一种还原气氛下铁矿石-碳材料共机械活化的工艺与系统技术方案

本发明专利技术属于铁矿石还原领域，涉及一种还原气氛下铁矿石

【技术实现步骤摘要】
一种还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺与系统


[0001]本专利技术属于铁矿石还原领域，特别是涉及一种还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺与系统。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]海绵铁作为我国主要的优质废钢代替品，是电炉炼钢的优质原料，既可代替废钢，也可以搭配废钢以改善炉料。与直接使用废钢相比，使用海绵铁进行电炉炼钢的优点有：(1)海绵铁化学成分稳定，有利于改善钢的质量；(2)海绵铁含杂质元素少，与低质废钢搭配使用，可以冶炼使用优质废钢才能冶炼的钢种，有利于提高钢的质量和扩大钢材品种；(3)冶炼海绵铁时，熔化期与精炼期交织在一起，可缩短冶炼时间，提高生产率；(4)海绵铁形状为球形或块状，可以连续加料、连续热装，从而降低电极消耗，延长炉顶、炉衬寿命，降低炉子的热损失，提高生产率，这些都有助于降低生产成本；(5)冶炼时供电平稳，噪声小；(6)海绵铁易于处理和运输。此外，当废钢价格高时，特别是依靠进口废钢的地区，使用价格便宜的海绵铁，可以降低原料费用，而且不受进口的限制。因此，从经济、钢的质量和生产率考虑，使用海绵铁比用废钢优越。
[0004]在很多电炉钢生产大国，当前都面临废钢短缺、质量差的形势下，海绵铁具有相当大的需求量。据某废钢应用协会分析，部分国家的海绵铁年市场需求1500
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>2000万吨，而年产量仅为十几万吨。随着钢铁工业环保督察力度的不断加大以及焦煤资源的逐渐短缺，高炉炼铁逐渐受到制约，而直接还原铁行业的不断发展，也促进了海绵铁生产工艺的进步。因此，海绵铁具有广阔的发展前景。
[0005]当前海绵铁生产技术工艺，即直接还原法炼铁，较为成熟的路线有竖炉法(以midrex为代表)、罐式法(以HyL
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法为代表)、流态化法(以Fior法为代表)、碳化铁法等气基直接还原炼铁法，以及回转窑法、固定床法、竖炉法(以Kinlor
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metor法为代表)、转底炉法(以Fast
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met法为代表)等煤基还原炼铁法。其中，由于世界能源储备的限制，煤基还原炼铁法具有广阔的发展前景，并已经在缺乏天然气和石油的地区得到了一定的发展。

技术实现思路

[0006]为了克服上述问题，本专利技术提供了一种还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺与系统，解决了低品位铁矿石不利于炼铁的限制，实现了低品位铁矿石的高价值利用，降低了海绵铁的生产成本。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术的第一个方面，提供了一种还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺，包括：
[0009]将铁矿石和碳材料在还原性气氛下进行共机械活化；
[0010]将活化后的物料进行碳热还原，得到海绵铁以及含有CO的还原性气体。
[0011]本专利技术提供一种还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺与方法，不仅可以提高铁矿粉和碳材料的反应活性，降低铁矿粉还原的活化能，有助于碳热还原铁反应的进行，还可以在物料进炉之前进行预还原，提高对低品位铁矿石的适应性，降低能耗，降低海绵铁生产成本，同时达到国家对钢铁企业节能减排的目标和要求。
[0012]理论及实验研究表明：矿物在磨矿机的强力撞击研磨作用下会产生以下几种变化：(1)粒度变细，比表面积增大；(2)表面热力学状态发生变化，表面自由能增大，导致化学平衡及相平衡的变化，为化学反应创造更有利的热力学条件；(3)产生晶格畸变和缺陷，内能增大，反应性增强；(4)冲击的瞬间，固体物料与研磨体接触处可出现局部性的瞬时的温度和压力升高，据估计，冲击的瞬间，接触处的温度可达1000℃左右，压力1.5kPa左右；(5)物料处于激发状态，键能减弱，发生反应的活化能降低，反应速率增大。机械活化造成的铁矿粉和碳材料的高活性状态可使碳热还原的起始温度降低100℃
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500℃，同时可对碳材料的气化反应产生显著影响，也可使CO还原起始温度降低约300℃。另外，碳材料颗粒在磨矿机中被撞击、研磨，不断产生裂纹，裂纹的尖端存在高温，且在裂纹产生过程中会有气体产生，其中大部分是CO等还原性气体，同时也存在一些挥发分的逸出。氧化铁的还原反应遵循逐级还原的规律：当温度高于570℃时，还原过程按Fe2O3—Fe3O4—FeO—Fe逐级进行；当温度低于570℃时，还原反应按Fe2O3—Fe3O4—Fe进行。气基还原反应以CO还原为例，相关反应如方程(1)(2)(3)所示，碳热还原相关反应如方程(4)(5)(6)所示。热力学分析表明，Fe2O3还原至Fe3O4所需的还原气体的平衡浓度很低，反应最容易发生。
[0013](1)3Fe2O3+CO＝2Fe3O4+CO2
[0014](2)Fe3O4+CO＝3FeO+CO2
[0015](3)FeO+CO＝Fe+CO2
[0016](4)6Fe2O3+C＝4Fe3O4+CO2
[0017](5)2Fe3O4+C＝6FeO+CO2
[0018](6)2FeO+C＝2Fe+CO2
[0019]本专利技术的第二个方面，提供了一种还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的系统，包括：碳材料储仓、铁矿石储仓、低速磨矿机、高速磨矿机、还原炉；所述碳材料储仓和铁矿石储仓的出料口分别与低速磨矿机的进料口相连，所述低速磨矿机的出料口与高速磨矿机的进料口相连，所述高速磨矿机的出料口与还原炉的进料口相连；所述低速磨矿机和高速磨矿机设置有还原性气体进口。
[0020]本专利技术的第三个方面，提供了上述的还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的系统在钢铁冶炼中的应用。
[0021]本专利技术的有益效果在于：
[0022](1)通过机械磨矿降低铁矿粉粒径，增大比表面积，提高反应性，降低了炼铁对铁矿石品位的要求，解决了低品位铁矿石不利于炼铁的限制，实现了低品位铁矿石的高价值利用。
[0023](2)在磨矿阶段实现对铁矿粉和碳材料的机械活化，提高了铁矿粉的反应活性，降低了铁矿粉碳热还原反应的活化能，有利于降低还原炉内的反应温度，降低能耗，节约成
本。
[0024](3)将碳材料与铁矿粉在25℃
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700℃还原性气氛下共同混合机械活化，通过碳热还原反应和气基还原反应实现了铁矿粉的预还原，提高了铁矿粉的还原度，有利于提升最终产物海绵铁的质量。
[0025](4)推动煤基直接还原炼铁的进一步发展，完善煤基直接还原炼铁工艺流程。使其对原料的适应性大大提高。可与煤气化工艺相耦合，实现碳材料的多层利用。
[0026]该工艺将碳材料与铁矿石按一定比例混合，在25℃
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700℃的还原性气氛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺，其特征在于，包括：将铁矿石和碳材料在还原性气氛下进行共机械活化；将活化后的物料进行碳热还原，得到海绵铁以及含有CO的还原性气体。2.如权利要求1所述的还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺，其特征在于，铁矿石和碳材料的铁碳比为5:1～1:1。3.如权利要求1所述的还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺，其特征在于，所述共机械活化在25℃～700℃下进行。4.如权利要求1所述的还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺，其特征在于，所述共机械活化过程中，混合物料首先在低速磨中初步破碎、混合15
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30min，然后在高速磨中进行机械活化1
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3h。5.如权利要求4所述的还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺，其特征在于，所述低速磨的转速为15
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30r/min。6.如权利要求4所述的还原气氛下铁矿石
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碳材料共机械活化的工艺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立强，周晓涵，夏霄，王涛，李占尧，成善杰，马春元，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：