发明内容

本发明涉及一种铁精矿回转窑煤基氢冶金-热造块-电炉生产半钢工艺，采用高挥发份煤做还原剂及燃料，以回转窑为煤基氢冶金核心还原设备，在窑内实现煤的充分热解过程与铁精矿冶金还原过程在热态下的高度集成，将H₂作为铁精矿还原过程的主力还原剂，降低还原温度、缩短还原时间、降低系统能耗及大幅度提高产能，同时铁精矿在还原过程中进行热造块，高温还原块料经无氧冷却、干式磁选后，得到的磁性物料经干磨干选机、铁粉冷压机后，得到的金属块料与金属化块料一同加入到电炉中进行还原，可得到半钢水。

一种铁精矿回转窑煤基氢冶金-热造块-电炉生产半钢工艺，包括如下步骤：

（1）将粒度3-15mm高挥发份煤筛分为3-8mm的细粒煤和8-15mm的粗粒煤；高挥发份煤为褐煤，其挥发份含量35-49%、固定碳含量44-55%。

（2）将铁精矿与液相调质剂按照100:（0.5-1）的比例进行配料、混料、造球，得到的粒度3-15mm球团矿，将球团矿与粒度大于1mm残炭从回转窑入料端加入到窑内；液相调质剂为碳酸钠或碳酸钾；

混合物料在回转窑内随窑体旋转过程中不断进行翻转，同时混合物料从入料端流向出料端方向流动；混合物料在回转窑内流动过程中，与逆流而来的高温烟气进行热交换，可使混合物料温度升高的同时，烟气温度逐渐降低；当混合物料的温度升高到100℃以上时，铁精矿中机械H₂O脱除干净，其温度升高到200-300℃时化合H₂O开始脱除；当铁精矿行进到回转窑氢冶金焙烧区前段时，其温度达到800℃左右，此时残炭中的碳与铁精矿中的铁氧化物开始进行还原反应，反应产出的CO₂气体又与残炭中的碳进行碳气化反应产出CO气体，CO作为还原剂还原铁精矿中的铁氧化物，从而形成一个耦合效应，使铁精矿的还原反应持续进行下去；在铁精矿加入到回转窑内时配加了一定比例的残炭，可使铁精矿在还原过程中产生的CO₂全部用来进行碳气化反应，从回转窑料层内排出的气体中CO含量高达80-90%，这部分气体可作为回转窑燃料在炉膛内部燃烧。

还原60-70min时，铁精矿还原的金属化率达到70%左右、混合物料温度达到1000℃左右时，从回转窑出料端采用压缩空气分别将8-15mm粗粒煤以及3-8mm细粒煤沿窑长方向按工艺需求，喷吹分布到回转窑氢冶金焙烧区的前段及中段，随高温铁精矿翻滚进入料层并实现均匀混合；控制铁精矿在回转窑内还原时间控制为80-100min、还原温度控制为1050-1100℃；混合物料在回转窑内依次经过干燥预热区、中温还原区、高温还原区、热造块区域时，通过混合物料的干燥升温、铁氧化物还原，完成铁精矿的还原及造块过程。

铁精矿品位为50-65%、SiO₂含量10%以下；粒度大于1mm残炭加入量为球团矿质量的10-20%；8-15mm粗粒煤和3-8mm细粒煤加入总量为铁精矿总量的28-37%。

（3）铁精矿还原后产出的高温还原物料从回转窑出料端排出后，进入到无氧冷却装置中与鼓风机鼓入的常温空气进行间接换热，使还原物料的温度降低到150℃以下，同时将鼓风机鼓入的常温空气预热到500-600℃，预热空气从回转窑窑头吹入作为回转窑的助燃空气进行利用；

（4）从无氧冷却装置中排出的还原物料采用干式磁选机进行干式磁选，可得到磁性物料和非磁性残炭；非磁性残炭采用振动筛进行粒度分级，将粒度分为0-1mm和大于1mm两个粒级范围，粒度0-1mm残炭作为煤灰进行排放，粒度大于1mm的残炭返回到配料系统进行利用；磁性物料经振动筛筛分后，得到0-10mm磁性物料和大于10mm金属化块料；0-10mm磁性物料经干磨干选机后，可得到尾渣和金属化铁粉，尾渣进行外排；铁粉经铁粉冷压机压块后，得到的金属块料与大于10mm金属化块料一起加入到电炉中，通过电炉的深度还原和渣铁分离，得到半钢水和炉渣，炉渣作为建材进行利用，半钢水经吹氧冶炼后可得到纯净钢水。

本发明从回转窑入料端排出的600-700℃高温烟气进入到余热锅炉中与常温水进行间接换热，在使高温烟气温度降低到200℃左右的同时，可使水汽化成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽可供给其它用户进行利用；低温烟气再经除尘系统净化后，洁净烟气由抽烟机加压后进行排放。

本发明在回转窑的窑体前端和中端沿窑长方向设置2-4台窑背风机，窑背风机将常温空气沿窑长方向按工艺需求供入到窑内，可在调整窑内温度沿窑长方向分布的同时，鼓入的助燃空气将回转窑内燃烧空间中的可燃气体处置干净。

本发明的原理如下：

本发明铁精矿及残炭组成的混合物料加入到回转窑后，在窑内翻滚行进过程中受热，其温度不断升高，当混合物料行进到回转窑窑体中段时，料温将达到1000℃以上，此时从回转窑出料端喷入高挥发份煤，并使其沿窑长方向按工艺需求分布到窑体前段及中段，高挥发份煤随物料翻滚进入料层并与其他物料均匀混合，此时在回转窑内形成了由铁精矿、残炭、高挥发份煤混合构成的料层区域，在这一区域的热态料层内一定会发生以铁精矿中的氧元素、高挥发份煤中的氢元素、呆滞炭中的碳元素联合主导的以煤充分热解过程、水气化碳过程、铁氧化物还原过程在热态下高度集成的氢冶金过程。

在回转窑氢冶金焙烧区料层内部，高挥发份煤充分热解产生的H₂将在热态下直接作为还原铁氧化物的还原剂，产生的带有活性颗粒碳的高温呆滞粒炭会随料层翻滚行进。H₂还原铁氧化物后产生的H₂O会与带有活性颗粒碳的高温呆滞粒炭进行碳气化反应生成H₂和CO，H₂再作为还原剂还原铁氧化物，又生成新的H₂O......产生剧烈的耦合效应；由于化学反应的选择性，绝大部分CO将从料层内部溢出，进入到回转窑燃烧空间内作为燃料使用。只有当料层内高挥发份煤挥发份完全析出后，铁精矿才会与高温呆滞炭进行以CO₂为气化剂的碳气化反应为核心的系列冶金还原反应。

本发明球团矿入窑后，由于球团矿的强度较低，物料在窑内行进过程中会产生粉化现象，物料粉化后会影响传热效果，从而影响铁精矿的还原质量，加入液相调质剂后，可使物料内部产生液相而进行二次造粒。

回转窑铁晶须造块：回转窑对铁精矿进行煤基直接还原时，通过在铁精矿中配入残炭粉制粒后进入回转窑，在窑内行进的过程中预热、干燥并开始预还原，此时铁精矿的还原过程主要为颗粒碳基还原，颗粒铁氧化物被不断还原成金属铁，并伴有“铁晶须”大量生成。在焙烧前段，通过控制料温在850℃左右，实现低温焙烧还原；由于回转窑热加工的传热特点，粉状物料在高温区的受热直接来自两个方面，一是火焰对料层表面的辐射传热，二是未覆盖物料的窑壁对料层表面的辐射传热，料层表面的温度远高于平均料温，易在料层表面产生少量的液相；同时，由于“铁晶须”的大量生成，物料在焙烧翻滚过程中相互交叉、团聚开始二次制粒，形成强度较高的含碳金属化块状物料。

本发明为提高金属化块料的粒度和强度，在铁精矿造球前加入了液相调质剂，铁精矿中铁氧化物在回转窑内还原成金属铁后，其物料内部会产生大量空隙而使强度降低，为提高物料的强度，同时增大物料造块粒度，液相调质剂高温液化后产生的液相可使物料内部的空隙产生收缩，从而提高了物料强度，同时物料表面产生的液相，可粘附窑内周围的粉状物料，从而增大物料的造块粒度。

氢冶金回转窑结圈的自清洁：铁精矿在回转窑内还原过程中配入过量的还原煤，在还原结束时物料内部还残留一部分残炭，当还原物料在窑内高温熔化并粘附在回转窑内表面并形成挂料时，所挂物料中含有一定量的残炭；当所挂物料随回转窑旋转到物料上方的窑膛空间时，在窑内高温烟气的作用下其含有的残炭会发生燃烧，残炭燃烧产生的热量可使残炭周围的所挂物料温度升高，在所挂物料中就会出现因局部膨胀量的不同在物料内部产生热应力现象，当热应力积累到一定程度时就会出现所挂物料的掉落。

本发明根据含碳金属化块料在电炉内深度还原的需要，为使回转窑生产的含碳金属化块料中残留0.5-5%的碳，根据铁精矿铁品位的不同，在铁精矿还原中喷入了重量比较高的高挥发份煤。

本发明在铁精矿还原过程中从窑头通过喷枪向窑内喷入了过量的高挥发份煤，高挥发份煤受热过程中挥发出大量H₂，可在铁精矿高温还原过程中制造出较高还原气氛浓度。由于H₂的分子半径相比CO小得多，其还原能力和气体穿透能力较好，还原过程不需较高的温度就可使铁氧化物得到还原。根据铁精矿还原温度越高其能耗越大的情况，为降低回转窑在铁精矿还原过程中的能源消耗，铁精矿还原采用了1050-1100℃的还原温度。

本发明的有益效果：

（1）本发明摒弃了钢铁企业传统的“烧结-焦化-炼铁-炼钢”高温半钢生产工艺，采用较短的回转窑直接还原、电炉深度还原生产工艺，以高挥发份煤作为还原剂及燃料，以铁精矿为原料，通过回转窑高温焙烧生产金属化块料，金属化块料加入到电炉中经过深度还原及渣铁分离，可生产出高温半钢水。

（2）本发明在回转窑内铁精矿还原过程中，煤炭加热升温放出的还原性气体、碳气化反应产生的气体进行铁精矿还原，可提高铁精矿还原过程中还原气体浓度，缩短铁精矿的还原时间，提高铁精矿还原质量。

（3）回转窑对铁精矿进行煤基直接还原时，通过在铁精矿中配入残炭粉制粒后进入回转窑，在窑内行进的过程中预热、干燥并开始预还原，此时铁精矿的还原过程主要为颗粒碳基还原，颗粒铁氧化物被不断还原成金属铁，并伴有“铁晶须”大量生成。由于“铁晶须”的大量生成，物料在焙烧翻滚过程中相互交叉、团聚开始二次制粒，形成强度较高的含碳金属化块状物料。

（4）铁精矿还原后残留一部分残炭，窑体发生挂料时，所挂物料含有的残炭燃烧产生热应力可将所挂物料自动清理。