CN111621611B - 基于气基能源的两步法高磷含铁资源铁磷高效分离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气基能源的两步法高磷含铁资源铁磷高效分离的方法，属于炼铁和资源综合利用领域。该方法包括：将高磷含铁资源、渗碳剂、熔剂、粘结剂按预定配比添加并混匀，加适量水分润湿，再次混匀后压制成具有一定抗压强度的团块；团块经烘干后，装入竖炉进行气基还原，还原气体来自于天然气与还原炉尾气重整，制得金属化团块；将金属化团块排出，直接热装入熔分炉，以天然气为燃料进行快速熔分，经水淬和磁选，生产出固态粒状生铁和玻璃渣。本发明原料适应性强、操作简单、可控性强、反应速度快、生产效率高、脱磷效率高、易于实现自动化。

Description

基于气基能源的两步法高磷含铁资源铁磷高效分离的方法

技术领域

本发明属于炼铁和资源综合利用领域，涉及高磷含铁资源中铁磷分离和制备高品质炼钢生铁(或半钢)的方法，用于高磷含铁资源的开发利用。

背景技术

现代钢铁工业的发展已经历较长的历史时期，世界范围内，随着高品位铁矿资源的消耗，铁矿石呈劣化趋势，矿石中硅、铝、磷、烧损含量不断增加。国内外高磷铁矿资源储量巨大，其综合利用问题一直是矿业和冶金学科领域的重点研究方向之一。磷会损害钢的脆性，在低温时尤为明显(俗称“冷脆”)，必须将其降到合理水平。一般情况，铁矿石中的磷含量要小于0.2％，炼钢生铁中的磷含量要小于0.1％。高磷铁矿的合理利用核心在于如何经济有效地实现铁磷分离并提高铁品位，从而获得满足高炉炼铁要求的矿石或满足炼钢要求的洁净铁源。针对上述问题，国内外很多研究学者进行了诸多方面的探索，总体来说有两种思路：一是在矿石入炉前进行预处理脱磷，如选矿、湿法浸出、直接还原-分选等方法，获得合格的铁精矿用于炼铁生产；二是在冶炼中采用针对性处理脱除磷，如铁水预脱磷。

物理选矿法主要是借助铁矿物和脉石杂质物理性质的差异，在一定程度上实现铁元素的富集和磷元素的脱除，常用的有反浮选、高梯度磁选、重选等。虽然物理分选方法工艺相对简单，但由于鲕状赤铁矿中的矿物嵌布粒度极为细微，且经常与鲕绿泥石和含磷矿物共生或相互包裹，采用常规物理选矿法普遍存在精矿铁品位低、铁回收率低、磷脱除效果差等问题。

浸出法降磷主要分为化学浸矿法和微生物浸矿法两种方法。化学浸矿法是用硫酸、硝酸或盐酸等酸性介质对铁矿石进行浸矿，选择性地使矿石中的磷矿物溶解，从而达到降磷的目的。化学浸出法可以有效地实现铁和磷元素的分离，然而该方法耗酸较多、成本较高，容易导致矿石中含铁矿物的溶解而形成铁损；微生物法虽然有成本低、环境污染小诸多优势，但是生产周期较长。

鲕状高磷赤铁矿中，矿物层层包裹、嵌布致密，单体解离困难，但是经过直接还原焙烧后，赤铁矿被逐步还原为金属铁，铁颗粒和脉石分别聚集、长大，改变了含铁矿物和脉石矿物的原始结合状态，通过后续的磨矿-分选工艺便可实现铁-磷的高效分离。为了获得高的铁精矿品位、铁回收率和磷脱除率，还原过程中需要添加一定的脱磷剂。直接还原-磁选法处理鲕状赤铁矿在产品铁品位、回收率和脱磷效果方面都优于上述各种方法，但若投入工业应用还存在一系列技术经济问题，如产品中仍残留有部分磷、生产成本高、脱磷剂消耗量大等。

有研究考察了高磷铁矿含碳球团还原熔分对脱磷的影响，基于铁矿含碳球团还原熔分特点和磷、铁矿物选择性还原特性，产品为与高炉生铁性质类似的珠铁，铁中的磷含量受渣系碱度、熔剂(碳酸钠、萤石等)，提高碱度有助于降低珠铁中磷含量，但是该工艺严重依赖于煤炭资源，然而使用煤炭会导致尾气中SOx、NOx排放增加，污染大气环境。同时，由于没有成熟的还原熔分设备，该工艺很难实现工业化生产。也有研究采用气体还原-电炉熔分的技术处理高磷铁矿实现铁-磷分离，磷矿物在固态还原阶段不能被还原，在熔分阶段通过渣铁熔分脱除磷和脉石，从而获得高品质生铁。研究表明，采用气基直接还原处理高磷矿，在800℃下分别用CO和H₂还原矿粉2h，然后再1600℃下加入CaO进行熔融分离30min，最终CO还原矿样经熔化分离得到含磷0.27％的铁样，H₂还原矿样经熔化分离得到含磷0.33％的铁样。该工艺原理上较煤基还原熔分更合理，但是还原矿熔分过程是铁中磷控制的关键，由于电炉冶炼周期相对较长，渣-金反应较为充分，部分渣中磷被还原，难以获得磷含量较低的铁水或半钢。

当铁水中磷含量较高时必须通过铁水预处理将其脱除。常用的预处理设备有铁水包(或鱼雷罐车)和专用的脱磷转炉。常用的脱磷渣系有苏打系和石灰系，苏打可以显著降低磷含量，可以得到含磷低于0.1％的铁水。转炉脱磷铁水温降少，无须预先脱硅，无须喷粉、工艺设备简单可靠，渣量少，得到的脱磷渣含磷高，对农作物有很好的肥效，但是过程中不能同步脱硫，生产效率降低，且设备投资高；铁水包和鱼雷罐中脱磷设备投资相对较低，可以同时脱磷和脱硫，对炼钢生产不会造成不利影响，但是有渣量大、温降多、废渣污染环境且不能做肥料等不足。而且实际生产中铁水预处理脱磷工艺只能处理磷含量0.10％左右的低磷铁水，对高磷铁水的脱磷存在一定困难，对于中高磷含量的铁水要采用双渣法，过程对技术难度高，生产成本高。

虽然世界范围内在铁矿石降磷各个方面取得了很大的进展，但总的来说还存在着很多问题，主要是难以同时满足脱磷率高、金属回收率高、精矿产品含铁品位高的要求；不同工艺的原料适应性、投资成本、技术复杂度、生产效率等也限制了其工业化应用。特别是对于油气资源、高磷含铁资源丰富且环境要求高的地区，更没有合适且成熟的高磷含铁资源利用技术。

发明内容

本发明的目的在于找到一种技术上可行、经济上合理且适于工业化的基于气基能源的高磷含铁资源综合利用方法，打通低品位高磷含铁资源气基能源清洁综合利用的流程，从而充分利用现有低品位铁矿资源，满足钢铁工业可持续发展的要求。本发明以天然气为还原剂(重整后)和还原-熔分过程加热燃料，与以煤炭作还原剂和能源的工艺相比，可清洁制得低磷生铁(或半钢)，减少气体污染物和碳排放；与高磷铁矿煤基还原相比，由于本发明还原温度低，可明显抑制含铁资源中磷矿物的还原，从原理上可以降低生铁(或半钢)中的磷含量；与现有的高磷铁矿气基还原相比，本发明通过控制还原过程金属铁气相渗碳和内配固体渗碳剂，从而为进一步通过高温快速渣铁熔分实现铁-磷分离提供重要基础；不同于现有的基于电能的高磷铁矿熔分利用工艺，本发明通过以天然气为能源的熔分炉实现金属化炉料快速熔分从而进一步完成铁-磷分离和金属产品提质，能耗更低；液态金属和熔渣水淬工序是保证减少渣金接触反应时间进而减少生铁(或半钢)中磷含量的重要措施，也是金属化炉料熔分过程能够快速通畅进行的重要保证。综合分析本发明全流程的优点可知，本发明相比于现有的高磷含铁资源的利用技术，更易于实现工业化，更低碳，更环保，特别适合于在油气资源、高磷含铁资源丰富且环境要求高的地区推广应用。

根据本发明技术方案，提供一种基于气基能源的两步法高磷含铁资源铁磷高效分离的方法，其中，所述方法包括：

步骤1：将高磷含铁资源、渗碳剂、熔剂、粘结剂按预定配比添加并混匀，加适量水分润湿，再次混匀后压制成具有一定抗压强度的团块；

步骤2：团块经烘干后，装入竖炉进行气基还原，还原气体来自于天然气与还原炉尾气重整，制得金属化团块；

步骤3：将金属化团块排出，直接热装入熔分炉，以天然气为燃料进行快速熔分，经水淬和磁选，生产出固态粒状生铁和玻璃渣。

进一步的，步骤1中，所述团块的抗压强度大于200N/个。

进一步的，步骤2中，所述还原气体组成为H₂/CO>1.0。

进一步的，步骤1中，高磷含铁资源的全铁含量在30～70％之间，磷含量在0.1～1.5％，粒度小于1mm。

进一步的，步骤3中，气基熔分炉采用天燃气烧嘴对金属化团块进行快速加热，实现渣铁快速熔分，熔分后的液态生铁或半钢和熔渣迅速排入水池进行水淬。

进一步的，步骤3中，熔分温度为1450～1600℃，熔分时间小于10min。

进一步的，渗碳剂为无烟煤或焦粉，其中的固定碳在80％左右，灰分在15％以下，粒度小于1mm。

进一步的，熔剂为石灰石和工业级碳酸钠，粒度小于1mm。

进一步的，团块碱度控制在1.0～1.6，内配渗碳剂为含铁物料重量的0～2％，碳酸钠配比为含铁物料重量的0～3％；

进一步的，金属化团块的终点还原度85～95％，金属化团块终点气相渗碳量控制在2～3％。

进一步的，所得固态粒状生铁(或半钢)磷含量为0.05％～0.1％，满足炼钢要求。

本发明技术方案的有益效果：

本发明原料适应性强、操作简单、可控性强、反应速度快、生产效率高、脱磷效率高、易于实现自动化，此外，以天然气为还原剂和渣铁熔分过程能源，污染物排放少，环境友好。所采用的预还原工艺即气基竖炉直接还原技术是炼铁领域的前沿技术，在国内外均有较好的发展趋势。

附图说明

图1为本发明工艺的原则流程。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其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。

本发明以气基还原竖炉和气基熔分炉为主要设备，辅助设备包括上料系统、料仓、电子皮带秤、混料机、造球机、烘干机、出料机、皮带输送设备和气密高温链板式给矿机。具体的生产过程是：

原料条件为：

高磷含铁资源的全铁含量在30～70％之间，P含量在0.1～1.5％，粒度100％以上小于1mm。

渗碳剂为无烟煤或焦粉，其中的固定碳在80％左右，灰分在15％以下，粒度达到100％以上小于1mm。

熔剂为石灰石和工业级碳酸钠，粒度达到100％以上小于1mm。

主要生产工艺流程为：

(1)将高磷含铁资源、渗碳剂、熔剂、粘结剂按预定配比添加，加适量水分润湿，再次混匀后压制成具有较高抗压强度的团块；

(2)团块经烘干后，装入竖炉进行气基还原，还原气体来自于天然气重整，制得金属化团块；

(3)将金属化团块排出，直接热装入燃气炉，进行快速熔分，经水淬和磁选，生产出可作为炼钢原料的固态粒状生铁(或半钢)和可作为水泥原料的玻璃渣。

实施例1

按照图1所示的工艺流程，将某P含量为0.8％、TFe品位为55％的高磷含铁资源、重量为高磷含铁资源2％的煤粉、重量为高磷含铁资源3％的碳酸钠、重量为高磷含铁资源2％的粘结剂以及可将渣系二元碱度调节至1.5的石灰石粉经过皮带输送至混料机混匀，并调节混匀料水分至7％。将混合好的混匀料经皮带输送至对辊压球机制成团块，压力为15MPa，尺寸为40×30×20mm的枕状。团块经干燥后装入竖炉，被热还原气逐步还原，还原气体来自于天然气重整，气体温度为1000℃，还原时间为2h，金属化团块终点还原度90％，终点渗碳量2.0％。将金属化团块排出，直接热装入气基熔分炉，熔分炉以天然气为燃料，进行快速熔分，熔分温度1500℃，熔分后的液态生铁和熔渣迅速排入水池进行水淬，将水淬铁和渣进行破碎和磁选分离，得到固态粒状生铁和水淬玻璃渣。固态粒状生铁可以用作炼钢炉料，玻璃渣可以用作生产水泥的原料。熔分所得生铁的成分如表1所示。

表1生铁主要成分

实施例2

按照图1所示的工艺流程，将某P含量为0.3％、TFe品位为65％的高磷含铁资源、重量为高磷含铁资源2％的碳酸钠、重量为高磷含铁资源2％的粘结剂以及可将渣系二元碱度调节至1.2的石灰石粉经过皮带输送至混料机混匀，并调节混匀料水分至7％。将混合好的混匀料经皮带输送至对辊压球机制成团块，压力为15MPa，尺寸为40×30×20mm的枕状。团块经干燥后装入竖炉，被热还原气逐步还原，还原气体来自于天然气重整，气体温度为950℃，还原时间为4h，金属化团块终点还原度95％，终点渗碳量4.0％。将金属化团块排出，直接热装入熔分炉，熔分炉以天然气为燃料，进行快速熔分，熔分温度1550℃，熔分后的液态半钢和熔渣迅速排入水池进行水淬，将水淬半钢和渣进行破碎和磁选分离，得到固态粒状半钢和水淬玻璃渣。固态粒状半钢可以用作炼钢炉料，玻璃渣可以用作生产水泥的原料。熔分所得半钢的成分如表2所示。

表2生铁主要成分

本发明公开了一种基于气基能源的两步法高磷含铁资源铁磷高效分离的方法，属于炼铁和资源综合利用领域。涉及高磷含铁资源中铁磷分离和制备高品质炼钢生铁(或半钢)的方法，用于高磷含铁资源的开发利用。其特征在于利用高磷含铁资源、渗碳剂、熔剂、粘结剂为原料，经过配料、混匀、造块、气基竖炉还原、燃气炉快速熔分、水淬分离等工序制得磷含量在0.05％～0.1％的高品质固态粒状生铁(或半钢)。生产出的固态粒状生铁(或半钢)可以作为炼钢的原料，脉石凝聚成渣经水淬后成玻璃态，可以用作生产水泥的原料。该工艺以天然气做能源，摆脱了对煤炭的依赖，从而可以减少煤炭造成的污染和碳排放，同时可以充分利用高磷含铁资源，减少废弃物产生，实现清洁生产。此方法工艺简单、效率高、铁磷分离彻底，分离所得固态粒状生铁(或半钢)可以满足钢铁工业炼钢生产的需求，具有较好的社会和经济效益，特别适合在油气资源、高磷含铁资源丰富且环境要求高的地区推广。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于气基能源的两步法高磷含铁资源铁磷高效分离的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：将高磷含铁资源、渗碳剂、熔剂、粘结剂按预定配比添加并混匀，加适量水分润湿，再次混匀后压制成具有一定抗压强度的团块，所述渗碳剂为无烟煤或焦粉，其中的固定碳在80%左右，灰分在15%以下，粒度小于1mm，其中，团块碱度控制在1.0～1.6，内配渗碳剂为含铁物料重量的0～2%，熔剂为石灰石和工业级碳酸钠，工业级碳酸钠配比为含铁物料重量的0～3%；

步骤2：团块经烘干后，装入竖炉进行气基还原，还原气体来自于天然气与还原炉尾气重整，制得金属化团块；

步骤3：将金属化团块排出，直接热装入熔分炉，以天然气为燃料进行快速熔分，经水淬和磁选，生产出固态粒状生铁和玻璃渣，其中，气基熔分炉采用天燃气烧嘴对金属化团块进行快速加热，实现渣铁快速熔分，熔分后的液态生铁或半钢和熔渣迅速排入水池进行水淬；熔分温度为1450～1600℃，熔分时间小于10min，

其中，所得固态粒状生铁磷含量为0.05%～0.1%，满足炼钢要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述团块的抗压强度大于200N/个。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述还原气体组成为H₂/CO>1.0。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，高磷含铁资源的全铁含量在30～70%之间，磷含量在0.1～1.5%，粒度小于1mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，石灰石和工业级碳酸钠的粒度小于1mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，金属化团块的终点还原度85～95%，金属化团块终点气相渗碳量控制在2～3%。

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