專利名稱：熔融還原煉鐵的終還原裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于直接還原法冶煉鐵水領(lǐng)域。主要適用于用鐵礦粉和煤粉直接冶煉鐵水。
熔融還原作為冶金領(lǐng)域的一項重大新工藝，其主要特點是可用非焦煤作為一次能源和還原劑，而且是將氧化鐵在熔融狀態(tài)下還原，具有以煤代焦，流程短，顯著改善環(huán)境污染，降低基建投資和生產(chǎn)成本等優(yōu)點。它是未來煉鐵工業(yè)發(fā)展的方向，被譽為21世紀新興的煉鐵工藝，也是目前各國鋼鐵工業(yè)競相研究開發(fā)的重要領(lǐng)域。
在現(xiàn)有技術(shù)中，較著名的熔融還原工藝主要有COREX工藝(CN1042185A)、DIOS工藝(CN1054446)、Hismelt工藝(CN07102252)、AISI工藝(CN1071202)和PJV工藝(CN86100138)等，只有CPREX工藝實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。其它工藝還處在工業(yè)試驗或間試驗階段。
多數(shù)熔融還原煉鐵工藝均采用預(yù)還原+終還原“二步法”還原工藝。即上部預(yù)還原以間接還原反應(yīng)為主，下部終還原以直接還原為主的還原工藝。根據(jù)預(yù)還原的程度，目前世界上開發(fā)的各種熔融還原煤鐵工藝可分為以下兩大類型(1)高預(yù)還原度低二次燃率的工藝其典型代表為COREX工藝。COREX工藝上部采用豎爐進行預(yù)還原，利用終還原爐產(chǎn)生的高濃度(CO+H2≥95％)煤氣將塊礦或球團、燒結(jié)礦還原到金屬化率≥90％以后進入終還原爐熔化還原成鐵水。
(2)低預(yù)還原度高二次燃燒率的工藝，DIOS工藝、AISI工藝、Hismelt工藝等方法均屬于這一類型。其基本特點是在終還原爐采用具有混勻特點的鐵浴(或渣浴)爐作為反應(yīng)器，利用C直接還原FeO，將通過二次燃燒的熱量襝直接還原所需求的熱量。因此，本工藝上部礦石預(yù)還原的程度較低，一般為30％左右，只是將Fe3O4或Fe2O3還原為FeO；然后進入終還原爐熔化還原為鐵水。為了保證終還原所需的熱量，要求爐氣的二次燃燒率(即CO+H2O/CO+CO2+H2+H2O≥50-60％，才能獲得較低的煤耗。
由于COREX工藝以氣---固相間間接還原反應(yīng)為主完成鐵礦石的還原，還原氣體的消耗量大，造成能耗偏高；并受到氣固反應(yīng)傳熱、傳質(zhì)速率較低的限制致使生產(chǎn)效率低，投資成本高。
以DIOS工藝為代表的采用高二次燃燒率和低預(yù)還原度工藝路線的各種熔融還原工藝，由于要求終還原爐內(nèi)上部氣相具有較高的氧化勢(高的二次燃燒率)，很難控制下部熔池渣、鐵相保護很高的還原勢。因而無法避免高溫高FeO爐渣對爐襯的強烈浸蝕。目前，尚未有任何工藝能達到工業(yè)化生產(chǎn)條件。
本發(fā)明的目的在于提供一種采用預(yù)還原和終還原二步法的熔融還原煉鐵方法中的終還原裝置及其方法。
本發(fā)明所述的熔融還原煉鐵是以包括含碳球團、鐵塊礦、普通燒結(jié)礦、球團礦的含鐵物料為原料，以煤為能源和還原劑，采用預(yù)還原和終還原二步法直接煉鐵。預(yù)還原在預(yù)還原豎爐中進行，采用中等還原度，即還原礦的金屬化率為50-80％，預(yù)還原礦從預(yù)還原豎爐中的排料溫度為800-850℃。
上述預(yù)還原礦通過排料器和下料管，經(jīng)本發(fā)明所述的固定豎式還原爐的預(yù)還原礦入口3、進入爐內(nèi)，進行終還原。
現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明。
附

圖1為本發(fā)明熔融還原煉鐵的終還原裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
由圖看出，本發(fā)明所述終還原裝置為爐膛內(nèi)徑上下一致的固定豎式終還原爐，該爐包括爐體1、出鐵小井14、出渣小井15、出鐵口8、出渣口7、緊急處理口9、爐蓋16、礦石和溶劑入口5、預(yù)還原礦入口3、煤氣出口4、壓力平衡管6、煤氧噴槍2和底吹噴咀10。出鐵小井14和出渣小井15與爐體1的爐膛底部相通相連，出鐵口8和出渣口7分別與出鐵小井14和出渣小井15相通，煤氧噴槍2設(shè)置在爐體1的下部爐壁上，底吹噴咀10設(shè)置在爐體1的爐膛底部，出渣小井15通過壓力平衡管6與爐體1的爐膛上部相通，預(yù)還原礦入口3、煤氣出口4、礦石和溶劑入口5均分別配置在爐蓋16上；預(yù)還原礦入口3通過下料管與預(yù)還原爐相連，煤氣出口4通過煤氣輸送管道和除塵器與預(yù)還原爐的煤氣入口相連，礦石和溶劑入口5通過輸料管與原料倉相連。出鐵口8和出渣口7可在垂直方向上調(diào)節(jié)其上下高度。所設(shè)置的煤氧噴槍為2支以上。
本發(fā)明所述的熔融還原煉鐵的終還原方法是以經(jīng)預(yù)還原爐進行預(yù)還原的預(yù)還原礦為原料，預(yù)還原礦的金屬化率為50-80％，預(yù)還原礦的排料溫度為800-850℃，預(yù)還原礦從預(yù)還原礦入口3進入本發(fā)明所述固定豎式終還原爐中進行終還原。
在實施終還原過程中，在固定豎式還原爐爐膛內(nèi)的物料分為三層上層為預(yù)還原礦、造渣輔料(溶劑)和煤塊組成的固體充填床13，中層為支撐固體充填床的液態(tài)渣---焦流化床層12，下層為靜止的爐渣和鐵水層11。
在固體充填床13內(nèi)，預(yù)還原礦與高溫爐氣之間進行逆流換熱，預(yù)還原礦吸收爐氣的熱量，升溫并完成還原反應(yīng)
還原反應(yīng)溫度為1100-1300℃。對于含碳球團，將在1170℃開始迅速完成自還原反應(yīng)
該反應(yīng)強烈吸熱，使爐氣降溫。在該床層內(nèi)，具有一定預(yù)還原度的含碳球團將被進一步還原，使球團的金屬化率達到85-90％。
被爐氣進一步還原的預(yù)還原球礦隨爐料的熔化逐漸下降到液體渣---焦流化床表面，溫度升到1300-1400℃，呈熔融狀態(tài)融入液體渣---焦流化床12中。由于床內(nèi)劇烈的攪拌，加快了傳熱傳質(zhì)速率，并與爐渣迅速混勻。高溫熔渣與熾熱焦碳間進行終還原和滲C反應(yīng)
同時，在液體渣---焦化床內(nèi)，利用大量的還原氣體對熔融爐渣的攪拌作用，可迅速提高床層內(nèi)傳熱和熔池混合均勻程度，使預(yù)還原迅速熔化；并利用渣層內(nèi)的大量焦碳，抑制泡沫產(chǎn)生，控制渣中FeO≤3％，避免高溫液態(tài)FeO爐渣對爐襯的浸蝕。
在液體渣---焦流化床12的下部，通過煤氧噴槍2，同時向渣浴內(nèi)噴吹煤粉和氧氣。煤粉噴吹量為600-650kg/T，氧氣噴吹量為500-550Nm3/T，煤---氧在高溫液體渣---焦流化床內(nèi)以氣泡形式進行浸沒燃燒，生成高濃度(CO+H2≥90％)的還原煤氣，并以氣泡形式逸出液體渣---焦流床，進入固體充填床，與預(yù)還原礦逆流換熱。當還原煤氣以氣泡形式逸出液體渣---焦流化床時，避免了低溫揮發(fā)物(如焦油、瀝青等)的產(chǎn)生；同時，液體渣---焦流化床及其上部的固體充填床對還原煤氣產(chǎn)生良好的過濾除塵效果。
未燃盡的煤粉被液態(tài)爐渣過濾懸浮在熔池內(nèi)繼續(xù)與氧氣泡或FeO產(chǎn)生爐渣反應(yīng)，生成煤氣上浮排出。
在液體渣---焦流化床12內(nèi)，固體焦碳與液態(tài)爐渣的重量比值為0.5-1.0，以保證對固體充填床13的支撐，并使氣流分布均勻；另外，過量焦碳的存在使該層內(nèi)具有很高的還原勢，保證渣中FeO≤3％，避免了高FeO爐渣對爐襯的浸蝕。液體渣---焦流化床層的溫度為1400-1500℃。
在煤氧噴槍以下的部位為靜止的鐵渣和鐵水層11，在此對鐵渣進行分離。通過爐底的底吹噴咀10向爐內(nèi)噴吹惰性氣體對熔池進行攪拌。噴吹惰性氣體的強度為0.08-0.2Nm3/T.min，通過攪拌，一方面保證渣、鐵成分及溫度均勻，另一方面可通過攪拌使液體渣---焦流化床內(nèi)氣流分布均勻，保證其上部固體充填床內(nèi)發(fā)生較均勻的氣---固相還原反應(yīng)。由于攪拌作用，促進渣鐵間發(fā)生如下反應(yīng)使排出爐外的終渣FeO≤1％。
經(jīng)過在液體渣---焦流化床的還原反應(yīng)后，沉降下來的鐵滴和液態(tài)爐渣進入下部靜止的鐵渣和鐵水層，并依靠自身的重力和密度差實現(xiàn)渣鐵分離，分別從出鐵口8和出渣口7流出。
最終的液態(tài)渣、鐵，通過出渣小井15和出鐵小井14，從出渣口7和出鐵口8，采用虹吸方法連續(xù)地或間斷地出渣、出鐵。根據(jù)爐膛壓力，通過壓力平衡管6，可調(diào)整出鐵口8和出渣口7的高度，控制爐內(nèi)靜止鐵水層有穩(wěn)定的高度。出渣小井與爐體上部連通，使爐壓與小井內(nèi)壓力保持平衡。通過調(diào)整出渣位高度，控制爐內(nèi)渣---焦層高度，并使其保持穩(wěn)定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)本工藝巧妙地將具有混勻特點的鐵(渣)浴終還原反應(yīng)原理與具有高還原勢的焦碳固體填充床逆流換熱進行還原反應(yīng)的機理有機地結(jié)合起來，構(gòu)造“預(yù)原球團礦固體填充床-渣焦流化床-靜止渣鐵層”三層床程結(jié)構(gòu)，根據(jù)還原反應(yīng)的不同特點和溫度，進行相對優(yōu)化的還原反應(yīng)，達到提高生效率和避免爐襯嚴重浸蝕的目的。
(2)在固體充填床內(nèi)，利用上升煙氣的物理熱，對已部分預(yù)還原的礦石進一步進行預(yù)還原，提高其金屬化率。對于含碳球團，可實現(xiàn)高溫條件下(1100-1300℃)的快速自還原反應(yīng)，使球團金屬化率提高到85-90％。同時，使爐氣溫度降低到1000-1100℃，提高了煙氣利用率，有利于降低煤耗。
(3)在液體渣-焦流化床內(nèi)，利用大量還原氣體對熔融爐渣的攪拌作用，迅速提高床層內(nèi)傳熱、傳質(zhì)效率和溶池混勻程度，使預(yù)還原礦迅速熔化。并利用渣層內(nèi)大量的焦碳，抑制泡沫渣產(chǎn)生，并控制渣中FeO≤3％，避免了高溫液態(tài)FeO爐渣對爐襯的浸蝕。
(4)采用渣-焦流化床內(nèi)浸沒噴吹技術(shù)，噴吹煤-氧在液體熔池內(nèi)造還原氣。由于反應(yīng)溫度高，可避免產(chǎn)生煤的低溫揮發(fā)物，煤氧的燃燒效率高，爐氣粉塵含量低。通過控制噴吹氧/煤比可調(diào)節(jié)火焰燃燒的狀態(tài)，控制爐氣成分。
(5)采用虹吸法連續(xù)出渣鐵工藝，可以穩(wěn)定爐內(nèi)料層高度，保證一定的渣-焦比，進而控制反應(yīng)速度和爐內(nèi)還原氣氛。
(6)采用底吹惰性氣體弱攪拌工藝，有利于渣鐵進行更充分的還原，保證鐵的收得率較高，并有利于深脫S。
(7)在爐內(nèi)設(shè)有出渣、鐵小井，在爐內(nèi)分離渣鐵，避免渣鐵混出，有利于爐渣回收。
(8)本工藝可通過調(diào)整渣-焦層高度和比例，控制爐渣氧化性。通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)固體填充層的高度控制逸出的爐氣溫度。因此，本工藝生產(chǎn)過程比較穩(wěn)定，控制容易。
(9)本工藝適宜生產(chǎn)低Si、低P的優(yōu)質(zhì)煉鋼鐵水。
實施例采用本發(fā)明所述終還原裝置及其方法，在有效容積為0.03m3的小型熱模擬爐上進行了4次熔融還原煉鐵的終還原。所采用的預(yù)還原礦為預(yù)還原海綿鐵，其化學(xué)成分如表1所示。預(yù)還原海綿鐵的金屬化率和加入終還原爐時的溫度如表2所示。隨著預(yù)還原海綿鐵加入的同時，由煤氧噴槍連續(xù)向爐內(nèi)噴煤粉和氧氣，煤粉及氧氣噴吹量及終還原溫度范圍如表3所示。所噴煤粉的成分如表4所示。在噴吹煤氧的同時，從爐底噴吹氮氣，其噴吹量如表3所示。試驗所需耗能及其指標如表5所示。試驗之后測量了所得鐵水的成分，其結(jié)果如表6所示。
表1實施例預(yù)還原海綿鐵的化學(xué)成分(wt％)
表2實施例預(yù)還原海綿鐵的金屬化率和加入終還原爐時的溫度
表3煤粉、氧氣及氮氣噴入量和終還原溫度范圍
表4實施例所噴入煤粉的成份(wt％)
表5實施例綜合能耗及技術(shù)指標
>*注綜合煤耗包括球團中的煤含量和所有加入和噴入的煤量。
權(quán)利要求
1.一種熔融還原煉鐵的終還原裝置，包括鐵浴爐，其特征在于終還原裝置為爐膛內(nèi)徑上下一致的固定豎式終還原爐，該爐包括爐體(1)、出鐵小井(14)、出渣小井(15)、出鐵口(8)、出渣口(7)、緊急處理口(9)、爐蓋(16)、礦石和溶劑入口(5)、預(yù)還原礦入口(3)、煤氣出口(4)、壓力平衡管(6)、煤氧噴槍(2)和底吹噴咀(10)。出鐵小井(14)和出渣小井(15)與爐體(1)的爐膛底部相通相連，出鐵口(8)和出渣口(7)分別與出鐵小井(14)和出渣小井(15)相通，煤氧噴槍(2)設(shè)置在爐體(1)的下部爐壁上，底吹噴咀(10)設(shè)置在爐體(1)的爐膛底部，出渣小井(15)通過壓力平衡管(6)與爐體(1)的爐膛上部相通，預(yù)還原礦入口(3)、煤氣出口(4)、礦石和溶劑入口(5)均分別配置在爐蓋(16)上；預(yù)還原礦入口(3)通過下料管與預(yù)還原爐相連，煤氣出口(4)通過煤氣輸送管道和除塵器與預(yù)還原爐的煤氣入口相連，礦石和溶劑入口(5)通過輸料管與原料倉相連，緊急處理口(9)設(shè)置爐膛的底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于出鐵口(8)和出渣口(7)可在垂直方向上調(diào)節(jié)其上下高度。
3.一種熔融還原煉鐵的終還原方法，該終還原在固定豎式終還原爐中進行，以經(jīng)預(yù)還爐預(yù)還原的預(yù)還原礦為原料，以煤氧為能源和還原劑，將預(yù)還原礦與按比例配加的塊煤或碎焦及造渣輔料分別從預(yù)原礦入口(3)、礦石和溶劑入口(5)加入到固定豎式終還原爐中實施終還原，其特征在于(1)預(yù)還原礦的排料溫度為800-850℃，預(yù)還原礦的預(yù)還原度為50-80％，(2)在固定豎式終還原爐內(nèi)物料分為三層上層為預(yù)還原礦、造渣輔料和煤塊組成的固體充填床(13)，中層為支撐固體充填床的液態(tài)渣---焦流化床層(12)、下層為靜止的爐渣和鐵水層(11)；上部的還原反應(yīng)溫度為1100-1300℃，中部的還原反應(yīng)溫度1300-1400℃，下部爐渣和鐵水層的溫度為1450-1500；(3)通過設(shè)置在固定豎式還原爐爐體(1)下部的噴氧噴槍(2)向爐內(nèi)液態(tài)渣---焦流化床(12)噴吹煤粉和氧氣，煤粉噴吹量為600-650kg/T，氧氣噴吹量為500-550Nm3/T；(4)通過安裝在爐底的噴咀(10)向爐內(nèi)噴吹惰性氣體，噴吹強度為0。0.08-0.2Nm3/T.min；(5)在液態(tài)渣---焦流化床(12)中，固體焦碳與液態(tài)爐渣的重量比值為0.5-1.0。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于可根據(jù)爐膛壓力通過壓力平衡管(6)，調(diào)整出鐵口和出渣口高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于通過出鐵小井(14)和出渣小井(15)，采用虹吸式出鐵出渣。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于出鐵口(8)和出渣口(7)的高度可上下調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明屬于直接還原法冶煉鐵水領(lǐng)域。主要適用于二步法熔融還原煉鐵的終還原。本發(fā)明所述的終還原是以預(yù)還原礦為原料,在固定豎式終還原爐中進行。在終還原過程中,爐內(nèi)物料分為三層:固體充填床、液態(tài)渣—焦流化床及靜止的鐵渣和鐵水層。從還原爐下部的噴槍和底部的噴嘴,分別噴吹煤氧和惰性氣體,加速和強化還原過程。另外采用虹吸式出渣、出鐵,調(diào)節(jié)出鐵口和出渣口高度,控制爐內(nèi)鐵水層有穩(wěn)定的高度和渣—焦層高度。
文檔編號C21B11/02GK1248634SQ9912212
公開日2000年3月29日 申請日期1999年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月27日
發(fā)明者劉瀏, 佟溥翹, 吳啟常, 常立, 丁勇良, 曾加慶, 高建軍, 米谷明, 布煥存, 王忠奎, 王新華, 李嘉年, 高峰, 呂永前, 吳鏗, 崔淑賢, 張建良, 肖興國 申請人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院, 北京科技大學(xué), 冶金工業(yè)部北京鋼鐵設(shè)計研究總院, 承德鋼鐵集團有限公司, 中國科學(xué)院化工冶金研究所, 東北大學(xué)