一种冷固结铁碳球团、其制作方法及作为竖炉、高炉炼铁炉料的应用

技术领域

本发明属于钢铁冶炼技术领域，涉及高炉炼铁技术和高炉原料制备技术。

背景技术

现在全世界都在为减少CO₂的排放二努力，而钢铁工业正是消耗能源的大户，而炼铁又是其中最大的大户，降低炼铁的能源消耗是我们主攻的方向。

钢铁工业的迅速发展已成了我国国民经济持续、稳定发展的重要支撑条件，并促进了相关产业的发展和技术进步。现在炼铁生产主要依靠高炉来进行，传统的高炉炼铁法已有一百多年的发展历史，它在世界上的炼铁行业中一直占据绝对主导地位。伴随着现代化炼铁技术的日趋完善，高炉炼铁系统从原燃料准备到炼焦、烧结、再在高炉中炼成铁，已经变得极其复杂和庞大。但是，传统的高炉炼铁法不仅在理论上，而且在生产上还都存在着严重的缺陷，阻碍了钢铁工业的发展。

从理论上来看它是一种低效率的炼铁方法

高炉的还原机理主要依靠CO来还原铁的氧化物(称为间接还原)，是在气固相之间进行还原反应，为此高炉冶炼要求高炉必需要有良好的透气性，因此高炉的原燃料必需是块状的。但是从气固相间还原反应来看，还原反应是在矿石的表面进行的，块状矿石内部的还原反应，要靠还原剂CO渗透来进行，这种渗透要突破固态矿石的表层，阻力是很大的，特别是对粒度较大的矿石、较致密的矿石渗透阻力更大，甚至无法渗透。缩小粒度固然有利于铁矿石的还原，但它将使高炉的透气性恶化，所以不可能再缩小矿石的粒度。矿石由于CO渗透阻力的影响，大大延长了在炉内还原的时间。从高炉生产实践来看，冶炼周期长达六七个小时。尽管如此矿石在下降的过程中还是来不及完成还原反应，块状矿石的内部根本就无法进行气固相间的间接还原反应，有一部分矿石必然在熔融后进入炉缸，它将以液态与焦炭进行直接还原来完成还原反应(即C+FeO＝Fe+CO)，应特别注意，这里的直接还原消耗的是焦炭。因此高炉内铁的还原反应时间长，从还原动力学的角度来看它是不合理的，从理论上决定了高炉的生产效率是不高的，所以说现在的高炉炼铁法实际上是一种低效率的炼铁方法。

2.从原燃料的加工过程来看它的缺陷

A.主要燃料焦炭价格昂贵，资源和能耗浪费严重。

为了维持高炉必要的的透气性，高炉需要高强度的焦炭作为它的主燃料。而炼焦工艺非常复杂，决定了它的生产成本很高，还由于大部分的煤都不能用来炼焦，只有几种特定的煤种才能炼焦，其中最重要的焦煤更是资源稀缺，促使焦炭价格昂贵，要达普通煤的三到四倍以上。

焦炭还要经过筛分才能入炉，将有25％的焦炭成为筛下焦而不能入炉，形成资源的浪费。炼焦是一次高温加热干馏的过程(达1000℃以上)。而焦炭在入炉时却又必须将其冷却到常温，进入高炉后又再次被加温到高温状态进行燃烧，这种重复的加热过程造成了热能的浪费。

B.烧结矿的加工过程浪费更为严重

烧结矿(包括球团矿)的生产工艺同样非常复杂，在烧结矿的生产过程中，为了让烧结矿满足高炉的粒度要求，中间要经过破碎和筛分的工序，这将产生大量的返矿，将有30％以上成了废品。虽然它仍将返回参加烧结配料，但又多了一次重复加工的过程，这大大降低了烧结矿的生产效率。往返的运输及重新烧制，既浪费了人力又增加了能耗，这使烧结矿的成本无谓地上升。

烧结矿的生产同样也是一个高温烧结的过程(达到1300℃以上)，而在装入高炉以前同样也需要冷却到常温。所以从矿石到炼成铁也重复了一次加热的过程，增加了能源的消耗。

C.炼焦、烧结给环境带来严重的污染

众所周知炼焦、烧结是钢铁厂两个重大的污染源。炼焦厂具有著名的黑色污染和毒气污染，工人们的健康正遭受着严重的威胁。在经济发达的国家都将焦炉建到不发达国家去，将污染转嫁到别人的身上。

烧结厂则以红色污染为特征，尽管到处设置庞大的除尘系统，但烧结粉尘仍然大量飞散，因此烧结厂的周围呈现一片红褐色，这些粉尘是矽肺病的主要根源。

总之炼焦、烧结对环境造成的危害已成了人们非常头痛的心病。

所以说现在的高炉炼铁法实际上并不是理想的炼铁方法，它的生产效率不高，浪费大量的能源，庞大的系统要花费巨额的投资，占用大片的土地，还给环境带来了严重的污染，这些都是发展钢铁工业的障碍，因此对高炉炼铁进行革命性的变革迫在眉急。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种能满足高炉生产对冷热强度要求的冷固结铁碳球团制备方法，并将其运用到高炉炼铁中，实现了碳素两次还原的炼铁方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种冷固结铁碳球团，其特征在于所述铁碳球团由下述质量配比的组份制成：铁精矿粉60％～75％，煤粉10％～25％，熟石灰粉15％～25％。本发明选择消石灰Ca(HO)₂作为冷固结铁碳球团的粘接剂，它是CaO的水合络合物，具有良好的粘接性能，它资源丰富、价格便宜，在炉内经高温分解成结晶CaO，既能保持球团高温强度，在熔融时又可作为造渣的熔剂；此外，消石灰Ca(HO)₂不含对冶炼有害的物质，具有良好的加工性能，并且价格低廉，确保冷固结铁碳球团满足作为炼铁炉料必须具备的冷强度和热强度。

上述铁碳球团的质量配比为铁精矿粉70％、煤粉15％、熟石灰粉15％，其中所述铁精矿粉的各主要成份含量分别为Fe 52.4％、SiO₂ 14.3％、CaO 2.1％；所述煤粉含固定碳为83.6％，其灰份14.1％、挥发份2.2％；所述熟石灰粉含CaO 80.4％、SiO₂ 4.5％。

上述冷固结铁碳球团制作方法，包括如下步骤：

(1)将上述质量配比的铁精矿粉、煤粉、熟石灰粉配制成混合料；

(2)把混合料一起送入球磨机研磨；

(3)将研磨成粉状的混合料送入圆盘造球机，随造球机圆盘转动的同时向混合料中加适量水进行滚动制球，控制圆盘倾斜角度，使成型的铁碳球团粒径达到10mm～25mm时自动出球，经过自然干燥便可入炉。

最好，步骤(2)中所述混合料各组份经研磨后的粒度均应为负200目的占70％以上。

滚制成型的铁碳球团中水的含量为7％～12％。

冷固结铁碳球团作为高炉炼铁炉料的应用，冶炼时高炉内的冷固结铁炭球团的极限用量为矿批重量的50％，烧结矿和/或铁矿石含量应≥矿批重量的50％。铁炭球团可以像一般高炉炼铁炉料一样，从炉顶料口加入炉内，铁炭球团的使用比例可以由少到多逐步改变，根据高炉的适应情况逐步进行负荷的调整，第一次可以加入矿批重量的10％，待高炉稳定后再逐步增加使用比例，以后每次增加5％，但铁炭球团用量不大于矿批重量的50％。这个变化过程将不影响高炉的正常生产，使用铁炭球团后焦比将大幅度降低，冶炼速度将明显加快，这将大幅度提高高炉的产量和降低生产成本。

冶炼中所使用的竖炉包括高炉、化铁炉、冲天炉及其他各种加热形式的竖炉，为了充分利用直接还原反应所产生的CO进行二次还原，将铁碳球团输入竖炉内的同时还将保留部分烧结矿和铁矿石，为使冶炼时效益最大化，炉内烧结矿和矿石应≥50％，相应地铁炭球团在高炉内极限用量为50％，这时焦炭负荷仍将增加70％以上，如果原来的风量不变，那冶炼速度将提高70％以上，成倍地提高了冶炼效率。

本发明提供的冷固结铁碳球团的冷强度表现良好，球团压溃强度为72kg/个，高炉矿槽下的筛下率小于1％，几乎没有破损；实验室热强度检测的结果，球团经1100℃还原冷却后的压溃强度达到200kg/个以上，加热过程中均无热爆裂和还原粉化现象。冷固结铁碳球团满足作为高炉炼铁炉料必须具备的冷强度和热强度，保证铁碳球团在运输、存储、卸仓、入炉的过程中不破碎，能经受风雨、严寒、酷热等恶劣气象条件的考验，入炉后遇到高温不爆裂，在还原气氛下不发生还原粉化。

下面通过图表说明冷固结铁碳球团作为高炉炉料两次还原炼铁的基本原理：

铁矿石的间接还原和直接还原反应式列表如下：

铁的氧化物进行间接还原(1～3)和直接还原(4～6)的反应式

铁碳球团是由铁精矿粉、煤粉、熟石灰粉均匀混合制成的球团矿，由于铁的氧化物和还原剂C均匀混合、紧密接触，只要一达到还原的温度，立即就能进行直接还原反应。从还原动力学上来讲，这是一种快速高效的还原方式。

从表中可见除了Fe₂O₃+C的直接还原在390℃外，其他的直接还原均在800℃左右。而所有的间接还原温度都在300℃以下。所以铁碳球团中直接还原所产生的CO，在高炉内上升的过程中还必将参加间接还原。这样铁碳球团中的C经一次直接还原后，还有一次间接还原，也就是说一个C元素它将还原出两个O原子，这比传统高炉的间接还原的效率整整提高了一倍，使炼铁还原剂的消耗量减少一半，从而大大降低了焦比。除此之外铁碳球团中的煤粉又替代了原来使用的焦炭，以煤代焦又进一步减少了焦炭的使用量，可以产生极其巨大的降低焦比的作用。

由于铁碳球团中的C是在直接还原时就被消耗掉了，它不再参加风口前的燃烧，又由于焦比大大降低，矿石负荷必将大大增加，在高炉冶炼的条件下，如果维持风量不变，就意味着高炉的产量将大幅度提高。由于铁炭球团的C经一次还原后，产生的CO的还将进行二次还原，可用于矿石的还原，为了充分利用它的二次还原，冶炼时炉内还应使用50％的烧结矿或矿石，因此铁炭球团的极限用量为50％。按现代大型高炉生产的技术指标来看，如果原来的风量不变，那冶炼速度将成倍提高。高炉将成倍地提高效率，它将使炼铁进入一个全新的时代。

综上所述，本发明提供了一种“碳素两次还原炼铁法”，在冶炼时，铁碳球团中的C经一次直接还原后，还有一次间接还原，也就是说一个C元素它将还原出两个O原子，将大大降低焦比和大幅度地提高高炉的产量。