CN112126732B - 一种基于3d打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法 - Google Patents

一种基于3d打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法。本发明通过将铸造生铁制备技术与3D打印成型技术相结合；同时对炼铁用含铁混合料配方进行优化，提升了3D打印炼铁技术的可行性、适用性和推广性；进而利用3D打印成型技术的精确性、同步性与统一性，获得了稳定优质且规格均一的制备铸造生铁原料团块；然后将团块置于高温炉中经干燥、预热、熔融、冷凝等处理后获得合格的铸造生铁产品。

Description

一种基于3D打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法
技术领域
本发明涉及3D打印铸造生铁技术，具体涉及一种基于3D打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法，属于生铁铸造技术领域。
背景技术
当前，我国钢铁生产主要是使用的长流程工艺，采用该工艺生产的钢铁占钢铁总产量的80％左右。长流程工艺从铁矿石开始，经烧结(炼焦)/球团→高炉炼铁→转炉炼钢等一系列工序，最终制备成钢铁产品。传统钢铁长流程工艺存在如下几个主要问题：(1)长流程工序多，流程长，能耗高，同时存在加热→冷却→再加热、磨细→造块→再破碎等多次不合理的反复工序。(2)过分依赖焦炭。我国煤炭资源质量差异大，烟煤、无烟煤比例较大，焦煤只占煤炭储量27％，且分布不均，对高炉炼铁生产发展十分不利。没有焦炭就没有高炉生产，现阶段优质焦炭日趋紧张，四五十年后将趋枯竭。因此焦炭奇缺、价格昂贵是传统流程面临的最严峻的挑战。(3)环境污染严重。传统流程排放出大量的有毒有害气体及固体废弃物，尤其是焦化和烧结工序严重污染环境，钢铁工业的主要排放物为CO2、SO2、NOx，其中90％是由高炉及铁前工序排放的。
我国制备铸造生铁的流程主要为焦化-烧结/球团-高炉工序，该流程组成的铁前+高炉系统，其生产成本占钢铁产品直接生产成本的70％左右，其能耗占钢铁流程总能耗的70％左右，其污染物排放占钢铁流程总排放量的90％左右。而钢铁生产的能耗约占我国社会总能耗的15％，因此钢铁行业的节能、降本、绿色发展对我国社会的经济效益与环境效益有显著影响。
焦化：是以化学能源煤炭为原料，通过干馏技术手段进行加工的能源转化产业，焦化行业是重要基础能源原材料产业，对资源、能源、生态环境和社会配套条件要求较高。在我国经济长周期持续发展，尤其是钢铁、化工等工业高增长的强力拉动下，焦化行业发展迅猛。现阶段，我国基本形成以常规焦炉生产高炉炼铁用冶金焦、以热回收焦炉生产机械加工铸造用焦和以种类繁多的中低温干馏炉加工低变质煤生产电石、铁合金、造气、高炉喷吹和民用清洁炭等使用的半焦，构成世界上技术手段最为齐备、煤料使用最为宽泛、焦炭品种最为齐全、产能最大的焦化工业体系。
2019年，我国焦炭产量4.7亿吨，占世界焦炭产量70％左右，居世界首位。焦化工序是钢铁企业中消耗资源最多的工序也是污染物产生最严重的工序，其排放的CO2约占钢铁企业排放总量的12％，能耗占整个钢铁企业总工序的13％以上。焦化工序不仅大量耗能而且排放大量的以颗粒物、SO2、NOx等为主要代表的大气污染物，难处理的酚氰废水及焦油渣等固体废弃物。
烧结：我国高炉入炉料以烧结矿为主，大部分烧结厂的规模效应显著，比如2019年宝钢炼铁厂、武钢炼铁厂、沙钢炼铁厂烧结矿年产量分别为1523、1983、2646万吨。现阶段烧结过程主要是将烧结混合料(含铁原料、燃料、熔剂及返矿等)配以适量的水分，经混匀及制粒后铺到烧结机的台车上，烧结料表面点火后，在下部风箱强制抽风作用下，料层内燃料自上而下燃烧并放热，混合料在高温作用下发生一系列物理、化学变化，最终固结成烧结矿。具体工艺过程如下：将各种粉状含铁原料配入一定比例的燃料(焦粉、无烟煤)和熔剂(石灰石、生石灰或消石灰)，加入适量的水，经混合造球后平铺到烧结设备上，混合料经1200℃～1400℃高温(通过燃料燃烧产生的)焙烧，发生一系列物理化学反应，部分熔融成液态，将矿粉颗粒黏结起来，冷却后成为形状不规则的多孔质块矿，再经破碎、冷却、筛分、整粒后，供高炉使用。烧结工艺主要包括：原料的破碎筛分、配料混合与制粒、烧结、烧结矿的冷却和筛分整粒，最终得到粒度为5～50mm的成品烧结矿。烧结生产的主要方法有抽风烧结、鼓风烧结；烧结过程有连续式和间歇式；烧结设备的主要型式有带式烧结机、环式烧结机。目前，广泛使用能连续生产的抽风带式烧结机。
烧结工序能耗约占钢铁生产总能耗的10％，是钢铁生产的耗能大户。烧结工序能耗主要包括固体燃料消耗、电力消耗、点火煤气消耗、动力(压缩空气、蒸汽、水等)消耗，其中固体燃料消耗占70～80％，电力消耗占13～20％，点火消耗占5～10％。烧结工序的污染主要包括烟气污染和粉尘污染。在钢铁冶炼工序中，烧结过程所排放的烟气是体量最大、污染物种类较为集中且浓度高的一种工业废气，烧结烟气中包含的主要大气污染物有SO2、NOx、二噁英、重金属等污染物。据统计，每生产1t烧结矿大约产生4～6L烟气，其携带粉尘量较大，一般含尘量为0.5～15g/m3，且含有SO2、NOx等酸性污染物。
球团制备是生产钢铁的前期主要工序之一，我国2019年球团产量已达1.5亿吨，在国民经济中占有重要的地位。大部分球团厂的规模效应显著，比如2019年湛江钢铁厂、包头钢铁厂、首钢京唐钢铁厂球团年产量分别为443、406、354万吨。现阶段球团制备过程主要是将细粒物料(尤其是细粒铁精粉)在加水条件下在专门造球设备上经滚动而成生球，然后再经焙烧固结的方法。所得产品称为球团矿，呈球形，粒度均匀，具有高强度和高还原性。具体工艺过程如下：将细磨铁精矿粉(或含铁原料)和少量添加剂(膨润土、消石灰、石灰石、白云石)按一定配比均匀混合，用造球机制成直径9～16mm的生球，在焙烧设备上，通过高温气体的焙烧，生球经干燥-预热-结晶后固结为球团矿。球团生产工艺由于采用热烟气循环工艺，充分利用烟气余热，能耗与污染物排放较烧结少，是国家鼓励发展的生产技术。球团生产过程主要包括：原料的干燥研磨、配料混合、造球筛分、干燥预热、焙烧固结、球团矿的冷却筛分和成品矿的处理。球团焙烧的主要工艺设备有带式焙烧机、链篦机-回转窑和竖炉三种。
球团工序能耗约为烧结工序能耗的50～70％，其能耗构成主要包括：燃料的消耗和能源介质的消耗。燃料消耗主要指生产过程中消耗的煤粉及油，能源介质消耗主要指生产过程中消耗的水、电、风。球团工序的污染与烧结工序十分相似，但污染程度显著低于烧结工序，比如球团工序的吨产品二氧化碳排放量约为烧结工序的20～45％。
高炉炼铁是钢铁生产的重要环节，2019年我国高炉炼铁获得的产品-生铁产量高达8.09亿吨。高炉炼铁工艺是将含铁原料(烧结矿、球团矿或富矿)、燃料(焦炭、煤粉等)及其它辅助原料(石灰石、白云石、锰矿等)按一定比例自高炉炉顶装入高炉，并由热风炉在高炉下部沿炉周的风口向高炉内鼓入热风协助焦炭燃烧，在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气。原料、燃料随着炉内熔炼等过程的进行而下降，下降的炉料和上升的煤气相遇，先后发生传热、还原、熔化、脱炭作用而生成生铁，铁矿石原料中的杂质与加入炉内的熔剂相结合而成渣，炉底铁水间断地放出装入铁水罐，送往炼钢厂。同时产生高炉煤气、炉渣两种副产品。
高炉炼铁工序能耗约占钢铁流程总能耗的48％左右，高炉炼铁所需的热量有78％来自碳素燃烧，19％由热风提供，3％是炉料化学热。其中，焦比在高炉炼铁工序能耗数据中约占60％，煤比约占17％，煤气消耗占12％，高炉鼓风约占5％。高炉炼铁工序的污染主要包括气体、固体和水体污染，气体污染主要为SO2、NOx以及总悬浮颗粒物；固体污染物主要为高炉灰，常含有锌、铅等重金属元素，每生产1吨生铁可产生高炉灰50～75kg；水体污染主要来源于气体净化和炉渣处理工序产生的废水。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，通过将铸造生铁制备技术与3D打印成型技术相结合；同时对炼铁用含铁混合料配方进行优化，提升了3D打印炼铁技术的可行性、适用性和推广性；进而利用3D打印成型技术的精确性、同步性与统一性，获得了稳定优质且规格均一的制备铸造生铁原料团块；然后将团块置于高温炉中经干燥、预热、熔融、冷凝等处理后获得合格的铸造生铁产品。本发明提出的制备方法简易方便，利于工程化推广应用，与传统的焦化-烧结/球团-炼铁流程相比，工艺流程获得极大优化，能源消耗与环境污染均获得大幅度降低。考虑未来冶金领域智能炼铁、精准炼铁与简约炼铁技术的发展，本发明的推广具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体如下：
一种基于3D打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法，该方法包括如下步骤：
1)混合制料：将铁精矿粉、纤维、二氧化钛、金属添加剂、熔剂和炼铁添加剂充分混合均匀后获得3D打印混合料。
2)压块成型：将步骤1)获得的3D打印混合料置于3D打印设备中制备获得设定规格的团块。
3)干燥：将步骤2)获得的团块进行干燥处理。
4)热处理：将步骤3)干燥完全后的团块先进行预热处理，然后再进行熔融处理获得液态物料。
5)冷凝：将步骤4)获得的液态物料冷凝成设定形状规格的铸造生铁。
作为优选，在步骤1)中，所述铁精矿粉选自赤铁矿、磁铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿中的一种或多种，优选为赤铁矿和/或磁铁矿。
作为优选，所述铁精矿粉的铁氧化物纯度≥95％，优选铁氧化物纯度≥97％，更优选铁氧化物纯度≥99％。作为优选，所述铁精矿粉的粒径为0-0.5mm，优选为0.01-0.3mm，更优选为0.05-0.1mm。
作为优选，所述纤维为聚乙烯纤维和/或聚氨酯纤维。
作为优选，所述聚乙烯纤维为高弹模聚乙烯纤维。所述聚氨酯纤维为聚醚型和/或聚酯型弹性纤维。
作为优选，所述二氧化钛为纳米级二氧化钛。作为优选，所述二氧化钛的粒径为小于500nm，优选为小于400nm，更优选为小于300nm。
作为优选，所述金属添加剂为微米级金属添加剂，所述金属添加剂的粒径为小于80μm，优选为小于60μm，更优选为小于40μm。
作为优选，所述金属添加剂选自微米级五氧化二钒、微米级三氧化钨、微米级三氧化钼、微米级二氧化铈中的一种或多种。
作为优选，所述熔剂选自生石灰、石灰石、白云石、蛇纹石中的一种或多种，优选为生石灰和/或石灰石。
作为优选，所述熔剂的粒径为0.01-0.3mm，优选为0.03-0.2mm，更优选为0.05-0.1mm。
作为优选，所述炼铁添加剂选自硅石、沸石、瓷石、粉煤灰中的一种或多种。
优选为硅石和/或瓷石。
作为优选，所述炼铁添加剂的粒径为0.01-0.5mm，优选为0.03-0.3mm，更优选为0.05-0.2mm。
作为优选，所述聚乙烯纤维的长度为0.1-100mm，优选为0.5-80mm，更优选为1-50mm。
作为优选，所述聚乙烯纤维的弹性模量为50-200N/tex，优选为80-1800N/tex，更优选为100-150N/tex。
作为优选，所述聚氨酯纤维的弹性伸长为400-700％，优选为450-650％，更优选为500-600％。
作为优选，所述聚氨酯纤维的弹性回复率为≥90％，优选为≥95％，更优选为≥98％。
作为优选，所述聚氨酯纤维的断裂强度为1-30cN/dtex，优选为3-25cN/dtex，更优选为5-20cN/dtex。
作为优选，在步骤(1)中，所述纤维的加入为分批次加入，具体为：加入第一批次纤维，搅拌。加入第二次纤维，搅拌。……加入第n次纤维，搅拌。
作为优选，n为2-30，优选为3-20，更优选为4-10。
作为优选，步骤3)所述干燥具体为：将步骤2)获得的团块置于80-120℃(优选为90-110℃)的干燥箱(优选为烘箱)中干燥处理0.5-5h(优选为1-4h)。
作为优选，步骤4)所述热处理具体为：先将步骤3)干燥完全的团块先置于200-800℃(优选为300-750℃)预热炉(优选为高温熔炼炉)中预热10-120min(优选为30-90min)。然后再置于1000-2500℃(优选为1200-2200℃)熔融炉(优选为高温熔炼炉)中熔融处理0.5-15h(优选为1-10h)获得液态物料。
作为优选，步骤5)所述冷凝具体为将步骤4)获得的液态物料在耐高温容器中冷凝成设定形状规格(优选为块状、球状、条状或粉末状)的铸造生铁。所述冷凝温度≥280℃(优选为≥300℃)，冷凝时间≥30min(优选为≥60min)。
作为优选，所述3D打印混合料中各组分的含量为：
铁精矿粉：50-150重量份，优选为60-130重量份，更优选为70-120重量份。
纤维：0.02-1.8重量份，优选为0.05-1.5重量份，更优选为0.08-1.2重量份。
二氧化钛：0.08-2.0重量份，优选为0.12-1.8重量份，更优选为0.2-1.5重量份。
金属添加剂：0.03-1重量份，优选为0.05-0.8重量份，更优选为0.08-0.5重量份。
熔剂：1-20重量份，优选为3-15重量份，更优选为5-12重量份。
炼铁添加剂：2-20重量份，优选为3-18重量份，更优选为5-15重量份。
在现有技术中，钢铁生产主要是长流程工艺，采用该工艺生产的钢铁占钢铁总产量的80％左右。长流程工艺从铁矿石开始，经烧结(炼焦)/球团→高炉炼铁→转炉炼钢等一系列工序，最终制备成钢铁产品。但是传统钢铁长流程工艺存在长流程工序多，流程长，能耗高，同时还存在加热→冷却→再加热、磨细→造块→破碎等多次不合理的反复工序，极大的增加能耗和延长了工序流程，增加了生产成本。其次，现有技术过分依赖焦炭。我国煤炭资源质量差异大，烟煤、无烟煤比例较大，焦煤只占煤炭储量27％，且分布不均，对高炉炼铁生产发展十分不利。没有焦炭就没有高炉生产，现阶段优质焦炭日趋紧张，四五十年后将趋枯竭。因此焦炭奇缺、价格昂贵是老流程面临的最严峻的挑战。与此同时，现有技术污染物排放较大，对环境污染严重。其排放出大量的有毒有害气体及固体废弃物，尤其是焦化和烧结工序严重污染了环境，钢铁工业的主要排放物为CO2、SO2、NOx，其中90％是由高炉及铁前工序排放(传统长流程废弃物排放情况见附图3)。
在本发明中，通过将铸造生铁制备技术与3D打印成型技术相结合；同时对炼铁用含铁混合料配方进行优化，提升了3D打印炼铁技术的可行性、适用性和推广性；进而利用3D打印成型技术的精确性、同步性与统一性，获得了稳定优质且规格均一的制备铸造生铁原料球团；然后将球团置于高温炉中经干燥、预热、熔融、冷凝等处理后获得合格的铸造生铁产品。本发明提出的制备方法简易方便，利于工程化推广应用，与传统的焦化-烧结/球团-炼铁流程相比，工艺流程获得极大优化，能源消耗与环境污染均获得大幅度降低。考虑未来冶金领域智能炼铁、精准炼铁与简约炼铁技术的发展，本发明的推广具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。
在本发明中，采用纳米级二氧化钛是由于二氧化钛具表面超亲水性，粘附力强，可增加混合料的整体粘合力，提高物料的拉伸强度，降低断裂伸长率，使3D打印混合料更好地成为合格的3D打印原料。
在本发明中，采用微米级金属添加剂(微米级五氧化二钒、微米级三氧化钨、微米级三氧化钼、微米级二氧化铈)的目的是与混合料中的钙、镁元素及水发生反应，形成稳定的胶体溶液，增加混合料的整体粘合力，使其更符合3D打印原料的要求。
在本发明中，纤维可以是聚氨酯纤维或聚乙烯纤维，其中聚氨酯弹性纤维优选为聚醚型和/或聚酯型弹性纤维。所述聚乙烯纤维优选为高弹模聚乙烯纤维。作为优选，当所述纤维为聚乙烯纤维时，其长度为0.1-100mm，优选为0.5-80mm，更优选为1-50mm。聚乙烯纤维的弹性模量为50-200N/tex，优选为80-1800N/tex，更优选为100-150N/tex。当所述纤维是聚氨酯纤维时，所述聚氨酯纤维的弹性伸长为400-700％，优选为450-650％，更优选为500-600％。所述聚氨酯纤维的弹性回复率为≥90％，优选为≥95％，更优选为≥98％。所述聚氨酯纤维的断裂强度为1-30cN/dtex，优选为3-25cN/dtex，更优选为5-20cN/dtex。
进一步地，所述纤维是由连续或不连续的细丝组成的物质，在维系与粘结物料方面起重要作用，纤维的加入能有效地提高混合料的强度、刚度和弹性。同时，纤维可与熔剂作用，在混合料中形成一个良好黏合界面，从而提高混合料的黏结强度，使其更符合3D打印原料的要求。
在本发明中，纤维需要分批次进行添加，分批次添加的目的主要有两个：一是与铸造生铁制备工序配套，其混合工序属多段混合，分批添加与混合次数配套。二是3D打印添加物较多，混合难度大，分批次添加可增强混合效果，提高混合料均匀度。分批次添加时，投入时机的选择有两个要求：一是少量多次，分批加入。二是在混合工序的不同阶段(一般是混合机的前端、中端和末端)均量加入。混合工序流程长，不同混合工序功能不同，投入时机的把控对混合料尤其是助力3D打印原料制备的几种添加剂的充分混匀影响较大。
在本发明中，范围特征“a-b”指的是大于等于a(a为0时，为大于a)，小于等于b。例如：范围值“0-5”指的是大于0，小于等于5；范围值“0.01-0.3”指的是大于等于0.01，小于等于0.3。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益技术效果：
1、本发明采用3D打印技术，以铁精矿粉直接制备铸造生铁，大大缩短了流程，节减了常规的铁前工序(焦化、烧结、球团)，省略了高温高能耗工序，同时也避免了加热→冷却→再加热、磨细→造块→再破碎等重复工序，而且本发明生产铸造生铁的温度明显低于高炉炼铁的温度，节能效果显著。
2、本发明无需使用高炉工艺的必需品-焦炭，且高温阶段的能源可采用电加热或煤加热，无需焦炭资源，彻底解决了钢铁生产对昂贵焦炭的依赖性，极大的降低了生产成本。
3、本发明的方案省减了焦化、烧结等工序，大幅度降低了有毒有害气体及固体废弃物的排放，且本发明采用的原料为高纯铁精矿粉，杂质含量低，相应的固体废弃物排放量亦低。同时，本发明主要采用高温熔融-冷凝成型技术，未添加焦粉等高污染原料，配加的原料在高温下形成液相后熔融，而后直接冷凝成铸造生铁，固体废弃物排放量极少，气体排放也仅限于高纯铁精矿粉、熔剂及其它添加剂在高温熔融过程中排放的极少量气体，与传统长流程工艺相比，该部分气体排放量微乎其微。
附图说明
图1为本发明所述3D打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法的工艺流程图。
图2为现有技术中铁矿烧结/球团/高炉工序吨产品废气污染物排放情况表。
图3为传统长流程废弃物排放情况详情表。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行举例说明，本发明请求保护的范围包括但不限于以下实施例。
一种基于3D打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法，该方法包括如下步骤：
1)混合制料：将铁精矿粉、纤维、二氧化钛、金属添加剂、熔剂和炼铁添加剂充分混合均匀后获得3D打印混合料。
2)压块成型：将步骤1)获得的3D打印混合料置于3D打印设备中制备获得团块。
3)干燥：将步骤2)获得的团块进行干燥处理。
4)热处理：将步骤3)干燥完全后的团块先进行预热处理，然后再进行熔融处理获得液态物料。
5)冷凝：将步骤4)获得的液态物料冷凝成设定形状规格的铸造生铁。
作为优选，在步骤1)中，所述铁精矿粉选自赤铁矿、磁铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿中的一种或多种，优选为赤铁矿和/或磁铁矿。
作为优选，所述铁精矿粉的铁氧化物纯度≥95％，优选铁氧化物纯度≥97％，更优选铁氧化物纯度≥99％。作为优选，所述铁精矿粉的粒径为0-0.5mm，优选为0.01-0.3mm，更优选为0.05-0.1mm。
作为优选，所述纤维为聚乙烯纤维和/或聚氨酯纤维。
作为优选，所述聚乙烯纤维为高弹模聚乙烯纤维。所述聚氨酯纤维为聚醚型和/或聚酯型弹性纤维。
作为优选，所述二氧化钛为纳米级二氧化钛。作为优选，所述二氧化钛的粒径为小于500nm，优选为小于400nm，更优选为小于300nm。
作为优选，所述金属添加剂为微米级金属添加剂，所述金属添加剂的粒径为小于80μm，优选为小于60μm，更优选为小于40μm。
作为优选，所述金属添加剂选自微米级五氧化二钒、微米级三氧化钨、微米级三氧化钼、微米级二氧化铈中的一种或多种。
作为优选，所述熔剂选自生石灰、石灰石、白云石、蛇纹石中的一种或多种，优选为生石灰和/或石灰石。
作为优选，所述熔剂的粒径为0.01-0.3mm，优选为0.03-0.2mm，更优选为0.05-0.1mm。
作为优选，所述炼铁添加剂选自硅石、沸石、瓷石、粉煤灰中的一种或多种。优选为硅石和/或瓷石。
作为优选，所述炼铁添加剂的粒径为0.01-0.5mm，优选为0.03-0.3mm，更优选为0.05-0.2mm。
作为优选，所述聚乙烯纤维的长度为0.1-100mm，优选为0.5-80mm，更优选为1-50mm。
作为优选，所述聚乙烯纤维的弹性模量为50-200N/tex，优选为80-1800N/tex，更优选为100-150N/tex。
作为优选，所述聚氨酯纤维的弹性伸长为400-700％，优选为450-650％，更优选为500-600％。
作为优选，所述聚氨酯纤维的弹性回复率为≥90％，优选为≥95％，更优选为≥98％。
作为优选，所述聚氨酯纤维的断裂强度为1-30cN/dtex，优选为3-25cN/dtex，更优选为5-20cN/dtex。
作为优选，在步骤(1)中，所述纤维的加入为分批次加入，具体为：加入第一批次纤维，搅拌。加入第二次纤维，搅拌。……加入第n次纤维，搅拌。
作为优选，n为2-30，优选为3-20，更优选为4-10。
作为优选，步骤3)所述干燥工序具体为：将步骤2)获得的团块置于80-120℃(优选为90-110℃)的干燥箱(优选为烘箱)中干燥处理0.5-5h(优选为1-4h)。
作为优选，步骤4)所述热处理具体为：先将步骤3)干燥完全的团块先置于200-800℃(优选为300-750℃)预热炉(优选为高温熔炼炉)中预热10-120min(优选为30-90min)。然后再置于1000-2500℃(优选为1200-2200℃)熔融炉(优选为高温熔炼炉)中熔融处理0.5-15h(优选为1-10h)获得液态物料。
作为优选，步骤5)所述冷凝具体为将步骤4)获得的液态物料在耐高温容器中冷凝成设定形状规格(优选为块状、球状、条状或粉末状)的铸造生铁。所述冷凝温度≥280℃(优选为≥300℃)，冷凝时间≥30min(优选为≥60min)。
作为优选，所述3D打印混合料中各组分的含量为：
铁精矿粉：50-150重量份，优选为60-130重量份，更优选为70-120重量份。
纤维：0.02-1.8重量份，优选为0.05-1.5重量份，更优选为0.08-1.2重量份。
二氧化钛：0.08-2.0重量份，优选为0.12-1.8重量份，更优选为0.2-1.5重量份。
金属添加剂：0.03-1重量份，优选为0.05-0.8重量份，更优选为0.08-0.5重量份。
熔剂：1-20重量份，优选为3-15重量份，更优选为5-12重量份。
炼铁添加剂：2-20重量份，优选为3-18重量份，更优选为5-15重量份。
实施例1
1)按比例计量取巴西某赤铁矿矿粉100份、生石灰8份、纳米级二氧化钛0.2份、微米级五氧化二钒0.1份，微米级三氧化钨0.1份，微米级二氧化铈0.08份，硅石12份进行搅拌混合均匀，在搅拌过程中分批3次加入高弹模聚乙烯纤维0.9份，获得最终3D打印混合料。
2)然后采用3D打印设备按照预先设定的编程程序将上述3D打印混合料批量打印制备获得粒径为16×12×10mm的长方体团块，然后将团块置于105℃烘箱中干燥3h。
3)再然后将上述干燥后的团块置于高温熔炼炉中于400℃温度下预热30min，然后再将高温熔炼炉升温至1800℃熔融处理3h后获得液态物料。
4)最后将上述液态物料在耐高温容器中冷凝成块状的铸造生铁，冷凝温度为280℃，冷凝时间为2h。
其中巴西某赤铁矿矿粉的粒度为-0.074mm≥90％，铁氧化物纯度为96.5％，纳米级二氧化钛的粒径范围为≤300nm，微米级五氧化二钒的粒径范围为≤20μm，微米级三氧化钨的粒径范围为≤20μm，微米级二氧化铈的粒径范围为≤20μm，高弹模聚乙烯纤维的平均长度范围为14mm，弹性模量为100N/tex。
采用本发明方法制备的铸造用生铁满足标准GB/T 718-2005中牌号Z18的要求，Mn含量为0.71％，P含量为0.11％，S含量为0.02％，铁块表面清洁，无炉渣和砂粒。同时，采用本发明方法的主要优点是大大缩短了铸造生铁的制备流程，显著降低了能耗水平和环境污染。
与现有焦化-烧结-高炉方法获得的铸造生铁工艺相比，本方法的能耗、环保等优势如表1所示。
表1 本发明方法与传统焦化-烧结-高炉工艺能耗和环保指标对比表
Figure BDA0002492276040000101
实施例2
1)按比例计量取辽宁某磁铁矿矿粉100份、生石灰10份、纳米级二氧化钛0.22份、微米级五氧化二钒0.12份，微米级三氧化钼0.1份，微米级二氧化铈0.12份，硅石15份进行搅拌混合均匀，在搅拌过程中分批4次加入高弹模聚乙烯纤维1.0份，获得最终3D打印混合料。
2)然后采用3D打印设备按照预先设定的编程程序将上述3D打印混合料批量打印制备获得粒径为10×10×10mm的正方体团块，然后将团块置于105℃烘箱中干燥3h。
3)再然后将上述干燥后的团块置于高温熔炼炉中于500℃温度下预热40min，然后再将高温熔炼炉升温至2200℃熔融处理3h后获得液态物料。
4)最后将上述液态物料在耐高温容器中冷凝成块状的铸造生铁，冷凝温度为300℃，冷凝时间为2h。
其中辽宁某磁铁矿矿粉的粒度为-0.074mm≥90％，铁氧化物纯度为97.7％，纳米级二氧化钛的粒径范围为≤300nm，微米级五氧化二钒的粒径范围为≤20μm，微米级三氧化钼的粒径范围为≤20μm，微米级二氧化铈的粒径范围为≤20μm，高弹模聚乙烯纤维的平均长度范围为14mm，弹性模量为100N/tex。
采用本发明方法制备的铸造用生铁满足标准GB/T 718-2005中牌号Z14的要求，Mn含量为0.48％，P含量为0.07％，S含量为0.04％，铁块表面清洁，无炉渣和砂粒。同时，采用本发明方法的主要优点是大大缩短了铸造生铁的制备流程，显著降低了能耗水平和环境污染。与现有焦化-烧结-高炉方法获得的铸造生铁工艺相比，本方法的能耗、环保等优势如表2所示。
表2 本发明方法与传统焦化-烧结-高炉工艺能耗和环保指标对比表
Figure BDA0002492276040000111
实施例3
1)按比例计量取辽宁某磁铁矿及澳大利亚某赤铁矿精矿的混合矿粉(配比为1:1)100份、石灰石10份、纳米级二氧化钛0.22份、微米级五氧化二钒0.05份，微米级三氧化钨0.04份，微米级三氧化钼0.04份，微米级二氧化铈0.08份，瓷石15份进行搅拌混合均匀，在搅拌过程中分批4次加入聚氨酯弹性纤维1.2份，获得最终3D打印混合料。
2)然后采用3D打印设备按照预先设定的编程程序将上述3D打印混合料批量打印制备获得粒径为20×16×12mm的长方体团块，然后将团块矿置于105℃烘箱中干燥3h。
3)再然后将上述干燥后的团块矿置于高温熔炼炉中于600℃温度下预热50min，然后再将高温熔炼炉升温至2400℃熔融处理4h后获得液态物料。
4)最后将上述液态物料在耐高温容器中冷凝成块状的铸造生铁，冷凝温度为320℃，冷凝时间为3h。
其中辽宁某磁铁矿矿粉和澳大利亚某赤铁矿矿粉的粒度为-0.074mm≥90％，平均铁氧化物纯度为97.2％，纳米级二氧化钛的粒径范围为≤300nm，微米级三氧化钨的粒径范围为≤20μm，微米级五氧化二钒的粒径范围为≤20μm，微米级三氧化钼的粒径范围为≤20μm，微米级二氧化铈的粒径范围为≤20μm，聚氨酯弹性纤维为聚醚型，弹性伸长为500％，弹性回复率≥96％，断裂强度15cN/dtex。
采用本发明方法制备的铸造用生铁满足标准GB/T 718-2005中牌号Z22的要求，Mn含量为0.54％，P含量为0.11％，S含量为0.043％，铁块表面清洁，无炉渣和砂粒。同时，采用本发明方法的主要优点是大大缩短了铸造生铁的制备流程，显著降低了能耗水平和环境污染。与现有焦化-烧结-高炉方法获得的铸造生铁工艺相比，本方法的能耗、环保等优势如表3所示。
表3 本发明方法与传统焦化-烧结-高炉工艺能耗和环保指标对比表
Figure BDA0002492276040000121

Claims (37)

1.一种基于3D打印的利用铁精矿粉直接制备铸造生铁的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)混合制料：将铁精矿粉、纤维、二氧化钛、金属添加剂、熔剂和炼铁添加剂充分混合均匀后获得3D打印混合料；
2)压块成型：将步骤1)获得的3D打印混合料置于3D打印设备中制备获得设定规格的团块；
3)干燥：将步骤2)获得的团块进行干燥处理；
4)热处理：将步骤3)干燥完全后的团块先进行预热处理，然后再进行熔融处理获得液态物料；
5)冷凝：将步骤4)获得的液态物料冷凝成设定形状规格的铸造生铁。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤1)中，所述铁精矿粉选自赤铁矿、磁铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述铁精矿粉为赤铁矿和/或磁铁矿；所述铁精矿粉的铁氧化物纯度≥95％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述铁精矿粉的铁氧化物纯度≥97％。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述铁精矿粉的铁氧化物纯度≥99％。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述铁精矿粉的粒径为0-0.5mm。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述铁精矿粉的粒径为0.01-0.3mm。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述铁精矿粉的粒径为0.05-0.1mm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：所述纤维为聚乙烯纤维和/或聚氨酯纤维。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述聚乙烯纤维为高弹模聚乙烯纤维；所述聚氨酯纤维为聚醚型和/或聚酯型弹性纤维。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：所述二氧化钛为纳米级二氧化钛；和/或
所述金属添加剂为微米级金属添加剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述二氧化钛的粒径为小于500nm；和/或
所述金属添加剂的粒径为小于80μm。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述二氧化钛的粒径为小于400nm；和/或
所述金属添加剂的粒径为小于60μm。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述二氧化钛的粒径为小于300nm；和/或
所述金属添加剂的粒径为小于40μm。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述金属添加剂选自微米级五氧化二钒、微米级三氧化钨、微米级三氧化钼、微米级二氧化铈中的一种或多种。
16.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：所述熔剂选自生石灰、石灰石、白云石、蛇纹石中的一种或多种。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述熔剂为生石灰和/或石灰石。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述熔剂的粒径为0.01-0.3mm。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述熔剂的粒径为0.03-0.2mm。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述熔剂的粒径为0.05-0.1mm。
21.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：所述炼铁添加剂选自硅石、沸石、瓷石、粉煤灰中的一种或多种。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述炼铁添加剂硅石和/或瓷石。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述炼铁添加剂的粒径为0.01-0.5mm。
24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述炼铁添加剂的粒径为0.03-0.3mm。
25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述炼铁添加剂的粒径为0.05-0.2mm。
26.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述聚乙烯纤维的长度为0.1-100mm；聚乙烯纤维的弹性模量为50-200N/tex；和/或
所述聚氨酯纤维的弹性伸长为400-700％；聚氨酯纤维的弹性回复率为≥90％；聚氨酯纤维的断裂强度为1-30cN/dtex。
27.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述聚乙烯纤维的长度为0.5-80mm；聚乙烯纤维的弹性模量为80-1800N/tex；和/或
所述聚氨酯纤维的弹性伸长为450-650％；聚氨酯纤维的弹性回复率为≥95％；聚氨酯纤维的断裂强度为3-25cN/dtex。
28.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述聚乙烯纤维的长度为1-50mm；聚乙烯纤维的弹性模量为100-150N/tex；和/或
所述聚氨酯纤维的弹性伸长为500-600％；聚氨酯纤维的弹性回复率为≥98％；聚氨酯纤维的断裂强度为5-20cN/dtex。
29.根据权利要求1-8、10、12-15、17-20、22-28中任一项所述的方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述纤维的加入为分批次加入，具体为：加入第一批次纤维，搅拌；加入第二次纤维，搅拌；……加入第n次纤维，搅拌。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于：n为2-30。
31.根据权利要求29所述的方法，其特征在于：n为3-20。
32.根据权利要求29所述的方法，其特征在于：n为4-10。
33.根据权利要求1-8、10、12-15、17-20、22-28、30-32中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)所述干燥具体为：将步骤2)获得的团块置于80-120℃的干燥箱中干燥处理0.5-5h；和/或
步骤4)所述热处理具体为：先将步骤3)干燥完全的团块先置于200-800℃预热炉中预热10-120min；然后再置于1000-2500℃熔融炉中熔融处理0.5-15h获得液态物料；和/或
步骤5)所述冷凝具体为将步骤4)获得的液态物料在耐高温容器中冷凝成设定形状规格的铸造生铁；所述冷凝温度≥280℃，冷凝时间≥30min。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于：步骤3)所述干燥具体为：将步骤2)获得的团块置于90-110℃的烘箱中干燥处理1-4h；和/或
步骤4)所述热处理具体为：先将步骤3)干燥完全的团块先置于300-750℃高温熔炼炉中预热30-90min；然后再置于1200-2200℃高温熔炼炉中熔融处理1-10h获得液态物料；和/或
步骤5)所述冷凝具体为将步骤4)获得的液态物料在耐高温容器中冷凝成块状、球状、条状或粉末状的铸造生铁；所述冷凝温度≥300℃)，冷凝时间≥60min。
35.根据权利要求1-8、10、12-15、17-20、22-28、30-32、34中任一项所述的方法，其特征在于：所述3D打印混合料中各组分的含量为：铁精矿粉：50-150重量份；纤维：0.02-1.8重量份；二氧化钛：0.08-2.0重量份；金属添加剂：0.03-1重量份；熔剂：1-20重量份；炼铁添加剂：2-20重量份。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于：所述3D打印混合料中各组分的含量为：铁精矿粉：60-130重量份；纤维：0.05-1.5重量份；二氧化钛：0.12-1.8重量份；金属添加剂：0.05-0.8重量份；熔剂：3-15重量份；炼铁添加剂：3-18重量份。
37.根据权利要求35所述的方法，其特征在于：所述3D打印混合料中各组分的含量为：铁精矿粉：70-120重量份；纤维：0.08-1.2重量份；二氧化钛：0.2-1.5重量份；金属添加剂：0.08-0.5重量份；熔剂：5-12重量份；炼铁添加剂：5-15重量份。
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