CN109811105A - 粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法 - Google Patents

Abstract

一种粉状铁矿石悬浮态直接还原‑电弧炉熔炼生产铁水的方法，按以下步骤进行：(1)将粉状铁矿石置于料仓中；(2)通过料仓将粉状铁矿石输送到一级旋风分离器，分离出一级固态物料进入悬浮加热炉的下部；悬浮加热炉底部通入高温烟气；(3)在负压作用下，一级固态物料进入二级旋风分离器，分离出二级固态物料进入还原反应器；(4)向还原反应器内部通入还原气体，二级固态物料发生还原反应，生成还原粉料；(5)还原粉料直接进入电炉；加入电弧熔炼，同时将熔剂加入到电炉内，还原粉料形成液态的渣层和铁水。本发明的方法热量利用效率高，各工序无热损失，大幅节省能源，简化铁矿石还原和冶炼铁水的流程。

Description

粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法。

背景技术

我国铁矿资源储量丰富，截止到2015年底，查明资源储量850.8亿t。但我国铁矿资源禀赋差，整体呈现品位低、嵌布粒度细、组成复杂的特点，致使97％以上的铁矿石需要经过复杂的选矿工艺处理才能达到较高的品位和回收率。因此，国内铁精矿几乎100％都是细铁矿粉，且粒度会越来越细，铁矿最大的用途就是用来炼铁。

目前，国内外一般都是通过将粉状铁精矿烧结或制成球团矿以备高炉炼铁使用；虽然高炉炼铁工艺技术成熟、适合大规模生成，在炼铁工业中长期占据主导地位。但随着世界资源形势的转变，高炉炼铁工艺的问题也日益突出：第一，高炉炼铁工艺严重依赖冶金焦，随着优质冶金焦的消耗，高炉流程将进一步收到制约；第二，我国的铁矿资源多为低品位矿，往往无法通过高炉流程直接利用，需要进口国外优质铁矿，因此造成了我国铁矿资源国外依赖度过高；如果能将国内的粉矿不通过烧结造块或造球(球团)的方式直接得到利用，就能显著降低能耗、减少污染排放并节约生产成本；因此，大规模、高效利用粉状铁矿石的相关技术还有待开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，通过对粉状铁矿石在悬浮态下进行直接还原(金属化率≥90％)，然后采用电弧炉熔分冶炼，简化铁水制备工艺的同时，协同利用能源，降低生产成本。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、将粉状铁矿石置于料仓中，所述的粉状铁矿石的铁品位TFe≥55％，粒度≤0.8mm；

2、通过料仓将粉状铁矿石输送到一级旋风分离器内，分离出一级固态物料进入悬浮加热炉的下部；一级旋风分离器的出气口与除尘器的进气口连通，除尘器的出气口与引风机连通；悬浮加热炉底部与电弧炉高温烟气出口连通，在开启引风机的情况下，高温烟气使悬浮加热炉内的一级固态物料处于悬浮流动状态，并对一级固态物料加热；

3、二级旋风分离器的出气口与一级旋风分离器的进料口连通，二级旋风分离器的出料口与还原反应器顶部的进料口连通；在负压作用下，被加热后的一级固态物料从悬浮加热炉上部的悬浮物料通道进入二级旋风分离器，分离出二级固态物料进入还原反应器；

4、所述的还原反应器底部设有进气口，侧壁上方设有出料口，顶部设有进料口，还原反应器内部的下方设有布风板，中部设有至少两个隔板，隔板的侧边与还原反应器的侧壁固定连接，隔板的顶边与还原反应器的顶部有间隙，隔板的底边与布风板有间隙，进料口和出料口分别位于各隔板的两侧；通过还原反应器的进气口向还原反应器内部通入还原气体，二级固态物料在还原气体的作用下处于悬浮流动状态，并发生还原反应，生成含有固态金属铁的还原粉料；

5、还原粉料在还原气体的作用下，从还原反应器的出料口排出，直接进入电弧炉；所述的电弧炉包括炉体以及插入炉体内部的电极，炉体内部从下到上依次为铁水层区、渣层区和上层空间；其中上层空间的侧壁上设有高温烟气出口、电弧炉进料口和熔剂入口，熔剂入口通过管道与螺旋给料器装配在一起，高温烟气出口通过管道与悬浮加热炉连通，电弧炉进料口与还原反应器的出料口连通；铁水层区设有铁水出口，渣层区设有排渣口；在电弧炉进行电弧熔炼的过程中，还原粉料进入电弧炉内后加入电弧熔炼，同时通过螺旋给料器将熔剂加入到电弧炉内，还原粉料形成液态的渣层和铁水，分别从排渣口和铁水出口排出。

上述方法中，一级旋风分离器分离出的气体物料进入除尘器，二级旋风分离器分离出的气体物料进入一级旋风分离器。

上述的还原气体为氢气和/或一氧化碳，或者为氢气和/或一氧化碳与氮气组成的混合气体，混合气体中氮气的体积百分比≤40％。

上述方法中，熔剂为石灰石和/或氧化钙，熔剂的加入量以控制渣层的碱度在1.00～2.30为准；所述的碱度为CaO+MgO与SiO₂+Al₂O₃的质量比值。

上述方法中，高温烟气的温度为950～1200℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为600～900℃；悬浮加热炉内高温烟气的体积流量和一级固态物料的质量流量的比例为0.04～0.3m³/kg。

上述方法中，还原反应器内还原气体的体积流量与二级固态物料的质量流量的比例为0.04～0.1m³/kg，二级固态物料在还原反应器内的停留时间为30～60min，还原反应器内的物料温度为700～900℃。

上述方法中，电弧熔炼温度为1450～1550℃，电弧炉内还原粉料的停留时间为0.5～1h。

上述的铁水的质量纯度≥90％。

上述方法中，开启引风机时除尘器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、和悬浮加热炉内的负压为-0.1kPa～-2.5kPa。

上述方法中，还原反应器内粉状铁矿石的金属化率≥90％。

本发明的原理是：粉状铁矿石经高温烟气加热后，通过氢气、一氧化碳或者其混合气体进行直接还原，形成的还原物料直接用于电弧炉冶炼铁水，冶炼产生的高温烟气用于加热固态物料，热量利用效率高，各工序无热损失，大幅节省能源，简化铁矿石还原和冶炼铁水的流程。

附图说明

图1为本发明的粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的装置结构示意图；

图2为图1中还原反应器结构示意图；

图中，1、料仓，2、一级旋风分离器，3、悬浮加热炉，4、悬浮物料通道，5、二级旋风分离器，6、还原反应器，7、还原反应器出料口，8、螺旋给料器，9、电极，10、炉体，11、铁水出口，12、排渣口，13、高温烟气管道，14、除尘器，15、引风机，16、还原反应器进料口，17、布风板，18、隔板。

具体实施方式

本发明实施例中采用的粉状铁矿石的粒度≤0.8mm，其中粒度在0.074mm以下的部分占铁矿粉总质量的40～80％。

本发明实施例中采用的粉状铁矿石的TFe为55～62％，按质量百分比含FeO 0.1～13％，SiO₂ 3～10％，Al₂O₃ 3～8％，CaO 0.05～0.1％，MgO 0.1～11％P≤0.09％，S≤0.05。

本发明实施例中多功能熔炼炉中设有三个电极，电极与三相电源装配在一起；电极底端位于渣层区内；进行电弧熔炼时，铁水占满铁水层区，液态的渣层分布在渣层区内。

本发明实施例中一级固态物料在悬浮加热炉内的升温时间为5～30s。

本发明的粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的装置结构如图1所示，包括料仓1、一级旋风分离器2、悬浮加热器3、悬浮物料通道4、二级旋风分离器5、还原反应器6、还原反应器出料口7、螺旋给料器8、电弧炉的电极9、电弧炉的炉体10、铁水出口11、排渣口12、电弧炉高温烟气管道13、除尘器14和引风机15。

本发明的还原反应器结构如图2所示，底部设有进气口，侧壁上方设有还原反应器出料口7，顶部设有还原反应器进料口16，还原反应器内部的下方设有布风板17，中部设有至少两个隔板18，隔板18的侧边与还原反应器6的侧壁固定连接，隔板18的顶边与还原反应器6的顶部有间隙，隔板18的底边与布风板17有间隙，还原反应器进料口16和还原反应器出料口7分别位于各个隔板18的两侧。

本发明实施例中采用的电弧炉包括炉体10以及插入炉体10内部的电极9，炉体10内部从下到上依次为铁水层区、渣层区和上层空间；其中上层空间的侧壁上设有高温烟气出口、电弧炉进料口和熔剂入口，熔剂入口通过管道与螺旋给料器装配在一起，高温烟气出口通过高温烟气管道13与悬浮加热炉3底部连通，电弧炉进料口与还原反应器出料口7连通；铁水层区设有铁水出口11，渣层区设有排渣口12。

本发明实施例中的还原反应器内的N个隔板将还原反应器沿宽度方向等分为N+1部分。

本发明实施例中还原反应器内粉状铁矿石的金属化率≥90％。

以下为本发明优选实施例。

实施例1

采用某粉状铁矿石中按重量百分比含TFe 55.88％，FeO 0.30％，SiO₂ 3.01％，Al₂O₃ 7.28％，CaO 0.10％，MgO 10.2％，P 0.08％，S 0.03％，粒度为-0.074mm的部分占总重量的40％；

通过料仓将粉状铁矿石输送到一级旋风分离器内，分离出一级固态物料进入悬浮加热炉的下部；一级旋风分离器的出气口与除尘器的进气口连通，除尘器的出气口与引风机连通；悬浮加热炉底部与电弧炉高温烟气出口连通，在开启引风机的情况下，高温烟气使悬浮加热炉内的一级固态物料处于悬浮流动状态，并对一级固态物料加热；

二级旋风分离器的出气口与一级旋风分离器的进料口连通，二级旋风分离器的出料口与还原反应器顶部的进料口连通；在负压作用下，被加热后的一级固态物料从悬浮加热炉上部的悬浮物料通道进入二级旋风分离器，分离出二级固态物料进入还原反应器；

一级旋风分离器分离出的气体物料进入除尘器，二级旋风分离器分离出的气体物料进入一级旋风分离器；

通过还原反应器的进气口向还原反应器内部通入还原气体，二级固态物料在还原气体的作用下处于悬浮流动状态，并发生还原反应，生成含有固态金属铁的还原粉料；

还原粉料在还原气体的作用下，从还原反应器的出料口排出，直接进入电弧炉；在电弧炉进行电弧熔炼的过程中，还原粉料进入电弧炉内后加入电弧熔炼，同时通过螺旋给料器将熔剂加入到电弧炉内，熔剂为石灰石，熔剂的加入量以控制渣层的碱度在1.00；还原粉料经电弧熔炼后形成液态的渣层和铁水，分别从排渣口和铁水出口排出；

高温烟气的温度为960℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为720℃；悬浮加热炉内高温烟气的体积流量和一级固态物料的质量流量的比例为0.3m³/kg；还原反应器内还原气体的体积流量与二级固态物料的质量流量的比例为0.04m³/kg，二级固态物料在还原反应器内的停留时间为60min，还原反应器内的物料温度为710℃；

电弧熔炼温度为1450℃，电弧炉内还原粉料的停留时间为60min；

铁水按质量百分比含Fe 91％，C 1.50％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.02％，Al0.03％；

开启引风机时除尘器、一级旋风分离器、二级旋风分离器和悬浮加热炉内的负压分别为-2.5、-1.0、-0.35和-0.1kPa；

还原气体为一氧化碳与氮气组成的混合气体，混合气体中氮气的体积百分比20％。

实施例2

采用某粉状铁矿石中按重量百分比含TFe 56.58％，FeO 0.13％，SiO₂ 7.81％，Al₂O₃ 3.02％，CaO 0.10％，MgO 0.11％，P 0.08％，S 0.04％，粒度为-0.074mm的部分占总重量的50％；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)熔剂为氧化钙，熔剂的加入量以控制渣层的碱度在1.50；

(2)高温烟气的温度为1040℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为810℃；悬浮加热炉内高温烟气的体积流量和一级固态物料的质量流量的比例为0.1m³/kg；还原反应器内还原气体的体积流量与二级固态物料的质量流量的比例为0.06m³/kg，二级固态物料在还原反应器内的停留时间为40min，还原反应器内的物料温度为800℃；

(3)电弧熔炼温度为1500℃，电弧炉内还原粉料的停留时间为50min；

(4)铁水按质量百分比含Fe 95％，C 0.010％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.02％，Al0.03％；

(5)开启引风机时除尘器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、和悬浮加热炉和还原反应器内的负压分别为-2.0、-0.95、-0.45和-0.11kPa；

(6)还原气体为氢气与氮气组成的混合气体，混合气体中氮气的体积百分比40％。

实施例3

采用某粉状铁矿石中按重量百分比含TFe 61.92％，FeO 12.06％，SiO₂ 3.53％，Al₂O₃ 7.81％，CaO 0.10％，MgO 0.16％，P 0.09％，S 0.02％，粒度为-0.074mm的部分占总重量的80％；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)熔剂为石灰石和氧化钙的等质量混合物，熔剂的加入量以控制渣层的碱度在2.00；

(2)高温烟气的温度为1130℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为910℃；悬浮加热炉内高温烟气的体积流量和一级固态物料的质量流量的比例为0.2m³/kg；还原反应器内还原气体的体积流量与二级固态物料的质量流量的比例为0.08m³/kg，二级固态物料在还原反应器内的停留时间为30min，还原反应器内的物料温度为900℃；

(3)电弧熔炼温度为1525℃，电弧炉内还原粉料的停留时间为40min；

(4)铁水按质量百分比含Fe 92％，C 1.20％，P 0.02％，S 0.01％，Si 0.03％，Al0.04％；

(5)开启引风机时除尘器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、和悬浮加热炉和还原反应器内的负压分别为-1.85、-0.85、-0.35和-0.13kPa；

(6)还原气体为氢气、一氧化碳与氮气组成的混合气体，混合气体中氮气的体积百分比10％，一氧化碳60％。

实施例4

采用某粉状铁矿石中按重量百分比含TFe 60.62％，FeO 10.80％，SiO₂ 9.66％，Al₂O₃ 3.26％，CaO 0.07％，MgO 0.16％，P 0.07％，S 0.02％，粒度为-0.074mm的部分占总重量的65％；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)熔剂为石灰石和氧化钙的等质量混合物，熔剂的加入量以控制渣层的碱度在2.30；

(2)高温烟气的温度为1200℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为900℃；悬浮加热炉内高温烟气的体积流量和一级固态物料的质量流量的比例为0.04m³/kg；还原反应器内还原气体的体积流量与二级固态物料的质量流量的比例为0.1m³/kg，二级固态物料在还原反应器内的停留时间为20min，还原反应器内的物料温度为900℃；

(3)电弧熔炼温度为1550℃，电弧炉内还原粉料的停留时间为30min；

(4)铁水按质量百分比含Fe 95％，C 1.00％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.06％，Al0.03％；

(5)开启引风机时除尘器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、和悬浮加热炉和还原反应器内的负压分别为-1.75、-0.65、-0.33和-0.21kPa；

(6)还原气体为氢气与一氧化碳组成的混合气体，混合气体中氢气的体积百分比70％。

Claims (8)

1.一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，其特征在于按以下步骤进行：

(1)将粉状铁矿石置于料仓中，所述的粉状铁矿石的铁品位TFe≥55％，粒度≤0.8mm；

(2)通过料仓将粉状铁矿石输送到一级旋风分离器内，分离出一级固态物料进入悬浮加热炉的下部；一级旋风分离器的出气口与除尘器的进气口连通，除尘器的出气口与引风机连通；悬浮加热炉底部与电弧炉高温烟气出口连通，在开启引风机的情况下，高温烟气使悬浮加热炉内的一级固态物料处于悬浮流动状态，并对一级固态物料加热；

(3)二级旋风分离器的出气口与一级旋风分离器的进料口连通，二级旋风分离器的出料口与还原反应器顶部的进料口连通；在负压作用下，被加热后的一级固态物料从悬浮加热炉上部的悬浮物料通道进入二级旋风分离器，分离出二级固态物料进入还原反应器；

(4)所述的还原反应器底部设有进气口，侧壁上方设有出料口，顶部设有进料口，还原反应器内部的下方设有布风板，中部设有至少两个隔板，隔板的侧边与还原反应器的侧壁固定连接，隔板的顶边与还原反应器的顶部有间隙，隔板的底边与布风板有间隙，进料口和出料口分别位于各隔板的两侧；通过还原反应器的进气口向还原反应器内部通入还原气体，二级固态物料在还原气体的作用下处于悬浮流动状态，并发生还原反应，生成含有固态金属铁的还原粉料；

(5)还原粉料在还原气体的作用下，从还原反应器的出料口排出，直接进入电弧炉；所述的电弧炉包括炉体以及插入炉体内部的电极，炉体内部从下到上依次为铁水层区、渣层区和上层空间；其中上层空间的侧壁上设有高温烟气出口、电弧炉进料口和熔剂入口，熔剂入口通过管道与螺旋给料器装配在一起，高温烟气出口通过管道与悬浮加热炉连通，电弧炉进料口与还原反应器的出料口连通；铁水层区设有铁水出口，渣层区设有排渣口；在电弧炉进行电弧熔炼的过程中，还原粉料进入电弧炉内后加入电弧熔炼，同时通过螺旋给料器将熔剂加入到电弧炉内，还原粉料形成液态的渣层和铁水，分别从排渣口和铁水出口排出。

2.根据权利要求1所述的一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，其特征在于所述的一级旋风分离器分离出的气体物料进入除尘器，二级旋风分离器分离出的气体物料进入一级旋风分离器。

3.根据权利要求1所述的一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，其特征在于所述的还原气体为氢气和/或一氧化碳，或者为氢气和/或一氧化碳与氮气组成的混合气体，混合气体中氮气的体积百分比≤40％。

4.根据权利要求1所述的一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，其特征在于所述的熔剂为石灰石和/或氧化钙，熔剂的加入量以控制渣层的碱度在1.00～2.30为准。

5.根据权利要求1所述的一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，其特征在于所述的高温烟气的温度为950～1200℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为600～900℃；悬浮加热炉内高温烟气的体积流量和一级固态物料的质量流量的比例为0.04～0.3m³/kg。

6.根据权利要求1所述的一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，其特征在于步骤(4)中，还原反应器内还原气体的体积流量与二级固态物料的质量流量的比例为0.04～0.1m³/kg，二级固态物料在还原反应器内的停留时间为30～60min，还原反应器内的物料温度为700～900℃。。

7.根据权利要求1所述的一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，其特征在于步骤(5)中，电弧熔炼温度为1450～1550℃，电弧炉内还原粉料的停留时间为0.5～1h。

8.根据权利要求1所述的一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-电弧炉熔炼生产铁水的方法，其特征在于步骤(1)中，开启引风机时除尘器、一级旋风分离器、二级旋风分离器、和悬浮加热炉内的负压在-0.1kPa～-2.5kPa。