CN112195301B - 一种直接还原-熔分系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接还原‑熔分系统及方法，属于钢铁冶金技术领域，解决了现有技术中贫杂矿和冶炼渣的还原铁品位低，能耗高；传统转底炉工艺能耗高，不能直接获得生铁的问题。直接还原‑熔分系统包括原料烘干预处理单元，直接还原单元，熔分单元和烟气处理单元；原料烘干预处理单元、直接还原单元和熔分单元依次连通，原料经原料烘干预处理单元处理后进入直接还原单元进行预还原处理，然后进入熔分单元进行还原熔分；熔分单元包括熔分炉，熔分炉的炉顶设有入料溜槽，熔分炉的炉底设有炉底铁芯和熔沟；炉底铁芯外部设置铁芯线圈；熔分炉内生成的煤气能够用作直接还原单元的热量来源。本发明的直接还原‑熔分系统能避免冻炉现象，并且能耗低。

Description

一种直接还原-熔分系统及方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体地说是涉及一种直接还原-熔分系统及方法。

背景技术

贫杂矿是低品位矿统称。我国铁矿石资源储量大，但矿石类型复杂，难以利用的低品位“红矿”所占比例大，分布广泛。探明的铁矿石中，磁铁矿308.33亿吨，约占全部铁矿资源储量的51％；钒钛磁铁矿105.18亿吨，约占17％；“红矿”180.12亿吨，约占30％。“红矿”包括赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、镜铁矿和混合铁矿。可见，低品位“红矿”所占比重较大，资源分布广泛，易于开采，“红矿”的含铁量在40％-55％之间。

目前我国钢铁企业主要利用的是磁铁矿和钒钛磁铁矿，而储量丰富的“红矿”由于难以选别富集，大部分没有回收利用或根本没有开采利用。目前虽然部分选矿问题有所突破，但总体来说，选矿工艺流程复杂，精矿生产成本较高。赤铁矿是一种氧化铁的矿石，主要成分为Fe₂O₃，褐铁矿是含水氧化铁矿石，绝大部分以2Fe₂O₃·3H₂O形态存在，菱铁矿是含有碳酸铁的矿石，主要成分为FeCO₃。这些铁矿资源的铁品位较低，TFe含量在40％左右、SiO₂含量高，矿相结构复杂，部分矿含有高结晶水和表面水，烧损大，利用现有选矿方法很难富集，因而很少用于烧结或炼铁。目前国内部分钢铁企业采用磁化焙烧的方法对赤铁矿进行富集，但铁回收率低，只能少量配入高炉使用。而国内褐铁矿铁品位低，进入高炉冶炼困难，几乎完全没有利用。总之，“红矿”由于选别富集困难，成分不稳定，很难采用传统方法进行冶炼，利用率极低。

直接还原-熔分工艺是一种利用含铁资源提取金属铁及其它有价金属的最新直接还原技术，以非焦煤为一次能源，粉矿无需高温造块，工艺流程和冶炼周期短，生产效率高。特别是由于省去了传统流程中污染物排放量最大的焦化与烧结工序，大大地减轻了环境负荷，同时也进一步减少了能源消耗和CO₂的排放。该工艺对原料具有广泛的适应性，特别适用于低品质“红矿”资源。这些低品质“红矿”成分不稳定，易于还原，价格低廉(仅为普通矿的10～20％)，但采用目前的传统高炉炼铁技术难以冶炼，无法进行有效利用。

钒钛铁海砂矿床分布广泛，储量丰富。钛铁矿中的钒、钛、铁、铬、钴、镍、铂族和钪等多种组分，具有重要的综合利用价值。尤其是印度尼西亚、菲律宾等国，滨海钒钛磁铁矿砂储量大，达数千亿吨。另外澳大利亚、新西兰、巴布亚新几内亚、南美厄瓜多尔、智利、美国、南非等国，滨海钒钛磁铁矿砂的储量也相当丰富。滨海钒钛磁铁矿砂，主要矿物有磁铁矿、氧化钛、钛铁矿、氧化钒、石英、氧化钙、氧化镁、氧化铝、氧化锰和钠的化合物，其中全铁含量50～60％，含氧化钛10～20％，含氧化钒0.4～1.0％，低钙镁和低硫低磷。矿砂中的主要金属钒钛都属于重要的战略资源，主要用于钢铁、有色及化工的原材料生产。钒90％用于钢铁生产，可以提高钢材的强度、硬度和耐磨性，是发展新型微合金化钢材必不可少的元素之一。

世界范围内钒钛磁铁矿，有两种存在形式，一是海砂体，二是岩矿体。世界储量丰富的滨海钒钛铁矿砂目前还未得到广泛利用。在各种直接还原方法中，取得突破性进展并已打通回收钒钛磁铁矿全流程的工艺为转底炉直接还原技术。该工艺是目前最为先进的工艺，能够把钒、钛、铁同时还原利用，该工艺采用煤基直接还原新流程，能够实现环保清洁生产，而且该工艺不使用资源稀缺、价格昂贵的炼焦煤，大大降低了对资源的依赖性。转底炉法直接还原钒钛磁铁砂矿项目的工业化生产，有利于产品结构的优化调整，加快技术进步，淘汰落后低端产能，同时也可以满足国内对钒钛资源的强劲需求。

滨海矿砂是指滨海水动力的分选作用下，富集而成的有用砂矿，该类砂矿床规模大、品位高、埋藏浅、沉积疏松、易采易选，较开采陆上钛铁矿床有极大的优势。在滨海矿砂的种类中，钛铁矿资源规模最大。仅东南亚地区印度尼西亚滨海矿砂的资源量就预计高达数千亿吨。我国北部湾滨海也具有较大的滨海矿砂的开发利用价值。

红土镍矿(也称红土矿)是提取镍金属或生产镍铁合金的重要原料，但由于红土矿形成的机理及条件所致，红土矿中有很大一部分镍含量低(小于0.6％，此类矿铁含量约50％、同时伴生1.5％-5％左右的铬)，如用于提取镍金属或生产镍铁，生产成本极高，很不经济；而作为普通铁矿，其品位低、同时伴生的镍、铬元素的特征又使其只能以低廉的价格作为配矿少量添加。因此，此类矿一般都作为弃矿。世界上大部分红土矿提取镍金属的矿区都堆存了大量此类弃矿，也由许多品位与此相近的红土矿也因其利用价值太低而无法开采利用。针对此类矿山资源开发出新型、高强度低成本的耐大气腐蚀和耐海水腐蚀的高附加值低镍铬建筑钢材，具有广阔的应用前景。

针对我国钒氮合金和镍铬资源短缺且十分昂贵，需要大量进口的现状，提出利用东南亚廉价且十分丰富的海砂矿和红土镍矿资源，迫切需要开发出一种低成本的钒钛镍铬合金，用于生产高强度耐腐蚀建筑钢材，可以大幅度降低生产成本，市场前景十分广阔。

我国是世界氧化铝生产量最大的国家，由于我国铝土矿资源类型特殊，其矿石特点决定了我国氧化铝生产方法，除了少部分公司采用拜耳法生产氧化铝外，其余均采用烧结法和混联法。我国拜耳法赤泥的特点是：铁及氧化铝含量高；混联法的特点是：铁碱含量低，氧化钙含量高。目前，赤泥综合利用仍属世界难题，国际上对赤泥主要采用堆存覆土的处置方式。我国年产生氧化铝赤泥～7500万吨，累积堆存量达数亿吨。氧化铝赤泥含铁在33％～40％。通过直接还原-熔分工艺的产业化、规模化的综合处理，分离出其中的金属杂质及钾、钠等杂质，是有效解决赤泥堆存带来的环境、安全等大量问题，利国利民的固体废弃物资源化利用的有效途径。

铜渣是有色冶金工业的主要固体废弃物之一。目前全国累计铜渣达到1.2亿吨以上，现在每年新增铜渣～2000万吨。铜渣是炉料和燃料中各种氧化物互相熔融而成的共熔体,主要的氧化物是二氧化硅和氧化亚铁,其次是氧化钙、三氧化二铝和氧化镁等。铜渣的理化性能主要由入炉铜精矿性质、冶炼操作条件和炉渣冷却速度而定。铜渣中含有大量的铁、锌、铜等金属元素，比国内一般的铁矿石含铁量高。其中，铜渣中铁品位在40％左右，铜品位0.3～1％左右，高于目前铁、铜矿的品位，是一种量大质优的二次资源。目前，渣中铜的利用率不超12％，而铁的利用率不足1％，因此，通过直接还原-熔分系统新技术综合利用铜渣资源，提取铁、锌、铜等有价金属，含铜铁可用于耐候钢生产，促进冶金行业的可持续发展，利于二次资源的合理利用，有着经济、环保双重意义。

直接还原-熔分工艺是一种对原料具有广泛的适应性，特别适用于低品质资源、固废、冶炼渣的综合利用方法。目前的回转窑还原工艺能耗高，且产品为金属化球团或粉料，不能直接获得生铁；回转窑还原+电炉熔分不仅工艺能耗高，冶炼周期长；其它熔分方式容易发生冻炉现象，不利于启停炉操作。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种直接还原-熔分系统及方法，至少能够解决以下问题之一：(1)现有贫杂矿和冶炼渣的还原铁品位低，成分不稳定、高炉冶炼困难；采用其它传统方法进行冶炼的能耗高、回收率低，原料适应性差、污染严重等缺点；(2)采用现有的转底炉工艺能耗高，产品为金属化球团，不能直接获得生铁；(3)采用现有回转窑还原+电炉熔分工艺能耗高、冶炼周期长；(4)其它熔分方式液态金属和熔渣温度波动和发生冻炉现象，不利于启停炉操作。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种直接还原-熔分系统，包括原料烘干预处理单元，直接还原单元，熔分单元和烟气处理单元；所述原料烘干预处理单元、直接还原单元和熔分单元依次连通，原料经原料烘干预处理单元处理后进入直接还原单元进行预还原处理，然后进入熔分单元进行还原熔分；所述熔分单元包括熔分炉，所述熔分炉的炉顶设有入料溜槽，所述熔分炉的炉底设有炉底铁芯和熔沟，所述炉底铁芯和熔沟安装于炉底座上；所述炉底铁芯外部设置铁芯线圈，所述铁芯线圈外侧设有铁芯冷却水系统；所述熔分炉内生成的煤气能够用作直接还原单元的热量来源。

进一步的，所述熔分炉还包括炉前墙、炉后墙、炉左侧墙和炉右侧墙；所述炉前墙侧设有出铁口；所述炉后墙侧设有出渣口；所述炉左侧墙和炉右侧墙上分别都同时设置下风口煤氧侧吹枪和上风口煤氧侧吹枪。

进一步的，所述熔分炉的炉顶还设有熔分炉炉顶煤气烟道，所述熔分炉炉顶煤气烟道用于将熔分炉内产生的煤气输入直接还原单元作为直接还原单元的热量来源。

进一步的，所述熔分单元还包括氧气站、煤粉仓、气包和鼓风机。

进一步的，所述直接还原单元包括转底炉，所述转底炉的炉顶设有转底炉炉顶煤气管，其中转底炉炉顶煤气管的一端与熔分炉炉顶煤气烟道相连；所述转底炉的炉墙两侧均设置空气喷嘴。

进一步的，所述直接还原单元包括回转窑。

另一方面，本发明还提供了一种直接还原-熔分方法，包括如下步骤：

步骤1、将低品位原料、粘结剂和还原煤粉输入原料仓，经过配料皮带配料，然后送入强力混料机混料；

步骤2、混料均匀后，混后料进入造球机进行造球，造球后将小于8mm和大于16mm的生球剔除，剔除筛下的生球破碎后返回造球；尺寸在8mm～16mm的合格生球进入第二烘干机烘干；

步骤3、烘干后生球经筛分，筛下粉料返回造球，合格生球进入直接还原单元进行预还原处理得到高温金属化球团；

步骤4、将高温金属化球团通过熔分炉炉顶的入料溜槽直接送入熔分炉；

步骤5、含碳粉尘以氧气或氧空气作为载体，以100～150m/s高速喷入熔分炉内，进行氧化物还原反应和渣铁熔分；

步骤6、熔分炉内下部形成熔池，上部形成熔渣池，熔融金属从出铁口流出进行铸块或由铁水包送往炼钢，熔渣进行水淬或干法粒化后用作水泥掺合料；

其中，步骤5-6中，开启铁芯冷却水系统，开启熔分炉的工频铁芯熔沟式感应器，给炉底铁芯、铁芯线圈通电，利用熔沟式感应加热，实现铁水和熔渣搅动、循环和加热保温。

进一步的，所述步骤1中，低品位原料包括赤铁矿、海砂矿、红土镍矿、铜渣、赤泥的一种或多种。

进一步的，所述步骤3中，直接还原单元还原后的烟气经烟气处理单元处理后用于第二烘干机作为生球烘干的热源。

进一步的，所述步骤6中，熔分炉内产生的高温富含CO的炉顶煤气，直接进入直接还原单元作为生球预还原燃料。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下有益效果之一：

a)本发明的直接还原-熔分系统采用设有铁芯线圈的熔分炉，熔沟在铁芯线圈的作用下产生感应电流，液态铁在熔沟内不断循环和加热，保持熔池内铁水温度恒定，有利于出铁；同时由于铁沟内铁水的上下流动，也有利于传热给上部渣池中的熔渣，带动熔渣流动，保证不会出现渣温波动出现凝结现象而堵死上、下风口，同时保持炉况温度稳定；启停炉时，熔沟中积存的金属铁(相当于次级线圈)在初级线圈电流作用下，产生感应电流快速熔化，也带动残留炉内的渣熔化，具有明显的启停炉优势，避免冻炉现象发生。

b)本发明的直接还原-熔分系统将改进型转底炉与熔分炉结合，可以实现低品位贫杂矿及冶炼渣有价金属的回收，转底炉直接还原时能够直接利用熔分炉内的煤气，实现还原-熔分紧凑生产，流程短，能耗低，节约能源30％以上。

c)本发明的直接还原-熔分方法通过往熔分炉内喷吹含碳粉尘和氧气或富氧空气，实现快速还原和熔分(30～45min)，操作周期短，金属收得率95％以上，低品位矿中大量的铁、镍、铬资源同步得到回收。

d)充分利用了熔分炉内的高温煤气(CO)，减少了还原单元(转底炉或回转窑)中还原所需的外部能耗；通过烟气循环利用，生球烘干无需额外煤气，余热资源得到充分利用。本发明的处理能耗及原燃料成本远低于传统工艺，综合效益远高于现有处理技术。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的一种直接还原-熔分系统的整体结构示意图；

图2为本发明的另一种直接还原-熔分系统的整体结构示意图；

图3为本发明的熔分炉的主视图；

图4为本发明的熔分炉的侧视图。

附图标记：

1-原料；2-第一烘干机；3-原料仓；4-配料皮带；5-强力混料机；6-圆盘造球机；7-第二烘干机(链篦烘干机或网带烘干机)；8-埋刮板机；9-转底炉布料器；10-转底炉；11-螺旋排料机；12-转底炉炉顶煤气管；13-入料溜槽；14-熔分炉炉顶煤气烟道；15-熔分炉；16-炉前墙；17-出铁口；18-炉底；19-炉底座；20-炉底铁芯；21-熔沟；22-熔池；23-出渣口；24-熔渣池；25-炉后墙；26-炉左侧墙；27-下风口喷吹煤粉调节阀；28-下风口氧气或富氧空气调节阀；29-下风口煤氧侧吹枪；30-铁芯线圈；31-铁芯冷却水系统；32-上风口煤氧侧吹枪；33-上风口氧气或富氧空气调节阀；34-上风口喷吹煤粉调节阀；35-炉右侧墙；36-下风口逆止阀；37-上风口逆止阀；38-气包；39-鼓风机；40-氧气站；41-煤粉仓；42-铸铁机；43-生铁运输车；44-水冲渣沟；45-渣沉淀池；46-重力沉降室；47-余热锅炉；48-埋刮板；49-混风塔；50-主烟气除尘布袋；51-收集装置；52-主引风机；53-主烟囱；54-烘干机除尘布袋；55-烘干机粉尘收集装置；56-烘干机引风机；57-烘干机烟囱；58-空气喷嘴；59-转底炉烟道；60-回转窑。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例1

本实施例提供了一种直接还原-熔分系统，参见图1、图3和图4，包括原料烘干预处理单元，直接还原单元，熔分单元和烟气处理单元；熔分单元包括熔分炉15，熔分炉15为工频铁芯熔沟式感应富氧或全氧侧吹熔分炉，熔分炉15的炉顶设有入料溜槽13，熔分炉的炉底18设有炉底铁芯20和熔沟21，炉底铁芯20和熔沟21安装于炉底座19上；炉底铁芯20外部设置铁芯线圈30，铁芯线圈30外侧设有铁芯冷却水系统31。

具体的，熔分炉15还包括炉前墙16、炉后墙25、炉左侧墙26和炉右侧墙35。炉前墙16侧设有出铁口17；炉后墙25侧设有出渣口23；炉左侧墙26和炉右侧墙35上分别都同时设置下风口煤氧侧吹枪29和上风口煤氧侧吹枪32；下风口煤氧侧吹枪29包括下风口喷吹煤粉调节阀27和下风口氧气或富氧空气调节阀28及下风口逆止阀36；上风口煤氧侧吹枪32包括上风口喷吹煤粉调节阀34和上风口氧气或富氧空气调节阀33及上风口逆止阀37。实施时，熔分炉内下部形成熔池22，上部形成熔渣池24。

具体的，入料溜槽13的形状一般为矩形，与直接还原单元的排料口相连，实现高温金属化球团直接进入熔分炉，有效降低了熔分炉能耗。

为了保证喷吹的均匀性，下风口煤氧侧吹枪29和上风口煤氧侧吹枪32的数量均为多个。

为了保证喷吹的气体和煤粉等物料能够吹透，炉前墙16和炉后墙25之间的距离d1大于炉左侧墙26和炉右侧墙35之间的距离d2，优选的，d1/d2大于2。

具体的，炉右侧墙35的上部可以设置一段斜坡，例如，炉右侧墙35的高度为h，则在距底部4/5h至3/5h之间的部分设置为斜坡，坡度为30～45℃。

需要说明的是，熔分炉15的炉顶还设有熔分炉炉顶煤气烟道14，熔分炉炉顶煤气烟道14用于将熔分炉15内产生的煤气输入直接还原单元作为直接还原单元的热量来源，实现能源的循环利用。

另外，熔分单元还包括氧气站40、煤粉仓41、气包38和鼓风机39；氧气站40提供氧气，氧气或富氧空气在鼓风机39的作用下由气包38喷吹至熔分炉15内。

具体的，熔分单元还包括铸铁机42、水冲渣沟44和渣沉淀池45；铸铁机42与出铁口17相连，熔池22内的液态铁水由出铁口17排出，经铸铁机42铸成生铁块，由生铁运输车43运往炼钢厂供炼钢用；或者也可以由铁水包将液态铁水运往炼钢厂供炼钢用；熔渣池24内的高温熔渣经出渣口23排出，经水冲渣沟44冲渣，进入渣沉淀池45，水渣运往水渣球磨机磨渣后做水泥原料。

需要说明的是，由于部分原料1(包括贫杂矿及冶炼渣)含有水分，例如红土镍矿含表水和结晶水量35％左右，赤泥含水量一般大于20％，需要对含水高的原料1进行烘干，原料烘干预处理单元包括第一烘干机2、原料仓3、配料皮带4、强力混料机5、圆盘造球机6、第二烘干机7和埋刮板机8。其中，第二烘干机7可以为链篦烘干机或网带烘干机。

具体的，直接还原单元包括转底炉10，转底炉10上设有转底炉布料器9和螺旋排料机11，转底炉10的炉顶设有多个炉顶煤气管12。

具体的，转底炉10包括预热区和还原区(通常分为1-5个还原区)，转底炉10的各区的炉墙两侧均设置多个空气喷嘴58，空气喷嘴58用于供给助燃空气，助燃空气能够与炉顶进入的煤气燃烧提供热源。

具体的，转底炉10还包括转底炉烟道59。

具体的，烟气处理单元包括重力沉降室46、余热锅炉47、埋刮板48、混风塔49、主烟气除尘布袋50、收集装置51、主引风机52和主烟囱53。转底炉烟道59排出的高温烟气(1000～1100℃)经过重力沉降室46，去除烟气中大颗粒烟尘后，再经余热锅炉47内凝渣管凝渣、过热管束、省煤器换热产生蒸汽可供发电回收能源，锅炉降尘由埋刮板48收集；从余热锅炉47出来的～200℃烟气，烟气经混风塔49的调温空气阀兑入空气调温，避免意外烧坏后续布袋，烟气通过SDS干法脱硫，脱硫后烟气进入主烟气除尘布袋50，烟气中粉尘通过主烟气除尘布袋50收集，由收集装置51收集；通过布袋除尘后的180～200℃烟气，由主引风机52引出，一部分由烟气循环余热利用管路送往第二烘干机7供烘干生球用，以回收低温余热节省烘干能耗，多余烟气排入主烟囱53。

需要说明的是，由第二烘干机7排出的100～130℃低温烟气，经过烘干机除尘布袋54除尘后，(烘干机粉尘收集装置55收集粉尘)，由烘干机引风机56引出，通过烘干机烟囱57排入大气。

实施时，采用第一烘干机2将原料烘干，烘干后的原料和其他配料(例如煤粉还原剂和皂土粘结剂)一起输入原料仓3，经过配料皮带4配料，然后送入强力混料机5混料；混料后由圆盘造球机6补水造球，造球后水分含量8～10％；造球后生球由大小球辊筛剔除小于8mm和大于16mm的生球，尺寸大小8～16mm生球进入第二烘干机7烘干；烘干后生球水分含量小于1％，防止进入转底炉球团爆裂粉化；烘干后生球进入转底炉布料器9前再进行筛分，筛下料和第二烘干机7底部埋刮板机返料返回造球；转底炉布料器9将烘干后生球沿转底炉10的径向均匀布在转底炉炉床上，经由预热区和还原区还原(还原温度1250～1350℃，还原时间30～45分钟)，还原后的金属化率大于85％，为了便于出料防止粘接，还原后的金属化球团经冷却区冷至1000～1050℃由螺旋排料机11排出；从转底炉排出的预还原金属化球团经熔分炉15的入料溜槽13进入熔分炉内，在炉内完成剩余氧化铁再还原和渣铁分离，炉内熔分温度1550～1600℃。

熔分炉15的工作原理是：下风口煤氧侧吹枪29和上风口煤氧侧吹枪32喷吹煤粉，下风口喷吹煤粉调节阀27和上风口喷吹煤粉调节阀34调节煤粉喷吹量，下风口氧气或富氧空气调节阀28及下风口逆止阀36和上风口氧气或富氧空气调节阀33及上风口逆止阀37控制喷吹氧气或富氧空气量；煤粉和氧气或富氧空气以100～150m/s高速喷入熔分炉内与由入料溜槽13进入熔分炉内的预还原高温金属化球团产生激烈还原反应，熔分后渣铁分离，液态铁沉入下部熔池，熔渣浮在上部渣池。熔池下部的熔沟21在铁芯线圈30的作用下，产生感应电流，液态铁在熔沟内不断循环和加热，保持熔池22内铁水温度恒定，有利于出铁；同时由于熔沟内铁水的上下流动，也有利于传热给上部渣池24中的熔渣，带动熔渣流动，不会出现渣温波动出现凝结现象而堵死上、下风口，保持炉况温度稳定；启停炉时，熔沟中积存的金属铁(相当于次级线圈)在初级铁芯线圈30电流作用下，产生感应电流快速熔化，也带动残留炉内的渣熔化，具有明显的启停炉优势。

与现有技术相比，本发明的直接还原-熔分系统采用设有铁芯线圈的熔分炉，熔沟在铁芯线圈的作用下产生感应电流，液态铁在熔沟内不断循环和加热，保持熔池内铁水温度恒定，有利于出铁；同时由于铁沟内铁水的上下流动，也有利于传热给上部渣池中的熔渣，带动熔渣流动，保证不会出现渣温波动出现凝结现象而堵死上、下风口，同时保持炉况温度稳定；启停炉时，熔沟中积存的金属铁(相当于次级线圈)在初级线圈电流作用下，产生感应电流快速熔化，也带动残留炉内的渣熔化，具有明显的启停炉优势，避免冻炉现象发生。

本实施例的直接还原-熔分系统将改进型转底炉与熔分炉结合，转底炉直接还原的高温预还原金属化球团由螺旋排料机直接排入熔分炉，实现热球入炉；喷吹煤粉和氧气或富氧空气在熔分炉内产生的大量的高温煤气(富含CO气体，约1400℃)，通过熔分炉炉顶煤气烟道14供给转底炉炉顶煤气管12；转底炉炉顶煤气管12内衬耐材，并与转底炉还原1-5区和预热区相通，高温煤气进入转底炉内，转底炉各区由炉墙两侧设置的空气喷嘴58供给助燃空气量控制炉温，喷入助燃空气量越多，与炉顶进入的煤气燃烧越激烈，炉温越高。各区的还原度也由供给助燃空气量和炉温十分方便地控制。与常规转底炉明显区别之处在于，本申请的改进型转底炉直接还原无需外部煤气供给，直接利用熔分炉煤气，实现还原-熔分紧凑生产，流程短，能耗低。同时能够实现低品位贫杂矿及冶炼渣有价金属的回收。

实施例2

本实施例提供了一种直接还原-熔分系统，参见图2、图3和图4，本实施例的直接还原-熔分系统的整体结构与实施例1相同，区别在于：直接还原单元包括回转窑60，烘干后球团从回转窑60的窑尾进入，由熔分炉炉顶煤气烟道14排出的约1400℃高温煤气从窑头喷入，与回转窑窑身捆绑的风机鼓入空气在回转窑内燃烧，高温烟气与球团逆向运动，含碳球团在窑内发生还原反应，还原温度1250～1350℃，3～4小时完成，还原后的金属化率大于90％，还原后的预还原金属化球团经入料溜槽13进入熔分炉内，在炉内完成剩余氧化亚铁再还原和渣铁分离；炉内熔分温度1550～1600℃。烟气处理单元包括重力沉降室46、混风塔49、主烟气除尘布袋50、收集装置51、主引风机52和主烟囱53。从回转窑60窑尾排出的烟气(400～600℃)进入链篦烘干机的机头对生球进行烘干，烘干后的烟气从机尾排出150～180℃烟气，烟气经过重力沉降室46，去除烟气中大颗粒烟尘后，经混风塔49调温空气阀兑入空气调温，避免意外烧坏后续布袋，烟气通过SDS干法脱硫，脱硫后烟气进入主烟气除尘布袋50，烟气中粉尘通过主烟气除尘布袋50收集，由收集装置51收集。通过布袋除尘后的100～130℃烟气，由主引风机52引出，排入主烟囱53。

本实施例的有益效果与实施例1的其他部分有益效果相同，在此不一一赘述。

实施例3

本实施例提供了一种直接还原-熔分方法，采用实施例1或2的直接还原-熔分系统，直接还原-熔分方法包括如下步骤：

步骤1、将低品位原料、粘结剂(如皂土)和还原煤粉输入原料仓，经过配料皮带配料，然后送入强力混料机混料；

步骤2、混料均匀后，混后料进入造球机进行造球，造球后利用大小辊筛，将小于8mm和大于16mm的生球剔除，剔除筛下的生球破碎后返回造球；尺寸在8mm～16mm的合格生球进入第二烘干机烘干；

步骤3、烘干后生球经筛分，筛下粉料返回造球，合格生球通过转底炉布料器进入转底炉进行预还原处理，或者直接从回转窑尾进入回转窑进行预还原处理；

步骤4、通过预还原处理后得到的金属化球团通过熔分炉炉顶的入料溜槽进入熔分炉；

步骤5、煤粉或高炉重力灰或布袋灰等含碳粉尘(粒度150-300目)以氧气或富氧空气作为载体，高速喷入熔分炉内，进行氧化物还原反应和渣铁熔分；

步骤6、熔分炉内下部形成熔池(熔池深度约500mm)，上部形成熔渣池，熔融金属从出铁口流出进行铸块或由铁水包送往炼钢，熔渣进行水淬或干法粒化后用作水泥掺合料。

具体的，步骤1中，低品位原料包括赤铁矿、海砂矿、红土镍矿、铜渣、赤泥的一种或多种。

具体的，步骤1中，如果低品位原料的含水量过高，则需经过第一烘干机2将原料烘干。

具体的，步骤2中，造球过程需要补充水；生球的尺寸过大或过小，均会造成还原不均匀，因此控制合格生球的尺寸为8mm～16mm。

具体的，步骤3中，为了防止生球进入转底炉或回转窑后球团爆裂粉化，控制烘干后生球水分含量小于1％。

具体的，上述步骤3中，转底炉还原后的1000～1100℃温度烟气经重力除尘，通过余热锅炉产生蒸汽回收余热，进入布袋除尘收集富集后的铅锌钾钠有价金属粉尘，除尘后的180～200℃烟气可以循环至第二烘干机对生球烘干，进一步回收余热，经除尘后的100～130℃烟气排放；或者从回转窑尾出来的400～600℃温度烟气掺兑低温烟气后直接进入第二烘干机对生球烘干，通过布袋除尘收集富集后的铅锌钾钠有价金属粉尘，除尘后的100～130℃烟气排放。

具体的，上述步骤5中，在熔分炉内喷吹含碳粉尘时，分别由下风口煤氧侧吹枪高速喷入熔分炉下部熔池铁水层-熔渣层界面，由上风口煤氧侧吹枪喷入熔分炉上部渣层，进行氧化物还原反应和渣铁熔分。

具体的，上述步骤5中，熔分炉内喷吹含碳粉尘和氧气或富氧空气的化学反应：

2C+O₂＝2CO(g)

上述步骤5中，熔分炉内金属氧化物还原反应：

3Fe₂O₃+CO(g)＝2Fe₃O₄+CO₂(g)

Fe₃O₄+CO(g)＝3FeO+CO₂(g)

FeO+CO(g)＝Fe+CO₂(g)

其它金属氧化物还原：

NiO+CO(g)＝Ni+CO₂(g)

Cr₂O₃+3CO(g)＝2Cr+3CO₂(g)

CuO+CO(g)＝Cu+CO₂(g)

PbO+CO(g)＝Pb(g)+CO₂(g)

ZnO+CO(g)＝Zn(g)+CO₂(g)

Na₂O+CO(g)＝2Na(g)+CO₂(g)

K₂O+CO(g)＝2K(g)+CO₂(g)

还原后金属Fe、Ni、Cr、Cu在熔分炉内互溶形成镍铬铜铁合金。

具体的，上述步骤5-6中，含碳粉尘和氧气或富氧空气在熔分炉内产生大量的约1400℃的高温富含CO的炉顶煤气，可以直接进入转底炉或回转窑作为生球预还原燃料；例如，直接从炉顶煤气烟道输往转底炉的炉顶煤气管作为含碳球团预还原燃料，这样，生产过程中预还原无需外部煤气(初始时熔分炉用焦炭启炉，产生含CO煤气)，转底炉的炉墙侧只设空气喷嘴，通过控制各区喷入空气量，控制炉内还原气氛和温度；或者熔分炉的炉顶煤气直接进入回转窑窑头，窑身捆绑的风机向窑内鼓入空气燃烧，对含碳生球进行预还原。如此将熔分炉内产生的高温富含CO的炉顶煤气循环利用，能够大大减少能源消耗；同时由于高温预还原金属化球团直接入熔分炉，与常规耗能相比，节约能源30％以上。

具体的，上述步骤5-6中，开启铁芯冷却水系统，开启熔分炉的工频铁芯熔沟式感应器，给炉底铁芯、铁芯线圈通电，利用熔沟式感应加热，实现铁水和熔渣搅动、循环和加热保温，加速熔池反应，熔沟在铁芯线圈作用下，产生感应电流，液态铁在熔沟内不断循环、搅动和加热，保持温度约1600℃，熔池内铁水温度恒定，有利于快速熔分和出铁；同时由于铁水的上下流动，也有利于传热给上部渣池中的熔渣，带动熔渣流动，不会出现渣温波动出现凝结现象而堵死上、下风口，保持炉况温度稳定。对于再次启炉时，熔沟中积存的金属铁(相当于次级线圈)在初级线圈电流作用下，产生感应电流快速熔化，也带动残留炉内的渣熔化，具有明显的启停炉优势。

与现有技术相比，本发明的直接还原-熔分方法通过往熔分炉内喷吹含碳粉尘和氧气或富氧空气，实现快速还原和熔分(30～45min)，金属收得率95％以上，低品位矿中大量的铁、镍、铬资源同步得到回收；充分利用了熔分炉内的高温煤气(CO)，减少了还原单元(转底炉或回转窑)中还原所需的外部能耗；通过烟气循环利用，生球烘干无需额外煤气，余热资源得到充分利用。本发明的处理能耗及原燃料成本远低于传统工艺，综合效益远高于现有处理技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直接还原-熔分系统，其特征在于，包括原料烘干预处理单元，直接还原单元，熔分单元和烟气处理单元；所述原料烘干预处理单元、所述直接还原单元和所述熔分单元依次连通，原料经所述原料烘干预处理单元处理后进入所述直接还原单元进行预还原处理，然后进入所述熔分单元进行还原熔分；所述熔分单元包括熔分炉（15），所述熔分炉（15）的炉顶设有入料溜槽（13），所述熔分炉（15）的炉底（18）设有炉底铁芯（20）和熔沟（21），所述炉底铁芯（20）和熔沟（21）安装于炉底座（19）上；所述炉底铁芯（20）外部设置铁芯线圈（30），所述铁芯线圈（30）外侧设有铁芯冷却水系统（31）；所述熔分炉（15）内生成的煤气能够用作直接还原单元的热量来源；

所述熔分炉（15）还包括炉前墙（16）、炉后墙（25）、炉左侧墙（26）和炉右侧墙（35）；所述炉前墙（16）侧设有出铁口（17）；所述炉后墙（25）侧设有出渣口（23）；所述炉左侧墙（26）和炉右侧墙（35）上都设置有下风口煤氧侧吹枪（29）和上风口煤氧侧吹枪（32）；

所述熔分单元还包括氧气站（40）、煤粉仓（41）、气包（38）和鼓风机（39）。

2.根据权利要求1所述的直接还原-熔分系统，其特征在于，所述熔分炉（15）的炉顶还设有熔分炉炉顶煤气烟道（14），所述熔分炉炉顶煤气烟道（14）用于将熔分炉（15）内产生的煤气输入直接还原单元作为直接还原单元的热量来源。

3.根据权利要求1或2所述的直接还原-熔分系统，其特征在于，所述直接还原单元包括转底炉（10），所述转底炉（10）的炉顶设有转底炉炉顶煤气管（12），其中转底炉炉顶煤气管（12）的一端与熔分炉炉顶煤气烟道（14）相连；所述转底炉（10）的炉墙两侧均设置空气喷嘴（58）。

4.根据权利要求1或2所述的直接还原-熔分系统，其特征在于，所述直接还原单元包括回转窑（60）。

5.一种直接还原-熔分方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的直接还原-熔分系统，包括如下步骤：

步骤1、将低品位原料、粘结剂和还原煤粉输入原料仓，经过配料皮带配料，然后送入强力混料机混料；

步骤2、混料均匀后，混后料进入造球机进行造球，造球后将小于8mm和大于16mm的生球剔除，剔除筛下的生球破碎后返回造球；尺寸在8mm~16mm的合格生球进入烘干机烘干；

步骤3、烘干后生球经筛分，筛下粉料返回造球机，合格生球进入直接还原单元进行预还原处理得到高温金属化球团；

步骤4、将高温金属化球团通过熔分炉炉顶的入料溜槽直接送入熔分炉；

步骤5、含碳粉尘以氧气或富氧空气作为载体，以100~150m/s高速喷入熔分炉内，进行氧化物还原反应和渣铁熔分；

步骤6、熔分炉内下部形成熔池，上部形成熔渣池，熔融金属从出铁口流出进行铸块或由铁水包送往炼钢，熔渣进行水淬或干法粒化后用作水泥掺合料；

其中，步骤5-6中，开启铁芯冷却水系统，开启熔分炉的工频铁芯熔沟式感应器，给炉底铁芯、铁芯线圈通电，利用熔沟式感应加热，实现铁水和熔渣搅动、循环和加热保温。

6.根据权利要求5所述的直接还原-熔分方法，其特征在于，所述步骤1中，低品位原料包括赤铁矿、海砂矿、红土镍矿、铜渣、赤泥中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的直接还原-熔分方法，其特征在于，所述步骤3中，直接还原单元还原后的烟气经烟气处理单元处理后用于烘干机作为生球烘干的热源。

8.根据权利要求5-7任一项所述的直接还原-熔分方法，其特征在于，所述步骤6中，熔分炉内产生的高温富含CO的炉顶煤气，直接进入直接还原单元作为生球预还原燃料。

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