本发明公开了双基还原生产海绵铁的方法及其专用室式冶炼竖炉，该方法既用低灰煤或焦炭又用煤气中CO和H2作为还原剂将精铁矿还原成为海绵铁，包括：(1)制备料球；(2)冶炼还原；(3)冷却；(4)磨细、磁选、压块。室式冶炼竖炉由若干个冶炼室和燃烧室相间布置而成；外边有由耐火砖、保温砖、外墙砖组成的外壁，其外还有护炉架；顶部砌筑有耐火砖和隔热砖，炉底部是钢筋混凝土基础；燃烧室为倒梯形，下部有空气、煤气进口及烧嘴，燃烧室以下是冷却器；冶炼室是梯形，顶部有进料管；自上而下分预热段、还原段和冷却段；最底部有出料输送机。本发明利用冶炼煤气、节省还原剂固定碳和加热煤气，降低海绵铁成本，适用于海绵铁生产企业。
1.双基还原生产海绵铁的方法，是既用固态的煤或焦炭作为还原剂，又用煤气中CO和H2作为还原剂，在冶炼室中将精铁矿还原成为海绵铁，其特征包括以下生产步骤：(1)制备料球
取含铁的质量分数高于60％的精铁矿、灰分低于15％的煤或焦炭和除杂后的消石灰分别进行破碎，配料计量后进入球磨机混合并磨成混合细粉；得到的混合细粉送入成球盘，加水制成湿料球，筛分，取合格的湿料球送入烘干机，利用出竖炉的燃烧废气烘干成干料球，再筛去粉尘，得到合格的料球备用；两次筛分得到不合格的物料均返回成球盘用于制球；
将干燥的料球从室式冶炼竖炉的顶部送入其冶炼室，冶炼室依靠竖炉的燃烧室燃烧煤气间接加热，料球下落过程中被加热、温度逐渐上升；同时从炉底通入回炉煤气，利用料球里煤或焦炭的碳和回炉煤气中的CO及H2还原料球中的铁氧化物；控制冶炼温度为<1050℃，直至料球中的铁氧化物90％以上被还原成金属铁，将冶炼室的粗铁球料从下部排出；
从冶炼室排出的高温红热的粗铁球料进入冷却段，用即将燃烧的冷空气和冷煤气以及冷水进行间接冷却，又用冷的回炉煤气通入炉底直接冷却粗铁球料，使其温度降低至30℃以下，再运出炉外；
运出炉外的粗铁球料送入球磨机磨细，再送到磁选机进行磁选，选出的海绵铁料总铁达到95％以上；再将合格的海绵铁料送至强力压块机压成块状，即得到海绵铁产品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于第(1)步中，所述混合细粉的细度为-200目；
所述湿料球含水的质量分数为8％～10％；所述筛分后合格的湿料球为直径8～25mm的球体；所述烘干成的干料球含水的质量分数≦1％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于第(2)步中，所述回炉煤气是由两部分组成的，一部分是外供燃气或自备煤气发生炉制得的水煤气或半水煤气经过除尘、脱硫净化后的净煤气，另一部分是室式冶炼竖炉排出的炉顶气经过气液分离、冷却和净化的冶炼炉气。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于第(3)步中，所述冷的回炉煤气是冶炼煤气净化后再脱除CO2和干燥、冷却后的净煤气。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于第(4)步中，所述磨细、磁选、压块过程要用惰性气体保护，以防止新生态的单质铁被氧化，所述惰性气体是经过脱硫、除尘、冷却后的燃烧废气或氮气；所述送入球磨机磨细的粗铁球料细度为-200目。
6.用于权利要求1的专用室式冶炼竖炉，其特征在于该冶炼竖炉由若干个冶炼室和燃烧室相间布置而成，主体两端均为燃烧室；主体的外边有由耐火砖、保温砖、外墙砖组成的炉外壁，其外还有护炉架；主体顶部砌筑有耐火砖和隔热砖，炉底部是钢筋混凝土的基础；
燃烧室为倒梯形，上宽下窄，每个燃烧室的下部有空气、煤气的进口及烧嘴，预热后的煤气与空气在此燃烧，产生的热量通过室壁传给冶炼室；燃烧室以下是冷却器，用煤气、空气和水间接冷却冶炼室下段的海绵铁料；冶炼室是梯形，下宽上窄，每个冶炼室的顶部都有一个进料管；运行时冶炼室自上而下分为预热段、还原段和冷却段，冶炼得到的海绵铁料在冷却段冷却；其底部有用于冷却和气基还原的回炉气进口，最底部有出料输送机，用以将粗铁球料运出炉外。
7.如权利要求6所述的室式冶炼竖炉，其特征在于所述冷却器包括空气冷却段、煤气冷却段和水冷却段。
8.如权利要求6所述的室式冶炼竖炉，其特征在于所述燃烧室由碳化硅系列或刚玉系列或高铝系列或镁砖系列或锆砖系列的耐火砖砌筑。
双基还原生产海绵铁的方法及其专用室式冶炼竖炉
技术领域
[0001] 本发明涉及铁的冶炼，具体而言，涉及在竖炉中直接还原炼海绵铁。
背景技术
[0002] 海绵铁是电炉冶炼优质钢、特种钢的好原料。现行的海绵铁生产方法有两类：气体还原法和固体还原法，又称气基法和煤基法。气基法是用天然气、石油气、焦炉煤气和煤制气等经转换得到高纯度的气体还原剂一氧化碳和氢气，在竖炉或反应罐或流化床中将精铁矿还原成海绵铁；煤基法是用煤中固定碳作为铁氧化物的还原剂，多用回转窑、隧道窑、倒焰窑和转底窑作还原设备。无论气基法还是煤基法，都需要外加热源，以使反应物达到铁氧化物还原所需的温度，并能使还原反应进行彻底，才能得到合格的海绵铁产品。可见，优质铁矿、精煤是海绵铁生产的必须原料。近年来随着铁矿价格和能源价格的攀升，如何降低能源消耗就成为还原法生产海绵铁的技术难题。
[0003] 中国专利数据库中，涉及海绵铁生产的申请件很多，涉及用煤作还原剂生产海绵铁的新技术方案也有，例如200510012508.4号《用微波竖炉制取低碳海绵铁的方法》，201010200213.0 号《用还原回转窑冶炼难选铁矿(渣)制取海绵铁的方法》和201210190427.3号《海绵铁的制造方法》等。但这些技术方案是否能够降低海绵铁的生产能耗不得而知。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供双基还原生产海绵铁的方法，以充分利用还原过程产生的冶炼煤气和燃烧废气，节省还原剂固定碳和加热煤气，降低能源消耗，从而降低海绵铁生产成本。
[0005] 本发明的又一目的是提供双基还原生产海绵铁方法的专用室式冶炼竖炉，以满足双基还原法海绵铁生产的需要。
[0006] 发明人提供的双基还原生产海绵铁的方法，原理是既用固态的煤或焦炭作为还原剂，又用煤气中CO和H2作为还原剂，在冶炼室中将精铁矿还原成为海绵铁。该方法的具体生产步骤是：
[0007] (1) 制备料球
[0008] 取含铁的质量分数高于60％的精铁矿、灰分低于15％的煤或焦炭和除杂后的消石灰分别进行破碎，配料计量后进入球磨机混合并磨成混合细粉；得到的混合细粉送入成球盘，加水制成湿料球，筛分，取合格的湿料球送入烘干机，利用出竖炉的燃烧废气烘干成干料球，再筛去粉尘，得到合格的料球备用；两次筛分得到不合格的物料均返回成球盘用于制球；
[0009] (2) 冶炼还原
[0010] 将干燥的料球从室式冶炼竖炉的顶部送入其冶炼室，冶炼室依靠竖炉的燃烧室燃烧煤气间接加热，料球下落过程中被加热、温度逐渐上升；同时从炉底通入回炉煤气，利用料球里煤焦的碳和回炉煤气中的CO及H2还原料球中的铁氧化物；控制冶炼温度为<1050℃，直至料球中的铁氧化物90％以上被还原成金属铁，将冶炼室的粗铁球料从下部排出；
[0011] 在这一步骤中，煤焦的碳在直接还原铁氧化物时产生以CO为主要成分的炼铁煤气；而炼焦煤气中的CH4、CmHn在700℃以上会发生裂解生成单质C和H2，从而增强还原效果；
[0012] (3) 冷却
[0013] 从冶炼室排出的高温红热的粗铁球料进入冷却段，用即将燃烧的冷空气和冷煤气以及冷水进行间接冷却，又用冷的回炉气通入炉底直接冷却粗铁球料，使其温度降低至30℃以下，再运出炉外；
[0014] (4) 磨细、磁选、压块
[0015] 运出炉外的粗铁球料送入球磨机磨细，再送到磁选机进行磁选，选出的海绵铁料总铁达到95％以上；再将合格的海绵铁料送至强力压块机压成块状，即得到海绵铁产品。
[0016] 上述方法的第(1)步中，所述混合细粉的细度为-200目；所述湿料球含水的质量分数为8％～10％；所述筛分后合格的湿料球为直径8～25mm的球体；所述烘干成干料球含水的质量分数≦1％。
[0017] 上述方法的第(2)步中，所述煤气是由两部分组成的，一部分是外供燃气或自备煤气发生炉制得的水煤气或半水煤气经过除尘、脱硫净化后的净煤气，另一部分是室式冶炼竖炉排出的炉顶气经过气液分离、冷却和净化的冶炼炉气。
[0018] 上述方法的第(3)步中，所述冷的回炉气是冶炼煤气净化后再脱除CO2和干燥、再冷却后的净煤气。
[0019] 上述方法的第(4)步中，所述磨细、磁选、压块过程要用惰性气体保护，以防止新生态的单质铁被氧化，所述惰性气体是经过脱硫、除尘、冷却后的燃烧废气或氮气；所述送入球磨机磨细的粗铁球料细度为-200目。
[0020] 发明人提供的双基还原生产海绵铁方法的专用室式冶炼竖炉，是在原有室式炼焦炉和炼锌竖罐的基础上结合海绵铁生产需要而设计出来的。这种室式冶炼竖炉是一种高温冶炼炉，它由若干个冶炼室和燃烧室相间布置而成，主体两端均为燃烧室；主体的外边有由耐火砖、保温砖、外墙砖组成的炉外壁，其外还有护炉架；主体顶部砌筑有耐火砖和隔热砖，炉底部是钢筋混凝土的基础；燃烧室为倒梯形，上宽下窄，每个燃烧室的下部有空气、煤气的进口及烧嘴，预热后的煤气与空气在此燃烧，产生的热量通过室壁传给冶炼室；燃烧室以下是冷却器，用煤气、空气和水间接冷却冶炼室下段的海绵铁料；冶炼室是梯形，下宽上窄，每个冶炼室的顶部都有一个进料管；运行时冶炼室自上而下分为预热段、还原段和冷却段，冶炼得到的海绵铁料在冷却段冷却；其底部有用于冷却和气基还原的回炉气进口，最底部有出料输送机，用以将粗铁球料运出炉外。
[0021] 上述冷却器包括空气冷却段、煤气冷却段和水冷却段。
[0022] 上述燃烧室由碳化硅系列或刚玉系列或高铝系列或镁砖系列或锆砖系列的耐火砖砌筑。
[0023] 发明人提供的方法充分利用各种煤、尤其是褐煤、长焰煤等挥发分含量高且不宜炼焦的煤，以及煤热解和铁还原过程产生的炼铁煤气和炼焦煤气，既节省了用作还原剂的固定碳，而且缩短了还原时间、提高了金属化率，还可降低海绵铁的生产成本，是一种节能、充分利用能源的工艺技术，也是属于循环经济的高新技术，适用于海绵铁的生产企业；提供的室式冶炼竖炉是一种以干馏为特征的高温冶炼炉，冶炼室和燃烧室相间排列有利于传热和热量的充分利用；室数设置灵活，产能可大可小；而且，反应物在隔绝空气的条件下进行还原反应，可降低反应起始温度、加快反应速度。该室式冶炼竖炉可用于多种矿物和工业废渣在隔绝空气的条件下的还原反应。
附图说明
[0024] 图1为本发明方法的流程框图，图2为本发明的室式冶炼竖炉立剖面示意图。
[0025] 图中，1为冶炼室，2为燃烧室，3为料仓，4为下料管，5为耐火砖层，6为保温砖层，7为外墙砖，8为护炉架，9为钢筋混凝土基础，10为烧嘴，11为空气冷却段，12为煤气冷却段，13为水冷却段，14为海绵铁料冷却段，15为回炉气进口，16为出料输送机，17为耐火砖和隔热砖层。
具体实施方式
实施例
[0026] 以下实施例可以更好地说明本发明。
[0027] 先建设一台如图2的室式冶炼竖炉，其主体由20个冶炼室和21个燃烧室相间布置而成，主体两端均为燃烧室。为了承受炉顶机械和砌块的压力，墙面在高温下要经受干馏煤气、燃烧废气、灰渣和还原产物的侵蚀，以及物料受热膨胀的侧压力，燃烧室由碳化硅系列耐火砖砌筑，且在主体的外边设置有由耐火砖、保温砖、外墙砖组成的炉外壁，其外还有护炉铁架；主体顶部砌筑有耐火砖和隔热砖，炉底部是钢筋混凝土的基础。燃烧室均为倒梯形，上宽下窄，每个燃烧室的下部有空气、煤气的进口及烧嘴，预热后的煤气与空气在此燃烧，产生的热量通过室壁传给冶炼室；燃烧室以下是冷却器，冷却器包括空气冷却段、煤气冷却段和水冷却段，分别用空气、煤气和水间接冷却冶炼室下段的海绵铁料。冶炼室是梯形，下宽上窄，每个冶炼室的顶部都有一个进料管，运行时冶炼室自上而下分为预热段、还原段和冷却段，冷却段位于下部，冶炼得到的海绵铁料在此冷却；预热段顶部宽280mm，还原段底部宽480mm，冷却段上下均为480mm；其底部有用于冷却和气基还原的回炉气进口，最底部有出料输送机，用以将粗铁球料运出炉外。
[0028] 本发明的双基还原生产海绵铁的方法，既用固态的精煤或焦炭作为还原剂，又用煤气中CO和H2作为还原剂，在冶炼室中将精铁矿还原成为海绵铁。具体生产步骤是：
[0029] (1) 制备料球
[0030] 进厂的铁矿石经检测含铁的质量分数低于60％，须进行破碎、磨细、磁选使其含铁的质量分数高于60％，得到精铁矿。进厂的原煤经人工拣选剔出矸石、破碎和选煤，检测煤的灰分低于15％，得到低灰煤。
[0031] 取精铁矿、低灰煤和除杂后的消石灰分别进行破碎，配料计量后进入球磨机混合并磨成混合细粉，细度为-200目；得到的混合细粉送入成球盘，加水制成湿料球，湿料球含水的质量分数为8％～10％；筛分，取直径8～25mm的湿料球送入
[0032] 烘干机用出竖炉的温度为1000℃的燃烧废气烘干成干料球，干料球含水的质量分数≦1％；再筛去粉尘，得到合格的料球备用；两次筛分得到不合格的物料均返回成球盘重新用于制球；
[0033] (2) 冶炼还原
[0034] 将干燥的料球从室式冶炼竖炉的顶部送入其冶炼室，冶炼室依靠竖炉的燃烧室燃烧煤气间接加热，料球下落过程中被加热、温度逐渐上升，在达到150℃前料球被干燥；同时底部通入回炉气，利用料球里煤焦的碳和煤气中的CO及H2还原料球中的铁氧化物，其过程是：200℃后煤开始一次热解，煤释放的煤气中所含CH4、CmHn较多而H2较少，到677℃后，铁矿石的间接还原开始加快：
[0035] Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
[0036] 到了700℃以上，煤气二次热解，CH4、CmHn经裂解、脱氢和缩合，会有更多的单质碳和H2生成，增加还原剂加快铁氧化物的分解还原；达到800℃铁氧化物的直接还原较明显开始进行；温度接近1000℃时，铁氧化物的直接还原会激烈进行：
[0037] Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
[0038] 但矿物中的硅酸亚铁（FeSiO3）的熔点为1050℃，它的熔融会粘在炉壁上，故须控制冶炼温度为<1050℃，直至料球中的铁氧化物90％以上被还原成金属铁，再将冶炼室的粗铁球料从下部排出；
[0039] (3) 冷却
[0040] 从冶炼室排出的高温红热的粗铁球料进入冷却段，用即将燃烧的冷空气和冷煤气以及冷水进行间接冷却，抵达炉底，又用冷的回炉气——即冶炼煤气净化后再脱除CO2和干燥、再冷却后的净煤气通入炉底直接冷却粗铁球料，使其温度降低至30℃以下，再运出炉外；
[0041] (4) 磨细、磁选、压块
[0042] 运出炉外的粗铁球料送入球磨机磨细至-200目，再送到磁选机进行磁选，选出的海绵铁料总铁达到95％以上，将合格的海绵铁料送至强力压块机压成块状，即得到海绵铁产品。磨细、磁选、压块过程要用经过脱硫、除尘、冷却后的燃烧废气即惰性气体保护，以防止新生态的单质铁被氧化。
