权利要求
1.一种具有包覆结构的烧结矿的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
步骤(1)：对块矿进行高温预热处理后对其进行破碎筛分，并选用粒度为5-8mm的块矿颗粒;
步骤(2)：将含铁原料、含CaO的熔剂、燃料和水混合均匀得到外层混料;
步骤(3)：S31将块矿颗粒投入圆盘造球机后向块矿颗粒表面喷洒雾化水直至块矿颗粒表面湿润;S32向块矿颗粒表面喷洒CaO;S33将外层混料加入圆盘造球机中并持续喷洒雾化水进行造球，造球结束后进行筛分得到尺寸为15-50mm的生球混合料;
步骤(4)：将生球混合料输送到烧结机后进行点燃并在喷吹富氢气体的条件下进行烧结，得到高温烧结矿;
步骤(5)：采用氢气为冷却剂对高温烧结矿进行冷却，并在冷却过程中实现对高温烧结矿的预还原，得到具有包覆结构的烧结矿。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高温预热处理的温度为400-600℃。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述含铁原料包括铁精矿、高炉炉尘、轧钢皮和钢渣中的一种或者几种的组合;
和/或所述含CaO的熔剂包括白云石和生石灰中的一种或者两种的组合;
和/或所述燃料包括焦粉和无烟煤中的一种或者两种的组合。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，以含铁原料的总重量为100%计，含CaO的熔剂、燃料和水的用量分别为4.5-10%、4-5%和1.5-4.5%。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，S31中，圆盘造球机的转速为12-15r/min，倾角为45-50o，时间控制为8-10min，雾化水的喷洒量为3.0±0.5%;
和/或S32中，圆盘造球机的转速为10-12r/min，倾角为40-45o，时间控制为5-8min，雾化水的喷洒量为0.5±0.1%;
和/或S33中，圆盘造球机的转速为8-10r/min，倾角为35-40o，时间控制为12-15min，雾化水的喷洒量为5.0±0.5%。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中，CaO的总用量根据现场用碱度需求可调，但需满足如下式(1)所示的关系：
R=(m1x1+m2x2+y)/(m1z1+m2z2) 式(1);
式(1)中，R为现场用碱度;m1为块矿质量，单位为kg;m2为含铁原料质量，单位为kg;x1为块矿中CaO含量，单位为wt%;x2为含铁原料中CaO含量，单位为wt%;y为步骤(2)和步骤(3)中，CaO的总用量，单位为kg;z1为块矿中SiO2含量，单位为wt%;z2为含铁原料中SiO2含量，单位为wt%。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，以步骤(2)和步骤(3)中CaO的总重量为100%计，步骤(2)和步骤(3)中CaO的用量分别为80±2%和20±2%。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：依次对步骤(4)中烧结得到的烟气进行加压和除尘，利用除尘后的烟气对步骤(1)中的块矿进行高温预热处理。
9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述冷却为冷却至60-100℃。
10.一种具有包覆结构的烧结矿，其由权利要求1-9任一项所述的具有包覆结构的烧结矿的制备方法制得。
11.一种用于制备权利要求10所述具有包覆结构的烧结矿的系统，其特征在于，所述系统包括：块矿仓、块矿预热器、破碎筛分装置、混料仓、圆盘造球机、雾化喷淋装置、CaO喷洒机、烧结机、喷吹罩、氢气储罐、点火装置及富氢冷却环冷机;
所述块矿仓用于盛装块矿，所述块矿预热器用于对块矿进行高温预热处理，所述破碎筛分装置用于对高温预热处理后的块矿进行破碎筛分;
所述混料仓用于将含铁原料、含CaO的熔剂、燃料和水混合均匀得到外层混料;
所述圆盘造球机用于对破碎筛分后得到的块矿颗粒和外层混料进行造球，所述雾化喷淋装置和CaO喷洒机分别用于向所述圆盘造球机内喷洒雾化水和CaO;
所述烧结机用于对生球混合料进行烧结，所述喷吹罩用于向所述烧结机内喷吹富氢气体，所述点火装置用于对所述烧结机内的生球混合料进行点火;
所述富氢冷却环冷机用于对高温烧结矿进行冷却和预还原同时对氢气进行预热，所述氢气储罐通过管路与富氢冷却环冷机的气体入口连通。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统还包括加压机和烟气除尘装置，所述烧结机的烟道通过管路依次经由加压机和烟气除尘装置与所述块矿预热器的气体入口连通。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述富氢冷却环冷机的气体出口通过管路与所述喷吹罩连通。
14.根据权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述富氢冷却环冷机的高温烧结矿入口和氢气入口分别位于所述富氢冷却环冷机的上部和下部。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及一种具有包覆结构的烧结矿及其制备方法和系统，属于钢铁冶炼技术领域。
背景技术
[0002]目前，碳减排与低碳生产已成为社会发展的重要议题。钢铁行业以煤基能源为主的产业结构特征导致其碳排放强度居高不下。炼铁工艺以高炉-转炉长流程为主，主流的高炉-转炉长流程炼铁工艺中，高炉系统贡献了全流程70%以上的能耗与污染排放，成为二氧化碳排放的关键节点。
[0003]现阶段，钢铁工业炉料结构为烧结矿+球团矿+块矿，其中主要以烧结矿为主，许多钢铁企业烧结矿比例超过了70%，但烧结工艺普遍存在工序能耗高、烟气和污染物排放量大等问题，在整个钢铁生产流程中，烧结工序能耗仅次于炼铁工序，一般约占总能耗的10%左右。此外，烧结的污染负荷居钢铁工业之首，烟气中排放SOx、NOx、颗粒物等多种污染物，大量的污染物排放对环境保护以及污染治理带来极大挑战。因此，烧结是钢铁工业碳减排和污染控制的关键工序，是钢铁行业实现绿色低碳发展的核心环节。
[0004]块矿是从矿山开采出来后，经过简单的破碎、筛分等初级处理就可直接使用的原料，与烧结相比，具有无需复杂加工工序，投资成本低等优势。但由于块矿含有大量结晶分子水，在进入高炉后，随着炉内温度升高以及物料的摩擦、挤压等情况的发生，其易碎裂从而影响高炉内料柱的透气性。粒度不均匀，差异较大的块矿入炉，会导致炉内料层的透气性分布不均，影响煤气的均匀分布和热传递，不利于高炉内的还原反应稳定进行。综上所述，块矿虽有自身优势，但由于存在诸多限制因素，在炼铁炉料结构中所占比例相对较低。
[0005]CN114369714A公开了一种块矿预处理方法及处理系统，其中，所述块矿预处理方法包括:1)将待处理的块矿输送至块矿储料仓，向块矿储料仓内通入热介质：2)待处理的块矿在块矿储料仓内经过干燥处理，得到干燥的块矿。该现有技术针对天然块矿存在水分大的难题，提出了直接采用块矿储料仓对其进行干燥的预处理方法。具体而言，块矿在块矿仓中进行干燥预处理，脱除块矿的水分。不过，该方法只是通过取出结晶水这一单一的方法降低块矿入炉的爆裂现象，无法从根本上消除块矿爆的裂问题，且入炉后冶金性能较差，影响高炉冶炼。
[0006]CN117210627A公开了一种提高高炉块矿比例的冶炼方法，其包括以下步骤：S1、原料准备，将块矿干燥预热后，再与烧结矿、球团矿、焦炭、焦丁一起混合成矿石原料，由
皮带输送机运输至高炉顶部;S2、高炉装料，通过旋转布料溜槽将焦炭和矿石原料交替布入高炉内，形成矿石层和焦炭层的交替层状结构。该方法采用块矿预热和调整布料制度的方式提高高炉块矿比例，虽然可将高炉块矿比例提高至15-17%，但无法大比例提升块矿比，且无法规避块矿本身冶金性能较差而造成的透气性差的问题。
[0007]因此，针对上述现有炼铁工艺过程中块矿利用比例较低的技术难题，研究开发并提供一种具有包覆结构的烧结矿及其制备方法和系统，以使烧结矿兼具高强度和透气性，并提高块矿利用比例以及避免块矿碎裂从而提高其冶金性能已经成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
[0008]为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种具有包覆结构的烧结矿及其制备方法和系统。本发明可使烧结矿兼具高强度和透气性，并提高块矿利用比例以及可避免块矿碎裂而导致的冶炼问题，从而可提高其冶金性能，适用于高炉冶炼、直接还原铁或者熔融还原铁等工艺流程。
[0009]为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种具有包覆结构的烧结矿的制备方法，其中，所述制备方法包括：
[0010]步骤(1)核心层原料预处理：对块矿进行高温预热处理后对其进行破碎筛分，并选用粒度为5-8mm的块矿颗粒作为核心层原料;
[0011]步骤(2)配制外层混料：将含铁原料、含CaO的熔剂、燃料和水混合均匀得到外层混料;
[0012]步骤(3)包覆结构构建：S31将块矿颗粒投入圆盘造球机后向块矿颗粒表面喷洒雾化水直至块矿颗粒表面湿润;S32向块矿颗粒表面喷洒CaO，用作块矿颗粒和外层混料的粘结剂;S33将外层混料加入圆盘造球机中并持续喷洒雾化水进行造球，造球过程中，外层混料包裹作为内核/核心层的块矿颗粒并不断滚动增大，最后获得较大直径的生球，造球结束后进行筛分得到尺寸为15-50mm的生球混合料;
[0013]步骤(4)烧结固结：将生球混合料输送到烧结机后进行点燃并在喷吹富氢气体的条件下进行烧结，得到高温烧结矿;
[0014]步骤(5)氢基冷却：采用氢气为冷却剂对高温烧结矿进行冷却，并在冷却过程中实现对高温烧结矿的预还原，得到具有包覆结构的烧结矿。
[0015]作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(1)中，所述高温预热处理的温度为400-600℃。其中对块矿进行高温预热处理可以降低块矿中的结晶水含量，提升初始强度，从而初步降低块矿在冶炼过程中的碎裂率。
[0016]本发明以上所述制备方法中，可根据原燃料条件对外层混料进行合理调整。其中，含铁原料需要具有高含铁量、成分稳定且杂质少，含CaO的熔剂需要具有较高的有效CaO含量、杂质少且成分稳定以及燃料需要具有较高的固定碳含量、灰分低、挥发分低且含硫量低。
[0017]作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(2)中，所述含铁原料包括铁精矿、高炉炉尘、轧钢皮和钢渣等中的一种或者几种的组合;
[0018]和/或所述含CaO的熔剂包括白云石和生石灰等中的一种或者两种的组合;
[0019]和/或所述燃料包括焦粉和无烟煤等中的一种或者两种的组合。
[0020]作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(2)中，以含铁原料的总重量为100%计，含CaO的熔剂、燃料和水的用量分别为4.5-10%、4-5%和1.5-4.5%。其中，含CaO的熔剂的用量根据各企业的综合炉料的碱度情况在4.5-10%范围内进行调控。
[0021]本发明以上所述制备方法的步骤(2)中，混合均匀可通过搅拌来实现。本发明对搅拌的时间不做具体要求，可按需进行合理调整，只要保证可以实现混合均匀的目的即可。例如在本发明的一些具体实施例中，所述搅拌的时间可为0.5h。
[0022]作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，S31中，圆盘造球机的转速为12-15r/min，倾角为45-50o，时间控制为8-10min，雾化水的喷洒量为3.0±0.5%;
[0023]和/或S32中，圆盘造球机的转速为10-12r/min，倾角为40-45o，时间控制为5-8min，雾化水的喷洒量为0.5±0.1%;
[0024]和/或S33中，圆盘造球机的转速为8-10r/min，倾角为35-40o，时间控制为12-15min，雾化水的喷洒量为5.0±0.5%。
[0025]本发明以上所述制备方法的S31、S32和S33中，雾化水的喷洒量均是重量百分比，其计算基准分别是各步骤中物料的总重量。
[0026]作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(2)和步骤(3)中，CaO的总用量根据现场用碱度需求可调，但需满足如下式(1)所示的关系：
[0027]R=(m1x1+m2x2+y)/(m1z1+m2z2) 式(1);
[0028]式(1)中，R为现场用碱度，可根据现场实际情况进行确定;m1为块矿质量，单位为kg;m2为含铁原料质量，单位为kg;x1为块矿中CaO含量，单位为wt%;x2为含铁原料中CaO含量，单位为wt%;y为步骤(2)和步骤(3)中，CaO的总用量，单位为kg;z1为块矿中SiO2含量，单位为wt%;z2为含铁原料中SiO2含量，单位为wt%。其中，x1、x2、z1、z2均可以通过化学检测确定。另外，当所述含CaO的熔剂为白云石时，CaO的总用量是指白云石中所包含的CaO的量以及向块矿颗粒表面喷洒的CaO的量之和。
[0029]本发明以上所述制备方法中，CaO分别通过外层混料混配和向块矿颗粒表面喷洒两种方式添加。本发明首次将核壳结构与碱度梯度设计，即CaO的两种添加方式进行结合，通过界面扩散反应实现核壳冶金协同，突破传统烧结矿均质化局限。
[0030]作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，以步骤(2)和步骤(3)中CaO的总重量为100%计，步骤(2)和步骤(3)中CaO的用量分别为80±2%和20±2%。
[0031]本发明以上所述制备方法的步骤(4)中，由布料器将上步所得生球混合料沿烧结机运动方向均匀布置到烧结台车上，经点火器对台车上的料层表面进行点燃后开始烧结，烧结过程中通过喷吹罩向所述烧结机中喷吹富氢气体，以降低碳排放。优选地，所述富氢气体为经富氢冷却环冷机进行预热的氢气，预热后的氢气的温度保持在约900-1100℃，以提升烧结气体的温度，降低能耗。而且富氢冷却环冷机对高温烧结矿进行冷却时，铁氧化物还原过程中会生成一定量的水蒸汽，高温水蒸汽随预热后的氢气喷吹进入烧结料面，起到提高燃烧效率、减少污染物排放、降低能耗和改善烧结矿质量的作用。
[0032]烧结过程中，外层烧结矿层生成铁酸钙等低熔点液相，使外层颗粒之间形成牢固连接。块矿颗粒表面和外层矿粉间喷洒的CaO与内外两层间发生化学反应，生成低熔点液相，并聚集作为内外连接层，具体反应过程如式(2)-式(4)所示。其中，铁酸一钙(CaO·Fe2O3)的熔点为1216℃，铁酸二钙(CaO·2Fe2O3)的熔点为1226℃，在1155-1226℃这一温度区间内稳定。其新的固结机理为特定元素在内外界面形成新的低熔点相，低熔点相作为界面间的粘接相有利于提高新型烧结矿的强度。同时生成的高熔点CaSiO3等有利于提升新型烧结矿的高温软熔性能。
[0033]CaO+Fe2O3=CaO·Fe2O3 式(2);
[0034]CaO+2Fe2O3=CaO·2Fe2O3 式(3);
[0035]CaO+SiO2=CaSiO3 式(4)。
[0036]通过上述技术手段，本发明构建了具有“块矿内核+功能化粘结层+致密化外壳”的三元梯度结构的烧结矿，通过界面冶金反应形成铁酸钙-硅酸钙复合固结相，突破传统单一固结模式。
[0037]作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，所述制备方法还包括：依次对步骤(4)中烧结得到的烟气，即烧结机的烟道中的烟气进行加压和除尘，利用除尘后的烟气对步骤(1)中的块矿进行高温预热处理。
[0038]作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(5)中，所述冷却为由烧结温度(约为1200℃)冷却至60-100℃左右。
[0039]本发明以上所述制备方法中，从提高能量利用率的角度提出以氢气为冷却剂的新型冷却方式，其在能够降低温度的同时还能实现预还原。由于铁氧化物氢气还原过程是吸热的，因此在具体操作时可将高温烧结矿从上部通入密闭的富氢冷却环冷机中，将氢气从下部通入，与高温烧结矿逆向运动过程中，发生还原并降低温度，金属化率的提升有利于烧结矿强度提高并提升还原效率。通过该冷却方式提高烧结矿的预还原度，有利于降低后续炼铁能耗，金属化率每提升10%，焦比降低0.32%。以氢气为冷却剂的新型冷却方式的效果显著优于采用风冷形式的传统冷却方式。
[0040]本发明以上所述制备方法使用氢基冷却-预还原一体化工艺：耦合氢气还原吸热特性与余热回收需求，实现“温度精确控制-金属化率提升-显热回收”三重协同效应。
[0041]另一方面，本发明还提供了一种具有包覆结构的烧结矿，其由以上所述的具有包覆结构的烧结矿的制备方法制得。本发明通过外层含铁原料包裹块矿核心并经烧结得到具有包覆结构的烧结矿，该具有包覆结构的烧结矿兼具高强度和透气性，解决了块矿直接入炉碎裂导致的冶炼问题。
[0042]又一方面，本发明还提供了一种用于制备以上所述具有包覆结构的烧结矿的系统，其中，所述系统包括：块矿仓、块矿预热器、破碎筛分装置、混料仓、圆盘造球机、雾化喷淋装置、CaO喷洒机、烧结机、喷吹罩、氢气储罐、点火装置及富氢冷却环冷机;
[0043]所述块矿仓用于盛装块矿，所述块矿预热器用于对块矿进行高温预热处理，所述破碎筛分装置用于对高温预热处理后的块矿进行破碎筛分;
[0044]所述混料仓用于将含铁原料、含CaO的熔剂、燃料和水混合均匀得到外层混料;
[0045]所述圆盘造球机用于对破碎筛分后得到的块矿颗粒和外层混料进行造球，所述雾化喷淋装置和CaO喷洒机分别用于向所述圆盘造球机内喷洒雾化水和CaO;
[0046]所述烧结机用于对生球混合料进行烧结，所述喷吹罩用于向所述烧结机内喷吹富氢气体，所述点火装置用于对所述烧结机内的生球混合料进行点火;
[0047]所述富氢冷却环冷机用于对高温烧结矿进行冷却和预还原同时对氢气进行预热，所述氢气储罐通过管路与富氢冷却环冷机的气体入口连通。
[0048]作为本发明以上所述系统方法的一具体实施方式，其中，所述系统还包括加压机和烟气除尘装置，所述烧结机的烟道通过管路依次经由加压机和烟气除尘装置与所述块矿预热器的气体入口连通。
[0049]作为本发明以上所述系统方法的一具体实施方式，其中，所述富氢冷却环冷机的气体出口通过管路与所述喷吹罩连通。
[0050]作为本发明以上所述系统方法的一具体实施方式，其中，所述富氢冷却环冷机的高温烧结矿入口和氢气入口分别位于所述富氢冷却环冷机的上部和下部。
[0051]与现有技术相比，本发明所能达成的有益技术效果至少包括：
[0052]本发明提供的制备方法是一种可提高块矿量的具有包覆结构的新型烧结矿制备方法，其综合烧结矿和块矿的性能特点，将小粒度的块矿包裹在含铁原料内部，经过高温烧结后使其形成具有一定强度的烧结矿，有效解决了块矿直接入炉后容易碎裂的问题，大大降低了因块矿碎裂而导致的冶炼过程中炉内透气性降低的风险，还可提高烧结矿的透气性和软熔性能，保障了冶炼过程的顺利进行，有助于提高冶炼效率和产品质量。
[0053]本发明提供的制备方法采用氢基冷却的方式，与传统的风冷方式相比，该氢基冷却的方式不但能实现烧结矿的预还原，而且通过预还原过程化学反应的吸热，还能够大幅提高冷却效率。
[0054]本发明能够保证制备得到的核壳双层烧结矿质量稳定、性能可靠，且工艺具有较好的可操作性和适应性，可在现有冶金企业的生产设备基础上进行适当改造后实施，降低了企业的应用成本和技术改造难度。另外，本发明的制备方法的工艺兼容性强，可组合利用
低品位块矿与廉价含铁原料。
附图说明
[0055]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0056]图1为本发明实施例提供的具有包覆结构的烧结矿的制备方法的工艺流程图。
[0057]主要附图标号说明：
[0058]1-块矿仓;2-块矿预热器;3-破碎筛分装置;4-混料仓;5-圆盘造球机;6-雾化喷淋装置;7-CaO喷洒机;8-烧结机;9-烟道;11-氢气储罐;12-点火装置;13-喷吹罩;14-加压机;15-烟气除尘装置;16-富氢冷却环冷机;17-具有包覆结构的烧结矿;171-内核;172-过渡层;173-外壳。
具体实施方式
[0059]需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0060]本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式给出。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定的范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有以这种方式进行限定的范围是可组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是可以预料到的。此外，如果列出的最小范围值为1和2，列出的最大范围值为3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。
[0061]在本发明中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本发明中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。
[0062]在本发明中，如果没有特别的说明，本发明所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
[0063]在本发明中，如果没有特别的说明，本发明所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
[0064]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0065]实施例1
[0066]本实施例提供了一种具有包覆结构的烧结矿的制备方法，其工艺流程图如图1所述，从图1中可以看出，所述制备方法包括以下具体步骤：
[0067]步骤(1)核心层原料预处理：
[0068]首先将盛装在块矿仓1中的块矿通过块矿预热器2进行高温预热处理，以降低块矿中的结晶水，提升初始强度，降低块矿在冶炼过程中的碎裂率。其中，高温预热处理的温度设定为450℃，该高温预热处理可通过烧结机8的烟道9产生的烟气提供热量，具体操作步骤为使烧结机8的烟道9的尾部烟气经加压机14加压后，经过烟气除尘装置15除尘后通入块矿预热器2以对块矿进行高温预热处理。块矿预热器2采用多段变温预热(400℃→500℃→600℃梯度升温)，并结合烧结机8的烟道9的烟气余热回收技术，热利用效率≥85%。
[0069]将高温预热处理后的块矿送入破碎筛分装置3进行破碎筛分，选用粒度为5-8mm的天然块矿颗粒作为核心层。
[0070]步骤(2)配制外层混料：
[0071]将铁精矿粉、白云石、焦粉和水加入到混料仓4中，混合搅拌混料0.5h，得到外层混料，取出待用。其中，以铁精矿粉的总重量为100%计，白云石、焦粉和水的用量分别为5.2%、4%和2%。
[0072]步骤(3)包覆结构构建：
[0073]采用圆盘造球机5(具体为可变角度圆盘造球机)进行造球，造球过程分三步，即内核成型、过渡层构建和外壳包裹进行。
[0074]首先进行内核成型：将块矿颗粒投入圆盘造球机5，然后通过雾化喷淋装置6，向块矿颗粒的表面喷洒雾化水;
[0075]其次进行过渡层构建：待块矿颗粒的表面湿润后通过CaO喷洒机7向块矿颗粒的表面喷洒一层CaO，作为界面过渡层，喷洒CaO过程中同时喷洒雾化水。具体地采用气溶胶沉积技术在块矿颗粒的表面构建纳米级CaO活化层，目的是作为块矿颗粒和外层矿粉的连接剂。
[0076]最后进行外壳包裹，向圆盘造球机5中添加提前备好的外层混料，此时持续向表面喷洒雾化水，外层混料包裹作为内核的块矿颗粒并不断滚动增大，最后获得较大直径的生球。造球结束后，对生球进行人工筛分，得到尺寸为15-50mm的生球混合料并将其取出，即为合格生球。
[0077]不同结构造球参数如下表1所示。
[0078]表1
[0079]
[0080]特别地，整个造球过程中CaO分别通过外层矿粉混配和向块矿颗粒表面喷洒两种方式添加，两者添加配比分别为CaO总量的80%和20%。CaO总量根据实际冶炼碱度(R)需求可调，但需满足以下式(1)所示的关系：
[0081]R=(m1x1+m2x2+y)/(m1z1+m2z2) 式(1);
[0082]式(1)中，R为现场用碱度;m1为块矿质量，单位为kg;m2为铁精矿粉质量，单位为kg;x1为块矿中CaO含量，单位为wt%;x2为铁精矿粉中CaO含量，单位为wt%;y为步骤(2)和步骤(3)中，CaO的总用量，单位为kg;z1为块矿中SiO2含量，单位为wt%;z2为铁精矿粉中SiO2含量，单位为wt%。其中，x1、x2、z1和z2均可以通过化学检测确定。
[0083]本实施例中，对于每吨具有包覆结构的烧结矿成品，CaO的总用量为63kg。
[0084]步骤(4)烧结固结：
[0085]由布料器将上步得到的生球混合料沿烧结机8运动方向均匀布置到烧结台车上，经点火装置12对台车上的料层表面进行点燃后开始烧结。烧结过程中通过喷吹罩13向所述烧结机8中喷吹富氢气体，以降低碳排放。具体地，所述富氢气体为经富氢冷却环冷机16进行预热的氢气，预热后的氢气的温度保持在约950℃，以提升烧结气体的温度，降低能耗。而且富氢冷却环冷机13对高温烧结矿进行冷却时，铁氧化物还原过程中会生成一定量的水蒸汽，高温水蒸汽随预热后的氢气喷吹进入烧结料面，起到提高燃烧效率、减少污染物排放、降低能耗和改善烧结矿质量的作用。
[0086]烧结过程中，外层烧结矿层生成铁酸钙等低熔点液相，使外层颗粒之间形成牢固连接。块矿颗粒表面和外层矿粉间喷洒的CaO与内外两层间发生化学反应，生成低熔点液相，并聚集作为内外连接层，具体反应过程如式(2)-式(4)所示。其中，铁酸一钙(CaO·Fe2O3)的熔点为1216℃，铁酸二钙(CaO·2Fe2O3)的熔点为1226℃，在1155-1226℃这一温度区间内稳定。形成创新性的“界面反应-晶粒桥接”双重复合固结模式，新的固结机理为特定元素在内外界面形成新的低熔点相，低熔点相作为界面间的粘接相有利于提高新型烧结矿的强度。同时生成的高熔点CaSiO3等有利于提升新型烧结矿的高温软熔性能。铁酸钙液相生成(1150-1226℃)：形成CaO·Fe2O3(熔点1216℃)和CaO·2Fe2O3(熔点1226℃)共晶结构;液相填充率≥85%。硅酸钙晶须生长(1250-1280℃)：生成β-CaSiO3晶须(长径比≥50)，提升高温抗蠕变性能。
[0087]CaO+Fe2O3=CaO·Fe2O3 式(2);
[0088]CaO+2Fe2O3=CaO·2Fe2O3 式(3);
[0089]CaO+SiO2=CaSiO3 式(4)。
[0090]步骤(5)氢基冷却：
[0091]冷却阶段：使上步得到的高温烧结矿从烧结温度(约1200℃)降至85℃左右，传统的炉料冷却为风冷形式，本实施例从提高能量利用率的角度采用以氢气为冷却剂的新型冷却方式，降低温度的同时还能实现预还原。由于氢气对铁氧化物的还原是吸热的，将高温烧结矿从富氢冷却环冷机16的上部通入密闭的富氢冷却环冷机16中，将存储于氢气储罐11中的氢气从富氢冷却环冷机16的下部通入富氢冷却环冷机16中，与高温烧结矿逆向运动过程中，发生还原并降低温度，同时提升金属化率，金属化率的提升有利于烧结矿强度提高并提升还原效率。冷却后得到具有包覆结构的烧结矿17，其包括内核171，过渡层172以及外壳173，其中，内核171是由块矿颗粒形成的，过渡层172为粘结层，其包含铁酸钙-硅酸钙复合固结相以及外壳173为烧结矿层。通过该方法可以提高烧结矿的预还原度，有利于降低后续炼铁能耗，金属化率每提升10%，焦比降低0.32%。
[0092]对比例1
[0093]本对比例提供了一种将块矿用于高炉冶炼的方法，其包括：将开采后经简单破碎、筛分处理得到的天然块矿直接用于高炉冶炼。该方法的核心处理流程为破碎与筛分，以确保入炉块矿粒度均匀，而并未对块矿进行预热处理，也并未对块矿进行包覆处理。由于该方法未对块矿进行预热处理以及该块矿在炉内无外壳保护，因此块矿进入炉内后在高温条件下其会因水分快速蒸发和矿物分解而发生爆裂，产生粉末，并导致透气性恶化。
[0094]综上，相较于对比例1提供的传统方法，本发明实施例通过构建科学合理的核壳结构参数体系，并结合创新的碱度控制方法以及氢基冷却方法制备具有包覆结构的烧结矿，块矿粉末率降低≥65%(采用不同网目筛子过筛后统计筛下物重量占比)，熔融还原过程透气性指数≥58%(根据GBT 34211-2017 铁矿石 高温荷重还原软熔滴落性能测定方法测得)，金属化率≥35%(采用化学滴定法检测烧结矿单质铁和全铁含量，两者相除即为金属化率)，余热回收率≥92%(回收利用的热量除以烧结矿本身具有的热量)。通过本发明实施例提供的该方法还能提高烧结矿的预还原度，有利于降低后续炼铁能耗，可使焦比降低1.12%(常规行业生产经验，金属化率每提升10%，焦比降低0.32%)。最终所得具有包覆结构的烧结矿的抗压强度≥2000N(采用常规万能试验机进行抗压强度检测)。
[0095]对比例2
[0096]本对比例提供了一种具有包覆结构的烧结矿的制备方法，其与实施例1的区别仅在于：
[0097]步骤(3)中不向块矿颗粒的表面喷洒一层CaO。
[0098]由于步骤(4)烧结固结是在强氧化气氛中进行。相较于实施例1，对比例2步骤(3)中不向块矿颗粒的表面喷洒一层CaO，后续烧结固结过程中氧气会穿过外层铁精矿粉混合料层而直接与内核的块矿进行接触，发生燃烧反应，使得块矿被提前消耗，而且燃烧消耗块矿导致内核体积缩小，使得内外层间产生空隙，并最终导致所得成品烧结矿的抗压强度大大降低，并<1000N，不满足常规高炉实际生产过程中的最低要求。
[0099]对比例3
[0100]本对比例提供了一种具有包覆结构的烧结矿的制备方法，其与实施例1的区别仅在于：
[0101]步骤(5)中不进行氢基冷却，而仅采用常规空气冷却。
[0102]与实施例1相比，由于对比例3中采用的空气冷却在氧化气氛中进行，使得烧结矿的金属化率显著降低，并低至<5%，而烧结矿金属化率的降低会增加其入炉后的燃料消耗。
[0103]以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术发明之间、技术发明与技术发明之间均可以自由组合使用。
说明书附图(1)
声明：
“具有包覆结构的烧结矿及其制备方法和系统” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：中冶京诚工程技术有限公司
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