直接煉鐵和鋼的製作方法

2023-04-23 00:44:11 4

專利名稱：直接煉鐵和鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及鐵和鋼的生產，特別是關於直接煉鐵和鋼的生產工藝。
我的美國專利No.5542963論述了一種直接煉鐵和鋼生產工藝，其特點就在於高壓熱還原氣體還原固態氧化鐵與對熱還原鐵進行連續熔化。本發明為一種改進的工藝，包括一些(技術)改進和增加，以使其更加通用。本專利申請是正在申請中的No.08/916395的部分繼續申請。
有許多人們熟知的實現固態氧化鐵還原的工藝和衍變技術，所有這些技術都是為了生產直接還原鐵，如人所共知作為最終產品的直接還原鐵或海綿鐵。傳統上這些產品被分為如下兩類A類採用的是高壓熱還原氣體穿過由氧化鐵顆粒球團或塊礦構成的重力接觸支撐床或流化移動床的固態還原工藝，其中高壓還原氣體包括補充已在外部進行改制的碳氫化合物或直接加入碳氫化合物的再循環爐頂氣體，且在產品排料端還原氣體的壓力是相當大的，一般為1-5大氣壓。
B類採用的是煤或其他固態碳質還原劑的固態還原工藝，煤或其他固態碳質還原劑作為離散顆粒與氧化鐵球團或塊礦混合在一起，或是作為氧化鐵造塊(造球)的一個組分，它們在迴轉窯或進行旋轉或移動的爐床內沿長而相對淺的移動床移動，在料床的上方有不再循環利用的高溫爐氣流，以及通過料床內煤反應生產的還原氣體，其中在產品排料端的過程氣體壓力相對於環境大氣壓力而言接近於零。
A類直接還原鐵生產工藝包括以在豎爐反應器內通過重力接觸支撐逐步下降的移動床為特徵的MIDREX法、HYL法、PUROFER法、NIPPON STEEL-DR法和AREX-SBD法，以及採用流化床或重力接觸支撐床生產碳化三鐵工藝的FIOR法、FINMET法、SPIREX法、CIRCORED法和CIRCOFER法。
B類直接還原鐵生產工藝包括在迴轉窯內採用加熱離散鐵-煤混合物料的SL/RN法、DRC法、KRUPP-CODIR法和ACCAR法。FASTMET法和INMETCO法則採用氧化鐵粉與煤混合造球的生產工藝，COMET法是在旋轉爐床上交替布置氧化鐵和煤/石灰石混合物料層的生產工藝。
本發明的總的目的就是要將在固態鐵礦石還原技術中的這兩類人們熟知的工藝與連續金屬熔化工藝結合在一起，形成直接從氧化鐵生產鐵水和鋼水的連續工藝步驟，與現有人們熟知的工藝或工藝組合相比，可實現對產品成分和質量進行有效控制的較高產量、較低能量需求，高金屬收得率，低原料消耗和較低環境汙染物排放的目標。
而就固態還原工藝來說，當僅採用天然氣或燃油進行操作時，對於ACCAR工藝是上述兩類工藝的一種不引人注意的例外。因為它不用固態碳質還原劑，是在大氣壓力下運行。在1967年和1977年之間，開發在大氣壓力下運行迴轉窯試驗中，表明當直接噴入高溫氧化鐵球團料床的碳氫化合物為天然氣或油時，它們會在料床內改制為還原氣體(CO+H2)，而免除了在外部對其進行改制的需要。這一工作已在Iron and Steel Society，AIME，1980，第87-90頁發表的「直接還原鐵生產和應用技術與經濟」一文中進行了總結。僅僅過了大約十年或更多一點的時間就突破了這一概念而應用於A類(直接還原鐵生產)工藝，如AREX技術，對於其他利用在外部進行已改制的還原氣體的豎爐技術就是一種可行的選擇。因此，可以應用的還原氣體構成範圍就寬多了。這對大體保持適宜的還原氣體溫度和C、H、O比例是十分必要的，以進行持續固態還原金屬鐵生產。這樣使得固態氧化鐵還原系統裝置的選擇更加直接地集中在這些目標上，如低工藝能量要求，高生產率，低的廢氣量且廢氣中含有較少的粉塵和未燃燒的可燃成分，提高對產品成分的控制，工藝簡化且成本低。
各種氧氣轉爐和電爐工藝在現行的工業化煉鋼生產中佔有統治地位，但它們都存在一個共同的問題，即在廢氣中含有未燃燒的可燃氣體CO和H2，人們熟知的熔池熔化工藝也存在這一難題。二次燃燒(post-combustion)技術的開發緩解了這問題，但在每爐鋼的不同(熔化)階段二次燃燒比例(PCD)變化範圍很大，因此，通過多個爐內氣體噴射裝置(噴射)過量氧氣就是完全必不可少的。爐內對其所產生的熱的利用-傳熱效率(THE)也處於相對低的水平，這主要是由於批量爐次熔化操作模式，典型電爐或氧氣轉爐的幾何形狀，以及熔池與煙氣排出口相距較遠等所致。一些如廢鋼預熱方面的應用也通常由於實際操作複雜和成本高而使其可行性有限。本發明的一個目的就是實現穩定且近乎完全的二次燃燒，包括爐內向爐料的傳熱效率，其特徵就在於穩定的高的二次燃燒比例和傳熱效率，同時在整個系統中有效利用廢鋼當中所含的顯熱，從而減少整個過程的能量需求，且排入大氣中的只是基本不含可燃成分的低溫廢氣。
現有的這些鋼鐵生產工藝其特性幾乎都是採用噴槍向熔池表面噴吹高純度氧氣，且一般為高壓和處於音速範圍的高速氣流。部分氧氣與鐵反應生成作為細粉塵排出的氧化鐵煙塵，這樣降低了金屬收得率且汙染了環境。本發明的另一個目的就是提供一種煉鋼工藝，該工藝不是將氧氣連續噴入熔池，而只是在需處理特殊物料和產品要求特殊時才採用(氧氣)。一個理論上的目的就是要大大減少現有工業化煉鋼工藝中普遍存在的氧化鐵煙塵的產生量。另一個理論上的目的就是提供一個採用低壓低純度氧氣的操作，如通過分子篩而製成的氧氣，代替高純度高壓氧氣。
本發明的另一目的就是只排放少量的廢氣，且廢氣溫度相對較低且基本不含有可燃成分。從而比其他鐵礦石還原和煉鋼相結合工藝熱量損失少，且向大氣中排放較少的汙染物。
本發明的另一目的就是在最短的時間內完成高溫固態還原鐵從還原帶輸入處於熔化階段的部分熔化金屬熔池中，且熱量損失最小，與大氣、爐氣和鋼渣接觸時間短。
本發明的另一目的是將高溫固體還原鐵布料於部分熔化金屬熔池中，且使它們充分擴散以避免未熔鐵塊的粘結形成漂浮物，並減少熔池中延緩傳質的障礙，以加速傳熱和熔化。
本發明的另一目的是在直接煉鐵和鋼工藝中消耗最少的物料、添加劑、燃料、還原劑和氧化劑，在該工藝中所有的主要工藝步驟都可以同步進行，並生產出連續的具有控制成分和溫度的鐵水和鋼水液流。
作為上述的A類工藝的應用，本發明提供一種直接煉鐵和鋼工藝，該工藝包括將含有氧化鐵的物料加入到還原反應器的氣-固還原帶，還原反應器通過高壓熱還原氣體進行加熱，而高壓熱還原氣體包括由再循環爐頂氣體、補充已在外部改制的碳氫化合物或直接加入碳氫化合物而構成。還原氣體穿過氣-固還原帶而與氧化鐵反應，生成固態熱還原鐵。接下來將該還原鐵輸送到長形迴轉爐內側爐壁中的包含部分熔化金屬熔池的氣-固-液熔化區，熔池上至少帶有一層漂浮的部分頂渣層，並由可燃含氧氣體燃燒而加熱，產生高溫爐氣流，高溫爐氣流從熔池上方通過不斷地為熔化熱還原鐵提供熱量，以生產鐵水和鋼水。而爐氣流則通過爐子的環形開口排出，其步驟包括
使熱還原鐵與伴隨的高溫還原氣體從氣-固還原帶進入直接將還原帶和熔化區之間連接起來的輸送管道，並與一噴槍相接，而噴槍通過迴轉爐的圓形端開口插入熔化區，噴槍角度向下傾斜指向熔池液面；將高壓載氣通入輸送管道，以攜帶和推動熱還原鐵，通過噴槍射出，載氣和熱還原鐵射流穿透熔池液面，使熱還原鐵浸入部分熔融金屬熔池並擴散，通過使爐內壁相對於熔池底部周邊旋轉，產生推動力，促使熱還原鐵在熔池內進一步擴散。
迴轉爐高溫燃燒產生的氣體所含顯熱最好用於熱還原氣體的預熱，在外部通過與氧氣的不完全氧化對補充碳氫化合物中的一少部分進行改制也是較好的特性，剩餘的主要部分直接在氣-固還原區內就地改制成還原氣體CO和H2。
當在或接近環境大氣壓力下採用B類固態還原工藝時，本發明提供一個將熱還原鐵輸入高壓區的附加步驟，通過輸入高壓氣體來施加高壓。離散的碳質還原劑，如煤炭等，當與熱還原鐵混合在一起時，最好在對鐵加壓、傳送、噴吹之前，通過粒度分離而去除，進而對煤炭進行清洗，並使這種未反應的還原劑再循環利用。最好將從熔化區排出的熱還原氣體輸送到氣-固還原帶，為氧化鐵還原提供補充熱量。
作為不論A類還是B類還原鐵的實際應用，主要工藝步驟最好連續同步進行，而爐料連續地加入和排出。本發明的工藝包括將附加的含有氧的氣體如將至少純度為80％的氧氣加入到氣流中，這可導致有效地實現(1)作為含在熱還原鐵內的殘餘氧化鐵的氧和碳之間反應而從熔池表面排放出來的CO的二次燃燒；(2)在氣流從熔化區排出之前，與載氣中含有的可燃成分和來自射流的熱還原氣體中的可燃成分反應，形成CO2和H2O，從而為熔化提供補充熱量。除了與爐子爐壁的旋轉和傾斜相結合有效分布和擴散固體噴槍射流衝擊區之外，通過在熔化區內向前和向後移動射流的一個優越之處，就在於載氣和熱還原鐵射流衝擊區沿部分熔化熔池縱向分布，便於滿足最有效熔化的傳質傳熱要求。
工藝最好包括將液態金屬推進氣-固精煉區，在位於爐子中的該氣-固精煉區帶有一個完全的熔融金屬熔池，並由排料端燃燒器提供一部分可燃氣體和含氧氣體進行加熱，以控制熔融金屬熔池的溫度。其基本獨立於熔化區內進行熔化的熱量要求。在控制迴轉爐側壁的攪拌作用情況下，對液態金屬進行攪拌、均質和精煉，以生產出所控溫度和成分的鋼水和鐵水。來自排料端燃燒器的高溫燃燒產生的氣流也可構成熔化熱量要求的基本部分。熔化熱量的其餘部分由二次燃燒和來自射流的氣體燃燒來提供，這可由加料端燃燒器燃燒直接輸入熔化區來作為補充。
用以控制和調節氣-固-液及氣-固反應區化學反應的熔劑、合金、增碳劑也可通過載氣輸送，與熱還原鐵一道輸入輸送管道而加入。補充加入的廢鋼鐵、生鐵、冷直接還原鐵、直接還原鐵壓塊可選擇的加入熔化區，並沿縱向前後移動輸入位置。
本發明工藝和裝置的各個其他目標、特性和優越之處可參照附圖由下面的詳述和權利要求中顯現得更加清楚。其中

圖1概要地表示了本發明工藝和設備的特徵，它實際體現的是利用在豎爐反應器中逐步下降的接觸支撐床內的氣-固還原進行的上述A類還原工藝；圖2為沿圖1中平面2-2的剖面圖；圖3為用於將熱固態還原鐵噴入氣-固-液熔化區的噴槍縱向移動循環的示範圖；圖4為在流化床反應器內採用A類還原工藝的概要的局部流程圖；圖5為在迴轉窯內採用B類還原工藝的概要的局部流程圖；圖6為在旋轉爐床上採用B類還原工藝的概要的局部流程圖；圖7為處於運行中的固體噴槍槍嘴的局部剖面圖，該噴槍也適於向氣流中加入氧氣；圖8為氧氣噴槍噴嘴的局部剖面圖，它適於為整個氣流二次燃燒而輸入氧氣；圖9為圖8中噴嘴的變形實施例；圖10為一個可供選擇的採用B類還原工藝的局部流程的概要圖；圖11表示的是圖10中噴射器組合的側面剖面圖，它用於對噴射的熱還原鐵進行加速。
參照工藝流程圖1，在還原反應器2內有一氣-固還原帶1；含有氧化鐵的爐料3，一般為塊礦或球團礦，通過至少一個反應器給料口4加入，從而形成一個因重力作用而逐步下降的接觸支撐床，經入口6輸入的高壓熱還原氣體5，通過爐料孔隙與固體爐料的移動方向呈逆向，向上穿過還原帶1，並與氧化鐵反應形成熱還原鐵58；反應生成的爐頂氣體7通過出口8排出，並引入旋風除塵器9，以去除顆粒狀灰塵，並在通過再循環壓縮鼓風機11進行再加壓之前，經冷卻洗滌塔10進行脫水。
與此同時，在迴轉爐內形成了帶有部分熔融金屬熔池32的氣-固-液熔化區12，在這裡，由還原帶1排放而來的熱爐料被熔煉。緊接熔化區12的是氣-液精煉區18，在這裡對出鋼前的鋼水的成分和溫度進行調整。這些區域都是根據需要通過加料端燃燒器19和排料端燃燒器20輸入的可燃含氧氣體進行燃燒加熱。燃燒產生的高溫爐氣流與爐料移動成逆向流動，經圓形加料端開口21排入廢氣管道系統。該系統包括去除塵粒的氣體調節室22和壓力控制調節閥23。之後高溫爐氣33向再循環爐頂氣體用換熱器24提供熱量。出金屬液則可通過出鋼口26排入鋼包27或通過虹吸管28進入真空爐29中。真空爐29除了帶有合金、脫氧劑、熔劑用閉鎖料鬥30外，在鋼水排入流槽或中間包31以供給連鑄機之前，還可進行氣體攪拌、吹氧、加熱等功能作業。
在所述實施例中，經過反應、脫水和增壓後的爐頂氣體35被分為三部分氣流第一部分氣流36被用作燃燒器19、20的燃料42、43，同時向其供氧44和45。第二部分氣流37在直接加熱器40中與空氣或氧氣燃燒以產生高溫氣體41，氣體41與燃燒產生的高溫氣體33一起構成了換熱器24的總輸入熱量，廢氣73則穿過最好採用噴水的霧化冷卻室74、抽風機75、調節閥76、除塵器77，最後經煙囪78排入大氣中。這樣經冷卻、除塵後的廢氣79是本工藝流程排放的唯一廢氣。它基本不含可燃成分和顆粒狀灰塵；第三部分且也是主要氣流38，在通過換熱器24後成為通入還原帶1的高溫再循環爐頂氣體50，用以補充、溫度調整和再循環之用。
如圖所示，碳氫化合物51是作為還原氣體的組成部分而輸入混合室52的，而碳氫化合物51B則可選擇地直接輸入(反應器2)，作為還原氣體5的不混合組分。而以燃油形式存在時，最好對碳氫化合物51、53進行霧化，為此只需少量高壓爐頂氣體35作為霧化介質。為了平衡所述工藝流程所需能量和氧氣，碳氫化合物53最好大約為總量的三分之一，在氣體發生器55中與氧氣54進行不完全燃燒，生成主要由CO和H2構成的高溫還原氣體56。故高壓熱還原氣體5包括高溫再循環爐頂氣體50、新碳氫化合物51、51B和碳氫化合物53的不完全氧化物56的混合。
許多固態還原生產工藝都可以由人們熟知的工藝衍變而來，例如，一個工藝流程可包括在碳氫化合物兌入爐頂氣體再循環系統(HYL法)或與爐頂氣體混合(MIDREX法)之前，對其進行前期改制，也可包括改制裝置(HYL法)的氣流或作為不完全氧化劑(AREX法)的空氣。它還可包括通過高溫碳酸鉀洗滌(PUROFER法)或單乙醇胺吸附(NIPPON STEEL IRON CARBIDE法)或PSA吸附(HYL法)去除再循環的CO2。還原帶1可以在1-大於5個大氣壓下運行，且隨著壓力的增加生產率顯著增加(NIPPON STEEL法)。適宜的調整包括在所有情況下與保證適宜的還原溫度的能量平衡相結合在一起以滿足操作條件，如C、H和O的物料平衡。
儘管許多不同的還原氣體再循環流程都是可行的，但本特別實施例被認為是最佳的。因為，除了由氧化鐵帶入的氧之外，還有氣體成分所要求的附加氧也會得到滿足，不需加稀釋氮以減緩氣-固還原反應和吸收流程中每次用以再加熱的熱量。同時，提供了在局部改制爐內直接反應需要的相當部分的熱量，避免了間接熱交換和外置改制爐的附加的能量損失。而且，碳氫化合物氣體在反應器入口前基本上都反應生成了CO和H2，從而可以進行氧化鐵直接還原反應並降低由於碳氫化合物在氣-固還原帶進行吸熱改制反應所造成的溫度損失；從物料和能量平衡角度，與以前的還原工藝技術相比，這些優點是十分明顯的。
在反應器2的底部的高壓熱還原氣體和熱還原鐵58隨時可輸送到氣-固-液熔化區12。可以使用旋轉閥60、密封螺旋裝置或其它人們熟知的機械裝置來調節鐵通過與輸送管道62相連的管道61的輸送速度。而輸送管道62與噴槍63相連，噴槍63是用於將熱還原鐵通過開口21噴入位於氣-固-液熔化區12內的部分熔化熔池32中。在標準操作規程中，熱還原鐵58與通過閥60從還原帶1中帶出來的高溫還原氣體一起進入輸送管道62。在所述實施例中，從再循環高壓熱爐頂氣體50引出的少量高壓熱載氣65被輸入輸送管道62，在管道62裡高壓熱載氣65與固態還原鐵和從管道61相伴而來的還原氣體混合，攜帶並驅動熱還原鐵進入帶有槍嘴34的噴槍63，而槍嘴34角度向下傾斜並指向熔池32的表面，將噴出的射流64噴入部分熔融金屬熔池32；通過控制閥66調節氣流流量，從而控制氣流和射流64的速度，進而控制熱氣體和還原鐵在與熔池表面發生撞擊時進入熔池32的穿透深度。添加劑16，如來自高壓添加劑給料料鬥17的熔劑、合金和增碳劑，可以隨熱(還原)鐵一起噴入，料鬥17與輸送管道62相連，並根據人們所熟知的風動給料和傳輸操作規程控制給料速度。
一般熱還原鐵的密度為2.0-3.8克/立方釐米，與此相比，渣的密度為3.1-3.5克/立方釐米，金屬熔池區域為7克/立方釐米。最初的趨勢是固態還原鐵噴到熔池表面上方並在金屬液上著陸和漂浮之後，升入渣層；同時在還原鐵塊或球團浸入到液態鐵熔池時，在再次熔化結殼和使球團達到完全熔化之前，最初在球團表面會形成一個金屬凝固的固體殼或表面結殼；通過傳熱和傳質就開始熔化了，當槍嘴34運行平穩時，該系統聚集相對大的未熔物料流量於射流64的著陸區。例如，對於一般中等規模的豎爐，如果熱還原鐵58以每小時60噸的速度進行生產，則大約每秒33鎊的鐵就輸入熔池32中，如果缺乏對未熔鐵料進行強制擴散的機制，則它們就會集中在射流附近的熔池區域，甚至可能集結在一起並形成一個主要由固態還原鐵構成的漂浮物。參照圖2可以看到，本發明提供一個擴散機制，即通過爐子15的內襯旋轉作用驅動熔池32的底部周邊，並與射流64的速度形成的擴散力相結合；通過增加爐子旋轉速度，最高達每分鐘10周以上，可以提高擴散效果；增加爐子的傾斜角度也會增加縱向的擴散作用。
隨著在區域12耐火磚壁內迴轉爐大小和長度與直徑的比率的增加，對熔化熱的擴散類似於貫穿熔化區12的高溫爐氣流和耐火磚壁的熱釋放效率，主要靠射流速度、爐子旋轉和傾斜來進行未熔鐵的擴散是越來越困難。一個方案就是採用沿區域12分布附加的固體物料噴嘴或噴槍；作為另一個方案即為本發明所示實施例的最佳特性，噴槍64可以在熔化區12內在縱向向前和向後到達各個位置，並移動噴嘴34。
作為通過撓性軟管90與輸送管道62相連而輸送熱還原鐵的懸壁式噴槍63，在固定槽式支撐輥48和可收放的夾緊導輥49之間移動，噴槍入口端卡在移動小車47上，而移動小車47安裝有在縱嚮導軌39上滾動的支撐導輥。舉例來說，移動或調整噴嘴34插入熔化區12的行程，可以通過可逆式變速液壓或電動馬達驅動導輥48來完成。導輥48帶有極限距離繼電器，並基於沿導軌39的極限位移和中間定位點來檢測小車47的位置。最好垂直方向的調節也包括在內，如通過液壓缸59繞支點57垂直旋轉導軌39。用氣幕對穿過加料罩的噴槍通道開口進行適當密封，至少是部分密封，並在豎直延長線方向適當延伸；在操作期間用可移動的護板或門來遮蓋，以在噴槍插入或因維修而移出等過程中為傾斜安裝噴嘴34提供一個順暢的通道。另外舉例來說，設備變形還包括長的套管取代導輥組合48、49及小車47，從而通過萬向球螺杆或長程液壓缸來進行移動。
熱還原鐵可由在最大插入長度Lmax和最小插入長度Lmin之間連續移動噴槍噴嘴34沿縱向進行布料。例如圖3所示的一個循環過程，在這個循環中，噴嘴從Lmax位置以1英尺/秒的均勻速度向後移動直到其到達Lmin位置，從這裡折返並以3英尺/秒的速度返回Lmax位置。屆時這個循環則被重複，在一個方向上相對於另一個方向增加噴嘴移動的速度，如圖中所示，或許是降低靠近折返點突發或周期性「雙倍投料」效應的最簡單方法。為了滿足在特定區域優先集中固體物料，噴槍移動速度可以要求逐步地改變或根據方案進行加速或減速；在確定Lmax位置時主要考慮的是在熔融鐵從熔化區12排出之前完成熔煉，Lmin的設定靠近加料端開口21有助於充分利用有效傳熱區域，避免在加料端熔池32的不必要局部過熱和降低熱氣體33的溫度。相反，對於小的Lmin，則載氣中所含有的可燃成分在其從開口21排出之前沒有充足的時間反應生成CO2和H2O。氣體取樣和分析系統對氣體33的可燃成分和氧含量進行連續監測十分有助於確定最佳Lmin距離。Lmax-Lmin之間的距離最好至少為區域12總長的一半，通常在70-90％的範圍內。
如圖2所示，轉動爐壁引起靠近熔池底部的金屬沿爐壁旋轉方向移動，這導致熔池表面附近沿相反方向的抵償運動。在每個循環的兩次通過之間的時間間隔內未熔化的物料從噴槍射流橫向漂移。如圖所示，在整個生產階段，位於熔池表面附近的金屬橫向移動的逆流之上的噴槍射流使未熔化鐵擴散至橫跨整個熔池寬度。
如圖所示，噴嘴34以大約45度角向下傾斜並指向爐子15的排料端。但也可以是任意適宜的銳角，最大為90度與熔池表面垂直。陡的角度增加射流穿透深度，小的角度有利於加大所用載氣和爐內氣體和氧氣的紊流混合，從而延長在爐內的時間，進而在它們從開口21排出之前有利於充分傳熱和所含可燃成分的完全燃燒。
圖1所示的實施例中，管道61安裝有換向閥67，用於通過另一個管道68將熱還原鐵58分流到水淬池69，脫水裝置70和乾燥裝置71工序，從而生產作為中間替代產品冷直接還原鐵72。也可包括回收和再利用通過閥60、67出來的熱還原氣體，如通過向管道68通風並用管道將氣體輸入到鼓風機11的入口。需要注意的是豎爐用原料球團或塊礦一般粒度大於3mm，還原鐵58也與此相似，除了由於生產中暴裂所產生的少量的細顆粒。由於溼表面積與重量的比值相當低，而且在水淬中通過限制水份吸收量，主要是使表面變溼，故只有少量水份被吸收。通過限制水淬時間以在高溫時排出溼球團，通常大約為100℃，它們基本上在冷卻期間就可以自行變幹，生產出冷態乾燥的還原鐵中間產品，而不需要外來乾燥熱。這種冷態直接還原鐵可以例如通過高壓料鬥17作為一種添加劑而重新加入用於熔化，從而防止鐵水和鋼水的產量損失。水淬的另一個優點在於可以附著一層溶解或懸浮在水淬液中的惰性塗層試劑，以減少冷態直接還原鐵球團在儲存或運輸過程的再氧化。從而可取消通過噴塗等方式進行的鈍化後序操作。
圖4表示的是A類固態還原的工藝流程，但它是流化床而不是重力接觸支撐床。流化床80位於反應器81的氣-固還原帶1之內。反應器81被供以含氧化鐵的爐料82，爐料82通過熱還原氣體5進行流態化。圖示非常簡潔，省略了個別裝置和變化，這些可以清楚地從許多眾所周知的實用性流化床鐵礦還原工藝技術中看到。這些工藝總的說來將含有氧化鐵的爐料加工成小於3mm，且在各種工藝流程和機械裝置中採用沸騰和再循環流化床。通常以豎爐工藝為例，爐頂氣體83帶著較重的爐料負荷。在旋風除塵器86中脫除大部分爐料塵粒85後的清潔爐頂氣體，大部分一般經脫水、加壓、加熱、補充和再循環而返回到流化床80中。高溫固態還原鐵87，從低碳金屬鐵到幾乎純的碳化三鐵Fe3C的滲碳鐵加上自由碳，以由流速控制閥89調節的流速穿過管道88進入輸送管道62，在輸送管道62中，又被高壓載氣65承載通過噴槍63，以射流64從噴嘴34射出，噴入氣-固-液熔化區12。在圖1中噴槍移動裝置沒有予以圖示，但在某些方面的益處是很大的。如當鐵和廢鋼、熱壓直接還原鐵塊等輔助金屬爐料13用其它設備，如振動式給料輸送設備14，加入熔化區12時，則構成了加入熔化區12的爐料的重要組分。如圖所示，給料輸送設備14安放在與爐子15縱向對齊的軌道上運轉的輪子上，從而使輸送設備前後移動，沿縱向分布爐料13出口位置，然後通過旋轉爐子內壁並結合向下傾斜爐子15使爐料13在熔池32內進一步前移和擴散。造渣料和合金材料或冷還原鐵球團作為添加劑16也可以從高壓料鬥17加入。將撓性軟管90接到輸送管道62上，一般來講，它們都是由耐熱合金和外部絕緣材料製成，以便於與在任何要求位置的反應器2或80或對應的爐子15相接，也便於調節噴槍63插入熔化區12的插入位置和角度，甚至在不需要噴槍橫移時。當隨著迴轉爐15的轉動而浮動安裝時，便於加料罩46的密封是其另一個優越之處，特別是在噴槍63直接由加料罩46支撐時。
與圖1相似，也可包括冷卻和排出熱還原鐵的分流設備，但因為爐料粒度較小而需要較多的脫水和乾燥裝置。另一種方法可以採用人們已熟知的不進行直接水淬而是間接冷卻；與圖1相類似，將熱氣體33通入對流態還原氣體5進行預熱的換熱器。舉例來說，通常流化床碳化三鐵還原工藝採用外部補充加熱器以預熱到1200℃，同樣也可通過利用氣體33所含的熱量來取代。
圖5為一流程，在該流程中的固態還原屬於B類工藝。其氣-固還原反應是在一長條形的移動床93內進行的。移動床93隨著微微向下傾斜的迴轉窯反應器94的旋轉而連續向前移動。從料倉117通過控制速度給料機，經一般的輸送裝置或加料流槽118將含有氧化鐵的球團或塊礦、煤、煤炭以及作為硫吸附劑的石灰、白雲石等構成的爐料加入反應器94中，對大部分迴轉窯還原技術而言，還原劑是煤或煤炭，它們與顆粒狀氧化鐵混合，在流動床93內經受熱反應生成CO和H2，生成由熱固體還原鐵、煤炭、殘餘灰分和吸硫熔渣組成的反應混合物97。同時煤/煤炭也提供了總熱能需求的大部分。而空氣或氧氣則是通過沿反應器94呈一定間隔分布的噴孔或燃燒器96及排料端燃燒器119而輸入。為保持所期望的反應溫度範圍，如果必要的話也可以用液態燃料或氣態燃料作為補充能源。離散狀的混合物92中的煤和熔劑一般粒度小於含有氧化鐵的球團或塊礦，便於用通常大約為6mm的封閉式熱篩篩板98進行分離，從而生產出篩上的基本乾淨的熱還原鐵99的連續料流，用於直接輸送到熔化區12。篩板98一般是要振動的且篩子的篦條可以內部水冷或由耐熱合金製成。篩子最好還可帶有頂篩板(沒有示出)，其篩孔尺寸適於去除大塊粘結在一起的大塊爐料並將其送到一個帶有定期排料口的適當密封料倉中。
除了作為混合物92的組分，煤和煤炭也可以沿移動床93加入，如通過風動噴吹，這是一種在迴轉窯反應器鐵還原技術中的較普通的操作工藝。在氣-固反應區95內氣流一般與料床的移動方向相反，廢氣135經加料罩136而從加料端開口排出並進入一個適宜的淨化和排出系統，最好該系統包括顯熱熱交換裝置。
熱還原鐵99可以通過插入旋轉閥91入口中的流槽和緩衝礦槽100或其他裝置如螺旋給料器或閘門式給料器排出，並將其排入輸送管道62中，以便由載氣101輸送，從而經輸送管道62將還原鐵送至噴槍63。一般旋轉閥91為偏心式，當用氣動輸送系統輸送相對熱且大塊度物料時，最好還包括一些已為人們熟知的旋轉氣閘閥門技術方面的特殊裝置。由於與A類氣-固還原區壓力一般大於1巴不同，B類氣-固還原工藝一般控制設定值，即在環境大氣壓±3mm水柱以內。載氣通過閥91的洩露量和回流量就可以反映有效氣體量，最好這些氣體的大部分都能被排入大氣或是導入載氣增壓系統用於再循環。
傳統上，高壓載氣101最便於從外界氣源供給，因為工藝流程產生的熱高壓再循環氣體不是本身自然可以利用的。其它可以選擇的辦法包括對氣-固還原區廢氣135進行增壓，或將載氣入口通道通過罩115插入氣-固反應區，然後利用高溫鼓風機對迴轉窯氣體加壓，從而形成載氣101。由於這些還原區氣體溫度高，其成分通常對熱還原鐵屬還原性或中性的，故用此方案，在輸送期間再氧化和溫度降都很小。由氣-固-液反應區12排出的燃燒產生的高溫爐氣112具有1600℃左右，並只含有少量未燃燒的CO、H2和碳氫化合物，氣體112通過廢氣輸送管道114輸入氣-固反應區95以向那裡提供部分熱量。注意最好用於在迴轉爐連接處密封的固定式封閉裝置115、46也與各種輸送設備相連。管道114也可以帶有旁路，如用於排出廢氣。另外在反應器94停爐時，廢氣112可以用於空氣、氧氣或燃氣預熱或是氧化性球團預熱等。在反應區12內幾乎所有可燃成分完全反應成CO2和H2O。對B類來說，與A類相比，並沒有那麼重要，因為對這些氣體而言，在氣-固還原區仍有第二次機會實現完全燃燒，而對A類，它們通常只被用於通過間接傳熱進行換熱。
熱篩下料可排入水淬池120，進而通過溼式磁選分離設備121來回收鐵122，以便再利用。例如，經精磨機123，濃縮機124和過濾機125脫水，從而作為氧化鐵造球和球團混合料的添加料，鐵122、126也可以用作熔煉添加材料16、17，非磁性物料126可以進行溼法篩分127，並將漏在篩下的細灰和水合吸硫物128送到廢物沉降池。對篩上的煤炭129進行脫水，然後重新利用，從而成為移動床93固態碳質還原劑的一部分。大家熟知的固態迴轉窯還原法也一直用於已被造球的鐵礦石和精礦的還原。造球過程有通過圓盤造球機或圓筒造球機造出生球、預乾燥、乾燥和預加熱或通過低溫固化工藝進行處理，而不用在高溫下加熱進行初始固結。這樣，經過適當的破碎之後，再循環使用的煤炭也可以與精礦粉混合進行造球，從而構成還原用球團的一部分，同時也成為固態碳質還原劑的一個組分。新碳質原料也可加入到球團中，從而在球團中所含的再循環碳質原料和新碳質原料一道構成了在氣-固反應區中所使用的固體碳質還原劑的相當大的部分，甚至全部。球團爐料含碳量高時，篩子130和再循環系統121-129很大程度上變得多餘了。全部反應後的混合物97也可被旁路送到水淬池120，例如通過翻轉絞接篩篦條送進段130，接著進行溼冷篩分127，對於篩上物料131則送去乾燥132，以生產冷直接還原鐵球團133。球團133可以輸送到反應區12，或作為另一添加劑16、17而噴入反應區12。溼的篩下料134可以如已述的那樣，再加入細粒材料(加工利用)循環。
圖6表示的是B類氣-固還原工藝，其中，由細粒度氧化鐵和煤混合製成的球團構成的爐料138作為薄料層分布在環形加熱爐式反應器139的迴轉爐床上。通常加熱燃料140通過沿爐膛以一定間隔的燃燒器加入，且來自鼓風機144的經預熱燃燒空氣137也被輸入以控制爐料溫度，並實現爐氣的完全燃燒。爐內氣流與爐床的轉動方向相反，呈逆向，且廢氣141出口靠近爐料給料器138或與其重疊。迴轉爐燃燒產生的氣體112被通入環形加熱爐反應器139，以提供補充熱量。廢氣141一般經調節器145、換熱器146、除塵器147、抽風機148和煙囪149排出。由於固體還原劑為球團的一個組分，因此它們可以直接通入傳熱和噴吹系統，而不需篩分。圖示的是一個適用於較高傳輸壓力且無載氣回流的系統，特別適用於前述的噴吹技術的長距離輸送熱還原鐵。熱還原鐵通過密封流槽輸入緩衝料鬥100，並以間歇方式排入料鬥102，隨後帶壓輸入連續保持壓力的料鬥103，並在減壓後接收來自料鬥100的熱還原鐵。該系統安裝有適宜的切斷和控制閥裝置，如固體料流控制閥104、106和密封閥105、107。料鬥壓力最好是由在載氣支線管路109上的調節器110來控制，它還包括與閥105開口同步閉合的切斷閥111，從料鬥103還原鐵噴射進入輸送管道62可以通過旋轉閥或計量閥108均勻排放。另外，密封閥107可以採用雙位門或是將熱還原鐵直接分流到兩個高壓料鬥103中的一個，平行輸入輸送管道62。根據氣動傳輸技術，許多設備和控制方法都是可行的。
一般熱還原球團142都含有殘餘煤炭和煤灰，這造成區域12、18產生大量的爐渣和較高的熔劑供給量，以保證相同的爐渣鹼度。這樣，在我的美國專利No5305990中的連續控制爐渣排放、同步爐渣與鐵水和鋼水分離的方法就特別有優越之處了。另外，圖示的噴槍63變形為直筒式噴嘴34，並帶有一靠近開口21且大致與噴槍中心線相交叉的支點57，從而適於繞支點57旋轉噴槍63，以及縱向移動噴槍小車來沿縱向移動射流64。伴隨插入距離增加，氣流對熔池表面衝擊角度變平，可能並不是好的方案。
在旋轉爐床(COMET)上的氣-固態還原的另一個改進是含有細顆粒氧化鐵爐料和煤/石灰石混合物交替布置的料層進行加熱還原，則伴隨鐵精礦的粘結會減少。從而最好在對大塊度的鐵進行破碎步驟之前，進行如圖5所示的熱狀態下粒度分離，生產出適於輸送和噴吹的連續熱還原鐵。
高壓空氣，最好經過預熱，是一種顯而易見的載氣方案，因為氧氣對鐵有氧化作用，而且在一定熱還原鐵溫度以上對碳的氧化優先於鐵的氧化，在輸送期間鐵的再氧化會減少。同時，就鐵而論，特別是對A類還原鐵，一般表面帶有細小的碳黑狀等形態的游離碳。不利之處是熔融金屬中氮的溶解。這對產品質量有潛在的影響是決定性的，以及一些過早的且不可預料的碳的消耗，而這碳對FeO的還原是很有用的。惰性載氣如氬氣很容易以產生相對高的成本，且它們中是用非放熱氣體(與強放熱氣體CO2處H2O相比)對氣-固-液熔化區氣流進行稀釋，從而降低了熱能的有效利用。載氣可以先預熱，也可在滿足供給要求的溫度下加入冷氣。考慮相對比熱、傳熱和傳質，在通過室溫載氣輸送過程中，當每輸送1噸鐵載氣量為4克分子時，對熱還原鐵的冷卻溫降總體說來不到15％。對於這一溫降肯定會增加對區域12熱平衡的冷卻作用。
熱還原鐵一般含碳範圍為1-2％，或20-40磅/噸鐵，通常以方鐵礦、FeO形式存在的氧為1-3％，且方鐵礦、FeO都彌散在整個熱還原鐵中。當將其加入金屬熔池32中，並進行熔化時，就進行以反應式表示的脫碳沸騰反應。為了每噸鐵中1％的降碳，需要輸入熱量80000英國單位熱量，並同時從熔池和渣的表面產生主要為CO的600立方英尺的氣體。通過這些處於爐溫的CO與室溫氧氣的近乎完全的二次燃燒，根據放熱反應式，在爐氣從開口21排出之前，每噸可約有180000英國單位(btu)熱量釋放出來，前提是CO為熔池溫度2800°F，而氧氣為室溫。通過向金屬和爐渣傳熱，有助於熔化，同時作為殘餘顯熱還可用於氣-固還原。由於在金屬熔池和滬渣中存在鐵被氧化生成FeO的可能，這些一般就要求補充碳，如添加劑16，以滿足大部分型鋼產品中的碳含量範圍。為了滿足預計所需的熱量，在2800°F的鋼液顯熱為1200000英國單位熱量/短噸(shortton)。
這樣，加入氧氣主要用於兩個目的(1)在熔池32內由於脫碳沸騰而產生的CO的二次燃燒；(2)載氣及來自射流64中的伴隨熱還原氣體的燃燒。為了目的(2)，要發生反應的可燃氣體必須集中於射流64的衝擊區，而為目的(1)它們要均勻分布於熔池32的整個液面。如果為了實現目的(2)而將全部附加的氧氣直接輸入射流64的區域，氣流的輸送及混合對目的(1)就不適宜。所以，部分二次燃燒用氧氣的一部分就可以由分流噴嘴提供，或作為燃料的過剩氧氣通過噴嘴19、20來加入，或是將兩者結合起來。
根據還原帶和熔化區的距離和不同標高，通過管道61的載氣和從氣-固還原帶流出的伴隨還原氣體量可能變化很大，但通常在每噸2-8磅克分子，具有代表性的是4磅克分子，或是1500標準立方英尺。一般這些氣體中只有少量與鋼水反應，而大部分融為射流64的氣流。與氧氣反應釋放的熱量取決於可燃氣體含量，對每立方英尺的CO、H2和CH4其所含熱量分別為270、240和780英國單位熱量，而依據是在射流64為1500°F，反應生成3300°F的CO2和H2O。而在一些情況下，這些熱量會是零或接近零，如採用空氣、CO2或惰性氣體作為高壓載氣等。
當熔池中碳和氧在熔化中理論上大體達到平衡，或是存在碳不足時，則不再需要向熔池中噴氧，而用於滿足鋼中碳含量需求的增碳都可作為添加劑16噴入或以其他方式加入。所要求加入的總量反映出在熔化和精煉區由金屬和渣中氧化物構成的多餘FeO的量，另外的選擇包括鎂、矽、鈣、鋁及與FeO反應的特殊混合物等脫氧劑，形成的反應產物進入渣中，而不是在熱爐氣中。
某些A類操作工藝和B類迴轉窯還原工藝還原鐵中碳都可低至1％，或僅每噸2磅。在這種情況下，加入碳或其他脫氧劑就可以避免金屬的過氧化，並保持鋼水中碳處於所要求的水平。相反，熱還原鐵的碳基本超過與FeO反應的理論量，則向熔池噴氧就是顯然的方案，但主要差別是每噸中每1％(20磅)的碳氧化成CO熔池釋放的熱為40000英國單位熱量，而不是吸熱80000英國單位熱量。載氣中所含有的氧氣必須與單獨噴氧相當。
碳化三鐵還原工藝與圖示是相符的。因為熱還原鐵一般碳、氧含量高，其中氧以氧化鐵形式存在，例如，假設碳化三鐵含碳量為5％，氧含量為6.5％，而鋼水碳含量要求為0.5％，為了簡化說明起見，假設爐內氧化鐵均由FeO構成來與其他脫氧劑反應。假設0.5％的氧(重量)以FeO形式存在於渣中，而4.5％的碳與剩下的6％的氧相平衡進行，則鋼中殘餘碳為0.5％。由於脫碳沸騰而產生的CO量大約為4.5(600)＝2700標準立方英尺，且吸收4.5(80000)＝360000英國單位熱量/噸，氣流中約有1350立方英尺的氧用於與CO反應生成CO2，伴隨每噸鋼水釋放出大約4.5(180000)＝810000英國單位熱量的熱量。由於氣流中的熱量也要用於還原帶的循環再利用，因此，向熔池中傳送時具有高的傳熱效率(HTE)是有益的，但對於整個工藝過程的熱效率卻不是最關鍵的。但就是這樣，就二次燃燒而言其熱效率也遠比電爐、氧氣轉爐高，因為細長的熔化區和對爐壁的旋轉攪拌，從而連續穩定地將熱量傳遞到熔池中。在碳化三鐵還原技術中低純度氧會明顯降低可達到的生產率，因而，對類似的還原設備，規範採用高純氧氣的熔化區工藝操作，以能夠達到較高的生產率和低的生產成本。
A類工藝其特點為高壓預熱再循環爐頂氣體50，它含有可燃氣體CO和H2，可用作載氣，也可以通過補充新的碳氫化合物來作為熱還原氣體5。這些氣體是有用的且有相當優越之處，特別是如果它們在區域12內的燃燒被控制主要在工藝熱量需求最高的區域，則這一過程會進行得很完全，同時也會避免未燃燒的可燃氣體排入大氣中。氫可以以載氣中的H2分壓相平衡的值溶解在鋼液中，即通常在8-16ppm，伴隨載氣中H2為25-50％，這是由鋼鐵冶金熱力學所決定的。至少(對氫的)部分脫除會受脫碳沸騰作用的影響，還有後面的真空工藝，如真空裝置29，但對於特殊的工藝應估計可能對產品質量的不利影響，包括最終產品。
圖7表示的固體噴槍實施例，它適於注入了氧氣的氣流在區域12內與載氣中所含的可燃氣體混合併發生反應。噴槍63的噴嘴34以銳角向下指向鋼水熔池表面，如圖所示，其角度大約為45度。載氣、熱還原鐵和添加劑的射流64將渣層152分開並穿入熔池32中，產生一紊流旋渦157。噴嘴34帶有氧氣噴射環形通道153，並根據眾所周知的操作規程，由水冷套管155進行冷卻。如圖所示，氧氣射流156可以從圓形開口或半圓形開口154射出，或是由單孔或多孔噴嘴159(見圖2)射出。最好壓力和速度較低，因為不需將金屬或爐渣穿透，而是，隨之而來射流64動能的耗散，載氣從旋渦157向上升起，與已廢載氣和從熔池產生並釋放出來的熱還原氣體158混合併發生反應。伴隨載氣中可燃氣體與氧氣混合併燃燒，結果主要在擁有未熔鐵最集中的熔池區域上方產生放熱。當然，通過噴嘴154輸入氧氣可以選擇獨立於氧槍63的氧槍來輸送。
圖8表示的是氧槍噴嘴160，它特別適合於將氧氣與總的氣流151相混合，這有助於目的(1)-由熔池中脫碳沸騰而生產的CO二次燃燒。氧氣通過水冷圓形外管162和水冷內管163之間的環縫161輸入，內管163帶有氧氣射流流量、方向和分布控制圓環164，圓形環縫噴嘴開口165處於外管162的端頭和圓環164的後背之間，通過它們以連續氧氣幕狀沿軸向橫跨射流166，成輻射狀向外噴出，圓環164最好是通過由內水管168輸送的冷卻水進行水冷的，並通過內管環縫169返回。開口165可以加工成特殊形狀以提高與氣流的混合效果，加速與可燃氣體的反應。例如，在圖示中，環縫開口165是以與垂直方向成30°向上遊延伸，射出一個圓錐形的向外輻射的氣幕，它與總氣流流向相反，使氧氣射流166朝下指向熔池32的開口165段，比上部控制射流的區段變寬。從而更多的氧氣直接穿過來自熔池液面的CO，開口165的寬度以及在指定壓力和速度下氧氣流量可以通過調節軸向管子163的位置來改變，而管子163的位置調節是通過沿軸滑移內管位置導向器167於外管內的不同位置。例如，通過將不同厚度的間隔墊圈安裝在內管163的入口端法蘭上。圖9表示的是氧槍噴嘴實施例的變化形式，其中一個類似安裝的圓環只起折射圓環170的作用。它適於向外折射氧氣射流171，它使環形氧氣幕穿過整個爐氣。
該氧氣射流為二次燃燒提供氧氣，氧氣射流同金屬流動方向呈反向，與熔池表面交匯，包括整個氣流。然後，熱反應氣體混合物同步流動一段距離，並對熔池和爐壁進行加熱，接著在旋轉爐子時，連續對熔池進行攪拌，從而將爐壁上吸收的二次燃燒熱量傳遞給熔池。這樣，與以前的技術工藝相比，如電爐、氧氣轉爐技術，本發明在二次燃燒比例和傳熱效率方面具有明顯的優勢。
當載氣含有大量的可燃氣體時，可以採用兩個單獨的氧氣射流，一個射流如圖7所示，主要為載氣和由射流64而伴隨生成的熱還原氣體，而另一射流如圖8所示，為均勻的氣流，以使熱還原鐵中所含的碳和FeO進行脫碳沸騰，而產生的CO進行二次燃燒。連續對排出的廢氣進行分析能夠調節氧氣噴射位置和操作參數，滲有氧氣的氣流也可用於噴嘴19、20燃料的燃燒，例如，燃燒器20為以過量的燃料的富燃燒，減少精煉區18的氧化，除了前面目的(1)和(2)的要求以外，則在區域12內由氣流中的氧氣燃燒。加料端燃燒器19和氧槍160也可沿縱向進行位置調整，例如，通過一個與噴槍63基本相同的系統來進行，這樣就提供一種手段來調整區域12內的燃燒反應及熱釋放的分布。例如，參照圖1和圖2，對於噴嘴34和橫跨Lmin和Lmax之間的射流64而言，燃燒器19的嘴就可以設置在恰好短於Lmax，而噴槍143的嘴則恰好超出Lmin。在操作中，調節它們的位置並觀察對氣體33成分和溫度的影響，能夠確定和保持效率最高的位置，許多其他燃燒方案變例和工藝的結合顯然也是可行的。
熔池氧槍噴嘴的操作特點就在於採用相對高的壓力和速度，以實現理想的熔池穿透和攪拌效果，通常根據已知的熔池吹氧技術參數，採用超音速、高純低溫氧氣，以避免熔池增氮。而帶有氧氣的氣流效率最高是低壓低速，以避免過多的熔液和爐渣氧化以及耐火材料浸蝕。由於熔池的氣-液相混合併不是不可缺少的，因此，如分子篩氧氣發生裝置生產的低純度氧也是適用的。當採用純度最少為80％的氧氣進行燃燒和噴吹時，沿熔化區12熱氣流的縱向平均速度要適中，大約為每小時15英裡，屬於高溫低密度氣體，通常在每小時10-30英裡的範圍內。對如圖8的噴嘴而言，噴嘴壓降為1磅/平方英寸(22.7英寸水柱)，產生的噴嘴外排速度大約為每小時150英裡的圓形氧氣幕。由此足以獲得氧氣與氣流外周實現很好的混合。7英寸水柱壓降會轉化為每小時75英裡的外排速度，這也是有效的，這樣進行壓力可能變化相當大，但通常不超過5磅/平方英寸，從而熔池氧氣射流噴嘴可以在很高的壓力範圍內運行。
B類工藝沒有現成的熔池固體噴吹用載氣，採用高壓管線輸送天然氣是一種選擇。因為載氣中天然氣所含的高發熱值量接近於區域12的總熔化熱量需要。考慮傳質和物料分布，而縱向移動噴槍64是有益的。而作為主要熔化熱源，在區域12內至少會有局部熱的裂化及熱氣分配。高壓廢氣112是另一種選擇，即以惰性氣體或CO2作為載氣。考慮A類工藝，熱還原氣體5一般提供熔化區12熱量需要的一半，也包括一些可能的裂化。脫水和再循環爐頂氣體50，大約1/4或不到1/4為成本合理的，如圖7所示，並對A類還原工藝是一種綜合的選擇方案。所需熔化熱量隨著熱還原鐵中碳的百分含量的增加而減少，而隨著通過例如輸送裝置13輸送的廢鋼或其他金屬爐料14百分比的增加而增加。即增加載氣中的可燃氣體量。
熱還原鐵和附加物料輸送操作參數遵循固有的規律及人們所熟知的氣動固體傳輸原理。固體物質經流化後噴入熔池。在管道62中的最小氣體速度必須超過沉積顆粒跳移速度，熱還原鐵和載氣之間的質量比例一般為15-20，但其範圍低為5，高則到30。在這樣相對細顆粒密度相傳輸過程中，其特徵為熱還原鐵或碳化三鐵的流化體。射流64的速度受要求熔池穿透深度的影響，因為載氣對固體物料的比例相當低，穿透深度主要取決於流速和固體物料的速度。爐渣分離和熔池表面形成最小旋渦通常需要一個固體物料有垂直向下的分速度，該速度超過20英裡/小時，在熔池入口處一般在30-60英裡/小時。噴嘴34可以是直的，也可以是收縮型或文氏管型，以增加穿透能力或發散以增加對熔池的覆蓋面。一個典型實例是輸送和噴吹的速度為載氣流速達每小時50英裡，熱還原鐵的噴吹流量為每小時60短噸。它是通過直徑6英寸的輸送管道和噴嘴而噴入部分熔融金屬熔池32。由於熱還原鐵或碳化三鐵具有磨損作用，且在輸送管道62和噴槍63內的磨損會隨著速度的增加而增加，因此，相對低的速度有利於減少維修，也有利於還原鐵穩定地沉入熔池32中。
採用氣動固體輸送的文氏管型噴射裝置，與固體物料比，其特點一般為相對高的載氣。如果將其作為主要的氣動輸送和噴吹裝置，會帶來嚴重的不利影響，但當還原帶和熔化區相距很近，氣-固還原帶位置明顯高於熔化區時，它們可以提供一種可行的方案。圖10和圖11為表示這一應用的流程圖5的衍變形式，其中細顆粒的物料通過滾筒篩172而不是振動篩篩出，滾筒篩172帶有迴轉反應器內襯的圓柱形部分。篩上的還原球團99穿過漏鬥形流槽173之後垂直落入下降管174內，輸入帶有載氣噴嘴176的噴射裝置175入口。文氏管式喉口177和排料管178帶有通往固體噴槍63的入口。在圖示的實例中，噴嘴176通過高溫鼓風機179提供載氣，鼓風機179帶有一個負壓吸氣管道180，而管道180則是從氣-固還原帶吸出熱載氣。
噴射裝置效率低和高稀釋比率是與對來自封閉的固定位置的固體顆粒或球團進行加速有關。從而在圖10和11中的還原鐵球團已經正在以相當大的速度沿入口輸送方向進入噴射裝置175。重力是作用於落入下降管道174中的還原鐵球團上的主要力。根據眾所周知的方程，當S為下降距離，速度為2gs，並由於與管壁的磨擦及方向變化所造成的氣體阻力而變慢。例如，4米的自由落體速度至約為每小時20英裡，換句話幾乎為一般噴吹速度的一半，這樣固體進入噴吹裝置的入口速度大大減少了載氣體積和壓力要求。伴隨地也降低了輸送管道和噴槍噴嘴的直徑。
舉例來講，每小時20噸的系統參數示意如下參數 目標值 範圍垂直下降 12英尺 10-15英尺下降管直徑3英寸 2.5-3.5英寸載氣噴嘴直徑 1英寸 0.8-1.2英寸文氏管喉口直徑2英寸 1.8-2.5英寸載氣壓力 2磅/平方英寸(表壓) 1.5-3磅/平方英寸(表壓)輸送管直徑4英寸 3.5-4.5英寸輸送管道速度 4000英尺/分3500-4500英尺/分直接煉鐵和鋼工藝的大量改進和變例都是可行的，且對本專業人士也是顯而易見的。例如，參照B類工藝流程圖5、圖6和圖10的氣動加料輸送和噴吹系統中所述的任何一個都是可行的。對於迴轉窯還原來說，如圖5、圖6所示，其他的變化可包括作為球團組分的所有固體還原劑、吸硫劑，不需要篩出過量的煤、灰分和石灰石、白雲石，除了氣-固還原帶設備3，從工藝上非常類似於圖6的旋轉床還原。另外，作為離散顆粒而加入的全部或大部分還原劑，整個混合物料可以輸入到區域12，而不用篩分。為了生產出高碳生鐵，在氣-固-液熔化區伴隨有由輸送爐料中的熱固體含碳物料所提供的大量冶金熱。這些只是在不脫離所附權利要求中限定的本發明範圍的一些變例且同等實用。
權利要求
1.一種直接煉鐵和鋼工藝，該工藝包括對在還原反應器氣固還原帶內的含有氧化鐵的物料進行加熱和還原，生產熱固態還原鐵；接下來將該還原鐵輸送到長形迴轉爐內側爐壁中的部分熔化熔池氣-固-液熔化區，熔池上至少帶有一層漂浮的部分頂渣層，並由高溫爐子產生的可燃含氧氣體燃燒而加熱產生高溫爐氣流，高溫爐氣流從熔池上方通過而不斷地為熔化熱還原鐵提供熱量，以生產鋼水或鐵水；而爐氣流則通過爐子的環形開口排出，其步驟包括使熱固體還原鐵與從氣-固還原帶來的伴隨的高溫還原氣體進入將還原帶和熔化區之間連接起來的輸送管道，並與至少一噴槍相接，而噴槍通過迴轉爐的圓形開口插入熔化區，噴槍角度向下傾斜指向熔池液面；將高壓載氣通入輸送管道，以承載熱還原鐵，通過噴槍射出，載氣和熱還原鐵射流穿透熔池液面，使熱還原鐵浸入部分熔融金屬熔池並擴散，通過使爐內壁相對於熔池底部周邊旋轉，使熱還原鐵在熔池內隨著浸入而進一步擴散。
2.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，還包括將附加的含有氧的氣體加入到氣流中，以使氧氣與從熔池表面溢出的CO進行二次燃燒反應，在該氣流通過圓形開口排出之前，生成CO2和H2O，而CO是由熱還原鐵中含有的以殘餘氧化鐵形式存在的氧與碳反應而生成；從而，為氣-固-液熔化區進行的熔化提供附加熱量。
3.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，還包括將附加的含有氧的氣體加入到氣流中，以使氧氣與從熔池表面溢出的CO、載氣中所含可燃氣體與伴隨的來自射流的熱還原氣體進行二次燃燒反應，在該氣流通過圓形開口排出之前，生成CO2和H2O，而CO是由熱還原鐵中含有的以殘餘氧化鐵形式存在的氧與碳反應而生成；從而，為氣-固-液熔化區進行的熔化提供附加熱量。
4.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，還包括直接將純度至少為80％的氧氣加入到位於熔化區內的氣流中，以使由熱還原鐵中含有的以殘餘氧化鐵形式存在的氧與碳反應而生成的CO進行二次燃燒，在該氣流通過圓形開口排出之前，生成CO2和H2O，從而，為氣-固-液熔化區進行的熔化提供附加熱量。
5.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，還包括直接將純度至少為80％的氧氣加入到位於熔化區內的氣流中，以使由熱還原鐵中含有的以殘餘氧化鐵形式存在的氧與碳反應而生成的CO進行二次燃燒；且靠近載氣和熱還原鐵射流，直接噴入純度至少為80％的氧氣，以使其與載氣中所含可燃氣體及來自該射流的伴隨熱還原氣體進行反應；從而在該氣流通過圓形開口排出之前，生成CO2和H2O，從而，為氣-固-液熔化區進行的熔化提供附加熱量。
6.根據權利要求1、2、3、4或5的工藝，其特徵在於，其加熱和還原受高壓熱還原氣體穿過含有氧化鐵的物料料床影響，且該載氣包括來自氣-固還原帶的經脫水加壓的爐頂氣體。
7.根據權利要求1、2、3、4或5的工藝，其特徵在於，加熱和還原受高壓熱還原氣體穿過含有氧化鐵的物料料床影響，而該載氣只含有一小部分高壓熱還原氣體。
8.根據權利要求1、2、3、4或5的工藝，其特徵在於，加熱和還原受高壓熱還原氣體穿過含有氧化鐵的物料料床影響，它包括對來自氣-固還原帶的爐頂氣體進行脫水、加壓和再加熱，從而構成再循環爐頂氣體；加入新的碳氫化合物，以及用氧氣對少部分碳氫化合物進行不完全氧化，以形成CO和H2；將該再循環爐頂氣體、CO、H2和大部分碳氫化合物混合在一起，從而構成反應器燃燒的高壓熱還原氣體。
9.根據權利要求1、2、3、4或5的工藝，其特徵在於，加熱和還原受高壓熱還原氣體穿過含有氧化鐵的物料料床影響，它包括對來自氣-固還原帶的爐頂氣體進行脫水、加壓和再加熱，從而構成再循環爐頂氣體；加入新的碳氫化合物，以及用氧氣對少部分碳氫化合物進行不完全氧化，以形成CO和H2；將該再循環爐頂氣體與該CO、H2混合在一起，從而構成反應器燃燒的高壓熱還原氣體的主要部分；將新碳氫化合物的大部分直接噴入氣-固還原帶。
10.根據權利要求1、2、3、4或5的工藝，其特徵在於，加熱和還原受高壓熱還原氣體穿過含有氧化鐵的物料料床影響，它包括對來自氣-固還原帶的一部分爐頂氣體進行脫水、加壓和再加熱，從而構成再循環爐頂氣體；對另一部分爐頂氣體進行脫水並與含氧氣體發生燃燒反應，生成包括CO2和H2O的熱爐氣；通過換熱器將該熱爐氣所含的顯熱傳遞給高壓熱爐頂氣體，生成高壓、預熱的再循環爐頂氣體；引入新的碳氫化合物，不完全氧化一小部分該碳氫化合物，形成熱CO和H2；將該高壓、預熱的再循環爐頂氣體、熱CO和H2及大部分碳氫化合物混合在一起，從而，形成反應器燃燒的高壓熱還原氣體。
11.根據權利要求1、2、3、4或5的工藝，其特徵在於，加熱和還原受高壓熱還原氣體穿過含有氧化鐵的物料料床影響，它包括對來自氣-固還原帶的第一部分爐頂氣體進行脫水、加壓，從而構成再循環爐頂氣體；對第二部分爐頂氣體進行脫水並與含氧氣體發生燃燒反應，生成包括CO2和H2O的熱爐氣；對第三部分爐頂氣體進行脫水，以構成對熱還原鐵進行連續熔化的可燃氣體，這樣所生成的燃燒產物CO2和H2O從氣-固-液熔化區排出；將熱爐氣和由第二及第三部分爐頂氣體所形成的燃燒產物中所含的顯熱通過換熱器傳遞給高壓再循環爐頂氣體，成為高壓、預熱的再循環爐頂氣體；加入新的碳氫化合物，並用氧氣使一小部分碳氫化合物發生不完全氧化生成CO和H2；將該高壓預熱再循環爐頂氣體、熱CO和H2及大部分碳氫化合物混合在一起，生成反應器燃燒的高壓熱循環氣體。
12.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，加熱和還原還包括將固態碳質還原劑加入到氣-固還原帶，並在大氣壓力下對氧化鐵和還原劑進行加熱，發生還原反應；還包括將從氣-固-液熔化區排出的高溫燃燒生成的氣體輸入到氣-固還原帶，從而為氧化鐵還原提供補充熱量。
13.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，加熱和還原還包括將固態碳質還原劑加入到氣-固還原帶，並在大氣壓力下對氧化鐵和還原劑進行加熱發生還原反應，且含有氧化鐵的爐料基本上都是球團，這些球團是由精細顆粒的鐵礦與作為球團組分的碳質原料混合造球而製成，以進行加熱和還原。
14.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，加熱和還原還包括將固態碳質還原劑加入到氣-固還原帶，並在大氣壓力下對氧化鐵和還原劑進行加熱，發生還原反應，且含有氧化鐵的爐料基本上都是呈離散狀的，且其粒度大於也呈離散狀的固態碳質還原劑；還包括在將熱還原鐵加入高壓區之前進行篩分的步驟，從而所加入的基本上都是留在篩上的粗顆粒的熱還原鐵物料，並且，排出由於顆粒細小穿過篩孔的未反應的碳質原料，以及細顆粒還原鐵和吸硫劑。
15.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，加熱和還原還包括將固態碳質還原劑加入到氣-固還原帶，並在大氣壓力下對氧化鐵和還原劑進行加熱發生還原反應，且含有氧化鐵的爐料基本上都是呈離散狀的，且其粒度大於也呈離散狀的固態碳質還原劑；還包括在將熱還原鐵加入高壓區之前進行篩分的步驟，從而所加入的基本上都是留在篩上的粗顆粒熱還原鐵物料，並且，直接將由於顆粒細小穿過篩孔的未反應的碳質原料，以及細顆粒還原鐵和吸硫劑排入水淬池；接著通過溼法磁選分離來回收細顆粒的還原鐵，通過篩分回收碳質還原劑，以再循環利用。
16.根據權利要求15，其特徵在於，未反應的碳質還原劑作為球團的一個組分而被再循環利用，按照權利要求13進行加熱和還原。
17.根據權利要求1的工藝，其特徵在於，加熱和還原還包括將固態碳質還原劑加入到氣-固還原帶，並在大氣壓力下對氧化鐵和還原劑進行加熱，發生還原反應，且將熱還原鐵輸送到高壓區包括連續的循環操作過程；在環境壓力下向上部閉鎖料鬥加料，且此壓力大致為還原區內由氣-固還原反應生成的熱還原鐵所擁有的壓力；對上部閉鎖料鬥進行加壓，達到至少為輸送管道內的載氣壓力；將熱還原鐵加入連續加壓的下部閉鎖料鬥，從這裡將該還原鐵輸入輸送管道；對上部閉鎖料鬥進行減壓，以便進行下一加料循環操作；在上部閉鎖料鬥上遊存儲熱還原鐵的過程中包括對上部閉鎖料鬥進行加壓、輸送和減壓，以便準備進行加料操作。
18.根據權利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工藝，其特徵在於，對氧化鐵進行加熱和還原，由噴槍噴吹載氣和熱還原鐵射流及對其進行熔化是連續且同步進行的。
19.根據權利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工藝，其特徵在於，包括將由熔劑、合金和增碳劑構成一組物料中所選擇的爐料加入到輸送管道中，且這些爐料與熱還原鐵一起由載氣承載並噴入熔融金屬熔池中。
20.根據權利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工藝，其特徵在於，包括通過外控手段對將熱還原鐵加入輸送管道的速度進行調節，從而保持氣-固還原帶內的平均還原速度與氣-固-液熔化區內的平均熔化速度之間的平衡，而其中加熱和還原是受高壓熱還原氣體穿過含氧化鐵爐料床的影響。
21.根據權利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工藝，其特徵在於，射流穿過渣層直接撞擊到熔池上，在熔池表面上形成一個紊流渦流，在該紊流渦流區幾乎所有的熱還原鐵都被分散開來並浸入熔池中，撞擊之後，載氣與氣流混合在一起並上升。
22.根據權利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工藝，其特徵在於，包括沿縱向分布載氣和還原鐵的射流對熔池表面的撞擊區域，且至少為氣-固-液熔化區長度的一半。
23.根據權利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工藝，其特徵在於，包括通過在氣-固-液熔化區內沿部分熔融金屬熔池向前和向後移動射流，從而沿縱向分布載氣和還原鐵的射流對熔池表面的撞擊區域。
24.根據權利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工藝，其特徵在於，包括通過在氣-固-液熔化區內沿部分熔融金屬熔池向前和向後移動射流，從而沿縱向分布載氣和還原鐵的射流對熔池表面的撞擊區域，且射流的極限折返點之間所佔的總距離超過氣-固-液熔化區總長度的一半。
25.根據權利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工藝，其特徵在於，氣流在熔池上方通過的總流動方向與熔池內金屬流動方向相反；在縱向上，金屬是從迴轉爐的加料端流向排料端，而氣流是從位於加料端的圓形開口排出，噴槍的射流的軌跡的水平分量的方向與氣流方向相反，適於在氣流從圓形開口排出之前增加熱氣體的紊流、混合及載氣中所含CO和可燃氣體及伴隨熱還原氣體與氧氣的反應時間，生成CO2和H2O。
26.根據權利要求1、2、3、4、5、12、1 3、14或15的工藝，其特徵在於，氣流在熔池上方通過的總流動方向與熔池內金屬流動方向相反。在縱向上，金屬是從迴轉爐的加料端流向排料端，而氣流是從位於加料端的圓形開口排出；噴槍的射流的軌跡的水平分量的方向與氣流方向相反，適於在氣流從圓形開口排出之前增加熱氣體的紊流、混合及載氣中所含CO和可燃氣體及伴隨熱還原氣體與氧氣的反應時間，生成CO2和H2O；還包括將金屬液輸入位於爐內的完全熔化的熔融金屬熔池中的氣-液精煉區，並通過排料端燃燒器輸送的部分可燃含氧氣體進行加熱，以控制完全熔融金屬熔池的溫度，特別是該熔化區內因熔化需要的熱量，在對迴轉爐內壁的攪拌功能進行控制的情況下，進行攪拌、均質和精煉，以生產出所控溫度和成分的鐵水和鋼水。
27.根據權利要求5的工藝，其特徵在於，還包括通過在氣-固-液熔化區內沿部分熔融金屬熔池向前和向後移動射流，從而沿縱向分布載氣和直接還原鐵的射流對熔池表面的撞擊區域，並輸入氧氣以與通過與來自固體噴槍相連管道噴入的射流中的可燃氣體反應，且在移動過程中保持氧氣噴射位置相對於射流位置的相對基本衡定。
28.根據權利要求4或權利要求5的工藝，其特徵在於，還包括為CO的二次燃燒而通過氣流噴槍輸入氧氣，且從噴嘴中射出的為環形氣幕，與氣-固-液熔化區內的熱爐氣流橫向向外交匯和混合。
29.根據權利要求12、13、14或15的工藝，其特徵在於，包括將來自氣-固還原帶的熱還原鐵落入輸送管道的基本垂直段，從而使其在下降期間因重力作用而加速進入文氏管固體噴射器，經噴射器入口噴嘴射出高壓載氣，從而通過文氏管噴射器的喉口將爐料噴出，並進一步使其加速進入連續的輸送管道，以通過噴槍以高壓和高速噴入金屬熔池。
全文摘要
一種直接煉鐵和鋼的工藝包括用載氣對熱還原鐵進行氣動輸送,由噴槍噴嘴向下噴出熱還原鐵射流進入位於金屬熔池中的熔化區。在爐氣從迴轉爐排出之前,在熔化區的指定位置,氧氣也被加入到熱氣流中以與脫碳沸騰產生的CO和其它可燃氣體進行二次燃燒,為熔化提供熱量。之後,在其排入大氣之前,熱氣流被用於為還原反應提供大部分所需要的熱量。一個特點是在熔化區內沿橫向和縱向分布熱還原鐵以促進熔化傳熱。
文檔編號C21B13/08GK1345381SQ98814238
公開日2002年4月17日 申請日期1998年8月21日 優先權日1997年8月22日
發明者威廉·L·舍伍德 申請人:威廉·L·舍伍德