专利名称：竖炉煤基还原海绵铁的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于钢铁冶金工艺方法及其专用设备，特别涉及一种在竖炉中，以煤为还原剂生产海绵铁的方法及其专用的煤基还原竖炉。
现有的生产海绵铁的方法按所用还原剂可分为两大类一类为煤基直接还原，在回转窑中进行。此种方法存在回转窑填充率低，炉容利用系数低的问题，加之固体炉料和气流各行其道，故热效率低，由此造成回转窑生产海绵铁经济效益很低。还有一种旋转床还原炉也可作为煤基直接还原炉使用，但目前应用很少。另一类为气基直接还原，使用裂化天然气或煤气作为还原剂。根据流程不同，主体设备可采用竖炉、反应罐或流态化床。气基直接还原以竖炉应用最为广泛，产出的海绵铁是金属化球团或压块。但此种方法必须有足够的天然气资源。
本发明的目的在于提供一种以煤为还原剂在竖炉中生产海绵铁的工艺方法及其专用的煤基直接还原竖炉。
本发明的方法是在专用的煤基还原竖炉中以煤为还原剂，使球团矿经过预热或氧化焙烧、还原、冷却三个工艺阶段而最终产出海绵铁。
首先，通过加料装置使炉料进入炉内预热(或氧化焙烧)段，如采用强度较低的冷固球团为原料，为减少加料过程的破损，可采用斜坡式进料。球团矿、返煤及一部分大颗粒还原煤通过加料装置进入还原竖炉预热段。经过预热的空气自风口鼓入炉内，与上升煤气中的CO、H2、CH4等物质进行燃烧反应，放出热量。高温煤气继续上升，将热量传递给炉料，最后经煤气出口排出炉外。出炉后的煤气通入换热器，预热助燃风。球团矿在下降的过程中逐渐升温，完成预热和氧化焙烧过程，强度得到提高。如果使用氧化球团或块矿，则此段完成矿石的预热;如果使用生球团，则在此段完成氧化焙烧。炉料通过预热段后继续下降，进入还原段。生产中通过螺旋给料机在还原竖炉还原段第一层篦板下加入还原煤，还原煤加入后与球团矿混合，为保证炉内温度满足还原的需要，在加煤口的下方吹入一部分预热空气，烧掉一部分还原煤，使温度达到还原所需要的温度(约900～1200℃)。在第二层和第三层篦板下方也吹入少量预热空气，烧掉自由空间中流化状态下的煤粉，以保持足够的还原温度。如有必要(视还原煤性质而定)可通过在这两层篦板下加装的油烧嘴或煤气烧嘴喷油和助燃风，以补充热量的不足。炉料在专用的还原竖炉的还原段下降过程中呈“之”字形运动，自边沿向中心，自中心向边沿不断交换位置，使料柱变疏松。在篦板下方形成一个自由空间。炉料中的粉末，特别是煤粉，通过篦板落入这个自由空间形成流化床，从而使料柱透气性得到改善。自还原段加入的还原煤也落入篦板下的自由空间。其中的大颗粒煤在下降过程中与球团矿混合，完成球团矿的还原。小粒度煤则与篦板漏下的煤粉及料柱吹出的煤粉一起在流化状态下与吹入的助燃风进行燃烧反应，补充一部分热量。生产中，几层篦板下可同时加煤，也可一层篦板下加煤，另外几层篦板下喷油和加助燃风。炉料经过还原段，球团矿的还原已基本进行完毕，继续下降至冷却段。在冷却段上部除降温外还可完成少量的还原过程，特别是燃烧区内形成的球团矿再氧化表面的还原。球团矿在冷却段内随着下降过程，逐步冷却至出炉温度800℃以下，产出的海绵铁通过水冷螺旋给料机(或对辊卸料机等)排出竖炉，进入冷却筒，进一步冷却至100℃左右。冷却后的海绵铁通过筛分和磁选，与残煤和粉末分离，即为最终产品。
下面以实施例说明本发明的工艺方法
图1是系统配置及工艺流程示意图。
本实施例使用氧化球团矿为原料，发热值20000KJ的褐煤为燃料和还原剂。每吨海绵铁消耗煤850kg。
褐煤根据粒度分为两级。＜10mm的为粉煤，10～40mm为块煤。＞40mm的部分需破碎。氧化球团矿粒度为10～20mm。
氧化球团及块煤(包括返煤)自炉顶加入竖炉。在下降过程中，与上升的煤气流接触，温度不断升高。块煤中的挥发分进入煤气流。预热段下沿鼓入的热风与煤气中的CO、H2和挥发分中的碳氢化合物反应，燃烧放热，进一步加热炉料。在预热段中，炉料温度可加热至900～1000℃，并进入还原段。
在还原段上部，预热炉料与加煤口排入的冷煤混合，温度降低至700～800℃。加煤口下方吹入的热风燃烧掉一部分挥发分和粉煤，使炉料温度重新升高。在还原段中，炉料温度保持在950～1100℃。热量损耗由还原段中下部鼓入的少量热风所引起的燃烧反应补充。在还原段中，球团矿金属化率可达90～95%。
炉料进一步下降，进入冷却段。在冷却段的上方，球团矿还可完成少量还原反应，特别是经过燃烧带时生成的再氧化表面的还原。同时温度降低至900～950℃，并进入冷却段下方。在冷却段下方，由于炉壁的通水冷却，炉料降温速度加快。在冷却段下沿，料温可降至700～800℃。
炉料经对辊卸料机排入冷却筒。冷却筒外壁喷水冷却。炉料在冷却筒中进一步冷却至100℃以下，并排出冷却筒。
排出冷却筒的冷炉料首先经振动筛筛分。＜3mm的部分可经磁选回收磁性粉，非磁性部分抛弃。＞3mm的部分进入磁选机。磁性物是成品海绵铁、非磁性物作为返煤重新加入竖炉利用。
炉顶煤气仍含有大量可燃成分。排出竖炉后首先经过一级旋风热除尘。然后兑入助燃风烧掉可燃成分，使其温度进一步升高，并进入换热器。在换热器中，高温煤气(900℃)与冷风(25℃)进行热交换，使风温提高至500～600℃，换热器也具有一定的除尘作用。由换热器排出的煤气可直接(或经进一步清洗由排烟机)进入烟囱，排入大气。由换热器排出的热风则作为助燃风供竖炉使用。
本发明的方法其填充率可达80-90%，且具有利用系数高、设备简单、投资少，在竖炉中实现了以煤为还原剂生产海绵铁等优点。
实现本发明方法的专用设备为煤基直接还原竖炉。本发明方法专用的煤基直接还原竖炉包括加料装置、炉体、篦板、出料装置等四部分。图2为煤基直接还原竖炉的结构示意图。〔1〕加料装置，〔2〕炉体，〔3〕篦板，〔4〕出料装置。图3为图2的A向剖面图，加料装置〔1〕可安装在炉体〔2〕的侧上方，整个炉体可分为上、中、下三段，上面为预热或氧化焙烧段，在此段炉壁上部开有排气口，下部炉身的四个面上对称分布着助燃风口;炉体中部为还原段，还原段的炉壁上开有还原剂加入口和风口，在还原段炉体的内壁上装有数层篦板〔3〕，竖炉还原段内壁上加装篦板的主要作用是为了改善料柱的透气性及还原的均匀性。装篦板的层数视竖炉的高度而定，一般为2-5层，每层篦板最少分为2排，上、下交替安装，篦板安装的角度视炉料自然堆角和流动性而定，一般可选30°～60°，篦板的材质可选用碳化硅、耐热钢或其它耐高温、耐氧化的材料。篦长的确定主要考虑满足透气性及对篦下空间的要求，并且要有足够的强度。一般可使篦板远离炉墙的一端处于竖炉中心线附近。如篦板过长，可分成两段或多段安装，篦板靠炉墙端置于炉墙的支承砖上，其余则放在水冷支承梁上。炉体的下部为冷却段，冷却段上部的炉壁结构与前两段一样，炉壳采用钢结构，内衬耐火砖;而冷却段的下部不衬耐火砖，且采用水冷。煤基直接还原竖炉的加料装置〔1〕采用两段式密封，一段为料封，另一段为料钟。煤基直接还原竖炉的出料装置〔4〕采用螺旋给料机或对辊卸料机等。下面是煤基直接还原竖炉的一个实施例。
图4为年产3万吨海绵铁的竖炉本体结构。其中〔3〕是篦板〔5〕是双料钟式加料设备。氧化球团矿、返煤和＞10mm的块煤自该设备加入炉内。〔6〕是竖炉预热段。〔7〕是煤气排出口。〔8〕是螺旋给料机，＜10mm的粉煤通过它加入炉内。〔9〕是热风入口。〔10〕是竖炉还原段。〔11〕是竖炉冷却段。〔12〕是对辊卸料机，还原完毕的球团矿连同返煤通过它排出竖炉进入冷却筒。〔13〕是冷却筒。
竖炉横截面为2.5×2.5米。预热段自大钟处于下降位置的下沿起，至第一层热风入口止，全高2.5米。还原段自第一层热风入口起，至最下面一层篦板下沿止，共高6米。冷却段自最下面一层篦板下沿起，至对辊卸料机止，共高4米。上面2米炉墙砌筑砖衬，能起到少量的还原作用。下面2米不砌砖衬，钢壳采用双层，并通水冷却。横截面逐渐缩小，与对辊卸料机相连结。
B-B截面图示出了第一层热风入口的布置，每面炉墙装设2支热风管。热风管处于同一水平面。
C-C截面图示出了螺旋给料机加煤口的布置。该布局与篦板的装设相对应。本竖炉设四排篦板。其中两排靠炉墙装设，在这两面炉墙上，每面在第一层篦板下方同一水平面处设两个加煤口。另两排篦板呈人字形装于中间，两端与炉墙接触。在第一层篦板与炉墙的两个接触点的下方各设一个加煤口。这样的布局是为了使加入的粉煤恰好落入篦板下的自由空间。加煤口直径为200mm。在每个加煤口下方150mm处各设一热风管。目的是烧掉一部分粉煤，使炉料温度尽快地升至预定水平。热风管直径为30mm。
D-D截面图示出了在第二层篦板下方与第一层相应的位置装设热风管。目的是鼓入少量空气，烧掉少量煤粉，补充热量。
第三层篦板下的装置与第二层相同。
各热风管的热风流量可根据需要，分别进行控制。一般讲，第三层篦板下的热风可不用。
炉墙结构和篦板安装方式见图5。其中〔14〕是水冷支承梁，〔3〕是篦板，〔15〕是支承砖，〔16〕是钢壳，〔17〕是珍珠岩绝热层，〔18〕是加煤口，〔19〕是热风管，〔20〕是粘土砖。
使用煤基直接还原竖炉的专用设备生产海绵铁如以上方法所述的过程。
本发明的专用设备煤基直接还原竖炉其主要效果实现了长期以来在竖炉中不能以煤为还原剂生产海绵铁，使海绵铁的生产在以煤为还原剂的前提下不仅在回转窑中能够进行，且在竖炉中也能进行。
权利要求
1.一种包括预热或氧化焙烧、还原、冷却过程在内的竖炉还原生产海绵铁的方法，其特征在于该方法是在专用的煤基直接还原竖炉中，以煤为还原剂，在900～1200℃的温度条件下对球团矿进行直接还原。
2.如权利要求1所述的竖炉还原生产海绵铁的方法，其特征在于该方法的还原过程是通过螺旋给料机在煤基还原竖炉还原段的第一层篦板下加入还原煤与球团矿混合，在加煤口的下方吹入一部分预热空气，烧掉一部分还原煤，在第二层和第三层篦板下方也吹入少量预热空气，烧掉自由空间中流化状态下的粉煤。
3.如权利要求1、2所述的竖炉还原生产海绵铁的方法，其特征在于为保证还原温度，还可在第二、三层篦板下通过加装的油烧嘴或煤气烧嘴喷入油或煤气及鼓入助燃风进行燃烧反应。
4.如权利要求1所述的竖炉还原生产海绵铁的方法，其特征在于还原过程中可向几层篦板下同时加煤，也可向一层篦板下加煤，另外几层篦板下喷油和加助燃风。
5.一种包括有加料装置、炉体、出料装置的生产海绵铁的竖炉，其特征在于该竖炉还原段的内壁上还装有篦板。
6.如权利要求5所述的生产海绵铁的竖炉，其特征在于该竖炉还原段内壁上的篦板有数层，每层篦板最少为2排，上、下交替安装。
7.如权利要求5、6所述的生产海绵铁的竖炉，其特征在于该竖炉还原段内壁上篦板安装的角度取决于炉料的自然堆角和流动性，一般为30°-60°。
8.如权利要求5、7所述的生产海绵铁的竖炉，其特征在于该竖炉还原段内壁上装的篦板长度取决于对料柱透气性及对篦板下空间的要求，而且要保证篦板具有足够的强度，一般使篦板远离炉墙的一端处于竖炉中心线附近，当篦板过长时，可分成两段或多段安装。
9.如权利要求8所述的生产海绵铁的竖炉，其特征在于该竖炉还原段内壁上的篦板靠炉墙端是置于炉墙的支承砖上，其余则放在水冷支承梁上。
全文摘要
竖炉煤基直接还原海绵铁的方法及设备，属于钢铁冶金工艺方法及其专用设备。
文档编号C21B13/02GK1080961SQ9211386
公开日1994年1月19日 申请日期1992年12月23日 优先权日1992年12月23日
发明者李殷泰, 方觉, 董文献 申请人:东北工学院