一种气基直接还原铁法装置及快速还原铁的方法与流程

本发明属于冶金及冶金设备领域，尤其涉及一种气基直接还原铁法装置及快速还原铁的方法。

背景技术：

国际上直接还原铁分为煤基法和气基法。顾名思义煤基法是用煤炭、焦炭、兰炭甚至是生物质等含固定碳的原料为还原介质(还原剂)，在高温下而还原出的dri等产品；气基法是以co、h2为还原介质(还原剂)在高温下而还原出dri等产品。

世界上气基法还原铁装备和技术，以midrex法、hylⅲ法、fior法为代表，占据了国际市场的80％以上，其主要以天然气裂解的h2为还原介质，吨铁消耗天然气在400～600m³，在天然气资源丰富的地区，还是有很大的应用潜力；

中国是一个煤炭资源丰富的国家，天然气是进口国，天然气资源贫乏，因此，中国适合发展煤基还原铁，煤基还原铁的装备和方法目前尚没有更好途径，更不用说气基还原铁装置和方法，能取得突破性发展，现在很多人在研究煤转气气基还原铁，但还都没有成功的业绩。

粉末冶金压制的制品，取得机车等行业的广泛认可，我国粉末冶金制品在汽车、摩托车等领域其应用量越来越广大，已经达到5％～8％的应用量，应用具有环保节能；但粉末冶金制品的工艺传统、落后，均采用煤基隧道窑罐式法一次还原和网带炉法二次还原，原料来源少，价格昂贵，压制的粉末冶金制品价格更高，一般在8000～20000元/吨，粉末冶金制品一般只能用于单件重量1～2kg以下的部件，尚无法生产几十公斤、甚至1吨重的较大型部件，也没有很好的方法提高产量和降低成本。

在还原铁粉尤其是粉末冶金一次还原的铁粉，俗称一次粉，含氧量较高，还原率不是很理想，碳含量较高，颗粒硬化，不适合直接用于高端制品压制；所谓的氢气还原的还原铁粉是进行了二次深度还原脱氧，俗称二次粉，还原率较高，硫份含量低，产品塑性好，易于压制，适合高端粉末冶金制品压制，但传统的二次还原炉均采用的是履带炉，经过技术改进，现在大规模采用马弗状的网带炉，只是往网带炉中通入h2，装备和工艺技术没有很大的改进，二次深度还原脱氧的效果比较满意，但脱碳等效果并不理想，并且单线生产线能力小、h2消耗量大、硅碳棒电加热造成能耗高等多项缺陷。

近十年来，中国制造业始终保持良好的发展态势，并且具有比较牢固的基础和抗冲击能力。随着科学技术的迅速发展和制造环境的变化，尤其是以计算机和信息技术为代表的高技术的广泛应用，为当代制造业的革命提供了众多的手段，正在使制造业的生产技术、生产方式、生产规模发生重大转变，高技术与传统制造技术相结合而形成的先进制造技术也引起了各国的高度重视，造成中国是机械行业生产大国，需求大量的机械零部件，当然也是铸铁、铸钢毛坯件需求大国，现有的铸件毛坯均采用冲天炉、化铁炉、高炉或感应炉对生铁、废钢等加热熔分，再进行铸造，不但需要消耗焦炭，而且能耗较高，并造成环境污染。因此，国家计划取缔年规模1万吨以下的小型铸造厂。因此，铸造市场也逐渐存在废钢积压，铸件难买等问题。因此，寻找一种原料来源广泛、资源持续发展、节能环保、循环经济的新的铸造或炼钢的方法，势在必行！

我国随着“一带一路”国策的进一步推展及东南沿海“可燃冰”的成功开采，中国天然气资源也越来越多，国家鼓励企业广泛的应用天然气资源；同时，中国煤转气及天然气裂解h2的技术也日益成熟，发展气基还原铁的时机已经到来了。

基于上述的情况和背景，发展结构简单、运行安全、稳定可靠、可操作性强、产能较大、节能减排、经济环保的气基还原铁装备和工艺技术，适合中国目前的国情，发展适合我国的气基还原铁先进的装置和工艺技术及新的机械零部件制品制备方法，势在必行！

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种气基直接还原铁法装置及快速还原铁的方法，装置结构简单，运行稳定安全，实现低温深度快速还原。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种气基直接还原铁法装置，包括外隔焰筒体、置于外隔焰筒体内部的筛网状内炉筒体、驱动装置、恒温仓、高温计量器和液压机；所述驱动装置包括窑尾驱动装置、二层套筒驱动装置和窑头驱动装置；

所述筛网状内炉筒体内形成内筒还原室；所述外隔焰筒体从前到后依次包括加料段、加热段和冷却段；

所述加料段前端与所述加料斗相衔接，所述加料段前端设有窑尾罩，所述窑尾罩顶端设有还原尾气出口，所述加料段外设有窑尾托圈，所述窑尾驱动装置通过窑尾托圈带动加料段旋转；

所述加热段从前到后依次为前端加热炉和末端加热炉；所述前端加热炉前设有前端密封圈，所述末端加热炉后设有末端密封圈；所述前端加热炉和末端加热炉外设有加热炉保温毡；所述前端加热炉前端设有烟气出口；所述前端加热炉和末端加热炉之间设有二层套筒装置；

所述冷却段外设有窑头托圈，所述窑头驱动装置通过窑头托圈带动冷却段旋转；所述冷却段后端设有窑头罩，所述窑头罩一端通过还原铁出口密封连通至恒温仓，恒温仓另一端通过高温计量器连通至液压机模具；

在所述窑头罩中心设有三通道喷枪总成，所述三通道喷枪总成连通至所述内筒还原室；所述三通道喷枪总成由里至外为水蒸气通道、煤气通道和氢气通道。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述的二层套筒装置外设有二层套筒外托圈，所述二层套筒驱动装置通过二层套筒外托圈带动二层套筒装置旋转；

所述的二层套筒装置包括外筒体，所述外筒体通过支撑驱动机构设置在所述外隔焰筒体外，所述外筒体和外隔焰筒体之间形成高温烟气通道，所述外筒体外侧设有二层套筒外保温层；

所述的支撑驱动机构包括旋转拨块i和旋转拨块ii，所述旋转拨块i均布在所述外筒体内表面形成“外齿轮”，所述旋转拨块ii均布在所述外隔焰筒体外表面形成“内齿轮”，所述外齿轮和内齿轮相互啮合。

采用上述进一步方案的有益效果是，在每两段加热炉之间设置二层套筒装置，在高温运转时，装置的筒体发生膨胀，旋转拨块ⅰ和旋转拨块ⅱ相互啮合，二层套筒装置在驱动装置作用下与外隔焰筒体一起做同周、同速运转；降温时，外隔焰筒体发生收缩，外隔焰筒体在外筒体内做收缩滑动运行，直到归位，停止旋转。如此，确保了每段加热炉中的高温烟气经高温烟气通道顺利排出，保证了被还原物料的温度稳定性，使物料还原更彻底。通过设计二层套筒保温层，进一步减少热能损失，确保了外隔焰筒体在高温状态下运行安全、稳定、可靠；

末端加热炉的高温烟气通过外筒体与外隔焰筒体形成的高温烟气通道进入前端加热炉，使整体窑炉的高温区，虽然多个加热炉之间有支撑，但温度曲线呈一条直线而不是“波浪状”曲线，有利于物料的还原脱氧、脱碳、脱硫等处理。

进一步，所述外隔焰筒体和筛网状内炉筒体之间设有筛网状隔板，外隔焰筒体和筛网状内炉筒体之间形成6-12个多格物料室；所述筛网状隔板的孔眼孔径为￠3-￠8mm。

采用上述进一步方案的有益效果是，被还原物料被筛网状隔板分割成6-12条多格物料室，当下部的物料室旋转到上部时，由于筛网状内炉筒体和筛网状隔板是呈筛网状的，被还原物料依靠自身重量作用，会通过筛网孔纷纷下落，在内筒还原室内呈“雨幕”状下落状态；被还原物料与还原气体充分接触，进行还原反应，一直到深度还原，被还原物料如此循环往复，周而复始下落和反应，由预热到还原，再到深度还原。

进一步，所述外隔焰筒体的轴线与水平线夹角为0.5°-3.5°，所述加料段高于冷却段；转速为0.5-5.0r/min。

采用上述进一步方案的有益效果是，倾斜设置，能够使外隔焰筒体内的半熔融状态还原铁产品靠自身重力缓缓下流，还原过程中产生的煤气和烟气上浮，从还原尾气出口和烟气出口排出收集，实现预热再利用。

进一步，所述窑尾托圈、窑头托圈与外隔焰筒体之间设有托圈弹性支撑；所述于前端加热炉和末端加热炉两侧均设有若干烧嘴。

本发明的第二个目的在于提供一种利用上述气基直接还原铁法装置快速还原铁的方法，其特征在于，方法如下：

采用tfe≥66％的铁矿粉，打磨至细度为140-325目，通过加料斗加入内筒还原室，在850-1000℃的还原温度下还原3-5h；还原过程中，通过三通道喷枪总成向内筒还原室内通入气体，控制压力为1000-3000pa，还原得到的还原铁粉热装热送加入液压机模具中，压延成机械零部件制品。

进一步，所述的气体为水蒸气、煤气或氢气中的一种或两种以上混合。

本发明的有益效果是：

1、本发明装置适合针对140～325目的粉状矿粉进行深度还原脱氧、脱碳、脱硫等处理，采用h2、煤气、水煤气、焦炉煤气等还原性气体作为还原剂，实现了气基还原。

2、本发明装置可以加入水蒸气和h2，隔焰式加热用于还原铁粉脱氧、脱碳、脱硫处理，完全可以取代粉末冶金二次还原的网带炉；也可用于铜粉、钴粉、镍粉、钨粉、钼粉等金属粉末材料的脱碳、脱氧、脱硫等处理。

3、本发明采用托圈支撑、摩擦驱动及旋转拨块i和旋转拨块ii，可以解决长窑炉的整体旋转，彻底解决了隔焰式外加热回转窑不能做长的问题，而且，可以设多道支撑和加热炉，也不改变温度曲线为一条直线的结构，本发明特殊的结构，可以使窑炉加工到120-160m长，甚至更长，同时也彻底解决了整体窑炉纵向膨胀和径向膨胀的大问题。

4、本发明装置在运行时，被还原物料由筛网状隔板被分割成6-12条多格物料室，被还原物料通过自身的重量呈“雨幕”状纷纷下落，循环往复，周而复始，与还原气体充分、彻底的接触，提供反应速度。

5、本发明装置加热的热源来源广泛，可以采用高温烟气、电能、煤气(包括天然气、煤气、焦炉煤气、煤气发生炉煤气等)、喷煤、微波加热等各种方式进行加热。

6、本发明装置能够使物料在炉内热交换彻底，物料吸收热量充分，因此，烟气出口的烟气温度较低，一般在220-280℃，最大限度实现了节能减排。

7、本装置和方法除了深度还原普通的铁矿粉，还可以将超纯铁精矿粉或者氧化铁皮直接还原出粉末冶金用的二次还原铁粉，而无需再进行二次还原，将还原后的热态粉末冶金粉直接热装热送到液压机模具内，热压延出各种机械零部件制品。

8、本发明装置能够广泛的应用于：

1)物料烘干

农业、种植业的烘干领域：适合各种粮食、花生、烟草、辣椒、秸秆等烘干；

养殖业的烘干领域：饲料、粪便等烘干；

2)垃圾、秸秆等气化热解生产清洁能源联产碳基肥副产品；

3)用于兰炭、煤气发生炉、页岩热解气化等含碳物质生产高纯煤气；

4)粉状铁矿或者球团矿的气基还原铁；

5)粉末冶金还原铁粉；

6)铁粉、铜粉、钴粉、镍粉、钨粉、钼粉等金属粉末材料替代网带炉，进行深度脱碳、脱氧和脱硫。

9、本发明的反应原理：

1)还原脱氧：炉内打入热态还原介质氢气或焦炉煤气作为还原剂；氢气主要成份为h2，焦炉煤气主要成份是h2和co，在850-1000℃下，发生激烈的还原反应；

fe3o4+4h2＝3fe+4h2ofe3o4+4co＝3fe+4co2↑

最后完成氧化铁还原成金属铁的过程，其还原率ηfe最高达到99％；

2)脱碳

本发明的还原介质优选采用h2；如果采用焦炉煤气，由于其co含量较多，虽然能够完成氧化铁还原，但可能会造成还原铁粉中的c含量较高，主要为游离碳形式存在，大约含量在0.5-1.0％，从而造成还需要脱碳处理；

本发明的方法是向水蒸气通道内打入部分饱和蒸汽，压力在800-1000pa，由于水在800℃时开始分解成h2和o2，其反应方程式为：

c+h2o＝co+h2↑

水蒸气在反应过剩后，又会与部分金属铁反应生成fe2o3·nh2o，而fe2o3又是形成水煤气(碳与水反应)的催化剂，同时又会被co和h2再还原成fe，最终使还原铁粉中的c≤0.02％；

3)脱硫

h2在高温时还具有脱硫功能，最后使还原铁粉的s≤0.015％；

其反应方程式为：fes+h2＝fe+h2s↑

10、本装置也适合煤基法直接还原dri产品。

附图说明

图1为本发明的纵向剖面示意图；

图2为图1的a-a方向断面示意图；

图3为图1的b-b方向断面示意图；

图4为图1的c-c方向断面示意图；

图5为图1的d-d方向断面示意图；

图6为图4中a处的放大结构示意图；

图中，1、液压机；2、加料斗；3、窑尾罩；4、二层套筒装置；5、烟气出口；6、恒温仓；7、还原尾气出口；8、窑尾托圈；9、前端密封圈；10、加热炉保温毡；11、前端加热炉；12、筛网状内炉筒体；13、外隔焰筒体；14、筛网状隔板；15、二层套筒外托圈；16、二层套筒驱动装置；17、外筒体；18、加料段；19、加热段；20、冷却段；21、烧嘴；22、二层套筒外保温层；23、窑尾驱动装置；24、末端加热炉；25、末端密封圈；26、窑头托圈；27、窑头罩；28、三通道喷枪总成；29、还原铁出口；30、窑头驱动装置；31、水蒸气通道；32、托圈弹性支撑；33、内筒还原室；34、旋转拨块i；35、旋转拨块ii；36、煤气通道；37、氢气通道；38、高温计量器；39、多格物料室。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种气基直接还原铁法装置，包括外隔焰筒体13、置于外隔焰筒体内部的筛网状内炉筒体12、驱动装置、恒温仓6、高温计量器38和液压机1；所述驱动装置包括窑尾驱动装置23、二层套筒驱动装置16和窑头驱动装置30；

所述筛网状内炉筒体内形成内筒还原室33；所述外隔焰筒体从前到后依次包括加料段18、加热段19和冷却段20；

所述加料段前端与所述加料斗2相衔接，所述加料段前端设有窑尾罩3，所述窑尾罩顶端设有还原尾气出口7，所述加料段外设有窑尾托圈8，所述窑尾驱动装置通过窑尾托圈带动加料段旋转；

所述加热段从前到后依次为前端加热炉11和末端加热炉24；所述前端加热炉前设有前端密封圈9，所述末端加热炉后设有末端密封圈25；所述前端加热炉和末端加热炉外设有加热炉保温毡10；所述前端加热炉前端设有烟气出口5；所述前端加热炉和末端加热炉之间设有二层套筒装置4；

所述冷却段外设有窑头托圈26，所述窑头驱动装置通过窑头托圈带动冷却段旋转；所述冷却段后端设有窑头罩27，所述窑头罩一端通过还原铁出口29密封连通至恒温仓，恒温仓另一端通过高温计量器连通至液压机模具；

在所述窑头罩中心设有三通道喷枪总成28，所述三通道喷枪总成连通至所述内筒还原室；所述三通道喷枪总成由里至外为水蒸气通道31、煤气通道36和氢气通道37。

进一步，所述的二层套筒装置外设有二层套筒外托圈15，所述二层套筒驱动装置通过二层套筒外托圈带动二层套筒装置旋转；

所述的二层套筒装置包括外筒体17，所述外筒体通过支撑驱动机构设置在所述外隔焰筒体外，所述外筒体和外隔焰筒体之间形成高温烟气通道，所述外筒体外侧设有二层套筒外保温层22；

所述的支撑驱动机构包括旋转拨块i34和旋转拨块ii35，所述旋转拨块i均布在所述外筒体内表面形成“外齿轮”，所述旋转拨块ii均布在所述外隔焰筒体外表面形成“内齿轮”，所述外齿轮和内齿轮相互啮合。

进一步，所述外隔焰筒体和筛网状内炉筒体之间设有筛网状隔板14，外隔焰筒体和筛网状内炉筒体之间形成6-12个多格物料室39；所述筛网状隔板的孔眼孔径为￠3-￠8mm。

进一步，所述外隔焰筒体的轴线与水平线夹角为0.5°-3.5°，所述加料段高于冷却段；转速为0.5-5.0r/min。

进一步，所述窑尾托圈、窑头托圈与外隔焰筒体之间设有托圈弹性支撑32；所述于前端加热炉和末端加热炉两侧均设有若干烧嘴21。

实施例1(二次还原铁粉)

采用tfe73.2％的普碳钢的氧化铁皮，打磨细度至200目通过率100％；使用本发明的气基直接还原铁法装置，加入直径￠159mm×1500mm的隔焰式回转还原窑炉内，采用硅碳棒隔焰加热，在窑头罩中心点处，利用三通道喷枪总成的氢气通道通入h2，压力为1200pa，还原温度870℃，深度还原5h后，停止加热，h2压力减到400pa后继续供氢气8h后，物料温度达到86℃，取出还原铁粉，检测其指标，如表1。

表1

实施例2(中低端机械零部件——配重铁块)

采用tfe69.68％的铁矿粉，打磨细度至200目通过率100％；使用本发明的气基直接还原铁法装置，加入直径￠159mm×1500mm的隔焰式回转还原窑炉，采用硅碳棒隔焰加热，在窑头罩中心点处利用三通道喷枪总成的煤气通道通入水煤气(主要成份为h2和co)，压力为1350pa，还原温度990℃，还原3.2h后，在窑头罩中心点处利用三通道喷枪总成的水蒸气通道通入少量的水蒸气(饱和蒸汽)大约0.5h；停止通入水蒸气并停止供入煤气，利用三通道喷枪总成的氢气通道继续通入h2，还原0.5h后停止加热，直接将热态还原铁粉加入1250t液压机的模具内，压延28mm厚的配重板块，冷却后，测其密度为7.6t/m³，达到普通灰铁铸造6.9t/m³的上限要求，其主要指标见表2。

表2

实施例3(中高端机械零部件)

采用tfe71.8％的超纯铁粉，其它指标均达到粉末冶金超纯铁精粉的要求，打磨细度至200目通过率100％；使用本发明的气基法直接还原铁装置，加入直径￠159mm×1500mm的隔焰式回转还原窑炉，采用硅碳棒隔焰加热，在窑头罩中心点处利用三通道喷枪总成的氢气通道通入h2，压力为1250pa，还原温度880℃，还原3.5h后，停止加入，直接将热态还原铁粉热装热送加入1250t液压机的模具内，再自由压延成￠30mm左右的圆钢棒，冷却后，将其加工到￠16mm的圆棒试样，测其密度为7.81t/m³，经检测其物理指标见表3。

表3

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。