CN216712147U - 一种高纯铁水的制备系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高纯铁水的制备系统，属于高纯铁水制备技术领域，解决了现有高纯铁水制备时，冶炼流程长且耗能高的技术问题。该制备系统包括真空感应单元、氩气喷吹单元、氢气喷吹单元、配料单元和配料喷吹单元；真空感应单元内从上至下依次设有熔渣层、渣‑铁混合层和铁水层；氩气喷吹单元和氢气喷吹单元均水层连通；配料单元通过配料喷吹单元与第二容纳层连通；铁精矿粉与石灰熔剂经配料喷吹单元进入第二容纳层；氩气喷吹单元包括通过第一支路与真空感应炉连接的氩气源，氩气源提供的氩气经过第一支路进入到真空感应炉内。本实用新型的制备系统提高了铁精矿粉的还原速率，缩短了铁精矿粉的冶炼流程和降低了冶炼能耗。

Description

一种高纯铁水的制备系统

技术领域

本实用新型涉及高纯铁水冶炼技术领域，尤其涉及一种高纯铁水的制备系统。

背景技术

钢铁行业作为国民经济的基础行业，肩负着国家基础材料生产的重任。我国90％的粗钢通过“铁矿石—烧结(或球团矿)—高炉炼铁—炼钢”长流程进行生产，能耗高、污染严重，2020年我国CO₂排放量超过120 亿吨，钢铁行业CO₂排放量占到全国的15％，达到18亿吨，炼铁过程 CO₂排放占整个钢铁生产流程的73.1％，超过13亿吨。因此，钢铁行业特别是炼铁领域绿色化转型势在必行。

非高炉炼铁可以避免焦炭的使用，省去了炼焦环节，特别是以气基竖炉直接还原为基础的氢冶金大幅降低了有害气体的排放量，目前得到迅猛发展。但是，气基竖炉还原必须以优质的氧化球团或块矿为原料，在我国优质块矿缺乏、进口块矿价格过高的情况下，只能通过选矿、造球、氧化焙烧等一系列工序制备氧化球团，工艺流程较长且能耗较高。另外，还原气必须加热至较高温度提供竖炉还原所需的热量，还原气加热过程的安全问题，如富氢气体加热过程的析碳问题，纯氢加热过程的氢腐蚀问题一直无法解决。因此，尽管气基竖炉直接还原工艺对比传统炼铁-炼钢流程具有一定的优越性，但远没有达到最优化。

发明内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种高纯铁水的制备系统，用以解决现有高纯铁水冶炼时，冶炼流程长且耗能高的技术问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供了一种高纯铁水的制备系统，该系统包括真空感应单元、氩气喷吹单元、氢气喷吹单元、配料单元和配料喷吹单元；

真空感应单元内从上至下依次设有相互连通的第一容纳层、第二容纳层和第三容纳层；第一容纳层内为熔渣层；第二容纳层内为渣-铁混合层，第三容纳层内为铁水层；

氩气喷吹单元和氢气喷吹单元均与第三容纳层连通；配料单元通过配料喷吹单元与第二容纳层连通；配料喷吹单元用于将来自配料单元的料喷吹入第二容纳层中；

所述氩气喷吹单元包括氩气源，氩气源通过第一支路与真空感应单元的第三容纳层连接，所述氩气源上设有氩气开关阀和氩气流量调节阀，氩气源提供的氩气经过第一支路进入到第三容纳层内。

在一种可能的设计中，所述真空感应单元包括真空感应炉，真空感应炉底部设有氩气喷吹口，第一支路与氩气喷吹口连接，在氩气喷吹口处沿竖直方向设有中空圆筒形喷嘴，中空圆筒形喷嘴能够旋转。

在一种可能的设计中，中空圆筒形喷嘴的顶面上设有搅拌部件，搅拌部件包括第一凵字型叶片和第二凵字型叶片，第一凵字型叶片和第二凵字型叶片安装方向相反且两者相互嵌合；

搅拌部件倾斜设置在中空圆筒形喷嘴上。

在一种可能的设计中，中空圆筒形喷嘴的顶面上设有搅拌部件，搅拌部件包括第一弓字型叶片和第二弓字型叶片，第一弓字型叶片和第二弓字型叶片相互平行设置。

在一种可能的设计中，渣-铁混合层包括金属铁预还原区和氢气还原区；金属铁预还原区设于氢气还原区的上方。

在一种可能的设计中，真空感应炉以电为热源，并以内加热的方式为炉内物料提供热量。

在一种可能的设计中，第三容纳层底部设有出铁口，出铁口用于排出高纯铁水。

在一种可能的设计中，系统还包括还原烟气处理单元；还原烟气处理单元的一端与真空感应单元的顶部连通，另一端与氢气喷吹单元连通；还原烟气处理单元用于处理真空感应炉产生的还原烟气。

在一种可能的设计中，还原烟气处理单元包括依次连接的余热回收设备、脱硫设备、喷淋脱水和干燥设备，还原烟气经余热利用、脱硫、喷淋脱水及干燥后，与补充的氢气一起进入氢气喷吹单元中。

在一种可能的设计中，在真空感应炉内还设有第四容纳层，第四容纳层设于第一容纳层的上方，第四容纳层用于容纳产生的还原烟气。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

(1)本实用新型的高纯铁水制备系统包括真空感应炉，真空感应炉内由上至下依次为第一容纳层、第二容纳层和第三容纳层，其中，第一容纳层内为熔渣层，第二容纳层中为渣-铁混合层，第三容纳层中为铁水层，铁精矿粉经配料配吹单元喷入渣-铁混合层(刚开始是喷入到铁水熔池中)后，利用铁水对铁精矿粉进行熔融预还原，将常规的气-固两相反应转变为均相熔融反应，提高了还原速率；以铁水层作为感应介质为熔池提供热量，消除了传统熔融还原气相空间传热效率低的弊端。

(2)本实用新型提供的制备系统采用感应炉内加热的方式提供热量，能量利用率高，避免了气相空间燃烧烟气温度过高带来的炉顶冲刷和气相空间传热效率低的问题。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

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

图1为本实用新型提供的高纯铁水的制备流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本实用新型的一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

一方面，本实用新型提供了一种高纯铁水的制备系统，为电-氢冶金极短流程冶炼高纯铁水系统，如图1所示，包括真空感应单元、氩气喷吹单元、氢气喷吹单元、配料单元和配料喷吹单元；真空感应单元内从上至下依次设有相互连通的第一容纳层、第二容纳层和第三容纳层；第一容纳层内为熔渣层；第二容纳层内为渣-铁混合层，第三容纳层内为铁水层；氩气喷吹单元和氢气喷吹单元均与铁水层连通；配料单元通过配料喷吹单元与渣-铁混合层连通；铁精矿粉与石灰熔剂通过配料单元配料后经配料喷吹单元进入真空感应单元的渣-铁混合层中；氩气喷吹单元包括氩气源，氩气源通过第一支路与真空感应单元的第三容纳层连接，所述氩气源上设有氩气开关阀和氩气流量调节阀，氩气源提供的氩气经过第一支路进入到第三容纳层内。

具体地，如图1所示，该制备包括真空感应单元、氩气喷吹单元、氢气喷吹单元、配料单元和配料喷吹单元；其中，真空感应单元内从上至下依次设有第一容纳层、第二容纳层和第二容纳层；第一容纳层内为熔渣层，第二容纳层内为渣-铁混合层，第三容纳层内为铁水层；其中，氩气喷吹单元和氢气喷吹单元的出口均与第三容纳层连通，铁精矿粉和生石灰粉通过配料单元配料后，经喷吹单元喷入渣-铁混合层中。需要说明的是，本实用新型中的氩气源为氩气罐，该氩气罐通过第一支路与真空感应炉的底部连通，在第一支路上设有氩气开关阀和氩气流量调节阀，氩气开关阀用于控制向真空感应炉内喷入氩气，氩气流量调节阀用于调节喷入氩气的流量大小。

与现有技术相比，本实用新型通过设置氩气喷吹单元能够向真空感应炉内喷吹氩气进行真空搅拌脱气，将铁水中的N、H脱除至3ppm以下。

需要注意的是，本实用新型的第三容纳层上设有熔渣出口，熔渣出口用于将真空感应单元内的熔渣排出。

需要说明的是，铁精矿粉和生石灰粉(石灰熔剂)直接喷吹进入真空反应单元的渣-铁混合层中，铁精矿粉在快速升温过程中通过自氧化脱硫，铁精矿粉并与渣-铁混合层内的铁水进行预还原反应迅速形成FeO熔体；预还原过程中，铁精矿粉中的磷与石灰熔剂结合形成稳定的磷酸钙进入熔渣层；从真空感应单元底部喷入的氢气经铁水层充分加热后，进入渣-铁混合层中还原FeO，渣-铁混合层的氧势(氧势是指平衡体系中氧的相对化学势)从上至下逐渐降低，渣-铁混合层下部形成无氧渣铁层，铁水中的硫被充分脱除，脱除氧和硫后的还原铁水沉降进入铁水层；出铁之前，以氩气取代氢气喷入铁水层，对铁水进行真空脱气，得到高纯铁水。

与现有技术相比，首先，本实用新型采用铁精矿粉直接喷吹入炉，避免了烧结或造球氧化焙烧工序，并且铁精矿粉的脱磷、脱硫、还原、渣铁分离及精炼过程均在真空感应单元内完成，实现了工艺及设备的极简化，极大的缩短了工艺流程、提高了冶炼效率，并降低了对铁精矿的杂质含量要求。其次，铁精矿粉在真空熔融状态下进行纯氢还原，加快了还原速率，铁水中的氧降至极低的含量(<10ppm)，省去了脱氧工序及脱氧剂的使用。再次，本实用新型采用铁水对铁精矿粉进行熔融预还原，将常规的气-固两相反应转变为均相熔融反应，提高了还原速率；以铁水层作为感应介质为熔池提供热量，消除了传统熔融还原气相空间传热效率低的弊端。

需要说明的是，本实用新型中的第二容纳层(渣-铁混合层)包括金属铁预还原区和氢气还原区；金属铁预还原区设于氢气还原区的上方；渣-铁混合层的氧势从上至下逐渐降低。

具体地，在真空感应单元的渣-铁混合层包括金属铁预还原区和氢气还原区，其中，氢气还原区为终还原，其位于金属铁预还原区的下方；在金属铁预还原区内，铁精矿粉进行真空熔融自氧化脱硫，而在氢气还原区内进行的是还原深度脱硫，通过真空熔融自氧化脱硫和还原深度脱硫大大提高了铁精矿粉的脱硫效率和脱硫限度。另外，铁精矿粉中的磷在金属铁预还原区内氧化形成稳定的磷酸钙，并且磷酸钙无法被氢气还原，进而可以避免磷溶解于铁水中，综上，本实用新型能够完全消除对铁精矿粉中的硫、磷的含量限制。

为了更好的制备高纯铁水，本实用新型中的真空感应单元为真空感应炉，真空感应炉以电为热源，并且以内加热的方式为炉内物料提供热量；铁水层底部设有出铁口，出铁口用于排出高纯铁水。

具体地，本实用新型的真空感应炉以电位热源，采用电-氢冶金模式进行加热和还原，完全避免了碳质能源的利用，整个流程实现无碳排放。真空感应炉采用内加热的方式加热铁水，并利用铁水对铁精矿粉进行熔融预还原，将常规的气-固两相反应转变为均相熔融反应，以提高还原速率；另外，将铁水层作为感应介质为熔池提供热量，消除了传统熔融还原气相空间传递热效率低的弊端。

需要说明的是，在熔池底部设有出铁口，冶炼得到的高纯铁水通过出铁口排出真空感应单元。

为了实现氢气还原气的循环利用，本实用新型的系统还包括还原烟气处理单元；还原烟气处理单元与真空感应单元的顶部连接，还原烟气处理单元包括依次连接的余热回收设备、脱硫设备、喷淋脱水和干燥设备，还原烟气经余热利用、脱硫、喷淋脱水及干燥后，与补充的氢气一起进入氢气喷吹单元中。

具体地，在真空感应炉内还设有第四容纳层，第四容纳层设于第一容纳层的上方，第四容纳层用于容纳产生的还原烟气，另外，在真空感应炉的顶面上设有还原烟气出口，还原烟气处理单元一端与该还原烟气出口连接，另一端与氢气喷吹单元连接，还原烟气经还原烟气出口引出后，依次经过余热回收设备、脱硫设备、喷淋脱水和干燥设备进行处理，经过余热回收、脱硫、喷淋脱水及干燥后得到剩余氢气，将该部分剩余的氢气与新补充的氢气一起引入真空感应电炉内，实现了剩余氢气的循环利用。

需要说明的是，本实用新型的配料单元包括输料管和缓冲室；铁精矿粉和石灰熔剂通过输料管进入缓冲室内；喷吹单元包括喷枪，缓冲室与喷枪连通，铁精矿粉发和石灰溶剂经过缓冲室混合后，被喷枪喷入到渣-铁混合层中。

为了进一步加强氩气搅拌的脱气效果，本实用新型的真空感应炉底部设有氩气喷吹口，第一支路与氩气喷吹口连接，在氩气喷吹口处沿竖直方向设有中空圆筒形喷嘴，中空圆筒形喷嘴能够旋转。

具体地，为了加强搅拌效果，促进铁水脱除N、H气体，本实用新型在氩气喷吹口处设置中空圆筒形喷嘴，氩气罐内的氩气经第一支路和氩气喷吹口后和中空圆筒形喷嘴喷入铁水中，由于中空圆筒形喷嘴能够转动，其会对铁水产生一定的搅拌作用，促进铁水脱气。需要说明的是，在真空感应炉底部设有电机，电机通过传动带带动中空圆筒形喷嘴进行转动，当中空圆筒形喷嘴转动时，喷入铁水中的氩气会使铁水产生一定的流动，进而加强了中空圆筒形喷嘴的搅拌作用，提高了铁水的脱除N、 H气体的脱气效果。

为了进一步加强脱气效果，本实用新型的中空圆筒形喷嘴的顶面上设有第一搅拌部件，第一搅拌部件包括第一凵字型叶片和第二凵字型叶片，第一凵字型叶片和第二凵字型叶片安装方向相反且两者相互嵌合；第一搅拌部件倾斜设置在中空圆筒形喷嘴上；搅拌部件的倾斜角度为 30°-60°。

与现有技术相比，通过将第一搅拌部件设置成第一凵字型叶片和第二凵字型叶片，以及将第一搅拌部倾斜30°-60°，能够最大程度的实现对铁水的搅拌作用，使铁水的脱气效果更好。

同样地，为了进一步加强铁水脱气效果，本实用新型的中空圆筒形喷嘴的顶面上设有第二搅拌部件，第二搅拌部件包括第一弓字型叶片和第二弓字型叶片，第一弓字型叶片和第二弓字型叶片相互平行设置。

与现有技术相比，将第二搅拌部件设置成弓字型同样能够对铁水的搅拌作用，使铁水的脱气效果更好。

采用本实用新型提供的高纯铁水的制备系统进行冶炼时包括以下步骤：

步骤1、将工业纯铁加入真空感应炉内并作为感应加热介质，在真空状态下50～100Pa进行加热熔化，熔化温度设定至1550～1700℃；再加入铁精矿粉和石灰熔剂；

步骤1、刚开始时，将工业纯铁作为感应加热介质加入真空感应炉内，在真空状态下50～100Pa和1550～1700℃温度条件下进行加热熔化，熔化完全后形成铁水熔池；

步骤2、将铁精矿粉与石灰熔剂持续喷入步骤1的铁水熔池中进行熔融预还原，熔融预还原后形成熔体；喷入铁精矿粉和石灰溶剂后，通过设于真空反应炉底部的氢气喷吹单元将氢气喷入铁水熔池中，氢气与铁水熔池中的熔体进行熔融还原反应，熔融预还原产生的熔渣和熔融还原反应产生的熔渣均上浮进入第一容纳层后形成熔渣层，熔融还原反应产的铁水下沉进入第三容纳层后形成铁水层；在熔渣层与铁水层之间形成渣-铁混合层；渣-铁混合层位于第二容纳层中。然后继续向形成的渣-铁混合层中喷入铁精矿粉和石灰溶剂，然后通过氢气喷吹口向铁水层中喷入氢气，氢气上浮过程中被铁水加热，加热后进入渣-铁混合层中，并与渣-铁混合层中的熔体进行熔融还原反应，还原产生的熔渣继续上浮至熔渣层，反应产生的铁水继续下沉至铁水层。

具体地，铁精矿粉和生石灰粉(石灰熔剂)直接喷吹进入铁水熔池中，铁精矿粉在铁水熔池中快速升温，并在快速升温过程中通过自氧化脱硫，铁精矿粉并与铁水熔池的铁水进行预还原反应迅速形成FeO熔体；预还原反应过程中，铁精矿粉中的磷与石灰熔剂结合形成稳定的磷酸钙，磷酸钙上浮进入第一容纳层中，与后续利用氢气进行熔融还原反应产生是熔渣一起形成熔渣层。

需要说明的是，将铁精矿粉与石灰熔剂通过配料单元配料后，经配料喷吹单元喷入真空感应炉的铁水熔池内进行熔融预还原；物料熔化过程中，铁精矿粉中的硫与铁氧化物通过真空自氧化深度脱除，铁精矿粉熔化后形成熔体，熔体的硫含量降低至25ppm以下；熔融预还原过程中铁精矿粉中的磷在渣-铁混合层内被铁精矿粉自氧化。

3Fe₂O₃+FeS＝7FeO+SO₂ (1)

3Fe₃O₄+FeS＝10FeO+SO₂ (2)

熔化过程中，铁精矿粉中的Fe₂O₃或Fe₃O₄与铁水发生剧烈反应实现物料的熔融预还原，铁精矿粉中的高价铁氧化物转变为FeO熔体。

Fe₂O₃+Fe＝3FeO (3)

Fe₃O₄+Fe＝4FeO (4)

另外，从铁水熔池底部喷入的氢气先经过铁水层，在上浮过程中被铁水层充分加热，加热后还原FeO，渣-铁混合层的氧势(氧势是指平衡体系中氧的相对化学势)从上至下逐渐降低，渣-铁混合层的下部形成无氧渣铁水层，铁水中的硫被充分脱除，脱除氧和硫后的还原铁水沉降进入铁水层；出铁之前，以氩气取代氢气喷入铁水层，对铁水进行真空搅拌脱气，从而得到高纯铁水。

需要注意的是，上述步骤2中，氢气喷吹时间为25～30min，对氢气的喷入量按照H₂/FeO摩尔比为1.5～2进行控制，铁水熔池内的熔体被氢气进行直接还原，还原后的铁水逐渐沉积进入铁水层，反应产生的熔渣由于密度较轻而上浮进入到熔渣层中，铁水氧含量降低至<10ppm；并且铁水中的硫在还原过程中进一步脱除，铁水硫含量降低至<5ppm。

FeO+H₂＝Fe+H₂O (5)

CaO+FeS+H₂＝CaS+Fe+H₂O (6)

步骤3、铁水层内的铁水累计至一定高度达到出铁要求时，先停止喷吹氢气、铁精矿粉和石灰溶剂，然后通过氩气喷吹单元向铁水层中喷吹氩气，利用氩气进行真空搅拌，促使铁水脱气，铁水脱气后进行出铁，从而得到高纯铁水。

在上述步骤3中，出铁后始终保留一部分铁水作为真空感应加热的介质。

在上述步骤1中，上述铁精矿粉与石灰熔剂的混合物的二元碱度为 2.5～3.0，用于保证较好的脱硫效果；上述真空感应炉的温度为 1600～1650℃，用于保证较好的还原效果。

在上述步骤3中，真空搅拌脱气的时间为10～15min，氩气的喷吹流量为0.4～0.6L/(min·kg铁水)，以将铁水中的N、H脱除至3ppm以下。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高纯铁水的制备系统，其特征在于，包括真空感应单元、氩气喷吹单元、氢气喷吹单元、配料单元和配料喷吹单元；

所述真空感应单元内从上至下依次设有相互连通的第一容纳层、第二容纳层和第三容纳层；所述第一容纳层内为熔渣层；所述第二容纳层内为渣-铁混合层，所述第三容纳层内为铁水层；

所述氩气喷吹单元和所述氢气喷吹单元均与第三容纳层连通；

所述配料单元通过配料喷吹单元与第二容纳层连通；所述配料喷吹单元用于将来自配料单元的料喷吹入所述第二容纳层中；

所述氩气喷吹单元包括氩气源，氩气源通过第一支路与真空感应单元的第三容纳层连接，所述氩气源上设有氩气开关阀和氩气流量调节阀，氩气源提供的氩气经过第一支路进入到第三容纳层内。

2.根据权利要求1所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，所述真空感应单元包括真空感应炉，所述真空感应炉底部设有氩气喷吹口，所述第一支路与所述氩气喷吹口连接，在所述氩气喷吹口处沿竖直方向设有中空圆筒形喷嘴。

3.根据权利要求2所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，所述中空圆筒形喷嘴的顶面上设有搅拌部件，所述搅拌部件包括第一凵字型叶片和第二凵字型叶片，所述第一凵字型叶片和第二凵字型叶片安装方向相反且两者相互嵌合；

搅拌部件倾斜设置在所述中空圆筒形喷嘴上。

4.根据权利要求2所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，所述中空圆筒形喷嘴的顶面上设有搅拌部件，所述搅拌部件包括第一弓字型叶片和第二弓字型叶片，所述第一弓字型叶片和第二弓字型叶片相互平行设置。

5.根据权利要求2所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，所述渣-铁混合层包括金属铁预还原区和氢气还原区；所述金属铁预还原区设于氢气还原区的上方。

6.根据权利要求5所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，所述真空感应炉以电为热源，并以内加热的方式为炉内物料提供热量。

7.根据权利要求1所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，所述第三容纳层底部设有出铁口，所述出铁口用于排出高纯铁水。

8.根据权利要求1所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，所述制备系统还包括还原烟气处理单元；所述还原烟气处理单元的一端与真空感应单元的顶部连通，另一端与氢气喷吹单元连通；所述还原烟气处理单元用于处理真空感应炉产生的还原烟气。

9.根据权利要求8所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，所述还原烟气处理单元包括依次连接的余热回收设备、脱硫设备、喷淋脱水和干燥设备，所述还原烟气经余热利用、脱硫、喷淋脱水及干燥后，与补充的氢气一起进入氢气喷吹单元中。

10.根据权利要求2-6任一项所述的高纯铁水的制备系统，其特征在于，在所述真空感应炉内还设有第四容纳层，所述第四容纳层设于第一容纳层的上方，所述第四容纳层用于容纳产生的还原烟气。

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