一种超高品位铁精矿气基竖炉直接还原制取超纯铁的方法

摘要

一种超高品位铁精矿气基竖炉直接还原制取超纯铁的方法，属于冶金竖炉直接还原技术领域。其特征在于以超高品位铁精矿为原料，添加有机粘结剂、造球、氧化焙烧制取氧化球团，而后将超高品位铁精矿氧化球团置于气基竖炉中采用还原气进行直接还原，再将气基还原获得的金属化球团送至中频感应炉内在真空或氩气气氛下熔分，得到TFe≥99.98％、C≤0.005％的超纯铁。该工艺流程短且衔接紧凑，各工艺参数易于控制，可用于超纯铁的高效清洁生产。

说明书

技术领域

本发明属于冶金资源综合利用技术领域，具体涉及一种以超高品位铁精矿为原料以气基竖炉为主要设备采用直接还原方式制取超纯铁的方法。

背景技术

当铁中杂质元素含量降到很低时，即为纯铁，具体可分为工业纯铁(C≤0.020％，TFe≥99.50％)、纯铁(C≤0.005％，TFe≥99.90％)和超纯铁(C≤0.005％，TFe≥99.98％)三种，其中的超纯铁具有良好的延展性、软磁性能、热性能、导电性和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、原子工业及高张力合金零部件加工等领域，是精密合金、高温合金、高级耐热合金、非晶态合金、软磁材料、永磁合金等材料生产的重要原料。鉴于超纯铁的优异性能以及潜在的应用价值，其价格非常昂贵。

目前，超纯铁的制备主要有电化学提纯法与物理提纯法。电化学提纯法利用离子交换或溶液萃取等方法获得高纯亚铁盐溶液，对该溶液进行电解精炼得到超纯铁。我国科研院所通过电解精炼亚铁盐溶液得到了高纯度电解铁产品，但是电解铁存在成本高、价格昂贵的问题，限制了其应用。物理提纯法是利用主体金属与杂质元素间物理性质的差异，采用蒸发、凝固、结晶、电迁移等物理方式除杂，从而使金属铁高纯化，主要包括区域熔炼、电磁悬浮熔炼、真空感应熔炼及固态金属电迁移等方法，其流程复杂，对设备要求亦高。

朝阳金河粉末冶金原料有限公司用铁精矿粉直接制取粉末冶金用还原铁粉(CN 1020009183 B)，首先将铁精矿粉与固体还原剂同时送入隧道窑内还原38～40h，获得TFe≥98.00％的一次铁粉，而后将一次铁粉在800℃用氢气还原，最终获得TFe 99.00％的还原铁粉，该方法仅以制取还原铁粉为目的，且流程长。东北大学韩跃新等人提出的一种制备纯铁的方法(CN 105063264 A)，以超级铁精粉为原料(TFe 71.5～72％、SiO₂>

气基竖炉具有环境友好、能耗低、单机产能大、生产灵活等优势，在制取直接还原铁工艺中得到了一定的应用，随着煤制气技术逐渐成熟、选矿技术快速发展，气基竖炉还原已经成为我国直接还原的发展方向。

本项发明拟以超高品位铁精矿为原料，以气基竖炉为主要制备超纯铁，使得产品纯净度的控制从原料开始，可以最大限度地控制残留元素进入生产过程，减少冶金过程控制超纯铁中残留元素的生产成本，以此提高超纯铁的产品质量，彻底改变我国高纯、精密合金生产桎梏于原料，航空航天及军工等特殊材料生产所需超纯铁严重不足的尴尬现状，为改善钢铁产品结构，促进优质合金生产的发展，满足我国装备制造业、国防军工的重要需求提供新技术。

发明内容

针对以上高纯铁制备过程中存在的问题，本发明提供了一种以超高品位铁精矿为原料以气基竖炉为主要设备采用直接还原方式制取超纯铁的方法，简称：一种超高品位铁精矿气基竖炉直接还原制取超纯铁的方法。

该工艺方法所用超高品位铁精矿粉中，TFe含量高于71.50％、二氧化硅及其它酸不溶物杂质含量小于0.20％～0.30％，以其为原料，所实现的方法具体包括以下步骤：

(1)生球制备。将前述的超高品位铁精矿粉、有机粘结剂和水按适宜比例进行机械混合，原料混匀后进行焖料处理，用圆盘造球机将焖好的物料制备成粒径为10～12.5mm的生球，所得生球再经充分干燥制得超高品位铁精矿球团。其中，超高品位铁精矿粉的粒度不大于0.074mm；有机粘结剂确定为佩利多，有机粘结剂的加入比例按质量分数计不高于物料总质量的0.40％，焖料时间不少于45min，制备出生球的落下强度不低于4次、抗压强度不小于10N、水分为8.00％～9.00％；

(2)氧化球团制备。在温度为900℃的炉温下将干燥处理后的超高品位铁精矿球团放入高温炉内，并通入空气，以5℃/min升至焙烧温度1200～1250℃并维持20～25min后，将球团排出高温炉并自然冷却，制备得到超高品位铁精矿氧化球团，其抗压强度不低于2500N；

(3)将超高品位铁精矿氧化球团从气基竖炉顶部加入，同时向竖炉内通入还原气，控制还原温度为850～950℃，进行直接还原制得超高品位铁精矿金属化球团；其中还原气体流量为3～5m³/m²·min，还原气中H₂+CO的体积比不低于90％、H₂和CO的摩尔比为1.5～3.0，还原时间不小于35min，气基还原过程中球团膨胀率不大于20％，金属化率为95.00％～97.00％。超高品位铁精矿金属化球团中还残留一定量的氧化亚铁FeO。

(4)金属化球团中频感应炉快速熔分。将气基还原后的超高品位铁精矿金属化球团热送至中频感应炉内，控制熔分过程气氛为真空或者氩气气氛，控制熔分温度为1550～1650℃，熔分时间为15～25min，制得TFe≥99.98％、C≤0.005％的超纯铁。

本项发明的优点在于：以超高品位铁精矿为原料，采用气基竖炉直接还原-电热熔分冶炼制取超纯铁，改进现有流程的不足，获得各项指标均合格的超纯铁产品。该流程采用无残留的有机粘结剂为造球粘结剂，减少杂质带入。另外，在气基还原过程中，通过控制还原条件，让金属化还原产品中残留适宜的氧化亚铁FeO，可直接用作熔分过程的脱碳剂，亦可降低渣熔点，保证良好的熔渣条件，无需配碳，减少杂质带入，且还原产品不需要极高的金属化率，可降低能耗。总之，该工艺流程短，各流程间衔接紧凑，各工艺参数易于操作和控制，同时，充分利用非焦煤资源，降低了对冶金焦炭资源的依赖，环境友好，可用于超纯铁的高效清洁生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明优点会在描述中更为清楚，但这些实施例仅是范例性质的，并不对本发明范围构成任何限制。

实施例一

以某超高品位铁精矿为原料，其铁品位TFe为71.87％，二氧化硅的质量百分数为0.20％。

实施步骤如下：

(1)将铁品位TFe为71.87％的铁精矿粉、有机粘结剂和水按适宜比例采用行星式混料机均混后，经过焖料处理，用圆盘造球机制备成粒径为10.0～11.0mm的生球，然后干燥制得超高品位铁精矿球团；造球时选择佩利多为有机粘结剂，其加入比例按质量百分数计为原料总质量的0.30％，焖料时间 45min；制备出生球的落下强度为4次、抗压强度为11.50N、水分为8.25％；

(2)在温度为900℃的炉温下将干燥处理后的超高品位铁精矿球团放入高温炉内，并通入空气，以5℃/min升至焙烧温度1225℃并维持20min后，将球团排出并自然冷却，制备得到超高品位铁精矿氧化球团，其抗压强度均大于2550N；

(3)将超高品位铁精矿氧化球团从气基竖炉顶部加入，同时向竖炉内通入还原气，控制还原温度为900℃，还原气体流量为3～5m³/m²·min，还原气中H₂+CO＝93％，H₂和CO的摩尔比2.0，还原时间45min，依此获得的气基直接还原金属化球团，其金属化率95.25％；

(4)将气基还原后的超高品位铁精矿金属化球团热送至中频感应炉内，控制熔分温度为1550℃，熔分时间为20min，得到铁品位为99.98％、碳含量为0.0050％的超纯铁产品。

实施例二

仍然以实施案例1中铁品位TFe为71.87％的铁精矿粉为原料。

实施步骤如下：

(1)将铁品位TFe为71.87％的铁精矿粉、有机粘结剂和水按适宜比例采用行星式混料机均混后，经过焖料处理，用圆盘造球机制备成粒径为12mm的生球。有机粘结剂佩利多的加入比例按质量分数为0.35％，焖料时间为50min；

(2)在温度为900℃的炉温下将干燥处理后的超高品位铁精矿球团放入高温炉内，并通入空气，以5℃/min升至焙烧温度1250℃并维持20min后，将球团排出并自然冷却，制备得到超高品位铁精矿氧化球团；

(3)将超高品位铁精矿氧化球团从气基竖炉顶部加入，同时向竖炉内通入还原气，控制还原温度为900℃，还原气体流量为3～5m³/m²·min，还原气中H₂+CO＝95％，H₂和CO的摩尔比2.8，还原时间为40min，依此获得的气基直接还原金属化球团，其金属化率为96.31％；

(4)将气基还原后的超高品位铁精矿金属化球团热送至中频感应炉内，控制熔分温度为1600℃，熔分时间为20min，得到铁品位为99.99％、碳含量为0.0042％的超纯铁产品。

实施例三

仍然以实施案例1中铁品位TFe为71.87％的铁精矿粉为原料。

实施步骤如下：

(1)将铁品位TFe为71.87％的铁精矿粉、有机粘结剂和水按适宜比例采用行星式混料机均混后，经过焖料处理，用圆盘造球机制备成粒径为12mm的生球。有机粘结剂佩利多的加入比例按质量分数为0.35％，焖料时间为50min；

(2)在温度为900℃的炉温下将干燥处理后的超高品位铁精矿球团放入高温炉内，并通入空气，以5℃/min升至焙烧温度1250℃并维持25min后，将球团排出并自然冷却，制备得到超高品位铁精矿氧化球团；

(3)将超高品位铁精矿氧化球团从气基竖炉顶部加入，同时向竖炉内通入还原气，控制还原温度900℃，还原气体流量为3～5m³/m²·min，还原气中H₂+CO＝98％，H₂和CO的摩尔比3，还原时间40min，依此获得的气基直接还原金属化球团，其金属化率96.96％；

(4)将气基还原后的超高品位铁精矿金属化球团热送至中频感应炉内，控制熔分温度为1650℃，熔分时间为25min，得到铁品位为99.99％、碳含量为0.0031％的超纯铁产品。