CN109929959A - 一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-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‑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)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；高温烟气对一级固态物料加热；(3)负压作用使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)向还原反应器通入还原气体，二级固态物料还原生成还原粉料；(5)还原粉料排出后直接进入多功能熔炼炉；将熔剂加入到多功能熔炼炉内，喷吹燃煤进行加热，还原粉料经燃煤加热和电弧熔炼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

一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-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-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-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≥70％)，之后直接采用多功能熔炼炉熔分冶炼，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；悬浮加热炉底部与多功能熔炼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，进料口和出料口位于还原反应器的两侧；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，直接进入多功能熔炼炉；所述的多功能熔炼炉包括炉体以及插入炉体内部的电极；多功能熔炼炉的进料口与还原反应器的出料口通过原料输送管道连通，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、燃煤喷枪、多功能熔炼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，多功能熔炼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；在多功能熔炼炉进行熔炼的过程中，还原粉料进入多功能熔炼炉内后加入电弧熔炼，同时通过螺旋给料器将熔剂加入到多功能熔炼炉内，并且通过燃煤喷枪喷吹煤粉对还原粉料进行加热并进一步还原，还原粉料经煤粉燃烧加热和电弧熔炼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1000～1200℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为800～1000℃；悬浮加热炉内高温烟气和一级固态物料的流量比按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20～40min，还原反应器内的物料温度为800～950℃。

上述方法中，多功能熔炼炉熔炼温度为1400～1500℃，多功能熔炼炉内还原粉料的停留时间为1.5～3h。

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≥70％。

本发明的原理是：粉状铁矿石经高温烟气加热后，通过还原气体进行直接还原，形成的还原物料直接用于多功能熔炼炉冶炼铁水，冶炼过程采用电极电弧加热，并辅以煤粉燃烧供热，协同利用能量；煤粉同时将还原粉料中的铁氧化物进一步还原为金属铁，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为本发明的一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-熔炼生产铁水的装置结构示意图；

图2为图1中的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、燃煤喷枪，9、电极，10、螺旋给料器，11、炉体，12、铁水出口，13、排渣口，14、高温烟气管道，15、除尘器，16、引风机，17、布风板，18、还原反应器进料口。

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55～66％，按质量百分比含FeO 0.1～13％，SiO₂ 3～10％，Al₂O₃ 3～8％，CaO 0.05～0.15％，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。

本发明实施例中燃煤喷枪喷吹煤粉时的喷吹量按煤粉与还原粉料的质量比＝50～300kg/t；其中煤粉中固定碳的质量百分比≥60％，煤粉的粒度≤1mm；煤粉在多功能熔炼炉内除燃烧供热外，还与还原粉料中的铁氧化物进行还原反应，促使铁氧化物转变成金属铁。

本发明的粉状铁矿石悬浮态直接还原-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、螺旋给料器10、多功能熔炼炉、高温烟气管道14、除尘器15和引风机16。

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18，还原反应器内部的下方设有布风板17，还原反应器进料口7和还原反应器出料口18位于还原反应器的两侧。

本发明实施例中采用的多功能熔炼炉包括炉体11以及插入炉体11内部的电极9，炉体11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、燃煤喷枪8、多功能熔炼炉进料口和熔剂入口，熔剂入口通过管道与螺旋给料器10装配在一起，高温烟气出口通过高温烟气管道14与悬浮加热炉3底部连通，多功能熔炼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。

本发明实施例中还原反应器内粉状铁矿石的金属化率≥70％。

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质量百分比含TFe 55.36％，FeO 0.30％，SiO₂ 3.01％，Al₂O₃ 7.28％，CaO 0.10％，MgO 10.2％，P 0.08％，S 0.03％，粒度-0.074mm的部分占总质量的40％；

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；

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；悬浮加热炉底部与多功能熔炼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，直接进入多功能熔炼炉；在多功能熔炼炉进行熔炼过程中，还原粉料进入多功能熔炼炉内后加入电弧熔炼，同时通过螺旋给料器将熔剂加入到多功能熔炼炉内，并且通过燃煤喷枪喷吹煤粉对还原粉料进行加热并进一步还原，还原粉料经煤粉燃烧加热和电弧熔炼形成液态的渣层和铁水，分别从排渣口和铁水出口排出；

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20％；

熔剂为石灰石，加入量以控制渣层的碱度为2.30；

高温烟气的温度为1000℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为800℃；悬浮加热炉内高温烟气和一级固态物料的流量比按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0.04m³/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℃；

电弧熔炼温度为1400℃，多功能熔炼炉内还原粉料的停留时间为3h；

铁水按质量百分比含Fe 91％，C 3.17％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.10％，Al0.01％；

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、-1.1、-0.4和-0.1kPa。

实施例2

采用某粉状铁矿石中按质量百分比含TFe 58.58％，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的部分占总质量的50％；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)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40％；

(2)溶剂为氧化钙，加入量以控制渣层的碱度为1.00；

(3)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1000℃；悬浮加热炉内高温烟气和一级固态物料的流量比按0.3m³/kg；

(4)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950℃；

(5)电弧熔炼温度为1500℃，多功能熔炼炉内还原粉料的停留时间为1.5h；

(6)铁水按质量百分比含Fe 95％，C 3.89％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.2％，Al0.02％；

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-2.2、-0.85、-0.35和-0.12kPa。

实施例3

采用某粉状铁矿石中按质量百分比含TFe 62.33％，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的部分占总质量的80％；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)还原气体为为氢气、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％，氢气的体积百分比10％；

(2)溶剂为石灰石和氧化钙的等质量混合物，加入量以控制渣层的碱度为1.80；

(3)高温烟气的温度为1100℃，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和一级固态物料的流量比按0.1m³/kg；

(4)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30min，还原反应器内的物料温度为950℃；

(5)电弧熔炼温度为1450℃，多功能熔炼炉内还原粉料的停留时间为2.0h；

(6)铁水按质量百分比含Fe 92％，C 4.11％，P 0.02％，S 0.01％，Si 0.2％，Al0.04％；

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-1.98、-0.75、-0.37和-0.11kPa。

实施例4

采用某粉状铁矿石中按质量百分比含TFe 65.62％，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的部分占总质量的65％；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)还原气体为氢气和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％；

(2)溶剂为氧化钙，加入量以控制渣层的碱度为1.50；

(3)高温烟气的温度为1050℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为850℃；悬浮加热炉内高温烟气和一级固态物料的流量比按0.2m³/kg；

(4)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850℃；

(5)电弧熔炼温度为1450℃，多功能熔炼炉内还原粉料的停留时间为2h；

(6)铁水按质量百分比含Fe 95％，C 4.12％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.2％，Al0.01％；

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-2.1、-0.87、-0.38和-0.21kPa。

Claims (8)

1.一种粉状铁矿石悬浮态直接还原-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；悬浮加热炉底部与多功能熔炼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，进料口和出料口位于还原反应器的两侧；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，直接进入多功能熔炼炉；所述的多功能熔炼炉包括炉体以及插入炉体内部的电极；多功能熔炼炉的进料口与还原反应器的出料口通过原料输送管道连通，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、燃煤喷枪、多功能熔炼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，多功能熔炼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；在多功能熔炼炉进行熔炼的过程中，还原粉料进入多功能熔炼炉内后加入电弧熔炼，同时通过螺旋给料器将熔剂加入到多功能熔炼炉内，并且通过燃煤喷枪喷吹煤粉对还原粉料进行加热并进一步还原，还原粉料经煤粉燃烧加热和电弧熔炼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-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，所述的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-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-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。

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-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1000～1200℃，一级固态物料加热后进入二级旋风分离器时的温度为800～1000℃；悬浮加热炉内高温烟气和一级固态物料的流量比按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-熔炼生产铁水的方法，其特征在于所述的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20～40min，还原反应器内的物料温度为800～950℃。

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-熔炼生产铁水的方法，其特征在于步骤(5)中多功能熔炼炉熔炼温度为1400～1500℃，多功能熔炼炉内还原粉料的停留时间为1.5～3h。

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-熔炼生产铁水的方法，其特征在于步骤(2)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。