CN116445712A - 一种碳芯铁矿球团及基于全氢竖炉电炉的炼钢方法 - Google Patents

一种碳芯铁矿球团及基于全氢竖炉电炉的炼钢方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳芯铁矿球团，其包括芯层和壳层，芯层为煤粉与黏结剂的混合物；壳层为铁矿粉与黏结剂的混合物；芯层为直径为2‑5mm的碳球，所述壳层的外径为8‑16mm。本发明解决了仅使用氢气作为还原剂时，传统铁矿球团芯部温度显著低于表面温度导致的还原速率低、难以生产碳含量合格的钢水、以及DRI熔化温度过高所存在的电耗高、炉衬侵蚀过快、冶炼周期延长等技术问题。相较于现有技术，本发明可以实现在不增加碳排放的前提下向全氢竖炉中有效补充碳源，且通过制备碳芯铁矿球团入炉冶炼，较传统工艺表现出更优异的冶炼指标。本发明还涉及基于碳芯铁矿球团的全氢竖炉电炉炼钢方法。

Description

一种碳芯铁矿球团及基于全氢竖炉电炉的炼钢方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种碳芯铁矿球团及基于全氢竖炉电炉的炼钢方法。
背景技术
目前钢铁行业炼钢主要采用碳基高炉转炉长流程进行生产，具体包括采矿/选矿→烧结/球团→高炉炼铁→转炉炼钢→连续铸坯→热轧/冷轧等主要工序，其中高炉炼铁无法摆脱对化石能源(尤其是焦煤)的依赖。因此，钢铁行业是碳排放的绝对大户，当前碳排放强度约为1.8t-CO2/t钢。为了减少碳排放，钢铁行业目前正着力开发面向清洁能源体系的全氢竖炉电(弧)炉创新流程。该流程可使用绿色环保的氢作为唯一的还原剂，在竖炉内将铁矿球团转化为高金属化率的直接还原铁(DRI)，然后使用电能于电炉内对DRI进行熔分精炼，最终得到钢水和熔渣。根据研究，在实现清洁能源低成本规模化应用的前提下，全氢竖炉电炉流程的碳排放强度可低至50kg-CO2/t钢。必须指出的是，虽然实验室实验和中试试验的相继成功验证了全氢竖炉电炉炼钢流程的可行性，但仍然存在如下亟需解决的技术问题：
(1)由于氢气还原铁氧化物总体上为强吸热反应，铁矿球团在被氢气还原的后期，其芯部温度显著低于表面温度，严重影响还原速率，导致竖炉利用系数难以提高。
(2)由于未使用一氧化碳和甲烷等碳基介质，竖炉所产DRI中碳含量为零，其熔化温度过高，导致电炉电耗上升、炉衬侵蚀加剧、冶炼周期延长。
(3)为得到碳含量合格的钢水，可向电炉熔池内喷吹含碳物料，但此举的碳素利用效率偏低，并且未被利用的碳素还会造成碳排放。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种碳芯铁矿球团及基于全氢竖炉电炉的炼钢方法，解决了芯部温度显著低于表面温度导致的还原速率低、难以产生碳含量合格的钢水、以及DRI熔化温度过高所存在的电耗高、炉衬侵蚀过快、冶炼周期延长等技术问题。
(二)技术方案
第一方面，本发明提供一种碳芯铁矿球团，其包括芯层和壳层，所述芯层为煤粉与黏结剂的混合物；所述壳层为铁矿粉与黏结剂的混合物；所述芯层为直径为2-5mm的碳球，所述壳层的外径为8-16mm。
根据本发明的较佳实施例，所述黏结剂为膨润土，所述芯层中煤粉与膨润土的质量比为100:1-2.5，所述壳层中铁矿粉与膨润土的质量比为100:2-3。
根据本发明的较佳实施例，膨润土中粒度小于200目的粉末含量＞95％；所述煤粉为非焦煤，干基全硫含量<0.5％，其中粒度小于200目的粉末含量＞96％；所述铁矿粉为赤铁矿粉，铁品位TFe为50-70％，粒度为150-250目，优选为200目。
根据本发明的较佳实施例，所述碳芯铁矿球团是基于冷固结法，采用圆盘造球机和压球机制备；其中压球机的操作压力为10-20Mpa；所述碳芯铁矿球团的抗压强度>1500N/球，落下强度>8次/球(测试条件为国标，自500mm高处自由落在钢板上)，气孔率为16-18％。
根据本发明的较佳实施例，所述碳芯铁矿球团按如下方法制备：将煤粉与膨润土加水混匀，于圆盘造球机中造球，然后送入压球机在10-20MPa的压力下制成芯层；将铁矿粉与膨润土加水混合得到壳层物料，于圆盘造球机中使壳层物料覆裹在芯层表面，而后再次送入压球机中在10-20MPa的压力下制得碳芯球团；将碳芯球团送入干燥窑内，于干燥温度180-280℃条件下干燥30-60min，制得碳芯铁矿球团。
第二方面，本发明还提供一种全氢竖炉电炉的炼钢方法，包括：
S1、将上述碳芯铁矿球团送入全氢竖炉，通入氢气对其进行还原，生产碳芯DRI；
S2、将S1得到的碳芯DRI与铁素原料、造渣剂混合后送入电炉，通电熔炼炉内物料，熔炼至钢水成分合格后出钢、铸坯。
根据本发明的较佳实施例，S1中，氢气纯度>95％，氢气入炉温度为900-1100℃，氢气通入强度为1200-1400Nm3/t球团。
根据本发明的较佳实施例，S1中，所述全氢竖炉的还原段长度为4-6m。
优选地，经全氢竖炉还原所产生的碳芯DRI的金属化率>0.96；还原段利用系数为40-60t铁元素/(d·m3)。
根据本发明的较佳实施例，S2中，所述铁素原料为废铁或废钢，碳芯DRI与铁素原料的质量比为1-3。
根据本发明的较佳实施例，S2中，所述造渣剂为石灰和白云石，其中石灰的加入量为40-60kg/t钢水，白云石加入量为20-30kg/t钢水。
通常情况下，当钢水中的碳含量<0.2wt％时熔炼结束。
据统计，按照上述方法炼钢时，通常情况下，电炉熔炼时间<45min，电耗<450kWh/t钢水，碳排放量<0.4t-CO2/t钢水；所产钢水的全氧含量<5ppm，硫含量<10ppm。
(三)有益效果
本发明的碳芯铁矿球团内部碳芯的温度显著低于表面温度，可有效抑制铁氧化物对碳素的氧化耗损，避免碳排放。由于无需氢气还原芯层，竖炉内铁矿球团的平均还原速率显著增大，竖炉的利用系数大幅提高。碳芯铁矿球团内部自带碳素，全氢竖炉所产碳芯DRI的熔化温度得以降低，可有效节省电炉电耗、延缓炉衬侵蚀以及缩短冶炼周期。
相较于向电炉熔池内喷吹含碳物料的方式，由于外层铁壳的比重大，碳芯DRI在电炉熔池中的停留时间得以延长，可有效提高其内裹碳素的利用率。电炉熔池中，碳芯DRI内裹碳素与其周边少量残余铁氧化物(FexO)迅速反应气化，产生局部爆裂，可有效增强熔池搅拌，均匀钢水成分和温度，有利于缩短电炉的冶炼周期。
本发明全氢竖炉电炉的炼钢方法通过将碳芯DRI与铁素原料一同在电炉中熔炼，无需进行吹氧脱碳，电炉内钢水的全氧含量得以大幅降低。
附图说明
图1为本发明提供的碳芯铁矿球团结构示意图。
图2为碳芯铁矿球团在全氢竖炉内还原过程中的结构示意图。
图3为本发明提供的基于碳芯铁矿球团的全氢竖炉电炉炼钢方法的流程图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，为本发明的碳芯铁矿球团结构示意图，该球团为核壳结构，包括芯层1和壳层2。芯层1为煤粉与黏结剂的混合物；壳层2为铁矿粉与黏结剂的混合物。芯层1为直径为2-5mm的碳球，若其直径过小，会导致供碳量不足，需在后续工序喷吹含碳物料进行增碳；若直径过大，则造成碳素过剩，需在后续工序进行吹氧脱碳，使钢水的全氧含量变高(而钢水氧含量变高可能导致钢水不合格)。壳层2的外径为8-16mm。壳层2覆裹在芯层1外部。其中，使用的黏结剂均为膨润土。芯层1中煤粉与膨润土的质量比为100:1-2.5，若芯层1中膨润土配量过低时不能得到足够强度的芯层碳球，芯层碳球强度过低，无法进行后续的造球操作，若膨润土配量过高则导致芯层1中碳含量过低，将不利于得到碳含量合格的DRI和钢水。壳层2中铁矿粉与膨润土的质量比为100:2-3。同样地，壳层2中膨润土配量过低时不能得到足够强度的球团。
作为黏结剂的膨润土，其粒度小于200目(粒度<74微米)的粉末含量＞95％。膨润土粒度越小，比表面积越大，在相同用量和相同压球机操作压力条件下，黏结剂的黏接性能越好，制备的球团的抗压强度越大。优选地，制作芯层1的煤粉为非焦煤，非焦煤储量丰富，价格低，可降低炼钢原料成本，干基全硫含量<0.5％。由于电炉炼钢不能脱硫，故控制原料端硫含量可保证钢水为低硫含量。非焦煤中粒度小于200目(粒度<74微米)的粉末含量＞96％，粒度越细，成球性越好，强度越高。优选地，制作壳层2的铁矿粉为赤铁矿粉，铁品位TFe为50-70％，粒度为150-250目，优选为200目，粒度越细，成球性越好，强度越高。
本发明中碳芯铁矿球团是基于冷固结法采用圆盘造球机和压球机制备而成。所述碳芯铁矿球团可按照如下方法制备：
将煤粉与膨润土加水混匀，于圆盘造球机中造球，然后送入压球机在10-20MPa的压力下制成芯层1；将铁矿粉与膨润土加水混合得到壳层物料，于圆盘造球机中使壳层物料覆裹在芯层1表面，而后再次送入压球机中在10-20MPa的压力下制得碳芯球团；将碳芯球团送入干燥窑内，于干燥温度180-280℃条件下干燥30-60min，制得碳芯铁矿球团。在该温度条件下，在保证干燥效果的同时防止芯层碳素与壳层铁氧化物反应。
基于上述碳芯铁矿球团，本发明提供的全氢竖炉电炉炼钢方法的流程如图3所示：在制备得到碳芯铁矿球团之后，将其送入全氢竖炉，通入氢气对其进行还原，生产碳芯DRI；然后将前述碳芯DRI与铁素原料、造渣剂混合后送入电炉，通电熔炼炉内物料，熔炼至钢水成分合格后出钢、铸坯。
在全氢竖炉中还原时，氢气纯度>95％，氢气入炉温度为900-1100℃，氢气通入强度为1200-1400Nm3/t球团，全氢竖炉的还原段长度为4-6m。经全氢竖炉还原所产生的碳芯DRI的金属化率>0.96，还原段利用系数为40-60t铁元素/(d·m3)。
如图2所示，为上述碳芯铁矿球团在全氢竖炉内还原过程中的结构示意图，中间为煤粉形成的芯层1，壳层则根据球团由外到内的还原程度不同，铁元素价态由0→3渐变。
电炉熔炼时，铁素原料为废铁或废钢，碳芯DRI与铁素原料的质量比为1-3；造渣剂为石灰和白云石，石灰的加入量为40-60kg/t钢水，白云石加入量为20-30kg/t钢水。所述熔炼过程为：首先将碳芯DRI与一定质量比的铁素原料混合并热装入电弧炉中，加入一定量造渣剂；进入起弧期，采用低档功率给电弧炉供电；起弧期结束，采用高档功率继续给电弧炉供电至熔炼结束，出钢。低档功率为供电变压器的额定功率的30-40％，高档功率为变压器的额定功率的60-70％；电弧炉熔池中，碳芯DRI内裹碳素与其周边少量残余铁氧化物(FexO)迅速反应气化，产生局部爆裂，所产生搅拌与0.1-1.0Nm3/min/t钢水条件下的吹气搅拌等效，可有效增强熔池搅拌，从而均匀钢水成分和温度；当钢水中的碳含量<0.2wt％时熔炼结束。据统计，按照上述方法炼钢时，通常情况下，电炉熔炼时间一般<45min，电耗<450kWh/t钢水，碳排放量<0.4t-CO2/t钢水；所产钢水的全氧含量<5ppm，硫含量<10ppm。
实施例1
(1)制备碳芯铁矿球团：
将煤粉与膨润土按质量比100:1加水混匀，于圆盘造球机中造球，然后送入压球机15MPa的压力下制成芯层1，芯层1为直径4mm的碳球。
将赤铁精矿与膨润土按质量比100:2加水混合得到壳层物料，于圆盘造球机中使壳层物料覆裹在芯层1表面，而后再次送入压球机中15MPa的压力下制得碳芯球团；将碳芯球团送入干燥窑内，于干燥温度200℃条件下干燥40min，制得碳芯铁矿球团，其直径为12mm。
其中，煤粉为非焦煤，粒度小于200目的粉末含量大于96％；赤铁精矿品位TFe为65％，粒度为小于200目含量占60％；膨润土中粒度小于200目的粉末含量大于95％。所得碳芯铁矿球团的抗压强度为1600N/球，落下强度为10次/球，气孔率为17.2％。
(2)全氢竖炉通氢还原：
将碳芯铁矿球团放入全氢竖炉中，通入氢气进行还原，产生碳芯DRI。全氢竖炉的还原段长度为5m。氢气纯度为98％，入炉温度为1000℃，供气强度为1300Nm3/t球团。经计算，还原段利用系数为50t-铁元素/(d·m3)。经过还原，产生碳芯DRI的金属化率为0.98。
(3)电弧炉熔炼：
将碳芯DRI和废钢一同转移到电弧炉中，碳芯DRI与废钢的质量比为2。造渣剂中石灰加入量为50kg/t钢水，白云石加入量为25kg/t钢水。
当钢水中的碳含量<0.2wt％时熔炼结束，出钢。经测定、计算，电炉熔炼周期为43min，吨钢电耗为445kWh/t钢水，碳排放量为0.3t-CO2/t钢水，钢水中全氧含量为4ppm，硫含量为9ppm。
实施例2
(1)制备碳芯铁矿球团：
将煤粉与膨润土按质量比100:2.5加水混匀，于圆盘造球机中造球，然后送入压球机10MPa的压力下制成芯层1，芯层1为直径5mm的碳球。
将赤铁精矿与膨润土按质量比100:3加水混合得到壳层物料，于圆盘造球机中使壳层物料覆裹在芯层1表面，而后再次送入压球机中20MPa的压力下制得碳芯球团；将碳芯球团送入干燥窑内，于干燥温度250℃条件下干燥30min，制得碳芯铁矿球团，其直径为14mm。
其中，煤粉为非焦煤，粒度小于200目的粉末含量大于96％；赤铁精矿品位TFe为70％，粒度为小于200目含量占70％；膨润土中粒度小于200目的粉末含量大于95％。所得碳芯铁矿球团的抗压强度为1650N/球，落下强度为11次/球，气孔率为16.8％。
(2)全氢竖炉通氢还原：
将碳芯铁矿球团放入全氢竖炉中，通入氢气进行还原，产生碳芯DRI。全氢竖炉的还原段长度为5m。氢气纯度为98％，入炉温度为1100℃，供气强度为1200Nm3/t球团。经计算，还原段利用系数为46t-铁元素/(d·m3)。经过还原，产生碳芯DRI的金属化率为0.97。
(3)电弧炉熔炼：
将碳芯DRI和废钢一同转移到电弧炉中，碳芯DRI与废钢的质量比为2。造渣剂中石灰加入量为45kg/t钢水，白云石加入量为30kg/t钢水。当钢水中的碳含量<0.2wt％时熔炼结束，出钢。经测定、计算，电炉熔炼周期为44min，吨钢电耗为448kWh/t钢水，碳排放量为0.35t-CO2/t钢水，钢水中全氧含量为4.4ppm，硫含量为9.6ppm。
对比例1
本对比例为常规炼钢方法，使用的赤铁精矿、膨润土、电弧炉等参数、全氢竖炉、通氢条件均与实施例1相同，但是制作的球团为现有技术常用的铁矿球团，不含有碳球芯层。炼钢过程为：
(1)将赤铁精矿与膨润土按质量比100:2加水混合，于圆盘造球机中造球，送入压球机15MPa的压力下制成直径为12mm的铁矿球团。所得铁矿球团的抗压强度为1550N/球，落下强度为10次/球，气孔率为17.0％。
(2)将铁矿球团放入全氢竖炉中，通入氢气进行还原，产生碳芯DRI。经计算，全氢竖炉还原段利用系数为40t-铁元素/(d·m3)，还原产生的碳芯DRI的金属化率为0.94。
(3)起弧期结束，采用高档功率继续给电弧炉供电，至混合金属料熔化率达到80-90％，采用碳氧枪供氧喷碳造泡沫渣冶炼至结束。熔炼时，碳粉喷吹量为75kg/min。经测定、计算，电炉熔炼周期为50min，吨钢电耗为465kWh/t钢水，碳排放量为0.6t-CO2/t钢水，钢水中全氧含量为25ppm，硫含量为35ppm。
将实施例1、实施例2和对比例1的DRI金属化率、还原段利用系数、熔炼周期、碳排放量、电耗、钢水氧含量、钢水硫含量等冶金指标比较如下表：
通过比较可知，相较于普通铁矿球团，采用碳芯铁矿球团作为入炉原料得到的碳芯DRI金属化率升高，并且全氢竖炉还原段利用系数得到提高，电炉熔炼周期缩短，吨钢电耗下降。此外，由于碳素利用率高、电炉熔池搅拌强度大、无需进行吹氧脱碳等，电炉熔炼碳排放量、钢水中全氧含量和硫含量都明显降低。由此可见，相较于现有技术，本发明可以实现在不增加碳排放的前提下向全氢竖炉中有效补充碳源，且通过制备碳芯铁矿球团入炉冶炼，较传统工艺表现出更优异的冶炼指标。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种碳芯铁矿球团，其特征在于，其包括芯层和壳层，所述芯层为煤粉与黏结剂的混合物；所述壳层为铁矿粉与黏结剂的混合物；所述芯层为直径为2-5mm的碳球，所述壳层的外径为8-16mm。
2.根据权利要求1所述的碳芯铁矿球团，其特征在于，所述黏结剂为膨润土，所述芯层中煤粉与膨润土的质量比为100:1-2.5，所述壳层中铁矿粉与膨润土的质量比为100:2-3。
3.根据权利要求2所述的碳芯铁矿球团，其特征在于，膨润土中粒度小于200目的粉末含量＞95％；所述煤粉为非焦煤，干基全硫含量<0.5％，其中粒度小于200目的粉末含量＞96％；所述铁矿粉为赤铁矿粉，铁品位TFe为50-70％，粒度为150-250目。
4.根据权利要求1或2所述的碳芯铁矿球团，其特征在于，所述碳芯铁矿球团是基于冷固结法，采用圆盘造球机和压球机制备；其中压球机的操作压力为10-20Mpa；所述碳芯铁矿球团的抗压强度>1500N/球，落下强度>8次/球，气孔率为16-18％。
5.根据权利要求4所述的碳芯铁矿球团，其特征在于，按如下方法制备：将煤粉与膨润土加水混匀，于圆盘造球机中造球，然后送入压球机在10-20MPa的压力下制成芯层；将铁矿粉与膨润土加水混合得到壳层物料，于圆盘造球机中使壳层物料覆裹在芯层表面，而后再次送入压球机中在10-20MPa的压力下制得碳芯球团；将碳芯球团送入干燥窑内，于干燥温度180-280℃条件下干燥30-60min，制得碳芯铁矿球团。
6.一种全氢竖炉电炉的炼钢方法，其特征在于，其包括：
S1、将权利要求1-5任一项所述的碳芯铁矿球团送入全氢竖炉，通入氢气对其进行还原，生产碳芯DRI；
S2、将S1得到的碳芯DRI与铁素原料、造渣剂混合后送入电炉，通电熔炼炉内物料，熔炼至钢水成分合格后出钢、铸坯。
7.根据权利要求6所述的全氢竖炉电炉的炼钢方法，其特征在于，S1中，氢气纯度>95％，氢气入炉温度为900-1100℃，氢气通入强度为1200-1400Nm3/t球团。
8.根据权利要求6所述的全氢竖炉电炉的炼钢方法，其特征在于，S1中，所述全氢竖炉的还原段长度为4-6m，还原段利用系数为40-60t铁元素/d·m3。
9.根据权利要求6所述的全氢竖炉电炉的炼钢方法，其特征在于，S2中，所述铁素原料为废铁或废钢，碳芯DRI与铁素原料的质量比为1-3。
10.根据权利要求6所述的全氢竖炉电炉的炼钢方法，其特征在于，S2中，所述造渣剂为石灰和白云石，其中石灰的加入量为40-60kg/t钢水，白云石加入量为20-30kg/t钢水。
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