CN116949236A - 一种分步还原非高炉生产钢铁的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金加工技术领域，更具体地，涉及一种分步还原非高炉生产钢铁的方法及系统。首先将铁矿粉与非冶金焦炭类还原物质以及溶剂混合以形成混合原料，然后在管式流化床还原器中进行低温预还原，降低铁氧化物中的氧含量，提高其金属化率，得到固态预还原产物；然后，金属化率已经提高了的预还原产物‑铁精矿，在熔融炉中被加热，进行高温还原。高温还原以后的反应产物中，碳已经几乎全部被消耗掉了，故而含碳量已经极低了。所以在还原完全结束后，继续将固态的铁化成铁水的时候，已经没有了渗碳的碳源，能够使铁水的含碳量落入钢的含碳量范围之内，从而达到从铁矿直接冶炼目标钢产品的目的。

Description

一种分步还原非高炉生产钢铁的方法及系统

技术领域

本发明属于冶金加工技术领域，更具体地，涉及一种分步还原非高炉生产钢铁的方法及系统。

背景技术

目前全世界范围内的钢铁冶炼。主要还是依靠高炉炼铁、转炉或者电炉炼钢的流程，这是占有垄断地位的工艺流程。但是高炉炼铁有其自身难以克服的缺点。首先，高炉所用的铁矿原料,除了品位极高的块矿，可以直接入炉冶炼之外，必须预先做成球团，然后烧结变硬，达到1200牛顿每个球，才能使用。这样才能保证，原料球团在高炉的下部接近熔融的状态下，还有足够的强度，用来保证高炉里面的通气顺畅。粒径小于五毫米的细粉，是不能进入高炉冶炼的。他们会把高炉内的通风缝隙堵塞，造成严重的冶炼事故。

其次，在高炉下部，为了保持透气性，即使熔化的铁水滴落在还原剂上面，还原剂仍然需要有足够的强度。所以高炉中使用的还原剂为昂贵的冶金焦炭。炼焦的过程是一个高耗能、高污染的过程。焦化厂也是投资很大的单元，一般来讲焦化厂的投资占整个铁厂投资的1/4左右。

再次，高炉炼铁对矿的品位有很高的要求。如果入炉铁矿品位太低，不但经济效益无法保证，而且可能导致渣铁分离困难。理论上讲，矿石的品位到了一定下限，渣铁就不能分离了。所以说贫矿是不能直接进入高炉冶炼的。

最后，有一些难以冶炼的矿种用高炉是无法冶炼的。比如众所周知的钒钛磁铁矿，就不能用高炉冶炼。在高炉的冶炼条件下，铁矿中的二氧化钛会和还原剂中的碳形成碳化钛，也会和空气当中的氮形成氮化钛。这些都是熔点非常高的物质。他们不能溶解在炉渣之中，而是以微小的颗粒悬浮在炉渣之中，导致炉渣十分粘稠。这些炉渣会堵塞高炉的通风空隙，导致高炉憋压，甚至发生高炉爆炸的灾难性事故！

还有一个问题，这也是导致现在炼铁和炼钢分两步走的一种无奈举措：在高炉的下部(主要在软熔带和滴落带)，已经融化的铁水，和炽热的焦炭，进行密切的接触。这就使得已经冶炼出来的铁水被动地渗碳，使得它的碳含量高达3％～4.5％。这么高的含碳量，限制了它的使用范围。所以人们才要用氧气把这些碳氧化掉，这就是所谓的炼钢。

为了解决上述高炉炼铁存在的一系列弊病，国家明确规定非高炉炼铁为鼓励项目。尽管如此，时至今日，在非高炉炼铁方面的进展依旧不是很明显。有的用非高炉的办法也可以炼铁来。但是，纵观各类方法，不是技术上存在问题，就是经济上存在问题，还不能大面积的推广。大部分专利都是事先把矿和还原剂等做成球，用来满足“内配碳”的条件，其实“内配碳”这个说法本身就把人们带入了一个误区，“外配碳”完全可以满足还原反应的需要。有的技术会在非高炉炼铁的预热过程中，特意把物料热压成球，并使得单个球的强度提高，这就更加趋向球团加烧结的高炉炼铁过程了。

那么摆在我们面前的任务就是如何能够找到一种完全替代高炉炼铁的办法，其前提条件是经济技术指标都要优于高炉炼铁。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种分步还原非高炉生产钢铁的方法及系统，以解决现有技术非高炉炼铁渗碳反应严重、还原时间过长、还要配备炼钢的转炉或者电炉等问题，克服了工艺复杂、炼钢成本高等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种分步还原非高炉生产钢铁的方法，包括如下步骤：

(1)将铁矿粉、还原剂和溶剂混合以形成混合原料；所述还原剂为非冶金焦炭类炭质还原剂；

(2)将所述混合原料在流化床稀相区进行第一次还原；所述第一次还原过程中所述铁矿粉中的铁氧化物被所述还原剂部分还原，得到第一次还原固态产物；

(3)将所述第一次还原固态产物在所述流化床的密相区进行第二次还原；使所述第一次还原固态产物中的铁氧化物进一步被所述还原剂还原，得到铁精矿，所述铁精矿中氧元素进一步减少，但铁仍主要以氧化物的形式存在；

(4)将所述铁精矿送入熔融炉中冶炼，对所述熔融炉进行升温，升温过程中剩余的还原剂对所述铁精矿进行第三次还原，将所述铁精矿中的铁氧化物还原为固态铁微粒；继续升温直至所述铁微粒被化成铁水，将熔融炉内上层的浮渣排出，得到粗钢或粗铁产品。

优选地，步骤(1)所述还原剂为生物质、煤、石油或天然气；所述溶剂为碳酸钙和/或萤石。

优选地，步骤(1)所述混合原料为混合粉体；所述混合粉体的尺寸大于或等于0.18mm，进一步优选为0.18-5mm。

优选地，所述第一次还原过程和第二次还原过程在流化床中进行，还原温度为700-790℃；所述流化床包括上部的稀相区和下部的密相区，燃料气从所述稀相区底部通入，使得所述混合原料在流化床稀相状态下进行第一次还原，所述第一次还原的还原时间小于或等于2分钟；所述密相区不通入所述燃料气，所述第一次还原固态产物落入所述密相区进行所述第二次还原，所述第二次还原过程所需的热量由所述第一次还原的余热提供，所述第二次还原的还原时间为1-30分钟。

优选地，所述流化床的高径比为2-10。

优选地，步骤(4)所述熔融炉为燃气型熔融炉或电熔融炉，进一步优选为电熔融炉，所述电熔融炉为中频感应炉或电弧炉，更进一步优选为中频感应炉。

优选地，步骤(4)所述铁精矿在所述熔融炉中停留时间为0.5-1小时。

优选地，步骤(4)所述化成铁水的过程中产生的还原炉煤气，经过煤气回收系统处理后，作为燃料的一部分供给所述流化床。

优选地，步骤(1)所述还原剂中C元素与所述铁矿粉中的O元素的摩尔比为1.05–1.15：1；步骤(4)继续升温直至所述铁微粒被化成铁水，且此时含碳量达到目标钢产品所需的碳含量范围后，将熔融炉内上层的浮渣排出，使铁水与空气接触发生脱硫脱磷脱碳反应，得到粗钢产品。

优选地，所述的方法，还包括步骤：

(5)将步骤(4)所述粗钢产品在精炼炉或者精炼钢水包中进行精炼，得到目标钢产品，将所述目标钢产品直接用作铸造厂的铸造原料；或者将步骤(4)所述粗钢或粗铁产品直接用作铸造厂的铸造原料。

按照本发明的另一个方面，提供了一种应用所述方法生产钢铁的系统，包括流化床和熔融炉，其中，

所述流化床包括上段稀相段和下段密相段，所述流化床顶部设置有混合原料入口和流化床烟气出口，所述上段稀相段和下段密相段之间设置有燃料气入口；

所述流化床底部设置的铁精矿出口与所述熔融炉的铁精矿入口相连通，所述熔融炉顶部设置有熔融炉烟气出口，所述熔融炉烟气出口与所述烟气处理系统相连通，所述烟气处理系统与所述燃料气入口相连通；所述熔融炉上部侧面还设置有出渣口，底部设置有钢水或铁水出料口。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种分步还原非高炉生产钢铁的方法。首先，在进行预还原之前，就将还原剂和铁矿粉以及各溶剂进行混合，并进入带有延迟还原反应段(流化床密相段)的管式预还原反应器。这个做法会带来以下好处：

第1个，在同样提供还原气的条件下，提前将还原剂和铁矿进行接触，增加了反应物的碳浓度。从化学反应的机理得知：这样做有利于还原反应的加速。

第2个，在管式反应器上部的“稀相区”反应结束后，反应产物将落入管式反应器下部的延迟反应段(“密相区”)。由于反应物中还含有碳，并且有较高的温度，反应物将在滞留延迟反应段的“密相区”的时候，继续进行还原反应。众所周知：反应温度和反应时间是化学反应最重要的两个参数。在同等的温度条件下，延长反应时间将有利于化学反应的进行。而没有预先配碳的原料无法实现这个延迟还原的过程。现有技术用“流化法”进行非高炉炼铁的方法，无一例外的，都是在终还原反应器中配碳，没有预先配碳。

第3个，管式反应器的大高径比，使得物料的“返混”程度减小。也就是说，最初进入反应器的高氧化态的矿，和碳浓度较高的还原剂相遇，增大了还原反应的“推动力”，使得还原反应在温度到达后，快速进行。当管式反应器的“稀相区”反应结束以后，反应物中的碳浓度会有一定程度的降低。本发明巧妙的将他们滞留在延时还原段“密相区”中继续反应。用延长时间来弥补碳浓度降低以及还原温度低的问题。

第4个，在管式反应器的上部，烟气对反应物料进行充分的预热，使得烟气中的热能被充分利用。最终的排烟温度可以降到200摄氏度以下。

第5个，在现有的非高炉炼铁工艺之中，一般都是在终还原反应器中产生高温的、易燃易爆且有毒的一氧化碳等还原气，而本发明首先在流化床管式反应器中进行两步预还原，这两步还原过程中产生的一氧化碳等还原气可以在流化床中作为燃料气使用。相较于直接在终还原反应器中进行还原产生的还原气，本发明经过两步预还原后在终还原反应器进行第三次还原产生的还原气量大大降低，降低了在终还原反应器中产生大量的这些高温的、易燃易爆且有毒的还原气导致的还原气处理系统的负担。

第6个，本发明预还原管式反应器流化床和终还原反应器熔融炉，共同承担着铁矿还原的任务。由于管式反应器比通常的预还原反应器多承担了还原的任务，后边的电熔融炉需要承担的还原反应任务量就小了，这样一来可以用低值的燃料来替代昂贵的电能。

(2)本发明将铁矿进行低温(低于800摄氏度)预还原，首先在流化床稀相段进行第一次还原，降低铁矿铁氧化物中的氧含量，提高其金属化率；然后再在延迟还原段(密相段)进行第二次还原，进一步降低其中碳含量和氧含量，最后在中频电炉中，铁矿完成最终还原以后，还原剂碳已经消耗殆尽。等到化成铁水的时候，已经没有渗碳剂的存在，使得该铁水的含碳量达到冶炼目标钢产品的碳含量范围，再经过适当去除杂质，直接获得目标钢产品。其中第一步、第二步预还原步骤中采用非冶金焦炭的炭质还原剂作为还原剂，并且在熔融炉第三步最终还原过程中将还原剂碳消耗殆尽。本发明分步还原非高炉生产钢铁的方法中混合原料配碳时采用“碳饥饿”策略(混合原料中C/O摩尔比＝1.05–1.15)，使得预还原反应结束时，还原剂中碳含量大幅度降低。铁矿中铁氧化物被部分还原，由于预还原步骤中没有直接还原到铁单质，而仍然为铁氧化物(比如可能从三氧化二铁还原成四氧化三铁或者氧化亚铁)，因此不会发生渗碳反应。第三次还原过程中，预还原产物，在升温的过程当中，完成第三次还原，然后待其还原完全转化为铁之后，将其化成铁水，此时碳含量很低，也不会发生渗碳反应，而且此时碳含量在钢产品的碳含量范围内，不需要辅以吹氧。因此本发明分步还原非高炉炼铁方法可直接获得钢产品。

(3)本发明采用非冶金焦炭作为预还原的还原剂，一方面可以大大节省电能，节约成本，另一方面预还原过程能够把还原剂中的碳消耗掉，避免化铁过程中渗碳反应的发生。

(4)高炉炼铁必须先将铁矿粉做成球团，该球团还要经过烧结，使得它们的强度达到1200牛顿每个球。为了保证烧结球团的强度，对球团当中不能配有还原剂。而本发明非高炉分步还原方法直接配入还原剂，也不用将铁矿粉烧结变硬，本发明低温预还原采用的铁矿原料为粉状料，其粒径大于0.18mm，小于5mm，或者在这个范围内选取一定的粒度范围也可。

(5)高炉炼铁只能采用昂贵的冶金焦炭作为还原剂，炼焦也是高耗能高污染过程。本发明分步还原非高炉炼铁方法对还原剂的强度没有任何要求。理论上讲，只要是能裂解燃烧的，杂质又不太高的，都可以作为还原剂来使用。所以本发明对还原剂的选择是比较宽泛的。本发明将生物质作为还原剂与铁矿粉混合，生物质进行裂解碳化，裂解气燃烧可以给预还原反应器提供燃料，碳化产生的碳作为还原剂使用，可以充分利用生物质的功能。

(6)高炉炼铁对铁矿的品味有很高的要求。本发明的铁矿品位要求很低，可以达到40％以下甚至更低。本发明方法可以冶炼钒钛磁铁矿，而高炉不能。

(7)高炉炼铁碳含量高达3％～4.5％，高炉内渗碳严重，使得进一步炼钢时需要吹氧脱碳。而本发明是在铁化成铁水之前就把几乎这些还原剂碳消耗殆尽了，也就是说我们断绝了铁的“渗碳”的碳来源。这就是我们冶炼的铁的含碳量足以落入钢的碳含量的范围之内。这就真正实现了，从炼铁、炼钢两步法，向直接炼钢一步法跨越！当然，常规的用电弧炉炼钢，后部也要配备一台精炼炉。本发明也可惯常地在中频电炉之后配备一台精炼炉，一些个别的元素调整，就交给精炼炉来完成，这是普通的炼钢精制手段。

(8)本发明预还原过程为低温还原过程，温度低于800摄氏度，对设备耐火要求较低，预还原可以在经过保护的不锈钢反应器中进行，也就是说可以在热壁反应器中进行。

附图说明

图1为本发明分步还原非高炉生产钢铁的方法流程图。

图2为本发明分步还原非高炉生产钢铁的系统示意图。

图3是本发明实施例5铁精矿在中频感应炉中第三次还原过程中的图片。

图4是本发明实施例5得到的粗钢产品照片。

图5是本发明不同实施例不同条件下得到的粗钢产品冷却得到的铁(钢)锭照片。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-稀相段；2-密相段；3-混合原料入口；4-燃料气入口；5-流化床烟气出口；6-铁精矿出口；7-铁精矿入口；8-熔融炉；9-熔融炉烟气出口；10-烟气处理系统；11-出渣口；12-钢水或铁水出料口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种分步还原非高炉生产钢铁的方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)将铁矿粉、还原剂和溶剂混合以形成混合原料；所述还原剂为非冶金焦炭的炭质还原剂；

(2)将所述混合原料在流化床稀相区进行第一次还原；所述第一次还原过程中所述铁矿粉中的铁氧化物被所述还原剂部分还原，得到第一次还原固态产物；

(3)将所述第一次还原固态产物在所述流化床的密相区进行第二次还原；所述第二次还原过程中铁氧化物进一步被所述还原剂还原，得到铁精矿，所述铁精矿中氧元素进一步减少，但铁仍主要以氧化物的形式存在；

(4)将所述铁精矿送入熔融炉中冶炼，对所述熔融炉进行升温，所述升温过程中剩余的还原剂对所述铁精矿进行第三次还原，并将所述铁精矿中的铁氧化物还原为固态铁微粒；继续升温直至所述铁微粒被化成铁水，将熔融炉内上层的浮渣排出，得到粗钢或粗铁产品。

一些实施例中，步骤(1)所述还原剂为生物质、煤、石油或天然气；所述溶剂为碳酸钙、萤石中的一种或多种。

本发明非高炉生产钢铁的方法可适用的铁矿粉包括但不限于铁矿石粉，还可以为其它用高炉或电炉可以还原的金属氧化物，比如钒铁矿粉、钒钛磁铁矿粉、赤铁矿粉、锰铁矿粉等，都可以落入本发明范围之内。还原剂可以为生物质、煤、石油或天然气等非冶金焦炭。其中生物质可以为稻壳子、锯末子、植物秸秆、椰子壳、木薯渣子等等。使用时可将这些生物质首先进行压缩成块然后破碎得到合适粒度的生物质粉末，再与所述铁矿粉进行混合。较佳实施例中，所述混合原料中粉末的粒度为0.18-5毫米。

采用本发明分步还原非高炉生产方法可以通过调控混合原料中的碳氧比来调控生产得到的产品为钢或铁。碳氧比高时，可以得到铁水。一些实施例中，本发明混合原料中所述还原剂中C元素与所述铁矿粉中的O元素的摩尔比(本发明中缩写为C/O比)为1.05–1.15：1，优选为1.05-1.12:1。这里C元素的摩尔量是指还原剂中的固定碳含量，可以通过对还原剂进行热解分析得到；而O元素的摩尔量为通过分析铁矿粉中Fe品位，然后将该铁元素含量折算成Fe₃O₄后，Fe元素的4/3倍即为氧元素的含量，最终得到这一C/O比。这一C/O比下，实验发现可以直接得到粗钢产品。现有高炉或其他非高炉炼铁方法中这一C/O比均大于1.2，因此称本发明非高炉一步生产钢产品的方法采用的策略为“碳饥饿”策略。

本发明混合原料中还混有溶剂，溶剂可含有碳酸钙，在本发明流化床中进行铁矿粉部分还原的过程中，碳酸钙发生分解产生可用作造渣剂的氧化钙，节省能源。另外，本发明采用生物质还原剂，在流化床中热解碳化产生的碳作为还原剂还原铁矿石粉，裂解过程中产生的裂解气燃烧还可为还原过程提供热量。

一些实施例中，步骤(1)所述混合原料为混合粉体；所述混合粉体的尺寸大于或等于0.18mm，优选为0.18-5mm。实验发现混合原料的粒径不宜小于0.18mm，否则在熔融炉冶炼的时候容易喷溅出来。

一些实施例中，本发明所述第一次还原过程和第二次还原过程在流化床中进行，还原温度为700-790℃；所述流化床包括上部的稀相区和下部的密相区，燃料气从所述稀相区底部通入，使得所述混合原料在流化床稀相状态下进行第一次还原，第一次还原的还原时间根据流化床高径比以及燃料气流速来决定，取决于物料下降的时间，一般小于或等于2分钟；密相区不通入所述燃料气，第一次还原固态产物落入所述密相区进行第二次还原，第二次还原过程所需的热量由所述第一次还原的余热提供，第二次还原的还原时间为1-30分钟。使用时，所述混合原料首先置于所述稀相区中进行快速的第一次还原，还原时间小于或等于2分钟，优选控制在30秒以内；第一次还原结束后得到的第一次还原固态产物落入所述密相区中继续还原，得到铁精矿。本发明之所以选择在800摄氏度以内的温度进行流化床内的预还原，很重要的原因之一，在于控制预还原产物为含有铁氧化物而非铁微粒的铁精矿，以便于下料至下一步还原反应器熔融炉中。因此，在实际生产过程中，也可结合第二次还原固态产物的形态来判断铁矿粉的金属化率，如果预还原程度过高导致还原为铁微粒，预还原产物可能出现粘接，导致物料无法出炉。

一些实施例中，所述流化床的高径比为2-10。流化床的总高度分为密相段(也称密相区)和稀相段(也称稀相区)。流化床的总高度为密相段和稀相段高度之和。本发明将混合原料在700-790℃温度范围内先后进行两步还原，温度低于800℃目的在于控制还原产物不发生粘连，便于顺利出料至第三次还原的熔融炉中；第一次还原为流化床稀相状态下的还原过程，此时碳含量和铁矿粉中的氧含量较高，还原效率较高，第一次还原时间可以控制在2分钟以内；第二次还原在流化床下部的密相流化床中进行，为了弥补还原温度的不足，第二次还原通过延长还原时间来提高还原程度。第二次还原结束时，铁矿粉金属化率提高至60-80％成为铁精矿，但铁精矿中铁仍以氧化物的形式存在。

一些实施例中，本发明在稀相段进行第一次还原，通过控制燃料气的流速和混合原料的加料量，使得稀相段中每立方米(稀相段反应器体积)内固体物料量在100千克以内，较佳为30-60kg/m³，更佳为30-50kg/m³。第一次还原后的物料落入密相段中进行第二次还原，密相段不吹入燃料气，其固体物料密度为800-1800kg/m³。

本发明采用包含上部稀相区和下部密相区、“高径比”为2-10的管式流化床反应器先后进行两步预还原，具有以下优势：(1)管式反应器的大高径比，使得物料的“返混”程度减小。(2)上部稀相流化床中进行第一次还原，此时碳含量和铁矿粉中的氧含量较高，还原反应速率快，还原效率较高，第一次还原时间短，可以控制在2分钟以内；(3)在同一个管式流化床反应器中，上部稀相区和下部密相区共用一套加热系统，第一次还原固态产物直接落入密相流化床中进行第二步还原，利用稀相流化床的余热进行第二次还原，节约能耗。

一些实施例中，步骤(4)所述熔融炉为燃气型熔融炉或电熔融炉，优选为电熔融炉，电熔融炉包括但不限于比如中频感应炉或电弧炉，较佳为中频感应炉。燃气型熔融炉可以采用煤、液化气、石油等作为燃料。

本发明将经过两步预还原得到的铁精矿送入熔融炉进行冶炼，在熔融炉中对铁精矿进行升温，在升温过程中剩余的还原剂对所述铁精矿进行第三次还原，并将所述铁精矿中的铁氧化物还原为固态铁微粒；一些实施例中继续升温直至所述铁微粒被化成铁水，且此时含碳量达到目标钢产品所需的碳含量范围；此时将上部的浮渣排出，得到粗钢产品。还可根据需要在排渣后在熔融炉内使铁水表面与空气接触，铁水中的硫、磷、碳元素与空气中的氧发生氧化反应可以脱除铁水中的部分硫、磷和碳，该过程可认为属于初步炼钢操作，得到粗钢产品。本发明巧妙地在熔融炉同一个炉体中实现两种完全不同的反应过程，首先是铁精矿还原、化成铁水的还原过程，上层浮渣的形成维持该还原过程；然后将浮渣排出，使铁水暴露在空气中，使铁水中的硫、磷、碳等氧化脱除，该过程为初步炼钢过程。因此，本发明可在熔融炉同一个炉体内实现先炼铁后炼钢的过程。

一些实施例中，步骤(4)所述铁精矿在所述熔融炉中停留时间为30-60分钟。其中，第三次还原至化成铁水一般需要25-50分钟，排渣以及初步炼钢过程一般需要5-10分钟。

一些实施例中，步骤(4)所述化成铁水的过程中产生的还原炉煤气，经过煤气回收系统处理后，作为燃料的一部分供给所述流化床。

一些实施例中，将步骤(4)所述粗钢产品在精炼炉或者精炼钢水包中进行精炼，得到目标钢产品，将所述目标钢产品直接用作铸造厂的铸造原料；或者将步骤(4)所述粗钢或粗铁产品直接用作铸造厂的铸造原料。

本发明还提供了一种应用所述方法生产钢铁的系统，如图2所示，本发明以下实施例中通过分步还原非高炉一步法生产钢铁的系统，包括流化床和熔融炉，其中所述流化床包括上段稀相段1和下段密相段2，所述流化床顶部设置有混合原料入口3和流化床烟气出口5，所述上段稀相段1和下段密相段2之间设置有燃料气入口4；所述流化床底部设置的铁精矿出口6与所述熔融炉8的铁精矿入口7相连通，所述熔融炉8顶部设置有熔融炉烟气出口9，所述熔融炉烟气出口9与所述烟气处理系统10相连通，所述烟气处理系统10与所述燃料气入口4相连通；所述熔融炉8上部侧面还设置有出渣口11，底部设置有钢水或铁水出料口12。

该系统使用时，所述混合原料自所述流化床顶部设置有混合原料入口3进入所述流化床的稀相段1，流化床还原过程所需的燃料气从所述上段稀相段1和下段密相段2之间的燃料气入口4进入所述流化床，使得所述混合原料在所述稀相段1成为稀相状态，在所述稀相段进行第一次还原过程；第一次还原固态产物还原后落入所述密相段2，在所述密相段中进行第二次还原过程，得到铁精矿；在流化床中进行低温预还原产生的烟气自流化床烟气出口5流出。所述第二次还原得到的铁精矿自所述流化床底部的铁精矿出口6被输送至所述熔融炉顶部的铁精矿入口7，在所述熔融炉中进行升温，依次完成所述铁精矿的第三次还原、化铁水和排渣，得到的粗钢产品自所述熔融炉底部的钢水或铁水出料口12出料；其中浮渣自所述熔融炉上设置的出渣口11排出；熔融炉中还原产生的烟气自所述熔融炉烟气出口9进入所述烟气处理系统10，在所述烟气处理系统10中经除杂、冷却、压缩后被输送至所述流化床的燃料气入口4，作为燃料的一部分供给所述流化床。

本发明燃料气入口4通入的燃料气为可燃气体和空气的混合气，可燃气体一部分来自于熔融炉烟气出口9流出的包含一氧化碳等的可燃气体，并经烟气处理系统处理后的可燃气体；另一部分可以为外部补充的诸如生物质燃料裂解产生的气、天然气、液化石油气、煤气等。生物质燃料裂解产生燃料气可按照现有的常规裂解和搜集方法，搜集后用作本发明流化床还原燃料气的可燃气体。

本发明既然能够用控制配碳量的方法把铁矿直接冶炼成钢，那么，就可以通过增大配碳量的办法，而将铁矿冶炼成铁。换言之：本发明可以根据我们的需要，决定炼成铁还是炼成钢。另外，由于本发明可以用铁矿来直接炼成铁或者钢，那么在铸造厂中，根本就不需要用铁或钢作为原料，直接可以用铁矿作为原料，将按照本发明生产方法得到的粗钢产品直接用作铸造厂的原料。

本发明一些实施例中分步还原非高炉生产钢铁的方法，实际上为一种利用铁矿粉分步还原非高炉一步冶炼成钢的方法，将铁矿粉和还原剂粉末直接混合作为原料，特别以“瘦高”的流化床作为低温预还原反应器，结合“碳饥饿”策略，首先在流化床稀相区进行第一次快速还原，然后利用稀相区的余热在下部的流化床密相区进行第二次还原，还原后得到的铁精矿送入至熔融炉中，在同一个炉体中伴随着升温过程依次完成第三次还原、化铁水、排渣以及部分脱硫脱磷脱碳的炼钢操作，一些实施例中得到的粗钢水中已经达到了中碳钢甚至低碳钢产品的各项要求，铁(钢)收率大部分能够高达96％以上，取得了意想不到的技术效果。在一些实施例中，为了获得较低的含碳量，C/O比较小时，看似碳饥饿策略影响了铁收率，使其铁收率仅为91％，但是需要指出的是，对于高炉来说，即使降低碳含量，牺牲一部分铁收率，也不能如本发明的方法这样一步冶炼成钢，高炉的炼铁原理决定了其一旦有铁水生成，就必然发生渗碳反应。

本发明提出的一种分步还原非高炉生产钢铁的方法。具体来说，首先，低温预还原金属氧化物，使其氧含量降低，金属化率提高，用以适合中频感应炉化铁，进而生产钢铁等金属的冶炼工艺。众所周知，整个炼铁过程是矿石逐步失去氧的过程。在矿石逐渐失去氧的同时，它的金属化率也被提高了。在低温阶段预还原铁矿的好处是：可以利用价值比较低的燃料进行供热，甚至我们可以用生物质燃料进行供热。低温还原的过程使我们节省了价位很高的电力。这个预还原过程，也是一个原料的预热过程。而且当我们使用生物质燃料以后，可以实现碳的零排放。因为我们燃烧生物质燃料的时候，放出去的二氧化碳，恰恰是他们生长过程当中，通过光合作用，从大气中吸收来的等量二氧化碳。

然后，在低温预还原阶段，使得铁矿石中的氧含量大幅度下降，金属化率明显提高。我们实验中把流化床中低温预还原阶段得到的固体物质进行称重。他们的重量不仅低于原始投料重量，而且比投入的铁矿石单项重量还要低。这就说明反应物中的碳和氧形成了一氧化碳和二氧化碳，排到空气当中去了。导致总体固态物质重量减少。正是由于铁矿石中的氧含量减少了，其金属化率提高到可以使用感应炉来化铁。在化铁的过程之前，随着炉内温度升高，精矿粉和剩余的还原剂继续还原。在化成铁水之前，所有的精矿都完成了还原的过程。这是在化铁的过程当中，巧妙地实现了精矿最终还原和化铁两个生产过程。

最后，感应电炉使用电流，给被感应的金属或者低氧化态的矿施加磁场，使他们达到升温的目的。这个过程比较节约电能。而现在的一般钢铁冶炼都是使用电弧炉，也就是我们常说的矿热炉。这种电炉不是靠金属的感应来加热，而是靠电极之间放电，引发电弧来加热原料。电弧的温度高达摄氏3000多摄氏度。用电弧炉炼钢比用感应炉炼钢要多耗电。而且在高温下，电弧炉的电极消耗也是一项不可忽视的花销。本发明分步还原非高炉生成钢铁的方法在前两步预还原过程中已经较大程度提高了铁矿粉中的金属化率，因此，可采用能耗较低的中频感应炉进行第三次还原，相对于现有技术电弧炉或称矿热炉大大节省能耗。

本发明首先将铁矿与非冶金焦炭类还原物质以及添加剂混合以形成混合物后进行低温预还原，降低铁氧化物中的氧含量，提高其金属化率，得到固态预还原产物；然后，金属化率已经提高了的预还原产物─铁精矿，在熔融炉中被加热，进行高温还原。高温还原以后的反应产物中，碳已经几乎全部被消耗掉了，故而含碳量已经极低了。所以在还原完全结束后，继续将固态的铁化成铁水的时候，已经没有了渗碳的碳源，使得铁水的含碳量已经落入了钢的含碳量的范围之内，从而达到从铁矿直接冶炼目标钢产品的目的。

以下实施例生产钢铁均在如图2所述的生产系统中进行。本发明分步还原非高炉生产钢铁为局部间断整体连续的生产方法，混合原料自流化床顶部原料入口连续进料进入稀相段进行第一次还原，还原完成后落入密相段进行第二次还原，还原完成后从流化床底部铁精矿出口分批次将达到还原程度要求的铁精矿取出送入中频感应炉中进行冶炼，当然也可配合多个中频感应炉来满足生产要求。

以下为实施例：

实施例1

在品位为67wt％(表示Fe含量为67wt％)的磁铁矿，加入热值为5500大卡无烟煤炭18wt％(其加入量为磁铁矿总质量的18wt％，以下同)和秸秆10wt％，加入碳酸钙9wt％，萤石6wt％。混合原料中C/O摩尔比为1.11。上述原料在搅拌机中混合拌匀，过筛得到粒度在1-3毫米范围的粉末原料，从高径比为4的管式还原反应器的上部混合原料入口加入。混合原料首先在管式还原反应器的稀相段中进行第一次还原，然后落入密相段，进行第二次固态还原。还原反应器的燃料气入口处通入液化石油气和空气的混合气(体积比1:50)，炉膛温度控制在700-750摄氏度(通过控制加料和燃料气量将炉膛温度控制在该范围)。在“稀相段”平均还原反应时间为15秒钟，稀相段固体物料密度为35kg/m³。在密相延迟还原段，平均还原时间为20分钟，密相段固体物料密度为1000kg/m³。反应生成的铁精矿从反应器的下部取出。该预还原反应的产物直接进入中频感应电炉，升温至化铁水的温度(1400-1450摄氏度)，在升温过程中，完成第三次还原并化成铁水，排渣，铁水中S、P、C与空气中的氧发生脱硫脱磷反应8分钟，得到粗钢产品。测试其中铁的转化率为96.45％，铁水的含碳量为：0.94％。

对比例1

其他条件同实施例1，不同的是，过筛使混合原料的粒度小于80目(0.18毫米)。混合原料在还原反应器中固态还原。还原反应器的燃料气为液化石油气和空气的混合气(体积比1:50)，炉膛温度控制在700-750度。在“稀相段”平均还原反应时间为15秒钟，稀相段固体物料密度为35kg/m³。在延迟还原段，平均还原时间为20分钟，密相段固体物料密度为1000kg/m³。反应生成的精矿从反应器的下部取出。该预还原反应的产物直接进入感应电炉，在化铁的过程中，物料从中频炉的坩埚中喷溅出来。由此可见，粒度太小的铁矿，尤其是低于80目的铁矿，如果不结块，用这个方法加工，有一定的困难。

实施例2

为了证实“碳饥饿”策略的作用，我们特意在实验中配入了额外的碳。看看没有提供“碳饥饿”的情况下，按照实施例1的方法得到的铁水的碳含量会有什么变化。

其他条件同实施例1，不同的是，其秸秆加入量从实施例1的10wt％替换为15wt％，混合原料中C/O摩尔比为1.2。最终得到的产品经测试得知：铁的转化率为96.88％，铁水的碳含量为3.57％。从这个实例可以完全看出：“碳饥饿”确实是一种降低铁水含碳量的有效做法。换言之，本发明既可以把铁矿直接炼成钢，也可以把它们炼成铁。

实施例3

品位为50wt％的钒钛磁铁矿粒度为0.18-1毫米的细粉，加入碳化椰子壳16.5wt％，加入萤石6wt％，碳酸钙6wt％。混合原料中C/O摩尔比为1.09。上述原料在搅拌机中混合拌匀，过筛得到粒度在0.8-5毫米范围的粉末混合原料从高径比为3的管式还原反应器的顶部加入。混合原料在还原反应器中固态还原。还原反应器的燃料气为生物质燃料碳化裂解产生的秸秆制气和空气的混合气(体积比1:40)，炉膛温度控制在750-790摄氏度，在“稀相段”平均还原反应时间为10秒钟，稀相段固体物料密度为40kg/m³。在延迟还原段，平均还原时间为25分钟，密相段固体物料密度为1200kg/m³。反应生成的铁精矿从反应器的下部取出。该预还原反应的产物直接进入中频感应电炉升温至化铁水的温度(1400-1450摄氏度)，在升温过程中，完成第三次还原并化成铁水，排渣，铁水中S、P、C与空气中的氧发生脱硫脱磷脱碳反应10分钟，得到粗钢产品。测试其中铁的转化率为96.01％。其铁(钢)水碳含量为0.45％。这个含碳量就是中碳钢(比如45号钢)的含碳量。

实施例4

品位为67％的磁铁矿，加入碳化椰子壳21wt％，加入碳酸钙9wt％，萤石6wt％。上述原料在搅拌机中混合拌匀，过筛得到粒度在0.18-2毫米混合粉末原料，从高径比为6的管式预还原反应器的上部加入。混合原料中C/O摩尔比为1.03。原料在预还原反应器中固态预还原。在“稀相段”平均还原反应时间为20秒钟，稀相段固体物料密度为45kg/m³。在延迟还原段，平均还原时间为30分钟，密相段固体物料密度为1200kg/m³。预还原反应反应器的燃料气为液化石油气和空气的混合气(体积比1:50)，炉膛温度控制在750-790摄氏度。还原反应结束，反应生成的固态精矿从反应器的下部取出。该预还原反应的产物直接进入中频感应电炉升温至化铁水的温度(1400-1450摄氏度)，在升温过程中，完成第三次还原并化成铁水，排渣，铁水中S、P、C与空气中的氧发生脱硫脱磷脱碳反应10分钟，得到粗钢产品。这个铁(钢)的收率达到91.74％，含碳量低到0.05％，接近国家对超低碳钢的含碳量要求。

实施例5

品位为40wt％的铁矿，加入碳化椰子壳15wt％，加入萤石5wt％，碳酸钙5wt％。上述原料在搅拌机中混合拌匀，过筛得到粒度范围为1-5毫米的粉末混合原料，从还原反应器的上部加入。混合原料中C/O摩尔比为1.08。原料在高径比为6的管式预还原反应器中固态预还原。预还原反应反应器的燃料为液化石油气和空气的混合气(体积比1:50)，炉膛温度控制在700-750摄氏度。在“稀相段”平均还原反应时间为20秒钟，稀相段固体物料密度为45kg/m³。在延迟还原段，平均还原时间为30分钟，密相段固体物料密度为1200kg/m³。反应生成的固态精矿从反应器的下部取出。该预还原反应的产物直接进入中频感应电炉，升温至化铁水的温度(1400-1450摄氏度)，在升温过程中，完成第三次还原并化成铁水，第三次还原过程照片如图3所示，还原过程中能观察到火苗，表明该还原过程有可燃的一氧化碳等气体产生。充分化成铁水后排渣，铁水中S、P、C与空气中的氧发生脱硫脱磷脱碳反应5分钟，得到粗钢产品，如图4所示。这个铁(钢)的收率达到95.18％，含碳量低到0.2％，合乎低碳钢的含碳量要求。另外，也测得其中S含量为0.028％，P含量为0.030％，Si含量为0.639％，Mn含量为0.345％。

本发明实验过程中将粗钢产品冷却得到的铁(钢)锭如图5所示。在实际生产过程中，可将实施例中得到的粗钢产品直接送至精炼炉进行精炼，获得最终的目标钢产品。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分步还原非高炉生产钢铁的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将铁矿粉、还原剂和溶剂混合以形成混合原料；所述还原剂为非冶金焦炭类炭质还原剂；

(2)将所述混合原料在流化床稀相区进行第一次还原；所述第一次还原过程中所述铁矿粉中的铁氧化物被所述还原剂部分还原，得到第一次还原固态产物；

(3)将所述第一次还原固态产物在所述流化床的密相区进行第二次还原；使所述第一次还原固态产物中的铁氧化物进一步被所述还原剂还原，得到铁精矿，所述铁精矿中氧元素进一步减少，但铁仍主要以氧化物的形式存在；

(4)将所述铁精矿送入熔融炉中冶炼，对所述熔融炉进行升温，升温过程中剩余的还原剂对所述铁精矿进行第三次还原，使所述铁精矿中的铁氧化物被还原为固态铁微粒；继续升温直至所述铁微粒被化成铁水，将熔融炉内上层的浮渣排出，得到粗钢或粗铁产品。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述还原剂为生物质、煤、石油或天然气；所述溶剂为碳酸钙和/或萤石。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述混合原料为混合粉体；所述混合粉体的尺寸大于或等于0.18mm，优选为0.18-5mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次还原过程和第二次还原过程在流化床中进行，还原温度为700-790℃；所述流化床包括上部的稀相区和下部的密相区，燃料气从所述稀相区底部通入，使得所述混合原料在流化床稀相状态下进行第一次还原，所述第一次还原的还原时间小于或等于2分钟；所述密相区不通入所述燃料气，所述第一次还原固态产物落入所述密相区进行所述第二次还原，所述第二次还原过程所需的热量由所述第一次还原的余热提供，所述第二次还原的还原时间为1-30分钟。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流化床的高径比为2-10。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述熔融炉为燃气型熔融炉或电熔融炉。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述还原剂中C元素与所述铁矿粉中的O元素的摩尔比为1.05–1.15：1。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)继续升温直至所述铁微粒被化成铁水，且此时含碳量达到目标钢产品所需的碳含量范围，将熔融炉内上层的浮渣排出后，使铁水与空气接触发生脱硫脱磷脱碳反应，得到粗钢产品。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括步骤：

(5)将步骤(4)所述粗钢产品在精炼炉或者精炼钢水包中进行精炼，得到目标钢产品，将所述目标钢产品直接用作铸造厂的铸造原料；或者将步骤(4)所述粗钢或粗铁产品直接用作铸造厂的铸造原料。

10.一种应用如权利要求1至9任一项所述方法生产钢铁的系统，其特征在于，包括流化床和熔融炉，其中，

所述流化床包括上段稀相段(1)和下段密相段(2)，所述流化床顶部设置有混合原料入口(3)和流化床烟气出口(5)，所述上段稀相段(1)和下段密相段(2)之间设置有燃料气入口(4)；

所述流化床底部设置的铁精矿出口(6)与所述熔融炉(8)的铁精矿入口(7)相连通，所述熔融炉(8)顶部设置有熔融炉烟气出口(9)，所述熔融炉烟气出口(9)与所述烟气处理系统(10)相连通，所述烟气处理系统(10)与所述燃料气入口(4)相连通；所述熔融炉(8)上部侧面还设置有出渣口(11)，底部设置有钢水或铁水出料口(12)；

该系统使用时，所述混合原料自所述流化床顶部设置的混合原料入口(3)进入所述流化床的稀相段(1)，流化床还原过程所需的燃料气从所述上段稀相段(1)和下段密相段(2)之间的燃料气入口(4)进入所述流化床，使得所述混合原料在所述稀相段(1)成为稀相状态，在所述稀相段进行第一次还原过程；第一次还原固态产物还原后落入所述密相段(2)，在所述密相段中进行第二次还原过程，得到铁精矿；所述铁精矿自所述流化床底部的铁精矿出口(6)被输送至所述熔融炉顶部的铁精矿入口(7)，在所述熔融炉中进行升温，依次完成所述铁精矿的第三次还原、化铁水和排渣操作，得到的粗钢或粗铁产品自所述熔融炉底部的钢水或铁水出料口(12)出料；其中浮渣自所述熔融炉上设置的出渣口(11)排出；熔融炉(8)中还原产生的烟气自所述熔融炉烟气出口(9)进入所述烟气处理系统(10)，在所述烟气处理系统(10)中经除杂、冷却、压缩后被输送至所述流化床的燃料气入口(4)，作为燃料的一部分供给所述流化床。