专利名称：一种铁矿石直接熔融还原炼铁设备及炼钢工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁的生产工艺，尤其涉及一种用铁矿石直接熔融还原炼铁的生产工艺 方法和装置，属钢铁冶金技术领域。
背景技术：
为解决日益匮乏的焦煤资源问题和环保问题，冶金领域的科学家们在不断探讨 各种不用焦碳的炼铁或炼钢方法，如Itmk3 “第三代炼铁法”日本神户制钢与美国米德 兰(Midrex)公司联合开发球团烧结设备直接还原新工艺(Fastmet)，以天然气为还原剂 的MIDREX、HYL法以及煤为还原剂的回转窑法、竖炉法等。熔融还原主要是用非焦煤生 产铁水-转炉炼钢流程工艺方法，主要有AUSIRON、HI SMELT, DIOS、ROMELT, CCF、AISI、 CLEANMELT、COREX, FINEX等，大多数熔融还原工艺还处于研发阶段，COREX炼铁工艺建 成了 6-7条生产线，在浦项、南非、印度等一些厂已经运行了十年以上，尤其是南非的 C0REX-2000，浦项的FINEXC0REX，中国宝钢引进的C0REX-3000。HISMELT工艺已经开发成 熟，在澳大利亚昆纳纳建设了一座80万吨的工厂，目前正在试运行，SRV融熔还原炉矿粉需 用强力喷枪才能喷入熔池、存在投资大、传热效率低等问题。中国专利申请02116882. 2公开了一种煤-铁矿微波还原-电炉直接炼钢方法及 设备，这种方法生产效率低，难以规模化生产；中国专利申请8610M94公开了褐煤预还原 矿石直接炼钢轧材，是将矿石先制成海棉铁，再由电炉炼钢，再轧成钢材，能源利用效率和 生产效率低；中国专利申请200610040303. 1公开了用感应炉直接炼钢的方法，能耗高、生 产效率低；中国专利申请200610040696. 6公开了用铁矿粉与无烟煤粉的混合料块利用转 炉直接炼钢方法和中国专利申请200610040838. 9公开了用氧化铁皮与无烟煤粉的混合料 利用电炉直接炼钢方法以及中国专利申请87101210公开了一种铁矿石直接炼钢的方法是 指由铁精矿、非焦煤和溶剂做成的未经任何还原的冷固结球团，加到现代工业炼钢炉中炼 钢的方法，这些方法的铁矿石还原效率低，能耗高，生产效率低；中国专利申请92113519. X公开了用矿石直接炼钢的方法及设备，是先将矿石用还原气体还原成海棉铁，然后将高 温海绵铁在与外界大气隔离的情况下送入熔化室内熔化，再加入造渣剂去除有害元素的方 法，能耗高，生产效率低，未见到产业化的报道。中国专利申请86106417高炉连续炼钢与制钢生产的连续化，提出改进高炉用纯 氧和加压气化煤气作燃料和还原剂直接炼成钢的方法，未见到产业化的报道。中国专利申 请87104957. 0槽式炉连续炼钢工艺及设备，设前炉、槽式炉和后炉的一种连续炼钢工艺， 所用原料仍然是高炉铁水，效率低，成本高。中国专利申请20081(^38696. 6 一种含铁物料 连续炼钢工艺方法及装置，提出了把煤粉和氧气喷入到熔渣的中下部的钢渣界面上，把转 底炉预还原70-97% (金属化率)900°C 1000°C的预还原金属化球团在渣中熔融和还原的 工艺方法和装置，该工艺方法实现了把高温预还原球团热量高效利用、煤粉和氧气在熔渣 中燃烧具有较高的热效率的目的，但是在600-1200mm的厚熔渣中既要保持渣的高氧化性 获得高热量熔融球团，还原保持渣的高还原性还原铁氧化物，熔融渣还要具备较好的流动性提供反应的动力学条件是一对难以协调的科学矛盾，同时转底炉热损失高达20%，影响 了全系统的热效率，生产规模小，存在只能用于预还原球团，若用于氧化球团则煤耗和成本 将大幅度提高并切无法实现熔融还原等技术不足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种铁矿石直接熔融还原炼铁设备。本发明的另一目的是提供一种铁矿石直接熔融还原炼铁的工艺方法。本发明提出的铁矿石直接熔融还原炼铁的工艺方法和装置，直接生产出C含量 4. 2 4. 5%、磷含量< 0. 015%、硫含量< 0. 050%、硅含量< 0. 05%、锰含量< 0. 05%的 合格铁水，提供一种全新的高质量炼铁工艺。本发明提出一种全新铁矿石直接熔融还原炼铁工艺方法，即三级复合喷吹、四区 熔融还原技术。熔炼炉内首先形成厚渣和铁水熔池，对熔炼炉实施三级复合喷吹，一级高 压煤枪喷吹区把优质煤粉(固定碳含量77%以上，硫尽量低)或焦粉高压喷入铁水熔池中 和渣铁界面上，在熔池渣铁界面上形成过饱碳铁水并有高温碳颗粒的第一区熔池界面终还 原区；喷入铁水熔池和渣铁界面的煤或焦粉，还原FeO产生的CO和高温碳颗粒向上运动， 直到碳氧枪喷吹区0. 8m-l. Om区域熔渣中形成有大量CO和高温碳颗粒的第二区熔渣还原 区；二级碳氧枪喷吹区向熔渣中部离渣铁界面1. 0-1. an处同时喷入煤粉和氧气，煤粉氧气 燃烧产生的热量全部被中氧化度00-55% )的高温熔渣(1650-1750°C )吸收，形成第三 区中氧化度熔渣加热区；三级氧枪喷吹区向熔渣上部离渣铁界面1.7-1. 8m处喷入氧气，熔 渣中由下部的高压煤枪和碳氧枪产生的CO和剩余高温碳颗粒上升至此被氧燃烧，产生的 高热量全部被高氧化度(75-100% )的高温熔渣(1400-1600°C )吸收，形成第四区高氧化 度熔融加热区；第四区高氧化度加热熔融区的顶部由于不断加入的铁矿石块或球团(预热 到1000-1200°C )的熔融吸热，使第四区上半区主要是铁矿石加热熔融区，其温度有所降低 (1400-1500°C )；下半区主要是高氧化度熔渣加热区(1500-160(TC )。即自上而下形成氧 化度逐渐降低、由强氧化到强还原的熔融和还原四个厚渣区，其氧化度曲线如图2所示。比重1. 8-2. 2的10-50mm铁矿石块，经预热到1000-1200°C，利用高温串罐加料设 备加入到熔炼炉熔渣第四区上半区铁矿石快速加热熔融区，铁矿石进入并飘浮在最上部的 厚熔渣(比重为2. 5-2. 7)中并被快速加热、熔化成液态铁氧化物(1400-150(TC )，液态铁氧 化物(比重为4. 5)下落穿过氧枪喷吹区高氧化度高温加热区被快速升温(1500-160(TC )， 穿过碳氧枪喷吹的第三区中氧化度熔渣加热区继续升温(1600-1750°C )，穿过第二区熔渣 还原区被逐步还原，还原吸收了大量热量使温度逐步降低(1500-160(TC )，进入第一区熔 池界面终还原区被终还原，生产出合格铁水(1450-1470°C )，铁水由“乙形”溢铁口直接供 连续炼钢氧化炉。铁矿石熔融还原温度曲线如图2所示。厚熔渣的比重也由上而下、由2. 5-5. 6逐步增大。厚熔渣上部由于铁矿石熔融吸 热和下部还原反应吸热，厚熔渣的温度形成上、下两端温度低，中间及中上部温度高的分布 规律，如图2所示。名词解释三级复合喷吹是指高压煤枪、碳氧枪和氧枪分别从厚熔渣不同的高度、把煤粉或 煤氧或氧气同时喷入铁水熔池、厚熔渣中部和上部，自下而上形成了四个加热熔融还原区。
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四区熔融还原是指熔炼炉内自上而下形成4个区氧化度逐渐降低、由强氧化到 强还原的加热熔融和还原区，即过饱和并溶解有高温碳颗粒的第一区熔池界面终还原区 (A)、在铁水和熔渣界面及以上0. 8m-l. Om熔渣中形成CO气体和高温碳颗粒的第二区熔 渣还原区(B)、氧化度为40% 55%的第三区中氧化度熔渣加热区(C)、氧化度为75% 100%的第四区高氧化度加热熔融区(D)。本发明提供一种铁矿石直接熔融还原炼铁装置，包括熔炼炉(5)、高温料加入系 统、出渣口(9)、出钢口(10)和三级复合喷吹系统组成；熔炼炉(5)上部炉顶与高温料加入 系统和煤气出口 (4)相连，熔炼炉侧壁安装有出渣口 (9)、“乙型”出铁口(10)、放铁口(11)、 连续炼钢氧化炉(12)和三级复合喷吹系统；优选的，高温加料系统依次包括串罐式布料器(6)、上料车(7)、轨道⑶；上料车 (7)运行在轨道⑶上；其中串罐式布料器(6)与熔炼炉(5)的炉顶相连。优选的，三级复台喷吹系统，自下而上依次包括高压喷煤枪(1)、碳氧枪( 和氧 枪⑶。优选的，所述高压喷煤枪(1)心部管道是优质煤粉或焦粉、外部管道是水冷管、最 外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。优选的，高压喷煤枪(1)由出渣口(9)以上的炉壁插 入熔渣中的铁渣界面，是可更换的，根据炉子的大小和冶炼需要，本专业技术人员可选择安 装2到16支枪，布置在炉壁周围合适的位置。优选的，高压喷煤枪与渣浴炉侧壁成α角， α角为15 45度夹角。优选的，铁矿石块(5-50mm)可直接用于本工艺，小于5mm的铁矿粉、氧化铁皮、高 炉除尘灰、转炉除尘灰、电炉除尘灰、烧结除尘灰等等含铁物料均可生产成球团，再经改造 后的带式焙烧机、或链篦机回转窑、或竖炉等设备预热到1000-1200°C，然后加入熔炼炉。优选的，所述碳氧枪(2)的心部管道是氧气、中部管道是煤粉、外部管道是水冷 管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用；或者是氧气管道与煤粉管道并列、外部管道是 水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。碳氧枪( 可通过控制碳氧比，控制中氧 化度熔渣区的氧化度05-55%)。优选的，碳氧枪O)由出渣口(9)以上的炉壁插入熔渣 中离渣铁界面1.0-1. an处，是可更换的，根据炉子的大小和冶炼需要，本专业技术人员可 选择安装2到16支枪，布置在炉壁周围合适的位置。优选的，碳氧枪与渣浴炉侧壁成β角， β角为20 50度夹角。优选的，所述的氧枪C3)心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材 料，可插入熔渣中使用。优选的氧枪(3)由出渣口(9)以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面 1. 7-1. 8m处，是可更换的，根据炉子的大小和冶炼需要，本专业技术人员可选择安装2到16 支枪，布置在炉壁周围合适的位置。优选的，氧枪与渣浴炉侧壁成Y角，Y角为40 70度夹角。优选的，熔炼炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉 子；优选的，熔渣上部空间的圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的3-5倍；在熔炼炉的底部设 有放铁口(11)，供大修时使用。优选的，熔渣区的圆台形是上大下小的圆台型，上表面的圆 周直径是下表面圆周直径的1. 5 3倍。优选的，熔炼炉(5)外壳以及“乙型”出铁口(10)的外壳均采用水冷炉壁结构，使 炉子寿命可达到20年以上。
优选的，连续炼钢氧化炉(12)包括连续炼钢氧化炉炉体(124)、熔剂串罐式布料 器(121)、顶吹氧枪(122)、底吹氧透气砖(125)和氧化炉煤气出口(123)；连续炼钢氧化炉 炉体(124)通过“乙型”出铁口与熔炼炉(5)相连、熔剂串罐式布料器(121)把造渣熔剂加 入到连续炼钢氧化炉，顶吹氧枪(122)，底吹氧透气砖(125)，氧化炉煤气出口(123)与熔炼 炉煤气出口(4)相连保持连续炼钢氧化炉(12)与熔炼炉(5)压力一致。本发明提供一种铁矿石直接熔融还原炼铁工艺，包括如下步骤1)熔炼炉内首先形成0. 8 1. Om深的铁水熔池，铁水熔池上面形成1. 9 2. Om 厚熔渣；2)三级复合喷吹、四区熔融还原技术—级喷吹高压煤枪喷吹区把优质煤粉或焦粉高压喷入铁水熔池中和渣铁界面 上，在熔池渣铁界面上形成过饱碳铁水并有高温碳颗粒(1450 1500°C )的第一区熔池界 面终还原区(A)；喷入铁水熔池和渣铁界面的煤或焦粉，还原FeO产生的CO和高温碳颗粒 向上运动，直到碳氧枪喷吹区0. 8m-l. Om区域熔渣中形成有大量CO和高温碳颗粒的第二区 熔渣还原区(B)，该区CO和高温碳颗粒的向上动力和液态铁氧化物(比重4. 5)的向下动力 为还原反应提供了充分的动力学条件；二级喷吹碳氧枪向熔渣中部距渣铁界面1. 0 1. 2m处同时喷入煤粉和氧气，煤 粉氧气燃烧产尘的热量全部被1650 1750°C的高温熔渣吸收，快速加热比重4. 5快速下行 的液态的铁氧化物，形成第三区中氧化度熔渣加热区(C)，氧化度40-55% ；三级喷吹氧枪向熔渣上部距渣铁界面1. 7 1. 8m处喷入氧气，氧气燃烧熔渣中 的CO和高温碳颗粒，产生的热量被熔渣吸收，产生氧化度为75-100%的高温熔渣(温度为 1400-1600°C )，为铁矿石的快速熔融和液态铁氧化物快速加热升温提供足够的热量和传热 动力，形成第四区高氧化度加热熔融区(D)；熔渣顶部即第四区高氧化度加热熔融区的顶部，由于不断加入的1000 1200°C 的铁矿石块或球团的熔融吸热，使第四区分为上下两部分，即上半区(Dl)主要是在高氧化 度熔渣下铁矿石加热熔融区，大量C02及CO、N2上升的动力充分搅动熔渣和铁矿石，形成 传热和化学反应的充分地理学条件，由于铁矿石熔融大量吸热使该区温度为1400-1550°C， 熔融的铁矿石在低温和高氧化度的熔渣中能快速氧化脱磷，所以该工艺其有较强的脱磷能 力；下半区(拟)主要是高氧化度熔渣加热区(M50-1600°C)，对熔融的铁矿石形成的液态 铁氧化物快速加热。3) 10-50mm、比重为1. 8 2. 2的铁矿石块，经预热到1000-1200°C，利用高温串罐 加料设备加入到熔炼炉第四区顶部，铁矿石进入并飘浮在最上部的比重为2. 5 2. 7的厚 熔渣中，被快速加热熔化成1400 1500°C的液态铁氧化物，比重为4. 5的液态铁氧化物下 落穿过氧枪喷吹区的第四区高氧化度加热熔融区被快速升温至1500-1600°C，穿过碳氧枪 喷吹区的第三区中氧化度熔渣加热区继续升温至1650-1750°C，穿过第二区熔渣还原区被 逐步还原，由于还原吸热反应使温度逐步降低至1500-160(TC，进入第一区熔池界面终还原 区被终还原，生产出1450 1470°C的合格铁水，铁水由“乙形”溢铁口供连续炼钢氧化炉。 当熔炼炉的厚渣达到3. 0-3. 5m厚时，停止加料3分钟后开始出渣，渣到达1. 9 2. Om厚时， 停止出渣，继续下一个周期的冶炼；4)在步骤幻进行的同时向熔炼炉加入熔剂造渣，对铁水脱硫、脱磷，渣碱度控制在1. 1 1. 3范围内；使铁水中的硫、磷控制在S < 0. 050%，P < 0. 015%。步骤1)所述的厚熔渣，是指熔炼炉中铁渣界面以上厚2-3. 5米的熔渣。步骤2、所述的优质煤粉是指固定碳含量77%以上、硫磷尽量低的煤粉。优选的，熔炼炉产尘的高温煤气经旋风除尘后，其中的10-30%经煤气改质炉后生 成700-80(TC的优质改质煤气，用于轧钢加热炉燃料、或带式焙烧机、或链篦机回转窑的燃 料；其中的60-80%用于预热铁矿石块或球团到600-1200°C，剩余的煤气用来发电等。所述煤气改质炉是把熔炼炉的高温煤气(1450-150(TC )通过煤气改质炉中焦炭 或煤(直径3-20mm)组成的改质剂，利用高温煤气的热量使煤气中的CO2与碳反应转化成 CO、水蒸汽与C反应生成吐和⑶，然后生成600-800°C的优质煤气。所述的渣碱度，生产现场多采用二元碱度计算法，即CaO/SiA的比值。所述的氧化度，是由下述公式计算所得含量百分比。D= (l-Fe2+/3TFe-Fe7 TFe) X 100%式中D——氧化度，Fe2+——含量需由渣中FeO含量折算，Fe0——表示金属铁 含量，TFe——渣中全铁含量。优选的，步骤2)所述高压喷煤枪是用氮气做为载体，用0. 5-1. 2MPa的压力把优质 煤粉或焦粉高压喷入铁水熔池中。优选的，优质煤粉或焦粉的喷入量为350-460公斤/吨铁。步骤i)所述碳氧枪的心部管道是氧气、外部管道是煤粉，或者是氧气管道与煤粉 管道并列。碳氧枪可通过控制碳氧比，使喷入渣中的碳完全燃烧，并富余5-20%的氧，控制 高温熔渣的氧化度00-55% )。步骤2)高温熔渣的氧化度为75-100%。优选的，步骤3)所述连续炼钢氧化炉是一个有底部连续吹氧、顶部强吹氧、加入 造渣剂脱硫磷、炉气与熔炼炉相通并保持与熔炼炉内压力平衡的炉子，并对铁水进行脱硫、 脱磷、脱碳、提高温度。其主要作用是使熔炼炉的铁水通过“乙形”溢铁口连续不断地流入 到连续炼钢氧化炉，保持熔炼炉的铁水始终处于一个相对波动很小的高度，保持熔炼炉冶 炼的稳定性。优选的，步骤4)所述熔剂为生石灰、白云石、萤石等中的一种或几种，熔剂经高温 加料系统按吨铁水90-120公斤加入渣浴炉内。本发明的优势体现在(1)不用焦炭，用矿石块预热后或氧化球团等直接炼铁，生产效率高，可与竖炉、链 篦机回转窑等高效设备相连接，实现大规模生产，综合能耗低，生产成本低，节能减排效果
显者ο(2)实现了把600 1200°C预热的铁矿石、或高温氧化球团等等直接加入熔炼 炉，余热利用效率高，这一点优于现有的高炉-转炉流程、COREX熔融还原炼铁-转炉流程， Hismelt-转炉流程，同时也优于一些专利提出连续炼钢或一步炼钢方法。(3)本发明炼铁设备简单，与长流程炼铁比设备和基建投资节省50%以上，节约 土地2/3以上，物流得到充分简化，节能25%以上，减排约50%以上，易于实现尘产的连续 化和自动控制，炉子寿命可长达20年以上；3座500万吨规模的改造后的带式焙烧机或链 篦机回转窑对应6座(或3座)熔炼炉可实现年产1000万吨钢，是钢铁冶金的一个革命性 工艺变革。
图1是本发明的示意流程图。其中1 高压喷煤枪，2 碳氧枪，3 煤气氧枪，4 煤 气出口，5 熔炼炉，6 串罐式布料器，7 上料车，8 轨道，9 出S 口，10 “乙型”出铁口，11 放铁口，12 连续炼钢氧化炉，121 熔剂串罐式布料器，122 顶吹氧枪，123 氧化炉煤气出 口，124 连续炼钢出渣口，125 连续炼钢出钢口，126 底吹氧透气砖。图2是本发明熔融还原直接炼铁原理示意图。其中1 高压喷煤枪，2 碳氧枪，3 煤气氧枪，21 铁矿石块，22 氧化球团，23 :C0，24 =CO2, 25 液态铁氧化物，26 氧气，27 煤 粉二8 铁液滴，29 熔渣熔池温度分布曲线，30 氧化度分布曲线，31 熔渣比重分布曲线。 H(m)为铁水或熔渣高度，单位为米。A 熔池界面终还原区，B:熔渣还原区，C:中氧化度熔 渣加热区，D 高氧化度加热熔融区，Dl 上半区铁矿石加热熔融区，D2下半区高氧化度熔渣 加热区。
具体实施例方式以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明并不局限于此。实施例1 原料；铁矿块，优质煤粉(硫磷尽量低，固定碳含量在77%以上)；预热设备竖 炉。本发明的铁矿石直接熔融还原炼铁设备，包括竖炉，高压喷煤枪1，碳氧枪2，煤 气氧枪3，煤气出口 4，熔炼炉5，串罐式布料器6，上料车7，轨道8，出渣口 9，“乙型”出铁口 10，放铁口 11和连续炼钢氧化炉12。如图1所示。串罐式布料器6、上料车7、轨道8依次相连；上料车7运行在轨道8上，组成加料 系统；串罐式市料器6与熔炼炉5的炉顶相连。高压喷煤枪1、碳氧枪2和氧枪3自下而上依次排列。高压喷煤枪1心部管道是优质煤粉或焦粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材 料，可插入熔渣中使用。高压喷煤枪1由出渣口 9以上的炉壁插入熔渣中的铁渣界面，是可 更换的，安装3支枪，布置在炉壁周围合适的位置。高压喷煤枪与渣浴炉侧壁成α角，α角 为30度夹角。碳氧枪2的心部管道是氧气、中部管道是煤粉、外部管道是水冷管、最外层是 耐火材料，可插入熔渣中使用；碳氧枪2由出渣口 9以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面 1.0-1. an处，选择安装3支枪，布置在炉壁周围合适的位置。碳氧枪与渣浴炉侧壁成β角， β角为35度夹角。氧枪3心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使 用。氧枪3由出渣口 9以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.7-1. 8m处，安装4支枪，布置 在炉壁周围合适的位置。氧枪与渣浴炉侧壁成Y角，Y角为50度夹角。熔炼炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子；熔渣 上部空间的圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的3倍；在熔炼炉的底部设有放铁口 11，供大 修时使用。熔渣区的圆台形是上大下小的圆台型，上表面的圆周直径是下表面圆周直径的 2倍。
熔炼炉5外壳以及“乙型”出铁口 10的外壳均采用水冷炉壁结构。连续炼钢氧化炉12包括连续炼钢氧化炉炉体124、熔剂串罐式布料器121、顶吹 氧枪122、底吹氧透气砖125和氧化炉煤气出口 123 ；连续炼钢氧化炉炉体IM通过“乙型” 出铁口与熔炼炉5相连、熔剂串罐式布料器121把造渣熔剂加入到连续炼钢氧化炉，顶吹氧 枪122，底吹氧透气砖125，氧化炉煤气出口 123与熔炼炉煤气出口 4相连保持连续炼钢氧 化炉12与熔炼炉5压力一致。熔炼炉5内首先行成1. Om深的铁水熔池，铁水熔池上面形成2. Om厚渣；高压喷煤枪1把优质煤粉高压喷入铁水熔池中，形成过饱和铁水并有高温碳颗粒 的熔池界面终还原区(A)；喷入铁水和渣铁界面的煤或焦粉，还原FeO产生的CO和高温碳 颗粒向上运动，直到碳氧枪喷吹区0. 8m区域熔渣中形成有大量CO和高温碳颗粒的第二区 熔渣还原区(B)；碳氧枪2向熔渣中部离渣铁界面1.0处同时喷入煤粉和氧气，煤粉氧气 燃烧产生的热量全部被中氧化度00-55% )的高温熔渣(1650-1750°C )吸收，形成第三 区中氧化度熔渣加热区(C)；煤气氧枪3向熔渣上部离渣铁界面1.7m处喷入氧气，熔渣中 由下部的高压煤枪和碳氧枪产生的CO和剩余高温碳颗粒上升至此被氧燃烧，产生的高热 量全部被高氧化度(75-100% )的高温熔渣(1400-1600°C )吸收，形成第四区高氧化度 熔融加热区(D)；第四区高氧化度加热熔融区的顶部由于不断加入的铁矿石块或球团(预 热到1000-120(TC )的熔融吸热，使第四区上半区主要是铁矿石加热熔融区(Dl)，由于矿 石熔融吸热使其温度有所降低(1400-150(TC)；下半区主要是高氧化度熔渣加热区(D2) (1500-1600°C )。竖炉把铁矿石块(5-50mm、比重1. 8-2. 2)，由竖炉预热到1000°C，通过上料车7和 高温串罐式布料器6加入到熔炼炉5中熔渣第四区上半区铁矿石快速加热熔融区，铁矿 石进入并飘浮在最上部的厚熔渣(比重为2. 5-2. 7)中并被快速加热、熔化成液态铁氧化 物(1400-150(TC )，液态铁氧化物(比重为4. 5)下落穿过氧枪喷吹区高氧化度高温加热 区被快速升温(1500-1600°C )，穿过碳氧枪喷吹的第三区中氧化度熔渣加热区继续升温 (1600-1750°C)，穿过第二区熔渣还原区被逐步还原，还原吸收了大量热量使温度逐步降低 (1500-1600°C )，进入第一区熔池界面终还原区被终还原，生产出合格铁水(1450-1470°C， C 4. 3%, Mn :0. 05%, P < 0. 015%, S < 0. 050%, Si < 0. 02% )。铁水由“乙型”出铁口 10连续出铁到连续炼钢氧化炉12，熔剂串罐式布料器121把造渣熔剂加入到连续炼钢氧 化炉，底吹氧透气砖125和顶吹氧枪122连续吹入氧气对铁水进行脱硫、脱磷、脱碳、提高温 度，炼出台格钢。当熔炼炉的厚渣达到3. 0-3. 5m厚时，停止加料3分钟后开始出渣，渣到达1. 9 2. Om厚时，停止出渣，继续下一个周期的冶炼。铁矿石块加入的同时按吨铁100公斤向熔炼炉加入熔剂造渣，对铁水脱硫、脱磷， 渣碱度控制在1. 1 1. 3范围内。实施例2 原料铁矿粉生产成球团，焦粉和优质煤粉(硫磷尽量低，固定碳含量在77%以 上)，预热设备链篦机回转窑；本发明的直接熔融还原炼铁设备，包括球团制球设备、改造后的链篦机回转窑， 熔炼炉。制球设备把铁矿粉制成球团，链篦机回转窑利用熔炼炉煤气把氧化球团加热到1200°C的高温加入到熔炼炉。高压喷煤枪1把焦粉高压喷入铁水熔池中，形成过饱和铁水 并有高温碳颗粒的熔池界面终还原区，其他同实施例1。高压喷煤枪1安装6支枪，布置在炉壁周围合适的位置。高压喷煤枪与渣浴炉侧 壁成α角，α角为45度夹角。碳氧枪2是氧气管道与煤粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可 插入熔渣中使用。碳氧枪2安装6支枪，碳氧枪与渣浴炉侧壁成β角，β角为20度夹角。氧枪3心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使 用。氧枪3出出渣口 9以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.8m处，安装9支枪，布置在炉 壁周围合适的位置。氧枪与渣浴炉侧壁成Y角，Y角为40度夹角。熔炼炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子；熔渣 上部空间的圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的5倍；在熔炼炉的底部设有放铁口 11，供大 修时使用。熔渣区的圆台形是上大下小的圆台型，上表面的圆周直径是下表面圆周直径的 2. 5 倍。实施例3 原料铁矿粉50%，含铁冶金粉尘50%，优质煤粉(硫磷尽量低，固定碳含量在 77%以上)，预热设备改造后的带式焙烧机；本发明的直接熔融还原炼铁设备，包括球团制球设备、改造后的带式焙烧机，熔 炼炉。高压喷煤枪1安装9支枪，布置在炉壁周围合适的位置。高压喷煤枪与渣浴炉侧 壁成α角，α角为15度夹角。碳氧枪2是氧气管道与煤粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可 插入熔渣中使用。碳氧枪2安装9支枪，碳氧枪与渣浴炉侧壁成β角，β角为50度夹角。氧枪3心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使 用。氧枪3由出渣口 9以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.8m处，安装12支枪，布置在炉 壁周围合适的位置。氧枪与渣浴炉侧壁成Y角，Y角为70度夹角。熔炼炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子；熔渣 上部空间的圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的4倍；在熔炼炉的底部设有放铁口 11，供大 修时使用。熔渣区的圆台形是上大下小的圆台型，上表面的圆周直径是下表面圆周直径的 3倍。含铁冶金粉尘氧化铁皮、高炉除尘灰、转炉除尘灰、电炉除尘灰、烧结球团除尘灰 等中的一种或几种的混合粉。制球设备把铁矿粉50%和含铁冶金粉尘50%生产出球团，改造后的带式焙烧机 利用熔炼炉煤气把氧化球团加热到1200°C的高温加入到熔炼炉。其他同实施例1。
权利要求
1.一种铁矿石直接熔融还原炼铁装置，包括熔炼炉(5)、高温料加入系统、出渣口(9)、 出钢口(10)和三级复合喷吹系统组成；熔炼炉(5)上部炉顶与高温料加入系统和煤气出口 ⑷相连，熔炼炉侧壁安装有出渣口(9)、“乙型”出铁口(10)、放铁口(11)、连续炼钢氧化炉 (12)和三级复合喷吹系统。
2.如权利要求1所述的铁矿石直接熔融还原炼铁装置，其特征在于，高温加料系统依 次包括串罐式布料器(6)、上料车(7)、轨道(8)；上料车(7)运行在轨道(8)上；其中串罐 式布料器(6)与熔炼炉(5)的炉顶相连；三级复合喷吹系统，自下而上依次包括高压喷煤枪 (1)、碳氧枪(2)和氧枪(3)。
3.如权利要求1所述的铁矿石直接熔融还原炼铁装置，其特征在于，所述高压喷煤枪 (1)心部管道是优质煤粉或焦粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料。优选的，高压喷煤 枪由出渣口(9)以上的炉壁插入熔渣中的铁渣界面，高压喷煤枪与渣浴炉侧壁成α角，α 角为25 45度夹角。
4.如权利要求1所述的铁矿石直接熔融还原炼铁装置，其特征在于，所述碳氧枪(2) 的心部管道是氧气、中部管道是煤粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料；或者是氧气 管道与煤粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料。优选的，碳氧枪由出渣口 (9)以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.0-1. an处，碳氧枪与渣浴炉侧壁成β角，β角为 25 55度夹角。
5.如权利要求1所述的铁矿石直接熔融还原炼铁装置，其特征在于，所述的氧枪(3)心 部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料。优选的，氧枪由出渣口(9)以上的 炉壁插入熔渣中离渣铁界面1. 7-1. 8m处，氧枪与渣浴炉侧壁成γ角，Y角为35 70度夹角。
6.如权利要求1所述的铁矿石直接熔融还原炼铁装置，其特征在于，熔炼炉(5)熔池区 是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子，熔渣上部空间圆柱形体积是熔渣 区圆台形体积的3-5倍；熔炼炉(5)外壳以及“乙型”出铁口(10)的外壳均采用水冷炉壁 结构。
7.如权利要求1所述的铁矿石直接熔融还原炼铁装置，其特征在于，连续炼钢氧化炉 (12)包括连续炼钢氧化炉炉体(IM)、熔剂串罐式布料器(121)、顶吹氧枪(122)、氧化炉 煤气出口(123)、连续炼钢出渣口(IM)，连续炼钢出钢口(125)，底吹氧透气砖(1 )；连续 炼钢氧化炉(12)通过“乙型”出铁口与熔炼炉(5)相连、熔剂串罐式布料器(121)把造渣 熔剂加入到连续炼钢氧化炉，顶吹氧枪(122)和底吹氧透气砖(126)对连续炼钢氧化炉实 施吹氧，氧化炉煤气出口(123)与熔炼炉煤气出口(4)相连保持连续炼钢氧化炉(12)与熔 炼炉(5)压力一致。
8.一种铁矿石直接熔融还原炼铁工艺，包括如下步骤1)熔炼炉内首先形成0.8 1. Om深的铁水熔池，铁水熔池上面形成1. 9 2. Om厚熔渣；2)三级复合喷吹、四区熔融还原技术一级喷吹高压煤枪喷吹区把煤粉或焦粉高压喷入铁水熔池中和渣铁界面上，在熔池 渣铁界面上形成过饱碳铁水并有高温碳颗粒的第一区熔池界面终还原区；喷入铁水熔池和 渣铁界面的煤或焦粉，还原FeO产生的CO和高温碳颗粒(1450 1500°C )向上运动，直到碳氧枪喷吹区0. 8m-l. Om区域熔渣中形成有大量CO和高温碳颗粒的第二区熔渣还原区；二级喷吹碳氧枪向熔渣中部距渣铁界面1. 0 1. an处同时喷入煤粉和氧气，煤粉氧 气燃烧产生的热量全部被1650 1750°C的高温熔渣吸收，快速加热比重4. 5快速下行的液 态的铁氧化物，形成第三层中氧化度熔渣加热区，氧化度40-55% ；三级喷吹氧枪向熔渣上部距渣铁界面1.7 1.8m处喷入氧气，氧气燃烧熔渣中的 CO和高温碳颗粒，产生的热量被熔渣吸收，产生氧化度为75-100 %的高温熔渣(温度为 1400-1600°C )，形成第四层高氧化度加热熔融区；熔渣顶部即第四区高氧化度加热熔融区的顶部，由于不断加入的1000 1200°C的 铁矿石块或球团的熔融吸热，使第四区分为上下两部分，即上半区是在高氧化度熔渣下 铁矿石加热熔融区，大量C02及CO、N2上升的动力充分搅动熔渣和铁矿石，形成传热和 化学反应的充分地理学条件，由于铁矿石熔融大量吸热使该区温度为1400-1550°C，熔融 的铁矿石在低温和高氧化度的熔渣中能快速氧化脱磷，；下半部是高氧化度熔渣加热区 (1550-1600°C )，对熔融的铁矿石形成的液态铁氧化物快速加热；3)10-50mm、比重为1. 8 2. 2的铁矿石块，经预热到1000-1200°C，利用高温串罐加料 设备加入到熔炼炉第四区顶部，铁矿石进入并飘浮在最上部的比重为2. 5 2. 7的厚熔渣 中，被快速加热熔化成1400 1500°C的液态铁氧化物，比重为4. 5的液态铁氧化物下落穿 过氧枪喷吹区的第四区高氧化度加热熔融区被快速升温至1500-1600°C，穿过碳氧枪喷吹 区的第三区中氧化度熔渣加热区继续升温至1650-1750°C，穿过第二区熔渣还原区被逐步 还原，由于还原吸热反应使温度逐步降低至1500-160(TC，进入第一区熔池界面终还原区被 终还原，生产出1450 1470°C的合格铁水，铁水由“乙形”溢铁口供连续炼钢氧化炉。当熔 炼炉的厚渣达到3. 0-3. 5m厚时，停止加料3分钟后开始出渣，渣到达1. 9 2. Om厚时，停 止出渣，继续下一个周期的冶炼；4)在步骤幻进行的同时向熔炼炉加入熔剂造渣，对铁水脱硫、脱磷，渣碱度控制在 1. 1 1. 3范围内；使铁水中的硫、磷控制在S < 0. 050%，P < 0. 015%。
9.如权利要求8所述的铁矿石直接熔融还原炼铁工艺，其特征在于，步骤2、所述高压喷煤枪是用氮气做为载体，用0. 5-1. 2MPa的压力把优质煤粉或焦粉 高压喷入铁水熔池中。优选的，优质煤粉或焦粉的喷入量为350-460公斤/吨铁。
10.如权利要求8所述的铁矿石直接熔融还原炼铁工艺，其特征在于，步骤4)所述熔剂 为生石灰、白云石、萤石等中的一种或几种，熔剂经高温加料系统按吨铁水90-120公斤加 入渣浴炉内。
全文摘要
本发明涉及一种铁矿石直接熔融还原炼铁工艺和装置，熔炼炉内形成厚渣层的铁渣熔池后，三级复合喷吹、四区熔融还原技术实现了用铁矿石直接炼铁。高压喷煤枪把优质煤粉或焦粉喷入铁水熔池中、碳氧枪向熔渣中部喷入煤粉和氧气、氧枪向熔渣上部喷入氧气，分别形成一区熔池还原区、二区还原区、三区中氧化度熔渣熔融区、四区高氧化度高温熔融区；铁矿石块预热到600-1200℃加入到厚熔渣中被快速熔化成液态铁氧化物，铁氧化物液滴下落穿过三到一区被升温和快速还原，生产出合格铁水。本发明的生产率高，热效率高，炉子寿命长，流程短，易于生产的连续化和自动控制，节省设备和基建投资，节约土地，节能减排。
文档编号C21B13/14GK102127610SQ20101025651
公开日2011年7月20日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者董亚飞 申请人:董亚飞