钟。

8.根据权利要求1所述一种可调控生铁渗碳量的冶炼工艺，其特征在于，所述方法具体为：

（1）铁矿粉成分调整及配料：根据铁矿粉的成分，通过配入Al₂O₃调整铁矿粉中Al₂O₃含量，控制铁矿粉中Al₂O₃的含量在2～5%；以及往铁矿粉中配入CaO、CaCO₃和SiO₂中的任意一种或两种，调整铁矿粉的二元碱度在0.6～1.2；再配入碳质还原剂以及粘结剂，形成混合料；其中，还原剂的配入量为铁矿粉的15～25%、粘结剂的配入量为铁矿粉的1~3%，混合料中总水分的质量含量控制在8~12%；

（2）还原熔分：将步骤（1）中的混合料经造球设备制成含碳球团，将所述含碳球团烘干备用，在转底炉的炉底耐火材料上铺3～5mm厚的焦炭颗粒，然后将烘干后的含碳球团单层布在转底炉的炉底耐火材料上，所述含碳球团在转底炉内经加热还原，实现渣铁分离，制得粒状生铁。