CN105755195B

CN105755195B - 一种从高硅铁矿直接制备钢水的方法

Info

Publication number: CN105755195B
Application number: CN201610225839.4A
Authority: CN
Inventors: 唐惠庆; 秦艳齐; 付秀峰; 董志磊
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2036-04-12
Also published as: CN105755195A

Abstract

本发明公开了一种从高硅铁矿直接制备钢水的方法,其方法包括：生物质炭制备与粉碎；高硅铁矿破碎与球磨；含碳球团制备；直接还原；高温渣铁分离。与现有处理高硅铁矿的方法相比，本发明以来源广泛的农业生物质废弃物制备生物质炭并作为还原剂制备含碳球团，并利用商业化的FASTMELT工艺进行直接还原和电炉高温熔分。通过控制还原条件，在直接还原阶段获得极低残碳高金属化球团。在高温熔分阶段直接获得钢水且钢水质量直接达到或超过转炉出钢的标准。本发明具有铁回收率高和所得液态低碳低硅钢水质量好等优点。本发明避免了传统烧结‑高炉‑转炉的炼铁炼钢流程，从而极大地简化了处理高硅铁矿的流程。

Description

一种从高硅铁矿直接制备钢水的方法

技术领域

本发明属于属钢铁冶金-非高炉炼铁领域，涉及难选高硅铁矿(高硅质红铁矿)的利用工艺，特别是一种从高硅铁矿直接制备钢水的方法。

背景技术

随着全世界范围内富矿资源的日益贫乏，以往一些不受重视的铁矿资源开始被开采和利用。由于这些铁矿的脉石含量高，并且难于通过常规选矿技术提高铁品位或者降低脉石含量，因此，这些复杂铁矿的利用就受到很大的限制。其中高硅铁矿(亦称高硅质红铁矿)是一种常见的难处理劣质铁矿，在中国的南方的一些省份(如海南省)，该类高硅铁矿比较普遍(海南矿冶，1(1997):1-3)。同时，由于进口价格极低，中国也从海外(如非洲国家毛里塔尼亚)进口了一些这种类型的高硅铁矿。该矿物的矿相结构主要为赤铁矿、石英以及极少量的氧化钙，氧化镁和氧化铝杂质，石英相以细小颗粒形式镶嵌于赤铁矿相中；其余有害元素如硫，磷含量极低甚至微量。经过常规选矿后，该矿的铁品位有较大幅度提高，可以达到55wt％以上，但是二氧化硅的含量在9-14wt％之间。

当前高炉普遍实行低硅冶炼的制度。高炉的低硅冶炼首先是高炉自身炼铁节能的要求。如果高炉炉料中SiO₂的含量高，会导致高炉炼铁成本大幅上升。主要表现为：高炉炼铁的吨铁焦比上升；烧结料碱性CaO熔剂添加量要增加；高炉炼铁的吨铁渣量上升；铁水中硅含量上升。其次是后续转炉炼钢对铁水硅含量的要求。目前转炉炼钢一般不允许入炉铁水硅含量超过0.3wt％。而且少渣炼钢和无渣炼钢对铁水的硅含量提出了更高的要求。以此高炉-转炉的钢铁生产流程要求烧结矿中二氧化硅含量不能超过5wt％。因此，对于SiO₂含量大于10wt％的高硅铁矿，国内大部分钢铁企业的观点是“该类型高硅铁矿白送都不要”。基于以上原因，在有些钢铁企业中，该类高硅铁矿只有通过与其他铁精矿粉合理配矿后才可以在烧结上得到少量的应用，目前此类高硅铁矿的加入量约为烧结矿粉总量的10％左右。更大规模用于烧结-高炉炼铁的流程难于实现。如想要进一步去除该高硅铁矿中二氧化硅含量以满足高炉炼铁的要求，普通的选矿方法无法实现，需要采用复杂的选矿技术。目前对该类铁矿的提铁除硅的方法包括：钠化焙烧联合磁选(矿冶工程，35(2015):117-123)，分级细磨联合分级磁选(矿冶工程，31(2011):36-39)和多级磁选联合多级浮选(矿冶工程，32(2012):62-66)等。由于这些方法的流程长且复杂，使得选矿成本大幅上升；同时对于该类型的高硅铁矿，以上方法还存在以下的缺点：由于二氧化硅脉石矿物以极细小的粒度弥散镶嵌于铁矿物相中，必须对矿物磨至极细的粒度(小于20μm)才有可能使得二氧化硅脉石与铁矿粉相分离开从而获得较好的脱硅效果，因此铁损高。上述复杂选矿流程的缺陷使得在高炉炼铁中使用高硅铁矿在经济上很不合算。

除了高炉-转炉的钢铁生产流程外，非高炉炼铁技术近年来得到了快速的发展。其中转底炉直接还原联合电炉熔分工艺(即FASTMELT，由美国MIDREX公司和日本KOBE钢铁公司发明)已经商业化运行30多年(JOM，63(2001):36-43；JOM，65(2003):30-34)。与传统烧结-高炉炼铁流程相比，FASTMELT工艺对原料要求低，各种含铁原料和含碳原料都可以用于含碳球团的制备；并且转底炉直接还原生产条件灵活，通过调整含碳球团成分和控制还原条件，可以对金属化球团产品进行精确的化学成分和金属化率控制。

高炉炼铁中，如果烧结矿中SiO₂含量过高，由于高炉内SiO₂和C之间的反应(反应1)，就会使得高炉铁水中的硅含量无法控制在较低水平。由高炉内硅的行为可知，如果对铁水中C含量进行控制，就可以抑制硅由炉渣向铁水的迁移，从而可以有效地控制铁水中的硅含量。

(SiO₂)+2C＝2[Si]+2CO(g) (1)

目前FASMELT中转底炉直接还原主要采用煤基含碳球团，还原剂主要是煤粉或焦粉。由于煤粉或焦粉的气化性能较低，含碳球团中必须过量配碳(碳氧摩尔比大于1.0)并且在较高的还原温度(1200℃以上)才可以得到熔分阶段所需要的金属化率(大于80％)，因此金属化球团产品中的残碳含量较高，在随后的熔分阶段，涉及残碳的反应主要是反应(1-2)，因此，FASMELT工艺所得铁水的质量与高炉铁水的质量相差不大。显而易见，如果直接利用常规的FASTMELT工艺处理高硅铁矿，无法抑制硅从炉渣向铁水的迁移。

(FeO)+2C＝2Fe+2CO(g) (2)

熔分过程中，铁水中的Si和渣中的FeO也可以有以下反应(3)发生。

2(FeO)+[Si]＝[SiO₂]+2Fe (3)

但是，渣铁分离后，以上反应(3)为渣铁间的界面反应，该界面反应速率受到Si在铁液和FeO在渣中扩散速率的限制，尤其在铁水中硅含量降低到0.15wt％后，铁水预处理的脱硅难度很大。必须延长熔分时间或采用强化措施(如搅拌)。其次渣中的FeO对耐火材料有较大的侵蚀作用，延长熔分时间意味着熔分炉炉衬寿命极大缩短。

另外，金属化球团中较多的残碳存在，可以导致熔分过程中剧烈的碳氧反应(反应(2))，同时由于渣中氧化亚铁的快速消耗，渣中的氧化亚铁含量很低，从而使得炉渣粘度升高，很容易形成泡沫渣。因此熔分过程中渣铁混杂严重，无法实现渣铁的快速分离。需要添加额外的助熔剂进行化渣(如氧化镁)，这些措施使得熔分过程的吨铁的渣量增加和工艺过程复杂化。

从本发明人的部分实验结果来看，采用煤基直接还原+高温熔分的FASTMELT工艺路线处理该类高硅铁矿，熔分金属化率为90％的金属化球团后最终所得的金属铁中的硅含量为0.5～1.5wt％，且所得铁样质量很差，其中含有较多的夹杂物和气孔。也就是说，采用煤基直接还原，金属化球团脉石中部分SiO₂在熔分过程中被还原进入铁水中。无法得到适合转炉炼钢所需的低硅铁水。

除煤粉和焦粉外，生物质炭也是一种含碳丰富的还原剂，因此也可以作为直接还原的还原剂。生物质炭也称生物炭、生物焦炭，是生物质在无氧或近无氧状态下高温(<700℃)热解炭化产生的一类稳定的富碳物质，大多为粉状颗粒。制备生物质炭的原料主要为农业活动中产生的作物和森林残茬、木材加工废料等。如秸秆炭、玉米芯炭、稻秆炭、竹炭、木炭等。中国是一个农业大国，生物质炭的原料来源十分广泛且价格低廉，加之其生产工艺相对简单，容易实现产业化生产(中国农业科学，46(2013)：3324-3333)。本发明也有助于我国庞大的农业废弃资源的有效利用。采用生物质炭制备含碳球团在CO₂/CO混合气氛中直接还原。与煤或者焦炭相比，部分生物质炭存在以下的优势：[1].CO₂条件下的气化反应(4)气化开始温度低；[2].在高温(大于800℃)下，对反应(4)，生物质炭比煤粉或焦粉有更好的气化性能。

C+CO₂(g)＝2CO(g) (4)

基于以上所述生物质炭的特点，本发明人提出使用生物质炭作直接还原还原剂，采用FASTMELT工艺处理高硅铁矿的工艺路线。具体为：首先采用合适的生物质炭制备的含碳球团；其次，在合适的还原条件下，通过转底炉直接还原获得极低残碳的金属化球团；最后，低残碳金属化球团通过高温渣铁分离直接获得低碳低硅钢水。在高温渣铁分离过程中，由于金属化球团的残碳含量低，因此可以抑制脉石相中SiO₂的还原，所得熔分产品为低硅低碳钢水。同时，金属化球团中少量残留的FeO可以在熔分阶段形成FeO-SiO₂-CaO的渣系，有效地降低渣的粘度，促进渣铁快速彻底分离并减少所得钢水中的夹杂物。有利于提高钢水的洁净度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效利用难处理高硅铁矿资源的方法即从高硅铁矿直接制备钢水的方法。本发明主要是针对铁品位大于55wt％且SiO₂含量大于10wt％的高硅铁矿。本发明拟采用廉价生物质炭制备含碳球团+CO₂/CO混合气氛直接还原+高温渣铁分离的技术路线。本发明中，生物质炭气化性能的提高是采用合适的制备条件，含生物质炭球团在转底炉直接还原后可获得低残碳的金属化球团，低残碳的金属化球团再通过高温渣铁分离后直接获得低碳低硅钢水。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种从高硅铁矿直接制备钢水的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、生物质炭的制备，将废弃生物质在300-500℃条件下隔绝空气热解制成生物质炭，所得生物质炭经过球磨成细粒状木炭粉；

步骤二、矿料破碎，将高硅铁矿制备成矿粉；

步骤三、球团制备，将矿粉，生物质炭粉和CaO按照预设的比例充分混合，添加一定比例的有机粘结剂和水后制成球团；

步骤四、球团干燥，将制得的球团充分干燥；

步骤五、直接还原，按照转底炉直接还原工艺，将干燥后的球团在CO和CO₂混合还原气氛下进行还原；

步骤六、高温熔分，高温渣铁分离，直接得到钢水。

进一步的，所述步骤一中，所制备的生物质炭粉的固定碳含量大于60wt％，挥发分含量大于30wt％，灰分含量小于5wt％，细粒状生物质炭粉的粒度小于80μm，在1000℃和CO₂分压大于0.5atm的条件下，粒度小于80μm的该炭粉在10分钟内完全气化。

进一步的，所述步骤二中，所述高硅铁矿的全铁含量大于55wt％，二氧化硅含量大于10wt％；所述矿粉粒度小于80μm。

进一步的，所述步骤三中，矿粉和生物质木炭粉进行混合时，生物质炭粉中固定碳与矿粉中铁氧化物中的氧的摩尔比(m_C/m_O)的范围为0.70-0.80。

进一步的，所述步骤三中，添加CaO后所述球团中的CaO重量百分比和SiO₂的重量百分比之比(CaO wt％/SiO₂wt％)为1.0-2.0。

进一步的，所述步骤三中，制球过程中所用的有机粘结剂量不超过2％，所用水含量不超过10％。

进一步的，所述步骤四中，干燥温度为200-300℃，干燥时间为2-3h。

进一步的，所述步骤五中，还原温度为1100-1200℃，还原时间为15-20min；还原气氛中CO和CO₂的分压比P_CO2/P_CO为1.0。经还原后所获得的金属球团中，金属化率为80％以上，残碳含量低于1.0wt％。

进一步的，所述步骤六中，高温熔分的熔分温度1550-1600℃，熔分时间5-10min，气氛为N₂或惰性气体。所得钢水质量达到或超过转炉炼钢出钢标准。

本发明的有益效果是：

[1].生物质木炭来源为来源广泛的农业生物质废弃物，其热解条件容易控制。有生物质容易制备高气化性的生物质炭。

[2].由于生物质炭的灰分含量低，高温熔分过程吨铁渣量少。同时灰分所带入的有害元素(硫和磷)含量极少。

[3].直接还原设备为转底炉，熔分设备为电弧炉，本发明所需生产设备均为钢铁行业中成熟的大型化生产设备，生产周期短，效率高。

[4].生物质炭制备的含碳球团存在还原过程中存在易粉化和强度低的问题，在本发明中，由于采用欠配碳工艺(C/O摩尔比为0.7-0.8以及添加适量的CaO，在还原过程中和还原后，含碳球团的粉化得到抑制，球团还原过程中可以保持足够的强度。

[5].熔分过程中，金属化球团中残留的适量氧化亚铁可以有效降低熔分渣的粘度，不再需要额外的化渣剂就可以实现渣铁理想的分离效果。所得铁水夹杂物含量少。

[6].熔分所得的高质量钢水有利于大幅度减少后续精炼的步骤和降低能耗。所得钢水亦有利于制造高附加值钢铁产品。

[7].本发明同时也适用于一般铁矿石的直接炼钢，快速高效地处理了铁矿物。避免了传统烧结-高炉-转炉的炼铁炼钢流程。

附图说明

图1为本发明利用生物质炭实现高硅铁矿直接炼钢的工艺流程图；

图2为实施例一中所制备的生物质炭粉气化性能(气化条件：生物质炭粉最大粒度小于80μm，在1000℃下充分脱除挥发分和水分，气化气氛为P_CO/P_CO2＝1.0)；

图3中：(a)为本发明中实施例一中直接还原所得样品微观结构照片金属化球团中矿粉的矿粉的微观形貌；(b)为(a)中区域A的微观结构；(c)为(b)中点1的EDS能谱；(d)为(b)中点2的EDS能谱；

图4中：(a)为本发明中实施例一中金属化球团高温熔分后所得典型金属样的微观微观形貌；(b)为(a)中区域B的微观结构；(c)为(b)中点1的EDS能谱；

图5为实施例五所用煤粉气化性能(气化条件：煤粉最大粒度小于80μm，在1000℃下充分脱除挥发分和水分，气化气氛为P_CO/P_CO2＝1.0)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-5及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，一种从高硅铁矿直接制备钢水的方法，所述方法利用生物质炭作为含碳球团还原剂，具体包括以下步骤：

步骤一、生物质炭的制备：废弃生物质在300-500℃条件下隔绝空气热解制成生物质炭，所得生物质炭经过球磨成细粒状木炭粉。

本步骤中所得的生物质木炭中固定碳含量大于60wt％，挥发分含量大于30wt％，灰分小于5wt％；经过破碎和球磨后，细粒状生物质炭粉的粒度小于80μm。在1000℃和CO₂分压大于0.5atm，该生物质炭粉可以在10min内完全气化。

步骤二、矿料破碎：取高硅铁矿为原料，所述高硅铁矿的全铁含量大于55wt％，二氧化硅含量大于10wt％，用破碎机和球磨机将其破碎成细粒状矿粉，矿粉粒度小于80μm。

步骤三、球团制备：将矿粉和生物质炭粉按照一定的比例混合，再添加一定比例的CaO，混匀后的物料添加一定比例的有机粘结剂和水制成直径为10mm的球团，其中，制球粘结剂采用有机粘结剂，制球过程中所用的有机粘结剂量不超过2％，所用水含量不超过10％。

本步骤中，矿粉和炭粉进行混合时，炭粉中固定碳与矿粉中铁氧化物(主要为Fe₂O₃)中的氧的摩尔比(m_C/m_O)约等于0.70，属于欠配碳范围，例如，将该摩尔比的范围限定在0.70-0.80之间。CaO的添加量符合以下条件：在制备的球团中CaO的重量百分比和矿粉中SiO₂的重量百分比之比(CaOwt％/SiO₂wt％)为1.0-2.0。

步骤四、球团干燥：为了保证球团的干燥程度，可以将球团在自然干燥24小时后，进一步在200-300℃条件下干燥2-3小时，达到充分干燥。

步骤五、直接还原：制备好的含碳球团在一定的还原条件下还原。

本步骤中，所指还原条件中还原温度为1100-1200℃，还原时间为15-20min，通入CO和CO₂混合气，还原气氛保持P_CO2/P_CO等于或近似等于1.0。在直接还原过程中，生物质炭同时参与前述反应(4)和以下反应(5)。

3C+Fe₂O₃＝2Fe+3CO(g) (5)

其中，在直接还原前期，生物质炭粉主要用于矿粉中铁氧化物的直接还原而不断减少(反应(5))；在还原后期，随着球团中铁的金属化率提高，铁氧化物对生物质炭的消耗已经很少，炭粉主要被周围气氛中的CO₂进一步消耗而减少(反应(4))。还原后期生物质炭的气化不断消耗的同时也阻止了球团中金属铁的再氧化，如反应(6)所示。在直接还原后期矿粉金属化率会小部分降低但也进一步降低球团中的残碳。在还原末期，金属化球团中的炭粉几乎全部消耗。

Fe+CO₂(g)＝FeO+CO(g) (6)

步骤六、高温熔分：将上述还原好的球团，在高温炉中熔分实现渣铁分离。

本步骤中，高温熔分的熔分条件为熔分温度1550-1600℃，熔分时间5-10min，气氛为N₂或惰性气体，以实现渣铁快速分离。高温熔分直接得到热态钢水，其中，热态钢水的硅含量小于0.05wt％，碳含量小于0.05wt％，金属铁回收率大于80％。热态钢水的质量已经达到转炉炼钢出钢时钢水的质量，通过脱氧后，可以直接进入精炼炼钢工序。

以下结合具体实施例对本发明的方法进行详细描述，本发明实施例所用高硅铁矿粉的化学成分如表1所示。

表1高硅铁矿化学成分(wt％)

实施例一

[1].生物质炭制备：废弃的枣木料在400℃热解碳化，制备成生物质炭。所得生物质炭的工业分析结果如表2所示。所得生物质炭的气化性能如图2所示。所制备的生物质炭经过球磨，其粒度小于80μm。

表2.实施例一所用生物质炭的工业分析结果(wt％)

[2].矿料破碎：取上述高硅铁矿500g，初步破碎并经充分球磨后，其粒度达到小于80μm。

[3].球团制备：上述铁矿粉和炭粉以及一定量的CaO混匀。其中生物质炭用量为122g，即其量满足含碳球团中C/O的摩尔比为0.8。其中CaO加入量满足CaOwt％/SiO₂wt％＝2.0。混匀后的物料制成直径为10.0mm的球团。制球粘结剂采用2.0％的废纸浆。

[4].球团干燥：球团自然干燥24h后，进一步在300℃干燥2h。

[5].直接还原：在以下条件还原：采用管式炉，还原温度为1200℃，还原时间为15min，通入CO/CO₂混合气1L/min且混合气中P_CO2/P_CO＝1.0。以模拟炉内气氛为P_CO2/P_CO＝1.0。经还原后所获得的金属球团的金属化率为88％，金属化球团残碳含量为0.90wt％。所得金属化球团的微观形貌如图3(a)所示，还原后矿粉的微观结构如图3(b)所示。由图3(b)中EDS能谱分析(图3(c-d))可以看出，小颗粒的石英仍然镶嵌于金属铁中。

[6].渣铁分离：将还原好的球团，在硅钼棒高温箱式炉中熔分。熔分温度为1550℃，熔分时间分别为5min和10min，实现渣铁分离。

熔分时间为5min时所得金属样杂质元素含量为[％C]:0.02wt％，[％Si]:0.02wt％，[％Mn]:<0.01wt％，[％S]:0.02wt％，[％P]:<0.01wt％，[％O]:0.178wt％，[％N]:0.045wt％；金属回收率90％。可见，所得铁样的碳、硅、锰、硫和磷的含量均已经达到了转炉出钢的标准。所得金属样的微观形貌如图4(a)所示，金属样中夹杂物的微观结构如图4(b)所示。由图4(b)的EDS能谱分析(图4(c))可以看出，所得金属样中夹杂物较少且粒度很小。这表示所得金属样具有很好的洁净度。

熔分时间为10min时所得金属样杂质元素含量为[％C]:0.036wt％，[％Si]:0.03wt％，[Mn]:<0.01wt％，[％S]：0.02wt％，[％P]:<0.01wt％，[％O]:0.168wt％，[％N]:0.049wt％；金属回收率89％。可见，所得铁样的碳、硅、锰、硫和磷的含量均已经达到了转炉出钢的标准。

实施例二

[1].生物质炭制备：同实施例一。

[3].球团制备：上述铁矿粉和炭粉以及一定量的CaO混匀。其中生物质炭用量为122g，即其量满足含碳球团中C/O的摩尔比为0.8。其中CaO加入量满足CaOwt％/SiO₂wt％＝1.0。混匀后的物料制成直径为10.0mm的球团。制球粘结剂采用2.0％的废纸浆。

[4].球团干燥：球团自然干燥24h后，进一步在300℃干燥2h。

[5].直接还原：在以下条件还原：采用管式炉，还原温度为1100℃，还原时间为20min，通入CO/CO₂混合气1L/min且混合气中P_CO2/P_CO＝1.0。以模拟炉内气氛为P_CO2/P_CO＝1.0。经还原后所获得的金属球团的金属化率为84％，金属化球团残碳含量为0.33wt％。

熔分时间为5min时所得金属样各元素含量为[％C]:0.046wt％，[％Si]:0.02wt％，[％Mn]:<0.01wt％，[％S]:0.03wt％,[％P]:<0.01wt％，[％O]:0.252wt％，[％N]:0.039wt％；金属回收率84％。可见，所得铁样的碳、硅、锰、硫和磷的含量均已经达到了转炉出钢的标准。

熔分时间为10min时所得金属样各元素含量为[％C]:0.016wt％，[％Si]:0.04wt％，[％Mn]：<0.01wt％，[％S]:0.02wt％,[％P]:<0.01wt％，[％O]:0.137wt％，[％N]:0.055wt％。金属回收率83％。可见，所得铁样的碳、硅、锰、硫和磷的含量均已经达到了转炉出钢的标准。

实施例三

[1].生物质炭制备：同实施例一。

[3].球团制备：上述铁矿粉和炭粉以及一定量的CaO混匀。其中生物质炭用量为107g，即其量满足含碳球团中C/O的摩尔比为0.7。其中CaO加入量满足CaOwt％/SiO₂wt％＝2.0。混匀后的物料制成直径为10.0mm的球团。制球粘结剂采用2.0％的废纸浆。

[4].球团自然干燥24h后，进一步在300℃干燥2h。

[5].直接还原：在以下条件还原：采用管式炉，还原温度为1200℃，还原时间为15min，通入CO/CO₂混合气1L/min且混合气中P_CO2/P_CO＝1.0。以模拟炉内气氛为P_CO2/P_CO＝1.0。经还原后所获得的金属球团的金属化率为84％，金属化球团残碳含量为0.28wt％。

[6].渣铁分离：将还原好的球团，在硅钼棒高温箱式炉中熔分。熔分温度为1550℃，熔分时间为10min，实现渣铁分离。

所得金属样各元素含量为[％C]:0.026wt％，[％Si]:0.02wt％，[％Mn]:<0.01wt％，[％S]:0.03wt％,[％P]:<0.01wt％，[％O]:0.193wt％，[％N]:0.056wt％；金属回收率81％。可见，所得铁样的碳、硅、锰、硫和磷的含量均已经达到了转炉出钢的标准。

实施例四

[1].生物质炭制备：同实施例1。

[3].球团制备：上述铁矿粉和炭粉以及一定量的CaO混匀。其中生物质炭用量为107g，即其量满足含碳球团中C/O的摩尔比为0.7。其中CaO加入量满足CaOwt％/SiO₂wt％＝1.0。混匀后的物料制成直径为10.0mm的球团。制球粘结剂采用2.0％的废纸浆。

[4].球团自然干燥24h后，进一步在300℃干燥2h。

[5].直接还原：在以下条件还原：采用管式炉，还原温度为1100℃，还原时间为20min，通入CO/CO₂混合气1L/min且混合气中P_CO2/P_CO＝1.0。以模拟炉内气氛为P_CO2/P_CO＝1.0。经还原后所获得的金属球团的金属化率为82％，金属化球团残碳含量为0.10wt％。

所得得金属样各元素含量为[％C]:0.018wt％，[％Si]:0.02wt％，[％Mn]:<0.01wt％，[％S]:0.01wt％,[％P]:<0.01wt％，[％O]:0.164wt％，[％N]:0.037wt％；金属回收率80％。可见，所得铁样的碳、硅、锰、硫和磷的含量均已经达到了转炉出钢的标准。

对比实施例五

[1].还原剂采用煤粉，其成分如下表。煤粉经过球磨，其粒度小于80μm；其气化性能如图5所示。

表5.实施例五中煤粉的成分(wt％)

[2].含碳球团制备中满足C/O＝1.0，即取煤粉120g；直接还原所用温度为1200℃，直接还原时间为20min。

[3].其余步骤同实施例一。所得金属化球团的残碳含量为2.8wt％，金属化率为93％。

熔分所得金属样各元素含量为[％C]:1.05wt％，[％Si]:0.55wt％，[％S]:0.11wt％；金属回收率97％。金属铁样质量低于转炉出钢钢水的标准，铁水中[％Si]超出高炉铁水的标准。

对比实施例六

[1].所用生物质炭与实施例一相同；

[2].含碳球团制备中满足C/O＝0.9，即取生物质炭粉137g。

[3].其余步骤同实施例一。还原所得金属化球团的金属化率为91％，其中残碳含量为1.17wt％。

熔分所得金属样各元素含量为[％C]:0.13wt％，[％Si]:0.17wt％，[％S]:0.02wt％；金属回收率94％。金属铁样质量低于转炉出钢钢水的标准，高于高炉铁水的标准。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种从高硅铁矿直接制备钢水的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、生物质炭的制备，将废弃生物质在300-500℃条件下隔绝空气热解制成生物质炭，所得生物质炭经过球磨成细粒状炭粉；

步骤二、矿料破碎，将高硅铁矿制备成矿粉；

步骤四、球团干燥，将制得的球团充分干燥；

步骤六、高温熔分，高温渣铁分离，直接得到钢水

其中，所述步骤一中，所制备的生物质炭粉的固定碳含量大于60wt％，挥发分含量大于30wt％，灰分含量小于5wt％；细粒状生物质炭粉的粒度小于80μm；在1000℃和CO₂分压大于0.5atm的条件下，粒度小于80μm的该炭粉在10分钟内完全气化；

其中，所述步骤二中，所述高硅铁矿的全铁含量大于55wt％，二氧化硅大于10wt％；所述矿粉粒度小于80μm₂；

所述步骤五中，还原温度为1100-1200℃，还原时间为15-20min，气氛中CO和CO₂的分压比P_CO2/P_CO为1.0，所得金属化球团的金属化率为82-88％，残碳含量小于1.0wt％。

2.根据权利要求1所述高硅铁矿直接制备钢水的方法，其特征在于：所述步骤三中，矿粉和生物质炭粉进行混合时，生物质炭粉中固定碳与矿粉中铁氧化物中的氧的摩尔比(m_C/m_O)的范围为0.70-0.80。

3.根据权利要求1所述高硅铁矿直接制备钢水的方法，其特征在于：所述步骤三中，添加CaO后所述球团中的CaO重量百分比和SiO₂的重量百分比之比(CaOwt％/SiO₂wt％)为1.0-2.0。

4.根据权利要求1所述高硅铁矿直接制备钢水的方法，其特征在于：所述步骤三中，制球过程中所用的有机粘结剂量不超过2％，所用水含量不超过10％。

5.根据权利要求1所述高硅铁矿直接制备钢水的方法，其特征在于：所述步骤四中，所制备球团的干燥温度为200-300℃，干燥时间为2-3h。

6.根据权利要求1所述高硅铁矿直接制备钢水的方法，其特征在于：所述步骤六中，高温熔分的熔分温度为1550-1600℃，熔分时间为5-10min，所用气氛为N₂或惰性气体，所得钢水质量达到或超过转炉炼钢出钢标准。