CN107262731B - 一种粉状铁矿直接还原铁热压煅轧材/机械零部件制品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于黑色金属冶金领域，尤其涉及一种粉状铁矿直接还原铁热压煅轧材/机械零部件制品的方法。本发明制备的制品可替代绝大部分铸铁、铸钢机械部件毛坯，也可替代熔融炼钢法生产煅材或钢坯、钢锭、板坯等轧钢材料，还可联产化工金属铁粉。TFe95～98％高品质粒铁金属铁粉可配加部分合金粉或非金属粉，热压锻造更高端的耐腐、耐磨、耐高温及高强度的特钢零部件制品或复合材料。本发明颠覆了国际上传统熔融冶炼钢铁和熔融铸造的方法和工艺技术，开创出一种原料来源广泛、工序简单、操作简单、成本低廉、节能环保、循环经济的固‑固态冶炼钢铁及机械零部件制备并联产化工金属铁粉的新方法，在国际上钢铁冶炼和铸造领域树起一座新的里程碑。

Description

一种粉状铁矿直接还原铁热压煅轧材/机械零部件制品的 方法

技术领域

本发明属于黑色金属冶金领域，尤其涉及一种粉状铁矿直接还原铁热压煅轧材/机械零部件制品的方法。

背景技术

我国虽然铁矿资源分布广泛，但低贫细难选铁矿资源(鲕状赤铁矿、羚羊石矿、褐铁矿、镜铁矿、赤铁矿、菱铁矿等难选矿；钒钛磁铁矿(海砂)、硼铁矿、锰铁矿、铬铁矿、红土镍矿等复合矿)分布却铁矿资源占97％以上，至今没有得到很好的利用和开发，造成资源闲置和浪费，反而，钢厂每年还需要进口大量的高品位铁矿石，进口依赖程度占钢厂铁矿石总消耗量的85％以上，并且每年也会有大量的氧化铁皮，只作为普通铁矿粉进行烧结使用，没有发挥其独有的特长优势，浪费了资源。

气割渣主要来源于钢结构及钢铁采用气割切割过程中，气割枪的燃烧温度，喷出高速切割氧气流，使切口处金属剧烈燃烧并将燃烧后的金属氧化物吹除实现工件分离，是铁在纯氧中的燃烧过程而不是熔化过程生产出渣块，它主要包括：气焊渣，氧化铁，氧化皮。

钢材锻造、热轧热加工及冷拔丝时，由于钢铁和空气中氧的反应，常会大量形成氧化铁皮，属于钢铁冶金固体废弃物，氧化铁皮的主要成分是Fe2O3、Fe3O4、FeO。还有硫酸渣、氧化铝赤泥、铜渣、镍渣、铅锌渣、铬渣(含六价铬)、冶金污泥(灰)等含铁废料。

全国每年生产氧化铁皮约1000万吨左右，每年还有几千万吨含铁废料产生，如果不及时处理，造成堆积，浪费资源。

近十年来，中国制造业始终保持良好的发展态势，并且具有比较牢固的基础和抗冲击能力。随着科学技术的迅速发展和制造环境的变化，尤其是以计算机和信息技术为代表的高技术的广泛应用，为当代制造业的革命提供了众多的手段，正在使制造业的生产技术、生产方式、生产规模发生重大转变，高技术与传统制造技术相结合而形成的先进制造技术也引起了各国的高度重视，因此，需求大量的机械零部件。

目前，国家在积极推广各领域环保项目，污水处理、废酸水置换排放等环保项目也越来越多，需要大量的金属铁粉进行污水脱氧处理、废酸置换处理及食品保鲜剂等应用。

采用还原金属铁粉进行污水处理是目前污水和自来水处理的主要方法之一，在国内外已经有多年的历史。但是，由于还原铁粉本身化学成分复杂、组织结构细密，导致反应速度慢、反应柱易堵塞、对高浓度废水处理效果差，而且还原铁粉用量大，投资、运行费用相对较高。

直接还原金属铁粉(也称为化工金属铁粉、净水剂)，因其比表面积远远大于铁屑、钢削，每吨直接还原金属铁比表面积是铁屑、钢削的5～10万倍，要求TFe含量80％～90％，30～160目可调，近年来，用直接还原金属铁取代铁削粉、钢削粉用于污水处理、废酸水置换排放，取得了很好的效果，国内外这方面的例子越来越多。

粉末冶金压制的制品，取得机车等行业的广泛认可，我国粉末冶金制品在汽车、摩托车等领域其应用量越来越广大，已经达到5％～8％的应用量，同时具有环保节能；但粉末冶金制品的工艺传统、落后，原料来源少，价格昂贵，因此，生产成本很高，一般在8000～20000元/吨，甚至10000元/吨以上，成本很高，粉末冶金制品一般只能用于单件重量1～2kg以下的部件，尚无法生产几十公斤、甚至1吨重的较大型部件，更重要的是，粉末冶金需要的超纯铁精矿粉的来源有限，这是阻碍粉末冶金发展的致命根源，因此，低端、中端机械部件尚无法采用粉末冶金制品替代，需要开发出加工成本低、节能环保、循环经济的部件制品，以满足机械配件、配重铁、五金等行业的广泛应用的意义非常大。

2016年全球粗钢产量为16.29亿吨，其中亚洲粗钢产量达到11.25亿吨，中国粗钢产量8.08亿吨，占全球比重49.6％，现有的钢铁冶炼技术均为转炉冶炼、电炉冶炼和感应炉熔化的熔融炼钢形式。

在中国，绝大部分钢铁冶炼为转炉法和电弧炉法，甚至还有“感应炉地条钢”炼钢方法，造成产能过剩，能耗高，环境污染严重；随着焦煤资源的日益贫乏，中国政府很早就提出鼓励开发直接还原铁、熔融还原铁和短流程炼钢，开拓出节能减排降碳的环保钢铁冶炼新方法，至今，也没有真正的突破短流程炼钢及熔融还原铁工艺技术的重大突破，2017年计划去产能1亿吨。

我国是机械生产大国，当然也是铸铁、铸钢大国，现有的铸件毛坯均采用冲天炉、化铁炉、高炉或感应炉对生铁、废钢等加热熔分，再进行铸造，不但需要消耗焦炭，而且能耗较高，也造成环境污染。因此，国家计划取缔年规模1万吨以下的小型铸造厂。因此，铸造市场也逐渐存在废钢积压，铸件难买等问题。因此，寻找一种原料来源广泛、资源持续发展、节能环保、循环经济的新的冶铁或炼钢的方法，势在必行！

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种粉状铁矿直接还原铁热压煅轧材/机械零部件制品的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种粉状铁矿直接还原铁热压煅轧材/机械零部件制品的方法，步骤如下：

(1)取碱度R＞0.1、细度为140-200目的粉状铁矿；加入助剂混合、润磨，再配加入粒度为0-10mm，铁矿粉重量30-40％的还原剂；

(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)的混合料加入回转窑中，在1050-1080℃条件下还原，还原时间为2.0-2.8h，出料后在煤粉保护下冷却至200℃以下；

(3)将步骤(2)冷却后的物料，在2800-3200Gs磁场强度下磁选分离出磁性物和非磁性物；将磁性物进一步分离出金属铁粉和粒度为2-6mm、强度为2800-3200N/个的粒铁；

(4)将步骤(3)的金属铁粉经湿式打磨后，在2200～2800Gs的磁场强度下进行湿式磁选，获得TFe≥90％、ηFe≥93％、放氢量400～500的还原金属铁粉，经200℃以下热烟气烘干，制得优质化工金属铁粉；

(5)将步骤(3)的粒铁在800～1000Gs磁选强度进行打磨和湿式弱磁选，获得细度200-325目、TFe95-98％的粒铁金属铁粉，加入粒铁金属铁粉重量0.5-0.6％的硅铁粉和粒铁金属铁粉重量0.9-1.2％的锰铁粉混合，加热到750℃，在模具内经一次热压或二次热压后，置于石灰粉中缓冷4h，制得煅轧材/机械零部件制品。

本发明的有益效果是：

1、本发明将任何高品位及各种难选矿、复合矿、含铁废料的氧化铁(包括硅酸铁、碳酸铁)，在一定还原温度下，进行深度还原的同时，改变了原有复杂物相晶格结构，使金属铁晶粒变大(一般铁晶粒≥200μm，甚至是几个毫米)，形成脉石(渣)与金属铁两种聚团分明、简单的物相结构，由难选复杂的物相结构改变成简单的物相结构；被还原物料出炉冷却后，通过简单的湿式打磨和湿式磁选就可以获得TFe≥90％、回收率≥93％金属铁粉。

2、以往发明的半熔融状态分离得到的粒铁，强度极高，难以打磨成很细的粉末，并且其气孔率较低；如果降低还原温度，就无法实现渣铁分离的还原要求，更无法还原获得粒铁；而本发明使用适合的还原窑炉和适合的还原温度及专有的配方，才能获得适合强度的粒铁强度，粒铁才能轻松打磨、分离出很高品质的金属细粉。

3、本发明还可以将磁选物进一步分离得到的金属铁粉和粒铁混合，直接打磨至160～180目，在800-1200Gs磁场强度下进行湿式磁选，得到TFe＞95％的高纯金属铁粉和TFe＞85％的普通金属铁粉；将高纯金属铁粉与其重量30-50％的钢削金属铁粉等混合，将混料加热到750℃，在模具内经一次热压后，置于石灰粉中缓冷4h，制得普通配重铁块制品(低端制品)。

4、本发明采用液压机进行热压成型，制品的密度在6.9～7.8t/m³，可以热压成钢坯、板坯、配重铁或低强度的机械零部件制品；磁选分离出的磁选物不经过进一步分离，直接打磨和湿式磁选得到的金属铁粉可用于制备机械强度要求较低的制品(低端制品)，如各种配重铁块及装饰品、工艺品、LOGO、炉灶底盘、或如下水道井盖、井漏、皮带轮、轴承座及盖、电机壳、低压法兰、耐磨球等(中端制品)。

一次成型后的热压制品，再进行二次加温烧结，加热温度在750～900℃，再进行二次煅压，煅压密度达到7.8t/m³以上，可煅压出锻件机械零部件制品或特种钢材制品。二次煅压的机械零部件制品，可用于各种低压阀体、联轴器、齿轮、泵体、叶轮、机械曲轴甚至大型曲轴等机械强度较高的部件(中高端制品)；

二次热压的制品完全替代铸铁、铸钢机械部件，也无需采用冲天炉、化铁炉、感应炉等高污染炉具，进行熔融铸造，最大限度的做到了节能环保降碳，比铸铁成本费用几乎降低50％，比铸钢成本费用降低60％以上。

5、本发明制备的制品可替代绝大部分铸铁、铸钢机械部件毛坯，甚至也可替代熔融炼钢法生产煅材或钢坯、钢锭、板坯等轧钢材料；渣铁分离还原后分离出粒铁以外少量的金属粉，经打磨、湿式磁选获得TFe85～90％的还原金属铁粉，可作为400～500高放氢量的化工金属铁粉使用。TFe95～98％高品质粒铁金属铁粉也可配加部分合金粉或非金属粉，热压锻造更高端的耐腐、耐磨、耐高温、高强度的特钢零部件制品或复合材料。

6、本发明颠覆了国际上传统熔融冶炼钢铁和熔融铸造的方法和工艺技术，开创出一种原料来源广泛、工序简单、操作简单、成本低廉、节能环保、循环经济的固-固态冶炼钢铁及机械零部件制备并联产化工金属铁粉的新方法，在国际上钢铁冶炼和铸造领域树起一座新的里程碑。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤(1)中所述的粉状铁矿品位为TFe＞62％，助剂的配加量为粉状铁矿重量的1-3％，使得粉状铁矿碱度R为0.1-0.3。

进一步，步骤(1)中所述的粉状铁矿品位为TFe42-62％，助剂的配加量为粉状铁矿重量的3-12％，使得粉状铁矿碱度R为0.3-0.6。

进一步，所述的助剂按重量百分比包括：熟化石灰粉25-60％、萤石粉25-60％、玻璃粉15-30％、纯碱0-5％和硼砂0-5％。

采用上述进一步方案的有益效果是，熟化石灰粉既是助剂也是粘结剂，使石灰粉和铁矿粉颗粒充分结合一起，利于铁矿粉颗粒进行渣铁分离还原；本身也是脱硫剂，可以脱出大部分还原剂及铁矿粉的硫份，

更进一步，所述的萤石粉中CaF₂≥88％，所述的玻璃粉熔点≤800℃。

进一步，所述的还原剂为无烟煤、烟煤、兰炭或生物质碳。

进一步，步骤(2)中所述的惰性气体为氮气或二氧化碳，所述的回转窑为通体外加热隔焰式回转窑或煤基隔焰式回转窑。

其中，所述的通体外加热隔焰式回转窑为本人专利号201510078928.6公开的一种通体外加热隔焰式回转窑；所述的煤基隔焰式回转窑为本人专利号201620075171.5公开的一种煤基隔焰式回转窑。

采用上述进一步方案的有益效果是，本发明使用的回转窑可以采用任何铁矿种还原生产还原铁产品，入炉的铁原料加工灵活(可以是颗粒料，也可以是粉状料)，还原剂可任意选择还原煤炭粒度和种类，还原剂配加方法灵活，物料受热均匀，实现低温度深度还原和渣铁分离还原，还原速度快，可操作性强、节能减排环保、单条生产线产能大。

进一步，步骤(3)中所述的非磁性物为还原剂残留物，作为还原剂循环使用。

进一步，步骤(3)中的磁选物分离方法为孔径1.5mm振动筛或打磨磁选。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种粉状铁矿直接还原铁热压配重铁块(低档制品)的方法，步骤如下：

(1)取碱度R为0.116、细度为140-160目的湖南石门鲕状赤铁矿粉，加入赤铁矿粉重量8％助剂混合润磨，使其碱度R为0.45，再加入粒度为0-10mm、按照铁矿粉重量30％、热值28590kJ/kg的无烟煤，混合10min；

其中，湖南石门鮞状赤铁矿粉的指标见表1，助剂配方见表2。

表1

表2

(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)的混料直径￠219mm×22000mm的隔焰式回转窑内进行渣铁分离还原，在1080℃条件下还原2.5h，出料在煤粉保护下冷却至150℃；

(3)将步骤(2)的出料在3200Gs磁场强度下磁选分离出磁性物和非磁性物；将磁性物将磁性物进一步分离出金属铁粉和粒度为2-6mm、强度为2800-3200N/个的粒铁，金属铁粉和粒铁混合，直接打磨至160-180目，在800Gs磁场强度下进行湿式磁选，得到高纯金属铁粉和普通金属铁粉，普通金属铁粉作为优质化工金属铁粉使用，其指标见表3。

表3

(4)将步骤(3)的高纯金属铁粉与其重量50％的钢削金属铁粉(TFe98.88％、细度100～160目)混合，将50kg混合金属铁粉在1吨感应炉内采用电感应加热到750℃，迅速加入2000吨液压机的模具内，迅速将模具内的金属铁粉刮平，一次热压，取出压件，放入石灰粉中缓冷4h，取出，配重块平整、无缺陷、呈银灰色，检测密度为7.78t/m³。

实施例2

一种粉状铁矿直接还原铁热压机械零部件制品(中档制品)的方法，步骤如下：

(1)取碱度R为0.02、细度为140-180目的铁矿粉(选自辽宁省北票市某选矿厂)，按照加入铁矿粉重量2.5％的助剂混合润磨，使其碱度R为0.21，再加入粒度为0-10mm、热值22990kJ/kg、铁矿粉重量40％的烟煤，混碾10min；助剂配方见表4。

表4

(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)的混料加入直径￠219mm×22000mm的隔焰式回转窑内进行渣铁分离还原，在1050℃条件下还原2.8h，出料在煤粉保护下冷却至150℃；

(3)将步骤(2)的出料在3200Gs磁场强度下磁选分离出磁性物和非磁性物；将磁选物采用14目振动筛分离出金属铁粉和粒度为2-6mm、强度为2800-3200N/个的粒铁；

(4)将步骤(3)的金属铁粉打磨至160～180目，经湿式打磨后，在2200Gs的磁场强度下进行湿式磁选，获得TFe≥90％、ηFe≥93％、放氢量480的还原金属铁粉，经200℃以下热烟气烘干，制得优质化工金属铁粉；

(5)将步骤(3)的粒铁在800Gs磁选强度进行打磨和湿式弱磁选，获得细度200-325目粒铁金属铁粉，加入粒铁金属铁粉重量0.6％的硅铁粉和粒铁金属铁粉重量1.2％的锰铁粉混合，得到混合金属粉，其指标见表5；

表5

(6)将步骤(5)的混合金属粉加热到750℃，迅速加入1250吨液压机的模具内，迅速将模具内的金属铁粉刮平，一次热压，取出压件，再进行加热、烧结到950℃，将热压块，再次放入2000吨压力机模具内，煅压一次，取出后再加热到900℃调质后，放入石灰粉中缓冷4h，取出，加工，机械部件制品无砂孔，光洁明亮、无缺陷检测密度为7.8t/m³。

实施例3

一种粉状铁矿直接还原铁热压煅轧材(中高档制品)的方法，步骤如下：

(1)取碱度R为0.02、细度为140-180目的铁矿粉(选自辽宁省北票市某选矿厂)，按照加入铁矿粉重量3％的助剂混合润磨，使其碱度R为0.26，再加入粒度为0-10mm、热值22990kJ/kg、按照铁矿粉重量40％的烟煤，，混碾10min；助剂配方见表6。

表6

(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)的混料加入直径￠219mm×22000mm的隔焰式回转窑内进行渣铁分离还原，在1050℃条件下还原2.8h，出料在煤粉保护下冷却至150℃；

(3)将步骤(2)的出料在3200Gs磁场强度下磁选分离出磁性物和非磁性物；将磁选物采用14目筛孔的振动筛分离出金属铁粉和粒度为2-6mm、强度为2800-3200N/个的粒铁；

(4)将步骤(3)的金属铁粉打磨至160～180目，经湿式打磨后，在2200Gs的磁场强度下进行湿式磁选，获得TFe≥90％、ηFe≥93％、放氢量480的还原金属铁粉，经200℃以下热烟气烘干，制得优质化工金属铁粉；

(5)将步骤(3)的粒铁在800Gs磁选强度进行打磨和湿式弱磁选，获得细度200-325目粒铁金属铁粉，加入粒铁金属铁粉重量0.5％的硅铁粉和粒铁金属铁粉重量0.9％的锰铁粉混合，得到混合金属粉，其指标见表7。

表7

(6)将步骤(5)的混合金属粉加热到750℃，迅速加入1250吨液压机的模具内，压制成一个圆柱型，再采用空气锤直接锻打出直接￠25mm的棒材，放入石灰粉中缓冷4h，取出，加工成￠16mm的圆钢试样棒，经检测，其物理指标见表8。

表8

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种粉状铁矿直接还原铁热压煅轧材/机械零部件制品的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)取碱度R＞0.1、细度为140-200目的粉状铁矿；加入助剂混合、润磨，再配加入粒度为0-10mm，铁矿粉重量30-40％的还原剂；

(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)的混合料加入回转窑中，在1050-1080℃条件下还原，还原时间为2.0-2.8h，出料后迅速在煤粉保护下冷却至200℃以下；

(3)将步骤(2)冷却后的物料，在2800-3200Gs磁场强度下磁选分离出磁性物和非磁性物；将磁性物进一步分离出金属铁粉和粒度为2-6mm、强度为2800-3200N/个的粒铁；

(4)将步骤(3)的金属铁粉经湿式打磨后，在2200～2800Gs的磁场强度下进行湿式磁选，获得TFe≥90％、ηFe≥93％、放氢量400～500的还原金属铁粉，经200℃以下热烟气烘干，制得优质化工金属铁粉；

(5)将步骤(3)的粒铁在800～1000Gs磁选强度进行打磨和湿式弱磁选，获得细度200-325目、TFe95-98％的粒铁金属铁粉，加入粒铁金属铁粉重量0.5-0.6％的硅铁粉和粒铁金属铁粉重量0.9-1.2％的锰铁粉混合，加热到750℃，在模具内经一次热压或二次热压后，置于石灰粉中缓冷4h，制得煅轧材/机械零部件制品；

所述的回转窑为通体外加热隔焰式回转窑或煤基隔焰式回转窑。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的粉状铁矿品位为TFe＞62％，助剂的配加量为粉状铁矿重量的1-3％，使得粉状铁矿碱度R为0.1-0.3。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的粉状铁矿品位为TFe42-62％，助剂的配加量为粉状铁矿重量的3-12％，使得粉状铁矿碱度R为0.3-0.6。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述的助剂按重量百分比包括：熟化石灰粉25-60％、萤石粉25-60％、玻璃粉15-30％、纯碱0-5％和硼砂0-5％。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的萤石粉中CaF₂≥88％，所述的玻璃粉熔点≤800℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的还原剂为无烟煤、烟煤、兰炭或生物质碳。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的惰性气体为氮气或二氧化碳。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的非磁性物为还原剂残留物，作为还原剂循环使用。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的磁选物分离方法为孔径1.5mm振动筛或打磨、磁选。