一种用攀西钒钛磁铁精矿获取超低氢损合格微合金铁粉的方法

摘要

本发明公开一种用攀西钒钛磁铁精矿获取超低氢损合格微合金铁粉的方法，将低品位攀西钒钛磁铁精矿、普通无烟煤、工业盐按比例混合后，压制成块并在间隙填充煤粒和石灰石的混合物，进行催化还原得还原铁料；然后经破碎送入磨选分离系统，经常规多级湿磨和湿磁选、摇床淘洗、二次螺旋淘洗后经振动筛脱水后得一次铁粉，一次铁粉加热干燥后进行精还原、脱氧及脱碳，出口铁块经分级，即得合格微合金铁粉。本发明大幅度减弱了制备优质铁粉时对高稳定性优质精矿粉的依赖性，并显著降低了微合金铁粉制造成本，实现了多环节全流程生产连续稳定进行。这对类似多环节、长流程且对原燃料及中间半成品要求严格的工艺流程同样具有积极的借鉴意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用攀西钒钛磁铁精矿获取超低氢损合格微合金铁粉的方法，属于 直接还原铁粉制造技术领域。

背景技术

赫格纳斯法是当今还原铁粉工业生产的主要工艺，铁精矿制取还原铁粉的赫格纳 斯法所采用的原料主要是通过普通铁精矿提纯的超级铁精矿(品位不低于70％)，产品为普 通铁粉。但对于国内来说，高品位高稳定性铁精矿资源分布不足，且在铁精矿提纯至超级铁 精矿途径上代价过于昂贵，经济性不足。这使得国内依靠超级铁精矿制造还原铁粉竞争力 日渐下降，中高端铁粉市场又被国外铁粉所占据。因此，开拓使用资源丰富、价格低廉而又 富含合金元素的攀西钒钛磁铁矿资源，对于增强粉末冶金企业市场竞争力至关重要。

从国内铁矿石资源分布及特点看，攀西地区钒钛磁铁精矿资源丰富，品质稳定，并 且，钒钛磁铁矿是以铁、钒、钛元素为主，并伴有钴、镍等其它多种元素的多元共生铁矿。从 资源利用、降低还原铁粉制备成本和改善产品特性出发，充分利用钒钛磁铁矿资源及其合 金元素具有极为现实的意义。

一般地，用于生产粉末冶金铁基制品的还原铁粉，其质量指标包括：物理、工艺性 能，如筛分粒度组成、松装密度、流动性、压缩性和烧结尺寸稳定性等。化学成分，如铁、碳、 氧、硫、磷等和酸不溶物含量，氧含量可用氢损（在氢中还原的损失重量）近似地表示。氢损 作为表征铁粉纯净度的重要指标之一，对改善铁粉物理工艺性能和粉末冶金制品具有重要 的意义。如作为制造高密度、高强度的机械零件之用，对铁粉的氧含量和压缩性（铁粉在一 定压力下压制后能达到的压坯密度）指标有严格的要求。微合金铁粉是针对低品位、复杂钒 钛磁铁矿研发出的一种全新的还原铁粉。铁粉天然固溶有母矿内的Ti、V、Co、Ni、Cu、Cr等元 素，能够更加充分地发挥这些合金元素的固溶强化和弥散强化效应。因此，利用攀西钒钛磁 铁精矿规模化生产出低氢损合格微合金铁粉，不仅对于降低还原铁粉制备成本、发挥微合 金铁粉优异性能并最终达到部分取代进口还原铁粉具有积极意义，并对于铁粉后续深加工 技术产品起到良好支撑作用。

攀西钒钛磁铁矿是一种复合矿物相，是由磁铁矿、钛铁晶石、镁铝尖晶石和钛铁矿 片晶及微细粒磁黄铁矿片晶等组成的一种固溶体，相互嵌布极为微细，脉石矿物以普通辉 石、斜长石为主，用机械选矿方法无法解离。采用催化还原结合磨选工艺，利用攀西钒钛磁 铁矿制备微合金铁粉过程繁复，工序环节质量控制点多，具体工艺流程为：攀西钒钛磁铁矿 +内配碳+工业盐→混合料+边煤+石灰石粉→长时间加温保温催化还原→三级磨矿磁选→ 摇床淘洗→二级螺旋浓密、淘洗、运输→脱水→干燥→筛分→磁选→二次还原钢带炉→破 碎→除尘去杂→筛分分级→合批成品。在进入二次还原钢带炉前就经过了六道处理工序， 而每经过一道工序，原料质量和稳定性发生变化，均会对下一道工序操作参数、中间产品质 量产生重大影响。最终影响到微合金铁粉化学成分及物理工艺性能指标。

据有关文献报道，用纯氢气为还原剂利用推舟炉进行精还原可以得到HL<0.25%的 微合金铁粉。但是规模化应用钢带式退火炉进行二次还原得到HL<0.18%的超低氢损微合金 铁粉尚鲜有报道。正是由于从攀西钒钛磁铁精矿得到合格微合金铁粉中间过程关键质量控 制点甚多(9个)，而还原剂含氢量纯度不高(3H₂+1N₂)，仅仅为75%，因而对脱氧还原透彻得到 低氢损合格微合金铁粉存在很大难度。此外，为便于连续稳定均衡进行生产过程，必须对每 一个工序环节设置控制要点和指标控制目标。

因此，为有效解决目前国内还原铁粉成本高昂、性能不佳等竞争力不强等问题，必 须系统研发利用资源丰富、价格低廉且含有多种合金元素的攀西钒钛磁铁矿作为原料制取 高TFe含量(>98.5％)、低C含量(<0.025%)、低HL含量(<0.18%)且固溶有钒(V)、钛(Ti)、钴 (Co)、镍(Ni)等多种合金元素品质优异的微合金铁粉新的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种100%以低品位攀西钒钛磁铁精矿为原料，在经过混 匀、催化还原、磨选分离、脱水、烘干、筛分、磁选工序后，能够应用钢带式精还原炉以氢气纯 度75%(3H₂+1N₂)氨分解气为还原剂，最终规模化生产超低氢损合格微合金铁粉的方法。既 充分利用资源丰富而又相对廉价得多的攀西钒钛磁铁矿资源，并获取富含多种合金元素、 性能优异的超低氢损微合金铁粉。

本发明通过下列技术方案实现：一种用攀西钒钛磁铁精矿获取超低氢损合格微合 金铁粉的方法，经过下列步骤：

A、按下列质量份的原料进行备料：

低品位攀西钒钛磁铁精矿69~76.5份、

普通无烟煤11.5~15份、

工业盐12~16份；

将上述原料均匀混合后，控制原料水分含量在8.0%～10.0%，然后在压力为15MPa条件 下压制成块后，将块料装入耐火罐，并在罐中的料块与料块之间、料块与罐壁之间的间隙填 充煤粒和石灰石的混合物，使煤粒和石灰石的填充量分别为料块重量的20.0%与15.0%，之 后将耐火罐堆码成垛送入催化还原炉中，于1040~1080℃温度下催化还原35~40h，得还原铁 料；所得还原铁料的主要成分为：TFe57.5~60.5%，MFe55.0~57.0%，S0.20~0.30%，C1.50 ~2.00%；

B、将步骤A的还原铁料破碎成直径为20~40mm的粒状，由螺旋给料机送入磨选分离系 统，经常规多级湿磨和湿磁选、摇床淘洗、二次螺旋淘洗后经振动筛脱水后得含水量为10%~ 15%一次铁粉；所得一次铁粉主要成分为：TFe96.5~97.5%，MFe91.0~93.0%，HL1.20~ 1.60%，C0.35~0.50%。、AIC<0.50、碳氧比0.25~0.33、水分10~15%；

C、将步骤B的一次铁粉加热干燥至温度为60~75℃，色泽浅金黄，含水量<0.19%；

D、将步骤C的一次铁粉过1mm的筛后，再用干式磁选机磁选，以除去低品位、高硫、高氧 杂质，磁选出来的物料送入二次精还原钢带炉中进行精还原、脱氧及脱碳，控制参数为：

料层宽度860~900mm，厚度18~25mm，带速90~120mm/min；入炉氨分解气的流量为28～ 36m³/h，炉尾保护氮气的流量为10～15m³/h；使炉内氨分解气的压力为0.05～0.08MPa，保护 氮气的压力为0.50～0.70MPa；视脱碳和脱氧效果由低向高调节1～10个脱氧、脱碳区的温 度为700～920℃；缓冷带温度为100～130℃；

E、按常规将步骤D的二次精还原出口铁块进行破碎，并过60目筛，再用5kw抽风机除去 低品位粉料后经超声波振动筛分级，即得合格微合金铁粉。

所述步骤A的低品位攀西钒钛磁铁精矿的主要成分是：TFe56.5～58.0%，SiO₂2.26～4.45%，Al₂O₃2.32～3.73%，TiO₂6.61~6.86%，V₂O₅0.70～0.79%，S0.15～0.20%， FeO22.79～24.23%。

所述步骤A的普通无烟煤的主要成分是：Ash13.46~14.80%，V7.70～9.20%，S 0.45~0.80%，固定C含量75.0~77.0%。

所述步骤A的工业盐的化学成分为：NaCl99.0~99.3%，KCl0.015~0.025%，MgCl₂0.015~0.025%，CaCl0.015~0.025%，CaSO₄<0.10~0.25%，SiO₂0.015~0.025%。

所述步骤D的氨分解气是H₂和N₂按体积比为3:1的混合气体。

所述步骤D的保护氮气的纯度为99.95～99.99%。

所述步骤D的视脱碳和脱氧效果是指脱碳率小于90%、脱氧率小于85%时在温度范 围700～920℃内由低向高调节1～10个脱氧、脱碳区的温度。

所述步骤D的精还原过程中，当温度>920℃、一次铁粉中C含量>0.65%时，启用钢带 炉设置的防钢带粘结、钢带清理装置进行清理钢带，消除钢带粘结；同时启动钢带炉设置的 炉外加水、加氮装置，进行炉外加水量2～3L/h、加氮气量5.0～8.0m³/h。

所述步骤E的低品位粉料占二次精还原出口铁块总质量的1～2%。

所得微合金铁粉中w(HL)<0.18%；微合金铁粉金属化率超过99.0%(w(MFe)/w (TFe))。

本发明是100%以低品位攀西钒钛磁铁精矿为原料，经过混匀、催化还原、磨选分 离、脱水、烘干、筛分、磁选。再以氢气纯度75%(3H₂+1N₂)氨分解气为还原剂，用钢带式精还 原炉规模化生产超低氢损合格微合金铁粉的方法。本发明基于还原铁粉制备基础理论，利 用碳直接还原热力学、动力学及生铁局部熔融还原理论，使低品位钒钛磁铁精矿在内配碳、 工业盐催化还原条件下得到富含纯铁液滴的还原料，并在一定温度作用下长时间保温促使 纯铁晶粒发育长大及进行渗碳；这在后续磨选系统为富含渗碳体的生铁与SiO₂、CaO、MgO、 Al₂O₃等脉石成分充分分离创造条件，并有效控制还原铁料中金属化率和C、S含量；采用适当 料球比和给料量控制，利用多级球磨机小粒径钢球对还原铁料粉搓洗分离后经磁选、多级 淘洗、脱水、烘干回收得到含铁量96.5%~97.5%的一次铁粉，并有效控制其中C、HL、AIC、S含 量，为后续进一步的精还原脱氧、脱碳、脱硫创造条件；利用氢气还原热力学、动力学原理及 水煤汽化合反应，以脱氧为工艺控制目标，结合钢带式精还原炉对一次还原铁粉脱氧、脱碳 实际工艺参数及控制，最终得到平均HL<0.18%的合格微合金铁粉。

本发明与现有的还原铁粉及合金铁粉制备方法相比，不仅实现了用资源丰富而又 价格相对低廉得多的攀西钒钛磁铁精矿规模化制备低氢损微合金铁粉，大幅度减弱了制备 优质铁粉时对高稳定性优质精矿粉的依赖性，并显著降低了微合金铁粉制造成本。并且，针 对利用攀西钒钛资源磁铁精矿制备微合金铁粉过程环节众多且具有品质要求高、成分范围 窄的特点，生产中对整个多环节流程及中间半产品指标标准的建立以及针对性的工艺参 数，显著减弱了规模使用攀西钒钛磁铁矿时由于其具有由磁铁矿、钛铁晶石、镁铝尖晶石和 钛铁矿片晶及微细粒磁黄铁矿片晶等组成的复合矿物相结构而难于解离的影响。此外，利 用氢气纯度不高的氨分解气(3H₂+1N₂)实现了在二次精还原炉规模化生产超低氢损微合金 铁粉。并且，实现了多环节全流程生产连续稳定进行。这对类似多环节、长流程且对原燃料 及中间半成品要求严格的工艺流程同样具有积极的借鉴意义。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

A、按下列质量份的原料进行备料：

低品位攀西钒钛磁铁精矿76.5份、

普通无烟煤11.5份、

工业盐12份；

其中，低品位攀西钒钛磁铁精矿的主要成分是：TFe56.7%，SiO₂4.58%，Al₂O₃3.23%， TiO₂7.06%，V₂O₅0.75%，S0.18%，FeO22.93%；普通无烟煤的主要成分是：Ash14.60%，V 8.85%，S0.65%，固定C含量75.2%；工业盐的化学成分为：NaCl99.1%，KCl0.016%，MgCl₂0.028%，CaCl0.025%，CaSO₄0.08%，SiO₂0.020%。

将上述原料均匀混合后，控制原料水分含量在8.0%，然后在压力为15MPa条件下压 制成块后，将块料装入耐火罐，并在罐中的料块与料块之间、料块与罐壁之间的间隙填充煤 粒和石灰石的混合物，使煤粒和石灰石的填充量分别为料块重量的20.0%与15.0%，之后将 耐火罐堆码成垛送入催化还原炉中，于1080℃温度下催化还原35h，得还原铁料；所得还原 铁料的主要成分为：TFe58.5%，MFe55.0%，S0.280%，C1.57%；

B、将步骤A的还原铁料破碎成直径为20~40mm的粒状，由螺旋给料机送入磨选分离系 统，经常规多级湿磨和湿磁选、摇床淘洗、二次螺旋淘洗后经振动筛脱水后得含水量为15% 一次铁粉；所述磨选分离系统包括：球磨机3台，湿式磁选机3台，摇床5台，螺旋运输机两台， 脱水振动筛1台，以及它们之间的有序串接。具体方式为：破碎机→￠900×6000mm→700GS 湿式磁选机→￠900×6000mm→1200GS湿式磁选机→￠1200×6000mm→400GS湿式磁选机 →摇床→双级螺旋→振动筛→含水一次铁粉。所得一次铁粉主要成分为：TFe97.0%，MFe 92.5%，HL1.47%，C0.38%。、AIC0.42%、碳氧比0.259、水分15.0%；

C、将步骤B的一次铁粉加热干燥至温度为67℃，色泽浅金黄，含水量<0.19%；

D、将步骤C的一次铁粉过1mm的筛后，再用干式磁选机磁选，以除去低品位、高硫、高氧 杂质，磁选出来的物料送入二次精还原钢带炉中进行精还原、脱氧及脱碳，控制参数为：

料层宽度900mm，厚度18mm，带速100mm/min；入炉氨分解气（H₂和N₂按体积比为3:1的混 合气体）的流量为30m³/h，炉尾保护氮气（纯度为99.95～99.99%）的流量为12m³/h；使炉内氨 分解气的压力为0.055MPa，保护氮气的压力为0.6MPa；10个脱氧、脱碳区温度分别为：720 ℃、750℃、800℃、850℃、850℃、860℃、870℃、880℃、880℃、850℃；缓冷带温度为120℃；

精还原过程中，当温度>920℃、一次铁粉中C含量>0.65%时，启用钢带炉设置的防钢带 粘结、钢带清理装置进行清理钢带，消除钢带粘结；同时启动钢带炉设置的炉外加水、加氮 装置，进行炉外加水量3.0L/h、加氮气量5.0m³/h。

E、按常规将步骤D的二次精还原出口铁块进行破碎，并过60目筛，再用5kw抽风机 除去低品位粉料（占总质量的1～2%）后经超声波振动筛分级，即得合格微合金铁粉。

所得微合金铁粉化学成分TFe98.79%，MFe97.970%，HL0.16%，C0.025%、AIC 0.45%；微合金铁粉金属化率99.17%(w(MFe)/w(TFe))。整个流程可均衡进行，对各系统设 备、生产稳定顺行均无影响，钢带炉系统氢利用率12.6%，还原生成水利用率26.8%。

实施例2

A、按下列质量份的原料进行备料：

低品位攀西钒钛磁铁精矿74份、

普通无烟煤13份、

工业盐13份；

其中，低品位攀西钒钛磁铁精矿的主要成分是：TFe57.6%，SiO₂5.38%，Al₂O₃2.25%， TiO₂7.71%，V₂O₅0.78%，S0.19%，FeO21.83%；普通无烟煤的主要成分是：Ash16.30%，V 9.15%，S0.58%，固定C含量71.6%；工业盐的化学成分为：NaCl99.1%，KCl0.015%，MgCl₂0.029%，CaCl0.022%，CaSO₄0.09%，SiO₂0.023%。

将上述原料均匀混合后，控制原料水分含量在9%，然后在压力为15MPa条件下压制 成块后，将块料装入耐火罐，并在罐中的料块与料块之间、料块与罐壁之间的间隙填充煤粒 和石灰石的混合物，使煤粒和石灰石的填充量分别为料块重量的20.0%与15.0%，之后将耐 火罐堆码成垛送入催化还原炉中，于1040℃温度下催化还原40h，得还原铁料；所得还原铁 料的主要成分为：TFe57.91%，MFe55.7%，S0.286%，C1.86%；

B、将步骤A的还原铁料破碎成直径为20~40mm的粒状，由螺旋给料机送入磨选分离系 统，经常规多级湿磨和湿磁选、摇床淘洗、二次螺旋淘洗后经振动筛脱水后得含水量为12% 一次铁粉；所述磨选分离系统包括：球磨机3台，湿式磁选机3台，摇床5台，螺旋运输机两台， 脱水振动筛1台，以及它们之间的有序串接。具体方式为：破碎机→￠900×6000mm→700GS 湿式磁选机→￠900×6000mm→1200GS湿式磁选机→￠1200×6000mm→400GS湿式磁选机 →摇床→双级螺旋→振动筛→含水一次铁粉。所得一次铁粉主要成分为：TFe97.2%，MFe 93.1%，HL1.57%，C0.48%。、AIC0.40%、碳氧比0.305、水分12%；

C、将步骤B的一次铁粉加热干燥至温度为75℃，色泽浅金黄，含水量<0.19%；

D、将步骤C的一次铁粉过1mm的筛后，再用干式磁选机磁选，以除去低品位、高硫、高氧 杂质，磁选出来的物料送入二次精还原钢带炉中进行精还原、脱氧及脱碳，控制参数为：

料层宽度890mm，厚度22mm，带速90mm/min；入炉氨分解气（H₂和N₂按体积比为3:1的混 合气体）的流量为36m³/h，炉尾保护氮气（纯度为99.95～99.99%）的流量为10m³/h；使炉内氨 分解气的压力为0.05MPa，保护氮气的压力为0.70MPa；10个脱氧、脱碳区温度分别为：700 ℃、750℃、800℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃、890℃、850℃；缓冷带温度为126℃；

精还原过程中，当温度>920℃、一次铁粉中C含量>0.65%时，启用钢带炉设置的防钢带 粘结、钢带清理装置进行清理钢带，消除钢带粘结；同时启动钢带炉设置的炉外加水、加氮 装置，进行炉外加水量2L/h、加氮气量5.0m³/h。

E、按常规将步骤D的二次精还原出口铁块进行破碎，并过60目筛，再用5kw抽风机 除去低品位粉料（占总质量的1～2%）后经超声波振动筛分级，即得合格微合金铁粉。

所得微合金铁粉的化学成分TFe98.69%，MFe97.890%，HL0.17%，C0.026%、AIC 0.41%；微合金铁粉金属化率99.20%(w(MFe)/w(TFe))。整个流程可均衡进行，对各系统设 备、生产稳定顺行均无影响，钢带炉系统氢利用率13.1%，还原生成水利用率25.5%，炉外加 水利用率66.5%。

实施例3

A、按下列质量份的原料进行备料：

低品位攀西钒钛磁铁精矿69份、

普通无烟煤15份、

工业盐16份；

其中，低品位攀西钒钛磁铁精矿的主要成分是：TFe57.2%，SiO₂6.13%，Al₂O₃1.95%， TiO₂7.01%，V₂O₅0.65%，S0.16%，FeO23.35%；普通无烟煤的主要成分是：Ash15.10%，V 9.08%，S0.55%，固定C含量73.8%；工业盐的化学成分为：NaCl99.1%，KCl0.011%，MgCl₂0.022%，CaCl0.018%，CaSO₄0.091%，SiO₂0.017%。

将上述原料均匀混合后，控制原料水分含量在10.0%，然后在压力为15MPa条件下 压制成块后，将块料装入耐火罐，并在罐中的料块与料块之间、料块与罐壁之间的间隙填充 煤粒和石灰石的混合物，使煤粒和石灰石的填充量分别为料块重量的20.0%与15.0%，之后 将耐火罐堆码成垛送入催化还原炉中，于1050℃温度下催化还原36h，得还原铁料；所得还 原铁料的主要成分为：TFe57.71%，MFe53.96%，S0.348%，C1.97%；

B、将步骤A的还原铁料破碎成直径为20~40mm的粒状，由螺旋给料机送入磨选分离系 统，经常规多级湿磨和湿磁选、摇床淘洗、二次螺旋淘洗后经振动筛脱水后得含水量为10% 一次铁粉；所述磨选分离系统包括：球磨机3台，湿式磁选机3台，摇床5台，螺旋运输机两台， 脱水振动筛1台，以及它们之间的有序串接。具体方式为：破碎机→￠900×6000mm→700GS 湿式磁选机→￠900×6000mm→1200GS湿式磁选机→￠1200×6000mm→400GS湿式磁选机 →摇床→双级螺旋→振动筛→含水一次铁粉。磨选进口料速度控制<1.5t/h。所得一次铁粉 主要成分为：TFe96.85%，MFe92.9%，HL1.80%，C0.58%。、AIC0.46%、碳氧比0.305、水分 10.0%；

C、将步骤B的一次铁粉加热干燥至温度为60℃，色泽浅金黄，含水量<0.19%；

D、将步骤C的一次铁粉过1mm的筛后，再用干式磁选机磁选，以除去低品位、高硫、高氧 杂质，磁选出来的物料送入二次精还原钢带炉中进行精还原、脱氧及脱碳，控制参数为：

料层宽度860mm，厚度25mm，带速120mm/min；入炉氨分解气（H₂和N₂按体积比为3:1的混 合气体）的流量为28m³/h，炉尾保护氮气（纯度为99.95～99.99%）的流量为15m³/h；使炉内氨 分解气的压力为0.08MPa，保护氮气的压力为0.50MPa；10个脱氧、脱碳区温度分别为：700 ℃、750℃、800℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃、890℃、850℃；缓冷带温度为126℃；

精还原过程中，当温度>920℃、一次铁粉中C含量>0.65%时，启用钢带炉设置的防钢带 粘结、钢带清理装置进行清理钢带，消除钢带粘结；同时启动钢带炉设置的炉外加水、加氮 装置，进行炉外加水量6.0L/h、加氮气量8.0m³/h。

E、按常规将步骤D的二次精还原出口铁块进行破碎，并过60目筛，再用5kw抽风机 除去低品位粉料（占总质量的1～2%）后经超声波振动筛分级，即得合格微合金铁粉。

所得微合金铁粉化学成分TFe98.64%，MFe97.890%，HL0.15%，C0.022%、AIC 0.36%；微合金铁粉金属化率99.23%(w(MFe)/w(TFe))。整个流程可均衡进行，对各系统设 备、生产稳定顺行均无影响，钢带炉系统氢利用率11.8%，还原生成水利用率27.5%。炉外加 水利用率63.8%。