CN1492937A - 电炉中生产液态熔炼铁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于在电弧炉中生产熔炼铁的方法，该电弧炉含有几个电极，装配有炉膛，并含有熔池表面，在其顶部配置有非泡沫液态炉渣。发明的方法包括以下步骤：还原金属填充物，以形成含有过量游离碳的预还原金属填充物，预还原金属填充物在惰性气体帘中热转移到电弧炉内的熔池表面；通过喷入气体，混合熔池表面以防止结壳形成；为生产熔炼铁，在电弧炉内熔炼预还原金属填充物。

Description

电炉中生产液态熔炼铁的方法

本发明关于生产液态熔炼铁的方法。

多年来已花费了相当大的努力以开发一种还原/熔炼方法，来取代生产液态熔炼铁的高炉，尤其是在小容量生产单元的体制中，可避免物料的准备，换句话说，就是直接利用矿石粉和炭。这种型式的方法很有意义，主要是，可避免涉及大量投资的设备，诸如生产焦炭用的设备和矿石烧结用的装备。

使用炭作还原剂的直接还原法(而不通过液相)是最有经济意义，尤其是在缺乏天然气资源的国家中。然而，这些方法的缺点是它们生产的预还原铁矿石具有高的硫含量(0.3-0.6wt％的S)。

这些方法中，以细颗粒形式使用矿石的那些方法(流化床或多膛炉技术)特别有意义，因为它们涉及到的麻烦最小的矿石形式。可以使用预还原铁矿石的颗粒，也可以使用获得的细粉形式，在生产钢的电炉内使用冷的或低温(＜300℃)鼓风喷射工艺不会有任何困难。

然而，在生产钢的电炉内，大量使用这种型式的预还原铁矿石颗粒，存在两个问题：它引入了大量的硫，它在制钢电炉的氧化冶炼环境中是无法消除的，并且它降低了电炉的生产率，由于其从冷态开始还原-熔炼，消耗的能量大于由主原料，废铁消耗的能量。这就导致过多的能量消耗，其结果是生产率降低。

通过生产熔炼铁，而不是钢，可避免这些缺点，事实上，通过由还原炉直接引入预还原铁矿石颗粒(预还原细粉末)，在约1000℃温度下。进入到生产熔炼铁的电炉中，可摆脱硫的问题。事实上，1000℃下将预还原的铁矿石颗粒送入炉内，大大减少了熔炼需要的能量。生产熔炼铁需要还原性介质，它能够减少约90％的硫。通过创造适宜的炉渣，可获得硫含量为0.03-0.06％的熔炼铁，这相当于标准级的熔炼铁，然后可用于所有熔炼铁的传统应用中，尤其可作为电炉的纯铁源。

这全部是真实的，尤其是通过还原而处理细粉形式的废料，它总是提供具有很高硫含量的预还原铁矿。在以下的描述中，“金属细粉”应理解为各种类型的含有部分氧化金属铁的产品。金属细粉是铁矿石颗粒，各种类型的含部分氧化铁的废料颗粒，尤其是来自高炉和电炉的过滤器的细颗粒，轧制氧化铁皮碎料或颗粒(在重新加热或轧制时形成的铁氧化物)，轧制或机加工尾料等。

这种类型的用于生产熔炼铁的细金属颗粒的熔炼，传统是在电阻加热熔渣炉，不恰当地称作潜弧电炉(SAF)内进行。一般是借助于重力将细粉引入到这种类型的电炉冷区内。然而，这种类型的电炉具有有限的功率。事实上，潜弧电炉(SAF)的功率密度，以MW/m²表示，比自由式电弧炉减少五分之四。为了获得同等的生产水平，所使用的潜弧电炉直径要比电弧炉的直径大2倍。

此外，在电弧炉内，熔炼非喷射的细物料时，导致形成团块，通常粘附到炉壁上称为衬料或护道。在熔炼细磨废料，切屑、研磨屑、等时，也会出现这种情况。

过度使用这些物料会阻塞转炉的部分容积，阻止碎料的正确引入，同时操作者必须通过相当大的过热炉子而有规律地进行净化熔体，这就解释了能量损失和生产率降低的原因。作为结果，通过预还原的金属细粉的重力而引入电炉内，而不采取任何专门的预防措施，必然会导致结壳和形成衬料。

电弧炉在通常的运行条件下，使用泡沫渣，在废铁的传统熔炼中，为了在炉渣内形成CO气，联合喷射碳和氧而获得泡沫渣。当使用富碳(＞2％C)的预还原物料时，由于预还原的铁矿石同时提供了氧和碳，所以这种泡沫渣是自发的。由于其密度低和其绝热特性，泡沫渣对预还原细粉的溶解起到了阻碍作用。预还原细粉落在炉渣上，迅速结块并形成固体物质，这种固体物质很难熔融，由于它不很密实，所以导致在炉壁上形成衬料。

为了生产熔炼铁，必须使用碳，很明显，可单独喷射碳，就经济观点，最佳的方法是制造具有过量碳的预还原铁矿。这种过量的碳以低比例与铁结合。然而，为制造熔炼铁，生产具有5-10％C的预还原细粉时，这种碳主要相当于游离碳的颗粒。然而，很难将这种游离碳引入金属中，除非将它喷射到熔体内。事实上，自由式电弧炉(不同于潜弧电炉，事实上它的功能是利用电阻加热，而不是电弧)主要是在氧化环境中运行，其中，碳迅速氧化。如果不采取专门的防护措施，非喷射的碳供料将主要以气体损失掉，因此金属将贫碳，因此也将得到钢。

有利的是具有一个优化方法，这个方法其能够在电弧炉内从预还原的金属细粉直接生产熔炼铁。

本发明的目的是提供一种用于生产熔炼铁的优化方法。

根据本发明，通过在电弧炉生产液态熔炼铁的方法，即可达到此目的，该电弧炉含有几个电极，装有炉膛，并含有由液态非泡沫渣覆盖的熔池表面。该方法包括如下步骤：

a)还原金属细粉以形成含有过量游离碳的预还原金属细粉。

b)在惰性气体帘中，热转移预还原的金属细粉到含于电弧炉中的熔池表面。

c)喷射气体搅动熔池表面的方式要防止形成结壳。

d)在电弧炉内熔炼预还原的金属细粉以获得液态熔炼铁。

提供的方法是以一种非常特殊的方法使用自由式电弧炉，该方法是引入热的预还原金属细粉(优选直接在还原炉的出口处，换句话说，在大于500℃的温度下，在最佳实施方案中，为800-1100℃的温度下)，并在由一层非泡沫状的液态炉渣覆盖的熔炼铁的熔池表面上工作，该熔池表面可通过经炉膛喷射中性气体(氮气、氩气)和/或通过经一个或几个喷枪喷射含氧气体，而搅动熔池表面。熔池表面通过喷射气体而强有力地搅动。

这种有力的搅动，能使金属+炉渣熔体的温度均匀化，并更新炉渣层的表面，以保持过热并全部液体，并能够吸收预还原的金属细粉，而不会固化和形成不可渗透的结壳。

在通过经电弧炉炉膛喷射中性或惰性气体而搅动熔池表面的情况下，在所建议的方法中，惰性气体的流速优选在50～150l/min.t(在熔体中每分每吨液状金属的升数)。在本发明的最佳方案中，搅动速率为80-120l/min.t。作为熔池表面的高度和喷射点的数量和位置的函数，必须调整这些速率。高速的搅动与电弧炉中使用的正常实施无关。事实上，在电弧炉中以通常生产钢的方法，搅动速率处于1-10l/min.t的范围，只是用于均化熔体，甚至不考虑冶炼结果和温度。

为了确保搅动的最佳效率，金属熔池表面必须具有确定的最小高度，优选的高度至少0.3m，以确保强有力地搅动金属熔体。需要避免经炉膛喷入的搅动气体简单地穿过金属熔体的“孔穴”，而没有强有力地搅动它。很明显，作为电弧炉形状和气体喷射装置定位的函数，这种最小高度可以改变，气体喷射装置优选是多孔砖或均匀喷咀。

在本发明的最佳实施方案中，用于喷射搅动气体的装置位于电弧炉炉膛的外边缘附近，换句话说，与熔融物的底部横向有关，以使位于炉边缘处保持或具有结块倾向的预还原金属细粉粒子引向位于电极之间的最热中心区域。

另一种方式，或者除了通过经电弧炉炉膛喷射惰性气体搅动熔池表面外，还可以通过经一个或几个喷射器喷射含氧气体而进行搅动熔池表面。通过使用穿透喷射使含氧气体(下文称“原始氧”)喷射进熔池表面，通过与熔炼铁中的C反应，而形成气态CO鼓泡。在液状金属中这种CO的释放会形成扰动，从而确保熔池表面和炉渣强有力地搅动。

为了保护落入炉内的预还原金属细粉，可利用惰性气体帘围绕着金属细粉，优选是氮气或氩气。这种惰性气体帘，优选具有环形形状，可使其受炉诱导而横向偏移的颗粒以及预还原金属细粉在其分别到达炉渣层和熔池表面层之前再次氧化减至最小。最好使用50～200Nm³/h的氮气流以形成保护帘，从而能保护约10-60t/h的含有约50％金属化Fe的预还原金属细粉，以60-100％的量进行转移。这些值取决于许多因素，诸如炉子的几何形状，细粉滴的高度，和电弧炉中的扰动，等等，结果可被采用。

优选地，在位于电极之间电弧炉中心区，进行预还原金属细粉的转移。

根据本发明的优选实施方案，在将完全还原的金属细粉供入电弧炉内之前，最好与直径为2-20mm的炭进行混合。所用炭量取决于预还原金属细粉中的碳量。要求使碳过量7-15％，优选过量约10％。以这种方式，根据炭中的硫含量，可获得具有3-3.5％C，0.01-0.05％Si和0.03-0.06％S的熔炼铁。

根据本发明的另一个最佳实施方案，步骤a)包括如下步骤：

a1)将金属细粉引入到含有几个叠置炉膛的多膛炉内，并将其沉积在多膛炉的上层炉膛内，

a2)金属细粉逐渐转移到下层炉膛内，

a3)向一个或几个下层炉膛上引入足以还原金属细粉的量的碳还原剂，并确保有过量的游离碳，

a4)加热多膛炉，当它们与碳还原剂接触时，还原金属细粉，并在适宜的温度下，由碳还原剂产生气体，

a5)在多膛炉内，由碳还原剂产生的过量气体被燃烧掉，利用产生的热量干燥或预热金属细粉。a1)将金属细粉引入含有几个叠置炉膛的多膛炉内，它们沉积在多膛炉的上层炉膛内。

根据本发明的另一优选实施方案，在a)步和/或b)步中添加造渣剂。这些造渣剂优选选自石灰、熔剂和氧化镁，以及它们的混合物。

在a)步骤结束时，碳过量7-15％，优选过量约10％。

固体碳还原剂选自炭或液体或固体的石油产品。当碳还原剂在多膛炉内时，所含的挥发成分会除掉，而且部分硫也被排除。

部分过量的碳在步骤d)中被消耗掉。

此外，过量的游离碳可用于终止还原反应和使熔炼铁渗碳。

根据本发明的另一个方面，可提高电弧炉的生产效率，由于可获得的“埋入的”电弧长度，电弧的功率受到电弧电压的限制。

不使用自然进入电弧炉内的空气而使其“无用地燃烧”，而冒险使金属细粉固化并形成不渗透的结壳，为了增加电的电弧炉生产率，用最大的能量效率，使用来自预还原金属细粉的过量碳，也是有利的。

很明显，如果希望增加电弧炉每小时熔炼铁的生产能力，则需要增加向电弧炉内引入金属细粉的流速，这种金属细粉流速的增加，也增加了形成结壳的危险性。

通过上述用于在电弧炉的生产液态熔炼铁的方法，可达到此目的，其中，配备一个或几个后燃烧喷管-它们与一个或几个原始氧的喷射相连接-构成燃烧器，其功率可与电弧相比。这些喷射器优选向电弧之间输送后燃烧气的喷射，而在最佳实施方案中是向电极环上(“电极间距环”)输送。

后燃烧气体喷射的定位要使炉渣推向电极之间的电弧炉的中心部分，这是有利的。这能以适宜的方式增强炉渣的搅动，并能使其永久地在接收金属细粉的区域内，保持过热炉渣的充分搅动。在此区域内过热炉渣中的高扰动性，能使金属细粉的流速增加，而不会出现形成结壳的危险。事实上，若没有这种后燃烧气的喷射，熔渣的扰动是通过经电弧炉炉膛喷射中性气体和/或通过经一个或几个喷射器向熔池表面喷射原始氧而搅动熔池表面而间接地建立。事实上后燃烧气是直接喷射进炉渣层能使炉渣在电弧炉内的移动较好地控制和定位，以加速金属细粉的熔炼，并减少非熔融金属细粉推向和粘附在炉壁上的危险。

本发明方法的优点之一是优化两个反应器的运行，实际上，生产含有过量游离碳的预还原熔炼铁的事实增加了还原速率和增加了金属化的水平。

为了获得这种过量的游离碳，在还原阶段需要添加适量的碳还原剂。

在预还原铁矿石中的过量游离碳的另一个优点是基于这样一个事实，在还原反应器的还原膛内，温度非常高，结果，碳还原剂，碰巧是炭，在很大程度上进行脱挥发物和脱硫。结果是，在熔炼阶段期间，脱挥发物的炭比未脱挥发物的木炭更易于溶解在铁熔体中。此外，由于碳还原剂经受很高的温度，而且是在还原反应器内部，硫含量明显地降低。以这种方式获得的熔炼铁具有很低的硫含量。很明显，在熔炼预还原铁矿石颗粒时，可使用焦炭代替炭。以获得最好的碳溶解性。然而，使用焦炭代替炭会增加生产费用，并不能解决硫的问题。事实上，焦炭不含有挥发性物质，然而，它含有的硫量与生产它时所用炭中的硫含量大致一样。

在熔炼炉中将过量的碳燃烧掉，因此使其在颗粒熔炼期间，能节省电能。

只向多膛炉的上层炉膛内添加碳还原剂的事实，能使其使用气体的余热干燥和预热颗粒或铁矿石，并完全烧掉一氧化碳，不需要单独的后燃烧步骤。而且，这些上层炉膛内的较高温度会更多地降低游离碳中的硫量。

因此，本发明未预料到的优点，并不在于并列的两个已知方法，而是存在于两个方法之间的相互配合。

从以下作为实例的详细描述的优选实施方案，并参照附录中给出的草图，将会更清楚本发明的其他方面和特征。如下所示：

图1是根据本发明第一实施方案，生产液态熔炼铁的电弧炉示意图。

图2是根据本发明第二实施方案，生产液态熔炼铁的电弧炉示意图。

图3是根据图2电弧炉的平面图。

图1表示根据本发明第一实施方案，生产液态熔炼铁的电弧炉示意图。

它表示一个电弧炉10，含有转炉12，由14覆盖，通过该拱顶14有三个电极1 6穿透，这些电极16每个能产生约20cm的电弧和约4MW的功率。在这三个电极16中间放一个装置18，用于传送预还原金属细粉。该装置18包括，一方面，用于将预还原金属细粉送入炉12内的进料槽，另一方面，能够围绕落入炉内的预还原金属细粉，喷射一种氮帘20的喷咀。

预还原金属细粉的撞击点位于三个电极16之间，换句话说，在电弧炉12内的最热点。在撞击飘浮在液态熔体24上非泡沫渣22层上的时刻，预还原金属细粉立刻结合到其中，并迅速熔融。

转炉12的炉膛26装备有几块多孔砖28，通过该多孔砖喷射高速流动的搅动气体30，通过该气体30的喷射产生的扰动，经过液态熔体24，从而防止预还原金属细粉结块或形成结壳。

图2示出了根据本发明第二实施方案，生产液态熔炼铁的电弧炉示意图。图3示出了该电弧炉平面图。

在具有通过重力而中心装载的电弧炉10′内，配备三个后燃烧喷管32，与在电极环(“电极间距环”)上的电弧33之间的三个原始氧喷射器32′相连，构成的燃烧器具有与电弧相比较的功率。来自喷射器32′的原始氧喷射34是穿透喷射，并位于熔池表面24中，当氧穿透进入液态金属时，氧与含于熔体中的碳反应，并释放CO气体。这种CO的释放在熔池表面内和浮渣层中形成很大的扰动。

后燃烧喷管32，每个都会向炉渣层22内喷射一股后燃烧氧气流36，或二次氧的气流，这种二次氧气流36，比原始氧喷射34更弱且较少穿透，来自熔池表面24的CO随着原始氧的喷入而被燃烧掉。CO在炉渣层22的内部被烧掉。这就导致炉渣局部过热。为了增强炉渣的搅动并将炉渣推回到电弧炉的中心，后燃烧氧的喷射要这样定位以使产生的脉冲进入与那些电弧相反的炉渣。图3中箭头38表示出一方面由电弧33引起的炉渣移动，另一方面喷射后燃烧氧36引起的炉渣移动。这就能够加速预还原金属细粉的熔炼，并从而能防止这些细粉结块，以及被推向和粘附在电弧炉的炉壁上。

实施例1

对于给定的电功率，例如限定到12MW，使用额外的游离碳和氧，因此能使之使用任何技术：或熔融至少双倍流速的金属细粉或(DRI)，或供给较少金属化的金属细粉或(DRI)到炉内，因此增加了还原炉的生产率。

在多膛炉的情况下，通过具有生产90％金属化水平的50t/h的DRI能力所需要的50％容量的炉子，就能确保生产具有60％金属化水平的54或57t/h的DRI。

而且，表1中最后一栏示出了在DRI中以过量游离碳形式添加额外碳的可能性。

表1：将DRI供入1000℃炉内冶炼成具有3％C，1500℃下流动的熔炼铁的数据表。

DRI Fe水平(％)	金属化的量(％)	DRI游离C(％)	DRI流速(t/h)	熔炼铁流速(t/h)	电al功率(MW)	氧流速(Nm3/h)	额外C流速(t/h)
								80	90	8	50	40	12	0	0
80	90	8	125	100	12	3000	2.4
								74	60	8	54	40	12	3600	2.6
71	60	12	57	40	12	3600	0

标号说明：

10  电弧炉

12  转炉

14  拱顶

16  电极

18  转移装置

20  氮帘

22  渣层

24  液态金属熔体

26  炉膛

28  多孔砖

30  惰性气体

32  后燃烧喷管

32’原始氧喷射器

33  电弧

34  原始氧喷射

36  后燃烧氧喷射

38  炉渣移动

Claims (14)

1.一种在电弧炉中生产液态熔炼铁的方法，该电弧炉含有几个电极，装备有炉膛，并含有由非泡沫液体炉渣覆盖的熔池表面，该方法包括以下步骤：

a)还原金属细粉以形成含有过量游离碳的预还原金属细粉。

b)在惰气帘中使预还原金属细粉的热转移到电弧炉中的熔池表面。

c)通过喷射气体的搅动熔池表面要避免形成结壳。

d)在电弧炉中熔炼预还原的金属细粉以获得液态熔炼铁。

2.根据权利要求1的方法，特征是，依靠重力进行预还原金属细粉的转移。

3.根据权利要求1或2的方法，特征是，预还原金属细粉的转移是在位于电弧炉的电极之间的区域内进行。

4.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，通过经电弧炉的炉膛，以50-150l/min.t，优选以80-120l/min.t的速率喷射中性气体，而达到熔池表面的搅动。

5.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，通过经一个或几个喷射器，向熔池表面中喷射含氧气体，而达到熔池表面的搅动。

6.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，步骤a)包括如下步骤：

a1)使金属细粉引入到具有几个叠置炉膛的多膛炉内，并将其沉积到多膛炉的上层炉膛内，

a2)金属细粉逐渐转移到下一层炉膛内，

a3)向一个或几个下层炉膛内以足以还原金属细粉的量添加碳还原剂，并确保有过量的游离碳，

a4)加热多膛炉，并使金属细粉与碳还原剂接触而被还原，在适宜的温度下，由碳还原剂产生气体，

a5)燃烧掉由碳还原剂产生的过量气体，并用产生的热干燥和预热金属细粉。

7.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，在步骤a)或步骤b)中添加造渣剂。

8.根据权利要求7的方法，特征是，造渣剂选自石灰、熔剂和氧化镁，以及它们的混合物。

9.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，过量碳为7-15％，优选为10％。

10.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，碳还原剂为炭。

11.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，碳还原剂在步骤a)中脱除挥发物。

12.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，过量碳在步骤d)中被消耗掉。

13.根据上述权利要求中任一项的方法，特征是，过量碳通过经一个或几个喷管，喷射含氧后燃烧气体流到炉渣内而消耗掉。

14.根据权利要求13的方法，特征是，后燃烧气体的喷射的定位要使炉渣的移动朝向电弧炉的电极。

Images