CN114058763A - 一种高压缩性还原铁粉的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压缩性还原铁粉的制备方法，以轧钢铁鳞和湿磨铁粉的混合物为原料，焦粉、熟石灰分别为还原剂、脱硫剂，依次经过混料、装罐、隧道窑粗还原成海绵铁、破碎成生粉，及带式炉精还原、粉碎、筛分、磁选、合批等工艺最终得到成品还原铁粉，其压缩性(500MPa压力下)达到6.9～7.0g.cm³，可应用于制备中高密度和强度粉末冶金零部件；与传统二次还原方法相比，该方法较好突破压缩性6.8g.cm³的瓶颈值，具有较大幅度提高压缩性，减少一次还原时间，降低能耗，以及提高海绵铁单重、产品收得率等特点。

Description

一种高压缩性还原铁粉的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种高压缩性还原铁粉的制备方法。

背景技术

传统上，一般以废钢为原料，采取水雾化法制备高压缩性纯铁粉，适用于制备中、高密度粉末冶金零件；而以轧钢铁鳞或铁精矿粉为原料，采取还原法制备的粉末冶金用铁粉，其压缩性通常在6.8g.cm3以下，适用于制备中、低密度粉末冶金零件。目前工业上采用转炉污泥生产的铁粉(简称“湿磨铁粉”)主要应用于钛白化工、污水处理等领域，产品附加值不高。以轧钢铁鳞、湿磨铁粉的混合物为原料，制备出高压缩性粉末冶金用还原铁粉，可兼具两种原料的理化特点，并使得湿磨铁粉产品价值最大化及有益补充高压缩性铁粉的制备方法。

目前已公知的专利方法、学术论文，如中国专利公开号为CN 102350497 A、CN112267003A分别公开了一种高压缩性水雾化法制备高压缩性铁粉的方法，及一种超高洁净度、低氧、高性能水雾化纯铁粉的制备方法，两个专利主要以废钢为原料，通过控制原料杂质含量及冶炼、雾化、还原等工艺参数，制备的铁粉压缩性达到7.2g.cm3以上(600MPa压力下)，均采用传统的水雾化法，生产成本较还原法偏高；“汽车减震器用高压缩性还原铁粉研究”、“汽车减震器用高压缩性还原铁粉分析”等论文通过调整一次还原、二次还原等工艺参数，将还原铁粉压缩性提高至6.80cm³以上(500MPa压力下)，应用于汽车减震器，该方法对工艺控制要求极高，且难以进一步提高压缩性；中国专利公开号为CN 101195167 A公开了从炼钢污泥粗颗粒中提纯铁粉的方法，其主要包括球磨、重力分选、烘干、筛分等工艺制备出化工等用途的中低品位铁粉，再经精还原、破碎和合批等过程制备出电焊条等用途的中高品位铁粉，因其杂质含量较高、硬度高、成型性较差等，无法应用于粉末冶金领域；中国专利公开号为CN 1265948 A公开了从转炉污泥制备粉末冶金用铁粉的方法，其主要包括加入盐酸溶液发生原电池反应、水冲洗、烘干、氢还原、球磨等过程，制备出松装密度为2.54～2.76g.cm3的粉末冶金用铁粉，该方法需使用盐酸溶液，生产效率不高，增加了污水处理难度和成本，并且无法制备高压缩性铁粉。

发明内容

目前制备高压缩性纯铁粉的水雾化法生产成本较高，采用二次还原法还原时间较长且提高压缩性能有限，本发明提供一种高压缩性还原铁粉的制备方法，可以较好地综合解决上述问题。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种高压缩性还原铁粉的制备方法，包括以下步骤：

(1)备料：将轧钢铁鳞和湿磨铁粉的混合原料通过回转窑烘干及混匀，同时将还原剂焦粉、脱硫剂石灰石混合均匀待用；

(2)装罐：将混合原料与混合的还原剂和脱硫剂以柱状垂直相间的方式装入SiC耐火罐中，装料前、装料后分别在耐火罐底部、顶部铺一层还原剂，以保护原料底部、顶部不被或少受氧化；

(3)粗还原：将耐火罐送入隧道窑，经历预热、高温、冷却三个阶段，还原出海绵铁；物料在耐火罐内发生一系列复杂的物理化学变化，铁鳞中的氧主要被湿磨铁粉和焦粉中的碳还原，湿磨铁粉中的硫、钙等其他杂质元素与石灰石、铁硫化物等发生反应而被脱除；

(4)卸罐：将得到的海绵铁吸出其内孔残余还原剂后，提出耐火罐；并清除耐火罐内部及海绵铁外侧残余还原剂和灰分；

(5)破碎：将干净的海绵铁依次粗破成块状、中破成颗粒状、细破成生粉；

(6)精还原：将得到的生粉通过钢带式还原炉得到板结状铁粉块；实现充分脱碳、脱氧，提高铁含量，以及消除破碎过程中的加工硬化，提高塑性，改善压缩性能；

(7)解碎：将得到的铁粉块通过锤破或球磨解碎成粉末；

(8)筛分：将步骤(7)得到粉末过筛，通过筛孔的成为筛下料，被截留在筛面上的成为筛上料；

(9)磁选：将得到的筛下料通过磁选机进一步去除非磁性杂质；所述非磁性杂质包括酸不溶物、游离C；

(10)合批：将步骤(9)得到磁选料通过混料机进行合批，最终得到成品还原铁粉。

按上述方案，所述湿磨铁粉是以包括炼钢转炉污泥或含铁冶炼渣为原料，通过湿式球磨、重力分级为主要工艺制备的铁粉，全铁TFe≥90wt％。

按上述方案，步骤(1)中，轧钢铁鳞与湿磨铁粉的重量比为(1～10):1，焦粉:石灰石的体积比为(5～15):1，回转窑烘干温度400～600℃。

按上述方案，步骤(3)中，高温还原温度1135～1155℃、还原时间30h～45h。

按上述方案，步骤(4)制备的海绵铁TFe≥97.0wt％、C≤0.50wt％、S≤0.02wt％。

按上述方案，步骤(5)中，粗破粒径为10～50mm，中破粒径≤10mm，细破粒度大于150um颗粒重量占比≤40％，并筛分至大于150um颗粒重量占比≤20％。

按上述方案，步骤(6)还原温度850～950℃、氢气流量40～80m³/h、还原时间1～2h。

按上述方案，步骤(7)采用锤式破碎机或振动球磨机，下料速度1000～2500kg/h。

按上述方案，步骤(8)中筛网孔径规格80目或100目。

按上述方案，步骤(9)中磁选次数1～3次、电振给料电流≤3A。

按上述方案，步骤(10)中合批量5～30吨、合批时间5～20min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用还原法制备高压缩性铁粉，是对传统采用水雾化法的有益补充；水雾化法原料以废钢为主，在国内主流钢厂炼钢不断提高废钢使用比例的背景下，废钢资源供应日趋紧张且价格高企，导致优质水雾化铁粉的原料成本居高不下，而本发明采用铁鳞和湿磨铁粉的混合物为原料，原料来源广，获得相对容易、便宜。

以铁鳞和湿磨铁粉的混合物为原料，由于铁鳞具有不规则状颗粒、松装密度不高、成形性较好等特点，而湿磨铁粉具有类球状颗粒、松装密度高、硬度高、成形性差等特点，利用现有技术单独使用难以制备高压缩性铁粉，但二者混合使用，在隧道窑高温段发生一系列复杂的物理化学变化。比如，湿磨铁粉中的硫、钙等杂质元素与石灰石、铁硫化物等反应而被脱除成硬度降低的类球状颗粒，而铁鳞中的氧被湿磨铁粉和焦粉中的碳还原成海绵状颗粒，形成的混合颗粒的密度较高、成形性较好，利于获得高压缩性。

本发明所述方法相较于传统二次还原法，较大幅度减少一次还原时间，降低能耗，以及提高海绵铁单重、产品收得率。以纯铁鳞为原料，一次还原时主要是C、CO与铁的氧化物原料由表及里发生反应进行脱氧，反应速度相对较慢，而加入湿磨铁粉后，其碳含量较高，与其相接触铁鳞颗粒中的氧迅速发生反应，缩短还原时间及降低能耗；湿磨铁粉松装密度达到3.8～4.2cm³，是铁鳞的1.5～2.0倍，大幅提高单罐的装料量，即提高了海绵铁单重；此外，湿磨铁粉、铁鳞的铁含量分别为90～95％、70～75％，原料中湿磨铁粉占比越高，产品收得率越高。

本发明制备的高压缩性还原铁粉TFe≥98.5wt％、C≤0.03wt％、S≤0.02wt％、压缩性≥6.80g.cm³，可应用制备中高密度和强度粉末冶金零部件。

附图说明

图1：本发明高压缩性还原铁粉的制备工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种高压缩性还原铁粉的制备方法，参照附图1所示：

(1)备料：将轧钢铁鳞、湿磨铁粉的混合原料通过回转窑烘干及混匀，并单独将还原剂焦粉、脱硫剂石灰石混合均匀待用。其中，湿磨铁粉范围包括以炼钢转炉污泥、含铁冶炼渣等为原料，通过湿式球磨、重力分级等为主要工艺制备的铁粉，要求湿磨铁粉全铁TFe≥90％；原料铁鳞与湿磨铁粉的重量比为1:1～10:1，焦粉:石灰石的体积比为5:1～15:1，回转窑烘干温度400～600℃。

(2)烘干：将步骤(1)处理加工后的混合原料与还原剂(包括混入的石灰石)以柱状垂直相间地方式装入SiC耐火罐中，装料前、装料后分别在耐火罐底部、顶部铺一层还原剂，以保护原料底部、顶部不被或少受氧化。

(3)粗还原：将步骤(2)装满耐火罐的台车推入隧道窑，经历预热、高温、冷却三个阶段，物料在罐内发生一系列复杂的物理化学变化，铁鳞中的氧主要被湿磨铁粉和焦粉中的碳还原，湿磨铁粉中的硫、钙等其他杂质元素与石灰石、铁硫化物等发生反应而被脱除，最后还原出海绵铁。其中，还原温度1135～1155℃、还原时间30h～45h。

(4)卸罐：将步骤(3)得到的海绵铁吸出其内孔残余还原剂后，提出耐火罐，并清除耐火罐内部及海绵铁外侧残余还原剂和灰分。对海绵铁取样化检，要求TFe≥97.0％、C≤0.50％、S≤0.02％。

(5)破碎：将步骤(4)得到干净的海绵铁依次粗破成块状、中破成颗粒状、细破成粉状生粉，其中粗破粒径为10～50mm，中破粒径≤10mm，细破粒度+100目(大于150um)颗粒重量占比≤40％，并筛分至+100目(大于150um)颗粒重量占比≤20％。

(6)精还原：将步骤(5)得到的生粉通过钢带式还原炉，实现充分脱碳、脱氧，提高铁含量，以及消除破碎过程中的加工硬化，提高塑性，改善压缩性能，得到板结状铁粉块，其中还原温度850～950℃、氢气流量40～80m³/h、还原时间1.0h～2.0h。

(7)解碎：将步骤(6)得到的铁粉块通过锤破、球磨等方法将板结块解碎成粉状，其中锤式破碎机、振动球磨机下料速度1000～2500kg/h。

(8)筛分：将步骤(7)得到粉末置于一定大小孔径的筛面上，通过筛孔的成为筛下料，被截留在筛面上的成为筛上料，其中筛网孔径规格为80目(178um)或100目(150um)。

(9)磁选：将步骤(8)得到筛下料通过磁选机进一步去除酸不溶物、游离C等非磁性杂质，提高纯度，其中磁选次数1～3次、电振给料电流≤3A。

(10)合批：将步骤(9)得到磁选料通过混料机进行混料、合批(合批量5～30吨、合批时间5～20min)，以使其性能均匀一致，得到成品还原铁粉，其技术指标为TFe≥98.5％、C≤0.03％、S≤0.02％、压缩性≥6.80g.cm³，可应用制备中高密度和强度粉末冶金零部件。

下述实施例中，化学成分及物理工艺性能均按照行业标准YB/T5308-2011粉末冶金用还原铁粉中的规定检测。

实施例1

一种高压缩性还原铁粉的制备方法，具体步骤如下：

选用全铁含量72％轧钢铁鳞和93％湿磨铁粉(重量比为4:1)为原料，送料至回转窑进行烘干(烘干温度500℃)、混匀，并选用焦粉、石灰石(体积比为10:1)为还原剂、脱硫剂并混合均匀；接着，将混合原料与还原剂(包括混入的石灰石)以柱状垂直相间地方式装入SiC耐火罐中，装料前、装料后分别在耐火罐底部、顶部铺一层还原剂；然后将装满耐火罐的台车推入隧道窑，经历预热、高温(还原温度1145℃、还原时间36h)、冷却三个阶段，物料在罐内发生一系列复杂的物理化学变化，实现脱氧、脱碳、脱硫等，得到海绵铁；吸出海绵铁内孔残余还原剂，将其提出耐火罐，并清除耐火罐内部及海绵铁外侧残余还原剂和灰分，对海绵铁取样化检，TFe为97.6％、C为0.25％、S为0.010％；其次，将海绵铁依次粗破成块状、中破成颗粒状、细破成粉状，其粒度分别为10～40mm、≤10mm、+100目颗粒重量占比为20％，并筛分至+100目颗粒重量占比为8.6％的一次还原生粉；将该生粉通过钢带式还原炉，其中还原温度910℃、氢气流量60m³/h、还原时间1.5h，得到板结状铁粉块；将铁粉块通过锤破、球磨等方法将板结块解碎成粉状，其中锤式破碎机、振动球磨机下料速度分别为1500、2000kg/h；然后，将该粉末置于100目规格的筛网面上，通过筛孔的成为筛下料，被截留在筛面上的成为筛上料；将筛下料通过磁选机(磁选次数1次、电振给料电流2A)进一步去除酸不溶物、游离C等非磁性杂质；最后，将磁选料通过混料机进行混料、合批(合批量12吨、合批时间10min)，得到成品还原铁粉，其具体技术指标如表1所示，各项化学成分均优于行业标准中牌号FHY100.270的，并且压缩性(500MPa压力下)达到6.95g.cm³，可应用制备中高密度和强度粉末冶金零部件。

实施例2

与实施例1相比：仅将全铁含量93％的湿磨铁粉改用95％的；混合原料配比、还原剂等辅料种类与配比，以及隧道窑粗还原、带式炉精还原等工艺、性能检测等参数保持不变。

实施例3

与实施例1相比：调整项为轧钢铁鳞与湿磨铁粉的重量比1:1，隧道窑还原温度1142℃、还原时间30h，海绵铁破碎后筛分至+100目颗粒重量占比为9.5％，带式炉还原温度900℃、氢气流量57m³/h、还原时间1.4h；其余生产工艺、性能检测等参数保持不变。

表1还原铁粉技术指标

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)备料：将轧钢铁鳞和湿磨铁粉的混合原料通过回转窑烘干及混匀，同时将还原剂焦粉、脱硫剂石灰石混合均匀待用；

(2)装罐：将混合原料与混合的还原剂和脱硫剂以柱状垂直相间的方式装入SiC耐火罐中，装料前、装料后分别在耐火罐底部、顶部铺一层还原剂，以保护原料底部、顶部不被或少受氧化；

(3)粗还原：将耐火罐送入隧道窑，经历预热、高温、冷却三个阶段，还原出海绵铁；

(4)卸罐：将得到的海绵铁吸出其内孔残余还原剂后，提出耐火罐；并清除耐火罐内部及海绵铁外侧残余还原剂和灰分；

(5)破碎：将干净的海绵铁依次粗破成块状、中破成颗粒状、细破成生粉；

(6)精还原：将得到的生粉通过钢带式还原炉得到板结状铁粉块；

(7)解碎：将得到的铁粉块通过锤破或球磨解碎成粉末；

(8)筛分：将步骤(7)得到粉末过筛，通过筛孔的成为筛下料，被截留在筛面上的成为筛上料；

(9)磁选：将得到的筛下料通过磁选机进一步去除非磁性杂质；

(10)合批：将步骤(9)得到磁选料通过混料机进行合批，最终得到成品还原铁粉。

2.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于所述湿磨铁粉是以包括炼钢转炉污泥或含铁冶炼渣为原料，通过湿式球磨、重力分级为主要工艺制备的铁粉，全铁TFe≥90wt％。

3.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于步骤(1)中轧钢铁鳞与湿磨铁粉的重量比为(1～10):1，焦粉:石灰石的体积比为(5～15):1，回转窑烘干温度400～600℃。

4.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于步骤(3)中高温还原温度1135～1155℃、还原时间30h～45h；所述海绵铁TFe≥97.0wt％、C≤0.50wt％、S≤0.02wt％。

5.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于步骤(5)中粗破粒径为10～50mm，中破粒径≤10mm，细破粒度大于150um颗粒重量占比≤40％，并筛分至大于150um颗粒重量占比≤20％。

6.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于步骤(6)还原温度850～950℃、氢气流量40～80m³/h、还原时间1～2h。

7.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于步骤(7)采用锤式破碎机或振动球磨机，下料速度1000～2500kg/h。

8.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于步骤(8)中筛网孔径规格80目或100目。

9.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于步骤(9)中磁选次数1～3次、电振给料电流≤3A。

10.如权利要求1所述高压缩性还原铁粉的制备方法，其特征在于步骤(10)中合批量5～30吨、合批时间5～20min。

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