[发明专利]一种基于3D打印的铁矿直接还原冶金方法

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的铁矿直接还原冶金方法。本发明将铁矿链篦机‑煤基回转窑直接还原技术与3D打印成型技术相结合。通过对混合料配方的优化，提升了3D打印直接还原技术的可行性、适用性和推广性。同时利用3D打印成型技术的精确性、同步性与统一性，获得稳定优质的具备相同蜂窝状孔隙结构的生球球团矿。将生球球团矿置于高温炉中经干燥、预热、还原焙烧、冷却、磁选富集等处理后，获得合格的直接还原铁产品。

技术领域

本发明涉及3D打印制备直接还原铁技术，具体涉及一种基于3D打印的铁矿直接还原冶金方法，属于还原法冶金技术领域。

背景技术

随着钢铁生产工艺技术的发展与进步，以及能源结构调整和环保要求提升，非高炉炼铁工艺已成为钢铁冶金技术研发的热点。其中，直接还原工艺凭借其流程短、市场适应性强等特点已成为钢铁工业发展十分重要的方向之一。相较于传统的高炉-转炉冶炼流程，发展直接还原技术既可以摆脱焦煤资源的束缚，有效改善钢铁生产的能源结构，同时从减少二氧化碳排放、实现环境友好发展的角度出发，直接还原工艺也是钢铁工业绿色发展的有效途径。自20世纪50年代以来，直接还原铁(DRI)生产发展迅速，产量稳步上升，由1970年的79万吨增加到1998年的3709万吨、2019年的9980万吨。印度和伊朗是全球最大的两个直接还原铁生产国，2019年分别生产3685万吨和2773万吨。目前，世界直接还原铁产量超过100万吨的国家有13个。以气基竖炉法为主，主要集中在伊朗、俄罗斯、墨西哥等天然气资源丰富的国家。

我国DRI年产量从未超过60万吨，占世界DRI年产量不足1.0％，自2015年起，我国直接还原铁产量已归零。我国天然气资源匮乏而煤炭资源丰富，链篦机-煤基回转窑直接还原工艺是我国非高炉炼铁的主要发展方向。然而，链篦机-煤基回转窑直接还原工艺存在如下几个主要问题：(1)球团在链篦机工序无法实现有效的固结，耐磨强度不足，在窑内因连续运动摩擦易于产生粉末，进而导致结圈事故频发，生产稳定性差，操作难度大。(2)反应温度高，时间长。铁矿链篦机-煤基回转窑直接还原的反应温度一般为1200℃左右，反应时间一般介于120～180min，球团在高温环境下长时间置于回转窑中，不仅消耗大量能源，而且大大增加了物料结圈的风险，影响了生产的稳定性，限制了链篦机-煤基回转窑直接还原技术的工业推广。

我国直接还原技术主要包括回转窑法、隧道窑法以及转底炉法。其中回转窑法：天津钢管在引进DRI技术的基础上，进行了大量改造，技术上有了重大进步，在使用球团为原料的条件下，最好年份产量超过设计产量20％，煤耗(褐煤)仅900kg/t·DRI，尾气余热发电150～200kW·h/t·DRI，进一步降低了能耗，在使用TFe≥68％球团时，产品TFe94.0％，金属化率93.0％，S、P0.015％，SiO₂≈1.0％。以块矿或氧化球团为原料的直接还原回转窑技术成熟，在资源适宜、中小规模需求条件下是可供选择的方法。但对原燃料的要求苛刻，单位产能投资高，运行费用高，操作难以实现自动化，运行稳定性差，生产规模难以扩大(最大15万吨/年·座)。

我国自行开发的链箅机-回转窑法(一步法)虽然实现了工业化生产，但因球团在链箅机上无法实现有效的固结，耐磨强度不足，球团在窑内因连续运动摩擦易于产生粉末，进而结圈事故频发，生产稳定性差，操作难度大，发展受阻。我国已建成的一步法直接还原回转窑均已停产。

隧道窑法：隧道窑法因技术含量低，适合于小规模生产，投资小，符合民营企业投资需要，近年来在我国得到异常迅速的发展。但隧道窑法单机产能小，能耗高，污染严重，从国民经济发展节能减排、保护环境的基本原则出发，隧道窑不是我国炼钢用直接还原铁发展方向。我国已建成的隧道窑直接还原铁总产能近200多万吨，但目前已基本全部停产。