CN111235338A

CN111235338A - 一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法

Info

Publication number: CN111235338A
Application number: CN202010121578.8A
Authority: CN
Inventors: 张勇; 徐涛; 周海川; 刘志国; 任俊; 昝智; 程鹏; 卜二军; 曲刚
Original assignee: Inner Mongolia Saisipu Technology Co Ltd
Current assignee: Inner Mongolia Saisipu Technology Co Ltd
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2020-06-05

Abstract

本发明提供了一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，包括以下工艺步骤：将热风炉送来的热风通过热风喷枪吹入熔融还原炉的上部空间，采用2～4支固体料喷枪向熔融还原炉内喷吹经过加工的原料，喷吹的煤粉是通过破碎烘干后得到的干煤粉，铁矿粉是通过回转窑等装置进行烘干提温或进行预热预还原的物料，喷枪将预热的铁矿粉、白云石粉、生石灰粉和干燥的煤粉高速喷吹到铁水熔池中，并使煤粉中的碳素快速溶解到铁水中，同时促进铁矿粉颗粒与含高度溶解碳的液态铁反应，还原出金属铁。该方法通过调节熔池内的反应条件及熔渣控制，使得铁水中微量元素极低。

Description

一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法

技术领域

本发明涉及非高炉炼铁领域，具体涉及一种熔融还原炼铁工艺，尤其是一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法。

背景技术

由于传统的高炉炼铁方式投资大、能耗高、流程长、污染严重，所以高炉的炼铁发展受到了很大的限制。熔融还原法是以非焦煤作为主要能源，直接使用铁矿粉等原料，在高温熔融状态下用碳把铁氧化物还原成金属铁的冶炼方法。可以代替高炉，取消烧结、焦化、球团工序，是低碳炼铁新技术发展的一个重要方向，一直以来也是炼铁行业研究的热点。但由于熔融还原技术本身还在开发中，技术还不成熟、不完善，工业化应用还很有限。生产过程中如何通过工艺参数的控制达到超低微量元素铁水的冶炼方法还不明确。

而超低微量元素铁水由于其杂质含量较少，无有害元素，铁水非常纯净，主要服务于高铁、核电、风电铸件、蒸汽轮机、军工特钢、工模具钢、汽车、工程机械和各种抗低温冲击铸件及球墨铸铁产品的高端制造深加工，提供优质的基础材料，尤其适用于核电铸件对微量元素要求近乎苛刻的行业，11种微量元素都远远低于高炉铁水，产品得到附加值大大提升。因此，如何控制铁水成分达到超低微量元素的成分要求，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，该方法采用新型熔融还原炉，用矿粉和煤粉直接喷入熔池进行还原反应，顶部喷入大量富氧热风，上部为氧化燃烧区、中部为过渡区、下部为还原区。通过对熔融还原炉的热风温度、富氧量、喷矿量、喷煤量、载气量、涌泉高度、二次燃烧率等工艺参数的调整，可以实现对熔池内氧化还原势精确控制，这对于冶炼超低微量元素铁水提供了必要条件。矿石中的微量元素几乎不会还原到铁水里面，产生的铁水微量元素超低。

本申请一个实施例提供的具体技术方案如下：一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，包括以下工艺步骤：

将热风炉送来的热风通过热风喷枪吹入熔融还原炉的上部空间，热风炉送来的热风为富氧热风，含氧量为35％～40％，热风温度控制在1000～1200℃，正常生产状态下，热风风量在135000～150000Nm³/h；

采用2～4支固体料喷枪向熔融还原炉内喷吹经过加工的原料，喷吹的煤粉是通过破碎烘干后得到的干煤粉，铁矿粉是通过回转窑等装置进行烘干提温或进行预热预还原的物料，喷枪将预热的铁矿粉、白云石粉、生石灰粉和干燥的煤粉高速喷吹到铁水熔池中，并使煤粉中的碳素快速溶解到铁水中，同时促进铁矿粉颗粒与含高度溶解碳的液态铁反应，还原出金属铁。

进一步地，热风喷枪喷入炉内的热风在熔融还原炉上部空间形成螺旋气流，形成氧化燃烧区，目的是快速充分混合可燃气体，通过控制氧含量来控制二次燃烧率，二次燃烧率控制在55％～65％。

进一步地，干煤粉最大粒度＜3mm，粒度控制在500微米以下通过率在80％以上，铁矿粉温度在400～800℃，粒度＜6mm。

进一步地，采用4支喷枪的喷吹方式，在熔融还原炉环形上均匀分布，其中2支称为“冷”固体料喷枪，是煤粉专用喷枪，另外2支称为“热”固体料喷枪，是预热矿粉、白云石粉、生石灰粉专用喷枪，“热”和“冷”固体料喷枪交替布置，以将矿粉和煤粉均匀喷入铁水熔池。

进一步地，，采用2支喷枪的喷吹方式，在熔融还原炉环形上对称分布，称为混合喷枪，既有煤粉冷料也有热矿粉热料，一同混合后喷吹。

进一步地，在生产过程中，采用2支混合喷枪的喷吹方式，正常单枪的喷矿量在60～90t/h，喷吹气量在5000～5500m³/h，单枪喷煤量为30～40t/h，混合喷枪的出口插入位置在熔渣层内，在铁水液面上部，喷吹的固态物料，气体喷入铁水，铁矿粉被还原产生大量反应气体，最终形成涌泉现象。

进一步地，控制炉渣成分：通过控制熔融还原炉内熔池温度、喷矿量、喷煤量，并调节炉渣成分，控制渣中的FeO的质量分数为2％～7％和铁水中的C 的质量分数为4％。

进一步地，炉渣成分控制在：FeO：2-7％，Fe₂O₃：0.1-2％，Fe：5-15％，SiO₂： 25-35％，Al₂O₃：10-15％，CaO：31-38％，MgO：7-7.5％，P₂O₅：1.5-4％，S： 0.1-3％，炉渣碱度控制在1.2～1.3。

本发明提供一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，该方法上部采用热风喷枪喷吹富氧热风，为炉内提供热量及反应所需的氧气，使炉内上部为氧化气氛。采用混合喷枪往熔融还原炉内喷吹固体物料的方式，达到深喷，使铁液和熔渣产生涌泉现象，铁液中的微量元素在氧化区被氧化，固结在炉渣中。再通过调节熔池内的反应条件及熔渣控制，使得铁水中微量元素极低。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A 和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面描述本发明的实施例提供的铸造用铁水生成方法。

在一些实施例中，一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，包括以下工艺步骤：

将热风炉送来的热风通过热风喷枪吹入熔融还原炉的上部空间。热风用来燃烧炉内反应产生的CO和H₂。燃烧的目的是提供熔融还原炉生产所需的热能。热风炉送来的热风为富氧热风，含氧量为35％～40％，热风温度控制在 1000～1200℃，正常生产状态下，热风风量在135000～150000Nm³/h。热风喷枪喷入炉内的热风在熔融还原炉上部空间形成螺旋气流，形成氧化燃烧区，目的是快速充分混合可燃气体，通过控制氧含量来控制二次燃烧率，二次燃烧率控制在55％～65％。参与的反应有：

CO+O₂＝CO₂；H₂+O₂＝H₂O

在一些实施例中，采用2～4支固体料喷枪向熔融还原炉内喷吹经过加工的原料。喷吹的煤粉是通过破碎烘干后得到的干煤粉，干煤粉最大粒度＜3mm，粒度控制在500微米以下通过率在80％以上。铁矿粉是通过回转窑等装置进行烘干提温或进行预热预还原的物料，铁矿粉温度在400～800℃，粒度＜6mm。

将预热的矿石、白云石粉、生石灰粉和干燥的煤粉高速喷吹到铁水熔池中，并使煤粉中的碳素快速溶解到铁水中，同时促进铁矿粉颗粒与含高度溶解碳的液态铁反应，还原出金属铁。

在一些实施例中，可以采用4支喷枪的喷吹方式，在熔融还原炉环形上均匀分布，其中2支称为“冷”固体料喷枪，是煤粉专用喷枪。另外2支称为“热” 固体料喷枪，是预热矿粉、白云石粉、生石灰粉专用喷枪。“热”和“冷”固体料喷枪交替布置，以将矿粉和煤粉均匀喷入铁水熔池。也可采用2支喷枪的喷吹方式，在熔融还原炉环形上对称分布，称为混合喷枪，既有煤粉冷料也有热矿粉热料，一同混合后喷吹。

在一些实施例中，在生产过程中，采用2支混合喷枪的喷吹方式。正常单枪的喷矿量在60～90t/h，喷吹气量在5000～5500m³/h，单枪喷煤量为30～40t/h。混合喷枪的出口插入位置在熔渣层内，在铁水液面上部。采用喷枪高速喷吹固态物料，大的喷吹气量喷入铁水，同时铁矿粉被还原产生大量反应气体，最终形成涌泉现象。

炉内下部区域为高温铁水熔池，发生重要的碳溶解反应和还原反应：

C_coal＝[C]_iron

3[C]_iron+Fe₂O₃＝2[Fe]_iron+3CO

煤粉中的碳与熔池中的FeO发生还原反应，产生的CO、煤中挥发分裂解产生的H₂和喷吹物料载体N₂形成混合煤气，逸出的混合煤气上升并带动高温液态渣铁运动对熔池进行强烈搅拌，加快了喷吹物料的熔解和还原反应的进行，

在一些实施例中，以涌泉热交换的方式保持上、下部氧位梯度的同时，实现上部氧化区到下部还原区的热传递。在熔融还原炉中通过大量的液态渣铁在上下两区间的喷溅起落，将上部热量传入下部熔池的。液滴载热除有一定比例导入冷却壁和水冷喷枪之外，剩余全部用于熔炼。将铁水以喷涌的形式抛向高处，不仅有利于热量的传递，而且更加有利于反应的充分进行。本工艺属于富氧顶吹熔融还原工艺，其特点是在熔池上部顶吹氧气，保持强氧化性气氛，优化了脱磷、脱微量元素的热力学和动力学条件，具有更高的脱微量元素的能力。铁水氧势越高，实现这种转移的动力学条件越强，热力学条件越好。

由于涌泉现象的发生，铁水中绝大部分的微量元素在上部氧化区被氧化，固结在炉渣中，使得铁水中含有的微量元素极低。

在一些实施例中，控制炉渣成分：通过控制熔融还原炉内熔池温度、喷矿量、喷煤量，并调节炉渣成分，控制渣中的FeO(质量分数为2％～7％)和铁水中的C(质量分数为4％)，可使铁水中的微量元素和P(质量分数为80％～90％)转移到渣中。炉渣成分控制在：FeO：2-7％，Fe₂O₃：0.1-2％，Fe：5-15％，SiO₂：25-35％， Al₂O₃：10-15％，CaO：31-38％，MgO：7-7.5％，P₂O₅：1.5-4％，S：0.1-3％。炉渣碱度控制在1.2～1.3。

经上述操作，可以得到超低微量元素的铁水，在熔融还原炉内由于铁水和熔渣比重不同，自动分层。比重较轻的熔渣从出渣口定期排出，一般2h出一次渣，50～70t/次。比重较重的纯净铁水从熔融还原炉底部经出铁室溢出。

鉴于熔融还原炉内特殊的氧化还原气氛，使得最终得到的铁水质量较好，可以得到超低微量元素的铁水，具体铁水成分如表1所示。

在一些实施例中，熔融还原炉正常运行时，例如喷吹量设定如下：富氧热风量150000Nm³/h，富氧36％，煤粉喷吹量66t/h，热矿粉喷吹量140t/h(其中白云石配入量10％)，生石灰粉喷吹量13t/h，其中，煤粉典型成分为：全水9.5％，挥发分7.2％，灰分12％，固定碳78％，发热量6400Kcal/kg，硫含量0.4％。矿粉典型成分为：全铁60％，水分10％，烧失量9％，磷0.04％，二氧化硅6％，三氧化二铝2.7％，二氧化钛0.17％。生石灰粉氧化钙含量≥80％。白云石中氧化镁含量≥18％。在此配比下进行生产，大约每小时产铁量81t/h，每小时产渣量35t/h。可以得到超低微量元素的铁水，具体铁水成分如表1所示。

表1 超低微量元素铁水成分(％)

从实际生产的数据与铸造标准和机械标准进行比较，可以看出采用此方法生产的铁水元素含量远远低于常规标准，有的元素低于标准一个数量级。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

2.如权利要求1所述的利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，其特征在于，热风喷枪喷入炉内的热风在熔融还原炉上部空间形成螺旋气流，形成氧化燃烧区，目的是快速充分混合可燃气体，通过控制氧含量来控制二次燃烧率，二次燃烧率控制在55％～65％。

3.如权利要求2所述的利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，其特征在于，干煤粉最大粒度＜3mm，粒度控制在500微米以下通过率在80％以上，铁矿粉温度在400～800℃，粒度＜6mm。

4.如权利要求3所述的利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，其特征在于，采用4支喷枪的喷吹方式，在熔融还原炉环形上均匀分布，其中2支称为“冷”固体料喷枪，是煤粉专用喷枪，另外2支称为“热”固体料喷枪，是预热矿粉、白云石粉、生石灰粉专用喷枪，“热”和“冷”固体料喷枪交替布置，以将矿粉和煤粉均匀喷入铁水熔池。

5.如权利要求4所述的利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，其特征在于，采用2支喷枪的喷吹方式，在熔融还原炉环形上对称分布，称为混合喷枪，既有煤粉冷料也有热矿粉热料，一同混合后喷吹。

6.如权利要求5所述的利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，其特征在于，在生产过程中，采用2支混合喷枪的喷吹方式，正常单枪的喷矿量在60～90t/h，喷吹气量在5000～5500m³/h，单枪喷煤量为30～40t/h，混合喷枪的出口插入位置在熔渣层内，在铁水液面上部，喷吹的固态物料，气体喷入铁水，铁矿粉被还原产生大量反应气体，最终形成涌泉现象。

7.如权利要求1所述的利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，其特征在于，控制炉渣成分：通过控制熔融还原炉内熔池温度、喷矿量、喷煤量，并调节炉渣成分，控制渣中的FeO的质量分数为2％～7％和铁水中的C的质量分数为4％。

8.如权利要求7所述的利用熔融还原炉生产超低微量元素铁水的方法，其特征在于，炉渣成分控制在：FeO：2-7％，Fe₂O₃：0.1-2％，Fe：5-15％，SiO₂：25-35％，Al₂O₃：10-15％，CaO：31-38％，MgO：7-7.5％，P₂O₅：1.5-4％，S：0.1-3％，炉渣碱度控制在1.2～1.3。