CN1308463C - 直接熔炼方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直接熔炼含金属原料的方法。用含氧气体预处理煤而产生炭和可燃气体。在制氧厂中用此可燃气体加热和/或生产含氧气体。将含金属的原料、炭和含氧气体喷入直接熔炼容器，在直接熔炼容器中，用炭作能源及还原剂将含金属的原料熔炼成金属液。

Description

直接熔炼方法及设备
本发明涉及用于生产熔融金属(包括金属合金)的方法及设备，尤其是涉及在包含熔池的冶金容器中，用含金属的原料，如矿石，部分还原的矿石及含金属的废料生产不仅限于铁的熔融金属的方法和设备。
本发明尤其是涉及用含金属的原料生产熔融金属的，以熔池为基础的直接熔炼方法。
用含金属的原料直接生产熔融金属的方法通常被称为“直接熔炼法”。
一种通常称为Romelt法的已知直接熔炼法的基础是采用大容积、高搅动的渣池作为介质将自顶加入的金属氧化物熔炼成金属和使气态反应产物后燃烧及按需要进行传热以使金属氧化物的熔炼持续进行。Romelt法包括将富氧空气或氧经下排风嘴喷入渣中以使渣搅动，及经上排风嘴将氧喷入渣中以进行后燃烧。按Romelt法，金属层不是重要的反应介质。
其它一组以渣为基础的已知的直接熔融法通常被称为“深渣法”。这些方法，如DIOS和AISI法，都是以形成具有3个区域的深的渣层为基础的，这3个区是：用喷入的氧使反应气体后燃烧的上部区，使金属氧化物熔炼成金属的下部区；及将上、下区域分隔开的中间区。至于Romelt法，渣层之下的金属层并非重要的反应介质。
其它已知的，依赖于熔融金属层作反应介质，并通常被称为Hlsmelt法的直接熔炼法被述于以该申请人的名义申请的国际专利申请PCT/AU96/00197(WO96/31627)中。
该国际专利申请中所述的Hlsmelt法包括：
(a)在容器中形成具有金属层和位于金属层之上的渣层的熔池；
(b)向熔池喷入
(i)含金属的原料，一般是金属氧化物；
(ii)固体含碳原料，一般是煤，它的作用是用作金属氧化物的还原剂及能源；
(c)在金属层中将含金属的原料熔炼成金属。
Hlsmelt法还包括使自溶池释放出来的反应气体，如CO和H2在熔池上方被含氧气体后燃烧，再将后燃烧所产生的热传给熔池，以提供熔炼含金属原料所需的热能。
Hlsmelt法还包括在熔池名义上静止表面的上方形成过渡区，在该区中，金属液和/或渣的液滴或飞溅或液流上升而后下落，它们是将于熔上方因反应气体后燃烧而产生的热能传给熔池的有效传热介质。
本发明的目的在于提供一种可使用各种类型的煤，包括低级煤的直接熔炼方法和设备。
根据本发明提供的直接熔炼含金属的原料的方法包括如下步骤：
(a)用含氧气体预处理煤，并生成炭和可燃气体；
(b)在制氧厂中间用至少部分产于步骤(a)中的可燃气体作能源加热含氧气体和/或产生含氧气体；
(c)将含金属的原料和产于步骤(a)的炭及在步骤(b)加过热的或所产生的含氧气体喷入直接熔炼容器中；
(d)用炭作能源及还原剂在直接熔炼容器中将含金属的原料直接熔炼成金属液，并在该熔炼过程中用含氧气体使反应气体后燃烧。
本发明的一个优点在于预处理步骤(a)改变了煤的性能/成分，从而使之适于直接熔炼含金属的原料。结果该方法可在直接还原熔器中用低级煤运行从而高生产率地生产熔融金属。术语“低级煤”指的是与正常汽煤(steaming coal)相比，发热值低而杂质含量高的煤，因而是劣质的煤。术语“杂质”指的是诸如硫、碱类、盐类和挥发份之类的杂质。这些杂质分布在预处理步骤(a)所产生的炭和可燃气体之间。结果，预处理步骤(a)使供给直接还原容器中的杂质负荷下降。杂质负荷下降是有益的，因为这意味着熔炼含金属的原料的速率可以上升，而来自该容器的废气体积可下降。这2个结果都是优点。
此外，本发明的方法包括这样一个有益的方案：用生于步骤(a)的可燃气体加热随后用于直接熔炼炉中的含氧气体，最好是空气或富氧空气。在可用热空气或富氧空气运行的直接熔炼工艺，如Hlsmelt工艺中，产生热空气和富氧空气的任务得到了充分的保证。步骤(a)中所产生的可燃气体非常适于作，比如，在热风炉中的加热空气的能源，因此它也是建立在此基础上的本发明方法的一个重要优点。
在本文中应将术语“含金属的原料”理解为指的是任何的金属原料，这包括金属氧化物，如矿石、部分还原的矿石和含金属的废料。
本文中的术语“炭”可理解为从煤中去除了至少50％的水份/结合的氧/挥发份后剩余的固态产物。
步骤(b)最好包括将此可燃气体供往热空气鼓风装置，及在热空气鼓风装置中用此可燃气体作加热空气的能源。
热空气鼓风装置最好是热风炉。
该方法最好包括在将含金属的原料喷入直接熔炼容器之前，用部分可燃气体将其预热。
根据成份，在将含金属原料喷入直接还原容器之前，可用此可燃气体使此原料部分还原。
步骤(d)可包括任何适用的直接熔炼过程。
步骤(d)最好包括按Hlsmelt法直接熔炼含金属的原料，该法包括：
(a)在直接熔炼容器中形成具有金属层及位于其上的渣层的熔池；
(b)经多个喷枪/喷嘴将含金属的原料及炭喷入金属层中；
(c)在金属层中将含金属的原料基本上熔炼成金属液；
(d)使金属液和渣液以飞溅物、液滴和液流状抛射到熔池名义上静止表面上方的空间中，从而形成过渡区；
(e)经一或多支喷嘴/喷枪将含氧气体喷入直接还原容器中，并使自熔池中释放出来的反应气体后燃烧，借助于熔融金属和熔渣的飞溅物，液滴和液流在过渡区中上升然后下落，以利于将热传给熔池，以及借助于过渡区使损失于与过渡区相接触的侧壁的热减至最少。
述于熔池中的术语“静止表面”在本文中应理解为在没有喷射任何气体/固体，因而没有任何熔池搅动的工艺条件下的熔池表面。
该工艺最好以高度的后燃烧在直接熔炼容器中运行。
后燃烧程度最好大于60％，后燃烧的定义是：
[ CO 2 ] + [ H 2 O ] [ CO 2 ] + [ H 2 O ] + [ CO ] + [ H 2 ]
其中：
[CO2]＝废气中的CO2的体积％；
[H2O]＝废气中的H2O的体积％；
[CO]＝废气中的CO的体积％；
[H2]＝废气中的H2的体积％。
按本发明，还提供了直接熔炼含金属原料的设备，它包括：
(a)用于熔炼含金属原料的直接熔炼容器；
(b)用于从煤中产生炭和可燃气体的装置及生产含氧气体的装置；
(c)用此可燃气体作能源产生加了热的含氧气体，然后将其供往直接熔炼容器的装置；
(d)及将含金属的原料及炭供往直接熔炼炉的装置。
以实施例的方式并参照附图进一步描述本发明，其中：
图1是流程图，是本发明工艺和设备较佳实施方案的大致的示意图；
图2是用于图1所示的工艺/设备中的直接熔炼容器的较佳形式。
图1所示的较佳实施方案描述了用铁矿石生产铁。但应注意的是，该较佳实施方案同样适用于用其它的含金属的原料生产金属(包括金属合金)。
参看图1，铁矿石101在铁矿石预热炉1中加热，然后被送往直接熔炼容器105，并在该容器中被炼成铁水。
泥浆状的煤102和氧103被供往煤的碳化器2中然后进行反应并产生800～1000℃的温度。煤(包括煤中的组份，如挥发份)与氧之间的反应产生了炭104和可燃气体109。
本文中的术语“碳化装置”应理解为任何的，使煤和含氧气体于其中可相互接触并生成炭和可燃气体的适用设备。
将炭从碳化器2中排出，使之冷却。储存然后送往直接熔炼容器105中作能源及还原剂。
至少部分来自碳化器2的，温度在1000℃以上的可燃气体经湿式煤气洗涤器(未示)被供往热空气鼓风***4，如热风炉，而后燃烧从而生产将空气106加热到1200℃量级的温度的热。
该被加热的空气是富氧的，并被供往直接熔炼容器105中。如于图2中更详细地描述的那样，该热的富氧空气体将于直接熔炼铁矿石时所生成的反应产物，如CO和H2后燃烧，并且后燃烧所产生的热有助于维持直接熔炼容器105内的温度。一般说来，该工艺以60％以上的后燃烧率运行。
产于煤的碳化器2的部分可燃气体还用于在矿石预热炉1中将矿石预热到800℃量级的温度。
产于直接熔炼容器105中的废气以1650℃量级的温度被排出，冷却到1000℃，再因加冷空气而后燃烧，进一步冷却，再比如于废气清洁器107进行处理，而后排放到大气中。
任选地，部分废气用于在矿石预热器中预热矿石。
上述的方法和设备有若干优于已知技术的优点。
举例来说，已知的两段直接熔炼工艺(包括预热阶段和熔炼阶段)集中在通过将来自熔炼阶段的废气用作预还原段的还原剂或用作加热富氧空气的能源，从而将总的能耗降至最低。本发明与这些公知的方法不同，而是着眼于最大限度地提高生产率。比如，在单独的碳化器2中处理煤，然后将产于该碳化器2中的炭喷入直接熔炼容器105中就减少了煤中的，被带入直接熔炼容器105中的杂质量。这就减少了与杂质相关的熔炼排放量，并使之能够提高直接熔炼容器的生产率并减小产于该容器中的废气的体积。在直接熔炼铁矿石时，利用低级煤也成为了可能。此外，产于碳化器2中的可燃气体是用于加热热风炉的燃烧气体的方便的来源。在诸如用空气或富氧空气使反应气体后燃烧的Hlsmelt法等的工艺中，产生的大量的加了热的空气或富集空气是重要的排放物。此外，本发明的方法不依赖于从产生熔融还原容器105提取能量，因而就能以大于70％的后燃烧率运行。
在直接熔炼容器105中运行的直接熔炼工艺可以是任何适宜的工艺。
在该直接熔炼容器中运行的优选的直接熔炼是在下文参照图2概述的Hlsmelt法，其详细内容述于以申请人名义申请的国际申请PCT/AU99/00538中，在该国际申请中提出的专利说明书中的公开内容通过相互参照已结合在本文之中。
该优选的直接熔炼方法是基于：
(a)在直接熔炼容器105中形成具有金属层及其上的渣层的熔池；
(b)经多支喷嘴/喷枪将预热过的铁矿石和炭喷入金属层中；
(c)在金属层中将铁矿石基本上炼成铁水；
(d)使铁水和渣以飞溅物、液滴、和液流状被抛射到熔池正常静止表面上方的空间中从而形成过渡区；
(e)将加过热的富氧空气经一或多个喷枪/喷嘴喷入直接熔炼容器105中，从而使自熔池中释放出来的反应气体后燃烧，并在过渡区中产生2000℃或更高温度量级的气相温度，借助于熔融金属和熔渣的飞溅物、液滴和液流在过渡中上升和下落促使向熔池传热，并利用该过渡区将经与该区接触的侧壁损失的热减至最少。
直接熔炼容器105可以是任何适用的容器。
优选的直接熔炼容器是参照图2概述于下文中的容器，其详细内容述于以申请人名义申请的国际申请PCT/AU99/00537中，该国际中请中所提出的专利说明书中的公开内容经相互参照已结合在本文之中。
图2所示的容器105具有包括用耐火砖砌的炉底3和侧底55的炉床；侧壁5(它一般为从炉床的侧底55向上延伸的圆桶状的，并包括上桶状段51和下桶状段53)；顶部7；废气出口9；用于连续排放金属液的前炉58；用于将炉床和前炉相连接的前炉连接段71；及排放熔渣的出渣口61。
在使用时，在稳态的工艺条件下，容器105中盛有铁和渣的熔池，它包括金属层15及其上的渣层16。箭头17所指的是金属层名义上的静止表面，箭头19所指的渣层16的名义上的静止表面。术语“静止表面”指的是未将气体和固体喷入容器时的表面。
容器105还包括2支喷射固体的喷枪/喷嘴11，它们以与垂线成30-60°的角度穿过侧壁5向下向内延伸，然后伸入渣层16中。喷枪/喷嘴11位置的选择要使得其下端，在稳态的工艺条件下，位于金属层15的静止表面17上方。
在使用时，在稳态的工艺条件下，夹带在载气(一般是N2)中的预热过的铁矿石，炭和熔剂(一般是石灰和镁砂)经喷枪/喷嘴11被喷入金属层15中。固体原料/载气的冲量使该固体材料和气体穿透金属层15。碳部分溶于金属中，部分仍为固态。铁矿石被熔炼成金属，而此熔炼反应产生CO气体。被输入金属层15中的及因熔炼而产生的气体产生了使金属液、固态碳及渣(因固体/气体/喷射而被带入金属层15中的)上升的很大的浮力，它引起了金属液和熔渣的飞溅物、液滴和液流的向上运动，这些飞溅物、液滴和液流在穿过渣层16移动时就进到渣中。
金属液、固体碳和渣的向上的浮力在金属层15和渣层16中引起很大的搅动，结果使渣层16的体积增大，从而有了箭头30所示的表面。搅动的程度使得金属和渣的区域中有了合理的均匀的温度-一般1450-1550℃，而每区中的温度变化不超过30℃。
此外，金属液、固体碳及渣的向上浮力所引起的金属液和熔渣的飞溅物、液滴和液流的向上运动延续到该容器中的熔融材料的上方的顶部空间31中，从而：
(a)形成了过渡区23；
(b)将一些熔融材料(主要是渣)抛射到过渡区以上并抛在位于过渡区23上方的侧壁5的桶状段51上及抛射在顶部7上。
一般来说，渣层16是一种连续的液态体积，其中含有气泡，而过渡区23是含有金属液和渣的飞溅物、液滴和液流的连续气体体积。
容器105还包括将加过热的富氧空气喷入其中的喷枪13。喷枪13位于容器105中心并垂直向下伸入其中。要选择枪13的位置及经其流过的气体的流量，以使含氧气体在稳态的工艺条件下穿透过渡区23的中心区域并在枪13的端部周围保持基本上无金属/渣的自由的空间25。
使用时，在稳态的工艺条件下，经枪13喷入的含氧气体使反应气体CO和H2在过渡区23中后燃烧并在气体空间中产生2000℃量级或更高的气相温度。这些热传给了在气体喷射区中上升和下落的熔融材料的飞溅物，液滴和液流，而后在金属/渣返回金属层15时，这些热就部分传给了金属层15。
自由空间25对于达到高度的后燃烧是重要的，因为它能将过渡区23上方的该空间中的气体带到枪13的端部区中，从而使所得到的反应气体更多地暴露于后燃烧中。
枪13的位置，经枪13的气体流量及熔融金属及渣的飞溅物，液滴及液流向上运动的综合作用在于在枪13的下部区(一般标为27)的周围形成了过渡区23。所形成的这一区域形成了向侧壁辐射传热的局部屏障。
此外，在稳态的工艺条件下，熔融金属和渣的上升和下落的液滴、飞溅物和液流是将热从过渡区23传向熔池的有效手段，结果使侧壁区域内的过渡区23的温度为1450-1550℃的量级的温度。
参照工艺在稳态下运行时金属层15、渣层16及过渡区在容器105中的水平面，并参照在该工序在稳态的工艺条件下运行时被抛射到过渡区23上方空间中的熔融金属和渣的飞溅物、液滴和液流来构成容器105，以使得：
(a)炉床及与金属/渣层15/16相接触的侧壁5的下桶状段53用耐火砖砌成(在图中用虚线表示)；
(b)至少部分侧壁5的下桶状段53衬有水冷板8；
(c)与过渡区23和顶部空间31相接触的侧壁上桶状段51及顶部7用水冷板构成。
在侧壁5的上桶状段51中的水冷板8、58、59(未示)具有平行的上、下边缘，这些板被弯曲从而限定了圆桶的截面。每块板均包括内水冷管和外水冷管。每根管的水平段被弯管相连，从而形成蛇形管的构形。每根管还包括出水和入水口。管子被垂直地排放，在由板的暴露看去时，即由向容器内部暴露的面看去时要使外管的水平段并不紧贴在内管的水平段后面。每块板还包括填充在每根管相邻的水平段间的及管与管之间的捣打的耐火材料。每块板还包括形成了板的外表面的支撑板。
将管的入水口和出水口与供水回路(未示)相连，该回路可使水在管内高速循环。
对该上述较佳实施方案在不违背本发明的精神和范围的前提下，尚可作多种改动。
比如，虽然该较佳实施方案包括将至少部分可燃气体供往煤的碳化器2，但本发明不限于由此，而可包括其它方案，如可将可燃气体送往制氧厂作制氧的能源。

Claims (6)

1.直接熔炼含金属原料的方法，它包括如下步骤：
(a)用含氧气体预处理煤，从而产生炭和可燃气体；
(b)将至少部分产于步骤(a)的可燃气体供往一热空气鼓风装置，及用该可燃气体作能源在该热空气鼓风装置中作加热空气或富氧空气的能源，从而加热该空气或富氧空气；
(c)将含金属的原料，在步骤(a)中生产的炭和在步骤(b)中加热或生产的加热的空气或富氧空气喷入直接熔炼容器；
(d)在直接熔炼容器中，用炭作能源和还原剂将含金属的原料直接熔炼成金属液并用加热的空气或富氧空气使产于该熔炼过程中的反应气体后燃烧。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该热空气鼓风装置是热风炉。
3.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，它包括在将含金属的原料喷入直接熔炼炉之前，用至少部分产于步骤(a)的可燃气体预热该原料。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，它还包括在将含金属的原料喷入直接熔炼容器之前，用至少部分产于步骤(a)的可燃气体使该原料预还原。
5.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，步骤(d)包括：
(a)在直接熔炼容器中形成具有金属层及位于其上的渣层的熔池；
(b)经多支喷枪/喷嘴将含金属的原料及炭喷入金属层中；
(c)基本上在金属层中将含金属的原料熔炼成金属液；
(d)使熔融的金属及渣以飞溅物、液滴和液流状被抛射到熔池的名义上静止的表面上方的空间中，从而形成过渡区；
(e)经一或多支喷枪/喷嘴将含氧气体喷入直接熔炼容器中，并使自容器释放出来的反应气体后燃烧。
6.直接熔炼含金属原料的设备，它包括：
(a)用于熔炼含金属原料的直接熔炼容器；
(b)用煤和含氧气体生产炭和可燃气体的装置；
(c)用可燃气体作能源产生加过热的含氧气体，然后将该气体供往直接熔炼容器的装置；
(d)将含金属的原料及炭供往直接熔炼容器的装置。
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