本实用新型属于能源和冶金领域，具体而言，本实用新型涉及制备金属化球团的系统。
背景技术：
转底炉具有还原温度高、加热时间短、炉料与炉底相对静止等特点，能较好地满足直接还原要求。目前转底炉一般用于处理各种复合矿、低品位复杂难选矿和冶金含铁固体废弃物等。转底炉内含碳球团升温、反应所需热量主要依靠炉壁、炉气的辐射传热，转底炉烟气与炉料之间几乎没有对流传热，因此要求炉内球团薄层均匀布料，料层厚度一般为薄料层(铺料厚度～50mm)操作，致使转底炉生产力低下，从而间接地导致转底炉内热量利用率低。
而对于一些劣质含铁资源如赤泥、低品位的红土镍矿等脉石成分含量较高，含碳球团有铁含量低，球团传热能力更差，在生产上会进一步降低料层厚度，以提高产品指标，但是也降低了转底炉的生产效率。如果一味追求转底炉的生产效率，加大布料厚度后，一般通过提高转底炉的炉膛温度以增大辐射传热效果，但是炉膛温度过高，极易导致表层球团过还原或熔化，热量传递不到料层下部，生产指标不稳定。
因此，转底炉处理低品位劣质含铁资源的处理工艺还有待进一步改进。
技术实现要素：
本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出制备金属化球团的系统。利用该系统可以有效增大布料厚度，由原来的1～3层增至到3～6层，并且可以有效防止表面球团熔化，提高了多层球团的金属化率。
根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种制备金属化球团的系统，包括：
第一混合装置，所述第一混合装置具有含铁原料入口、还原煤入口、添加剂入口和第一混合物料出口；
第一造球装置，所述第一造球装置具有第一混合物料入口和母球出口，所述第一混合物料入口与所述第一混合物料出口相连；
第二混合装置，所述第二混合装置具有铁矿粉入口、粘结剂入口和第二混合物料出口；
第二造球装置，所述第二造球装置具有母球入口、第二混合物料入口和复合含碳球团出口，所述母球入口与所述母球出口相连，所述第二造球装置适于使铁矿粉对母球进行包裹，得到以母球为核心的复合含碳球团；以及
转底炉，所述转底炉具有进料区、第一还原区、第二还原区和出料区，所述进料区具有复合含碳球团入口，所述出料区具有金属化球团出口，所述复合含碳球团入口与所述复合含碳球团出口相连，所述第一还原区适于使复合含碳球团的铁矿粉层发生还原反应，所述第二还原区适于使复合含碳球团的母球发生还原反应。
由此，本实用新型上述实施例的制备金属化球团的系统，首先利用第一造球装置将含铁原料与还原煤制成母球，再以母球为核心，在第二造球装置内在母球的外层包裹铁矿粉层，进而得到复合含碳球团，其次将该复合含碳球团在转底炉内的第一还原区和第二还原区内进行直接还原处理，以便得到金属化球团。由此通过两次造球，在含铁原料母球的表面包裹铁矿粉层，得到复合含碳球团。在第一还原区内，复合含碳球团表层的铁矿粉层被快速还原形成的金属铁粉层，进而可快速的向下层球团进行热传导，将炉膛热量传递到球团内部以及下层球团，进而可以显著提高物料温度、解决含碳球团内部传热差、下层球团物料金属化率低的技术难题；在第二还原区内，进一步地球团内部的含铁原料以及下层的复合含碳球团进行还原处理，从而得到金属化率高、球团还原率均匀的优质金属化球团。另外，复合含碳球团表层的首先被还原得到的金属铁粉层具有良好的传热效果以及防止球团表面软熔粘连的作用，因此可以将转底炉直接还原的布料厚度增至3～6层，进而可以显著提高转底炉的处理效率。
在本实用新型中，所述含铁原料入口为红土镍矿入口或者赤泥入口。
附图说明
图1是根据本实用新型一个实施例的制备金属化球团的系统的结构示意图。
图2是利用本实用新型一个实施的制备金属化球团的系统制备金属化球团方法的流程示意图。
图3是利用本实用新型另一个实施的制备金属化球团的系统制备金属化球团方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出了制备金属化球团的系统。根据本实用新型的具体实施例，下面参考图1详细描述制备金属化球团的系统。
根据本实用新型的具体实施例，该系统包括：第一混合装置10，第一造球装置20，第二混合装置30，第二造球装置40，转底炉50。
其中，第一混合装置10具有含铁原料入口11、还原煤入口12、添加剂入口13和第一混合物料出口14；第一造球装置20具有第一混合物料入口21和母球出口22，所述第一混合物料入口21与所述第一混合物料出口13相连；第二混合装置30具有铁矿粉入口31、粘结剂入口32和第二混合物料出口33；第二造球装置40具有母球入口41、第二混合物料入口42和复合含碳球团出口43，母球入口41与母球出口22相连；以及转底炉50具有进料区51、第一还原区52、第二还原区53和出料区54，进料区51具有复合含碳球团入口55，所述出料区54具有金属化球团出口56，所述复合含碳球团入口55与所述复合含碳球团出口43相连。
由此，本实用新型上述实施例的制备金属化球团的系统，首先利用第一造球装置将含铁原料与还原煤制成母球，再以母球为核心，在第二造球装置内在母球的外层包裹铁矿粉层，进而得到复合含碳球团，其次将该复合含碳球团在转底炉内的第一还原区和第二还原区内进行直接还原处理，以便得到金属化球团。由此通过两次造球，在含铁原料母球的表面包裹铁矿粉层，得到复合含碳球团。在第一还原区内，复合含碳球团表层的铁矿粉层被快速还原形成的金属铁粉层，进而可快速的向下层球团进行热传导，将炉膛热量传递到球团内部以及下层球团，进而可以显著提高物料温度、解决含碳球团内部传热差、下层球团物料金属化率低的技术难题；在第二还原区内，进一步地球团内部的含铁原料以及下层的复合含碳球团进行还原处理，从而得到金属化率高、球团还原率均匀的优质金属化球团。另外，复合含碳球团表层的首先被还原得到的金属铁粉层具有良好的传热效果以及防止球团表面软熔粘连的作用，因此可以将转底炉直接还原的布料厚度增至3～6层，进而可以显著提高转底炉的处理效率。
下面参考图3详细描述本实用新型具体实施的制备金属化球团的系统。
第一混合装置10
根据本实用新型的具体实施例，第一混合装置10具有含铁原料入口11、还原煤入口12和第一混合物料出口13。由此将含铁原料与还原煤在第一混合装置10内进行第一混合，以便得到第一混合物料。
根据本实用新型的具体实施例，含铁原料可以为铁含量为10～40质量％的低品位劣质含铁资源。根据本实用新型的具体示例，含铁原料入口可以为红土镍矿入口或者赤泥入口。采用本实用新型实施例的制备金属球团的系统正是针对上述低品位劣质含铁资源存在的球团传热差，球团表面易软熔粘连导致的金属化率低的技术问题，提出的有效的解决办法。
第一造球装置20
根据本实用新型的具体实施例，第一造球装置20具有第一混合物料入口21和母球出口22，所述第一混合物料入口21与所述第一混合物料出口13相连。由此将所述第一混合物料在第一造球装置20内进行第一造球处理，以便得到母球。
由此将含铁原料制备成母球，位于最终的复合含碳球团的中心，在含铁原料母球的外层通过包裹铁矿粉层，进而可以有效防止在较高还原温度下低品位劣质含铁资源母球的球团表面软熔导致通气性差，还原效果差等，并且通过包裹铁矿粉层还可以进一步提高球团内和球团之间的传热效果，提高还原效率。
根据本实用新型的具体实施例，母球中的碳氧比为1.0～1.5，发明人发现，若母球中的碳氧比过低不利于铁、铅、锌氧化物的还原，也不利于保持球团周围的还原性气氛；若碳氧比过高，还原剂成本增加，且容易造成球团粉化。因此，在该碳氧比条件下，可保证还原效果，有利于保持多层球团还原均匀性。
根据本实用新型的具体实施例，母球的粒径为10～14mm。
第二混合装置30
根据本实用新型的具体实施例，第二混合装置30具有铁矿粉入口31、粘结剂入口32和第二混合物料出口33。由此将铁矿粉与粘结剂在第二混合装置30内进行第二混合，以便得到第二混合物料。
根据本实用新型的具体实施例，铁矿粉与粘结剂的质量比为100：4～6。按照铁矿粉与粘结剂的质量比为100：4～6添加粘结剂，可以有效保证球团外壳的强度。
根据本实用新型的具体实施例，铁矿粉为粒度小于0.043mm的超细铁矿粉，氧化铁含量达到90％以上。发明人发现，铁矿粉粒度过大，不利于快速还原，也不易于包裹在母球的表层。另外，发明人还发现，选择粒度小于0.043mm的超细铁矿粉，有助于炉膛中CO气体将其进行快速还原成金属铁，发挥传热作用。
第二造球装置40
根据本实用新型的具体实施例，第二造球装置40具有母球入口41、第二混合物料入口42和复合含碳球团出口43，母球入口41与母球出口22相连。由此将所述母球与所述第二混合物料在第二造球装置40内进行第二造球处理，以便使所述铁矿粉对所述母球进行包裹，得到以所述母球为核心的复合含碳球团。
在本实用新型的一些实施例中，母球的粒径为10～14mm，复合含碳球团的粒径为11～16mm。根据本实用新型的具体示例，铁矿粉包裹所述母球的厚度为1～2mm。发明人发现，铁矿粉包裹层厚度为1～2mm，厚度过小，起不到有效传热、提高下层球团温度的作用，厚度过大，增加成本，且铁矿粉不易快速还原。
本实用新型通过二次造球，蓄热效果好，在强还原性气氛下在含铁原料母球的外表面包裹铁矿粉层，铁矿粉层可以被快速还原成金属层，具有良好的传热效果，进而可以将炉膛热量传递到球团内部、以及下层球团，进而有效提高物料温度，从而得到金属化率高、球团还原率均匀的优质金属化球团。另外，通过在含铁原料母球的外表面包裹铁矿粉层，还可以有效防止球团表面熔化粘连，进而提高球团透气性，提高复合含碳球团内部金属化率。
转底炉50
根据本实用新型的具体实施例，转底炉50具有进料区51、第一还原区52、第二还原区53和出料区54，进料区51具有复合含碳球团入口55，所述出料区54具有金属化球团出口56，所述复合含碳球团入口55与所述复合含碳球团出口43相连。由此将所述复合含碳球团送至转底炉50内进行多层布料，并在所述转底炉内的第一还原区52和第二还原区53内进行直接还原处理，以便得到金属化球团。
根据本实用新型的具体实施例，多层布料的层数为3～6层，高度为30～90mm。而传统方法制备得到的球团，布料层数最大只能达到3层，高度最高只能达到45mm。因此，通过采用上述实施例的系统制备复合含碳球团，复合含碳球团之间热传导效果得到显著提升，由此可以将布料厚度增大至6层，高度增至为90mm。由此，显著提高转底炉的处理效率。
根据本实用新型的具体实施例，转底炉中炉膛直接还原温度为1100～1350℃，其中加料区是指球团初进入炉底的区域，第一还原区主要是复合含碳球团的表层铁矿粉层的快速还原区，该区内一氧化碳浓度控制在大于40000ppm，保证强的还原性气氛，一氧化碳气体对球团表层裹入的铁矿粉中的铁氧化物进行还原，生成金属铁，金属铁起到促进快速传热的作用；第二还原区为母球还原区，内配还原煤对低铁物料进行还原，第二还原区内也要保持还原性气氛，在此不做特殊说明。由此，通过二次造球在含铁原料母球的表层包裹易还原且铁氧化物含量较高的铁矿粉，并在转底炉内设置两个还原区，在第一还原区内使得包裹的铁矿粉层快速还原，发挥传热作用，进而可以使得母球和位于下层的球团得到有效还原，从而得到金属化率高、球团还原率均匀的优质金属化球团。经测定，炉膛温度与物料层温度差在20℃以内。表层球团与底层球团的温度差在10℃以内。
根据本实用新型的具体实施例，所述直接还原处理的时间为30～50min，其中，在所述第一还原区内进行的时间为10～15min，在所述第二还原区内进行的时间为15～35min。还原时间得到明显缩短。
根据本实用新型的具体实施例，通过上述系统制备得到的金属化球团的平均金属化率能够达到80％以上，上层球团与底层球团的金属化率差值在3％以下，多层球团物料还原的均匀性显著提高。因此，采用上述制备金属化球团的系统可以显著提高物料温度、解决含碳球团内部传热差、下层球团物料金属化率低的技术难题。
下面参考图2-3对利用上述实施例的制备金属化球团的系统制备金属化球团的方法进行描述。
S100：第一混合
根据本实用新型的具体实施例，将含铁原料与还原煤和添加剂进行在第一混合装置10内第一混合，以便得到第一混合物料。
根据本实用新型的具体实施例，含铁原料可以为铁含量为10～40质量％的低品位劣质含铁资源。根据本实用新型的具体示例，含铁原料可以为红土镍矿或者赤泥。由于上述这些低品位劣质含铁资源例如，赤泥、红土镍矿等脉石成分含量较高，含碳球团有铁含量低，球团传热能力更差，因此，在生产上会通过降低料层厚度，以提高产品指标，但是转底炉的生产效率会下降。如果追求转底炉的生产效率，加大布料厚度后，一般通过提高转底炉的炉膛温度以增大辐射传热效果，但是炉膛温度过高，极易导致表层球团过还原或熔化，热量传递不到料层下部，生产指标不稳定。因此，对上述低品位劣质含铁资源处理存在一定的技术难度。而本实用新型实施例的制备金属球团的方法正是针对上述低品位劣质含铁资源存在的球团传热差，球团表面易软熔粘连导致的金属化率低的技术问题，提出的有效的解决办法。
S200：第一造球处理
根据本实用新型的具体实施例，将上述第一混合物料在第一造球装置20内进行第一造球处理，以便得到母球。
由此将含铁原料制备成母球，位于最终的复合含碳球团的中心，在含铁原料母球的外层通过包裹铁矿粉层，进而可以有效防止在较高还原温度下低品位劣质含铁资源母球的球团表面软熔导致通气性差，还原效果差等，并且通过包裹铁矿粉层还可以进一步提高球团内和球团之间的传热效果，提高还原效率。
根据本实用新型的具体实施例，母球中的碳氧比为1.0～1.5，发明人发现，若母球中的碳氧比过低不利于铁、铅、锌氧化物的还原，也不利于保持球团周围的还原性气氛；若碳氧比过高，还原剂成本增加，且容易造成球团粉化。因此，在该碳氧比条件下，可保证还原效果，有利于保持多层球团还原均匀性。
根据本实用新型的具体实施例，母球的粒径为10～14mm。
S300：第二混合
根据本实用新型的具体实施例，将铁矿粉与粘结剂在第二混合装置30内进行第二混合，以便得到第二混合物料。由此便于进一步通过第二造球处理将铁矿粉包裹在母球的表面。
根据本实用新型的具体实施例，铁矿粉与粘结剂的质量比为100：4～6。按照铁矿粉与粘结剂的质量比为100：4～6添加粘结剂，可以有效保证球团外壳的强度。
根据本实用新型的具体实施例，铁矿粉为粒度小于0.043mm的超细铁矿粉，氧化铁含量达到90％以上。发明人发现，铁矿粉粒度过大，不利于快速还原，也不易于包裹在母球的表层。另外，发明人还发现，选择粒度小于0.043mm的超细铁矿粉，有助于炉膛中CO气体将其进行快速还原成金属铁，发挥传热作用。
S400：第二造球处理
根据本实用新型的具体实施例，将所述母球与所述第二混合物料在第二造球装置40内进行第二造球处理，以便使所述铁矿粉对所述母球进行包裹，得到以所述母球为核心的复合含碳球团。
在本实用新型的一些实施例中，母球的粒径为10～14mm，复合含碳球团的粒径为11～16mm。根据本实用新型的具体示例，铁矿粉包裹所述母球的厚度为1～2mm。发明人发现，铁矿粉包裹层厚度为1～2mm，厚度过小，起不到有效传热、提高下层球团温度的作用，厚度过大，增加成本，且铁矿粉不易快速还原。
本实用新型通过二次造球，在含铁原料母球的外表面包裹铁矿粉层，蓄热效果好，在强还原性气氛下铁矿粉层可以被快速还原成金属层，具有良好的传热效果，进而可以将炉膛热量传递到球团内部、以及下层球团，进而有效提高物料温度，从而得到金属化率高、球团还原率均匀的优质金属化球团。另外，通过在含铁原料母球的外表面包裹铁矿粉层，软熔点高于1300℃，还可以有效防止球团表面熔化粘连，进而提高球团透气性，提高复合含碳球团内部金属化率。
S500：转底炉内直接还原处理
根据本实用新型的具体实施例，将复合含碳球团送至转底炉内进行多层布料，并在转底炉内的第一还原区和第二还原区内进行直接还原处理，以便得到金属化球团。
根据本实用新型的具体实施例，多层布料的层数为3～6层，高度为30～90mm。而传统方法制备得到的球团，布料层数最大只能达到3层，高度最高只能达到45mm。因此，通过采用上述实施例的方法制备复合含碳球团，复合含碳球团的蓄热效果好，球团之间热传导效果得到显著提升，由此可以将布料厚度增大至6层，高度增至为90mm。由此，显著提高转底炉的处理效率。
根据本实用新型的具体实施例，转底炉中炉膛直接还原温度为1100～1350℃，转底炉可分为加料区、第一还原区、第二还原区、出料区，其中加料区是指球团初进入炉底的区域，第一还原区主要是复合含碳球团的表层铁矿粉层的快速还原区，该区内一氧化碳浓度控制在大于40000ppm，保证强的还原性气氛，一氧化碳气体对球团表层裹入的铁矿粉中的铁氧化物进行还原，生成金属铁，金属铁起到促进快速传热的作用；第二还原区为母球还原区，内配还原煤对低铁物料进行还原，第二还原区内也要保持还原性气氛，在此不做特殊说明。由此，通过二次造球在含铁原料母球的表层包裹易还原且铁氧化物含量较高的铁矿粉，并在转底炉内设置两个还原区，在第一还原区内使得包裹的铁矿粉层快速还原，发挥传热作用，进而可以使得母球和位于下层的球团得到有效还原，从而得到金属化率高、球团还原率均匀的优质金属化球团。经测定，炉膛温度与物料层温度差在20℃以内。表层球团与底层球团的温度差在10℃以内。
根据本实用新型的具体实施例，所述直接还原处理的时间为30～50min，其中，在所述第一还原区内进行的时间为10～15min，在所述第二还原区内进行的时间为15～35min。还原时间得到明显缩短。
根据本实用新型的具体实施例，通过上述方法制备得到的金属化球团的平均金属化率能够达到80％以上，上层球团与底层球团的金属化率差值在3％以下，多层球团物料还原的均匀性显著提高。因此，采用上述制备金属化球团的方法可以显著提高物料温度、解决含碳球团内部传热差、下层球团物料金属化率低的技术难题。
实施例1
(1)将赤泥(TFe为25％，Zn为0.04％,Na2O为6％、Al2O3为19％)与还原煤、石灰石、膨润土进行混合，混合比例为100:21：10：1，碳氧比为1.5，将第一混合物料进行造球，得到母球，所述球团粒级在10～14范围内，不合格的球团经筛分后返回润磨机，重新进入第一造球工序的加料区。将超细铁矿粉，粒度为<50微米、粘结剂按照100:5进行混匀，混匀后以母球为母球，进入第二造球工序，将超细铁矿粉均匀的包裹在母球表面，得到复合含碳球团，复合含碳球团合格粒度为12～16mm。
(2)将复合含碳球团均匀的布入转底炉内进行直接还原，转底炉可分为加料区、第一还原区、第二还原区、出料区，铺料厚度为3～4层球团，还原区内的温度为1300℃，第一还原区内的一氧化碳浓度大于40000ppm，总还原时间为42min，铁氧化物被分别还原为单质铁。
(3)还原结束后球团经出料装置排出炉外，最下层球团金属化率平均为87％，最上层球团金属化率平均为90％，中间层球团平均为88％，金属化球团的金属化率为87～90％。
(4)金属化球团经破碎、磨矿磁选后得到金属铁粉和尾矿，金属铁粉中铁含量约88％，铁回收率为85％。
实施例2
(1)将红土镍矿(TFe为18％，Ni为1.85％,MgO 15％)与还原煤、石灰石进行混合，混合比例为100:9：15，碳氧比为1.2，将第一混合物料进行造球，得到母球，所述球团粒级在10～14范围内，不合格的球团经筛分后返回润磨机，重新进入第一造球工序的加料区。将超细铁矿粉，粒度为<50微米、粘结剂按照100:5进行混匀，混匀后以母球为核心，进入第二造球工序，将超细铁矿粉均匀的包裹在母球表面，得到复合含碳球团，复合含碳球团合格粒度为12～16mm。
(2)将复合含碳球团均匀的布入转底炉内进行直接还原，转底炉可分为加料区、第一还原区、第二还原区、出料区，铺料厚度为4～5层球团，还原区内的温度为1350℃，第一还原区内的一氧化碳浓度大于40000ppm，总还原时间为48min，铁氧化物被分别还原为单质铁。
(3)还原结束后球团经出料装置排出炉外，最下层球团金属化率平均为82％，最上层球团金属化率平均为85％，中间层球团平均为83％，还原球团金属化率为82～85％。
(4)金属化球团经破碎、磨矿磁选后得到金属铁粉和尾矿，金属铁粉中铁含量约85％，铁回收率为85％，镍品位为6％，镍回收率为90％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。