半钢粒化法生产铁粉和蒸汽高效利用的方法

摘要

本发明涉及半钢粒化法生产铁粉和蒸汽高效利用的方法，采用如下制备装置，该装置包括熔融半钢注入结构、旋转粒化系统、冷却系统、金属颗粒收集结构、冷却水收集结构和蒸汽收集结构；旋转粒化系统中熔融半钢注入转盘，通过驱动电机的驱动带动转盘转动，使熔融半钢粒化；冷却系统将粒化飞溅出来金属颗粒冷却；金属颗粒收集结构对下落的金属颗粒金属收集；冷却水收集结构对下落的冷却水进行收集，蒸汽收集结构用于收集雾化室中的蒸汽；半钢熔融半钢注入结构注入转盘，旋转粒化系统进行粒化，最后收集金属颗粒和蒸汽。该方法利用半钢生产还原用铁粉，无需增碳脱硫以及合金化等工序，不但大大降低了能耗，还极大地缩短了工艺流程，提高了生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及金属颗粒制备技术领域，具体涉及半钢粒化法生产铁粉和蒸汽高效利用的方法。

背景技术

攀枝花地区有着丰富的钛资源，其储量位居世界钛资源前列。通过冶炼钛渣得富钛原料已成为开发攀西钛资源的重要途径。冶炼过程参见图1，以钛精矿和钛渣为原材料，经过酸解、溶解还原、沉降、水解、煅烧等工序，得到钛白粉。

在酸解阶段，钛精矿、钛渣颗粒和浓硫酸的酸—料混合物，需要利用空气进行喷吹搅拌并利用蒸汽进行搅拌；在溶解还原阶段，由于酸解工序得到的钛液中含有Fe³⁺，会影响钛白粉的白度指标，因此需要加入还原铁粉将Fe³⁺还原成Fe²⁺。工业用蒸汽价格120～240元/t，还原用铁粉价格为4000元/t，价格昂贵，这也是硫酸法钛白粉生产成本高的一个原因。

高钛渣冶炼过程实际上是一个除铁富集钛的过程，得到主产品钛渣和副产品半钢，如图2所示。

钛渣可以用来生产具有高附加值的钛白粉，而副产品半钢的附加值非常低。攀枝花高钛渣电炉冶炼半钢年产量为8.2万吨，半钢能否有效利用对提高钛精矿冶炼钛渣的整体经济性有着重要影响。

攀枝花高钛渣电炉冶炼半钢主要化学成分如表1所示。

表1攀枝花高钛渣电炉冶炼半钢主要化学成分

成分FeSC含量(％)97.40.351.50

由于攀枝花半钢的化学成分具有硫含量高，碳含量低的特点，难以直接利用，因此售价非常低，市场价为900元每吨。目前，半钢的主要作为生产铸造生铁、球墨铸铁管等产品的原料。然而，无论是用来生产铸造生铁还是用来生产球墨铸铁，半钢都必须先经过增碳、脱硫、合金化等工序进行预处理。增碳脱硫以及合金化处理不但工艺流程长，能耗高，还存在以下几个技术难题：

(1)一般采用硅铁进行合金化处理，每生产1吨铸造生铁，需要消耗25kg的硅铁，合金化过程会对半钢造成200℃左右的温降；

(2)半钢中加入增碳剂，提高半钢中的碳含量，但是增碳剂中硫含量较高，增加后续脱硫负担，同时也会造成一定程度的温降；

(3)半钢中加入脱硫剂，提高半钢中的硫含量，每生产1吨铸造生铁，平均需要消耗13.2kg的脱硫剂，同时会造成一定程度的温降。

正是因为如此，半钢一直都进行很好的再利用，那么，能否提出一种无需增碳脱硫就能对半钢直接加以利用的生产工艺呢？

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种无需增碳脱硫就能对半钢直接加以利用的生产工艺，即半钢粒化法生产铁粉和蒸汽高效利用的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

半钢粒化法生产铁粉和蒸汽高效利用的方法，采用如下制备装置，该制备装置包括熔融半钢注入结构、旋转粒化系统、冷却系统、金属颗粒收集结构、冷却水收集结构和蒸汽收集结构；

熔融半钢注入结构，所述熔融半钢注入结构包括耐高温的容器和塞子；

所述容器的底部具有通孔，所述塞子与所述通过密封滑动配合；

旋转粒化系统：包括雾化室、转盘、法兰、连接轴和驱动电机；

所述雾化室位于熔融半钢注入结构的下方，雾化室顶部具有熔融半钢注入口，底部具有冷却水出口和金属颗粒出口，其中，金属颗粒出口靠近雾化室的竖直侧壁；所述通孔与熔融半钢注入口同轴设置；

所述转盘和法兰位于雾化室内部，转盘固定在法兰的上方，转盘与熔融半钢注入口相对设置；

所述连接轴设置在法兰的下方，且其顶部与法兰固定连接；

所述驱动电机与连接轴连接，驱动连接轴沿其中心轴转动；

冷却系统：包括冷却水和冷却水喷出件；

所述冷却水喷出件设置在雾化室内，且位于转盘的外周，通过喷出的冷却水将从转盘顶部飞溅出来的金属颗粒冷却；

所述冷却水喷出件为多根环形水管；

所述多根环形水管固定在雾化室顶壁的内侧，且位于转盘的外侧；每根环形水管的下方具有出水缝隙；所述出水缝隙沿环形水管周向一圈；

金属颗粒收集结构：包括金属颗粒收集器；所述金属颗粒收集器用于收集从雾化室底部排出的金属颗粒；

冷却水收集结构：包括冷却水收集器；所述冷却水收集器用于收集从雾化室底部排出的冷却水；

蒸汽收集结构：包括除尘器和蒸汽储存罐，所述除尘器的气体进口与雾化室顶部连通，除尘器的气体出口与蒸汽储存罐连通；

半钢粒化生产铁粉包括如下步骤：

S1：启动旋转粒化系统中的驱动电机，调整转盘的转速，使其达到目标转速；

S2：开启冷却系统，在多根环形水管下方形成多层环形水幕；

S3：向旋转粒化系统中注入熔融半钢，熔融半钢流入转盘，开始粒化；

S4：粒化形成的金属颗粒穿过冷却水，换热降温后，温度降到粘接温度以下，金属颗粒到达雾化室竖直侧壁，碰撞后下落，收集到金属颗粒收集器中；冷却水下落收集冷却水收集器中；

S5：粒化过程产生的大量蒸汽经过除尘器后，存入蒸汽储存罐中储存；

S6：金属颗粒收集器中的收集的温度为200～900℃的金属颗粒，然后，进入流化床中进行氢还原或进入带式炉中进行氨还原，提高铁粉颗粒金属Fe的含量。

作为优化，所述步骤S5蒸汽储存罐中收集的蒸汽用于硫酸法钛白的酸解阶段和溶解还原阶段。

作为优化，所述冷却水出口和金属颗粒出口均为环形结构，且沿雾化室底壁周向设置。

作为优化，所述转盘为顶部直径大于底部直径喇叭状结构。

作为优化，所述制备装置还包括保护罩；所述保护罩用于将所述连接轴罩住。

作为优化，所述旋转粒化系统还包括变频器，所述变频器与驱动电机连接，用于控制驱动电机的转速。

作为优化，所述冷却水喷出件为多个喷头；

所述喷头固定在雾化室的内壁上；其中，靠近所述转盘的喷头，喷出的冷却水与转盘顶部边缘有间距，靠近雾化室竖向内壁的喷头，喷出的冷却水与雾化室竖向内壁有间距。

作为优化，所述制备装置还包括水循环装置；

水循环装置：包括循环泵和输水管；

所述输水管的一端与冷却水收集器连通，另一端与冷却水喷出件连通，所述循环泵安装在输水管上。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

(1)对半钢进行增碳脱硫以及合金化处理，不但工艺流程长，能耗高，还存在多个技术难题，本发明利用半钢生产还原用铁粉，无需增碳脱硫以及合金化等工序，不但大大降低了能耗，还极大地缩短了工艺流程，提高了生产效率。

(2)现有硫酸法钛白用还原铁粉，一般采用高炉铁水作为水雾化法生产铁粉原料。高炉铁水成本为2600元每吨，跟高炉铁水相比较，攀枝花高钛渣电炉冶炼半钢价格由于S含量高，C含量低，成本只有900元每吨，可以大大降低生产铁粉的成本。

(3)半钢难以利用，售价低的一个主要原因是其S含量太高，脱硫困难且成本高。然而，利用半钢为原料生产还原用铁粉，作为硫酸法钛白的还原剂，无需脱硫。因为，在硫酸法钛白工艺中，由于利用大量硫酸进行酸解，在沉降阶段，会加入脱硫剂进行脱硫。因此，无需考虑半钢中的硫含量对其产品还原用铁粉的影响。

(4)攀枝花高钛渣电炉冶炼半钢年产量为8.2万吨，用半钢来生产还原用铁粉，年产值可以高达3.28亿元，经济效益十分可观。

(5)粒化过程中产生大量的蒸汽，这部分蒸汽经除尘工序后，利用存储罐存储，之后应用到硫酸法钛白的酸解阶段，大大降低了蒸汽的热量及压力损失。

(6)目前蒸汽市场价120～240元/t，因此，粒化过程产生的蒸汽应用到硫酸法钛白的酸解阶段，可以大大降低生产成本。

(7)传统铁粉生产工艺，收集的铁粉颗粒温度为室温温度25℃，然后加热到800℃～1000℃进行还原。采用转盘粒化制备铁粉颗粒，收集器中收集到的铁粉颗粒，温度范围为200℃～900℃，进入流化床或者带式炉中利用氢气或者氨气进行还原，可以大大降低达到还原温度所需的能耗。

(8)半钢粒化得到的铁粉颗粒和大量的蒸汽，分别应用到硫酸法钛白的溶解还原和酸解阶段，不仅回收了半钢的部分余热，还实现了物质和能量的资源优化配置。

附图说明

图1为钛精矿电炉冶炼钛渣生产硫酸法钛白流程图。

图2为钛精矿电炉冶炼流程图。

图3为本发明所述制备装置的结构示意图。

图4为环形水管的结构示意图。

图5为图4中环形水管的纵截面图。

图6本发明方法的简图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“竖直”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

半钢粒化法生产铁粉和蒸汽高效利用的方法，采用如下制备装置，该制备装置包括熔融半钢注入结构、旋转粒化系统、冷却系统、金属颗粒收集结构、冷却水收集结构和蒸汽收集结构；

熔融半钢注入结构，包括耐高温的容器2和塞子1；所述容器2的底部具有通孔，所述通孔与熔融半钢注入口同轴设置；所述塞子1与所述通过密封滑动配合，用于控制所述通孔的畅通与阻塞。具体实施时，所述塞子1由手持部和阻塞部两部分组成，为了方便手持，拔动和塞紧塞子，该手持部的直径大于阻塞部，另外还可以在手持部上设置防滑纹，便于拔动塞子时，塞子脱手。

旋转粒化系统：包括雾化室9、转盘4、法兰5、连接轴7和驱动电机12；

所述雾化室9位于熔融半钢注入结构的下方，雾化室9顶部具有熔融半钢注入口，底部具有冷却水出口和金属颗粒出口，其中，金属颗粒出口靠近雾化室9的竖直侧壁；所述通孔与熔融半钢注入口同轴设置；

优先地，冷却水出口和金属颗粒出口均设计为环形结构，且沿雾化室9底壁周向设置。这种结构更有利于快速收集冷却水和冷却后的金属颗粒。环形的金属颗粒出口靠近雾化室9的竖直侧壁，这主要是因为金属颗粒经过冷却水冷却后，会打击在雾化室9竖直侧壁的内侧，然后落下，将金属颗粒出口设置在靠近雾化室9的竖直侧壁能快速对金属颗粒进行收集。环形冷却水出口的径向宽度大于金属颗粒出口，这主要是因为冷却水水量较多，为了快速收集和再利用，另外也是为了便于收集金属颗粒，尽可能地避免冷却水混入金属颗粒收集器中。

所述转盘4和法兰5位于雾化室9内部，转盘4固定在法兰5的上方，转盘4与熔融半钢注入口相对设置；优选地，转盘4为顶部直径大于底部直径喇叭状结构。方便位于转盘4内的熔融半钢从转盘顶部开口飞出，通过转盘粒化金属液体得到的金属颗粒，颗粒均匀，球形度好，另外，通过转盘粒化金属液体制备金属颗粒，可以通过调节金属液体流量、转盘直径以及转速大小来控制颗粒的尺寸，满足生产需要。

该转盘4底部的外侧具有一圈裙边，裙边上具有多个安装孔。裙边和安装孔的设置主要是为了更好、更稳固地将转盘固定在法兰上，尽可能地防止转盘和法兰发生相对转动或移动。

为了防止冷却水对连接轴7的腐蚀，还可以增加保护罩8，该保护罩8将整个连接轴7完全罩住，从而防止冷却水与连接轴7接触。实施时，保护罩8上具有连接轴7顶部穿过的通孔，并在保护罩8顶部的通孔与连接轴7之间设置密封圈14，使保护罩8顶部的通孔与连接轴7之间密封可转动配合，从而保证驱动电机12带动连接轴7转动时，保护罩8不转动，同时保证冷却水不会进入保护罩8内。具体实施时，为了方便操作，保护罩8可以同时将连接轴7和驱动电机12一并罩住。

所述连接轴7设置在法兰5的下方，且其顶部与法兰5固定连接；

所述驱动电机12与连接轴7连接，驱动连接轴7沿其中心轴转动；

所述变频器13与驱动电机12连接，用于控制驱动电机12的转速。变频器13的设置主要是为了更加方便调节驱动电机12的转速，从而可以根据不同的金属特征，调整转盘的转速，增加了该金属颗粒制备装置的适用性。

冷却系统：包括冷却水和冷却水喷出件；

所述冷却水喷出件设置在雾化室9内，且位于转盘4的外周，通过喷出的冷却水将从转盘4顶部飞溅出来的金属颗粒冷却；

所述冷却水喷出件为多根环形水管3；所述多根环形水管3固定在雾化室9顶壁的内侧，且位于转盘4的外侧；每根环形水管3的下方具有出水缝隙；所述出水缝隙沿环形水管3周向一圈；

由于多根环形水管3的底部具有出水缝隙，因此在转盘外侧形成多层水雾，从转盘4飞溅出来的金属颗粒，依次穿过多次水雾进行冷却，金属颗粒穿过水幕达到换热效果，可以分别对金属颗粒以及冷却水进行收集，省去了由于金属颗粒跟水分离的工序；另外，经过多层水幕冷却换热，可以将金属颗粒尽快降到粘接温度以下，缩短了金属颗粒飞行距离，减小了整个装置的占地面积，节约了土地资源，降低了投资成本。

转盘粒化与环形水幕冷却相结合，与直接高压水制取金属粉末工艺相比，这种冷却方式所需水量大大减少，既降低了生产成本，又节约了大量的水资源；转盘粒化与环形水幕冷却相结合，金属颗粒从转盘边缘以非常高的速度飞离转盘，并在极短的时间内与冷却水幕接触，减少了金属颗粒与空气的接触时间，大大降低了金属颗粒表面的氧化程度。

冷却水喷出件还可以采用如下结构：冷却水喷出件为多个喷头；所述喷头固定在雾化室9的内壁上；其中，靠近所述转盘4的喷头，喷出的冷却水与转盘4顶部边缘有间距，靠近雾化室9竖向内壁的喷头，喷出的冷却水与雾化室9竖向内壁有间距。具体实施时，多个喷头可以固定在雾化室9顶壁的内侧，也可以固定在雾化室9竖直侧壁的内侧，优选固定在雾化室9竖直侧壁的内侧，这样更容易调节喷射角，防止喷出的冷却水喷入转盘4内或是打在雾化室9竖直侧壁的内侧。

金属颗粒收集结构：包括金属颗粒收集器10；所述金属颗粒收集器10用于收集从雾化室9底部排出的金属颗粒，具体实施时，可以将金属颗粒收集器10设置在雾化室9的外侧，且位于雾化室9的底部，该金属颗粒收集器10上端的开口与金属颗粒出口相对；金属颗粒收集器10最好为环形结构，其上端的开口与环形的金属颗粒出口相对，将下落的金属颗粒收集在其中。

冷却水收集结构：包括冷却水收集器11；所述冷却水收集器11用于收集从雾化室9底部排出的冷却水。具体实施时，可以将冷却水收集器11设置在雾化室9的外侧，且位于雾化室9的底部，该冷却水收集器11上端的开口与冷却水出口相对。具体实施时，冷却水收集器11为环形结构，其上端的开口与环形的冷却水出口相对，将下落的冷却水收集在其中。

由于冷却水和金属颗粒是分开收集的，因此循环利用冷却水非常方便，为此，该金属颗粒制备装置还可以包括水循环装置；水循环装置包括循环泵15和输水管16；输水管16的一端与冷却水收集器11连通，另一端与冷却水喷出件连通，所述循环泵15安装在输水管16上。金属颗粒和冷却水分别进行收集，冷却水可以直接循环使用，无需其他工艺处理，即节能有环保，同时还降低了制作金属颗粒的成本。

蒸汽收集结构：包括除尘器17和蒸汽储存罐18，所述除尘器17的气体进口与雾化室9顶部连通，除尘器17的气体出口与蒸汽储存罐18连通。

半钢粒化生产铁粉包括如下步骤：

S1：启动旋转粒化系统中的驱动电机12，调整转盘4的转速，使其达到目标转速；

S2：开启冷却系统，在多根环形水管3下方形成多层环形水幕；

S3：向旋转粒化系统中注入熔融半钢，熔融半钢流入转盘4，开始粒化；

S4：粒化形成的金属颗粒穿过冷却水，换热降温后，温度降到粘接温度以下，金属颗粒到达雾化室9竖直侧壁，碰撞后下落，收集到金属颗粒收集器10中；冷却水下落收集冷却水收集器11中；

S5：粒化过程产生的大量蒸汽经过除尘器17后，存入蒸汽储存罐18中储存；

S6：金属颗粒收集器10中的收集的温度为200～900℃的金属颗粒，然后，进入流化床中进行氢还原或进入带式炉中进行氨还原，提高铁粉颗粒金属Fe的含量。

作为优化，所述步骤S5蒸汽储存罐18中收集的蒸汽用于硫酸法钛白的酸解阶段和溶解还原阶段。实现了企业内部资源的优化利用。

针对攀枝花高钛渣电炉冶炼半钢金属Fe含量高，S含量高，C含量低的成分特点，本发明利用半钢来生产还原用铁粉。利用半钢为原料生产还原用铁粉，作为硫酸法钛白的还原剂，无需脱硫。因为，在硫酸法钛白工艺中，由于利用大量硫酸进行酸解，在沉降阶段，会加入脱硫剂进行脱硫。因此，无需考虑半钢中的硫含量对其产品还原用铁粉的影响。

本发明提出以电炉冶炼副产品半钢为原材料，采用转盘离心粒化、水幕冷却的方式生产还原用铁粉以及粒化过程产生大量的水蒸汽，分别应用到硫酸法钛白的溶解还原阶段和酸解阶段，实现了企业内部资源的优化利用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。