CN109047789A - 还原制备铁粉的装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冶金技术领域，尤其是一种提高了铁粉的生产速率，同时降低了还原温度，实现较低温度下还原，节约能耗，降低生产成本的还原制备铁粉的装置及制备方法，包括原料料仓，包括成品料仓、保护气吹扫系统、还原介质供给系统和至少两级流态化反应器，所述各级流态化反应器之间为串联连通，其中，原料料仓与第一级流态化反应器连通，第二级流态化反应器与成品料仓连通，保护气吹扫系统与第二级流态化反应器连通，还原介质供给系统与第二级流态化反应器连通。本发明节约了铁粉破磨工序，减少工艺环节，降低安全生产风险。本发明尤其适用于高品质铁矿粉的生产之中。

Description

还原制备铁粉的装置及制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，尤其是一种还原制备铁粉的装置及制备方法。
背景技术
现今主宰铁粉市场的铁粉生产的主要工艺有：铁氧化物还原工艺的赫格纳斯法和派隆法，低碳钢液的水雾化法，属于高纯生铁喷丸的球磨和脱碳工艺的QMP法。其中赫格纳斯法和水雾化法的铁粉生产量具有压倒优势。赫格纳斯法(Hoganas Process)是瑞典Hoganas公司开发的固体碳～氢二步还原工艺。先将铁精矿粉与低硫焦炭屑-石灰石粉(用以脱硫)混合还原剂间层式装填在SiC质还原容器内，通过隧道窑加热至约1200℃，使矿粉还原成海绵铁。海绵铁经破碎成小于0.175mm(-80目)或小于0.14mm(-100目)后，铺加于钢带式还原炉内，在800～900℃下以分解氨进行还原退火。退火后的烧结粉块加以锤破，即可得到优质海绵铁粉。低碳钢液水雾化法低碳废钢通过熔化造渣除去或减少磷、硅和其他杂质元素后，通过漏嘴流入雾化器中，同时喷入高压(约8.3MPa)水流击碎金属流而成液滴，液滴落入底下的水槽冷却而凝固成粉。粉末经磁选、脱水和干燥后，送入带式炉，在800～1000℃下以分解氨气予以还原退火处理，即得纯度高的水雾化铁粉。QMP法为加拿大QuebecMetal Powder公司所开发。将高纯的熔融生铁水(含碳量约为3.3％～3.8％)注入漏包，从漏嘴流下的铁水被水平喷射的高压水流击碎成粒(约3.2mm)后，落入一吸入空气的水冷容器中，使之部分氧化。经干燥的铁粒用球磨法加以粉碎，然后将过筛至小于0.147mm的粉末送入有分解氨气保护的带式炉内，在800～1040℃下利用自身所含的氧进行脱碳退火，再用分解氨气体另行还原退火，即可得粉末冶金用铁粉。
目前铁粉生产均存在生产工艺复杂，制备条件较严苛，生产成本偏高，铁粉粒度偏粗，单质铁粉磨细过程中危险性较高的不利因素，直接影响铁粉生产的经济性，影响铁粉生产、规模化使用，影响了铁粉行业的推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用流态化气基还原技术，不仅提高了还原速度，强化了还原效率，同时实现铁粉连续稳定生产，提高了铁粉的生产速率，同时降低了还原温度，实现较低温度下还原，节约能耗，降低生产成本的还原制备铁粉的装置及制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还原制备铁粉的装置，包括原料料仓，包括成品料仓、保护气吹扫系统、还原介质供给系统和至少两级流态化反应器，所述各级流态化反应器之间为串联连通，其中，原料料仓与第一级流态化反应器连通，第二级流态化反应器与成品料仓连通，保护气吹扫系统与第二级流态化反应器连通，还原介质供给系统与第二级流态化反应器连通。
进一步的是，所述保护气吹扫系统与第二级流态化反应器的底部连通。
进一步的是，所述还原介质供给系统与第二级流态化反应器的底部连通。
进一步的是，所述流态化反应器内设置有流态化反应器气体分布板。
进一步的是，包括高位料仓，所述原料料仓通过高位料仓与第一级流态化反应器连通。
进一步的是，包括螺旋进料装置，高位料仓通过螺旋进料装置与第一级流态化反应器连通。
进一步的是，包括旋风除尘系统，所述旋风除尘系统与第一级流态化反应器连通。
进一步的是，所述第一级流态化反应器内设置有加热装置。
进一步的是，所述保护气吹扫系统与第一级流态化反应器连通，还原介质供给系统与第一级流态化反应器连通。
进一步的是，还原制备铁粉的制备方法，包括如下步骤：a、根据铁粉用途及实际要求，以原料中杂质元素含量为主要选取标准，选取对应的铁粉原料，并将铁粉原料磨细后输送至原料料仓；b、开启流态化反应器的加热装置，将第一级流态化反应器的温度升至温度为600～850℃，第二级流态化反应器保持常温；c、打开保护气体吹扫系统的阀门，并让保护气体自第二级流态化反应器向第一级流态化反应器方向通入保护气体进行吹扫，通气时间5～10min，然后再逐渐打开还原介质供给系统阀门向第二级流态化反应器以及第一级流态化反应器通入还原气体，并缓慢关闭保护气体吹扫系统；d、还原气体的气流稳定后，向第一级流态化反应器内加入磨细后的铁粉原料，并逐渐增大进料量直至达到投料要求；e、第一级流态化反应器内还原反应后，形成的铁粉在气体和重力作用下，进入第二级流态化反应器，并与第二级流态化反应器内的常温还原性气体接触，铁粉在继续还原反应同时被常温还原性气体冷却，第二级流态化反应器内的还原性气体则被高温铁粉预热，预热后的还原性气体进入第一级流态化反应器内继续参与还原反应；f、被冷却后还原铁粉进入成品料仓，在隔绝空气状态下进一步冷却至80℃以下，最终得到微细还原铁粉产品。
本发明的有益效果是：在实际使用时，铁粉原料首先通入第一级流态化反应器内，与其中的还原气体进行反应；接下来，形成的铁粉在气体和重力作用下，进入第二级流态化反应器，并与第二级流态化反应器内的常温还原性气体接触，铁粉在继续还原反应同时被常温还原性气体冷却，第二级流态化反应器内的还原性气体则被高温铁粉预热，预热后的还原性气体进入第一级流态化反应器内继续参与还原反应；最后被冷却后还原铁粉进入成品料仓，在隔绝空气状态下进一步冷却至80℃以下，最终得到微细还原铁粉产品。本发明通过利用流态化技术气基还原技术，不仅提高了还原速度，强化了还原效率，同时实现铁粉连续稳定生产，提高了铁粉的生产速率，同时降低了还原温度，实现较低温度下还原，节约能耗，降低生产成本。同时，使铁矿粉颗粒在反应器内呈现悬浮状态，也让还原后铁粉粒度保持的非常好，不出现粘接、重聚而导致粒度变粗，从而节约铁粉破磨工序，减少工艺环节，降低安全生产风险。本发明尤其适用于高品质铁矿粉的生产之中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中标记为：原料料仓1、高位料仓2、螺旋进料装置3、第一级流态化反应器4、第二级流态化反应器5、流态化反应器气体分布板6、保护气吹扫系统7、还原介质供给系统8、成品料仓9、旋风除尘系统10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
还原制备铁粉的装置，包括原料料仓1，包括成品料仓9、保护气吹扫系统7、还原介质供给系统8和至少两级流态化反应器，所述各级流态化反应器之间为串联连通，其中，原料料仓1与第一级流态化反应器4连通，第二级流态化反应器5与成品料仓9连通，保护气吹扫系统7与第二级流态化反应器5连通，还原介质供给系统8与第二级流态化反应器5连通。
如图1所示，本发明的还原制备铁粉的制备方法包括如下步骤：a、根据铁粉用途及实际要求，以原料中杂质元素含量为主要选取标准，选取对应的铁粉原料，并将铁粉原料磨细后输送至原料料仓1；b、开启流态化反应器的加热装置，将第一级流态化反应器4的温度升至温度为600～850℃，第二级流态化反应器5保持常温；c、打开保护气体吹扫系统7的阀门，并让保护气体自第二级流态化反应器5向第一级流态化反应器4方向通入保护气体进行吹扫，通气时间5～10min，然后再逐渐打开还原介质供给系统8阀门向第二级流态化反应器5以及第一级流态化反应器4通入还原气体，并缓慢关闭保护气体吹扫系统7；d、还原气体的气流稳定后，向第一级流态化反应器4内加入磨细后的铁粉原料，并逐渐增大进料量直至达到投料要求；e、第一级流态化反应器4内还原反应后，形成的铁粉在气体和重力作用下，进入第二级流态化反应器5，并与第二级流态化反应器5内的常温还原性气体接触，铁粉在继续还原反应同时被常温还原性气体冷却，第二级流态化反应器5内的还原性气体则被高温铁粉预热，预热后的还原性气体进入第一级流态化反应器4内继续参与还原反应；f、被冷却后还原铁粉进入成品料仓9，在隔绝空气状态下进一步冷却至80℃以下，最终得到微细还原铁粉产品。与此同时，通过流态化技术及装备，利用还原性气体(氢气、焦炉煤气、高炉煤气等)在流态化反应器内将铁矿原料快速还原成金属铁粉，金属铁粉还原后在隔绝空气情况下快速冷却至80℃以下得到用户需要的高品质铁粉产品。为保证铁粉产品质量，可设计成多级还原，还原气体介质和被还原铁矿粉逆流接触，上一级还原后气体进入下一级还原反应器，提高还原介质利用效率。同时将流态化反应器气体分布器设计成伞型，既保证了气流分布均匀，同时气流方向由竖直方向改成环流方向，使得反应器内流态化状态更加平稳，细颗粒物料也能通过本反应器实现还原反应，增大反应器的适应性。
为了获得更为理想的气体吹扫效果和反应效果，如图1所示，可以选择这样的方案：所述保护气吹扫系统7与第二级流态化反应器5的底部连通；所述还原介质供给系统8与第二级流态化反应器5的底部连通。这样的技术方案可以将铁粉更好的与气体混合，并大幅度提高反应的效率和品质，提高生产效率。另外，还可以通过选择在所述流态化反应器内设置流态化反应器气体分布板6，实现对气流的进一步优化，保持流态化分级器内良好的流态化状态。
一般的，优选增设高位料仓2，所述原料料仓1通过高位料仓2与第一级流态化反应器4连通。高位料仓2让铁粉原料的供给更为可控，保证生产的平稳运行，进一步的，还可以选择增设螺旋进料装置3，高位料仓2通过螺旋进料装置3与第一级流态化反应器4连通。螺旋进料装置3进一步让送料更为精准，也让物料反应更为理想。
还可以选择增设旋风除尘系统10，所述旋风除尘系统10与第一级流态化反应器4连通，从而实现对反应环境的实施优化。
由于反应初期有一定的温度要求，可以选择在所述第一级流态化反应器4内设置加热装置，从而在反应之处准备好温度条件，保证反应顺利进行。
为了在保护气体或还原气体不充足时及时的添加，可以选择这样的方案：所述保护气吹扫系统7与第一级流态化反应器4连通，还原介质供给系统8与第一级流态化反应器4连通。
实施例
选用Φ100mm流态化反应器，其中，配套加热装置，流态化反应器气体分布板6，第一级流态化反应器4和第二级流态化反应器5的尺寸和结构一致，增强制备过程中的灵活性；使用焦炉煤气作为还原介质，通过罗茨风机加压作为流化工艺风；保护吹扫气体为氮气(瓶装)；原料选用攀钢集团公司冷轧厂酸洗处理后的优质氧化铁矿粉，其典型粒度分布见表1，典型成分见表2。铁矿粉细磨后粒度组成见表3。
表1、铁矿粉典型粒度分布/％
表2、典型铁矿粉主要成分/％
表3、细磨后铁矿粉粒度分布/％
具体的操作过程包括以下步骤：
1、从表1、表2、表3可知，细磨后铁矿粉400目以下的占91.53％。杂质含量低，是制备微细粒级高品质还原铁粉的优质原料。
2、将磨细后氧化铁粉加入高位料仓，加入量在60kg～100kg。
3、通过计算，矿粉在流态化反应器内气速控制在0.08～0.19m/s，通入煤气流量为1.23m3/h～2.94m3/h。启动罗茨风机，将焦炉煤气加压至40～80kPa，待用。
4、启动第一级流态化反应器4的加热装置，加热温度控制在600～850℃。
5、当加热炉温度升到反应温度后(本实施例设定温度为700±20℃)，依次开启保护气体吹扫系统7的阀门，保证全流程气路通畅，保护气体选择为氮气进行吹扫，氮气流量控制在3～5m3/h，吹扫时间为5～8min。
6、吹扫完成后，缓慢开启反应器还原介质供给系统调节阀，开始通入还原气体(通过罗茨风机加压至40～80kPa气体)，同时缓慢关闭吹扫氮气，点燃尾气燃烧装置，反应器排出尾气经燃烧后达标排放。控制流态化反应器焦炉煤气通入量1.6±0.2m/s。
7、开启螺旋进料装置3，设定螺旋频率为10，稳定5分钟后逐渐增加频率，每5分钟增加5，最后稳定在30，投料量控制在4.5kg/h。
8、第一级流态化反应器4在进料30min后开始排料，约45min后达到进、出量平衡，随着第一级流态化反应器4排料，第二级流态化反应器5内温度开始上升，当第二级流态化反应器5达到平衡时，温度稳定在400±50℃。
9、二级反应器排出物料直接进入成品料仓，在隔绝空气状态下冷却至80℃，以防止高温还原铁粉和空气接触被二次氧化，冷却后得到高品质微细粒级还原铁粉。铁粉典型成分见表4。
表4、高品质微细粒还原铁粉主要成分/％
综上所述，本发明具有如下优点：
利用流态化反应器及流态化技术对铁矿粉进行还原反应，降低了还原温度，实现了铁矿粉快速、高效还原，有效避免了铁粉长大，保持了铁粉粒径，生产连续稳定，可大大降低生产成本，提高生产效率。
通过多级还原工艺，不仅保证了产品质量，提高生产稳定性，同时通过高温铁粉预热还原气体，实现了显热的充分利用，提升了铁矿粉的还原效率，节约了生产成本。
通过改进流态化反应器气体分布板结构，改变了气流方向，使得反应器内流态化状态更加平稳，可用于微细粒级铁粉生产，增强了反应器的适应性。
通过对原料铁粉的选择，有效规避了产品质量低影响产品价格，提高了全流程经济性。
该操作方法简单可靠；连续稳定性好，效率高；设备投资少，占地面积小，能耗低、生产成本低，产品质量高，运行稳定、处理能力大、工业化容易。

Claims (10)

1.还原制备铁粉的装置，包括原料料仓(1)，其特征在于：包括成品料仓(9)、保护气吹扫系统(7)、还原介质供给系统(8)和至少两级流态化反应器，所述各级流态化反应器之间为串联连通，其中，原料料仓(1)与第一级流态化反应器(4)连通，第二级流态化反应器(5)与成品料仓(9)连通，保护气吹扫系统(7)与第二级流态化反应器(5)连通，还原介质供给系统(8)与第二级流态化反应器(5)连通。
2.如权利要求1所述的还原制备铁粉的装置，其特征在于：所述保护气吹扫系统(7)与第二级流态化反应器(5)的底部连通。
3.如权利要求1所述的还原制备铁粉的装置，其特征在于：所述还原介质供给系统(8)与第二级流态化反应器(5)的底部连通。
4.如权利要求1、2或3所述的还原制备铁粉的装置，其特征在于：所述流态化反应器内设置有流态化反应器气体分布板(6)。
5.如权利要求1、2或3所述的还原制备铁粉的装置，其特征在于：包括高位料仓(2)，所述原料料仓(1)通过高位料仓(2)与第一级流态化反应器(4)连通。
6.如权利要求5所述的还原制备铁粉的装置，其特征在于：包括螺旋进料装置(3)，高位料仓(2)通过螺旋进料装置(3)与第一级流态化反应器(4)连通。
7.如权利要求1、2或3所述的还原制备铁粉的装置，其特征在于：包括旋风除尘系统(10)，所述旋风除尘系统(10)与第一级流态化反应器(4)连通。
8.如权利要求1、2或3所述的还原制备铁粉的装置，其特征在于：所述第一级流态化反应器(4)内设置有加热装置。
9.如权利要求1、2或3所述的还原制备铁粉的装置，其特征在于：所述保护气吹扫系统(7)与第一级流态化反应器(4)连通，还原介质供给系统(8)与第一级流态化反应器(4)连通。
10.还原制备铁粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、根据铁粉用途及实际要求，以原料中杂质元素含量为主要选取标准，选取对应的铁粉原料，并将铁粉原料磨细后输送至原料料仓(1)；
b、开启流态化反应器的加热装置，将第一级流态化反应器(4)的温度升至温度为600～850℃，第二级流态化反应器(5)保持常温；
c、打开保护气体吹扫系统(7)的阀门，并让保护气体自第二级流态化反应器(5)向第一级流态化反应器(4)方向通入保护气体进行吹扫，通气时间5～10min，然后再逐渐打开还原介质供给系统(8)阀门向第二级流态化反应器(5)以及第一级流态化反应器(4)通入还原气体，并缓慢关闭保护气体吹扫系统(7)；
d、还原气体的气流稳定后，向第一级流态化反应器(4)内加入磨细后的铁粉原料，并逐渐增大进料量直至达到投料要求；
e、第一级流态化反应器(4)内还原反应后，形成的铁粉在气体和重力作用下，进入第二级流态化反应器(5)，并与第二级流态化反应器(5)内的常温还原性气体接触，铁粉在继续还原反应同时被常温还原性气体冷却，第二级流态化反应器(5)内的还原性气体则被高温铁粉预热，预热后的还原性气体进入第一级流态化反应器(4)内继续参与还原反应；
f、被冷却后还原铁粉进入成品料仓(9)，在隔绝空气状态下进一步冷却至80℃以下，最终得到微细还原铁粉产品。
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