CN1271222C

CN1271222C - 一种生产铁粉的方法

Info

Publication number: CN1271222C
Application number: CN 200410039264
Authority: CN
Inventors: 赵沛; 郭培民
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2024-02-11
Also published as: CN1557974A

Abstract

本发明属于冶金行业中铁产品的制备方法领域。特别适用于经济、环保生产铁粉的方法。该方法的具体流程是将还原粉料在放置磨粉机中通过破碎磨粉与加热，实现铁矿粉的还原，特征是由铁矿粉、煤粉和催化剂、脱硫剂所组成还原粉料的原料平均粒度为0.02-0.3mm；在还原粉料中的铁矿粉与煤粉的混料重量比为1∶0.15-0.4，加入重量%为：92-98%；催化剂为含碱金属离子或碱土金属离子中的任意一种化合物，加入重量%为：0.1-5%；脱硫剂是白云石、生石灰、石灰石中的任意一种，加入重量%为≤3%，将还原粉料在磨粉机中通过破碎磨粉与加热，加热温度在300-600℃，加热磨粉的时间在90-180分钟，待还原磨粉后的铁粉冷至室温再进行磁选。该方法与现有技术相比较具有生产效率高、生产流程简单、成本低、利于环保和降低能耗等特点。

Description

一种生产铁粉的方法

技术领域

本发明属于冶金行业中铁产品的制备方法领域。特别适用于经济、环保生产铁粉的方法。

背景技术

在现有技术中采用高炉炼铁工艺的主要炼铁流程，包括有焦化、烧结(球团)、高炉本体、热风、喷煤等部分所组成。虽然高炉炼铁的工艺复杂、能耗高、污染大，投资大，但该炼铁工艺仍然还是当今世界炼铁领域中的主流程。就目前所开发出来的，采用各种直接还原炼铁工艺也还存在着不少的缺陷。例如：采用煤基回转窑工艺虽然不使用焦煤，但因其还原速度慢(料温1000℃，约10h)和生产效率低(0.4t/m³·day)，以及能耗高(13.4GJ/t)等缺陷而很少被使用。另外还有采用外热式的煤基竖炉能耗为14.6GJ/t，而高炉炼铁的总能耗约为13.8GJ/t，若考虑将海绵铁转换成铁水，各种煤基直接还原的能耗都将超过高炉炼铁工艺，何况高炉炼铁的生产效率又明显高于各种煤基直接还原。再有气基直接还原炼铁工艺需要天然气约300m³/t，而天然气以CH₄等碳氢化合物为主，需要转化成以CO和H₂为主的还原性气体，本身价格和转化成本都较高，我国天然气储藏量又较少，所以就目前我国还很难将昂贵的天然气用于生产海绵铁中。

发明内容

本发明的目的是提出一种生产效率高、生产流程简单、固定投资少、生产成本低、利于环保和降低能耗的生产铁粉的方法。

根据本发明的目的，我们所提出生产铁粉的方法主要是针对现有技术中的不足而设计的，例如采用天然气直接炼铁的生产技术，到目前为止还不适合我国的基本国情。还有采用在高炉炼铁的生产方法中，克服现有技术所存在的工艺流程复杂、能耗高、污染大、投资大和还原反应温度偏高等缺陷。同时还要解决采用煤基直接还原法时的反应速度慢，提高其能量利用效率，降低过程能耗和环保等问题。根据以上基本内容，本发明所提出生产铁粉的方法是以机械冶金学的理论为基础，利用机械动能的力以达到提高冶金矿粉内在的能量。由于在机械力的作用下，铁矿粉与碳粉的还原反应出现了速度加快的现象，通过我们的试验表明：碳粉还原铁矿粉的起始反应温度比理论温度要降低200-300℃，这是由于在机械搅拌力的快速强劲作用下，被破碎磨细的铁矿粉与碳粉也同时被加速挤压、碰撞和磨擦，因此使得还原粉料内产生温度的提升和内能的增高，同时还有在机械搅拌力的不断推动作用下，使铁矿粉与碳粉的反应界面增多，还原机率也明显提高；再有由于还原粉料不断变细，还原粉料的表面积也在迅速的增加，因此必然会加快铁矿粉还原反应的进行；同时还由于在机械力的作用下，使铁粉体内部的部分晶格在被破坏的同时会生成许多内在活化能，该能量则会替补到还原粉料在反应动力学所需的活化能中，使还原反应更容易进行。综合上述对本发明生产铁粉的方法原理的详细叙述，因此本发明方法的具体流程是，采用由铁矿粉、煤粉和所添加的催化剂、脱硫剂所组成的还原粉料，该还原粉料在放置磨粉机中通过破碎磨粉与加热，实现铁矿粉的还原，然后再进行磁选分离，其特征是由铁矿粉、煤粉和催化剂、脱硫剂所组成还原粉料的原料平均粒度为0.02-0.3mm；在还原粉料中的铁矿粉与煤粉的混料重量比为1∶0.15-0.4；在还原粉料中的催化剂为含有碱金属离子Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺或Mg²⁺中的任意一种化合物；在还原粉料中的脱硫剂是白云石、生石灰、石灰石中的任意一种；以还原粉料的总重量为基准，铁矿粉、煤粉的加入重量％为：92-98％；催化剂的加入重量％为：0.1-5％；脱硫剂的加入重量％为≤3％，铁矿粉、煤粉、催化剂和脱硫剂的总重量％为100％；然后将还原粉料在磨粉机中通过破碎磨粉与加热，加热温度范围在300-600℃，加热磨粉的时间在90-180分钟，待还原粉料还原磨粉后的铁粉冷却至室温再进行磁选。在本发明方法中的其他特征还有，还原粉料中的催化剂为含有Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺或Mg²⁺的化合物中的任意两种或两种以上的组合。

本发明方法是采用还原与磨粉同时进行，由于还原粉料在机械力的作用下，铁矿粉和煤粉的粒度会越变越细，它们的活性也逐渐提高，当还原粉料的粒度小于0.04mm后，粉料的表面能和局部晶格能增加显著，此时铁矿粉被碳还原成铁的起始反应温度降低到600℃以下，还原粉料的粒度越细，起始反应温度则会越低。另一方面，由于还原粉料变细，还原粉料反应的表面积则增大若干倍，明显加快了还原反应的进行；同时由于在机械力的作用下，有部分粉料的晶格受破坏，晶体内部的能量有所增加，因此会产生更多的活化能量，所以会有降低反应动力学所需要的活化能，使还原反应更容易进行。

本发明方法是先将所需原材料按设定要求进行破碎磨料，当还原粉料中各原料粒度均达到要求后，再将设定量的铁矿粉、煤粉、催化剂和脱硫剂一起放入能有加热功能的磨粉机中进行加热磨粉，磨粉机中的还原粉料在被破碎加热温升至300-600℃时，在高效磨粉机提供的机械力作用下，铁矿粉在180分钟内能得到金属化率为90％左右的铁粉。待铁粉冷却后在于磁选设备中除去脉石、煤渣等杂质，最终得到脉石含量为2-10％的铁粉。该工艺的煤耗约为300kg-600kg/t铁。另外在本发明方法中所采用的催化剂为含有碱金属离子和/或碱土金属离子的物料，其加入量小于还原粉料总重量的5％。再有本发明方法在磨粉过程中是对还原粉料加热到300-600℃的温度下，其铁矿中的磷还是以磷酸钙的形式存在，碳不能将它还原出来而固溶在铁粉中。这为物理脱磷提供了可能性。在原料中配加脱硫剂(白云石、石灰等)可将煤粉和铁矿粉中的硫固定成硫化钙和硫化镁等。

采用本发明所提出生产铁粉的方法与现有技术相比较具有生产效率高、生产流程简单、成本低、利于环保和降低能耗等特点，其对比结果有以下几点：

(1)、反应温度低，还原粉料的物理热、废气的物理热、散热等能耗下降。另一方面由于生产效率高，提高了热能利用效率，因此能耗低于高炉炼铁和其它非高炉炼铁工艺，总能耗低于7GJ/t铁，煤耗约300-600kg/t铁。

(2)、生产效率高，还原速度可比传统海绵铁生产工艺的还原速度提高3-5倍左右，高于高炉炼铁和其它非高炉炼铁工艺的还原速度。

(3)、本发明方法属于环保型的炼铁工艺，该方法是采用烟煤或无烟煤作主要还原剂，而不需要焦化工艺，从而使大气污染大幅度下降；由于能耗低，直接表现在煤的用量少，所产生的CO₂量也要相应低于其它炼铁工艺。SO₂、NO_x产生的数量也远低于其它炼铁工艺；水的用量大幅度下降；吨钢渣量也低于传统炼铁技术。因此，本发明提出生产铁产品的制备方法是属于“环保型工艺”。

(4)、可生产洁净铁，本发明提出的生产铁粉的方法能够有效去除脉石等杂质，同时还可去除部分硫、磷等有害元素，得到脉石、硫、磷含量低的铁粉，减轻后序工艺负担。

(5)、生产流程简单、固定投资少、生产成本低，由于采用低温还原技术，生产流程大为简化，高炉炼铁工艺需要烧结、焦化、热风、高炉本体等大型设备。而本方法所使用的磨粉机、分离设备等均属简单设备。本发明方法由于不需要冷却系统，从而使装置简化、减轻对耐火材料的要求等。由于生产效率高、环保、煤耗低、不使用焦炭、设备简化、流程少，耐火材料消耗少等特点，使得吨铁固定投资和生产成本要明显低于高炉炼铁和其它炼铁工艺。

具体实施方式

本发明方法的实施是先将设定量的还原粉料加入在搅拌式加热磨粉机中进行，实施所采用的还原粉料是由铁矿粉、煤粉和催化剂、脱硫剂组成。铁矿粉中全铁含量为65％；煤粉为无烟煤(固定碳含量80％)和烟煤(固定碳含量50％)两种中的任意一种；催化剂是采用CaO、CaCO₃、Na₂CO₃和白云石；脱硫剂是采用白云石、生石灰、石灰石中的任意一种。加热温度在300℃-600℃之间；反应时间控制在80-180分钟；试验条件和试验结果均列入表1。

研究表明，铁矿粉和煤粉的原料粒度对金属化率影响不大，当原料粒度较大时，只要延长磨粉和还原反应时间是可以得到很好的金属化收得率，但考虑到能耗问题，还原粉料的平均粒度应控制在≤0.3mm较好，当然原料粒度更细时，效果更好。

催化剂选用含Na⁺、Ca²⁺等碱金属或碱土金属离子的原料(如CaCO₃、Na₂CO₃等)，会使反应速度加快，考虑成本问题，催化剂的加入量可控制在5％之内。脱硫剂是选择生石灰、石灰石、白云石中的任意一种，其原因是它们均有良好的脱硫效果，但加入量应控制在3％以下。反应温度在300℃以上均能取得较好的金属化率，当然温度更高时，还原速度会更快，但对设备的寿命影响很大，因此反应温度应控制在300℃-600℃之间。在本发明实施例方案中，表1为实施例方案中各件条件下煤粉还原铁矿粉的试验过程与结果；表2为本发明实施例与现有技术的对比结果。

表1各种条件下煤粉还原铁矿粉的试验条件与结果

试验编号	还原粉料的原始平均粒度	铁矿粉∶煤粉--重量％	催化剂加入种类与加入量	脱硫剂加入种类与加入量	反应温度	反应时间	金属化率
试验编号	还原粉料的原始平均粒度	铁矿粉∶煤粉--重量％	催化剂加入种类与加入量	脱硫剂加入种类与加入量	反应温度	反应时间	金属化率	1A	0.10mm	1∶0.15---97％	Na₂CO₃ 3％		450℃	160min	91％
2A	0.03mm	1∶0.18-97.5％	Na₂CO₃ 2.5％		300℃	180min	92％	1A	0.10mm	1∶0.15---97％	Na₂CO₃ 3％		450℃	160min	91％
2A	0.03mm	1∶0.18-97.5％	Na₂CO₃ 2.5％		300℃	180min	92％	3A	0.08mm	1∶0.25---97％	Na₂CO₃ 1％	CaCO₃2％	480℃	150min	90％
4A	0.05mm	1∶0.23-98.5％	Na₂CO₃ 1.5％		560℃	90min	91％	3A	0.08mm	1∶0.25---97％	Na₂CO₃ 1％	CaCO₃2％	480℃	150min	90％
4A	0.05mm	1∶0.23-98.5％	Na₂CO₃ 1.5％		560℃	90min	91％	5A	0.09mm	1∶0.17-95.5％	CaO 4％	CaO 0.5％	550℃	120min	93％
6A	0.12mm	1∶0.28-97.2％	CaCO₃ 2.8％		520℃	140min	90％	5A	0.09mm	1∶0.17-95.5％	CaO 4％	CaO 0.5％	550℃	120min	93％
6A	0.12mm	1∶0.28-97.2％	CaCO₃ 2.8％		520℃	140min	90％	7A	0.15mm	1∶0.32---94％	白云石 3.2％	白云石2.8％	420℃	170min	91％
8B	0.25mm	1∶0.28-95.5％	白云石 3.5％Na₂CO₃ 1％		340℃	180min	91％	7A	0.15mm	1∶0.32---94％	白云石 3.2％	白云石2.8％	420℃	170min	91％
8B	0.25mm	1∶0.28-95.5％	白云石 3.5％Na₂CO₃ 1％		340℃	180min	91％	9B	0.18mm	1∶0.31-99.2％	Na₂CO₃ 0.8％		580℃	170min	92％
10B	0.13mm	1∶0.35---98％	Ca₂CO₃ 2％		600℃	160min	91	9B	0.18mm	1∶0.31-99.2％	Na₂CO₃ 0.8％		580℃	170min	92％

A：无烟煤作还原剂：B：烟煤作还原剂；原料含硫量和脱硫率分别为：3A 0.23％、85％；5A0.17％、89％；7A 0.25％、92％

表2为本发明方法实施例与现有技术的比较结果

	吨铁煤耗量	能耗	反应温度	生产周期	环保	主要设备
	吨铁煤耗量	能耗	反应温度	生产周期	环保	主要设备	高炉	约760kg(将焦炭折成焦煤)，未包括焦化、烧结、热风能耗	约11GJ(高炉本体)	高温区大于1500℃	约4小时	废气最多、渣量大、冷却水消耗量大	烧结系统、焦化设备、高炉本体系统、热风炉
Midrex	使用天然气作还原剂(约300m³)	约11GJ	800～900℃	约6小时	污染适中、渣量最少	还原炉、气体重整炉	高炉	约760kg(将焦炭折成焦煤)，未包括焦化、烧结、热风能耗	约11GJ(高炉本体)	高温区大于1500℃	约4小时	废气最多、渣量大、冷却水消耗量大	烧结系统、焦化设备、高炉本体系统、热风炉
Midrex	使用天然气作还原剂(约300m³)	约11GJ	800～900℃	约6小时	污染适中、渣量最少	还原炉、气体重整炉	回转窑	约800kg	约13.4GJ	900～1000℃	约10小时	废气多、渣量较大	回转窑
本工艺	约450kg	约6GJ	300～600℃	约2.5小时	污染小	加热磨粉机	回转窑	约800kg	约13.4GJ	900～1000℃	约10小时	废气多、渣量较大	回转窑

Claims

1、一种生产铁粉的方法，该方法的生产流程是采用由铁矿粉、煤粉和催化剂、脱硫剂所组成还原粉料，将还原粉料放置在磨粉机中通过破碎磨粉与加热，实现铁矿粉的还原，然后再进行磁选分离，其特征是由铁矿粉、煤粉和催化剂、脱硫剂所组成还原粉料的原料平均粒度为0.02-0.3mm；在还原粉料中的铁矿粉与煤粉的混料重量比为1∶0.15-0.4；在还原粉料中的催化剂为含有Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺或Mg²⁺中的任意一种化合物；在还原粉料中的脱硫剂是白云石、生石灰、石灰石中的任意一种；以还原粉料的总重量为基准，铁矿粉、煤粉的加入重量％为：92-98％；催化剂的加入重量％为：0.1-5％；脱硫剂的加入重量％为≤3％，铁矿粉、煤粉、催化剂和脱硫剂的总重量％为100％；然后将还原粉料在磨粉机中通过破碎磨粉与加热，加热温度范围在300-600℃，加热磨粉的时间在90-180分钟，待还原粉料还原磨粉后的铁粉冷却至室温再进行磁选。

2、根据权利要求1所述方法，一种生产铁粉的方法的特征还包括还原粉料中的催化剂为含有Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺或Mg²⁺的化合物中的任意两种或两种以上的组合。