用于铁矿粉直接还原的方法和设备的制作方法

用于铁矿粉直接还原的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种铁矿粉还原方法，尤其是一种用于铁矿粉直接还原的方法。本发明提供了一种避免“蛋壳效应”的用于铁矿粉直接还原的方法,A、将磁铁精矿粉、煤粉与催化剂混匀；B、将混匀后的物料压制成带孔物料块，带孔物料块上形成有蜂窝孔；C、将带孔物料块送入隧道窑中直接还原，其中隧道窑的炉膛用导热材料板隔开成上下两层，形成燃烧室和反应室；带孔物料块被送入反应室中，利用燃烧室中产生的热量间接加热带孔物料块。由于将炉膛分隔成了燃烧室和反应室，这使得带孔物料块不会受到直接加热，而是通过导热材料板将燃烧室中的热量传导到反应室中，同时由于带孔物料块本身具有蜂窝孔，由此使得物料块在各个位置受到的加热程度是接近的。
【专利说明】用于铁矿粉直接还原的方法和设备

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铁矿粉还原方法，尤其是一种用于铁矿粉直接还原的方法。此外， 本发明还涉及一种冶金设备，尤其是一种用于铁矿粉直接还原的设备。

【背景技术】
[0002] 钢铁工业是将铁矿粉经过烧结再送至高炉熔炼成铁水，继而成为下道工序的具有 高热能的主原料，长期的工业生产实践形成了规模化成熟的传统工艺。随着技术研究和进 步，这种传统工艺由于其高能耗、高投资、高污染和高运行成本，而受到直接还原铁工艺技 术的挑战。目前直接还原铁研究和生产主要是以气基还原和煤基还原为主，相对于传统工 艺，将铁矿粉中的氧化铁还原成金属铁产品，一套直接还原铁设备功能可取代传统工艺的 烧结、焦化、高炉的功能。但是，就直接还原铁研究和生产的现状而言：①铁矿粉作为主原料 因试验、生产的工艺或还原产品的用途不同，在物料准备阶段就存在不同程度的差异，不仅 包括煤基、粒度、脱硫剂、催化剂等组分配伍不同，而且有的将铁矿粉直接装入容器、有的则 挤压或压制成球团和其它形状。组分配伍的不同，直接决定还原反应所需要的温度和在该 温度下的反应速度；铁矿粉直接装入容器进行还原，虽然省却了铁矿粉成型过程，但在试验 中尽管将组分配伍进行若干调整，结果发现热传导是铁还原反应实现的条件和反应速度的 限制性因素；球团或其它形状的铁还原反应，在试验和实践中往往因组分配伍、密实程度和 供热方式不匹配或因其一因素不合适，在形状的表面形成"蛋壳"效应，其机理是物料被直 接加热，其表面受热速度远大于物料内部热传导速度，结果表面物料已呈熔融状而内部还 没有达到反应所需的温度，"蛋壳"就产生了，既影响反应速度又影响还原率；②在铁矿粉直 接还原工艺的研究与应用方面，归纳起来有两大主流：一是与电炉冶炼特种钢而形成的电 炉短流程；二是随着粉末冶金相关技术的研究成果不断涌现，促进了粉末冶金行业的大力 发展，铁矿粉直接还原海绵铁粉作为粉末冶金的主原料。就还原设备而言，煤基还原的炉窑 有隧道窑、回转窑、转底炉等，这些炉窑单机生产能力不高，只适合中小规模的生产；用于气 基直接还原的坚炉，虽然可以进行规模化生产，但是对天然气的依赖性较强，在没有天然气 的情况下，必须用煤粉通过"煤制气炉"生产煤气，同时要求被还原的物料必须是氧化球团， 如上所述的弊端也会出现。③铁矿粉直接还原的研究和应用需要进一步地拓展，其关键环 节是：更合理的进行适合工艺装备的物料配伍，增大反应界面，提高热传导速度，进而整体 提高还原反应速度；优化并创造性地设计炉窑装备，尽可能兼备其它炉窑装备的特优点，供 热状况、过程温度、炉窑的还原气氛、余热利用、物料装入、产品产出和冷却等实现自动化监 测及控制；最终实现整体工艺装备产能规模化、产品高品质、运行低成本低能耗、过程控制 规范。


【发明内容】

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种避免"蛋壳"效应的用于铁矿粉直接还原 的方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的用于铁矿粉直接还原的方法，包括以下步骤：
[0005] A、将磁铁精矿粉、煤粉与催化剂混匀；磁铁精矿粉、煤粉与催化剂的使用比例应按 照具体使用的原料而定，其选用方法与传统的直接还原方法类似；
[0006] B、将混匀后的物料压制成带孔物料块，带孔物料块上形成有蜂窝孔，即在带孔物 料块上形成孔阵列，类似蜂窝煤状的结构；这些蜂窝孔可供热气流通过，增大了物料块受热 的表面积，其孔洞使物料受热均匀，有效的减少了整个带孔物料块的温差；
[0007] C、将带孔物料块送入隧道窑中直接还原，其中隧道窑的炉膛用导热材料板隔开成 上下两层，形成燃烧室和反应室；带孔物料块被送入反应室中，利用燃烧室中产生的热量间 接加热带孔物料块。本步骤中的隧道窑结构可参见后续所述的设备，但不仅限于本发明中 的设备。燃烧室中一般利用煤气或天然气进行燃烧加热，选用的燃料需根据需实际情况而 定，不必限于本方法推荐的燃料。用导热材料板板将炉膛隔开，在连续加热运行中，燃烧室 的热能能够与反应室的热能接近平衡，由于带孔物料块并不受到直接的加热，而是出于较 为均匀温度的反应室中，这样带孔物料块的内外部温度更加均匀，用这种间接加热的方式 就破解了"蛋壳"效应。
[0008] 进一步的是，在A步骤中，使用粒度为-320?100目的钒钛磁铁精矿粉与粒 度-20?30目的煤粉和钠盐催化剂按质量比3?4 :0· 8?1. 2:0. 3?0· 4的比例混匀。
[0009] 进一步的是，在B步骤中，所述带孔物料块的密度不小于2. 7g/cm3,蜂窝孔孔径 02〇-3〇mm。本方法使得原料粉料密度由1. 7g/cm3经过压制后密度达到2. 7g/cm3,物料块 中的煤达到后一定温度燃烧生成的C0逸出阻力增加，有利于还原反应进行地彻底。同时， 即使粉料和物料压块受热传导速率接近，那么在台车面上一立方米的空间内多存放一吨物 料，使得生产效率高而成本低。
[0010] 进一步的是，在C步骤中，反应室的压力控制在+20?-+50Pa之间。反应室内的 压力推荐采用变频调节与炉压调节阀双控制，从而获得精准的压力控制。
[0011] 进一步的是，在c步骤中，所述隧道窑呈环形。
[0012] 进一步的是，在C步骤中，所述反应室分为三段温区，带孔物料块在三段温区中的 运行时间比例分别是：温度1150°c占1/3,温度1300°C占5/9,炉内自然缓冷占1/9。
[0013] 本发明另一个要解决的技术问题是提供一种避免"蛋壳"效应的用于铁矿粉直接 还原的设备。
[0014] 本发明还提供了一种用于铁矿粉直接还原的设备，包括物料专用压机、送料机构 以及隧道窑，所述物料专用压机通过送料机构为所述隧道窑供料，所述隧道窑包括窑体、穿 过窑体的轨道、设置在轨道上的台车和布设在窑体上的燃烧系统，所述物料专用压机的模 具上设置有蜂窝孔成型结构；所述隧道窑还包括导热材料板，所述导热材料板设置在窑体 内，并将台车台面与窑体窑顶之间的炉膛分隔成上下两层，其中上层为布设燃烧系统的燃 烧室，下层为反应室。窑体的形状为直线形或曲线形，相应的轨道也为直线形或曲线形。导 热材料板沿炉膛轴线密封布设，导热材料采用耐高温的导热材料，具体的材料应根据实际 的情况而定，以达到节能和成本之间的平衡。
[0015] 进一步的是，所述导热材料板为碳化硅板，所述碳化硅板为拱顶朝向窑顶的拱形 结构。碳化硅的热导率是钢铁材料的3倍，且具有强的热震抗力，这样在反应室的物料能够 得到足够的热能；拱形结构的碳化硅板既可以增加反应室的空间，又能增加碳化硅版的导 热面积。
[0016] 进一步的是，所述隧道窑呈环形，所述窑体沿轴线设置成圆弧形，所述轨道为圆环 形，所述窑体圆周方向上的两端分别为进料端和出料端。窑体整体外形为圆弧形，台车沿着 圆环形的轨道圆周运动，从而在圆弧形的窑体中穿梭。
[0017] 进一步的是，所述燃烧系统包括设置在燃烧室顶部的顶烧嘴和设置在燃烧室外侧 壁的侧烧嘴。顶烧嘴是一种平火焰烧嘴，该烧嘴空气箱带内隔热，能适，喇叭形扩散口与气 流离心力的作用下使气流紧贴炉壁内缘向四周均匀扩散，而在烧嘴轴向中心形成回流区， 当回流的介质回流到快接近旋转气流出口处时，被气流卷入主旋转流股，成为它的一部分， 回流介质带着炉内焰气能起到稳定火焰着火的作用，也能促使流股附壁流动，从而形成了 平展形圆盘火焰。侧烧嘴是一种亚高速烧嘴，烧嘴壳体采用内绝热，结构简单，能形成亚高 速火焰，充分控制炉内燃烧气氛，特别适用于预热高气温度高的场合，燃烧稳定，使用安全 可靠。
[0018] 进一步的是，所述送料机构包括履带式输送机、进料推料机和出料推料机，所述带 式输送机从物料专用压机延伸至位于窑体进料端的轨道处，所述进料推料机和出料推料机 分别与物料专用压机位置和台车位置对应。
[0019] 进一步的是，还包括出料机和防氧化池，所述出料机位于窑体出料端并与台车台 面对应，所述出料机的出口与防氧化池相连。
[0020] 进一步的是，所述出料机包括螺旋出料机和挡铲；所述挡铲朝向来料方向的一面 为圆弧面，所述圆弧面的轴线与来料方向垂直并与台车台面平行；所述挡铲与螺旋出料机 的入口相对应。
[0021] 进一步的是，所述螺旋出料机的螺旋轴为中空状，螺旋轴上设置有进水端和出水 端；所述挡铲的内部设置有冷却水腔，冷却水腔上分别设置有进水口和出水口。
[0022] 进一步的是，所述台车的工作面层采用铬刚玉抗碱高强浇注料。
[0023] 进一步的是，所述台车的工作面层上设置有燃烧孔，所述燃烧孔位于工作面层的 侧壁。
[0024] 进一步的是，所述隧道窑还包括水封结构，所述水封结构包括水封槽、固定刀和活 动刀，所述水封槽位于窑体底部，所述固定刀固定安装在窑体底部处，所述活动刀安装在台 车底部，所述固定刀与活动刀通过与水封槽内液体配合以密封台车与窑体底部之间的缝 隙。
[0025] 进一步的是，所述水封结构还包括刮渣板，所述刮渣板安装在活动刀底部并位于 水封槽内。
[0026] 进一步的是，所述窑体为复合砌体，其内衬采用耐火浇注料整体浇注而成，外层采 用双层轻质隔热材料进行绝热。
[0027] 进一步的是，所述隧道窑在纵断面上则按照气体、压力、温度关系设计为阶梯参数 式通道。即隧道窑在纵断面上的压力、温度变化呈阶梯状，而不是在整个隧道窑内均相同。
[0028] 本发明的有益效果是：由于将炉膛分隔成了燃烧室和反应室，这使得带孔物料块 不会受到直接加热，而是通过导热材料板将燃烧室中的热量传导到反应室中，在连续加热 运行中，燃烧室的热能能够与反应室的热能接近平衡，从而加热带孔物料块，同时由于带孔 物料块本身具有蜂窝孔，由此使得物料块在各个位置受到的加热程度是接近的，也就是物 料块的内外温差非常小，这种间接加热的方式就破解了"蛋壳"效应。

【专利附图】

【附图说明】
[0029] 图1是本发明第一种实施方式的结构示意图；
[0030] 图2是本发明第二种实施方式的结构示意图；
[0031] 图3是本发明横截面的示意图；
[0032] 图4是本发明进料处的横截面示意图；
[0033] 图5是台车工作面的示意图；
[0034] 图6是图5的A-A向示意图；
[0035] 图中零部件、部位及编号：物料专用压机1、窑体2、轨道3、台车4、导热材料板5、 燃烧室6、反应室7、顶烧嘴8、侧烧嘴9、带式输送机10、进料推料机11、出料推料机12、出料 机13、防氧化池14、排烟通道15、工作面层16、热电偶17、燃烧观察孔18、冷却水池19、带孔 物料块20、水封结构21。

【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0037] 本发明的方法包括以下步骤：
[0038] A、使用攀枝花地区粒度为-320?100目的钒钛磁铁精矿粉，其化学成分为TFe 58. 62%，Ti028 . 49%，V2050. 721%，Si023. 19%，S 0· 42%，P 0· 015%，与粒度-20 ?30 目 的煤粉和钠盐催化剂按质量比3?4 :0. 8?1. 2:0. 3?0. 4的比例混匀；在采用其它原料 时应根据情况适当更改比例。
[0039] B、将混匀后的物料压制成带孔物料块20,带孔物料块20上形成有蜂窝孔；将配伍 混匀好的物料装入设计制作好的模具内，用680吨的压机压制成类似蜂窝煤球状的块状物 料块，密度达到2. 7g/cm3,带孔物料块的孔径02〇-3〇mm，孔间隔l〇-12mm，带孔物料块20的 块度与专用的向台车表面布料的布料机相匹配，如图1中的带孔物料块20的形状和在台车 面上的布置。这样，一方面增大了带孔物料块20受热的表面积，其孔洞使物料受热均匀；台 车4的耐火材料工作面层在长期连续运行中也达到并保持一定温度，也可以从带孔物料块 20底部向带孔物料块20传热，另一方面压机将带孔物料块20压制的更为密实，使得粉料密 度由1. 7g/cm3经过压制后密度达到2. 7g/cm3,带孔物料块20中的煤达到一定温度后燃烧生 成的C0逸出阻力增加，有利于还原反应进行地彻底。同时，即使粉料和物料压块受热传导 速率接近，那么在台车面上一立方米的空间内多存放一吨物料，使得生产效率高而成本低。
[0040] C、将带孔物料块20送入隧道窑中直接还原，其中隧道窑的炉膛用导热材料板5隔 开成上下两层，形成燃烧室6和反应室7 ;带孔物料块20被送入反应室7中，利用燃烧室6 中产生的热量间接加热带孔物料块20。
[0041] 根据工艺要求在反应室内的气氛采用变频调节与炉压调节阀双控制，反应室7的 压力控制在+20?_+50Pa之间。C0在线气体分析仪装于引风机前，当烟气C0超过规定值 时，通过电动执行阀控制掺入高温烟气段的风量，使得C0与氧气再燃烧，这部分的C0因保 证适量值而确保还原效果。
[0042] 本方法推荐采用计算机三级集散控制系统：上位管理级，由高性能的工业级计算 机和打印设备组成。配有工业控制的专用软件，主要完成对工艺设备运行状态的监视和报 表打印的功能，包括：总貌的运行显示、热工参数的显示、重要参数的曲线显示、报警显示 等，相关的修改，流量的积算，系统数据的存储；过程控制级，由PLC、电源、通讯单元、各种 输入及输出模块等组成。主要完成信号的采集、系统的控制及通讯；现场操作级，在仪表盘 及电控盘上设置自动（切至计算机控制）和手动（切换至就地控制）方式，且安装有维持 工艺设备正常运行的必备的仪表。手动方式可脱离开计算机控制系统，在仪表柜及电控柜 上直接对热工参数的控制进行操作。
[0043] 隧道窑的炉温控制采用连续比例控制方式，热电偶接入的温度经温控仪比较后输 出（以下信号制均采用4?20mA)控制大小信号给各段总管上的空气、煤气调节阀来控制 阀位的大小，从而调节空气、煤气的供给量实现温度的调节控制。空气、煤气调节阀同步执 行，但它们在计算机上有一个分配比例设定值（K值0. 8?1. 2)，通过设定该值来完成空气 和煤气的自动配比，该值可根据流量孔板检测的流量值和炉内实际状态选择。
[0044] 隧道窑的炉内烟气有二部分组成，煤气燃烧产生烟气量和补燃空气进入与C0燃 烧产生烟气量，通过排烟口流出。炉内烟气流向为逆炉底转动方向，烟气经排烟口排出后通 过沉降室A将灰尘适当沉降，烟气分两股流过两组空气换热器，两组分别助燃空气和补燃 空气。经过两组空气换热器后的烟气温度约降至620°C左右，这两股烟气再汇流后进入沉降 室B再进入煤气换热器。空气入口温度20°C，经热交换其出口温度550°C左右；煤气入口温 度20°C，经热交换其出口温度可达到300°C左右，达到节能降耗的效果。
[0045] 下面通过实施例来介绍本发明方法：
[0046] 实施例1:采用本方法制备还原铁粉
[0047] 将100g攀枝花钒钛铁精矿（含铁：59%、含钛：9%、粒度一200目）、20?30g煤 粉（粒度一 10目?20目）、1.1?1.5g钠盐混匀（可造型），在1150°C的温度下预热10? 2011^11，13001：的温度下还原25?351^11，出料水冷后得到品位为70?80%金属化烧结块， 金属化烧结块经破碎、选矿得到一次还原铁粉，铁品位为98 %，铁收率达到95 %，剩余尾矿 铁品位10?15%，铁收率3?4%，钛品位39?40 %，尾矿钛收率80%，一次还原铁粉于 600?800°C经过氢气还原得到铁品味大于99. 5%的二次还原铁粉。
[0048] 实施例2:采用本方法制备还原铁粉
[0049] 将100g攀枝花钒钛铁精矿（含铁：55%、含钛：10%、粒度一200目）、20?30g煤 粉（粒度一 10目?20目）、1.1?1.5g钠盐混匀（可造型），在1150°C的温度下预热10? 2011^11，13001：的温度下还原25?351^11，出料水冷后得到品位为70?80%金属化烧结块， 金属化烧结块经破碎、选矿得到一次还原铁粉，铁品位为97. 3%，铁收率达到95%，剩余尾 矿铁品位10?15%，铁收率3?4%，钛品位39?40%，尾矿钛收率80 %，一次还原铁粉 于600?800°C经过氢气还原得到铁品味大于99. 5%的二次还还原铁粉。
[0050]

【权利要求】
1. 用于铁矿粉直接还原的方法，其特征在于：包括以下步骤： A、 将磁铁精矿粉、煤粉与催化剂混匀； B、 将混匀后的物料压制成带孔物料块（20)，带孔物料块（20)上形成有蜂窝孔； C、 将带孔物料块（20)送入隧道窑中直接还原，其中隧道窑的炉膛用导热材料板（5)隔 开成上下两层，形成燃烧室（6)和反应室（7);带孔物料块（20)被送入反应室（7)中，利用 燃烧室￠)中产生的热量间接加热带孔物料块（20)。
2. 权利要求1所述的用于铁矿粉直接还原的方法，其特征在于：在A步骤中，使用粒度 为-320?100目的钒钛磁铁精矿粉与粒度-20?30目的煤粉和钠盐催化剂按质量比3? 4 :0· 8?L 2: 0· 3?0· 4的比例混匀。
3. 权利要求1所述的用于铁矿粉直接还原的方法，其特征在于：在B步骤中，所述带孔 物料块（20)的密度不小于2. 7g/cm3,蜂窝孔孔径02〇-3〇mm。
4. 权利要求1所述的用于铁矿粉直接还原的方法，其特征在于：在C步骤中，反应室 (7)的压力控制在+20?-+50Pa之间。
5. 权利要求1所述的用于铁矿粉直接还原的方法，其特征在于：在C步骤中，所述隧道 窑呈环形。
6. 权利要求1所述的用于铁矿粉直接还原的方法，其特征在于：在C步骤中，所述反应 室（7)分为三段温区，带孔物料块（20)在三段温区中的运行时间比例分别是：温度1150°C 占1/3,温度1300°C占5/9,炉内自然缓冷占1/9。
7. 用于铁矿粉直接还原的设备，包括物料专用压机（1)、送料机构以及隧道窑，所述物 料专用压机（1)通过送料机构为所述隧道窑供料，所述隧道窑包括窑体（2)、穿过窑体（2) 的轨道（3)、设置在轨道⑶上的台车⑷和布设在窑体⑵上的燃烧系统，其特征在于：所 述物料专用压机（1)的模具上设置有蜂窝孔成型结构；所述隧道窑还包括导热材料板（5)， 所述导热材料板（5)设置在窑体（2)内，并将台车（4)台面与窑体（2)窑顶之间的炉膛分 隔成上下两层，其中上层为布设燃烧系统的燃烧室￠)，下层为反应室（7)。
8. 如权利要求5所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述导热材料板（5) 为碳化硅板，所述碳化硅板为拱顶朝向窑顶的拱形结构。
9. 如权利要求5所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述隧道窑呈环形， 所述窑体（2)沿轴线设置成圆弧形，所述轨道（3)为圆环形，所述窑体（2)圆周方向上的两 端分别为进料端和出料端。
10. 如权利要求9所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述燃烧系统包括 设置在燃烧室（6)顶部的顶烧嘴（8)和设置在燃烧室（6)外侧壁的侧烧嘴（9)。
11. 如权利要求7所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述送料机构包括 履带式输送机（10)、进料推料机（11)和出料推料机（12)，所述带式输送机（10)从物料专 用压机（1)延伸至位于窑体（2)进料端的轨道（3)处，所述进料推料机（11)和出料推料机 (12)分别与物料专用压机（1)位置和台车（4)位置对应。
12. 如权利要求7所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：还包括出料机（13) 和防氧化池（14)，所述出料机（13)位于窑体（2)出料端并与台车（4)台面对应，所述出料 机（13)的出口与防氧化池（14)相连。
13. 如权利要求12所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述出料机（13) 包括螺旋出料机和挡铲；所述挡铲朝向来料方向的一面为圆弧面，所述圆弧面的轴线与来 料方向垂直并与台车（4)台面平行；所述挡铲与螺旋出料机的入口相对应。
14. 如权利要求12所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述螺旋出料机 的螺旋轴为中空状，螺旋轴上设置有进水端和出水端；所述挡铲的内部设置有冷却水腔，冷 却水腔上分别设置有进水口和出水口。
15. 如权利要求7所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述台车（4)的工 作面层（16)采用铬刚玉抗碱高强浇注料。
16. 如权利要求15所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述台车（4)的 工作面层（16)上设置有燃烧孔，所述燃烧孔位于工作面层（16)的侧壁。
17. 如权利要求7所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述隧道窑还包括 水封结构（21)，所述水封结构（21)包括水封槽、固定刀和活动刀，所述水封槽位于窑体（2) 底部，所述固定刀固定安装在窑体（2)底部处，所述活动刀安装在台车（4)底部，所述固定 刀与活动刀通过与水封槽内液体配合以密封台车（4)与窑体（2)底部之间的缝隙。
18. 如权利要求17所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述水封结构 (21)还包括刮渣板，所述刮渣板安装在活动刀底部并位于水封槽内。
19. 如权利要求7所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述窑体（2)为复 合砌体，其内衬采用耐火浇注料整体浇注而成，外层采用双层轻质隔热材料进行绝热。
20. 如权利要求7所述的用于铁矿粉直接还原的设备，其特征在于：所述隧道窑在纵断 面上按照气体、压力、温度关系设计为阶梯参数式通道。
【文档编号】C21B13/00GK104152620SQ201410431152
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】何德武, 桑曙光, 安冬 申请人:攀枝花市立宇矿业有限公司