一种生物质含铁团块短流程炼钢及生产不锈钢的方法
阅读：990发布：2023-01-18
专利汇可以提供一种生物质含铁团块短流程炼钢及生产不锈钢的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的一种 生物 质 含 铁 团 块 短流程炼 钢 及生产 不锈钢 的方法，属于钢铁 冶金 技术领域。本发明的炼钢方法步骤一：生产 直接还原 铁，将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁 氧 化物被还原生成直接还原铁；步骤二：电炉熔炼，将直接还原铁热装送入电炉内，并向电炉内加入造渣剂，吹氧熔炼后出钢；本发明的不锈钢的方法是将上述 钢 水 加入AOD炉中脱 碳 升温，再向炉中加入含铬的金属原料进行 合金 化，再将钢水运送至VOD炉中进行深 脱碳 ，得到不锈钢。本发明通过将含铁团块还原生成直接还原铁，再将直接还原铁热装送入电炉内熔炼得到合格钢水，实现了生物质含铁团块的短流程炼钢，提高 能源 利用效率；进一步可以 冶炼 生产不锈钢。，下面是一种生物质含铁团块短流程炼钢及生产不锈钢的方法专利的具体信息内容。
1.一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，其特征在于：
步骤一：生产直接还原铁
将生物质、含铁原料和添加剂混合加压制得含铁团块，将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，所述的添加剂包括碳酸钠、红土镍矿、白云石和草木灰，各组分的质量百分比为：碳酸钠：20％，红土镍矿：45％，白云石：30％，草木灰：5％；
其中含铁原料包括高炉灰、烧结返矿和铁精矿，各组分的质量百分比为：高炉灰：5％、烧结返矿：10％、铁精矿：85％；
步骤二：电炉熔炼
将直接还原铁热装送入电炉内，并向电炉内加入造渣剂，吹氧熔炼后出钢。
2.根据权利要求1所述的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，其特征在于：所述的生物质浸入改性溶液中进行改性处理，再将改性处理后的生物质、含铁原料和添加剂混合加压制得含铁团块，改性溶液对生物质进行改性处理的温度为80-95℃。
3.根据权利要求2所述的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，其特征在于：所述的改性溶液为碱性溶液。
4.根据权利要求3所述的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，其特征在于：所述的改性溶液为NaOH、Ca(OH)2、KOH中的一种或者两种以上的组合。
5.根据权利要求4所述的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，其特征在于：电炉熔炼氧化期炉渣中FeO含量为12～20％，二元碱度R＝2～3。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，其特征在于：
步骤一：生产直接还原铁具体步骤如下：
(1)将生物质浸入改性溶液中浸泡1-2h，浸泡完成后在烘箱中烘干，完成生物质的改性；
(2)将生物质、含铁原料、添加剂混合，通过压块机在150-400℃热压制备得到含铁团块；
(3)将干燥后的含铁团块放入800-900℃的高温容器中，保持5-10min，再升温至1150-
1250℃，并保温30-60min。
7.根据权利要求6所述的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，其特征在于：所述的含铁原料、生物质和添加剂按如下质量份数组成：
生物质50-60份；
含铁原料100-200份；
添加剂5-10份。
8.根据权利要求6所述的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，其特征在于：所述碳酸钠、红土镍矿、白云石和草木灰颗粒200目通过率大于90％。
9.一种生物质含铁团块短流程生产不锈钢的方法，其特征在于：采用权利要求1-8任意一项所述的短流程炼钢方法冶炼得到钢水，将钢水加入AOD炉中脱碳升温至1650-1680℃，再向炉中加入含铬的金属原料进行合金化；再将合金化后的钢水运送至VOD炉中进行深脱碳，得到不锈钢。
10.根据权利要求9所述的一种生物质含铁团块短流程生产不锈钢的方法，其特征在于：AOD炉冶炼完成后经扒渣处理运送至VOD炉中进行深脱碳，终点碳含量0.02-0.04％。
一种生物质含铁团块短流程炼钢及生产不锈钢的方法
技术领域
背景技术
[0002] 直接还原是铁氧化物在不熔化、不造渣，在固态下还原为金属铁的工艺。直接还原产品统称为直接还原铁(Direct Reduction Iron，缩写为DRI)，直接还原是已实现大规模工业化生产技术，已实现工业化生产的直接还原法有数10种。2008年世界直接还原铁(DRI/HBI)的产量约6845万t，约为世界生铁产量9.30亿t的7.23％。直接还原铁由于产品纯净、质量稳定、冶金特性优良，成为生产优质钢、纯净钢不可缺少的原料，是世界钢铁市场最紧俏的商品之一，直接还原是世界钢铁生产的一个不可缺少的组成部分。
[0003] 我国的钢铁蓄积量不足，废钢产生量远不能满足钢铁生产的需要，废钢短缺是影响中国电炉钢发展的重要因素；同时中国钢铁生产的主要能源是焦炭，世界性焦煤资源的短缺，价格飞涨严重的干扰和威胁着中国钢铁工业的可持续发展。发展直接还原铁直接炼钢有利于改善我国钢铁生产的能源结构，摆脱焦煤资源对发展的羁绊，是减少钢铁生产对环境的不良影响的重要途径。推进钢铁工业的节能减排政策，加大节能减排力度、提高能源利用效率，发展以低能耗、低污染为基础的“低碳经济”，才能促进钢铁工业的可持续发展。
[0004] 生物质能(biomass energy)是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，是一种可再生能源。生物质能具有可再生、低污染、分布广泛等优点。合理利用生物质能源，可有效减少对矿物能源的依赖，通过减轻能源消费给环境造成的污染。如今生物质能的开发和利用已经成为国际关注的焦点，生物质能技术具有相当广阔的发展前景。现有的生物质在应用的过程中，往往对生物质进行气化，生物质气化是在一定的热力学条件下，借助于空气部分(或者氧气)、水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为一氧化碳，氢气和低分子烃类等可燃气体的过程。因此，可以将生物质应用于钢铁工业中，利用生物质代替传统炼铁工艺的煤和焦碳。迫切的需要开发出一种采用生物质进行含铁团块冶炼的短流程炼钢方法，从而是减少钢铁生产对环境的不良影响，提高能源利用效率，并实现可持续的发展。
[0005] 经检索，已有相关的技术人员开展此方面的研究，例如：一种电磁加热含碳球团连续直接炼钢方法(申请号：201510465009.4申请日：2015-07-29)，该方案的的电磁加热含碳球团连续直接炼钢方法，其步骤为：含碳球团的预热、钢浴熔池的形成、含碳球团的预还原和渣铁熔分反应，通过使用本发明中的技术方案，能够融炼铁、炼钢为一体，通过控制加入的含碳球团中的C/O摩尔比，实现了对钢水中[C]含量的控制，不需进行吹炼便可直接由含碳球团生产出合格的优质钢水，能量利用率高，生产效率高，实现了连续炼钢，且基建成本和设备投资大幅节省。但是仍然难以实现生物质含铁团块的短流程炼钢。此外，例如发明创造的名称为：一种铁矿石直接炼钢工艺(申请号：200810139695.6申请日：2008-09-04)，该方法先将铁矿石或预还原矿粉加入渣铁浴中，铁矿石或预还原矿粉溶解入渣,用碳直接还原液态铁氧化物，通过对渣铁熔池渣区和铁水区吹氧，控制熔渣和铁浴的氧化性，得到碳含量小于1.3％的钢水。该方案提供了生产率、吨钢碳耗低，但是仍然难以实现生物质含铁团块的短流程炼钢。
发明内容
[0006] 1.发明要解决的技术问题
[0007] 本发明的目的在于克服现有技术中，现有技术中尚未实现生物质含铁团块的短流程炼钢的问题，提供一种生物质含铁团块短流程炼钢及生产不锈钢的方法；
[0008] 其中提供的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，通过将生物质含铁团块还原制得直接还原铁，再将直接还原铁热装送入电炉内熔炼得到合格钢水，实现了生物质含铁团块的短流程炼钢；进一步的，生产直接还原铁的过程中可以产生可燃性气体，并降低焦油含量，同时提高气化产率；
[0009] 其中提供的一种生物质含铁团块短流程生产不锈钢的方法，通过将生物质含铁团块还原制得直接还原铁，再熔炼得到合格钢水，AOD、VOD精炼得到不锈钢，生物质含铁团块的短流程冶炼不锈钢；进一步的，生产直接还原铁的过程中可以产生可燃性气体，并降低焦油含量，同时提高气化产率。
[0010] 2.技术方案
[0011] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0012] 本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，
[0013] 步骤一：生产直接还原铁
[0014] 将生物质、含铁原料和添加剂混合加压制得含铁团块，将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，所述的添加剂包括碳酸钠、红土镍矿、白云石和草木灰；
[0015] 步骤二：电炉熔炼
[0016] 将直接还原铁热装送入电炉内，并向电炉内加入造渣剂，吹氧熔炼后出钢。
[0018] 优选地，所述的改性溶液为碱性溶液。
[0019] 优选地，所述的改性溶液为NaOH、Ca(OH)2、KOH中的一种或者两种以上的组合。
[0020] 优选地，电炉熔炼氧化期炉渣中FeO含量为12～20％，二元碱度R＝2～3。
[0021] 优选地，步骤一：生产直接还原铁具体步骤如下：
[0022] (1)将生物质浸入改性溶液中浸泡1-2h，浸泡完成后在烘箱中烘干，完成生物质的改性；
[0023] (2)将生物质、含铁原料、添加剂混合，通过压块机在150-400℃热压制备得到含铁团块；
[0024] (3)将干燥后的含铁团块放入800-900℃的高温容器中，保持5-10min，再升温至1150-1250℃，并保温30-60min。
[0025] 优选地，所述的含铁原料、生物质和添加剂按如下质量份数组成：
[0026] 生物质 50-60份；
[0027] 含铁原料 100-200份；
[0028] 添加剂 5-10份。
[0029] 优选地，所述碳酸钠、红土镍矿、白云石和草木灰颗粒200目通过率大于90％。
[0030] 本发明的一种生物质含铁团块短流程生产不锈钢的方法，采用上述的短流程炼钢方法冶炼得到钢水，将钢水加入AOD炉中脱碳升温至1650-1680℃，再向炉中加入含铬的金属原料进行合金化；再将合金化后的钢水运送至VOD炉中进行深脱碳，得到不锈钢。
[0031] 优选地，AOD炉冶炼完成后经扒渣处理运送至VOD炉中进行深脱碳，终点碳含量0.02-0.04％。
[0032] 3.有益效果
[0033] 采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
[0034] (1)本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，通过将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，再将直接还原铁热装送入电炉内熔炼得到合格钢水，实现了生物质含铁团块的短流程炼钢，利用生物质代替传统炼铁工艺的煤和焦碳，提高能源利用效率，并实现可持续的发展；且在生产直接还原铁的过程中生物质气化生产得到可燃性气体，并降低焦油含量，同时提高气化产率；
[0035] (2)本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，生物质含铁团块可以提高直接还原铁的金属化率，其中生物质作为铁氧化物的还原剂以及可燃性气体的C源和H源，铁氧化物充当钢制备的铁源以及碳反应生成CO的氧源，提高了直接还原铁的金属化率；另一方面促进了焦油及生物质分解产物的催化裂解；
[0036] (3)本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，通过改性生物质与含铁原料在高温下热压成型，提高了含铁团块的强度，避免了含铁团块的破碎，促进了含铁团块的生物质气化，提高了反应的效率；进一步地提高了铁品位，并制备得到了高质量的直接还原铁，为生物质含铁团块的短流程炼钢提供了必备条件，为冶炼合格钢水奠定了基础；
[0037] (4)本发明的一种生物质含铁团块短流程生产不锈钢的方法，通过将生物质含铁团块还原制得直接还原铁，再熔炼得到合格钢水，AOD、VOD精炼得到不锈钢，生物质含铁团块的短流程冶炼不锈钢，生产的不锈钢具有低碳、低P的优势，提高了不锈钢的质量；冶炼不锈钢的过程中含铁团块中的金属离子在高温加热的过程吸附在生物质及其分解产物的表面，促使了C-C和C-O键角偏移、键长变长、碳环不规则变形等，并造成键能降低，焦油及生物质其他分解产物热稳定性降低，可以促进了大分子有机物的分解，降低焦油含量，同时提高气化产率。附图说明
[0038] 图1为本发明的步骤一生产直接还原铁的流程图；
[0039] 图2为本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法的流程图。
[0040] 示意图中的标号说明：
[0041] S100、步骤一：生产直接还原铁；S110、步骤(1)；S120、步骤(2)；S130、步骤(3)；
[0042] S200：步骤二：电炉熔炼。
具体实施方式
[0043] 下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
[0044] 下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
[0045] 实施例1
[0046] 前期研究的过程中申请已经取得了一系列的突破，并提高了气化产率和直接还原铁的质量，具有显著的进步，并申请了发明专利(2017101469513-一种生物质气化与直接还原铁联产方法及所用添加剂，申请日为：2016-03-13)。后续继续研究的过程中申请人进一步采用生物质含铁团块短流程的炼钢工艺，并制备得到优质的钢水，大大缩短了钢铁冶炼的工艺过程，提供了冶炼的效率。
[0047] 申请人进行了更一步的深入研究，创造性的提出了在含铁团块中不添加粘结剂，并通过改性生物质与含铁原料在高温下热压成型，提高了含铁团块的强度，避免了含铁团块的破碎，促进了含铁团块的生物质气化，提高了反应的效率；进一步地提高了铁品位，并制备得到了高质量的直接还原铁，并为短流程炼钢提供了优质的原料，为生产优质的钢水打下了基础。
[0048] 结合图2，一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，步骤如下：
[0049] S100：步骤一,生产直接还原铁，
[0050] 将生物质、含铁原料和添加剂混合加压制得含铁团块，将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，所述的添加剂包括碳酸钠、红土镍矿、白云石和草木灰；如图1所示，具体步骤如下：
[0051] S110：步骤(1)将生物质浸入改性溶液中浸泡1-2h，本实施例为1.5h，改性溶液对生物质进行改性处理的温度为80-95℃，本实施例为90℃；浸泡完成后在烘箱中烘干，烘干温度为105℃，破碎时需破碎至粒度小于80目，并且要求生物质的灰分低于3％，完成生物质的改性；
[0052] 值得注意的是其中的改性溶液为碱性溶液，所述的碱性溶液为NaOH溶液，NaOH溶液的质量浓度为2％。值得说明的是：其中生物质的来源包括农林业生产过程中除粮食果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物、工业生物质废弃物；当然也可以是畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等。
[0053] S120：步骤(2)将含铁原料、生物质和添加剂混合，通过压块机在150-400℃热压制备得到含铁团块，含铁团块的压强为10-20MPa，本实施例为15MPa，而后将团块至于105±5℃的条件下，保温3h至完全干燥；所述的含铁原料、生物质、添加剂和按如下质量份数组成：生物质50-60g，优选52g；含铁原料100-200g，优选150g；添加剂5-10g，优选8g。其中所述的含铁原料包括高炉灰、烧结返矿和铁精矿，各组分的质量百分比为：高炉灰：5％、烧结返矿：
10％、铁精矿：85％。
10％、铁精矿：85％。
[0054] 烧结返矿为：为烧结过程中的细粒返矿，高炉瓦斯灰的成分为：高炉瓦斯灰是高炉煤气携带出的原料粉尘，含有钾钠元素，K2O的质量百分含量为：1.0～2.0％；Na2O的质量百分含量为：5.0～9.0％。
[0055] S130：步骤(3)将干燥后的含铁团块放入800-900℃的密闭高温容器中，并在密闭条件下进行加热，保持5-10min，以2-3℃/min的升温速度升温至1150-1250℃，并保温30-60min。生物质被气化生成H2、CO、CH4等可燃性气体，铁氧化物被还原生成直接还原铁；
[0056] 其中，添加剂由碳酸钠、红土镍矿、白云石和草木灰组成，各组分的质量百分比为：碳酸钠：20％，红土镍矿：45％，白云石：30％，草木灰：5％。值得进一步说明的是：红土镍矿、白云石和草木灰颗粒200目通过率大于90％。
[0057] 所述的红土镍矿化学成分质量百分比为：Ni：1.8％，TFe：24％，SiO2：35％，CaO：1.3％，MgO：16％，Al2O3：3.5％，Cr：0.5％，其余为杂质。
[0058] 白云石化学成分质量百分比为：TFe：0.28％，SiO2：0.66％，Al2O3：0.31％，CaO：52.12％，MgO：31.03％。制备得直接还原铁的金属化率、气体产率和焦油产率如表1所示；不仅大大提高了生物质气化产率，而且提高了直接还原铁的金属化率。并检测实施例1的含铁团块的抗压强度为4130N，提高了含铁团块的抗压强度，避免了在反应的过程中含铁团块粉碎，促进了气体的传质，进而提高了还原效率，提高了金属化率，并提高了直接还原铁的品位。
[0059] 对比例1
[0060] 本对比例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：其中未加入添加剂，检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率。实验结果记录如表1所示。
[0061] 对比例2
[0062] 本对比例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：含铁原料中未包含烧结返矿，即含铁原料中仅由铁精矿和高炉灰组成，检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率。实验结果记录如表1所示。
[0063] 对比例3
[0064] 本对比例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：含铁原料中未包含红土镍矿，即含铁原料中仅由铁精矿和烧结返矿组成，检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率。实验结果记录如表1所示。
[0065] 对比例4
[0066] 本对比例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：将干燥后的含铁团块放入反应器中由室温逐渐升温至900℃，再以2-5℃/min的升温速度升温至1150-1250℃，并保温30-60min，本实施例的升温速度为3℃/min，升温温度为1200℃，保温时间为40min。检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率。实验结果记录如表1所示。
[0067] 对比例5
[0068] 本对比例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：还包括粘结剂4g；值得说明的是所述的粘结剂为膨润土。检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率。实验结果记录如表1所示。此外，还另外检测团块的抗压强度，得到抗压强度为420N。
[0069] 表1实验数据
[0070]
[0071] 对上述的结论进行对比，可以得出以下结论：
[0072] (1)由对比例1和实施例1对比发现，在相同的条件下，当未加入添加剂时，气化产率较低，且焦油产率较高，添加剂中含有大量的金属离子；
[0073] (2)由对比例2和实施例1对比发现，在相同的条件下，当不添加烧结返矿时，焦油的转化率和气化效率均有所降低，其原因可能是烧结返矿中含部分的复杂氧化物，该复杂氧化物在加热的在高温条件下可能会与添加剂的金属元素产生铁-镍-镁等氧化物或复杂氧化物，而这些氧化物又反作用于金属离子，加强了其对焦油等裂解产物在高温下的离子偏移效应，促使焦油中的电子云被破坏而失去稳定性，使C-C键、C-H键容易发生断裂，从而促使了焦油裂解生成小分子有机物，裂解生成的H2、CH4等可燃性气体对铁氧化物强化了对铁氧化物的还原过程，提高了反应得到的直接还原铁的金属化率。
[0074] (3)由对比例3和实施例1对比发现，在相同的条件下，当不添加高炉灰时，生物质的气化效率降低，其原因尚不清晰，但是可能是由于高炉灰中含有大量的Na、K、Pb、Zn，这些金属离子一方面强化了对大分子有机物电子的吸引、偏移，另一方面可能在高温条件下与铁氧化物或者镍铁化合物结合，提高铁氧化物、镍铁化合物的催化活性，从而改善了催化效果；上述元素不仅促进了大分子有机物的分解，同时改善了提高铁氧化物、镍铁化合物的反应活性，并促进了铁氧化物的还原，从而提高了金属化率。
[0075] (4)对比例4与实施例1对比发现，相同的原料配比条件下，当缓慢加热时，焦油的产率增加，其中可能是由于前期缓慢升温的过程中产生较为大量的焦油，而焦油在生成的过程中就由容器中挥发而出，而在低温的过程中铁-镍-镁等氧化物或复杂氧化物尚未有效形成，另一方面金属离子在低温过程中难以有效地促进焦油中的大分子有机物发生裂解、重整，从而增加量焦油的产率。
[0076] (5)对比例5与实施例1对比可以发现，相同的条件下，如果配入不配入粘结剂，通过对生物质进行改性处理，在对生物质与含铁粉料混合压块，申请人惊讶的发现反而提高了含铁团块的抗压强度，通过多次研讨会，最终认为其中的机理可能是：生物质未进行改性时，生物质中的纤维素成分具有一定的韧性，压实后容易回弹，导致了压实后的球团内部颗粒间距增大，致使含铁团块的强度降低。而通过对生物质进行改性，制备得到的含铁团块，在不添加年粘结剂的情况下反而具有更好的强度，由于生物质在含碳球团内容产生交联和熔化，使煤粉颗粒和铁矿粉颗粒紧密地联系在一起，从而提高了含碳球团的强度，提高了含铁团块的强度，避免含铁团块在反应的过程中粉碎，促进了含铁团块内的气体传质，从而促进了含铁团块中的铁氧化物与还原气反应，促进了反应的进行，与此同时铁氧化物促进了生物质的分解，从而提高了生物质的气化产率，并同时提高了金属化率。而且由于生物质进行改性后，生物质与碱性溶液中的NaOH充分混合，NaOH浸入至生物质的内部，在进行改性的同时，Na元素不可避免的会残留在生物质内部，且Na与生物质接触更充分，在高温条件下生物质及其分解产物碳原子及氧原子的电子受到Na不同程度的影响，促使了C-C和C-O键角偏移、键长变长、碳环不规则变形等，并造成键能降低，焦油及生物质其他分解产物热稳定性降低，从而进一步地提高了气化产率；与此同时，生成的还原性气体与含铁原料中的铁氧化物充分结合，进而提高了金属化率，为后续的短流程的炼钢提供了直接还原铁的基础，与此同时降低了焦油的产率。
[0077] 当然，为了实现生物质在钢铁行业中的资源化应用，实现钢铁工业的可持续发展，已有相关的技术人员，开展了相关方面的技术研究。例如，发明创造的名称为：联合生产生铁和高质量合成气的方法和装置，专利申请号：201180048198.5，专利申请日为：2011-08-03。该专利申请通过将铁矿石和气体联产方法，该方法虽然实现了利用生物质还原铁氧化物制备直接还原铁，并且同时生产可燃性气体，但是由于气化过程中焦油等大分子有机物得不到有效的裂解、重整，使得焦油去除率较低，气化效果差，此问题也是限制生物质有效资源应用的关键问题。
[0078] 本专利的发明人通过长时间不懈的探索，最终选择了恰当的组分作为生物质与含铁原料反应，联产可燃性气体和直接还原铁，大大提高了生物质的气化效率以及焦油去除率，具有突出的实质性特点和显著的进步，本领域的技术人员不经过创造性的劳动更不可能选择如此的添加剂，并应用于含铁原料制备可燃性气体与直接还原铁的联产方法。上述的反应机理尚不完全清晰，并一直困扰着本专利的发明人。为了摸清该反应的反应理论，申请人开展了多次研讨会进行讨论，并认为其中可能是以下原因：
[0079] 前期900℃保温的过程中，在含铁团块上形成了形成微孔，增大团块的比表面积，并为后续铁-镍-镁等氧化物或复杂氧化物与促进焦油裂解提供了较大的反应界面，同时增大了生物质裂解气体还原铁氧化物的反应面积，一方面促进了铁氧化物的逐级还原并且生物质气化、裂解过程产生大量H2、CO、碳氢化合物，具有较高的还原性，该还原性气体促进了铁氧化物低温还原，并且添加剂促进了低熔点固溶相的生成，使得生物质只需在较低的温度下就能对铁矿石进行还原，当生物质作为铁氧化物的还原剂以及可燃性气体的C源和H源。铁氧化物充当钢制备的铁源以及碳反应生成CO的氧源。与常规生物质生产直接还原铁的方法不同，本方法的氧来自含铁团块的内部循环，而不是来自由氧气，从而提高了直接还原铁的金属化率；另一方面促进了焦油及生物质其他分解产物的催化裂解。
[0080] 此外，高炉灰和添加剂含有大量的碱性金属离子，该金属离子在高温加热的过程吸附在生物质及其分解产物的表面，在高温条件下生物质及其分解产物碳原子及氧原子的电子受到不同程度的影响，促使了C-C和C-O键角偏移、键长变长、碳环不规则变形等，并造成键能降低，焦油及生物质其他分解产物热稳定性降低。但是，不添加添加剂时，金属离子难以吸附在生物质纤维素的表面，使得生物质脱聚反应为主导，生成一系列含有碳环状的碳氢化合物，使得焦油产率较高。
[0081] 并且，温度的不断升高生物质加热还原铁氧化物的过程中，生产一系列活性的铁-镍-镁等复杂氧化物，其中包括：钙铁化合物、钙镁化合物、铁橄榄石、镍铁氧化物等，高温条件下这些物质表面具有较高的反应活性和极性活化位，一方面促进了金属离子的移动，加强了金属离子对焦油等裂解产物在高温下的离子偏移效应；另外，焦油中的稠环化合物含有带负电性的π电子体系，π电子云被破坏而失去稳定性，使C-C键、C-H键容易发生断裂，从而降低了裂解活化能，铁-镍-镁等氧化物或复杂氧化物进一步促进焦油等大分子有机物发生催化降解，使得焦油中的大分子有机物发生开环断裂反应，易发生降解，并生成一系列的低分子碳氢化合物，提高了生物质的气化转化效率，并降低了焦油的产率。其中，特别是镍铁氧化物降低了碳氢化合物和CH4的含量，可燃气体中H2和CO含量显著增加，当然铁氧化物在催化分解有机物的过程中，自身也在不断的参与反应过程，并不断的还原并得到直接还原铁，从而提高了直接还原铁的金属化率。
[0082] S200：步骤二：电炉熔炼
[0083] 将直接还原铁热装送入电炉内，并向电炉内加入造渣剂，采用氧枪进行吹氧熔炼，吹氧熔炼后出钢，电炉熔炼氧化期炉渣中FeO含量为12～20％，二元碱度R＝2～3；本实施例FeO含量为为15％，二元碱度R＝1.5。并控制出钢温度为1520℃-1620℃，本实施例为1580℃，P含量<0.02％。所述造渣剂包括石灰和氧化铁皮，其中质量百分比为石灰90％，氧化铁皮10％。冶炼钢水的成分为[C]：0.09％，[S]：0.05％，[P]：0.15％。
[0084] 本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，通过将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，再将直接还原铁热装送入电炉内熔炼得到合格钢水，实现了生物质含铁团块的短流程炼钢，打破了现有技术中冶炼钢水须进行吹炼的技术认知，使生物质含铁团块能够一步直接生产出液态钢水，精简了传统的含铁矿物一铁水或直接还原铁一钢水的工艺，生产效率高，且得到的钢水成分完全符合要求，利用生物质代替传统炼铁工艺的煤和焦碳，提高能源利用效率，并实现可持续的发展；在生产直接还原铁的过程中生物质气化生产得到可燃性气体，并降低焦油含量，同时提高气化产率，可燃性气体可用于烘烤、预热冶金设备或者原料，提高了能源的利用率。
[0085] 实施例2
[0086] 本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：
[0087] 所述步骤一的添加剂由碳酸钠、红土镍矿、白云石、草木灰和铬渣组成；各组分的质量百分比为：碳酸钠：15％、红土镍矿：30％、白云石：30％、草木灰：15％，铬渣：10％。所述的铬渣化学成分质量百分比如下：SiO2：28％，Al2O3：8％，CaO：30％，MgO：15％，Fe2O3：10％，Cr2O6：0.8％和Na2Cr2O7：1％，其余为杂质。检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率。实验结果记录如表1所示。值得注意的是其中的改性溶液为碱性溶液，所述的碱性溶液为KOH溶液，KOH溶液的质量浓度为3％。一方面铬渣在生物质气化的高还原性条件下，对铬渣进行有效还原，生成底价的铬氧化物，铬氧化物与团块中的铁氧化物、钙镁化合物结合，促进了焦油中的大分子有机物的高效率裂解，从而生成小分子可燃性气体，铁氧化物在催化分解有机物的过程中不断的还原并得到直接还原铁，
[0088] 所述步骤二：电炉熔炼：将直接还原铁热装送入电炉内，并向电炉内加入造渣剂，吹氧熔炼后出钢，电炉熔炼氧化期炉渣中FeO含量为12～20％，二元碱度R＝2～3；本实施例FeO含量为为18％，二元碱度R＝2.6。并控制出钢温度为1520℃-1620℃，本实施例为1600±10℃，P含量<0.02％，所述的造渣剂为石灰；当然此处的造渣剂也可以采用，现有技术中常规的造渣剂进行代替。
[0089] 本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，通过将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，再将直接还原铁热装送入电炉内熔炼得到合格钢水，实现了生物质含铁团块的短流程炼钢；本发明的提高了直接还原铁的质量，并为后续的钢水熔炼奠定了基础；铬氧化物同时被还原并留存在直接还原铁中，增加了钢中的铬含量，为后续冶炼不锈钢提供了基础，且降低了合金化过程中的金属原料的加入量，从而降低了冶炼成本。
[0090] 实施例3
[0091] 本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：
[0092] 所述步骤一的铁精矿由哈杨迪、图巴朗粉、加拿大精粉、哈混粉和金布巴粉组成，矿的成分如表2所示，各种矿粉的质量百分比为：哈杨迪：10％、图巴朗粉：20％、加拿大精粉：40％、哈混粉：15％、金布巴粉：15％。检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率，实验结果记录如表1所示。
[0093] 表2矿粉成分(wt/％)
[0094]
[0095] 值得注意的是其中的改性溶液为碱性溶液，所述的碱性溶液为NaOH和Ca(OH)2的混合溶液，混合溶液的质量浓度为4％，NaOH和Ca(OH)2的质量之比为4:1。
[0096] 所述步骤二：电炉熔炼：将直接还原铁热装送入电炉内，并向电炉内加入造渣剂，吹氧熔炼后出钢，电炉熔炼氧化期炉渣中FeO含量为12～20％，二元碱度R＝2～3；本实施例FeO含量为为12％，二元碱度R＝2.1。并控制出钢温度为1520℃-1620℃，本实施例为1620±10℃，P含量<0.02％，所述的造渣剂为石灰；当然此处的造渣剂也可以采用，现有技术中常规的造渣剂进行代替。
[0097] 本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，通过将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，其中发明人认为：此过程可能是在900℃保温的过程中，铁矿粉中的结晶水受热分解，并在含铁团块中产生较多的空隙，从而增大了铁氧化物还原的气固反应界面，这些空隙增大了铁氧化物及其复杂化合物对焦油中的大分子有机物的催化作用，且结晶水受热分解产生的H2O弥漫在反应器中，该水蒸气在铁氧化物催化下，促进了大分子的裂解/重整，从而提高了焦油的转化效率，此过程中铁氧化物在催化分解有机物的过程中，不断的还原并得到直接还原铁。再将直接还原铁热装送入电炉内熔炼得到合格钢水，实现了生物质含铁团块的短流程炼钢，打破了现有技术中冶炼钢水须进行吹炼的技术认知，使生物质含铁团块能够一步直接生产出液态钢水，精简了传统的含铁矿物一铁水或直接还原铁一钢水的工艺，生产效率高，且得到的钢水成分完全符合要求。
[0098] 实施例4
[0099] 本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：
[0100] 所述步骤一的添加剂由碳酸钠、氯化钾、红土镍矿、白云石、草木灰组成，各组分的质量百分比为：碳酸钠：15％、氯化钾：20％、红土镍矿：25％、白云石：30％、草木灰：10％。检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率。实验结果记录如表1所示。值得注意的是其中的改性溶液为碱性溶液，所述的碱性溶液为NaOH溶液，NaOH溶液的质量浓度为1％。碱金属离子主要是碱金属促进了焦油等大分子有机物的进一步裂解，抑制了高温环境下小分子团聚，提高了焦油的转化效率，添加剂促进了铁氧化物与大分子有机物结合，铁氧化物在催化分解有机物的过程中，不断的还原并得到直接还原铁。
[0101] 所述步骤二：电炉熔炼：将直接还原铁热装送入电炉内，并向电炉内加入造渣剂，吹氧熔炼后出钢，电炉熔炼氧化期炉渣中FeO含量为12～20％，二元碱度R＝2～3；本实施例FeO含量为为12％，二元碱度R＝2.1。并控制出钢温度为1520℃-1620℃，本实施例为1520±10℃，P含量<0.02％，所述的造渣剂为石灰、萤石和锰铁合金，质量百分比为：石灰：90％，萤石：2％，锰铁：8％；当然此处的造渣剂也可以采用，现有技术中常规的造渣剂进行代替。冶炼钢水的成分基本同实施例1。
[0102] 本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，通过将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，再将直接还原铁热装送入电炉内熔炼得到合格钢水，实现了生物质含铁团块的短流程炼钢，使生物质含铁团块能够一步直接生产出液态钢水，精简了传统的含铁矿物一铁水或直接还原铁一钢水的工艺，生产效率高，且得到的钢水成分完全符合要求。
[0103] 实施例5
[0104] 本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：
[0105] 所述步骤一的添加剂由碳酸钠、红土镍矿、白云石、草木灰、铬渣和钒钛磁铁矿渣组成，各组分的质量百分比为：碳酸钠：15％、红土镍矿：30％、白云石：20％、草木灰：10％、铬渣：10％、钒钛磁铁矿渣：15％。检测反应后直接还原铁的金属化率，生物质气化产率、焦油产率。实验结果记录如表1所示。加热的过程中生成铁钒、铁镍的氧化物，在金属离子促使焦油中的大分子有机物发生电子偏移，降低了分解活性的基础上，铁钒、铁镍的氧化物促进了生物质中的焦油裂解，铁钒、铁镍的氧化物在催化分解有机物的过程中，不断的还原并得到直接还原铁，提高了金属化率，为提高了钢水的有益元素的含量。
[0106] 所述步骤二：电炉熔炼：将直接还原铁热装送入电炉内，并向电炉内加入造渣剂，吹氧熔炼后出钢，电炉熔炼氧化期炉渣中FeO含量为12～20％，二元碱度R＝2～3；本实施例FeO含量为为18％，二元碱度R＝3.0。并控制出钢温度为1520℃-1620℃，本实施例为1580±10℃，P含量<0.02％，所述的造渣剂为石灰，当然此处的造渣剂也可以采用，现有技术中常规的造渣剂进行代替。冶炼钢水的成分基本同实施例1。
[0107] 本发明的一种生物质含铁团块短流程炼钢方法，通过将含铁团块放入高温容器中进行加热，铁氧化物被还原生成直接还原铁，再将直接还原铁热装送入电炉内熔炼得到合格钢水，实现了生物质含铁团块的短流程炼钢，使生物质含铁团块能够一步直接生产出液态钢水，精简了传统的含铁矿物一铁水或直接还原铁一钢水的工艺。
[0108] 实施例6
[0109] 本实施例的种生物质含铁团块短流程生产不锈钢的方法，基本内容同实施例1，不同之处在于：将步骤二冶炼得到的钢水加入AOD炉中脱碳升温至1650-1680℃，本实施例为1660±10℃，再向炉中加入含铬的金属原料进行合金化，含铬的金属原料包括铬铁合金、铬铁矿或者两者的组合，并加入硅铁和石灰作为发热剂，利用Si在熔池中的氧化释放的化学热加热熔池，从而利用升温冶炼含铬的不锈钢，加入石灰提高炉渣碱度可以防止回硫。再将合金化后的钢水运送至VOD炉中进行深脱碳，底吹氩气搅拌，达到成分要求时，结束VOD真空精炼，终点碳含量0.02-0.04％，本实施例终点碳含量0.02％。
[0110] 在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。
[0111] 更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、(例如各个实施例之间的)组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”不是排他性的，这里它的意思是“优选地，但是并不限于”。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。
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