本发明属于钢铁冶炼
技术领域：
，特别涉及应用外加电场进行铁矿石电化学熔融还原制铁技术。
背景技术：
：2013年我国粗钢产量已突破8亿吨，且年产量还以每年3-5％的速度在增长。其中绝大部分来自高炉—转炉流程。高炉炼铁工艺历经数百年的发展，工艺已日趋成熟。即使如此，高炉工艺也存在一些问题：工艺流程复杂、能耗高、环境污染严重与投资庞大等。其炼铁工艺可以简单由下式表示：2Fe2O3+3C＝4Fe(l)+3CO2(g)CO2是导致温室效应的主要气体，而以能源密集为显著特点的钢铁工业又是排放CO2的大户。每生产1吨钢将产生2吨CO2，而据统计2006年钢铁工业CO2排放量达到惊人的21亿吨。钢铁工业排放的CO2占排放总量的10％-15％。因钢铁企业CO2排放量大幅减少，使其在将来实施碳税征收时可以减少碳税的支付或取得CO2排放交易权(即在《京都议定书》框架下，一个公司如果CO2排放量少于预期，就可出售剩余额度，并得到回报，而那些排放量超出限额的公司，则须购买额外排放许可以避免政府罚款和制裁，使总体上CO2排放量不变)。对环保要求越来越严的形式下，世界炼铁(炼钢)路在何方？另外高炉工艺对冶金焦有很强的依赖性，然而从已探明的世界煤炭储量来看，焦煤仅占总储煤量的5％，而且分布很不均匀，因此高炉炼铁的发展面临着焦煤缺乏的困难。为了摆脱钢铁生产对焦煤的依赖；探寻减少资源、能源消耗，降低污染排放。紧凑的、经济生产规模小的新的钢铁生产流程，实现钢铁生产的“紧凑化”；为了减少CO2排放，适应日益提高的环境保护要求；为了应对世界性的焦煤、铁矿石价格的不断上涨，寻求非焦煤能源及当前传统钢铁生产不能利用铁矿资源用于钢铁生产的途径；为了改善钢铁产品结构，提高钢铁产品质量，减少钢铁产品的 实物消耗量，非高炉炼铁即非焦炼铁成为近几十年来钢铁工业发展的热门话题，被人们视为钢铁工业发展的前沿技术和重要方向之一。当今冶金界较为关注的非高炉炼铁工艺中COREX、FINEX和HISMELT流程都可以不使用焦煤，从而避免了炼焦工艺引发的环境污染。COREX采用竖炉-熔融气化炉冶炼流程，FINEX采用流化床—熔融气化炉冶炼流程，而HISMELT采用铁浴还原，因而就决定了这些流程的特色和适应范围：COREX必须使用块矿，HISMELT和FINEX则可用粉矿；成熟的竖炉气基还原工艺是COREX流程工业化的重要保障，粉体流化床由于粘结等问题尚未完全解决、铁浴炉二次燃烧和炉衬侵蚀之间的固有矛盾注定了FINEX和HISMELT实现的难度远高于COREX流程。COREX和FINEX流程产生大量高热值的还原性尾气，尾气利用的途径将决定工艺的经济性，而HISMELT高温低热值尾气却成为工艺的“鸡肋”。各种气基还原工艺都能在较低温度下生产海绵铁或热压块，竖炉流程(MIDREX，HYL-III)比流化床流程(FINMET)成熟，因此竖炉流程依然主宰着气基还原工艺，气基还原流程目前都要使用天然气资源，很难在我国得到发展。转底炉流程可使用低强度的含碳球团，给煤基直接还原流程注入新的活力，但其能耗高、生产效率低、产品质量差将会制约它的发展。目前，世界各国都在进行试验研究，把非高炉炼铁工艺作为钢铁工业技术革命的措施，努力寻求新的突破。为了跟上国际钢铁工艺技术革命的步伐，我国亦有必要加强这方面的研究开发工作。技术实现要素：本发明的目的在于提出了一种全新的绿色炼铁技术——应用电场进行铁矿直接还原炼铁方法及装置。即以铁矿粉为原料，配加适量造渣剂，将此二者熔融后作为电解质，通过置于电解质中的惰性阳极与置于铁碳熔液中的阴极间施加一直流电场，进行电化学反应，将铁氧化物中的铁还原，而铁氧化物中的氧则通过和惰性阳极发生阳极反应以氧气的形式排出进入大气，是一种全新的绿色炼铁技术。实现绿色制造，CO2零排放，达到节能环保的目的，社会效益巨大。熔渣离子理论表明，熔融氧化物是一种具有离子导电性的电解质，它含有阴离子或阴离子团(如氧离子以及缔结有氧离子的阴离子团)，和金属阳离子等。熔融氧化物的理论分解电压值，可以通过相应原电池的电势测得，也可以通过热 力学数据计算求得。其原理是：化合物分解所需的电能在数值上等于它在恒压下的生成自由能，但符号相反，即：△GTθ＝-nFETθ式中，ETθ—标准状态下的理论分解电压，V；F—法拉第常数，96487C/mol；n—反应式中得失电子数；△GTθ—恒压下的反应标准自由能改变值，J/mol。经计算熔渣各组成分解电压如表1所示。表1各种熔融氧化物分解电压(V)由电化学原理可知，熔融化合物在一定电化学反应的条件下(外加直流电场、电极)可以发生电解还原反应，据此，可以选择适于熔融铁氧化物分解的电场力，令其发生电解还原反应，见反应式1。Fe2++2e＝Fe(L)(1)如果阳极选择为惰性材料，则阳极不参与电解反应，得到O2，而在阴极界面产生Fe，电解还原过程的反应式为：2FeO(L)＝2Fe(L)+O2(g)(2)具体可以分解为以下反应：2Fe2++4e＝2Fe(L)(阴极反应)2O2-＝O2(g)+4e(阳极反应)本发明就是利用此原理，通过置于顶渣中的阳极和置于铁液中的阴极间施加一稳定的直流电场来使熔融铁氧化物发生电解还原反应，产生铁和氧气。本发明的目的在于克服现有技术所存在的缺陷，提供一种应用电场进行铁矿还原炼铁方法及装置。本发明一种应用电场进行铁矿还原炼铁方法，其特征在于，以铁矿粉为原料，配加适量造渣剂，将此二者熔融后作为电解质，通过置于电解质中的惰性阳极与置于铁碳金属熔液中的阴极间施加一直流电场，进行电化学反应，将电解质中铁氧化物中的铁还原并进入铁碳金属熔液，而铁氧化物中的氧则通过和惰性阳极发 生阳极反应以氧气的形式排出进入大气，是一种全新的绿色炼铁技术。其技术方案包括以下步骤：(1)原料：铁矿粉与造渣剂均匀混合后将其作为电解质原料，铁矿粉与造渣剂用量质量比例控制在0.3～1；铁碳金属与电解质原料用量质量比例控制在1～40。(2)原料熔融：将铁碳金属加入加热炉的坩埚内，升温将铁碳金属完全熔化为铁碳金属溶液，然后保持温度；然后再向加热炉的坩埚内加入电解质原料，使电解质原料完全熔化，成为熔融电解质；所述的铁碳金属熔点为1400～1550℃，所述由铁矿粉与造渣剂混合而成的电解质原料熔点为1280～1350℃，此二者熔点差可以确保在保持铁碳金属熔化的同时使后加入的电解质原料也可以熔化。(3)外加电场还原炼铁：根据熔融电解质的厚度控制阳极升降，保证阳极和熔融电解质接触而不和铁碳金属熔液接触；然后由外加直流电源通过阳极和置于铁碳溶液中的阴极，施加一直流电场；施加电场过程中还要向熔融电解质表面上方通入保护气体用来降低熔融电解质与阳极接触区域的氧分压，优化反应动力学条件；所述的外加直流电源的输出电压U为0.6～50V，输出电流I为50～4000A，且电解质与阳极反应界面产生0.1～5A/cm2的电流密度；保护气体为惰性气体。本发明一种应用电场进行铁矿还原炼铁装置。包括有：阳极升降架、保护气体气缝或保护气体气孔、阳极、加热炉、铁碳金属熔液、阴极、直流电源、供气装置。其特征在于：在加热炉内有铁碳金属熔液以及熔融电解质；铁碳金属熔液置于加热炉下层，而熔融电解质置于上层；在熔融电解质上方居中位置设置有阳极升降架，升降架上安装有若干平行垂直布置的阳极，阳极的下端部分插入加热炉内上部的熔融电解质中，在其上部引出阳极导线，通过导线与直流电源的正极相连；在加热炉底部安装有阴极，阴极通过导线与直流电源的负极相连；环绕阳极上方耐火材料外围设置有一保护气体气缝或是若干个气孔，保护气体气缝或保护气体气孔进气孔由金属管引出和供气系统连接；直流电源与供气装置放置在加热炉两侧。本发明所述的铁矿粉为常规铁矿粉。本发明所述的造渣剂为富含CaO、Al2O3的混合物或化合物，CaO+Al2O3>85％(质量百分比)，且其质量百分比比值CaO：Al2O3＝1～2.5，造渣剂中MgO质量百分比<10％，其余为SiO2、P2O5、P、S等杂质；本发明所述的铁碳金属为常规生铁或低合金钢，所述的加热炉为内部有坩埚容器，外部有加热设备的电阻炉、感应炉或其他常规加热炉。本发明所述一种应用电场进行铁矿还原炼铁的装置，其特征在于：所述的阳极为耐高温金属陶瓷，形状为圆柱体或平板；所述的阴极为高纯石墨、耐高温金属陶瓷、耐高温金属，其形状为圆柱或平板。本发明有以下特点和有益效果：应用本发明进行铁矿电解还原提铁，在高温熔融状态下进行铁氧化物的还原，通过置于电解质中的惰性阳极与置于铁碳熔液中的阴极间施加一直流电场，进行电化学反应，将铁氧化物中的铁还原，而铁氧化物中的氧则通过和惰性阳极发生阳极反应以氧气的形式排出进入大气。与其他熔融还原炼铁技术及装备相比，本发明装置构成简单，操作方便，是一种全新的绿色炼铁技术，可以实现CO2零排放，达到低碳环保的目的，社会效益巨大。附图说明图1：应用电场进行铁矿还原炼铁装置示意图。其中：1：阳极升降架；2：供气装置；3：保护气体气缝或是若干个气孔；4：熔融电解质；5：加热炉；6铁碳金属熔液；7：阳极；8：直流电源；9：阴极。具体实施方式现将本发明的具体实施方式详细叙述如下：实施例1：参见图1，本发明应用电场进行铁矿还原炼铁装置包括有：阳极升降架1，供气装置2，2个保护气体气孔3，熔融电解质4，加热炉5，铁碳金属熔液6，阳极7，直流电源8和阴极9。其特征在于：在加热炉5内有铁碳金属熔液6以及熔融电解质4；铁碳金属熔液6置于加热炉5下层，而熔融电解质4置于上层；在熔融电解质4上方居中位置设置有阳极升降架1，升降架上安装有若干平行垂直布置的阳极7，阳极7的下端部分插入加热炉5内上部的熔融电解质4中，在其上部引出阳极导线，通过导线与直流电源8的正极相连；在加热炉5底部安装有阴极9，阴极9通过导线与直流电源8的负极相连；环绕阳极7上方耐火材料 外围设置有2个保护气体气孔3，保护气体气孔3进气孔由金属管引出和供气装置2连接；直流电源8与供气装置2放置在加热炉5两侧。所述的铁碳金属为常规生铁，所述的加热炉为500kg中频感应炉，坩埚尺寸为Φ350mm×500mm；所述的阳极为耐高温金属陶瓷，形状为圆柱体，直径为Φ150mm；所述的阴极为高纯石墨，其形状为圆柱，尺寸为Φ260mm×100mm；保护气体气孔吹入的保护气体为氩气。所述的铁矿粉为卡拉拉铁矿粉，其主要组成及含量如表1所示；所述的造渣剂为小粒白灰和铝矾土，小粒白灰与铝矾土用量比为1:1，其各自主要组成及含量如表2、表3所示，混合后CaO+Al2O3达到88.5％(质量百分比比值)，且其质量百分比比值CaO：Al2O3＝1.07、造渣剂中MgO质量百分比为4.64％，其余为SiO2、P2O5、P、S等杂质；所述的铁矿粉与造渣剂用量比例为0.5；所述的铁碳金属与电解质原料用量比为1。所述的外加直流电源的输出电压U为0.8V，输出电流I为60A，且可以在电解质与阳极反应界面产生0.34A/cm2的电流密度。在感应熔融加热、外加电场、顶吹氩气的共同作用下，熔融电解质铁氧化物中的铁还原，而氧化物种的氧则通过和金属陶瓷电极发生反应以氧气排出，直至熔融电解质中铁氧化物含量降至极低水平。实施例2：参见图1，本发明应用电场进行铁矿还原炼铁装置如前实施方式1所述，此处不再累述。所述的铁矿粉为纽曼铁矿粉，其主要组成及含量如表1所示；所述的造渣剂为小粒白灰和铝矾土，小粒白灰与铝矾土用量比为3:2，其各自主要组成及含量如表2、表3所示，混合后CaO+Al2O3达到89％(质量百分比比值)，且其质量百分比比值CaO：Al2O3＝1.6、造渣剂中MgO质量百分比为4.28％，其余为SiO2、P2O5、P、S等杂质；所述的铁矿粉与造渣剂用量比例为0.7；所述的铁碳金属与电解质原料用量比为2。所述的外加直流电源的输出电压U为5V，输出电流I为400A，且可以在电解质与阳极反应界面产生2.26A/cm2的电流密度。在感应熔融加热、外加电场、顶吹氩气的共同作用下，熔融电解质铁氧化物中的铁还原，而氧化物种的氧则通过和金属陶瓷电极发生反应以氧气排出，直至熔融电解质中铁氧化物含量降至极低水平。实施例3：参见图1，本发明应用电场进行铁矿还原炼铁装置如前实施方式1所述，不同之处在于所述的阳极为耐高温金属陶瓷，形状为圆柱体，直径为Φ240mm；所述的铁矿粉为磁选铁矿粉，其主要组成及含量如表1所示；所述的造渣剂为小粒白灰和铝矾土，小粒白灰与铝矾土用量比为2:1，其各自主要组成及含量如表2、表3所示，混合后CaO+Al2O3达到90％(质量百分比比值)，且其质量百分比比值CaO：Al2O3＝2.1、造渣剂中MgO质量百分比为4.03％，其余为SiO2、P2O5、P、S等杂质；所述的铁矿粉与造渣剂用量比例为0.8；所述的铁碳金属与电解质原料用量比为10。所述的外加直流电源的输出电压U为20V，输出电流I为1600A，且可以在电解质与阳极反应界面产生3.5A/cm2的电流密度。在感应熔融加热、外加电场、顶吹氩气的共同作用下，熔融电解质铁氧化物中的铁还原，而氧化物种的氧则通过和金属陶瓷电极发生反应以氧气排出，直至熔融电解质中铁氧化物含量降至极低水平。实施例4：参见图1，本发明应用电场进行铁矿还原炼铁装置如前实施方式1所述，不同之处在于所述的阳极为耐高温金属陶瓷，形状为圆柱体，直径为Φ320mm；所述的铁矿粉为“杨迪”铁矿粉，其主要组成及含量如表1所示；所述的造渣剂为小粒白灰和铝矾土，小粒白灰与铝矾土用量比为2:1，其各自主要组成及含量如表2、表3所示，混合后CaO+Al2O3达到90％(质量百分比比值)，且其质量百分比比值CaO：Al2O3＝2.1、造渣剂中MgO质量百分比为4.03％，其余为SiO2、P2O5、P、S等杂质；所述的铁矿粉与造渣剂用量比例为1；所述的铁碳金属与电解质原料用量比为20。所述的外加直流电源的输出电压U为50V，输出电流I为4000A，且可以在电解质与阳极反应界面产生4.9A/cm2的电流密度。在感应熔融加热、外加电场、顶吹氩气的共同作用下，熔融电解质铁氧化物中的铁还原，而氧化物种的氧则通过和金属陶瓷电极发生反应以氧气排出，直至熔融电解质中铁氧化物含量降至极低水平。实施例5：参见图1，本发明应用电场进行铁矿还原炼铁装置如前实施方式1所述，此处不再累述。所述的铁矿粉为纽曼铁矿粉，其主要组成及含量如表1所示；所述的造渣剂为铝酸钙(富含CaO、Al2O3的化合物)，其各主要组成及含量如表4所示，此化合物中CaO+Al2O3达到88.5％(质量百分比)，且其质量百分比比值CaO：Al2O3＝1.1、造渣剂中MgO质量百分比为8.36％，其余为SiO2、P2O5、P、S等杂质；所述的铁矿粉与造渣剂用量比例为0.3；所述的铁碳金属与电解质原料用量比为30。所述的外加直流电源的输出电压U为5V，输出电流I为400A，且可以在电解质与阳极反应界面产生2.26A/cm2的电流密度。在感应熔融加热、外加电场、顶吹氩气的共同作用下，熔融电解质铁氧化物中的铁还原，而氧化物种的氧则通过和金属陶瓷电极发生反应以氧气排出，直至熔融电解质中铁氧化物含量降至极低水平。实施例6：参见图1，本发明应用电场进行铁矿还原炼铁装置如前实施方式1所述，此处不再累述。所述的铁矿粉为卡拉拉铁矿粉，其主要组成及含量如表1所示；所述的造渣剂为小粒白灰和铝酸钙，小粒白灰与铝酸钙用量比为1:2，其各自主要组成及含量如表2、表4所示，混合后CaO+Al2O3达到89.5％(质量百分比比值)，且其质量百分比比值CaO：Al2O3＝2.2、造渣剂中MgO质量百分比为6.5％，其余为SiO2、P2O5、P、S等杂质；所述的铁矿粉与造渣剂用量比例为0.6；所述的铁碳金属与电解质原料用量比为40。所述的外加直流电源的输出电压U为1V，输出电流I为200A，且可以在电解质与阳极反应界面产生1.1A/cm2的电流密度。在感应熔融加热、外加电场、顶吹氩气的共同作用下，熔融电解质铁氧化物中的铁还原，而氧化物种的氧则通过和金属陶瓷电极发生反应以氧气排出，直至熔融电解质中铁氧化物含量降至极低水平。表1实施例所用铁矿粉主要成分wt,％表2小粒白灰主要化学成分％表3铝矾土具体化学成分％表4铝酸钙主要化学成分％CaOAl2O3MgOSiO2PS杂质46.2842.248.362.530.040.030.52当前第1页1 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