高铝铁矿资源在我国储量丰富,但由于其成分复杂,品位不一,一直无法得到充分的利用。本文提出了一种新型的用于处理高铝铁矿的渣铁浴熔融还原工艺,其生产流程为:转底炉(Rotary Hearth Furnace - RHF)将配碳球团进行预还原,铁浴炉(Smelting Reduction Vessel - SRV)中进行预还原球团和熔剂的熔融还原与造渣,铁浴炉煤气经过煤气改质炉(Gas Reforming Furnace - GRF)生产高品质煤气用于转底炉和输出。铁浴反应器采用三层喷枪设计,包括上层氧枪为自由空间煤气二次燃烧与热量回传提供保障;中层煤氧枪为上部熔渣中球团矿与熔剂的熔化以及熔渣的搅拌提供能量来源;下层煤氧枪为下部熔渣中铁氧化物提供还原剂与热量补充。本文从静态模型,物理模型,实验室实验,扩大试验等方面,对工艺进行初步探索,以期对工业实际应用提供理论和技术支持。 建立了渣铁浴熔融还原工艺的整体静态模型,研究了不同预还原金属化率(Pellet Metallization Rate - PMR)、终还原煤气二次燃烧率(Post Combustion Ratio - PCR)等操作参数对工艺能耗的影响。针对渣铁浴熔融还原反应器,建立了分区域静态模型,研究了不同反应区域内二次燃烧率对煤粉分配、氧气分配以及煤耗的影响,确定了最佳工艺参数为铁浴炉煤气二次燃烧率自由空间为55%,上部熔渣15%,下部熔渣0%,入炉球团金属化率为80%。三层喷枪的设计可以通过调整各层反应区域的PCR,实现煤粉消耗、热量消耗、煤粉分配以及氧气分配的灵活控制。 针对目前国内煤气短缺的现状,进行了在本文工艺模式下的煤制气路线的研究。分别对转底炉、竖炉工艺路线,以及使用不同金属化率的含碳金属化球团和氧化球团的条件下,煤制气工艺的物料与能量消耗和生产能力,以及工艺参数进行了求解与优化,确定了煤制气工艺路线的适用条件和最佳工艺参数,如以炼铁炼渣为主,则采用转底炉冶炼的煤制气熔融还原工艺,转底炉预还原金属化率适中,SRV中PCR=20%,氧气预热温度700°C。 在铁浴反应器物料平衡与热平衡的基础上,建立了反应器物理模型,对反应器内侧吹喷枪的喷吹角度、插入深度,以及底吹喷枪的布置进行了正交实验研究。对比了各个条件下操作参数对反应器混匀时间的影响,确定了操作参数对反应器混匀时间影响的显著性,得出了混匀时间最短所对应的最佳喷吹条件:双孔非对称底吹布置,中枪角度50°,中枪插入深度180mm,下枪角度50°,下枪插入深度180mm。中枪深度和下枪角度对反应器混匀时间影响的显著性较差,可依据实际生产需求进行调整而不影响反应器混匀时间。 对铁浴反应器内高铝铁矿球团矿在熔渣中的熔融现象,建立了一维非稳态导热模型,进行了数值模拟的研究,考察了不同渣浴温度、球团直径、球团预热温度、球团金属化率以及熔渣C/A(CaO/Al₂O₃)对球团熔融过程的影响,掌握了不同条件下球团熔化时间、球团内部与表面渣壳温度分布。以C/A为例,随着熔渣C/A从1.7降至1.4,球团熔化速率加快25s。 对预还原球团进行了熔分造渣实验,对终渣物相组成进行了DSC分析研究,并使用SEM、EDS等分析手段对实验结果进行了检测分析,掌握了不同降温速率、C/A、MgO添加量对终渣物相组成的影响,得出了不同条件下铁浴炉高温熔渣最佳的凝固条件。以C/A=1.4为例,在MgO添加量为0、1、2%时,最佳降温速率分别为10、10、15°C/min。 进行了渣铁浴反应器终还原熔分造渣扩大试验研究。在1t级中频感应炉内,使用工业现场原料,进行了铁水及高铝渣的生产试验,验证了实验室研究结果的准确性并为现场可能遇到的问题提供了解决方案。扩大试验表明能够实现渣铁分离,并得到自粉化活性高铝渣。以实现工业化生产的条件为:熔炼温度1600°C,熔渣C/A高于1.2且低于1.7,熔渣MgO含量低于1%,熔渣凝固过程保温措施类似或优于扩大试验。