一種冷固結鐵碳球團、其製作方法及作為豎爐、高爐煉鐵爐料的應用的製作方法

2023-06-02 10:37:26

專利名稱：一種冷固結鐵碳球團、其製作方法及作為豎爐、高爐煉鐵爐料的應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於鋼鐵冶煉技術領域，涉及高爐煉鐵技術和高爐原料製備技術。
背景技術：
現在全世界都在為減少C02的排放二努力，而鋼鐵工業正是消耗能源的大戶，而煉 鐵又是其中最大的大戶，降低煉鐵的能源消耗是我們主攻的方向。 鋼鐵工業的迅速發展已成了我國國民經濟持續、穩定發展的重要支撐條件，並促
進了相關產業的發展和技術進步。現在煉鐵生產主要依靠高爐來進行，傳統的高爐煉鐵法
已有一百多年的發展歷史，它在世界上的煉鐵行業中一直佔據絕對主導地位。伴隨著現代
化煉鐵技術的日趨完善，高爐煉鐵系統從原燃料準備到煉焦、燒結、再在高爐中煉成鐵，已
經變得極其複雜和龐大。但是，傳統的高爐煉鐵法不僅在理論上，而且在生產上還都存在著
嚴重的缺陷，阻礙了鋼鐵工業的發展。 從理論上來看它是一種低效率的煉鐵方法 高爐的還原機理主要依靠C0來還原鐵的氧化物(稱為間接還原)，是在氣固相之 間進行還原反應，為此高爐冶煉要求高爐必需要有良好的透氣性，因此高爐的原燃料必需 是塊狀的。但是從氣固相間還原反應來看，還原反應是在礦石的表面進行的，塊狀礦石內部 的還原反應，要靠還原劑C0滲透來進行，這種滲透要突破固態礦石的表層，阻力是很大的， 特別是對粒度較大的礦石、較緻密的礦石滲透阻力更大，甚至無法滲透。縮小粒度固然有利 於鐵礦石的還原，但它將使高爐的透氣性惡化，所以不可能再縮小礦石的粒度。礦石由於CO 滲透阻力的影響，大大延長了在爐內還原的時間。從高爐生產實踐來看，冶煉周期長達六七 個小時。儘管如此礦石在下降的過程中還是來不及完成還原反應，塊狀礦石的內部根本就 無法進行氣固相間的間接還原反應，有一部分礦石必然在熔融後進入爐缸，它將以液態與 焦炭進行直接還原來完成還原反應(即C+Fe0 = Fe+C0)，應特別注意，這裡的直接還原消耗 的是焦炭。因此高爐內鐵的還原反應時間長，從還原動力學的角度來看它是不合理的，從理 論上決定了高爐的生產效率是不高的，所以說現在的高爐煉鐵法實際上是一種低效率的煉 鐵方法。 2.從原燃料的加工過程來看它的缺陷 A.主要燃料焦炭價格昂貴，資源和能耗浪費嚴重。 為了維持高爐必要的的透氣性，高爐需要高強度的焦炭作為它的主燃料。而煉焦 工藝非常複雜，決定了它的生產成本很高，還由於大部分的煤都不能用來煉焦，只有幾種特 定的煤種才能煉焦，其中最重要的焦煤更是資源稀缺，促使焦炭價格昂貴，要達普通煤的三 到四倍以上。 焦炭還要經過篩分才能入爐，將有25%的焦炭成為篩下焦而不能入爐，形成資源 的浪費。煉焦是一次高溫加熱乾餾的過程(達100(TC以上)。而焦炭在入爐時卻又必須將 其冷卻到常溫，進入高爐後又再次被加溫到高溫狀態進行燃燒，這種重複的加熱過程造成了熱能的浪費。 B.燒結礦的加工過程浪費更為嚴重 燒結礦(包括球團礦)的生產工藝同樣非常複雜，在燒結礦的生產過程中，為了 讓燒結礦滿足高爐的粒度要求，中間要經過破碎和篩分的工序，這將產生大量的返礦，將有 30%以上成了廢品。雖然它仍將返回參加燒結配料，但又多了一次重複加工的過程，這大大 降低了燒結礦的生產效率。往返的運輸及重新燒制，既浪費了人力又增加了能耗，這使燒結 礦的成本無謂地上升。 燒結礦的生產同樣也是一個高溫燒結的過程(達到130(TC以上)，而在裝入高爐 以前同樣也需要冷卻到常溫。所以從礦石到煉成鐵也重複了一次加熱的過程，增加了能源 的消耗。 C.煉焦、燒結給環境帶來嚴重的汙染 眾所周知煉焦、燒結是鋼鐵廠兩個重大的汙染源。煉焦廠具有著名的黑色汙染和 毒氣汙染，工人們的健康正遭受著嚴重的威脅。在經濟發達的國家都將焦爐建到不發達國 家去，將汙染轉嫁到別人的身上。 燒結廠則以紅色汙染為特徵，儘管到處設置龐大的除塵系統，但燒結粉塵仍然大
量飛散，因此燒結廠的周圍呈現一片紅褐色，這些粉塵是矽肺病的主要根源。 總之煉焦、燒結對環境造成的危害已成了人們非常頭痛的心病。 所以說現在的高爐煉鐵法實際上並不是理想的煉鐵方法，它的生產效率不高，浪
費大量的能源，龐大的系統要花費巨額的投資，佔用大片的土地，還給環境帶來了嚴重的汙
染，這些都是發展鋼鐵工業的障礙，因此對高爐煉鐵進行革命性的變革迫在眉急。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一種能滿足高爐生產對冷熱強度要求的冷固
結鐵碳球團製備方法，並將其運用到高爐煉鐵中，實現了碳素兩次還原的煉鐵方法。 為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種冷固結鐵碳球團，其特徵在
於所述鐵碳球團由下述質量配比的組份製成鐵精礦粉60% 75%，煤粉10% 25%，熟
石灰粉15X 25X。本發明選擇消石灰Ca(HO)2作為冷固結鐵碳球團的粘接劑，它是CaO的
水合絡合物，具有良好的粘接性能，它資源豐富、價格便宜，在爐內經高溫分解成結晶CaO，
既能保持球團高溫強度，在熔融時又可作為造渣的熔劑；此外，消石灰Ca(H0)2不含對冶煉
有害的物質，具有良好的加工性能，並且價格低廉，確保冷固結鐵碳球團滿足作為煉鐵爐料
必須具備的冷強度和熱強度。 上述鐵碳球團的質量配比為鐵精礦粉70%、煤粉15%、熟石灰粉15%，其中所述
鐵精礦粉的各主要成份含量分別為Fe 52. 4%、 Si02 14. 3%、 CaO 2. 1% ;所述煤粉含固定
碳為83. 6%，其灰份14. 1%、揮發份2. 2% ;所述熟石灰粉含CaO 80. 4%、Si02 4. 5%。 上述冷固結鐵碳球團製作方法，包括如下步驟 (1)將上述質量配比的鐵精礦粉、煤粉、熟石灰粉配製成混合料； (2)把混合料一起送入球磨機研磨； (3)將研磨成粉狀的混合料送入圓盤造球機，隨造球機圓盤轉動的同時向混合料 中加適量水進行滾動制球，控制圓盤傾斜角度，使成型的鐵碳球團粒徑達到10mm 25mm時自動出球，經過自然乾燥便可入爐。 最好，步驟(2)中所述混合料各組份經研磨後的粒度均應為負200目的佔70%以 上。 滾製成型的鐵碳球團中水的含量為7% 12%。 冷固結鐵碳球團作為高爐煉鐵爐料的應用，冶煉時高爐內的冷固結鐵炭球團的極 限用量為礦批重量的50%，燒結礦和/或鐵礦石含量應^礦批重量的50%。鐵炭球團可以 像一般高爐煉鐵爐料一樣，從爐頂料口加入爐內，鐵炭球團的使用比例可以由少到多逐步 改變，根據高爐的適應情況逐步進行負荷的調整，第一次可以加入礦批重量的10 % ，待高爐 穩定後再逐步增加使用比例，以後每次增加5%，但鐵炭球團用量不大於礦批重量的50%。 這個變化過程將不影響高爐的正常生產，使用鐵炭球團後焦比將大幅度降低，冶煉速度將 明顯加快，這將大幅度提高高爐的產量和降低生產成本。 冶煉中所使用的豎爐包括高爐、化鐵爐、沖天爐及其他各種加熱形式的豎爐，為了 充分利用直接還原反應所產生的CO進行二次還原，將鐵碳球團輸入豎爐內的同時還將保 留部分燒結礦和鐵礦石，為使冶煉時效益最大化，爐內燒結礦和礦石應^ 50%，相應地鐵炭 球團在高爐內極限用量為50%，這時焦炭負荷仍將增加70%以上，如果原來的風量不變， 那冶煉速度將提高70%以上，成倍地提高了冶煉效率。 本發明提供的冷固結鐵碳球團的冷強度表現良好，球團壓潰強度為72kg/個，高 爐礦槽下的篩下率小於1%，幾乎沒有破損；實驗室熱強度檢測的結果，球團經IIO(TC還原 冷卻後的壓潰強度達到200kg/個以上，加熱過程中均無熱爆裂和還原粉化現象。冷固結鐵 碳球團滿足作為高爐煉鐵爐料必須具備的冷強度和熱強度，保證鐵碳球團在運輸、存儲、卸 倉、入爐的過程中不破碎，能經受風雨、嚴寒、酷熱等惡劣氣象條件的考驗，入爐後遇到高溫 不爆裂，在還原氣氛下不發生還原粉化。 下面通過圖表說明冷固結鐵碳球團作為高爐爐料兩次還原煉鐵的基本原理 鐵礦石的間接還原和直接還原反應式列表如下 鐵的氧化物進行間接還原(1 3)和直接還原(4 6)的反應式
序號反應式熱效應kj/mol明顯進行反應的溫度
13Fe203+C0 = 2Fe304+C02+37. 1141°C
2Fe304+CO = 3FeO+C02-20. 9240°C
3FeO+CO = Fe+C02+13. 6300°C
43Fe203+C = 2Fe304+C0-110.1390°C
5Fe304+C = 3Fe0+C0-186.7750 800°C
6FeO+C = Fe+CO-152. 2800 850°C
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鐵碳球團是由鐵精礦粉、煤粉、熟石灰粉均勻混合製成的球團礦，由於鐵的氧化物 和還原劑C均勻混合、緊密接觸，只要一達到還原的溫度，立即就能進行直接還原反應。從 還原動力學上來講，這是一種快速高效的還原方式。 從表中可見除了 Fe203+C的直接還原在390°C外，其他的直接還原均在800°C左右。 而所有的間接還原溫度都在30(TC以下。所以鐵碳球團中直接還原所產生的CO，在高爐內 上升的過程中還必將參加間接還原。這樣鐵碳球團中的C經一次直接還原後，還有一次間 接還原，也就是說一個C元素它將還原出兩個O原子，這比傳統高爐的間接還原的效率整整 提高了一倍，使煉鐵還原劑的消耗量減少一半，從而大大降低了焦比。除此之外鐵碳球團中 的煤粉又替代了原來使用的焦炭，以煤代焦又進一步減少了焦炭的使用量，可以產生極其 巨大的降低焦比的作用。 由於鐵碳球團中的C是在直接還原時就被消耗掉了，它不再參加風口前的燃燒， 又由於焦比大大降低，礦石負荷必將大大增加，在高爐冶煉的條件下，如果維持風量不變， 就意味著高爐的產量將大幅度提高。由於鐵炭球團的C經一次還原後，產生的CO的還將進 行二次還原，可用於礦石的還原，為了充分利用它的二次還原，冶煉時爐內還應使用50%的 燒結礦或礦石，因此鐵炭球團的極限用量為50% 。按現代大型高爐生產的技術指標來看，如 果原來的風量不變，那冶煉速度將成倍提高。高爐將成倍地提高效率，它將使煉鐵進入一個 全新的時代。 綜上所述，本發明提供了一種"碳素兩次還原煉鐵法"，在冶煉時，鐵碳球團中的C 經一次直接還原後，還有一次間接還原，也就是說一個C元素它將還原出兩個0原子，將大 大降低焦比和大幅度地提高高爐的產量。
具體實施例方式—、冷固結鐵碳球團各組份配比的實施例 本發明的鐵碳球團質量配比為鐵精礦粉70%、煤粉15%、熟石灰粉15%。在製備 過程中所使用的鐵精礦粉的各主要成份含量分別為Fe 52. 4%、 Si02 14. 3%、 CaO 2. 1% ; 所使用的煤粉所含固定碳為83.6%，其灰份14. 1%、揮發份2.2% ;配比中的熟石灰粉含 CaO 80.4%、51024. 5%;上述鐵精礦粉、煤粉及熟石灰粉的粒度均應粉碎至小於200目的佔 70%以上；生產要求鐵碳球團的鹼度為1.25。
二、製造上述鐵碳球團的方法 本發明採取完全冷加工的方式生產鐵碳球團，不消耗任何燃料，不產生任何廢物， 工藝流程簡單，生產成本低廉。生產步驟如下 (1)按上述冷固結鐵碳球團各組份配比配料配料原則是煤粉的含C量應滿足精 礦粉中鐵的直接還原的需要量，CaO的配量應滿足球團鹼度的需要。具體的配比根據原料 成分不同而不同。 (2)將上述原料按配比配好，進入球磨機制粉。混合粉的粒度要達到負200目的佔 70%以上。 (3)將上述混合粉料送入圓盤造球機，隨圓盤轉動加適量的水進行滾動制球，邊加 料邊噴淋水，視造球情況控制水量(大約在7% -12% )，控制圓盤傾斜角度，使球團粒度達 到10-25mm時自動出球，經過自然乾燥便可入爐。
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上述冷固結鐵碳球團的冷強度表現良好，球團壓潰強度為72kg/個，高爐礦槽下 的篩下率小於1%，幾乎沒有破損。實驗室熱強度檢測的結果，球團經110(TC還原冷卻後的 壓潰強度達到200kg/個以上，加熱過程中均無熱爆裂和還原粉化現象。
三、冷固結鐵碳球團作為豎爐、高爐直接還原煉鐵爐料 1.高爐使用鐵炭球團冶鍊冶煉時高爐內的冷固結鐵炭球團的極限用量為礦批 重量的50%，燒結礦和/或鐵礦石含量應^礦批重量的50% ;鐵炭球團可以像一般高爐爐 料一樣，從爐頂加入爐內。鐵炭球團的使用比例可以由少到多逐步改變，根據高爐的適應情 況逐步進行負荷的調整，第一次可以加入10%，待高爐穩定後再逐步增加使用比例，以後每 次增加5%，這個變化過程將不影響高爐的正常生產。使用鐵炭球團後焦比將大幅度降低， 冶煉速度將明顯加快，這將大幅度提高高爐的產量和降低生產成本。現有高爐使用的爐料 是燒結礦和礦石，使用鐵碳球團後，它們將成為二次還原的對象，為了充分利用直接還原產 生的CO，燒結礦和礦石至少要保留礦批重量的50%，也就是說鐵炭球團在高爐內最大用量 為礦批重量的50%。 2.鐵炭球團入爐後的行為鐵碳球團從爐頂輸入，隨冶煉過程爐料逐漸下降、升
溫。當溫度達到40(TC和80(TC時，其中C通過直接還原對Fe203、Fe304、Fe0分別進行還原，
由於間接還原的溫度在30(TC以下就能開始，所以直接還原產生的C0還可以對上部的鐵礦
石進行間接還原，實現二次還原，也就是說還原劑的利用效率將提高一倍。還原後的鐵炭球
團已經成為金屬化球團，再繼續下降遇到風口燃燒上來的高溫爐腹煤氣，被熔化成渣和鐵。 加入的焦炭逐步下降， 一直到風口前燃燒，變成高溫的爐腹煤氣，轉而上升，加熱
上面的爐料使其熔化，再向上提供各種還原所需要的熱量，並匯同直接還原產生的CO，還原
上部的燒結礦和礦石，最終變成高爐爐頂煤氣進入煤氣除塵系統。還有少部分焦炭進入爐
缸補充逐漸消耗了的爐心焦。 3.鐵碳球團高爐煉鐵工業性試驗 我們選擇了現有的35M3熱風沖天爐進行鐵炭球團高爐煉鐵的工業性試驗，從生產
的結果來驗證鐵炭球團所產生的效果。 不使用鐵炭球團時的試驗前基本生產參數 熱風沖天爐容積35M3、日產量32噸、焦比933kg 風溫900。C左右，焦炭批重180kg、燒結礦和礦石的批重370kg 燒結礦含Fe49 % ，鹼度1. 25 鐵碳球團煉鐵工業性試驗時的生產參數 風機風量基本維持不變，風溫仍保持90(TC左右 燒結礦含Fe 49X，鐵炭球團含Fe 38%，鐵炭球團內含煤量15%、鹼度1. 25鐵炭 球團用量佔礦批的25% 生產經過逐步調整達到穩定時，焦炭批重減到135kg、燒結、礦石及球團批重均為 370kg，焦批重量減少25 % ，負荷增加了 33. 3 % 生鐵日產量提高到45噸，實現焦比741kg、加上球團中煤量的綜合燃料比為 817. 22kg 從生產的結果可見，在鐵炭球團用量為25%的情況下，雖然風量相同，但由於風口 前燃燒焦炭量大幅度減少，焦炭負荷增加了 33. 3%，大大加快了冶煉的速度，產量實現了大
7幅度的提高，在這裡產量提高了40%。焦比降低了 192Kg，降幅大大超過鐵炭球團帶入的煤 量，甚至還超過CO二次還原帶來的效果。如果再加大鐵炭球團的用量，效益還會更高。
本發明提供的冷固結鐵炭球團高爐煉鐵的使用範圍，覆蓋所有的高爐、化鐵爐、衝 天爐及其他各種加熱形式的豎爐。 上述僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的設計構思並不局限於此，凡利用此 構思對本發明進行非實質性的改動，均應屬於侵犯本發明保護範圍的行為。
權利要求
一種冷固結鐵碳球團，其特徵在於所述鐵碳球團由下述質量配比的組份製成鐵精礦粉60％～75％，煤粉10％～25％，熟石灰粉15％～25％。
2. 根據權利要求1所述的鐵碳球團，其特徵在於所述鐵碳球團的質量配比為鐵精 礦粉70%、煤粉15%、熟石灰粉15X，其中所述鐵精礦粉的各主要成份含量分別為Fe 52.4%、 Si0214. 3%、 Ca0 2. 1% ;所述煤粉含固定碳為83. 6%，其灰份14. 1%、揮發份 2.2% ;所述熟石灰粉含CaO 80. 4%、Si02 4.5%。
3. —種權利要求1所述的冷固結鐵碳球團製作方法，包括如下步驟(1) 將上述質量配比的鐵精礦粉、無煙煤、熟石灰配製成混合料；(2) 把混合料一起送入球磨機研磨；(3) 將研磨成粉狀的混合料送入圓盤造球機，隨造球機圓盤轉動的同時向混合料中加 適量水進行滾動制球，控制圓盤傾斜角度，使成型的鐵碳球團粒徑達到10mm 25mm時自動 出球，經過自然乾燥便可入爐。
4. 根據權利要求3所述的鐵碳球團製作方法，其特徵在於步驟(2)中所述混合料各 組份經研磨後的粒度均應為負200目的佔70%以上。
5. 根據權利要求3所述的鐵碳球團製法，其特徵在於所述滾製成型的鐵碳球團中水 的含量為7% 12%。
6. 權利要求1所述的冷固結鐵碳球團作為豎爐、高爐直接還原煉鐵爐料的應用。
7. 根據權利要求6所述的冷固結鐵碳球團作為豎爐、高爐直接還原煉鐵爐料的應用， 其特徵在於冶煉時高爐內的冷固結鐵炭球團的極限用量佔礦批重量的50%，燒結礦和/ 或鐵礦石含量應^礦批重量的50%。
全文摘要
本發明公開一種冷固結鐵碳球團、其製造方法及作為各種豎爐、高爐煉鐵爐料的應用。該鐵碳球團由下述質量配比的組份製成鐵精礦粉60％～75％，煤粉10％～25％，熟石灰粉15％～25％。鐵碳球團製法，包括如下步驟(1)將上述質量配比的鐵精礦粉、無煙煤、熟石灰配製成混合料；把混合料一起送入球磨機研磨；將研磨後的混合料送入圓盤造球機加水、滾動制球，經過自然乾燥便可入爐。鐵炭球團中的煤粉替代了焦炭，從而降低了焦比，鐵炭球團中的C除了直接還原外，它產生的CO還參加了二次還原，即鐵碳球團中的一個C元素還原了兩個O原子，使還原效率整整提高了一倍，我們稱為「碳素兩次還原煉鐵」，它大大提高了煉鐵效率，大大減少了能源的消耗，減少了排碳及對環境的汙染。
文檔編號C22B1/14GK101768663SQ20101030096
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月1日 優先權日2010年2月1日
發明者吳清泉, 周治中 申請人:泉州市豪勝鑄造有限公司