[发明专利]熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法

说明书

技术领域

本发明属于钢铁冶炼领域，特别涉及熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法，特别适用于采用我国的精矿粉与进口矿中的筛下铁矿粉生产铁水。

背景技术

在现有技术中，高炉炼铁工艺是现代钢铁工业的主要炼铁流程，但由于高炉炼铁工艺流程复杂、能耗高、污染大，投资大，人们也试图开发出各种非高炉炼铁工艺。

熔融还原炼铁法是一种非高炉炼铁工艺。COREX流程是一种比较成熟的熔融还原流程，在南非、韩国、印度等国家已实现工业生产。COREX流程就是将矿石的还原和熔融分开在两个炉子中进行，采用预还原竖炉及熔融气化炉分别对铁矿石进行预还原和熔化。从还原竖炉排出的预还原矿石的还原率约为95％，料温为800～900℃。熔融气化炉的任务是熔化预还原矿石及产生还原性煤气。COREX流程的突出优点是以非焦煤为能源，摆脱了高炉炼铁对优质冶金焦的依赖，有利于环保。但是COREX流程也存在一定问题：

(1)生产效率偏低，由于竖炉预还原采用块矿，气固接触面积小，反应速度慢，而熔融气化炉的反应速度很快，造成预还原炉和终还原炉的生产效率很难匹配。COREX流程的设备综合利用系数仅为0.9吨/立方米·天，大大低于高炉的利用系数指标。

(2)只能使用块矿或球团矿，不能使用粉矿。显然COREX流程无法直接使用我国的精矿粉。国外进口的块矿，也存在一定比例的粉矿，也不适用于COREX流程。

韩国POSCO的Finex以3级普通流化床取代COREX工艺中的还原竖炉，用普通流化床还原粉矿、压块成热压铁块再加入熔融气化炉，克服了COREX不能使用粉矿的缺点。此工艺适合使用粒度1～10mm的粉矿。另外，由于Finex流化床采用较高的预还原温度(850℃左右)，高的预还原率(90％左右)，粘结失流问题无法根本性解决，从而影响操作的连续性和稳定性，此外，由于使用粒度较大的粉矿，气固反应速度依然较慢。这些都是Finex工艺进一步发展所面临的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高预还原反应器的还原速度和设备利用系数，实现低能耗、防粘结失流效果好、环境良好、生产成本低的熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法。

根据上述目的，本发明方法的原理为：

从反应动力学和传输原理角度出发，块度越大，能量交换速率和物质转化效率就越低，能源使用效率也就越低，单位产品的能耗和CO₂排放量也就越大。例如，单个粒度为φ30mm块矿的比表面积为200m^-1，而同样质量的1mm粉矿的比表面积则为6000m^-1，同样质量的0.1mm的粉矿的比表面积达到60000m^-1，同样质量的0.01mm的粉矿的比表面积竟达到6×10⁵m^-1。很显然，细微粉矿与气体的反应条件远远优于块状料与气体的反应条件，大大地改善了反应的扩散条件。同时经过球磨后的细微铁矿粉表面活性和晶格畸变也大大增加，有利于降低还原反应的表观活化能，还原效率可以大幅度提高。另一方面，铁矿粉在球磨机中细磨过程中，部分机械能能够转换为细微铁矿粉的内能，有利于提高还原性气体的利用率，降低吨铁的气体消耗量。我们的研究表明，当铁矿粉的粒度磨细到40微米以下时，在700℃左右条件下，反应时间不超过5min，使用CO、H₂还原性气体就可实现80％左右的还原率，而1mm左右的铁矿粉，则需要数十分钟才能达到相近的还原率。

虽然粉体越细，越有利于气固反应，但是长期以来的炼铁反应器并不能使用粉矿，并对粉体的粒度有着明确的范围。例如，高炉和COREX流程，铁矿的粒度一般在10～40mm。即使Finex流程，也仅使用粒度1～10mm的粉矿。可见，目前的炼铁流程，并不利于高效率快速生产，主要原因还是这些反应器及相应的工艺技术参数并不适合细微铁矿粉的还原与冶炼。

根据以上分析，熔融气化炉的冶炼速度是相当迅速的，而竖炉预还原反应器及普通流化床预还原反应器与熔融气化炉的冶炼速度匹配不尽如人意，导致整个流程生产效率低下、吨铁能耗增加。因此本发明重点是研究与熔融气化炉相匹配的预还原反应器及工艺技术，形成一条快速、高效、低能耗及环境良好的新型熔融还原流程。