一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝的制作方法

一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，屬于煉鐵技術領域。所述方法首先通過往鐵礦粉中配入Al2O3調整鐵礦粉中Al2O3含量，以及通過往鐵礦粉中配入堿性氧化物或酸性氧化物調整鐵礦粉的二元堿度，獲得調整后鐵礦粉，往所述整后鐵礦粉中配入碳質還原劑和粘結劑，形成混合料，將混合料制成含碳球團，將所述含碳球團置于環形轉底爐內進行加熱還原，實現渣鐵分離，制備獲得碳含量為0.8%～4.0%的粒狀生鐵。本發明通過調整鐵礦粉中Al2O3含量和二元堿度來改變反應過程渣鐵分離和滲碳行為，從而找到一種可以調節生鐵中滲碳量的方法，達到靈活調控生鐵成分、降低煉鐵工序耗碳量、提高煉鋼效率、降低二氧化碳排放的目的。
【專利說明】
一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝
技術領域
[0001] 本發明主要屬于煉鐵技術領域，具體涉及一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝。
【背景技術】
[0002] 鋼鐵材料是人類社會生產、生活的所必須的結構材料，應用十分廣泛。從歷史發展 角度來說，鋼鐵制造過程均是先按照先煉鐵后煉鋼的順序進行的，因此，煉鐵是鋼鐵生產中 的重要環節。人類在古代就發明了高爐煉鐵工藝，這種方法是由古代豎爐煉鐵發展、改進而 成的，在1709年開始使用焦炭煉鐵從而產生了近代意義上的高爐。目前，在中國90%左右的 鋼材是通過高爐-轉爐工藝生產的，然而在美國，這種工藝生產的鋼材比例不足40%。經過 三百多年的發展，高爐煉鐵工藝從技術角度已接近完美，高爐煉鐵以其技術經濟指標良好、 工藝簡單、生產量大、勞動生產率高、能耗低的優點而占世界鐵總產量的95%。
[0003] 高爐煉鐵是在一個密閉的反應器中進行的。高爐生產時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭， 從位于爐子下部的風口吹入經過富氧的熱風，同時噴吹煤粉。在高溫下焦炭(有的高爐也噴 吹煤粉、重油、天然氣等輔助燃料）中的碳同鼓入熱風中的氧燃燒生成的一氧化碳，在爐內 上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到金屬鐵。全過程是在爐料自上而下、煤氣自下 而上的相互緊密接觸過程中完成的。當礦石升到一定溫度時先軟化，后熔融滴落，實現渣鐵 分離。已熔化的渣鐵之間及與固態焦炭接觸過程中，發生終還原及滲碳反應，最終得到鐵 水。可見，高爐煉鐵無法擺脫對塊狀含鐵爐料和焦炭的依賴，而且燒結和焦化過程均是污染 較大的工藝，隨著社會經濟的發展，受環保要求的約束會越來越大。此外，焦煤資源有限，我 國焦煤儲量僅夠使用30年。更為重要的是，受熱力學平衡的影響，高爐煉鐵過程會產生大量 含C0的低熱值爐頂煤氣，而且鐵水滲碳幾乎無法調節，現代高爐條件下，煉鋼生鐵的鐵水含 碳量在4.5%~5.4%之間波動，這樣高的碳含量對煉鋼工序來說是大大過剩的，轉爐吹煉 過程中生鐵中的碳被氧化脫除，同時又產生大量的熱和煤氣。煤氣和顯熱只能用來燃燒和 回收發電，而這些碳元素和熱量均來自寶貴的焦炭，受能源轉換效率的制約且能源品質大 大降低，使得焦炭資源被大大浪費了。
[0004] 為了擺脫對高成本焦炭資源的依賴，國際上相繼成功開發了 C〇reX、FineX等非高 爐熔融還原煉鐵工藝，并實現了工業化應用。這兩種工藝本質上講是將高爐拆分成了預還 原爐和熔融造氣爐兩個相對獨立的部分，不同的是Corex采用是豎爐實現塊狀鐵礦的預還 原，而Finex采用的是流化床實現粉狀鐵礦的預還原。二者均設置有熔融造氣爐，預還原的 鐵料在其中進行熔融還原和滲碳，而且均需要消耗一定量的塊狀焦炭在爐內維持一個焦炭 床以保證冶煉過程的順行。液態的生鐵和焦炭共存時滲碳反應很容易接近平衡，使得生鐵 里的碳量達到與高爐生鐵相近的數值。因此，Corex和Finex工藝同樣也無法避免通過鐵水 滲碳消耗部分焦炭且鐵水中過量的碳在煉鋼工序被再次消耗的事實。
[0005] 因此，目前已有的液態生鐵冶煉工藝，無論是高爐煉鐵還是非高爐煉鐵，均無法人 為控制鐵水的滲碳量，因此很少有研究人員從降低生鐵含碳量這個角度去思考如何實現煉 鐵工序的節碳減排，大多是從原燃料優化、工藝參數調整、煤氣循環等角度進行相關研究。
[0006] 根據生產經驗來說:入爐含鐵爐料品位提高1%，焦比下降1.0~1.5%;燒結礦堿 度降低〇 . 1 (當Ca0/Si02< 1.85時），焦比升高3~3.5% ;燒結礦的FeO升高1 %，高爐焦比升 高1.0~1.5%;燒結及球團轉鼓強度每提高1 %，高爐燃料比下降0.5%;礦石含S每增加 1%，燃料比上升5%;含鐵原料還原性降低10%，焦比升高8~9kg/t;渣量每增加100kg/t， 焦比升高3.0~3.5%。高爐熱風溫度提高100°C (在950°C~1300°C風溫范圍內），入爐焦比 下降8~20kg/t;高爐鼓風富氧1%，焦比下降0.5%;爐頂壓力提高10kPa，焦比下降0.3~ 0.5%〇
[0007] 發明名稱為"一種基于噴吹高溫煤氣的煉鐵工藝"的中國專利（申請號： CN201410360923.8)，公開了一種基于噴吹高溫煤氣的煉鐵工藝，該工藝采用富氧氣常溫鼓 風代替空氣熱風操作，利用煤氣化裝置產生的高溫煤氣混合脫除C0 2的爐頂循環煤氣分別 從爐身和爐缸鼓入高爐，該煉鐵工藝焦比可降低到180~260kg/tHM。
[0008] 轉底爐煤基直接還原工藝已有近40年的發展歷史，主體設備源于乳鋼用的環形加 熱爐，最初的目的是用于處理鋼鐵企業含鐵廢料，但很快就有美國、德國、日本等國將其轉 而開發應用于鐵礦石的直接還原，從而成為一種有發展前景的非高爐煉鐵工藝。轉底爐因 具有環形爐膛和可轉動的爐底而得名，其原料主要是鐵礦粉和煤粉制成的含碳球團，經配 料、混料、制球和干燥后加入轉底爐中，含碳球團在隨著爐底旋轉的過程中被加熱，鐵礦被 內配碳快速還原。若爐膛還原段溫度在1250~1300°C左右，產品為金屬化球團，若繼續提高 還原溫度至1350~1450Γ，球團還原后會發生渣鐵分離，產品為粒狀鐵珠，與高爐生鐵化學 性質相似，主要成分為Fe、C，雜質元素含量主要受原燃料條件和還原熔分工藝的影響，可以 用作電爐爐料、轉爐煉鋼的冷卻劑和鑄造用的優質潔凈鐵源。
[0009] 高爐煉鐵和其它以生鐵為產品的非高爐煉鐵工藝，鐵水和爐渣均充分熔融，同時 鐵水與焦炭良好接觸滲碳，導致滲碳量難以調控，而轉底爐煤基直接還原熔分制備珠鐵工 藝中，由于溫度低、時間短，鐵和渣尚處于半熔融狀態，反應的動力學條件不充分，從而為調 節生鐵成分提供了基礎。

【發明內容】

[0010] 針對上述問題，本發明提供一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，所述方法充分利 用轉底爐內含碳球團原位非穩態快速渣鐵分離的動力學優勢，通過調整鐵礦粉中Al 2〇3含量 和二元堿度來改變反應過程渣鐵分離和滲碳行為，從而找到一種可以調節生鐵中滲碳量的 方法，達到靈活調控生鐵成分、降低煉鐵工序耗碳量、提高煉鋼效率、降低二氧化碳排放的 目的。
[0011] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0012] 所述方法首先通過往鐵礦粉中配入Al2〇3調整鐵礦粉中Al2〇3含量，以及通過往鐵 礦粉中配入堿性氧化物或酸性氧化物調整鐵礦粉的二元堿度，獲得調整后鐵礦粉，往所述 整后鐵礦粉中配入碳質還原劑和粘結劑，形成混合料，將混合料制成含碳球團，將所述含碳 球團置于環形轉底爐內進行加熱還原，實現渣鐵分離，制備獲得碳含量為〇. 8 %~4.0 %的 粒狀生鐵;其中，二兀喊度是指CaO/Si〇2。
[0013] 進一步地，在調整后鐵礦粉中控制Al2〇3的含量在2~5%以及控制Si〇2的含量在10 ~20%，并且調整后鐵礦粉的二元堿度為0.6~1.2;并控制還原劑的配入量為調整后鐵礦 粉的15~25%、粘結劑的配入量為調整后鐵礦粉的1~3%，控制所述混合料中總水分的質 量含量在8~12%。
[0014] 進一步地，用于調整二元堿度的堿性氧化物為CaO或Ca⑶3;用于調整二元堿度的 酸性氧化物為Si〇2。
[0015] 進一步地，所述鐵礦粉為TFe在50-60%的高品位鐵礦粉，或者所述鐵礦粉為TFe在 25-40%的低品位鐵礦粉。
[0016] 進一步地，所述碳質還原劑為無煙煤、煙煤、褐煤、石油焦、半焦、焦粉中的任意一 種或兩種以上的混合。
[0017] 進一步地，控制所述鐵礦粉和所述還原劑的粒度均小于1mm。
[0018] 進一步地，在環形轉底爐內進行加熱還原的條件為:還原溫度1350~1450°C，還原 時間10~30分鐘。
[0019]進一步地，所述方法具體為：
[0020] (1)鐵礦粉成分調整及配料：根據鐵礦粉的成分，通過配入Al2〇3調整鐵礦粉中 Al2〇3含量，控制鐵礦粉中Al2〇3的含量在2~5%;以及往鐵礦粉中配入Ca0、CaC0 3和Si〇2中的 任意一種或兩種，調整鐵礦粉的二元堿度在0.6~1.2;再配入碳質還原劑以及粘結劑，形成 混合料;其中，還原劑的配入量為鐵礦粉的15~25%、粘結劑的配入量為鐵礦粉的1~3%， 混合料中總水分的質量含量控制在8~12 % ;
[0021 ] (2)還原熔分:將步驟（1)中的混合料經造球設備制成含碳球團，將所述含碳球團 烘干備用，在轉底爐的爐底耐火材料上鋪3~5mm厚的焦炭顆粒，然后將烘干后的含碳球團 單層布在轉底爐的爐底耐火材料上，所述含碳球團在轉底爐內經加熱還原，實現渣鐵分離， 制得粒狀生鐵。
[0022]在鐵礦含碳球團還原熔分過程中，當外部碳素過剩時，金屬鐵滲碳的多少是由渣 相性質來決定的。隨著含碳球團還原的進行，不同Al2〇3含量、堿度時所形成渣相的性質在渣 鐵熔分滲碳過程的作用機制是不同的。當Al 2〇3含量達到較高數值時，隨著還原的進行，渣中 FeO含量先快速增加，當渣中FeO含量較高時(>20 % )，渣相熔點很低，流動性良好，熔融渣相 就會包裹在金屬化球團外層金屬鐵殼的表面，隨著還原的進行，渣中FeO含量逐漸降低，渣 相的熔點則相應顯著升高，渣相進而固結在金屬鐵殼的表面，從物理層面阻礙金屬鐵與固 體碳之間的滲碳反應，使得生鐵的滲碳量大大降低。
[0023]本發明中通過控制Al2〇3的含量在2~5%以及控制調整后鐵礦粉的二元堿度為0.6 ~1.2,進而獲得不同性質的渣相，從而改變含碳球團還原熔分過程的渣鐵分離行為，最終 獲得不同碳含量的生鐵。
[0024]本發明的有益技術效果：
[0025] 本發明完全不用塊狀冶金焦炭，對鐵礦石品質要求不高，用于調整鐵礦粉，而向鐵 礦粉中配入的Al2〇3、石灰石(CaC0 3)、Ca0以及Si02廉價易得;通過調整鐵礦粉能夠在轉底爐 內短時間實現原位還原熔分，最終實現生鐵中碳含量的有效調控。
[0026] 本發明生產周期短，操作簡單，固定資產投資小，產品品質高，可以完成其它生鐵 冶煉工藝所不能實現的功能，有助于建設低碳環保型鋼鐵工業，具有較好的經濟和社會效 益。
【具體實施方式】
[0027] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0028] 相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和范圍上做的替代、修 改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細 節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的 描述也可以完全理解本發明。
[0029] 實施例1
[0030]通過向高品位鐵礦粉中配加 Si02、Al203來調整鐵礦粉的成分，獲得調整后鐵礦粉； 其中，控制高品位鐵礦粉的TFe (即全鐵含量)為55.0 % (重量百分比）、調整后鐵礦粉中Al2〇3 含量為4.0% (重量百分比）；將調整后鐵礦粉、無煙煤粉、粘結劑混勻，并調節混勻料水分至 8%;其中，無煙煤粉的重量為調整后鐵礦粉重量的20%，粘結劑重量為調整后鐵礦粉質量 的2 %，將混合好的混勻料經對輥壓球機制成含碳球團，壓力為15MPa，含碳球團尺寸為40 X 30 X 20mm枕狀橢球。將含碳球團經干燥后單層鋪在轉底爐的耐火材料上，事先在爐底耐火 材料上鋪3~5mm厚的焦炭顆粒。轉底爐內的還原溫度為1450°C，還原時間為15分鐘，實現渣 鐵分離，得到粒狀生鐵。該條件下獲得的生鐵中碳含量為0.87%。調整后鐵礦粉的成分、無 煙煤粉的成分分別如表1、表2所不。
[0031] 實施例2
[0032]通過向高品位鐵礦粉中配加 Si02、Al203來調整鐵礦粉的成分，獲得調整后鐵礦粉； 其中，控制高品位鐵礦粉的TFe (即全鐵含量)為55.0 % (重量百分比）、調整后鐵礦粉中Al2〇3 含量為4.0% (重量百分比）；將調整后鐵礦粉、CaC03粉(礦石堿度為0.8)、無煙煤粉、粘結劑 混勻，并調節混勻料水分至8%;其中，CaC0 3粉重量為調整后鐵礦粉重量的24.8%、無煙煤 粉的重量為調整后鐵礦粉重量的20%，粘結劑重量為調整后鐵礦粉的2%，將混合好的混勻 料經對輥壓球機制成含碳球團，壓力為15MPa，含碳球團尺寸為40 X 30 X 20mm枕狀橢球。將 含碳球團經干燥后單層鋪在轉底爐的耐火材料上，事先在爐底耐火材料上鋪3~5mm厚的焦 炭顆粒。轉底爐內的還原溫度為1450°C，還原時間為15分鐘，實現渣鐵分離，得到粒狀生鐵。 該條件下獲得的生鐵中碳含量為1.17%。調整后鐵礦粉的成分以及無煙煤粉的成分分別如 表1、表2所不。
[0033] 實施例3
[0034]通過向高品位鐵礦粉中配加 Si02、Al203來調整鐵礦粉的成分，獲得調整后鐵礦粉； 其中，控制高品位鐵礦粉的TFe (即全鐵含量)為55.0 % (重量百分比）、調整后鐵礦粉中Al2〇3 含量為4.0% (重量百分比）；將調整后鐵礦粉、CaC03粉(礦石堿度為1.2)、無煙煤粉、粘結劑 混勻，并調節混勻料水分至8% ;其中，CaC03粉重量為調整后鐵礦粉重量的37.3%、無煙煤 粉的重量為調整后鐵礦粉重量的20%，粘結劑重量為調整后鐵礦粉的2%，將混合好的混勻 料經對輥壓球機制成含碳球團，壓力為15MPa，含碳球團尺寸為40 X 30 X 20mm枕狀橢球。將 含碳球團經干燥后單層鋪在轉底爐的耐火材料上，事先在爐底耐火材料上鋪3~5mm厚的焦 炭顆粒。轉底爐內的還原溫度為1450°C，還原時間為15分鐘，實現渣鐵分離，得到粒狀生鐵。 該條件下獲得的生鐵中碳含量為2.05%。調整后鐵礦粉的成分以及無煙煤粉的成分分別如 表1、表2所不。
[0035] 實施例4
[0036]通過向高品位鐵礦粉中配加 Si02、Al203來調整鐵礦粉的成分，獲得調整后鐵礦粉； 其中，控制高品位鐵礦粉的TFe (即全鐵含量)為55.0 % (重量百分比）、調整后鐵礦粉中Al2〇3 含量為2.0% (重量百分比）；將調整后鐵礦粉、CaC03粉(礦石堿度為0.6)、無煙煤粉、粘結劑 混勻，并調節混勻料水分至8 % ;其中，CaC03粉重量為調整后鐵礦粉重量的16.5%、無煙煤 粉的重量為調整后鐵礦粉重量的20%，粘結劑重量為調整后鐵礦粉的2%，將混合好的混勻 料經對輥壓球機制成含碳球團，壓力為15MPa，含碳球團尺寸為40 X 30 X 20mm枕狀橢球。將 含碳球團經干燥后單層鋪在轉底爐的耐火材料上，事先在爐底耐火材料上鋪3~5mm厚的焦 炭顆粒。轉底爐內的還原溫度為1400°C，還原時間為15分鐘，實現渣鐵分離，得到粒狀生鐵。 該條件下獲得的生鐵中碳含量為3.76%。調整后鐵礦粉的成分以及無煙煤粉的成分分別如 表3、表2所不。
[0037]表1調整后鐵礦粉化學成分/ %
[0039]表2無煙煤粉主要成分/%
[0040]
[0041] 表3調整后鐵礦粉化學成分/%
[0042]
【主權項】
1. 一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，其特征在于，所述方法首先通過往鐵礦粉中配 入Al 2〇3調整鐵礦粉中Al2〇3含量，以及通過往鐵礦粉中配入堿性氧化物或酸性氧化物調整 鐵礦粉的二元堿度，獲得調整后鐵礦粉，往所述整后鐵礦粉中配入碳質還原劑和粘結劑，形 成混合料，將混合料制成含碳球團，將所述含碳球團置于環形轉底爐內進行加熱還原，實現 渣鐵分離，制備碳含量為0.8%~4.0%的粒狀生鐵。2. 根據權利要求1所述一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，其特征在于，在調整后鐵礦 粉中控制A12〇3的含量在2~5%以及控制S i 02的含量在10~20%，并且調整后鐵礦粉的二元堿 度為0.6~1.2;并控制還原劑的配入量為調整后鐵礦粉的15~25%、粘結劑的配入量為調整 后鐵礦粉的1 ~3%，控制所述混合料中總水分的質量含量在8~12%。3. 根據權利要求1所述一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，其特征在于，用于調整二元 堿度的堿性氧化物為CaO或CaC03;用于調整二元堿度的酸性氧化物為Si 02。4. 根據權利要求1所述一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，其特征在于，所述鐵礦粉為 TFe在50-60%的高品位鐵礦粉，或者所述鐵礦粉為TFe在25-40%的低品位鐵礦粉。5. 根據權利要求1所述一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，其特征在于，所述碳質還原 劑為無煙煤、煙煤、褐煤、石油焦、半焦、焦粉中的任意一種或兩種以上的混合。6. 根據權利要求1所述一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，其特征在于，控制所述鐵礦 粉和所述還原劑的粒度均小于1_。7. 根據權利要求1所述一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，其特征在于，在環形轉底爐 內進行加熱還原的條件為:還原溫度1350~1450°C，還原時間10~30分鐘。8. 根據權利要求1所述一種可調控生鐵滲碳量的冶煉工藝，其特征在于，所述方法具體 為： (1) 鐵礦粉成分調整及配料:根據鐵礦粉的成分，通過配入Al2〇3調整鐵礦粉中Al2〇3含 量，控制鐵礦粉中Al 2〇3的含量在2~5%;以及往鐵礦粉中配入Ca0、CaC03和Si〇2中的任意一 種或兩種，調整鐵礦粉的二元堿度在0.6~1.2;再配入碳質還原劑以及粘結劑，形成混合 料;其中，還原劑的配入量為鐵礦粉的15~2 5%、粘結劑的配入量為鐵礦粉的1 ~3%，混合料中 總水分的質量含量控制在8~12%; (2) 還原熔分:將步驟（1)中的混合料經造球設備制成含碳球團，將所述含碳球團烘干 備用，在轉底爐的爐底耐火材料上鋪3~5mm厚的焦炭顆粒，然后將烘干后的含碳球團單層 布在轉底爐的爐底耐火材料上，所述含碳球團在轉底爐內經加熱還原，實現渣鐵分離，制得 粒狀生鐵。
【文檔編號】C21B11/08GK105969925SQ201610556877
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月14日
【發明人】王廣, 王靜松, 薛慶國
【申請人】北京科技大學