本发明属于非高炉炼铁技术领域，具体涉及一种熔融钢渣还原炼铁复合剂及其制备方法和应用。
背景技术：
转炉炼钢渣钢比约8-15%，电弧炉炼钢渣钢比约6-10%。我国年产粗钢约8亿吨，年副产炼钢炉渣至少8000万吨。转炉炼钢炉渣含氧化铁约16-20%，电弧炉炼钢炉渣含氧化铁约22-28%，我国每年大约倒掉8000万吨炼钢炉渣，这些炼钢炉渣中约含1600万吨纯氧化铁，相当于每年倒掉约2700万吨铁精矿，按照现行价约750元/吨的炼铁原料，相当于200多亿元的铁矿。
炼钢钢渣中氧化铁含量属低品位，但是炼钢炉渣出炉时温度高达1450-1650℃，是熔融状态。因此，如何充分利用熔融钢渣中的氧化铁及其热量，实现低能耗、低排放、低成本非高炉炼铁是本领域渴望解决的技术难题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是利用熔融钢渣实现非高炉还原炼铁，从而提供一种还原炼铁复合剂及其制备方法，以及利用所述还原炼铁复合剂进行熔融钢渣还原炼铁的方法。
根据本发明的一个方面，提供的一种还原炼铁复合剂，是由第一颗粒和第二颗粒组成，所述第一颗粒是由组份包括低硫煤粉、水玻璃和铁矿颗粒制成的颗粒，其中，铁矿颗粒选自转炉灰、轧钢铁磷或者铁精矿粉中的一种或多种的组合；所述的第二颗粒为低硫煤粒。
优选地，所述第一颗粒和第二颗粒的粒径均为2-6mm。
优选地，第一颗粒组份中的低硫煤粉和铁矿颗粒的比重大于熔融钢渣密度，水玻璃的质量配比为铁矿颗粒和低硫煤粉总质量的3-5%。
优选地，第一颗粒组份中的水玻璃是熔点为790-810℃的脱水水玻璃na2sio3。
根据本发明的另一方面，提供一种上述还原炼铁复合剂制备方法，是将铁矿颗粒、低硫煤粉和水玻璃混合，加入占上述原料质量11-13%的水，充分搅拌后挤压成型，干燥后再破碎、筛分出粒径为2-6mm的第一颗粒；将第一颗粒和粒径为2-6mm第二颗粒混合均匀。
根据本发明的另一方面，提供了以上所述的还原炼铁复合剂用于高温液态的熔融钢渣还原炼铁的用途。
在以上用途中，所述还原炼铁复合剂作为还原剂、粘结剂、固化剂、搅拌剂、催化剂、稀释剂和发热剂。
根据本发明的另一方面，提供一种利用熔融钢渣还原炼铁的方法，是将以上所述的还原炼铁复合剂加入熔融钢渣熔池，发生还原铁反应，反应过程在半封闭保温环境中进行，维持熔池温度在1400—1500℃。
优选地，还原铁反应过程中，向还原铁系统注入o2或预热的空气。
优选地，利用0.5-1mpa压缩空气携带所述的还原炼铁复合剂，旋转喷射加入到钢渣溶池。
与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：利用本发明提供的复合剂进行熔融钢渣还原炼铁，极大改善了反应熔池扩散条件，加快了还原铁反应速度，并能将渣中的氧化铁比较彻底还原干净。能够持续实现低能耗、环保、低成本非高炉炼铁；可以减量钢渣固体废物20%左右排放量，变废为宝。
具体实施方式
还原炼铁复合剂
还原炼铁复合剂由第一颗粒和第二颗粒组成，所述第一颗粒是由组份包括低硫煤粉、水玻璃和铁矿颗粒制成的颗粒，其中，铁矿颗粒选自转炉灰、轧钢铁磷或者铁精矿粉中的一种或多种的组合；所述的第二颗粒为低硫煤粒。
以上所述的还原炼铁复合剂用于熔融钢渣还原炼铁时，至少具有以下七种功能，即作为还原剂、粘结剂、固化剂、搅拌剂、催化剂、稀释剂和发热剂。
复合剂中的煤作为还原剂，主要是利用煤中的固定碳，完成如下还原铁反应：feo＋c＝fe＋co，还原煤及制作的搅拌剂颗粒要适中，太大比表面积减小不利于快速反应，太小容易被烟气携带走，优选地，作为还原剂是2-6mm的颗粒煤。优选地，还原剂煤是含有相当量比挥发份的低硫煤粒。由于在1450℃以上温度下，碳也会适量还原渣中所含的si、mn，以及碳溶解于铁液中。还原剂加入量需根据钢渣中氧化铁含量及熔融渣重量，依据碳氧等当量适当过量原则确定，作为搅拌剂的是由低硫煤粉、铁矿颗粒和水玻璃加水搅拌后挤压成型，干燥后再破碎、筛分出的粒径为2-6mm的第一颗粒，所述第一颗粒的比重大于熔融钢渣密度。优选地，第一颗粒中，水玻璃的质量配比为铁矿颗粒和低硫煤粉总质量的3-5%，低硫煤粉和铁矿颗粒的比重大于熔融钢渣密度。尽量提高搅拌剂中氧化铁的纯度，尽量减少加温、熔化非氧化铁杂质的热损失。
搅拌剂制作要注意，一是要铁矿颗粒、煤粒度尽量细化，例如取铁矿颗粒（转炉灰、轧钢铁磷、铁精矿粉）和低硫煤粉粒径大小分别为200目，二是要使催化剂三种物质尽量搅拌均匀；三是要成型压强适当大，确保成品比重大于熔融渣密度。
搅拌剂加入熔融钢渣后会自然下沉至钢渣的下部、底部，颗粒中的铁矿与煤中的碳发生还原铁反应，副产co并释放煤中挥发份h2等气体，气体聚集成气泡，气泡上浮，直至从熔融钢渣中溢出，起到了将熔融钢渣由下而上深层搅动的作用，促使熔融钢渣中原有氧化铁加速扩散，与还原剂煤颗粒相遇，较快速较彻底的还原铁。提高搅拌剂的加入量可以实现进一步实现低能耗、低成本还原出更多铁的目的。
催化剂是混合料颗粒物中的硅酸钠钠离子，有利于吸附捕捉co、h2作为还原剂气体，并作为二传手将co、h2传递给feo，发生间接还原铁反应。
水玻璃na2so3，既是催化剂又是粘结剂也是固化剂，有利于搅拌剂成型。
稀释剂是指水玻璃，尤其是指熔点790-810°c的脱水水玻璃na2sio3。优选熔点800°c的脱水水玻璃na2sio3。
发热剂指上述还原铁副产的煤气co及煤中挥发份受热挥发出的h2等可燃气，燃烧放热。
本发明提供的熔融钢渣还原炼铁复合剂，优选是粒径2-6mm有相当量挥发份的低硫煤粒，与挤压筛分所得的粒径2-6mm铁矿颗粒、煤、钠盐的混合物颗粒，二种颗粒按一定比例的混合物。单纯煤颗粒加入量以与渣中氧化铁中o等当量碳（煤中固定碳）适当增量计算确定。由于碳多易降低比重，搅拌剂中配煤量以铁矿中o等当量碳（煤中固定碳）略低计算确定。
还原炼铁复合剂的制备方法
将铁矿颗粒、低硫煤粉和水玻璃混合，加入占上述原料质量11-13%的水，充分搅拌后挤压成型，干燥后再破碎、筛分出粒径为2-6mm的第一颗粒；将第一颗粒和粒径为2-6mm第二颗粒混合均匀。
优选地，第一颗粒组份中的低硫煤粉和铁矿颗粒的比重大于熔融钢渣密度；水玻璃的质量配比为铁矿颗粒和低硫煤粉总质量的3-5%。
由于不同钢厂的不同温度的钢渣密度不同，挤压成型压力的大小要使得混合物颗粒的比重大于熔融钢渣的密度。最好使用双轴强力搅拌机搅拌，掺水量少，物料均匀度高。由于co2和水玻璃反应可快速高强度固化，最好采用富含co2的250°c左右的烟气与湿挤压块逆流强制干燥。
利用熔融钢渣还原炼铁的方法
本发明提供的还原炼铁复合剂用于高温液态的熔融钢渣还原炼铁。
利用熔融钢渣还原炼铁的方法，是将本发明提供的还原炼铁复合剂加入熔融钢渣熔池，发生还原铁反应，反应过程在半封闭保温环境中进行，维持熔池温度在1400—1500℃。
复合剂加入熔融钢渣的量，根据复合剂中煤粒的固定碳与钢渣中氧化铁中的氧等当量计算确定。复合剂中搅拌剂及催化剂颗粒加入量，根据还原铁系统热平衡计算确定，在热量允许前提下多加搅拌剂及催化剂可以低能耗、低成本多产出铁。
在炼铁的反应中，feo＋c＝fe＋co是直接还原铁，是吸热反应，会使熔融渣降温，以致渣温低到无法支持扩散，反应速度降低，甚至凝固，无法继续反应。
而feo＋co＝fe＋co2或feo＋h2＝fe＋h2o是间接还原铁，是放热反应。
因此，需要尽量增加间接还原铁反应，一是在铁矿颗粒及低硫煤粉总重量3-5%的范围内，适当多配加催化剂钠盐。二要将溢出渣面的co、h2等可燃气及时在相对封闭保温的反应系统，还原铁反应过程中，向还原铁系统注入o2或预热的空气，用于助燃还原铁副产的co及煤中挥发份的h2等，提高可燃气燃烧的温度，提高烟气温度与熔融渣温的温度梯度，有利于传热给熔融渣。释放的燃烧热传热给熔融渣，补偿还原铁吸热反应及系统散热所需的热量，维持熔池温度。
在实际使用选煤中，要根据热平衡计算及试验验证修正，选定还原煤中挥发份含量，以便增加或减少可燃气（h2等），维持反应熔池温度在1400—1500°c。
利用0.5-1mpa压缩空气携带所述的还原炼铁复合剂，旋转喷射加入到钢渣溶池，采用的是加料喷枪，有助于复合剂沉入渣中，有助于飞溅起熔融钢渣液团，扩大熔融钢渣吸热面积。
下面通过一些相对具体的实施例对本发明要求保护的技术方案及其技术效果作进一步说明。
实施例1
制备还原炼铁复合剂1。将轧钢铁磷、低硫煤粉和水玻璃混合，加入占上述原料质量11%的水，充分搅拌后挤压成型，干燥后再破碎、筛分出粒径为2mm的第一颗粒，水玻璃的质量配比为轧钢铁磷和低硫煤粉总质量的3%；将第一颗粒和粒径为2mm第二颗粒混合均匀。
针对甲厂钢渣成分：tfe19.8%（以feo形式存在渣中），采购煤：固定碳78.6%、挥发份10.03%，搅拌剂中使用轧钢铁磷（feo含量96%）。
经计算，1吨熔融渣还原炼铁需加复合剂配方如下：
还原剂煤粒用量＝198kg×（12÷72）÷78.6%＝42kg/吨渣，
搅拌剂中铁磷加入量＝100kg/吨渣，
搅拌剂中煤粉用量＝100kg×96%×（12÷72）÷78.6%＝20.4kg/吨渣，
搅拌剂中水玻璃用量＝（100＋20.4）×3%＝3.6kg/吨渣。
实施例2
制备还原炼铁复合剂2。将铁精矿粉、低硫煤粉和水玻璃混合，加入占上述原料质量13%的水，充分搅拌后挤压成型，干燥后再破碎、筛分出粒径为6mm的第一颗粒，水玻璃的质量配比为铁精矿粉和低硫煤粉总质量的4%；将第一颗粒和粒径为6mm第二颗粒混合均匀。
针对乙厂钢渣成分：tfe24.74%（以feo形式存在渣中），采购煤：固定碳53.3%、挥发份20.21%，搅拌剂中使用铁精矿粉（fe3o4含量91.4%）。
经计算，1吨熔融渣还原炼铁需加复合剂配方如下：
还原剂煤粒用量＝247.4kg×（12÷72）÷53.3%＝77.4kg/吨渣，
搅拌剂中铁精矿粉用量＝100kg/吨渣，
搅拌剂中煤粉用量＝100kg×91.4%×（48÷232）÷53.3%＝35.5kg/吨渣，
搅拌剂中水玻璃用量＝（100＋35.5）×4%＝5.4kg/吨渣
实施例3
制备还原炼铁复合剂3。将转炉灰、低硫煤粉和水玻璃混合，加入占上述原料质量12%的水，充分搅拌后挤压成型，干燥后再破碎、筛分出粒径为4mm的第一颗粒，水玻璃的质量配比为转炉灰和低硫煤粉总质量的5%，水玻璃、铁精矿粉和低硫煤粉均为200目；将第一颗粒和粒径为5mm第二颗粒混合均匀。
针对丙厂钢渣成分：tfe27.12%（以feo形式存在渣中），采购煤：固定碳82%、挥发份2%，搅拌剂中使用转炉灰（fe2o3含量72.86%）。
经计算，1吨熔融渣还原炼铁需加复合剂配方如下：
还原剂煤粒用量＝271.2kg×（12÷72）÷82%＝55.1kg/吨渣，
搅拌剂中转炉灰用量＝100kg/吨渣，
搅拌剂中煤粉用量＝100kg×77.4%×（36÷160）÷82%＝21.2kg/吨渣，
搅拌剂中水玻璃用量＝（100＋21.2）×5%＝6.1kg/吨渣。
实施例4
制备还原炼铁复合剂4。将铁精矿粉、低硫煤粉和水玻璃混合，加入占上述原料质量12%的水，充分搅拌后挤压成型，干燥后再破碎、筛分出粒径为5mm的第一颗粒，水玻璃的质量配比为铁精矿粉和低硫煤粉总质量的4%，水玻璃是熔点为790-810°c的脱水水玻璃na2sio3。将第一颗粒和粒径为5mm第二颗粒混合均匀。
针对丁厂钢渣成分：tfe9.81%（以feo形式存在渣中），采购煤：固定碳65.11%、挥发份15.32%，搅拌剂中使用铁精矿粉（fe3o4含量91.4%）。
经计算，1吨熔融渣还原炼铁需加复合剂配方如下：
还原剂煤粒用量＝98.1kg×（12÷72）÷65.11%＝77.4kg/吨渣，
搅拌剂中铁精矿粉用量＝100kg/吨渣，
搅拌剂中煤粉用量＝100kg×91.4%×（48÷232）÷53.3%＝25.1kg/吨渣，
搅拌剂中水玻璃用量＝（100＋25.1）×4%＝5kg/吨渣。
实施例5
制备还原炼铁复合剂5。将轧钢铁磷、低硫煤粉和水玻璃混合，加入占上述原料质量12%的水，充分搅拌后挤压成型，干燥后再破碎、筛分出粒径为5mm的第一颗粒，水玻璃的质量配比为轧钢铁磷和低硫煤粉总质量的3%，水玻璃是熔点为790-810°c的脱水水玻璃na2sio3。将第一颗粒和粒径为5mm第二颗粒混合均匀。
针对戊厂钢渣成分：tfe19.07%（以feo形式存在渣中），采购煤：固定碳74%、挥发份19.01%，搅拌剂中使用轧钢铁磷（feo含量95.4%）。
经计算，1吨熔融渣还原炼铁需加复合剂配方如下：
还原剂煤粒用量＝190.7kg×（12÷72）÷74%＝43kg/吨渣，
搅拌剂中铁精矿粉用量＝100kg/吨渣，
搅拌剂中煤粉用量＝100kg×95.4%×（12÷72）÷74%＝21.5kg/吨渣，
搅拌剂中水玻璃用量＝（100＋21.5）×3%＝3.6kg/吨渣。
实施例1-5根据不同渣及原料成分，按照还原铁反应碳氧等当量（非等重量）原理计算所得。实际应用还需经过热平衡计算修正、调整，通常需要二种煤，才可满足需要。
实施例6
利用实施例5获得的复合剂进行镍铁熔融渣还原炼铁。用0.5-1mpa压缩空气携带的还原炼铁复合剂，旋转喷射加入到钢渣溶池，发生还原铁反应，反应过程在半封闭保温环境中进行，还原铁反应过程中，向还原铁系统注入o2或预热的空气，维持熔池温度在1400—1500℃。
表1是试验化验数据：
由还原铁前后镍铁渣成分变化可见，渣中tfe减少5.06%，铁还原率达到73%；渣中sio2降低0.27%，少量硅被还原。
还原铁的成分如下表：
同时，实验表明，利用熔融渣的热能及渣中氧化铁原料，炼铁能耗极低，吨铁成本＜1000元/吨铁；减排固渣排放≥73%/渣中氧化铁含量，生产线力争达到90%；本发明提供的复合剂用于熔融钢渣还原炼铁，投资很小，效益极高。
以上实施例是用于解释本发明实施方案，并不超出本发明主题的范围，本发明保护范围不受所述实施例的限定。除非另作特殊说明，本发明中所用材料、试剂均可从本领域商业化产品中获得。