CN107868857A - 多级螺旋直接还原炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金领域，公开了一种多级螺旋直接还原炉。该多级螺旋直接还原炉包括炉体，炉体上设置有进料口、出料口、供热机构以及烟气出口，炉体内由上至下设置有至少二层螺旋通道，上一级螺旋通道的出口与相邻的下一级螺旋通道的入口相连通，位于最上部的螺旋通道的入口与进料口相连通，位于最下部的螺旋通道的出口与出料口相连通，所述螺旋通道内设置有输送螺旋，所述输送螺旋连接有驱动机构，所述供热机构设置于炉体下部，所述烟气出口设置于炉体顶部。该多级直接还原炉生产还原铁粉生产效率高、热效率大幅度提高，还原剂使用量减少30％‑40％以上，还原时间短，成本低，最重要的是利用钒钛铁精矿直接还原时，可以同时将钒钛铁精矿中的钛得到利用。

Description

多级螺旋直接还原炉

技术领域

本发明涉及冶金领域，尤其是一种直接还原炉。

背景技术

钢铁产能过剩，供需矛盾突出，大量钢铁企业面对亏损、严重亏损、停产和倒闭的严峻 局面，而且这种状况仍在持续恶化。

随着国民经济的发展，生产向供给侧转移是趋势所在。钢铁产能一定会大幅度压缩，但是随着3D打印技术的迅速发展，未来铁粉的需求量一定会在短时间内大幅度提高，尤其是高品质天然微合金铁粉更是市场上不可多得的紧俏商品。而攀枝花钒钛矿中含有的大量微合金成分恰恰是生产天然微合金铁粉和富钛料的优质原料。现状是没有能够有效利用钒钛矿资源的工艺技术和装备。

铁精矿还原一般需要四个最基本的条件：1.具有一定数量的还原剂；2.提供铁精矿还原过程中所需要的特定温度；3.需要一定的还原时间；4铁精矿还原时的粒径大小(粒径越大还原时间越长)。

传统的普通铁精矿还原炉种类很多，我们常见的有高炉、转窑、竖窑、电炉、隧道窑、转底炉、带式炉和流化床等，这些还原炉都具备铁精矿还原所必须的基本条件，可以对铁精矿实现有效还原。但是这些还原炉也存在不同的缺点，其共性的最大缺点是1)能源利用率低(大量铁粉还原后的物理热没有得到充分利用)；2)设备投资数量大；3)工人劳动强度高； 4)环境污染比较严重；5)安全作业条件差；6产生大量二氧化碳气体等等。

以传统的隧道窑为例，除上述缺点外，还存在占地面积大、产量低、劳动强度大、劳动生产率低、各种物料消耗大(包括罐体)、还原时间长、还原剂数量使用量大等问题，目前一条隧道窑的年产量一般在1.5-3万吨左右，与高炉的还原效率无法相比。

目前高炉是作为铁精矿或铁矿石还原冶炼生产效率最高的设备，但是高炉只能生产铁水用来炼钢，而不能生产铁粉。生产铁粉目前主要还是依靠转窑、竖窑、隧道窑、转底炉、带式炉、流化床等设备。上述设备虽然可以生产铁粉，但是在生产铁粉的过程中都存在着铁粉还原后的物理热没有得到利用、还原过程中铁精矿必须烧结造球(否则还原气体无法流动，带式炉和流化床除外)。由于还原物铁精矿必须是块状或球状，还原气体在还原物料过程中就需要有相当数量的渗透时间，否则金属化率就会受到很大的影响。

从铁精矿还原的基本原理来看，铁精矿还原速度的快慢,主要取决于还原气体流的温度、压力、流速、成分等和铁精矿的粒度、气孔度和矿物组成等。

1.还原气体中碳或氢元素的浓度，对铁精矿还原十分重要。碳或氢元素的浓度高，既可以提高还原过程中的内外扩散速度,又可以提高化学反应速度,同时也增大了与平衡浓度的差值,从而可以加快铁精矿的还原速度；

2.还原气体的温度，会使表面化学反应速度和扩散速度皆随温度的升高而加快。因此高温对加速铁精矿的还原有利,尤其是扩大800-1000℃的间接还原区,对加速还原炉内的还原过程起到关键作用；

3.还原气体压力。提高还原气体压力有利于还原气体对铁精矿的渗透速度，提高气相中 CO2消失的温度,这就相当于扩大了间接还原区,对加快还原过程是十分有利的。同时,从分子运动论的观点看来,提高还原气体压力使还原气体密度增大,增加了单位时间内与铁精矿表面碰撞的还原剂分子数,从而加快还原反应.但是,随着压力的提高,还原速度并不成比例地增加. 这是因为提高压力以后,还原产物CO2和H2O的吸附能力也随之增加,阻碍还原剂的扩散,同时气相中的CO2浓度增加,更接近CO间接还原的平衡组成,这些对铁精矿的还原是不利的。因此提高压力的主要意义在于降低压差,改善还原炉有效顺行,为强化还原提供可能性。

4.铁精矿粒度愈小,与还原气体的接触面积愈大,还原气体利用率愈高.而对每一个矿粒而言,粒度愈小,相对还原速度越快，金属化率越高。因此,缩小粒度能缩短还原时间和增加金属化率。另一方面,缩小铁精矿粒度,缩短了扩散行程和减少了扩散渗透阻力,从而减少了还原反应过程的能耗。

但是,在传统的一些还原炉内，粒度缩小到一定程度以后,固体内部的扩散阻力愈来愈小, 最后由扩散速度范围转入化学反应速度范围,此时进一步缩小粒度也就不再起加快还原的作用。这一粒度称为临界粒度，在高炉、转窑、竖窑、电炉、隧道窑和转底炉条件下的临界粒度一般约为5-10mm。因为粒度过小会恶化铁精矿的透气性,不利于还原反应。比较合适的粒度对高炉、转窑、竖窑、转底炉电炉来说是10-25mm。

5.铁精矿气孔度和矿物组成.气孔度是影响铁精矿还原性的主要因素之一.气孔度大而分布均匀的铁精矿还原性好,因为气孔度大,矿石与还原气体接触面积大,同时,也减少了铁精矿内部的扩散阻力。对于由攀枝花钒钛矿组成的钒钛铁精矿和钛精矿的矿物中，其铁精矿中钛的存在和钛精矿中铁的存在，是影响还原性的主要因素,铁以钛铁矿的形态存在时还原难度加大。

上述问题是目前还原炉都无法有效解决的矛盾，想满足其中某一个条件，就会影响另一个条件。如降低铁精矿粒度，就会使还原气体的流动性恶化；加大铁精矿粒度，又会使还原反应速度减缓，增加反应时间。对于钒钛铁精矿而言，除上述问题外，还有一个更重要的问题，由于钒钛铁精矿或钛精矿中氧化铁的结晶粒度很小(最小可以达到5微米)，即使钒钛铁精矿或钛精矿中的铁可以得到有效还原，但是在还原温度较低时，由于铁元素没有形成半熔融状态，还原后铁晶粒没有长大，还原后对含钛铁粉进行物理解离至-320目，含钛铁粉中的铁和钛至少有30％-40％仍然无法得到有效分离，铁中有钛，钛中有铁，从而无法得到高品位还原铁粉和富钛料，目前高炉冶炼钒钛铁精矿，钒钛铁精矿中10％以上的二氧化钛成为高炉渣而没有得到利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高劳动生产率、大幅度提高热效率，高效利用钒钛铁精矿资源和其中的各种有价金属元素，有效降低生产成本的多级螺旋直接还原炉。

本发明公开的多级螺旋直接还原炉，包括炉体，所述炉体上设置有进料口、出料口、供热机构以及烟气出口，所述炉体内由上至下设置有至少两层螺旋通道，上一级螺旋通道的出口与相邻的下一级螺旋通道的入口相连通，位于最上部的螺旋通道的入口与进料口相连通，位于最下部的螺旋通道的出口与出料口相连通，所述螺旋通道内设置有输送螺旋，所述输送螺旋连接有驱动机构，所述供热机构设置于炉体下部，所述烟气出口设置于炉体顶部。

优选地，所述炉体内设置有还原仓，所述还原仓内沿高度方向排列有至少两层内筒，所述内筒的内腔形成所述螺旋通道。

优选地，所述螺旋通道的数量至少为三层，所述螺旋通道由上至下依次分为预热通道、预还原通道以及还原通道。

优选地，所述炉体顶部设置有水、气出口，所述水、气出口与最上部的螺旋通道相连通，所述水、气出口位于螺旋通道上相对于进料口的另一端。

优选地，所述供热机构和烟气出口均连通于螺旋通道外的炉体内部空间。

优选地，所述炉体下部和侧部均布置有多个供热机构，所述供热机构沿螺旋通道轴向排列。

优选地，所述供热机构为燃气烧嘴。

优选地，所述炉体的上部、四周和底部均设置有隔热材料。

优选地，所述输送螺旋通过传动轴安装座安装在炉体上，所述驱动机构包括减速机和调速电机，所述输送螺旋通过减速机与调速电机传动连接。

本发明的有益效果是：该多级直接还原炉利用上下排列的多级螺旋通道进行矿粉的直接还原，矿粉由上至下逐级螺旋输送，热量由下至上流动，生产还原铁粉生产效率高、热效率大幅度提高，还原剂使用量减少30％-40％以上，还原时间短，成本低。最重要的是利用钒钛铁精矿直接还原，可以同时将钒钛铁精矿中的钛得到利用。利用多级螺旋直接还原炉，将改变目前铁精矿和钛精矿分别进行选别的状况，选矿工艺将发生重大改变，实现铁、钛共选，生产的产品暂时命名为“钛铁精矿”，生产“钛铁精矿”，可以使选矿成本下降30-40％，铁、钛回收率分别提高10％和15％，利用率分别提高25％和30％。该多级螺旋直接还原炉是一种新型金属还原炉，其用途十分广泛。尤其对钒钛矿资源的有效、全效和高效利用，将会起到积极的作用，在钒钛矿被严重贬值的今天，多级螺旋直接还原炉的研发、投产和推广，将会全面颠覆人们的铁精矿生产还原铁粉的认识，并且使目前钒钛铁精矿价值回归。

附图说明

图1是本发明的剖视图；

图2是图1的侧视图。

附图标记：炉体1，进料口101，出料口102，供热机构103，烟气出口104，水、气出口105，隔热材料106，还原仓2，螺旋通道201，输送螺旋202，内筒203，预热通道204，预还原通道205，还原通道206，调速电机3，减速机301。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明。

本发明公开的多级螺旋直接还原炉，包括炉体1，所述炉体1上设置有进料口101、出料口102、供热机构103以及烟气出口104，所述炉体1内由上至下设置有至少两层螺旋通道 201，上一级螺旋通道201的出口与相邻的下一级螺旋通道201的入口相连通，位于最上部的螺旋通道201的入口与进料口101相连通，位于最下部的螺旋通道201的出口与出料口102 相连通，所述螺旋通道201内设置有输送螺旋202，所述输送螺旋202连接有驱动机构，所述供热机构103设置于炉体1下部，所述烟气出口104设置于炉体1顶部。

采用该多级螺旋直接还原炉，通过进料口101将矿粉送入炉体1的螺旋通道201内，矿粉在入炉前直接配入一定数量的还原剂，如：煤粉、焦粉、粉状农作物秸秆和其它粉状有机物等(使用还原气体还原时不需要配入还原剂)。矿粉在螺旋通道201内螺旋输送的同时与还原气体充分均匀混合，使矿粉与还原剂或还原气体充分接触，在特定的温度下，使矿粉中的氧化铁迅速还原为铁粉。还原后的矿粉从出料口102排出，经热交换器后，解离、磁选得到高品质的铁粉。

该多级螺旋直接还原炉具有如下特点：

1、螺旋通道201由上至下排列，矿粉在螺旋通道201内通过输送螺旋202推进的逐级向下输送，供热机构103设置于炉体1下部，热量由下至上流动，上部螺旋铁精矿温度低，最下部螺旋温度高，使得矿粉逐级加热，矿粉在多级螺旋直接还原炉内部温度是由低向高的渐变过程，不断被还原成含钛铁粉。这样即大幅度节约了能源消耗，从而使还原过程中的物理热得到有效利用，还原后的物料通过换热器换热冷却，换热后的余热可用于矿粉的预热和干燥，同时也防止还原后的铁粉在高温状态下与空气接触而发生氧化现象。

2、多级螺旋直接还原炉在矿粉还原过程中，由于螺旋推进压力和对矿粉的翻转搅动的作用，强化了还原气体对矿粉的渗透力，从而进一步促进矿粉的还原速度，缩短矿粉还原时间，理论上还原时间只需要8秒；

3、在多级螺旋直接还原炉内部，输送螺旋202不断对矿粉翻转搅动并予以挤压，使矿粉与还原气体始终得以充分混合，因而不会因矿粉粒度过小而影响还原气体在矿粉中的流动性问题。因此采用该多级螺旋直接还原炉，矿粉的粒度越细越好，矿粉越细其比表面积越大，加之矿粉与还原剂充分接触，同时在一定压力条件下，又增加了还原气体的渗透力(这是其它还原炉无法实现的)，所以在整个还原过程中，整体矿粉的还原时间可以缩短至十几秒。

4、矿粉在多级螺旋直接还原炉内部，由于高温、压力和晶粒长大剂的同时存在，会促使矿粉在还原过程中较容易长大。这样对于钒钛铁精矿和钛精矿或者钛、铁精矿(铁精矿和钛精矿的混合物)还原后创造了十分有利的解离条件，使得还原和经过物理解离、配合使用的螺旋磁选机磁选分离后，可以得到高品位天然微合金铁粉和富钛料。高品位天然微合金铁粉再经过二次还原后，就可以得到高品位优质天然微合金铁粉作为3D打印原材料和粉末冶金的原料，富钛料可以作为各种钛产品生产所需要的原料。

具体就螺旋通道201的布置而言，可以采用隔板分层形式形成所述螺旋通道201。在如图1所示的实施例中，为了方便螺旋通道201的布置，所述炉体1内设置有还原仓2，所述还原仓2内沿高度方向排列有至少两层内筒203，所述内筒203的内腔形成所述螺旋通道201。

根据金属氧化物还原的难易程度和排烟口的温度(降低排烟温度，提高热效率)调整高温螺旋通道201的层数，作为一种优选方式，所述螺旋通道201的数量至少为三层，所述螺旋通道201由上至下依次分为预热通道204、预还原通道205以及还原通道206。从预热通道 204、预还原通道205到还原通道206温度逐层增加，矿粉进入预热通道204被进行预加热，经预还原通道205达到还原通道206后加热至还原最佳温度，在充分利用热量的同时，达到最佳的还原效果。

矿粉在进入螺旋通道201被加热过程中吗，水分会被汽化为水蒸气，同时还原炉内还会产生大量二氧化碳和二氧化钛气体，为使这些气体可以被及时排出，防止影响还原反应的进行，所述炉体1顶部设置有水、气出口105，所述水、气出口105与最上部的螺旋通道201 相连通，所述水、气出口105位于螺旋通道201上相对于进料口101的另一端。水、气出口105中的水主要是指水蒸气，气则主要是指二氧化钛气体和二氧化碳，其中以二氧化钛气体为主，如图1所示，当矿粉由最上部的螺旋通道201的一端输送到另一端时，水分被充分汽化，在此设置水、气出口105能够最大限度地排出水蒸气，并减少炉内热量的散失。同时，炉内产生的二氧化钛气体上升至水、气出口105排出后可以较为容易地实现回收利用。

该多级螺旋直接还原炉的还原剂可采用煤粉、焦粉等固体还原剂，也可采用煤气、氢气等气体还原剂。若采用气体还原剂则需要将供热机构103与最下部的螺旋通道201相连通，如此在排料时可能会使部分造成较多的热量排出。故此，如图2所示的实施例中，所述供热机构103和烟气出口104均连通于螺旋通道201外的炉体1内部空间，采用矿粉配入固体还原剂的方式还原，供热与螺旋通道201内部相分离，防止大量热量直接从出料口102排出，热量可以更好地实现自下而上流动，充分利用热能。

图2显示了供热机构103的位置排列，为了保证螺旋通道201在轴向上可以被充分均匀地加热，所述炉体1下部和侧部均布置有多个供热机构103，所述供热机构103沿螺旋通道 201轴向排列。供热机构103最宜采用燃气烧嘴，当然也可采用如电加热装置等其他方式供热。此外，所述炉体1的上部、四周和底部均设置有隔热材料106，以减少多级直接还原炉工作状态的热损失。

具体就输送螺旋202的驱动机构而言，可以采用现有的各类螺旋输送机相类似的驱动机构，在本实施例中，所述输送螺旋202通过传动轴安装座安装在炉体1上，所述驱动机构包括减速机301和调速电机3，所述输送螺旋202通过减速机301与调速电机3传动连接。本发明的多级螺旋直接还原炉相对于现有的各类还原炉还能实现更高的自动化控制，方便通过物联网和互联网加，实现远程监控和操作的全自动化。

Claims (9)

1.多级螺旋直接还原炉，包括炉体(1)，所述炉体(1)上设置有进料口(101)、出料口(102)、供热机构(103)以及烟气出口(104)，其特征在于：所述炉体(1)内由上至下设置有至少两层螺旋通道(201)，上一级螺旋通道(201)的出口与相邻的下一级螺旋通道(201)的入口相连通，位于最上部的螺旋通道(201)的入口与进料口(101)相连通，位于最下部的螺旋通道(201)的出口与出料口(102)相连通，所述螺旋通道(201)内设置有输送螺旋(202)，所述输送螺旋(202)连接有驱动机构，所述供热机构(103)设置于炉体(1)下部，所述烟气出口(104)设置于炉体(1)顶部。

2.如权利要求1所述的多级螺旋直接还原炉，其特征在于：所述炉体(1)内设置有还原仓(2)，所述还原仓(2)内沿高度方向排列有至少两层内筒(203)，所述内筒(203)的内腔形成所述螺旋通道(201)。

3.如权利要求1所述的多级螺旋直接还原炉，其特征在于：所述螺旋通道(201)的数量至少为三层，所述螺旋通道(201)由上至下依次分为预热通道(204)、预还原通道(205)以及还原通道(206)。

4.如权利要求1或3所述的多级螺旋直接还原炉，其特征在于：所述炉体(1)顶部设置有水、气出口(105)，所述水、气出口(105)与最上部的螺旋通道(201)相连通，所述水、气出口(105)位于螺旋通道(201)上相对于进料口(101)的另一端。

5.如权利要求1所述的多级螺旋直接还原炉，其特征在于：所述供热机构(103)和烟气出口(104)均连通于螺旋通道(201)外的炉体(1)内部空间。

6.如权利要求1或5所述的多级螺旋直接还原炉，其特征在于：所述炉体(1)下部和侧部均布置有多个供热机构(103)，所述供热机构(103)沿螺旋通道(201)轴向排列。

7.如权利要求1或5所述的多级螺旋直接还原炉，其特征在于：所述供热机构(103)为燃气烧嘴。

8.如权利要求1所述的多级螺旋直接还原炉，其特征在于：所述炉体(1)的上部、四周和底部均设置有隔热材料(106)。

9.如权利要求1所述的多级螺旋直接还原炉，其特征在于：所述输送螺旋(202)通过传动轴安装座安装在炉体(1)上，所述驱动机构包括减速机(301)和调速电机(3)，所述输送螺旋(202)通过减速机(301)与调速电机(3)传动连接。