一种从选矿到炼铁的短流程方法

本发明属于冶金领域，尤其涉及一种非高炉钢铁冶金的短流程技术。

背景技术：

1、从选矿到炼铁是钢铁产业链中至关重要的上游与中游衔接环节。这一过程主要将低品位的原矿转化为高纯度的含铁炉料，并最终通过高温还原反应冶炼出生铁。以下是现有完整的从选矿到炼铁产业链流程。1. 选矿：开采出的铁矿石原矿通常需要经过选矿处理，以去除杂质并提高含铁品位。选矿过程包括破碎、磨矿、磁选或浮选等步骤。2. 烧结：经过选矿得到的铁精粉不能直接入炉，需要进行造块处理。将铁精粉与粘合剂混合后造球并高温焙烧硬化制成烧结矿或球团矿。烧结矿、球团矿会与部分高品位块矿按一定比例混合，作为高炉炼铁的入炉炉料。3.炼焦：将炼焦煤在隔绝空气的条件下加热到1000℃左右，通过热解、碳化和结焦等转化作用，最终制成焦炭、焦炉煤气及多种化学产品的复杂工艺过程。焦炭是高炉炼铁的热源、还原剂、料柱骨架、渗碳剂。4. 高炉炼铁：炉料与焦炭等物料投入高炉内。在高温环境下，焦炭燃烧产生的一氧化碳（co）和氢气（h2）作为还原剂，将铁矿石中的氧化铁逐步还原为金属铁。经过复杂的物理化学反应最终产出液态生铁，并产生炉渣等副产物。经过上述流程产出的铁水，随后会进入铁水脱硫等预处理工序，再被送往炼钢环节（如氧气转炉）进行进一步的脱碳和合金化处理，最终制成粗钢。

2、在选矿到炼铁产业链中，高炉炼铁高度依赖煤炭是典型的高碳排放行业，烧结、炼焦也存在直接碳排放与so2、nox的排放的问题。目前，铁矿资源日益恶化，针对嵌布粒度细、共生关系密切、组成复杂的难选铁矿，选矿的分离指标变差。从长期发展目标看，亟需在选矿到炼铁产业链实现能源结构、工艺流程、设备设计等方面创新与低碳转型。

技术实现思路

1、本发明基于还原技术建立从选矿到炼铁的生产链条。通过将一定粒度的含铁物料气基高效还原为磁铁矿，并充分实现含铁物料与脉石的单体解离，利用磁性差异经磁选分离大部分脉石得到铁精矿；再通过将一定粒度的铁精矿气基高效还原为海绵铁，利用熔点差异、密度差异、导电性差异经熔融进一步分离残余脉石得到优质铁；本发明通过控制还原过程含铁物料的粒度，提高气固还原反应效率，简化生产设备，提供一种低成本低碳铁矿石炼铁技术，推进非高炉低碳规模化炼铁进程。

2、含铁物料为铁矿块矿破碎过程产生的满足磁化还原要求的一定粒度的铁矿碎块，或者是满足磁化还原要求的一定粒度的铁矿粉生球。铁矿粉生球由铁矿块矿经破碎过程产生的与磨矿过程得到的铁矿粉造球得到。

3、一定粒度铁精矿粉生球由磁选铁矿粉后获得的铁精矿粉经造球形成。其粒度满足还原海绵铁的要求。

4、本发明同样适于高品位铁尾矿进一步提铁，铁尾矿是经磁选和浮选后含铁难选脉石矿，难选主要原因是含铁物料磁性弱或无磁性，且与脉石没有实现单体解离，按本发明铁尾矿经造球磁化后研磨磁选，利用磁性铁组分得到提纯。

5、本发明也同样适于赤泥提铁，赤泥是从铝土矿提取氧化铝过程中产生的强碱性废渣，含有氧化铁、二氧化硅、氧化钛等矿物组分，氧化铁含量通常高于30%，废渣处于泥化状态，按本发明矿泥经造球磁化后研磨磁选，利用磁性铁组分得到提纯。

6、本发明的技术方案如下：

7、一种从选矿到炼铁的短流程方法，包括如下步骤：

8、（一）当原料为弱磁性或非磁性原铁矿块矿时：

9、（1）将原铁矿块矿破碎、磨矿、分级，得到原矿碎块和原矿粉；要求原矿碎块粒度：1mm-15mm，要求原矿粉粒度：-74μm质量占比≥70%，简记-74μm≥70%；（2）原矿粉经造球形成原矿粉生球，原矿粉生球粒度：1mm-15mm，原矿粉生球中的铁组分在焙烧炉经气基还原至fe3o4即磁化过程，获得磁化球团，磁化球团经磨矿获得单体解离的磁化矿粉，磁化矿粉经磁选获得铁精矿和尾矿；原矿碎块中的铁组分在焙烧炉经气基还原至fe3o4即磁化过程，获得磁化块矿，磁化块矿经磨矿获得单体解离的磁化矿粉，磁化矿粉经磁选获得铁精矿粉和尾矿；（3）或者单独使用由原矿粉或原矿碎块获得的铁精矿粉，或者合并由原矿粉和原矿碎块获得的铁精矿粉，经造球形成铁精矿粉生球，铁精矿粉生球粒度：1mm-15mm，铁精矿粉生球中的fe3o4在焙烧炉经气基还原至海绵铁，海绵铁经熔炼、除渣后获得铁；

10、或者，（二）当原料为铁矿粉或高品位铁尾矿粉时：

11、将铁矿粉或高品位铁尾矿粉，要求粒度：-74μm≥70%，经造球形成铁矿粉生球或铁尾矿矿粉生球，其粒度为1mm-15mm；铁矿粉生球或铁尾矿矿粉生球中的铁组分在焙烧炉经气基还原至fe3o4即磁化过程，获得磁化球团，磁化球团经磨矿获得单体解离的磁化矿粉，磁化矿粉经磁选获得铁精矿粉和尾矿；铁精矿粉经造球形成铁精矿粉生球，铁精矿粉生球粒度：1mm-15mm，铁精矿粉生球中的fe3o4在焙烧炉经气基还原至海绵铁，海绵铁经熔炼、除渣后获得铁；

12、或者，（三）当原料为高品位赤泥时：

13、将高品位赤泥经造球形成赤泥生球，其粒度为1mm-15mm；赤泥生球中的铁组分在焙烧炉经气基还原至fe3o4即磁化过程，获得磁化球团，磁化球团经磨矿获得单体解离的磁化矿粉，磁化矿粉经磁选获得铁精矿粉和尾矿；铁精矿粉经造球形成铁精矿粉生球，铁精矿粉生球粒度：1mm-15mm，铁精矿粉生球中的fe3o4在焙烧炉经气基还原至海绵铁，海绵铁经熔炼、除渣后获得铁。

14、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，当原料为弱磁性或非磁性原铁矿块矿时，还可以采用以下步骤：

15、（1）将原铁矿块矿破碎、磨矿得到原矿粉，原矿粉粒度：-74μm≥70%；（2）原矿粉经造球形成原矿粉生球，原矿粉生球粒度：1mm-15mm，原矿粉生球中的铁组分经气基还原至fe3o4即磁化过程获得磁化球团，磁化球团经磨矿获得单体解离的磁化矿粉，磁化矿粉经磁选获得铁精矿粉和尾矿；（3）使用（2）的铁精矿粉，经造球形成铁精矿粉生球，铁精矿粉生球粒度：1mm-15mm，铁精矿粉生球中的fe3o4在焙烧炉经气基还原至海绵铁，海绵铁经熔炼、除渣后获得铁。

16、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，所述原矿粉、铁精矿粉、尾矿、赤泥可以通过压块机在一定压力下压制成块的方式或制成坯体的方式替代生球团。

17、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，所述原料的铁品位高于15%；并且，

18、（一）当原料为弱磁性或非磁性原铁矿块矿，包括赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、经氧化焙烧的褐铁矿、经氧化焙烧的菱铁矿或经氧化焙烧的其它铁矿；

19、所述短流程具体步骤如下：（1）将原铁矿块矿破碎、分级，得到4个粒级的原矿物料：①1#原矿物料即原矿粉粒度：-74μm≥70%，且上限不超过0.2mm，符合粒度要求；②2#原矿物料粒度：-74μm＜70%，并且小于1mm，将2#原矿物料经磨矿至符合粒度要求的1#原矿粉；③3#原矿物料粒度大于等于1mm并小于10 mm，符合粒度要求；④4#原矿物料粒度大于等于10mm，将4#原矿物料破碎至10mm以下并分级，通过破碎、磨矿与分级最终得到符合粒度要求的1#原矿粉和3#原矿碎块；（2）符合粒度要求的1#原矿粉用粘合剂经造球形成1mm-10mm原矿粉生球，原矿粉生球经气基400-700℃还原5-30min至fe3o4即磁化获得磁化球团，在炉内冷却至一定温度后出炉或出炉冷却，磁化球团经磨矿获得1#磁化矿粉，1#磁化矿粉经磁选获得1#铁精矿粉和1#尾矿；符合粒度要求的3#原矿碎块直接经气基400-700℃还原10-60min至fe3o4即磁化获得磁化块矿，在炉内冷却至一定温度出炉或出炉冷却，磁化块矿经磨矿获得粒度-74μm≥70%且上限不超过0.2mm的3#磁化矿粉，3#磁化矿粉经磁选获得3#铁精矿粉和3#尾矿；（3）单独或者合并使用1#铁精矿和3#铁精矿，用粘合剂经造球形成1mm-10mm铁精矿粉生球，铁精矿粉生球经气基800-1100℃还原2-4h至海绵铁，在炉内冷却至一定温度出炉或出炉冷却；（4）海绵铁经熔炼、除渣后获得铁；

20、（二）当原料为铁矿粉或高品位铁尾矿，粒度：-74μm≥70%，且上限不超过0.2mm，用粘合剂经造球形成1mm-10mm铁矿粉生球或铁尾矿生球；铁矿粉生球或铁尾矿生球经气基400-700℃还原5-30min至fe3o4即磁化过程获得磁化球团，在炉内冷却至一定温度出炉或出炉冷却，磁化球团经磨矿获得磁化矿粉，磁化矿粉经磁选获得铁精矿粉和铁品位更低的尾矿；铁精矿粉用粘合剂经造球形成1mm-10mm铁精矿粉生球，铁精矿粉生球经气基800-1100℃还原2-4h至海绵铁，在炉内冷却至一定温度出炉或出炉冷却，海绵铁经熔炼、除渣后获得铁；

21、（三）当原料为高品位赤泥，用粘合剂经造球形成1mm-10mm赤泥生球；赤泥生球经气基400-700℃还原5-30min至fe3o4即磁化过程获得磁化球团，在炉内冷却至一定温度出炉或出炉冷却，磁化球团经磨矿获得磁化矿粉，磁化矿粉经磁选获得铁精矿粉和尾矿；铁精矿粉用粘合剂经造球形成1mm-10mm铁精矿粉生球，铁精矿粉生球经气基800-1100℃还原2-4h至海绵铁，在炉内冷却至一定温度出炉或出炉冷却，海绵铁经熔炼、除渣后获得铁。

22、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，含铁粉体造球方法为：含铁粉体与粘合剂充分混合，并用水润湿，再将混合好的物料送入造球机制成含铁生球，然后干燥；所述含铁粉体为原矿粉、铁精矿粉、高品位铁尾矿或高品位赤泥；所用粘合剂为膨润土、氧化镁、氧化钙、消石灰、石灰石、硼酸、硼砂、水玻璃、纳米粘土、水泥、高炉矿渣微粉、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、改性淀粉、聚丙烯酰胺、木质素磺酸盐中的一种或者是以上粘合剂中的无机粘合剂与有机粘合剂的复配粘合剂；粘合剂用量为含铁粉体重量的0.5-3%；

23、气基还原所用还原气体为或者nh3、或者h2、或者co、或者上述还原气体的混合气、或者为上述还原气体+辅助气体n2、或者富氢天然气、或者焦炉煤气；

24、在原矿碎块或者含铁生球进入焙烧炉之前，所述含铁生球为铁精矿粉生球、原矿粉生球、铁矿粉生球、铁尾矿生球或赤泥生球，将或者原矿碎块或者含铁生球装满透气容器，然后将透气容器置于焙烧炉中；设焙烧炉内腔高度为h，反应单元高度为h1，透气容器高度为h2，其他占用高度为r，h2≤h1≤h-r，n个透气容器叠放为一个反应单元，n*h2=h1，n≥1；透气容器之间设置透气间隔，透气间隔1-50mm；原矿碎块或含铁生球在焙烧炉内腔的填充度超过70%；所述透气容器由耐高温材料的丝网制备或由耐高温材料的板材打孔制备，具有透气和支撑作用；

25、焙烧炉或者为1个区域，由程序控温依次实现原矿碎块或含铁生球的预热、还原和冷却过程或预热和还原过程，从而得到还原产物；并且还原过程向炉体内通入还原气体，原矿碎块或含铁生球进炉后以及还原产物出炉前均用n2置换炉体中的气体；在冷却过程回收潜热与显热；

26、焙烧炉或者为3个区域，称之为隧道式焙烧炉，包括：预热区、还原区和冷却区，每个区域容纳1个以上反应单元，预热区、还原区和冷却区由前至后设置，反应单元依次经过预热区、还原区和冷却区, 实现反应单元中原矿碎块或含铁生球的预热、还原和冷却过程，从而得到还原产物；焙烧炉中还原气体从冷却区进入，流经还原区与原矿碎块或含铁生球反应，反应后的气体从预热区流出，炉内气体与反应单元逆向运动；反应后的气体用于预热反应单元中的原矿碎块或含铁生球，随后经除尘脱水气体分离净化回用；并且预热区之前设有进料区，用于放置预热之前的反应单元，进料区在放置反应单元前后均用n2置换气体，冷却区之后设有产物区，用于放置冷却至一定温度即将出炉的反应单元，产物区在放置反应单元前后均用n2置换气体；在冷却过程回收潜热与显热；可选择的，反应单元在焙烧炉内的移动可以利用电动装置或者机械推力或机械牵引力，从而实现气固逆向移动。

27、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，对磁化块矿进行一次磨矿至单体解离，磨矿时间不超过2分钟；磁化球团或磁化球团的磨矿过程不超过20秒；磁选过程，或者为1～6次干式磁选，或者为1～6次湿式磁选，或者干式与湿式磁选配合使用，所用磁体为电磁体或永磁体，磁选水可以循环使用。

28、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，含铁生球的干燥方式为：

29、或者预先干燥，预先干燥方式为或者自然晾干，或者热风吹干，或者在小于200℃的烘箱中烘干；

30、或者在焙烧炉的预热区干燥。

31、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，还原产物在炉内冷却至一定温度的方法为：

32、对于1个区域的焙烧炉，将还原产物在焙烧炉的冷却段中自然冷却至一定温度；

33、对于隧道式焙烧炉，或者1）将还原产物在冷却区内部利用还原气体冷却至一定温度，或者2）将还原产物在冷却区内部利用还原气体冷却同时利用外部夹层鼓风冷却至一定温度，或者3）将还原产物在冷却区内部利用还原气体冷却同时利用外部夹层通水冷却至一定温度，或者4）先利用方法1）或方法2）或方法3）将还原产物冷却至400℃以下，然后进入产物区，n2保护下，用水冷却还原产物至一定温度；

34、还原产物出炉冷却的方法为：将1个区域的焙烧炉还原得到的还原产物在n2保护下，从炉中取出后，用水冷却。

35、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程的方法，铁精矿粉生球经气基还原至海绵铁，随后或热态或冷态输送至电熔炉，在高于1500℃的温度下，熔化形成铁水和炉渣，并可通过加入造渣剂控制炉渣成分；

36、电熔炉或者为电弧炉或者为开式渣浴炉，通过电弧电阻加热将海绵铁熔融成fe熔体；电熔炉或者为感应炉，用水冷电磁感应线圈快速加热，融化感应线圈内部坩埚内的海绵铁。

37、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，辅助气体n2可以用其它惰性气体替代，完成反应安全保护和气体混合的作用。

38、进一步的，上述的一种从选矿到炼铁的短流程方法，隧道式焙烧炉中“进料区在放置反应单元前后均用n2置换气体”和“产物区在放置反应单元前后均用n2置换气体”可以由“进料区在放置反应单元前后均对进料区抽真空”和“产物区在放置反应产物前后均对产物区抽真空”所替代。

39、与现有工艺相比，本发明的优势在于：

40、1、本发明的实质是：使铁矿处于一定粒度下进行的气基还原反应，确保气固反应通透性；分阶段进行气基还原反应，实现彻底除杂。具体地说，将一定粒度的铁矿气基还原为磁铁矿，即：磁化焙烧，利用磁性差异经磁选分离大部分脉石得到铁精矿，尤其适合难选铁矿；再将一定粒度的铁精矿气基还原为海绵铁，利用熔点差异、密度差异、导电性差异经熔融进一步分离残余脉石得到优质铁。

41、2、一定粒度的铁矿之一是铁矿块矿破碎过程产生的满足磁化还原要求的一定粒度的铁矿碎块。铁矿碎块为小颗粒块矿，磁化过程改变块矿内部晶格结构，其中铁矿相内部、石英内部、石英与铁矿物之间均产生裂纹，大幅度降低还原产物强度，有利于在磨矿中实现单体解离，而且，沿晶断裂更好地克服过磨泥化；将磁化提前至矿物破碎后磨矿前，有效降低能耗，并避免过粉碎，能够获得高回收率的高品位铁精矿，磁化后入磨矿物强度降低约2倍以上，磨矿作业能耗大幅度降低；

42、3、一定粒度的铁矿之二是满足磁化还原要求的一定粒度的铁矿粉生球。该铁矿粉生球由铁矿块矿经破碎与磨矿得到的铁矿粉造球得到。通过粘合剂将已经单体解离铁矿粉制备成生球，铁矿粉生球之间存在通透性，而且每个铁矿粉生球之内的粉体之间存在通透性，其磁化速度同流化床的磁化速度。

43、4、一定粒度铁精矿粉生球由磁选铁矿粉后获得的铁精矿粉经造球形成。通过粘合剂将铁精矿粉制成生球，提高初始反应时生球之间以及生球内部铁矿颗粒之间的通透性；利用高温还原产生的fe晶粒，在相邻颗粒间形成晶桥连接，保证了反应过程中球团之间以及球团内部铁矿颗粒之间的通透性，所以反应性更好。无论是高炉炼铁还是竖炉氢基还原，均需要反应前的烧结矿或球团矿必须有一定的粒度和足够的强度，否则会形成粉末，导致通透性下降，而影响热处理效率与效果，所以铁精矿粉制成生球需经过1200℃左右的烧结过程，烧结球团在提高了强度的同时，通透性变差，还原效果不及生球直接还原。本发明使用铁精矿粉生球直接还原，省去烧结过程。

44、5、炼铁过程中的电磁感应熔融工艺简单，高效造渣，不使用任何助剂，如：脱氧剂、造渣剂，不必借助渣钢界面冶金反应即可脱除有害夹杂元素，处理海绵铁产生的熔渣仅为铁矿的脉石矿物及其在熔融状态下的反应产物。

45、6、本工艺过程清晰，易于控制，还原均匀性好，适用范围宽，原料为磁性、非磁性、低品位、难选、块矿、粉矿、尾矿。

46、7、本工作构建了低成本短流程低碳炼铁体系；破碎块矿直接氢基磁化/磨矿粉矿造球氢基磁化—磁选—铁精矿粉造球后氢基还原制备海绵铁—熔炼工艺，从最初的铁矿石处理到炼铁，省去多段磨矿与分级、浮选、球团或烧结以及焦化作业。

47、8、低成本短流程低碳炼铁体系的体系使用绿氢还原实现零碳排放。