专利名称：铁矿石熔融还原的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁矿石的熔融还原方法及设备，具体地讲，涉及在吹氧转炉式容器中熔融铁矿石并还原的方法和设备。
为克服鼓风炉法生产铁需要昂贵的基建投资和大面积占地的缺点，最近发展的熔融还原法正代替鼓风炉法。
在现有的熔融还原法中，铁矿石先用废气预还原，然后将预还原后的铁矿石与含碳材料和助熔物一起装入还原炉。在还原炉中吹入氧气和搅拌气体。含碳材料溶解到事先装入的熔融金属中，同时含碳材料中的C被氧气氧化。利用这一氧化反应产生的热，铁矿石熔化并被含碳材料中的C还原形成熔融金属浴。熔融浴中产生的CO气与吹进的过量氧气在以后燃烧成CO2。CO2气中的显热转移到熔融金属浴表面的渣层和铁颗粒中，再转移到熔融浴。
在上述工艺过程中，铁矿还原成熔化金属。为减轻熔融还原炉中的还原负荷，在将铁矿装入熔融还原炉之前，铁矿先预还原到60～75％的还原程度。因此，要求熔融还原炉产生的费气是低氧化程度的，是高还原性的，而且数量要大。
本发明的一个目的是提供熔融还原铁矿的方法和设备，在此工艺过程中，改善了热传导的效率；为降低生产费用和维持合理的能量平衡控制了产生过份的能量；另外还减少了操作的限制条件。
本发明提供的熔融还原铁矿的方法包括下述步骤将铁矿送进至少一个预热和预还原炉中使铁矿预热并预还原，预还原程度低于30％；将预热且预还原的铁矿、含碳材料和助熔剂装入熔融还原炉；通过脱碳第一喷咀和装在顶吹氧通道顶端部分的后燃烧第二喷咀向熔融还原炉中吹氧，所说的顶吹氧通道的顶端部分的位置是在渣层上面和下面之间；通过至少一个装在熔融还原炉侧壁和至少一个装在熔融还原炉底壁的风口吹入搅拌气体，搅拌气体是至少选自Ar、N2、CO、CO2和工艺气体中的至少一种气体；控制所说氧气和搅拌气体的流量，使熔融还原炉中产生的废气的氧化程度在0.4～0.9之间，废气的温度在300～1300℃之间，所说废气用于送入至少一个预热和预还原炉，此处所说氧化程度用式(H2O+CO2)/(H2+H2O+CO+CO2)表示。
另外，用于上述限定方法的本发明提供的设备包括预热并预还原铁矿用的至少一个预热和预还炉，铁矿预还原的程度低于30％；装入预热预还原铁矿，含碳材料和助熔剂的熔融还原炉，在此炉中还原已预热预还原的铁矿；装有脱碳用第一喷咀和后燃烧用第二喷咀的顶吹氧通道，氧气通过这些喷咀吹入熔融还原炉；装在熔融还原炉侧壁的至少一个风口和装在熔融还原炉底壁的至少一个风口，搅拌气体通过这些风口吹入熔融还原炉。
结合附图，参见下述详细说明，本发明的其它目的和优点会变得很明显。
图1是本发明铁矿熔融还原设备的一实施方案方框说明图。
图2是在构成图1所示设备一部分的熔融还原炉中气体流动的断面说明图。
图3是本发明的至少一个侧壁风口和底风口之间位置关系的说明图。
图4表示本发明中顶吹氧通道的水平高度与热交换效率之间的关系。
图5表示本发明中侧吹气体与热交换效率之间的关系。
图6表示本发明中氧化的程度与过剩能量之间的关系。
当为了减轻熔融还原炉中还原负荷，而在装入熔融还原炉之前将铁矿的预还原程度设定为30％或稍多时，就需要降低从熔融还原炉中排出气体的氧化程度。此处所用术语“氧化程度”以后缩写为“OD”，OD用公式表示为(H2O+CO2)/(H2+H2O+CO+CO2)。如果OD降低，当然排放气体量增加，这已经公开过，如日本专利43406/86。结果在熔融还原炉中产生的能量超过3GCal/每吨熔融金属，因此从包括在一个钢厂中的炼钢和轧钢的总能量平衡的角度来看，所产生的能量太多了。这样的能量平衡上欠缺自然造成生产成本升高。
另外，当预还原的程度是30％或更高，需要低OD值的排放气体，铁矿在预热和预还原炉中的停留时间不得不变长。结果，预还原铁矿装入熔融还原炉和排放熔融金属的平衡难于维持。这一困难引起熔融还原炉的操作有几项必不可少的限制条件。
现有技术的方法有增加铁矿熔融速度的措施，其目的是提高铁矿的还原速度，其中熔融还原炉中的CO气完成后燃烧，以利用产生的热量。为维持上述燃烧，O2气通过熔融还原炉的一上壁风口吹入熔融还原炉中。据此方法，如果提高后燃烧的速率，排放气体温度升高，这是因为没有将后燃烧的显热转移的措施，降低了热交换的效率，结果不得不排放高温气体。结果由于高温排放气体所带热产生严重问题，熔融还原炉内壁的耐火内衬严重损坏。为此，一般认为，氧化程度不能提到这样高。
(1)基于熔融还原反应机理的研究和为改进热交换效率和促进铁矿还原的测量结果，本发明人发现如上述，现有技术的基本观点是，由于改进热交换效率的技术上的限制以及由后燃烧热侵蚀对熔融还原炉内壁的危害，后燃烧速率不会有很大调整余地。但是，将氧气吹进渣层，且同时强搅拌渣层，这样后燃烧就在渣层进行，就能得到高度的后燃烧且能同时改善热交换效率。这样，由于有了高程度的后燃烧，渣和渣中的铁矿就被热到高温，由下文所述公式C所示的铁矿还原速度会有效地得以改善，下式C表含于熔融金属中的C。
(2)在现有技术的几个例子中，在还原操作的整个时期或部分时期，连续进行底吹氧气。对后燃烧，这样底吹氧是十分不利的。就是说，当进行底吹氧时，熔融金属中产生大量CO气，同时强搅拌了熔融金属。结果熔融金属花进入后燃烧区，而金属花中的C与氧气反应，由此降低了后燃烧率。因此，在任何时期，必须避免底吹氧。
基于这些知识和经验，确定下述条件，本发明能够提供很快的还原操作。
(1)结合使用侧吹和底吹搅拌气体，使熔融金属积极地扩散到有铁矿存在的渣层区，利用此扩散促进由于熔融金属含的C所进行的铁矿还原。
(2)脱碳喷咀和后燃烧喷咀装在顶吹氧通道的顶部、氧气通过它吹入熔融还原炉中，结果得到预定或更高的OD程度。氧气通过后燃烧喷咀送入渣层并在此处形成进行后燃烧的区域。用侧吹强搅拌渣层。这样由后燃烧产生的热转移给铁矿。
(3)作为从侧壁和底侧吹入的搅拌和载体气体，可使用下述气体中的至少一种，Ar、N2、CO、CO2和工艺气体，这样不会减少熔融金属中所含碳的还原作用和后燃烧速率。
参见附图，描述本发明的一实施方案。图1是本发明熔融还原铁矿所用设备的方框图，使悬式预热器作为预热和预还原炉。图1中，两个的意思是这两的每个互相联系，两
的意思也是这两
的每个互相联系。在熔融还原炉10中，形成熔融金属浴11和渣层12。在熔融还原炉上部装有第一溜槽13，通过此槽向炉中装填铁矿，含碳材料和助熔剂，顶吹氧通道21垂直插入其中。在顶吹氧通道顶部安装脱碳第一喷咀22和后燃烧第二喷咀23，以便将氧气吹入炉中，在顶部中心安装第三喷咀24以向炉中吹入铁矿，含碳材料和助熔剂细粒或粉末。此外，在炉10的侧壁和底壁分别安装侧风口25和底风口26，通过这些风口向炉中吹入作为搅拌气体的Ar、N2、CO、CO2或工艺气体。作为加压和传输装置安装压力设备27，将载气与铁矿细粒或粉末混合成混合物再通过侧风口25与底风口26将混合物吹入熔融还原炉中。
在炉10上部装悬式预热器30(以后称为SP)，用作预热和预还原炉，主要进行铁矿预热。SP30是多单元设备，每单元有多级垂直排列的旋风器，热交换通道和导管。在图1的实施方案中，作为例子，SP30的第一单元有第一旋风器31、第一热交换通道32和第一导管33，按此来说SP30是三重单元，即，单元1、2和3成垂直排列。单元的序号可依据填装原料的顺序确定，置于高位的单元3的热交换通道40有第二溜槽45，通过该槽从原材料料斗(图1中未示)送入铁矿石粗粒。
接着，叙述按上述熔融还原设备使用的熔融还原铁矿的方法。原料铁矿石通过溜槽45装到SP30。按此法的铁矿石颗粒尺寸可由SP30的容量确定。
熔融还原炉中产生的废气引入第一换热器32，通过热交换废气转移自己的热量到铁矿石上，铁矿石通过置于单元1上方的单元2的第二导管37向下前进。热交换后，废气进入第一旋风器31且从送到第二热交换通道36的铁矿石分开。与这一方式相似，废气通过单元2的第二换热通道36和第二旋风35，还通过单元3的第三换热通道40和第三旋风39排放掉。与此同时，通过第二溜槽45装到SP30的铁矿石与废气相遇，在第三换热通道40中于流动状态从废气中得到热量。然后，相对较轻的铁矿和相对较重的铁矿分别进入位于较高位的单元3的旋风器39和位于较低位的单元2的旋风器35，且在其中分别从废气中分离出来。分离之后，较轻的铁矿和较重的铁矿分别通过单元3的导管41和单元2的导管37向下进入位于较低位的单元2的换热通道36和单元1的换热通道32。铁矿预热且预还原后最后通过换热通道32或导管33进入熔融还原炉。
至少有一部分已经装到熔融还原炉10中的预热预还原后的铁矿，含碳材料和助熔剂用搅拌气体与在熔融还原炉中已经形成的熔融金属浴11和渣层12充分搅拌，搅拌气体通过炉侧风口25和底风口25吹入炉中。对搅拌气体、还可采用另一种工艺，即将搅拌气体加压且与原料混合，如铁矿，含碳材料及助熔剂的细颗粒，形成混合物，再旌衔锎臃缈 5、26或顶吹氧通道21的第三喷咀24吹入。用这一方法能有效地促进铁矿的加热和熔化，助熔剂形成渣以及含碳材料的氧化，以提高生产。另外，通过第一通道13，用重力装填原料对装填块或颗粒原料也是简单和有效的方法。通过熔融还原炉的排气口填装原料是不利的，这是由于细颗粒原料的飞散会明显降低填装效果。因此，代替使用废气出口，最好是通过第一溜槽13，位于顶吹氧通道21上的喷咀24或风口25或26加料。
下面参考图2～5，详细叙述气体吹入熔融还原炉10和炉内反应之间的关系。图2示出通过图1所示侧风口25和底风口26吹入气体的行为。图2中，氧气通道21下面的箭头28和29分别表示通过脱碳第一喷咀和后燃烧第二喷咀注入氧气的方向。DC O2表示通过喷咀22箭头28所示方向吹入的氧气；PC O2表示通过喷咀23箭头29所示方向吹入的氧气。在整个还原操作中，从开始到结束连续进行通过氧气通道21，侧风口25和底风口26的吹氧操作。通过侧风口和底风口吹气共同合作使熔融金属扩散到渣中，结果，吹气大大地增加了还原速度。
本详细叙述的开始部分所述，根据发明人的新发现，主要用含于熔融金属中的C作为还原渣层12中铁矿石还原剂，本发明实际上是积极促使熔融金属扩散到这样的区域，在此处通过强搅拌使铁矿石在渣层的较低位置流动，以提高还原速度。为此目的，通过底风口26吹入搅拌气体，最好在熔融金属12表面形成熔融金属的气胀部分，同时，还从侧风口25吹入搅拌气体，以至少使部分侧吹入的搅拌气体打入A区。由于侧吹入气体，在气胀区A的熔融金属散泼到渣层12中。这样渣层的表现比重一般在0.1～0.5之间，而实际集聚状态的铁矿比重在约2～5之间。
因此，渣中所含铁矿石浓缩浮在渣层12的下层。熔融金属A的突出部分经侧吹搅拌气流冲散时，冲散的熔融金属17扩散到渣层12的下层区域。冲散熔融金属中所含C还原铁矿。因此，还原是高速进行的。为达到这一效果，优选的是让侧吹气流尽可能准确的冲击熔融金属的部分A。在平面图中，侧风口25和底风口26的位置关系满足图3中的(a)或(b)。
图3(a)示出了采用单个侧风口25和单个底风口26时的位置关系，而图3(b)示出了采用3个侧风口25和3个底风口26时的位置关系。在图3中，箭头示出了侧风口吹入气流的方向。当然，侧风口25和底风口26的数目和位置并不总是仅如图3所示，而是可根据所用熔融还原炉的容量和其产量来决定。而且，需要侧风口25和底风口26并用吹入大量气流进行强烈搅拌。吹入气流量可根据熔融金属量和熔融金属深度等条件加以确定。除了起扩散作用而外，侧吹气流还对渣层12的上部进行搅拌，从而形成后续燃烧区。这在下面进行详述。
如上所述，侧风口25和底风口26吹入的气流为至少一种选自N2、Ar、CO、CO2和工艺气流的气体。优选的是不用O2。不用O2的原因如下第一，如果用O2混合比大的气体作为侧吹气体，则会带来最基本的问题，即已冲散而进入渣层12下层的熔融金属中所含C燃烧进行的还原反应就会受到阻碍；第二，如果采用O2，则衬在熔融还原炉内壁上的耐火层会受热而损坏。而且，如上所述，如果混入底吹气流中的O2太多，就会产生大量的CO而使熔融金属得以过分强烈地搅拌。结果是，熔融金属冲散而进入渣层上层区域并达到PC O2得以燃烧的后续燃烧区域(见图2中的B)。因此，后续燃烧受到阻碍，因为熔融金属中所含C与应该用于后续燃烧的O2发生了反应。
在本发明中，后续燃烧区域如图2所示在渣层12内的区域B中形成并且同时达到高度的后续燃烧。这样一来，因采用在渣层内形成后续燃烧区域并且渣层又经侧吹气流得以强烈搅拌的方法而可保持高度的后续燃烧并获得高热转化效率。因此，要求向渣层12内吹入后续燃烧用O2以在其中形成后续燃烧区域B。
特别要求顶吹O2喷枪21应考虑到渣面和熔融金属面而放在适当的高度位置。换句话说，如果放在顶吹氧气喷枪上的喷嘴22、23和24中任何一个的位置高于渣层12的上表面，则后续燃烧区域就不可能在渣层内形成并且热转换效率又会降低。相反，如果喷嘴位置低于熔融金属浴11的上表面，则后续燃烧续区域仍然不可能在渣层内形成。顶吹喷枪以喷嘴22、23和24位置计的下限为渣层底。
图4示出了本发明中顶吹氧气喷枪顶端高度和热转化效率之间的关系，从中可以看出，氧气喷枪顶端离渣面太高就不可能达到良好的热转化效率。就横座标而言，零右边数值表明了氧气喷枪顶端高出渣层表面的高度，而零左边数值表明了氧气喷枪顶端低于渣层表面的高度。图5表明了侧吹气流量和热转化效率之间的关系。从图5中可以看出，如果用侧风口25吹入大量侧吹气流，就可得到良好的热转化效率并且可强烈搅拌渣层。图4和5中所示结果是用容量为50吨的熔融还原炉操作得到的，并且熔融金属产量为28吨/小时。
根据本发明，由于热转化效率高，所以通过如上所述提高OD即可达到高还原速度。除此而外，由于提高了OD，所以可减少含碳材料的加入量。结果是，降低了含碳材料的单位消耗量，而且同时减少了熔融金属中的P含量，因为大部分P都是随含碳材料一起带入熔融金属。而且，如果OD提高了，就可促进蒸发脱硫，因此可降低熔融金属中的S含量。从这些观点出发，OD优选定为0.4或以上。OD上限为1并且OD越高越好。但是，从下述能量平衡角度看，上限定为0.9。如果OD为0.7或以上，就可促进熔融还原炉中的还原反应并且不必采用利用预热和预还原炉进行的预热和预还原方法，因此可节省预热和预还原的设备费用。
在本发明实施方案中，只要操作是在所述OD和温度范围内的适当条件下进行，用作预热和预还原炉的悬浮预热器的还原程度不会超过15％。预热和预还原炉的预还原程度与废气的OD和温度紧密相关并且实际上预还原程度有利的是高于15％而可达到30％或以下，这要根据铁矿石熔融还原装置的规格，操作条件以及投料特点来加以确定。此外，根据上述操作条件，预热和预还原炉可用选自流化床炉，带细粉循环体系的流化床炉以及喷流床炉的至少一种代替悬浮加热炉。
本发明另一特点是提高了后续燃烧效率并且达到整个钢厂的能量平衡。现参照图6，为了达到此能量平衡，可用熔融还原炉中产生的废气的OD和铁矿石预还原程度之间的关系来加以说明。
图6用线图示出了图1所示熔融还原炉中OD和产生的过剩能量之间的关系。图6中，画斜线部分表明了包括整个钢厂的适宜能量平衡区域，实线表明了含低挥发性物质含碳材料的能量平衡，而虚线表明了含高挥发性物质含碳材料的能量平衡，均参照预还原程度，其中以百分比数值标明。这些结果是用获得图4和5所示结果的熔融还原炉操作而得的。根据图6所示结果，如果OD小于0.4，过剩能量太多并使能量浪费掉。另一方面，如果OD大于0.9，产生能量的过剩量太少而不能满足钢厂需求量。如图6所示，将预还原程度定在30％以下即可达到合理的适宜能量平衡。如果预还原高于30％，则预热和预还原炉中铁矿石的滞留时间太长，并且如以下所述对操作条件的限制就变得相当严格。
而且，在现有技术方法中，预还原程度定为60-75％时，预热和预还原炉中铁矿石中滞留时间的确定，废气中的OD以及铁矿石投料和熔融金属出料之间的平衡控制均已成为难以解决的困难，但本发明优选实施方案中，这些困难均大大得到了克服，而且为了降低设备和操作费用还加装了预热和预还原炉，主要目的是预热铁矿石。这样安排的基本设想是，在熔融还原炉中产生的CO气流尽可能多地进行后续燃烧，而产生的热量又作为能源用于脱除熔融还原炉中铁矿石所含的碳并使铁矿石还原。因此，如果OD小于0.4，废气温度不会令人满意地提高，而如果超过0.9，设备和操作费用又会明显上升。
至于废气引入预热和预还原炉时的温度，如果低于300℃，铁矿石就不会得到令人满意的加热，而如果高于1300℃，预热和预还原炉的阻燃性又会成为严重问题。因此，废气温度优选定为300-1100℃。原因是，如果达到500-600℃，铁矿石会因还原降低而成为粉状，而高于1100℃时，又会因铁矿石的烧结和金属铁的粘结而形成由铁矿石颗粒构成的大块料并且还可能给预热和预还原炉中引发反应带来问题或给熔融还原炉的预还原铁矿石投料操作带来麻烦。
作为本发明实例，根据优选实施方案，可达到0.6的OD和95％的热转化效率，其中采用1124kg煤/吨熔融金属和798Nm3氧/吨熔融金属。
权利要求
1.熔融还原铁矿的方法，其中包括下述步骤将铁矿送进至少一个预热和预还原炉中使铁矿预热并预还原，预还原程度低于30％；将预热且预还原的铁矿、含碳材料和助熔剂装入熔融还原炉；通过脱碳第一喷咀和装在顶吹氧通道顶端部分的后燃烧第二喷咀向熔融还原炉中吹氧，所说的顶吹氧通道的顶端部分的位置是在渣层上面和下面之间；通过至少一个装在熔融还原炉侧壁和至少一个装在熔融还原炉底壁的风口吹入搅拌气体，搅拌气体是至少选自Ar、N2、CO、CO2和工艺气体中的至少一种气体；控制所说氧气和搅拌气体的流量，使熔融还原炉中产生的废气的氧化程度在0.4～0.9之间，废气的温度在300～1300℃之间，所说废气用于送入至少一个预热和预还原炉，此处所说氧化程度用式(H2O+CO2)/(H2+H2O+CO+CO2)表示。
2.权利要求1的方法，其中吹搅拌气流步骤是使至少一部分搅拌气流冲散熔融还原炉中熔融金属浴的凸起部分，所说部分搅拌气流用至少一个侧风口吹入并且所说凸起部分是用从至少一个底风口吹入的搅拌气流形成的。
3.权利要求1的方法，其中预热和预还原铁矿石，含碳材料和助熔剂的投料操作包括从选自至少一个侧风口，至少一个底风口和至少一个选自顶吹氧气喷枪顶端的第三个喷嘴中的至少一个吹入选自铁矿石，含碳材料和助熔剂中的至少一种。
4.权利要求1的方法，其中投料操作包括由与熔融还原炉相连的泄料槽以重力下降预热和预还原铁矿石，含碳材料和助熔剂。
5.权利要求1的方法，其中预热和预还原铁矿石操作包括在悬浮预热器中预热和预还原铁矿石，预还原程度低于15％。
6.权利要求1的方法，其中OD为0.7-0.9。
7.权利要求1的方法，其中废气温度为700-1100℃。
8.权利要求1的方法，其中预热和预还原铁矿石操作包括在选自悬浮预热器，流化床炉，带细粉末循环体系的流化床炉和喷射流化床炉中的至少一个中预热和预还原铁矿石。
9.权利要求1的方法，其中预热和预还原铁矿石操作包括在第一和第二预热和预还原炉中预热和预还原铁矿石，铁矿石在第二预热和预还原炉中用第一预热和预还原炉中产生的废气进行预热和预还原，并且预热和预还原铁矿石再于第一预热和预还原炉中用熔融还原炉中产生的废气进行预热和预还原。
10.铁矿石熔融还原设备，其中包括预热并预还原铁矿用的至少一个预热和预还炉，铁矿预还原的程度低于30％；装入预热预还原铁矿，含碳材料和助熔剂的熔融还原炉，在此炉中还原已预热预还原的铁矿；装有脱碳用第一喷咀和后燃烧用第二喷咀的顶吹氧通道，氧气通过这些喷咀吹入熔融还原炉；装在熔融还原炉侧壁的至少一个风口和装在熔融还原炉底壁的至少一个风口，搅拌气体通过这些风口吹入熔融还原炉。
11.权利要求10的设备，其中所说预热和预还原炉为选自悬浮预热器，流化床炉，带细粉末循环体系的流化床炉和喷流床炉中的任何一个或两个。
12.权利要求10的设备，其中还包括高温粉尘收集器，其中粉尘从废气中分出，废气在熔融还原炉中产生并直接从熔融还原炉中引入高温粉尘收集器。
13.权利要求10的设备，其中所说顶吹氧喷枪具有置于顶吹氧气喷枪顶端的至少一个第三喷嘴，经过此喷嘴原料同载气一起送入熔融还原炉，所说原料为选自预热和预还原铁矿石，含碳材料和助熔剂的至少一种并且所说载气为选自Ar、N2、CO、CO2和工艺气的至少一种。
全文摘要
铁矿石熔融还原方法包括将铁矿石引入预热和预还原炉并预热和预还原铁矿石，预还原程度低于30％；将铁矿石，含碳材料和助熔剂投入熔融还原炉；用置于氧气喷枪顶部的脱碳喷嘴和后续燃烧喷嘴将氧气吹入熔融还原炉中，氧气喷枪的顶端处于渣层顶面和底面之间；从侧风口和底风口吹入搅拌气；而铁矿石熔融还原设备包括预热和预还原烧；熔融还原炉；带脱碳喷嘴和后续燃烧喷嘴的顶吹氧气喷枪；侧风口和底风口。
文档编号C21B13/14GK1035136SQ88108700
公开日1989年8月30日 申请日期1988年12月17日 优先权日1987年12月18日
发明者岩崎克博, 高桥谦治, 井上茂, 田辺治良, 川上正弘, 寺田修 申请人:日本钢管株式会社