本实用新型涉及冶金技术领域，具体而言，本实用新型涉及由冷固结球团制备海绵铁的气基竖炉。
背景技术：
气基竖炉制备海绵铁采用氧化球团或焙烧球团为原料，往往需要将冷固结球团经过干燥、焙烧和冷却后方能进入气基竖炉内。生球干燥过程在链篦机中进行，焙烧往往在回转窑内进行，冷却在环冷机上进行。气基竖炉制备海绵铁所采用的原料为室温或低温下的氧化球团，这涉及到冷固结球团的干燥、焙烧和冷却过程，流程长，设备复杂。
近年来，有专利报道采用冷固结球团直接进入气基竖炉生产海绵铁，可极大的缩短工艺流程，降低能量耗散。然而，由于冷固结球团自身存在强度低、易粉碎而影响气基竖炉料层透气性的不足，且采用冷固结球团在气基竖炉内生产海绵铁的工业化实践鲜有报道，因此采用冷固结球团在气基竖炉制备海绵铁仍需要更多的实践和探索。
还有，采用室温或低温下的氧化球团、焙烧球团或冷固结球团在气基竖炉制备海绵铁的过程存在球团温度低从而造成还原效率不高的问题。
技术实现要素：
针对上述气基竖炉制备海绵铁存在的问题，本实用新型提出一种采用冷固结球团制备海绵铁的气基竖炉及其方法。利用本实用新型的气基竖炉和方法既节省了冷固结球团干燥、焙烧和冷却所需设备，极大地降低了能量耗散，还提高了气基竖炉还原段温度，在确保气基竖炉对氧化球团或焙烧球团抗压强度要求的同时，还促进了还原反应效率的大幅度上升。
根据本实用新型的一方面，本实用新型提供一种冷固结球团制备海绵铁的气基竖炉，其特征在于，竖炉包括：
炉体，其沿竖直方向延伸，炉体由上部和下部构成，上部和下部均为空腔结构并通过连通孔连通，上部分为预热段和焙烧段，预热段位于焙烧段上方，下部包括还原段；
冷固结球团入口，其位于炉体上端；
炉顶气出口，其位于炉体的预热段；
助燃气入口，其位于炉体的焙烧段；
一次还原气入口及二次还原气入口，二者均位于还原段；
二次还原气出口，其位于还原段并且与二次还原气入口连通，二次还原气出口与二次还原气入口之间设有循环加压风机；以及
海绵铁出口，其位于炉体底端。
根据本实用新型的一个实施例，其中，炉顶气出口位于预热段的侧面的上部；助燃气入口位于焙烧段的侧面的下部，具体位置为焙烧段底部自下向上10cm～30cm处；一次还原气入口位于还原段的侧面的下部；二次还原气入口位于还原段的侧面的下部并且比一次还原气入口的高度更低；以及二次还原气出口位于还原段的侧面的上部。
本实用新型的冷固结球团制备海绵铁的气基竖炉将冷固结球团干燥预热、焙烧过程集中于气基竖炉内完成，不仅节省了设备，而且还避免了环冷机冷却过程带来的能量耗散。
根据本实用新型的另一方面，本实用新型还提供一种采用气基竖炉由冷固结球团制备海绵铁的方法，该方法包括下列步骤：
1)制备冷固结球团并将冷固结球团由冷固结球团入口加入到气基竖炉预热段内；
2)经焙烧段自下而上的热的气体在气基竖炉预热段与步骤1)中加入的冷固结球团接触并对冷固结球团进行干燥预热；
3)经助燃气入口通入助燃气，助燃气与自下而上的气体接触并在焙烧段燃烧，燃烧产生的热量对步骤2)中经过预热的球团进行加热焙烧，形成高温的焙烧球团和热的气体；
4)使步骤3)形成的焙烧球团经连通孔下落至还原段，焙烧球团与经一次还原气入口通入的一次还原气和经二次还原气入口通入的二次还原气发生还原反应，生成海绵铁；
5)使步骤4)中得到的海绵铁经气基竖炉底端的海绵铁出口排出。
根据本实用新型的一个实施例，方法还包括，步骤4)中生成的海绵铁继续下落至一次还原气入口和二次还原气入口之间的还原段，并与经二次还原气入口通入的二次还原气发生二次还原反应。
根据本实用新型的一个实施例，步骤1)中所制备的冷固结球团的水分质量含量不大于10％。
根据本实用新型的一个实施例，步骤2)中热的气体的温度为400℃～700℃。
根据本实用新型的一个实施例，助燃气包含空气和/或氧气。
根据本实用新型的一个实施例，步骤3)中还原气与助燃气接触燃烧产生的气体温度为900℃～1200℃。
根据本实用新型的一个实施例，步骤3)中焙烧段的还原气温度为700℃～1200℃。
根据本实用新型的一个实施例，步骤4)中一次还原气的温度为850℃～950℃，一次还原气包含H2和CO并且H2和CO的总的体积百分比不小于80％，二次还原气温度为900℃～1000℃。
根据本实用新型的一个实施例，步骤3)中焙烧形成的高温的焙烧球团的温度为800℃～1000℃，平均抗压强度为1400～1500N/个。
根据本实用新型的一个实施例，步骤4)中还原后海绵铁温度为600℃～900℃。
本实用新型的采用气基竖炉由冷固结球团制备海绵铁的方法提高了气基竖炉还原段温度，确保气基竖炉对氧化球团或焙烧球团抗压强度要求，同时对还原段焙烧球团深度还原，较传统工艺得到了较高的金属化率。此外，炉顶气中有毒气体含量降低，而且温度较低，可直接排放进入大气且无污染。
附图说明
图1是本实用新型的冷固结球团制备海绵铁的气基竖炉的示意图；以及
图2是本实用新型的采用气基竖炉由冷固结球团制备海绵铁的方法的流程示意图。
具体实施方式
应当理解，在示例性实施例中所示的本实用新型的实施例仅是说明性的。虽然在本实用新型中仅对少数实施例进行了详细描述，但本领域技术人员很容易领会在未实质脱离本实用新型主题的教导情况下，多种修改是可行的。相应地，所有这样的修改都应当被包括在本实用新型的范围内。在不脱离本实用新型的主旨的情况下，可以对以下示例性实施例的设计、操作条件和参数等做出其他的替换、修改、变化和删减。
下面参照图1描述本实用新型实施例的冷固结球团制备海绵铁的气基竖炉。该气基竖炉总体包括炉体LT。炉体LT沿竖直方向延伸，炉体LT由上部和下部构成，上部和下部均为空腔结构并通过连通孔230连通，上部分为预热段100和焙烧段200，预热段100位于焙烧段200上方，下部包括还原段300。
冷固结球团入口110位于炉体LT上端。炉顶气出口120位于炉体LT的预热段100，具体位置为预热段100的侧面的上部。助燃气入口210位于炉体的焙烧段200，具体位置为焙烧段200底部自下向上10cm～30cm处。一次还原气入口310及二次还原气入口320均位于还原段300下部，其中二次还原气入口320比一次还原气入口310的高度更低。二次还原气出口330位于还原段300的侧面的上部，并且与二次还原气入口320连通，二次还原气出口330与二次还原气入口320之间设有循环加压风机340。海绵铁出口350位于炉体底端。
利用本实用新型的气基竖炉制备海绵铁时，首先将冷固结球团通过冷固结球团入口110添加到预热段100内。由焙烧段200自下而上的热的气体对加入的冷固结球团进行预热，预热后的冷固结球团下落至焙烧段200，由于焙烧段200内通入了助燃气体，因此来自还原段300的还原气与助燃气接触并燃烧，燃烧产生的热量对经过预热的球团进行加热焙烧，形成高温的焙烧球团和热的气体。焙烧球团下落经过连通孔230落到还原段300。焙烧球团在还原段300与一次还原气以及二次还原气接触并发生还原反应，得到海绵铁。海绵铁最终经还原段300底端的海绵铁出口350排出。其中，二次还原气是前一次还原反应之后还原段内的部分气体从二次还原气出口排出并且经过循环加压风机340加压后所得到的气体。之后将二次还原气通过二次还原气入口320通入还原段300的底部。由于还原反应的过程中，焙烧球团温度较高，将还原气体加热，因此，使部分还原气循环利用既可以降低排放气体中有毒气体的含量，还可以利用该热的二次还原气对焙烧球团进行深度还原。
图2示出了采用本实用新型的气基竖炉由冷固结球团制备海绵铁的方法的流程示意图。结合图1并参照图2说明本实用新型所公开的方法。
该方法开始于步骤S100。在步骤S100中，制备冷固结球团并将冷固结球团由冷固结球团入口110加入到气基竖炉预热段100内。所制备的冷固结球团的水分含量不大于10％。
在步骤S200中，经焙烧段200自下而上的热的气体在气基竖炉预热段100与步骤S100中加入的冷固结球团接触并对冷固结球团进行干燥预热，热的气体的温度为400℃～700℃。
在步骤S300中，经助燃气入口210通入助燃气，助燃气与自下而上的气体接触并在焙烧段200燃烧，燃烧产生的热量对步骤S200中经过预热的球团进行加热焙烧，形成高温的焙烧球团和热的气体。助燃气包含空气和/或氧气，还原气与助燃气接触燃烧产生的气体温度为900℃～1200℃，焙烧段的还原气温度为700℃～1200℃。焙烧形成的高温的焙烧球团的温度为800℃～1000℃，平均抗压强度为1400～1500N/个。
在步骤S400中，使步骤S300形成的焙烧球团经连通孔230下落至还原段300，焙烧球团与经一次还原气入口310通入的一次还原气和经二次还原气入口320通入的二次还原气发生还原反应，生成海绵铁。一次还原气的温度为850℃～950℃，一次还原气包含H2和CO并且H2和CO的总的体积百分比不小于80％，二次还原气温度为900℃～1000℃。一次还原气和二次还原气共同作用，在还原段实现还原，还原后海绵铁温度为600℃～900℃。
在步骤S500中，使步骤S400中得到的海绵铁经气基竖炉底端的海绵铁出口350排出。
根据本实用新型的一个具体实施例，方法还包括，步骤S400中生成的海绵铁继续下落至一次还原气入口310和二次还原气入口320之间的还原段，并与经二次还原气入口320通入的二次还原气发生二次还原反应。
本实用新型的冷固结球团制备海绵铁的气基竖炉将冷固结球团干燥预热、焙烧过程集中于气基竖炉内完成，不仅节省了设备，而且还避免了环冷机冷却过程带来的能量耗散。本实用新型采用气基竖炉由冷固结球团制备海绵铁的方法提高了气基竖炉还原段温度，在确保气基竖炉对氧化球团或焙烧球团抗压强度要求的同时，较传统工艺得到了较高的金属化率。此外，炉顶气中有毒气体含量降低，而且温度较低，可直接排放进入大气且无污染。
实施例一
将水分含量10％的冷固结球团由冷固结球团入口110加入气基竖炉预热段100内。经焙烧段200自下而上的400℃的热的气体在气基竖炉预热段100与加入的冷固结球团接触并对冷固结球团进行干燥预热，预热冷固结球团所产生的炉顶气经炉顶气出口120排出。经助燃气入口210通入空气作为助燃气，空气温度为室温，空气与自下而上的还原气体接触并在焙烧段200燃烧，燃烧产生的气体的温度为900℃，燃烧产生的热量对经过预热的球团进行加热焙烧，形成高温的焙烧球团和热的气体，高温的焙烧球团的温度为800℃，在该步骤中还原气温度为700℃。形成的焙烧球团下落至还原段300并与经一次还原气入口310通入的850℃的一次还原气和经二次还原气入口320通入的二次还原气发生还原反应，生成海绵铁，所得到的海绵铁温度为600℃，其中该步骤中一次还原气包含H2和CO并且H2和CO的总的体积百分比为80％。生成的海绵铁经气基竖炉底端的海绵铁出口350排出。
采用本方法和传统工艺的工艺参数和检测结果如表1所示。由表1可知，采用本实用新型的上述技术方案得到的焙烧球团的抗压强度为1432N/个，所得到的海绵铁的金属化率为92.2％；而传统工艺得到的焙烧球团的抗压强度为922N/个，所得到的海绵铁的金属化率为82.4％。采用本实用新型的上述技术方案所得到的抗压强度和金属化率均明显优于传统工艺。
实施例二
将水分质量含量9％的冷固结球团由冷固结球团入口110加入气基竖炉预热段100内。经焙烧段200自下而上的600℃的热的气体在气基竖炉预热段100与加入的冷固结球团接触并对冷固结球团进行干燥预热，预热冷固结球团所产生的炉顶气经炉顶气出口120排出。经助燃气入口210通入氧气作为助燃气，氧气温度为室温，氧气与自下而上的还原气体接触并在焙烧段200燃烧，燃烧产生的气体的温度为1000℃，燃烧产生的热量对经过预热的球团进行加热焙烧，形成高温的焙烧球团和热的气体，高温的焙烧球团的温度为900℃，在该步骤中还原气温度为900℃。形成的焙烧球团下落至还原段300并与经一次还原气入口310通入的900℃的一次还原气和经二次还原气入口320通入的二次还原气发生还原反应，生成海绵铁，所得到的海绵铁温度为700℃，其中该步骤中一次还原气包含H2和CO并且H2和CO的总的体积百分比为83％。生成的海绵铁经气基竖炉底端的海绵铁出口350排出。
采用本方法和传统工艺的工艺参数和检测结果如表1所示。由表1可知，采用本实用新型的上述技术方案得到的焙烧球团的抗压强度为1544N/个，所得到的海绵铁的金属化率为94.7％；而传统工艺得到的焙烧球团的抗压强度为965N/个，所得到的海绵铁的金属化率为84.1％。采用本实用新型的上述技术方案所得到的抗压强度和金属化率均明显优于传统工艺。
实施例三
将水分质量含量8％的冷固结球团由冷固结球团入口110加入气基竖炉预热段100内。经焙烧段200自下而上的700℃的热的气体在气基竖炉预热段100与加入的冷固结球团接触并对冷固结球团进行干燥预热，预热冷固结球团所产生的炉顶气经炉顶气出口120排出。经助燃气入口210通入氧气作为助燃气，氧气温度为室温，氧气与自下而上的还原气体接触并在焙烧段200燃烧，燃烧产生的气体的温度为1200℃，燃烧产生的热量对经过预热的球团进行加热焙烧，形成高温的焙烧球团和热的气体，高温的焙烧球团的温度为1000℃，在该步骤中还原气温度为1200℃。形成的焙烧球团下落至还原段300并与经一次还原气入口310通入的950℃的一次还原气和经二次还原气入口320通入的1000℃的二次还原气发生还原反应，生成海绵铁，所得到的海绵铁温度为700℃，其中该步骤中一次还原气包含H2和CO并且H2和CO的总的体积百分比为85％。生成的海绵铁继续下落至一次还原气入口310和二次还原气入口320之间的还原段，并与经二次还原气入口320通入的1000℃的二次还原气发生二次还原反应，得到深度还原的海绵铁，该海绵铁经气基竖炉底端的海绵铁出口350排出。
采用本方法和传统工艺的工艺参数和检测结果如表1所示。由表1可知，采用本实用新型的上述技术方案得到的焙烧球团的抗压强度为1712N/个，所得到的海绵铁的金属化率为96.5％；而传统工艺得到的焙烧球团的抗压强度为1041N/个，所得到的海绵铁的金属化率为87.3％。采用本实用新型的上述技术方案所得到的抗压强度和金属化率均明显优于传统工艺。
表1本实用新型的方法和传统工艺的工艺参数及检测结果
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；如果不脱离本实用新型的精神和范围，对本实用新型进行修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型权利要求的保护范围当中。