本發(fā)明涉及一種降低球團(tuán)礦氫基豎爐還原膨脹的方法，特別涉及一種基于氫基豎爐逐級還原降低球團(tuán)礦富氫還原膨脹的方法，屬于直接還原鐵制備。

背景技術(shù)：

1、鋼鐵工業(yè)作為能源消耗密集型產(chǎn)業(yè)，屬于碳排放量最高的制造行業(yè)，推動鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型是十分重要的。傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐長流程工藝的碳排放占鋼鐵行業(yè)總排放的73%以上。盡管隨著大比例球團(tuán)冶煉技術(shù)、富氫冶煉技術(shù)以及爐頂煤氣循環(huán)-氧氣高爐等低碳高爐技術(shù)的不斷發(fā)展，長流程冶煉工藝碳排放有所降低，但最大碳減排量僅為24%，難以實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。相較于長流程工序，氫基豎爐-電爐短流程工序的碳減排效果可以達(dá)到50%以上，是優(yōu)化鋼鐵工藝流程、能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有效舉措，也是鋼鐵工業(yè)未來的發(fā)展方向。

2、然而，氫基豎爐用球團(tuán)礦鐵品位高、脈石少，在富氫還原條件下，赤鐵礦晶型轉(zhuǎn)變及球團(tuán)內(nèi)外層還原速率差異會引發(fā)顯著的球團(tuán)內(nèi)應(yīng)力積聚，并且更容易誘發(fā)鐵晶須的生成，促進(jìn)球團(tuán)還原膨脹。氫基豎爐還原過程中球團(tuán)還原膨脹越大，還原后球團(tuán)強(qiáng)度越低，并且還原過程球團(tuán)可能發(fā)生開裂與崩解，導(dǎo)致爐內(nèi)透氣性指數(shù)下降，嚴(yán)重制約氫基豎爐產(chǎn)能釋放與高品質(zhì)直接還原鐵穩(wěn)定生產(chǎn)。現(xiàn)有技術(shù)主要是通過優(yōu)化球團(tuán)礦制備過程的熱工制度，以及添加鈣質(zhì)、鎂質(zhì)熔劑或含硼組分等手段降低球團(tuán)的還原膨脹。例如，文獻(xiàn)（“studyon?gas-based?reduction?mechanism?of?ultra-high-grade?pellets?with?highbasicity?by?experiment?tests?and?first-principles?calculation”，jie?lei，etal.,?powder?technology；2024；436:?119462）公開了通過添加氧化鈣降低高品位球團(tuán)礦還原膨脹率的方法。此外，通過優(yōu)化預(yù)熱焙燒制度提高球團(tuán)強(qiáng)度雖然能在一定程度上抵抗球團(tuán)膨脹時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，但作用效果有限，并且會增加球團(tuán)制備過程的能耗，球團(tuán)強(qiáng)度過高時也會影響還原速率，還原過程中更易產(chǎn)生裂紋。而使用球團(tuán)添加劑面臨不同含鐵原料的適用性問題，并且不可避免地會降低球團(tuán)礦鐵品位，導(dǎo)致后續(xù)冶煉過程渣量增大，冶煉能耗上升，生產(chǎn)率下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于氫基豎爐用球團(tuán)礦因鐵品位高、脈石少，存在易發(fā)生還原膨脹的問題，現(xiàn)有技術(shù)主要是通過提高球團(tuán)礦強(qiáng)度，添加鈣質(zhì)、鎂質(zhì)熔劑或含硼組分等手段降低球團(tuán)的還原膨脹，但是通過提高球團(tuán)強(qiáng)度抑制還原膨脹的作用效果有限，并且會提高球團(tuán)制備過程的能耗，而使用球團(tuán)添加劑，一方面，會存在不同含鐵原料的適用性問題，另一方面，不可避免地會降低球團(tuán)礦鐵品位，提高冶煉能耗。

2、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是在于提供一種基于氫基豎爐逐級還原降低球團(tuán)礦富氫還原膨脹的方法，該方法的關(guān)鍵是在于采用氫基豎爐逐級還原的方式，先將球團(tuán)礦在中低溫下還原至一定程度后，再在富氫氣氛下進(jìn)行高溫快速還原，可使球團(tuán)礦的最大還原膨脹率控制在10%以下。該方法工藝簡單、易于操作、原料適用性強(qiáng)，可在不使用鈣質(zhì)、鎂質(zhì)等球團(tuán)添加劑的前提下，生產(chǎn)出質(zhì)量指標(biāo)滿足要求、鐵品位更高的直接還原鐵，有利于實(shí)現(xiàn)鐵礦資源的清潔高效短流程利用。

3、為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種基于氫基豎爐逐級還原降低球團(tuán)礦富氫還原膨脹的方法，該方法是將球團(tuán)礦依次在第i級氫基豎爐還原和第ii級氫基豎爐還原后，冷卻，得到直接還原鐵；

4、所述第i級氫基豎爐中還原溫度為780~880℃，還原性氣體滿足h2+co體積分?jǐn)?shù)大于80%，且體積占比h2/(h2+co)為0.6~0.8，球團(tuán)礦的還原度控制在45~60%；

5、所述第ii級氫基豎爐中還原溫度為980~1040℃，還原性氣體滿足h2+co體積分?jǐn)?shù)大于90%，且體積占比h2/(h2+co)為≥0.8，球團(tuán)礦的還原度控制在95%以上。

6、本發(fā)明技術(shù)方案的關(guān)鍵在于在球團(tuán)礦氫基豎爐還原過程中采用了逐級還原方式，能夠?qū)⒄麄€球團(tuán)礦還原過程中的最大還原膨脹率控制在10%以下，這是意料之外的效果。更具體來說，先將球團(tuán)礦在第i級氫基豎爐中于780~880℃溫度下進(jìn)行初步還原，使得球團(tuán)還原度為45~60%。第i級氫基豎爐中的低溫既能夠在保證球團(tuán)還原效率的同時有效降低晶型轉(zhuǎn)變與熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的球團(tuán)內(nèi)應(yīng)力，還能有效減少氫基豎爐還原初期的析碳問題，可提高還原性氣體的利用率，并減少析碳反應(yīng)與碳沉積導(dǎo)致的球團(tuán)膨脹或碎裂。同時，第i級氫基豎爐中的溫度控制在適宜范圍內(nèi)，能夠降低球團(tuán)進(jìn)入第ii級氫基豎爐時由于溫度突變而產(chǎn)生的熱應(yīng)力膨脹。經(jīng)過第i級氫基豎爐初步還原的球團(tuán)礦在第ii級氫基豎爐中進(jìn)行高溫富氫快速還原，在高溫和富氫還原性氣體作用下，可以加快球團(tuán)礦還原后期的還原速率，促進(jìn)鐵晶粒聚集長大、固結(jié)，使得富氫還原過程中球團(tuán)礦最大還原膨脹率小于10%，并且得到結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度好、鐵品位高的直接還原鐵。綜上所述，本發(fā)明通過采用逐級還原方式并控制各級還原過程中溫度和氣氛等條件，能夠?qū)⒄麄€球團(tuán)礦還原過程中的最大還原膨脹率控制在10%以下，同時生產(chǎn)出質(zhì)量指標(biāo)滿足要求、鐵品位更高的直接還原鐵。

7、作為一個優(yōu)選的方案，所述球團(tuán)礦的平均粒徑為12~14mm，抗壓強(qiáng)度為2500~3500n。球團(tuán)礦的強(qiáng)度最好是控制在合適的范圍內(nèi)，當(dāng)強(qiáng)度過高時，球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)過于致密，且球團(tuán)礦內(nèi)外層孔隙結(jié)構(gòu)不均，一方面，會降低球團(tuán)礦還原速率，另一方面，使得球團(tuán)礦還原過程中產(chǎn)生由于內(nèi)外層孔隙結(jié)構(gòu)差異所致的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而造成球團(tuán)礦膨脹與開裂，而球團(tuán)礦的強(qiáng)度過低則難以滿足氫基豎爐還原要求。

8、作為一個優(yōu)選的方案，所述第i級氫基豎爐中還原性氣體的壓力為0.5~0.7mpa，且還原性氣體的流量相對每噸直接還原鐵為1400~1600m3。當(dāng)?shù)趇級氫基豎爐中的溫度確定時，通過調(diào)控還原性氣體的壓力和流量能夠保證球團(tuán)礦在第i級氫基豎爐中的還原速率，并且提高還原性氣體利用率。而本發(fā)明控制第i級氫基豎爐的溫度為中低溫，同時在相對較低還原性氣體壓力和流量下，以控制球團(tuán)礦相對較低的還原速率，能夠有效降低球團(tuán)還原初期晶型轉(zhuǎn)變與熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，誘導(dǎo)顆粒表面鐵晶粒均勻形核、成層生長。

9、作為一個優(yōu)選的方案，所述第ii級氫基豎爐中還原性氣體的壓力為0.8~1.0mpa，且還原性氣體的流量相對每噸直接還原鐵為1600~1800m3。本發(fā)明控制第ii級氫基豎爐的溫度為高溫，同時在相對較高還原性氣體壓力和流量下，以控制球團(tuán)礦快速還原，能夠抑制球團(tuán)礦在第ii級氫基豎爐還原過程中鐵晶須的生成，并且提高還原性氣體利用率。

10、作為一個優(yōu)選的方案，所述第ii級氫基豎爐中產(chǎn)生的爐頂尾氣經(jīng)過提純后用于配制第i級氫基豎爐中的還原性氣體。該操作能夠有效實(shí)現(xiàn)還原性氣體的循環(huán)利用以及余熱的高效利用。

11、作為一個優(yōu)選的方案，所述直接還原鐵的表觀密度為2.0~2.4t/m3，抗壓強(qiáng)度大于500?n。

12、本發(fā)明所涉及的球團(tuán)礦為本領(lǐng)域常規(guī)的球團(tuán)礦。其由鐵精礦與粘結(jié)劑經(jīng)過混合造球和氧化焙燒得到。其中，鐵精礦包括磁鐵精礦、赤鐵精礦、褐鐵精礦與釩鈦鐵精礦中至少一種；粘結(jié)劑包含膨潤土、羧甲基纖維素鈉與聚丙烯酰胺中至少一種。球團(tuán)礦的制備過程也是現(xiàn)有技術(shù)中公知的。

13、本發(fā)明的球團(tuán)礦經(jīng)過第i級氫基豎爐還原后其抗壓強(qiáng)度大于1000?n，有利于抵抗第ii級氫基豎爐中球團(tuán)的熱應(yīng)力膨脹。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益技術(shù)效果在于：

15、本發(fā)明提供的方法通過采用氫基豎爐逐級還原的方式，先將球團(tuán)礦在中低溫下還原至一定程度后，再進(jìn)行高溫快速還原，能夠有效降低球團(tuán)還原初期晶型轉(zhuǎn)變與熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，誘導(dǎo)顆粒表面鐵晶粒均勻形核、成層生長，促進(jìn)后續(xù)還原過程中球團(tuán)內(nèi)鐵晶粒聚集長大，使得富氫還原過程中球團(tuán)礦最大還原膨脹率小于10%。

16、本發(fā)明提供的方法能夠在保證球團(tuán)還原效率的同時，有效減少現(xiàn)有技術(shù)中氫基豎爐還原初期的析碳問題，一方面有利于提高還原性氣體利用率，另一方面，能夠減少析碳反應(yīng)與碳沉積導(dǎo)致的球團(tuán)膨脹或碎裂。

17、本發(fā)明提供的方法所采用的還原氣氛有利于鐵晶粒的均勻形核與聚集長大，同時，將第ii級氫基豎爐中的爐頂尾氣進(jìn)行提純后用于配備第i級氫基豎爐中的還原性氣體，實(shí)現(xiàn)了還原性氣體的循環(huán)利用以及余熱的高效利用。

18、本發(fā)明提供的方法，工藝簡單、易于操作、原料適用性強(qiáng)，可在不使用鈣質(zhì)、鎂質(zhì)等球團(tuán)添加劑的前提下，生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度好、鐵品位更高的直接還原鐵，有利于實(shí)現(xiàn)鐵礦資源的清潔、高效、短流程利用。