一种含硼铁精矿悬浮还原-熔炼分离硼铁的装置及方法与流程

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种含硼铁精矿悬浮还原-熔炼分离硼铁的装置及方法。

背景技术：

我国的硼矿资源主要包括硼镁石矿和硼铁矿，但目前硼镁石矿已接近枯竭，难以满足日益增长的国民经济和硼工业发展的需求；我国硼铁矿中的硼储量丰富，约占全国硼矿资源储量的58％，仅辽东地区硼铁矿储量就达2.8亿吨，b2o3储量为2184万吨，是未来最有潜力的硼矿资源；但硼铁矿中矿物结构复杂，嵌布粒度细且不均匀，硼、铁、脉石之间共生关系密切，常规选矿方法难以实现硼铁的有效分离；由于硼铁之间相互连生包裹，采用传统选矿方法仅能实现硼铁矿中硼、铁的初步分离，获得b2o3品位为12～16％的硼精矿和tfe品位为51～54％的含硼铁精矿；硼精矿可满足硼砂的生产要求，但含硼铁精矿仍不能满足钢铁冶炼的要求，而且含硼铁精矿中仍含有4～6％的b2o3，占原矿中b2o3含量的30％以上；现有企业多把含硼铁精矿低价出售给炼铁厂通过高炉回收一部分铁，而硼资源得不到利用，造成资源的极大浪费。

针对含硼铁精矿中的硼铁分离是硼铁矿开发利用的关键问题，当前尚无成熟的工艺；目前，处理含硼铁精矿的工艺以火法为主，包括高炉法、直接还原-电炉熔分和含碳球团还原熔分等，但均存在能耗高、污染大、工艺复杂的问题，难以大规模工业化使用；因此，低成本、低污染、高效利用含硼铁精矿的技术还有待开发。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种含硼铁精矿悬浮还原-熔炼分离硼铁的装置及方法，通过对含硼铁精矿粉在悬浮态下对铁精矿进行直接还原(金属化率≥90％)，然后采用电弧炉熔炼分离，分别提取铁水和富硼渣，简化硼铁分离工艺的同时，协同利用能源，降低生产成本。

本发明的含硼铁精矿悬浮还原-熔炼分离硼铁的装置包括料仓、螺旋给料机、一级旋风分离器、悬浮加热炉、二级旋风分离器、还原反应器和电弧炉；料仓的出料口与螺旋给料机的进口连通，螺旋给料机的出口与一级旋风分离器的进料口管道连通，一级旋风分离器的出料口与悬浮加热炉的下部连通，悬浮加热炉的上部通过输送管道与二级旋风分离器的进料口连通，二级旋风分离器的出料口与还原反应器的进料口连通，还原反应器的出料口通过管道与电弧炉内部连通；其中，二级旋风分离器的出气口与一级旋风分离器通过进料口管道连通，一级旋风分离器的出气口与除尘器的进料口连通，除尘器的出气口与引风机连通；电弧炉的出气口与悬浮加热炉的底部连通。

上述的还原反应器内部设有挡板和布风板，顶部设有进料口，侧壁上部设有出料口，底部设有进气口用于通入还原性气体；布风板将还原反应器分为上部腔体和下部腔体，进气口与下部腔体连通；挡板位于上部腔体内，挡板的两个侧边固定在还原反应器的内壁上，挡板的顶边固定在还原反应器的顶板上，挡板的底边与布风板之间的间隙为物料通道，挡板将还原反应器的上部腔体分隔为进料室和出料室，进料口和出料口分别与进料室和出料室连通。

上述的电弧炉包括炉体和电极，电极从炉体顶部插入炉体内；炉体上方设有进料口与还原反应器的出料口连通，炉体内部从上到下分为上部空间、渣层空间和铁水层空间，上部空间的侧壁上设有出气口，渣层空间的侧壁上设有排渣口，铁水层空间的侧壁上设有铁水出口；电极的底端位于渣层空间内。

本发明的含硼铁精矿悬浮还原-熔炼分离硼铁的方法按以下步骤进行：

1、将粒度≤1mm的含硼铁精矿粉置于料仓内，经螺旋给料机输送到一级旋风分离器的进料口管道中；

2、启动引风机，使除尘器、一级旋风分离器、悬浮加热炉和二级旋风分离器内形成负压；在负压作用下，含硼铁精矿粉通过进料口管道进入一级旋风分离器进行气固分离，形成的一级固体物料进入悬浮加热炉底部；

3、在电弧炉进行电弧熔炼的情况下，电弧熔炼产生的高温烟气通入悬浮加热炉底部，高温烟气将一级固体物料加热并处于悬浮状态；一级固体物料被加热后从输送管道进入二级旋风分离器进行二次气固分离，形成的二级固体物料在重力作用下进入还原反应器；

4、在还原反应器通入还原性气体的情况下，二级固体物料被还原性气体还原，生成还原物料在还原性气体的输送作用下，从还原反应器的出料口排出，进入电弧炉中；

5、还原物料在电弧炉内经电弧产生的高温加热后熔化，形成液态铁水和熔渣，在重力作用下，熔渣与铁水自动分层，并分别进入电弧炉的铁水层空间和渣层空间，再分别从排渣口和铁水出口排出，获得铁水和富硼渣。

上述的富硼渣空冷至常温后，作为提硼原料。

上述方法中，通过控制还原反应器内固气比，使二级固体物料处于流态化移动状态，并完成金属化还原反应，氧化铁被还原生成铁粉。

上述的含硼铁精矿的铁品位tfe53～57％，按质量百分比含b2o34～6％。

上述方法中，电弧熔炼产生的高温烟气的温度为950～1200℃，一级固体物料被加热后的温度为700～950℃；进入悬浮加热炉内的高温烟气的体积流量与一级固体物料的质量流量的比例为0.5～3.3m³/kg。

上述方法中，一级旋风分离器内进行气固分离后，产生的一级尾气在负压作用下进入除尘设备，经除尘后由引风机排入大气中。

上述方法中，二级旋风分离器内进行二次气固分离后，产生的被加热过的二级尾气在负压作用下携带并预热含硼铁精矿粉通过进料口管道进入一级旋风分离器。

上述方法中，还原气体为氢气和/或一氧化碳，或者为氢气和/或一氧化碳与氮气组成的混合气体，混合气体中氮气的体积百分比≤30％。

上述方法中，还原反应器内的温度为650～850℃，二级固体物料在还原反应器内的停留时间为30～60min；进入还原还原器的还原气体的体积流量和二级固体物料的质量流量的比例为0.12～0.60m³/kg。

上述方法中，还原物料的金属化率≥90％。

上述的铁水的铁品位tfe≥95％，铁回收率≥90％。

上述的富硼渣按质量百分比含b2o3≥17％，硼回收率≥95％。

上述的富硼渣的常压浸出率≥80％。

本发明的基本原理是：含硼铁精矿粉经高温烟气悬浮态加热后，在还原反应器内进行还原反应，在反应温度下，绝大部分铁矿物与还原性气体接触并发生反应转化为金属铁，而含硼矿物不与还原气体反应；完成还原后的物料在电弧炉内经电弧作用加热后熔化，并形成下层液态铁水和上层液态富硼渣，铁水经电弧炉出铁口排出，富硼渣经电弧炉排渣口放出；同时，电弧炉熔炼产生的高温烟气返回悬浮加热炉内用于加热固态物料，提高了能量循环回收利用效率；相比其他处理含硼铁精矿的火法工艺，本发明可直接利用粉矿，不经烧结造球，可显著降低能耗，减少污染排放并节约生产成本。

附图说明

图1为本发明的一种含硼铁精矿悬浮还原-熔炼分离硼铁的装置结构示意图；

图2为图1中还原反应器结构示意图；

图中，1、料仓，2、螺旋给料机，3、一级旋风分离器，4、除尘器，5、引风机，6、悬浮加热炉，7、输送管道，8、二级旋风分离器，9、还原反应器，10、还原反应器出料口，11、炉体，12、电极、13、铁水出口，14、排渣口，15、烟气通道，16、还原反应器进料口，17、布风板，18、挡板。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明的方法作进一步详细说明。

本发明实施例中采用的含硼铁精矿粉铁品位tfe53～57％，按重量百分比含b2o34～6％，sio23.5～5.0％，al2o30.1～0.5％，cao0.1～0.7％，mgo9～12％，p≤0.15％，s≤1.5％。

本发明实施例中采用的含硼铁精矿粉的粒度≤1mm，其中粒度小于0.074mm的部分占总质量的30～80％。

本发明实施例中的含硼铁精矿悬浮还原-熔炼分离硼铁的装置结构如图1所示，包括料仓1、螺旋给料机2、一级旋风分离器3、悬浮加热炉6、二级旋风分离器8、还原反应器9和电弧炉；

料仓1的出料口与螺旋给料机2的进口连通，螺旋给料机2的出口与一级旋风分离器3的进料口连通，一级旋风分离器3的出料口与悬浮加热炉6的下部连通，悬浮加热炉6的上部通过输送管道7与二级旋风分离器8的进料口连通，二级旋风分离器8的出料口与还原反应器9的进料口连通，还原反应器9的还原反应器出料口10通过管道与电弧炉内部连通；

二级旋风分离器8的出气口与一级旋风分离器3的进料口管道连通，一级旋风分离器3的出气口与除尘器4的进料口连通，除尘器4的出气口与引风机5连通；电弧炉的出气口与悬浮加热炉6的底部连通；

还原反应器9结构如图2所示，内部设有挡板18和布风板17，顶部设有还原反应器进料口16，侧壁上部设有还原反应器出料口10，底部设有进气口用于通入还原性气体；布风板17将还原反应器9分为上部腔体和下部腔体，进气口与下部腔体连通；挡板18位于上部腔体内，挡板18的两个侧边固定在还原反应器9的内壁上，挡板18的顶边固定在还原反应器9的顶板上，挡板18的底边与布风板17之间的间隙为物料通道，挡板18将还原反应器9的上部腔体分隔为进料室和出料室，还原反应器进料口16和还原反应器出料口10分别与进料室和出料室连通；

电弧炉包括炉体11和电极12，电极12从炉体11顶部插入炉体11内；炉体11上方设有进料口与还原反应器9的还原反应器出料口10连通，炉体11内部从上到下分为上部空间、渣层空间和铁水层空间，上部空间的侧壁上设有出气口，渣层空间的侧壁上设有排渣口14，铁水层空间的侧壁上设有铁水出口13；电极12的底端位于渣层空间内。

本发明实施例中电弧炉中设有三个电极，电极与三相电源装配在一起，进行电弧熔炼时，铁水占满铁水层区，液态的渣层分布在渣层区内。

本发明的常压浸出率是指通过硼被浸出的难易程度判断硼的反应活性，以物料中b2o3的常压碱浸出率来评价；具体方法为：将富硼渣细磨至-0.074mm占总质量的60％以上，取4g矿样加入40ml质量分数为20％的naoh溶液中，在煤气炉上加热，微沸回流4h后过滤；通过原料和滤渣的质量及b2o3含量计算硼的浸出率，作为富硼渣的常压碱浸出率。

以下为本发明优选实施例。

实施例1

采用某含硼铁精矿粉按重量百分比含tfe56.55％，b2o34.22％，sio23.60％，al2o30.33％，cao0.1％，mgo10.1％，p0.15％，s1.44％，粒度≤1mm，其中粒度小于0.074mm的部分占物料总质量的80％；

采用含硼铁精矿悬浮还原-熔炼分离硼铁的装置，将粒度含硼铁精矿粉置于料仓内，经螺旋给料机输送到一级旋风分离器的进料口管道中；

启动引风机，使除尘器、一级旋风分离器、悬浮加热炉和二级旋风分离器内形成负压；在负压作用下，含硼铁精矿粉通过进料口管道进入一级旋风分离器进行气固分离，形成的一级固体物料进入悬浮加热炉底部；

在电弧炉进行电弧熔炼的情况下，电弧熔炼产生的高温烟气通入悬浮加热炉底部，高温烟气将一级固体物料加热并处于悬浮状态；一级固体物料被加热后从输送管道进入二级旋风分离器进行二次气固分离，形成的二级固体物料在重力作用下进入还原反应器；电弧熔炼产生的高温烟气的温度为1000℃，一级固体物料被加热后的温度为800℃；进入悬浮加热炉内的高温烟气的体积流量与一级固体物料的质量流量的比例为1m³/kg；

在还原反应器通入还原性气体的情况下，二级固体物料被还原性气体还原，通过控制还原反应器内固气比，使二级固体物料处于流态化移动状态，并完成金属化还原反应，氧化铁被还原生成铁粉；生成还原物料在还原性气体的输送作用下，从还原反应器的出料口排出，进入电弧炉中；还原气体为氢气与氮气组成的混合气体，氮气的体积百分比20％；还原反应器内的温度为750℃，二级固体物料在还原反应器内的停留时间为40min；进入还原还原器的还原气体的体积流量和二级固体物料的质量流量的比例为0.3m³/kg；还原物料的金属化率92％；

还原物料在电弧炉内经电弧产生的高温加热后熔化，形成液态铁水和熔渣，在重力作用下，熔渣与铁水自动分层，并分别进入电弧炉的铁水层空间和渣层空间，再分别从排渣口和铁水出口排出，获得铁水和富硼渣；富硼渣空冷至常温后，作为提硼原料；富硼渣按质量百分比含b2o318.83％，，tfe3.42％，硼回收率98.15％；富硼渣的常压浸出率81％；铁水的铁品位tfe96.25％，铁回收率97.41％；

一级旋风分离器内进行气固分离后，产生的一级尾气在负压作用下进入除尘设备，经除尘后由引风机排入大气中；二级旋风分离器内进行二次气固分离后，产生的被加热过的二级尾气在负压作用下携带并预热含硼铁精矿粉通过进料口管道进入一级旋风分离器。

实施例2

采用某含硼铁精矿按重量百分比含tfe53.47％，b2o35.81％，sio24.50％，al2o30.40％，cao0.61％，mgo9.22％，p≤0.15％，s1.05％，粒度小于0.074mm的部分占物料总质量的60％；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)电弧熔炼产生的高温烟气的温度为1100℃，一级固体物料被加热后的温度为900℃；进入悬浮加热炉内的高温烟气的体积流量与一级固体物料的质量流量的比例为2m³/kg；

(2)还原气体为氢气与氮气组成的混合气体，混合气体中氮气的体积百分比25％；

(3)还原反应器内的温度为850℃，二级固体物料在还原反应器内的停留时间为45min；进入还原还原器的还原气体的体积流量和二级固体物料的质量流量的比例为0.4m³/kg；还原物料的金属化率93％；

(4)富硼渣按质量百分比含b2o320.55％，tfe2.88％，硼回收率97.88％；富硼渣的常压浸出率83％；铁水的铁品位tfe95.71％，铁回收率97.55％。

实施例3

采用某含硼铁精矿按重量百分比含tfe55.71％，b2o34.99％，sio25.17％，al2o30.20％，cao0.80％，mgo11.32％，p≤0.15％，s0.99％，粒度小于0.074mm的部分占物料总质量的70％；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)电弧熔炼产生的高温烟气的温度为1050℃，一级固体物料被加热后的温度为850℃；进入悬浮加热炉内的高温烟气的体积流量与一级固体物料的质量流量的比例为1.5m³/kg；

(2)还原气体为氢气与氮气组成的混合气体，混合气体中氮气的体积百分比22％；

(3)还原反应器内的温度为800℃，二级固体物料在还原反应器内的停留时间为40min；进入还原还原器的还原气体的体积流量和二级固体物料的质量流量的比例为0.35m³/kg；还原物料的金属化率92％；

(4)富硼渣按质量百分比含b2o319.53％，tfe3.01％，硼回收率96.83％；富硼渣的常压浸出率82％；铁水的铁品位tfe96.02％，铁回收率97.66％。