直接熔煉工藝的啟動方法
2023-10-26 00:54:32 2
專利名稱：直接熔煉工藝的啟動方法
技術領域：
本發明涉及在盛有熔池的冶金容器中，用含金屬的原料，如礦石、局部還原的礦石及含金屬的廢礦生產鐵水的工藝。
本發明尤其是涉及基於熔池的，用含金屬的原料生產鐵水的直接熔煉工藝。
術語「直接熔煉工藝」被理解為指的是用含金屬的原料生產熔融金屬，在此情況下是生產鐵水的工藝。
本發明更具體地是涉及一種基於熔池的直接熔煉工藝，它以熔融金屬層為熔煉介質，因而通常被稱為HIsmelt法。
HIsmelt法包括如下步驟(a)在冶金容器中形成熔池，它具有金屬層和位於該金屬層上的渣層；(b)經多支噴槍／噴咀將含金屬的原料及固體含碳物料噴入該金屬層中；(c)在金屬層中將含金屬的原料熔煉成金屬；(d)使熔融的物料以飛濺物、液滴和液流狀噴射到熔池的標稱靜止的表面(nominal quiescent surface)上方空間中，從而形成一個過渡區；及(e)經一支或多支噴槍／噴咀將含氧氣體噴入該容器中，以使自熔池中釋放出來的反應氣體後燃燒，藉此有利於在過渡區中上升然後又下降的熔融物料的飛濺物、液滴和液流將熱傳給熔池，並藉此過渡區將該容器的經與過渡區相接觸的側壁的熱損失減至最小。
HIsmelt法的一種較佳方式的特徵在於通過採用穿過容器側壁的，向下和向內延伸的噴槍將載氣、含金屬的原料、固體含碳物料及任選的熔劑噴入熔池中，從而使載氣和固體物料穿透金屬層，並使熔融物料從熔池中噴射出來。
HIsmelt法的這種方式是優於這種方法的早期方式的一種改進，早期方式是通過用噴咀將載氣和固體含碳物料底吹入熔池中而形成過渡區，這種底吹也將使熔融材料和液滴、飛濺和液流從熔池中噴發出來。
本申請人已對該HIsmelt法進行了大量實驗室工作，並對該方法取得了一系列重大的發現。
作為本發明的主題的這些發現之一是以有效和高效的方式啟動該HIsmelt法的方法。
一般地說，本發明是啟動直接熔煉工藝的方法，該工藝是用於在冶金屬容器中用含金屬的原料生產鐵，該容器包括多支輸送原料的噴槍／噴咀，該啟動方法包括如下步驟(a)預熱容器；(b)將鐵水爐料供入該容器，然後在該容器中形成熔池；(c)向該熔池供入含碳物料及熔劑，再經一或多支原料噴槍／噴咀噴入含氧氣體，從而使碳及熔池產生的氣體(若存在)燃燒，從而加熱熔池和產生渣；(d)向該容器供入含金屬的原料，同時連續供應含碳物料及熔劑，並噴入含氧氣體，因而熔煉含金屬的物料及產生鐵水，從而完成該啟動法。
預熱容器的步驟(a)優選包括在容器中使燃料氣體和空氣燃燒。術語「燃料氣體，，在本文中應理解為包括，比如是焦爐煤氣，高爐煤氣和天然氣。
步驟(c)中的供應含碳物料和／或熔劑優選藉助一支或多支原料噴槍／噴咀進行。
步驟(d)中的供應含金屬原料優選藉助一支或多支原料噴槍／噴咀進行。
固體料，即藉助一支或多支原料噴槍／噴咀供入的含金屬原料、含碳物料及熔劑中的一或幾種優選用載氣經由該噴槍／噴咀噴入。
在該啟動方法中該固體料噴槍／噴咀可在下降的作業位置及升高的回縮位置間移動。
可供選擇的是，在該啟動方法中，可固定該固體料噴槍／噴咀，比如，它可經該容器的側壁延伸。
在固體料噴槍／噴咀被固定的情況下，步驟(b)優選包括以防止金屬液滲入噴槍／噴咀的流量經該固體料噴槍／噴咀噴射不夾帶固體料的載氣。
該啟動方法優選包括一個在步驟(b)和(c)之間的經一支或多支原料噴槍／噴咀，在開始步驟(c)中的供入含碳物料和熔劑之前，噴射含氧氣體的中間步驟，以便使可氧化的物料在熔池中燃燒，並因而提高熔池溫度。
供應含金屬原料的步驟(d)優選在規定的工藝條件達到預定值時開始。規定的工藝條件包括，比如，下述條件的一種或幾種。
(ⅰ)熔池溫度優選至少1400℃；(ⅱ)熔池中的碳濃度優選至少為4％(重量)；
(ⅲ)後燃燒程度優選低於標誌熔池碳飽和的程度。
該容器優選包括一個前爐，而將鐵水爐料供入該容器的步驟(b)優選包括經該前爐供入爐料。
預熱步驟(a)優選包括在前爐上安上一蓋子，以將經由前爐的熱預失減至最少。
該啟動方法優選包括在預熱步驟(a)之前清理該容器，以將爐渣從容器中去除。
該容器優選包括形成該容器的至少部分側壁的水冷板，而該啟動方法優選包括在預熱步驟(a)之前在該板上噴塗可澆鑄的耐火材料，以在該啟動方法中減少經該板的最初熱損失。
該可澆鑄的耐火材料優選是高氧化鋁尖晶石。
該啟動方法優選包括，在預熱步驟(a)之前，將延長段與固體料噴槍／噴咀末端銜接，以便在熔池水平面相當低時，提高該啟動法中的固體噴射效率。該延長段優選使用這樣的材料製成當熔池水平面上升並逐步淹沒此延長段時它熔化在該熔池中。
在步驟(b)中供入的鐵水優選至少含3％(重量)的碳。
在步驟(b)中供入的鐵水優選含矽和／或鋁和／或任何的其它適宜的物料，如可氧化的物料。
步驟(c)和步驟(b)和(c)之間的中間步驟優選包括以比該容器中的壓力至少高100kpa的壓力噴射載氣，該壓力是經固體噴槍／噴咀測得的。
該啟動法優選包括在步驟(c)和(d)各步中增大含氧氣體的流量。
步驟(c)優選包括經一支或幾支原料噴槍／噴咀，以至少12000Nm3／時的流量噴射含氧氣體。
步驟(d)優選包括以至少20000Nm3／時的流量噴含氧氣體。
該啟動法優選包括通過監測出自容器的廢氣中的氧和／或一氧化碳和／或二氧化碳的濃度確定步驟(c)時間段。
該啟動法優選包括通過監測出自容器的廢氣中的氧和／或一氧化碳和／或二氧化碳的濃度確定步驟(b)和(c)之間的中間步驟的時間段。
該啟動法優選包括在步驟(c)中增大該容器中的壓力。
造渣材料，包括可能來自該容器的先前作業的渣料，可在步驟(c)中供向該容器，以便通過在熔池上形成渣層而有助於在步驟(c)中將熔池中的鐵的過氧化減至最少。
渣料優選經一支或幾支原料噴槍／噴咀供入。
含金屬的原料可以是任何的適宜的含鐵原料。較佳的原料是鐵礦石。
鐵礦石可經預熱。
鐵礦石可經部分還原。
在某些情況下，如容器承受高的熱損失的情況下，該含金屬的原料可以是鐵礦石和高度還原的含金屬原料的混合料。在此情況下，該啟動法優選包括以下步驟減少這些高度還原的，被供往熔池的含金屬物料的量；用鐵礦石取代這種含金屬原料及連續噴射含氧氣體並達到穩定態的工藝狀況。
術語「穩定態的工藝狀況」應理解為指的是該工藝用目標含金屬原料在目標熱平衡和物料平衡範圍內進行。
上述定義在上下文中應被理解為該HIsmelt法有賴於容器中的熔池的明顯攪動，結果，該方法可承受短期的明顯波動。
在步驟(d)中被噴入的高度還原的含金屬的原料的金屬化率優選至少為60％。
該高度還原的含金屬的原料更好是直接還原鐵(「DRI」)。
含氧氣體優選是最多含50％(體積)氧的空氣。
根據本發明，還提供了一種包括上述啟動法的直接熔煉工藝。
通過參照附圖
，以舉例的方式進一步說明本發明，該附圖是用於實施HIsmelt法，將鐵礦石直接熔煉以產生鐵水的直接熔煉容器的優選形式的垂直剖面圖。
圖中所示的容器具有一個爐床，它包括由耐火磚構成的基底3和側面55；側壁5，它一般形成一個從爐床側面55向上延伸的圓桶，而且它包括上桶狀部51和下桶狀部53；爐蓋7；廢氣出口9；用於連續排放金屬液的前爐77；用於將爐床和前爐相連的前爐連接段71；以及排出熔渣的出渣口61。
使用時，在穩態的工藝狀態下，該容器盛有鐵和渣的熔池，它包括熔融金屬層15和位於其上的熔渣層16。箭頭17所指的是金屬層15的標稱的靜止表面的位置；箭頭19所指的是渣層16的標稱靜止表面的位置。術語「靜止表面」應理解為未將氣體和固體噴入該容器時的這種表面。
容器還包括兩支原料噴槍／噴咀，其形態為以與垂線成30—60°的角度，穿過側壁5向下、向內穿入渣層16的固體噴槍／噴咀11。選擇噴槍／噴咀11的位置以使其下端在穩態的工藝狀態下時位於金屬層15的靜止表面17的上方。
在使用時，在穩態的工藝狀態下，夾帶在載氣(一般為N2)中的鐵礦石、固體含碳物料(一般是煤)及熔劑(一般是石灰、氧化鎂)經噴槍／噴咀11被噴入金屬層15中。固體材料／載氣的衝力使得固體材料和氣體穿透金屬層15。煤脫去了揮發份，從而在金屬層15中產生氣體。碳部分溶於金屬中，部分保持為固體碳。鐵礦石被熔煉成金屬，而且此熔煉反應生成了CO氣體。這些被輸入金屬層15中的氣體及因脫去揮發份和熔煉而生成的氣體使熔融金屬，固體碳和渣(由於固／氣噴射的結果被吸入金屬層15中的)從金屬層15中大量上浮，這產生了熔融金屬和渣的噴濺物、液滴及液流的向上運動，然後當這些噴濺物，液滴和液流經過渣層16而移動時進入了渣中。
熔融金屬、固體碳及渣的上浮，在金屬層15和渣層16中產生很大的攪動，結果渣層16體積膨脹，從而具有了箭頭30所示的表面。攪動的程度要使金屬和渣的區域中有合理的均勻的溫度；一般為1450—1550℃，溫度變化的範圍為30℃。
此外，因熔融金屬、固體碳和渣的上浮而引起的熔融金屬及渣的噴濺物、液滴及液流的向上運動延續到該容器中熔融材料上方的頂部空間31中，從而(a)形成了過渡區23；及(b)使某些熔融材料(主要是渣)噴在過渡區之外和側壁5的部分上桶狀段51上，即位於過渡23的上方，並噴到爐蓋7上。
一般說來，渣層16為一液態的連續的體積，其中帶有氣泡，而過渡區23是一帶有熔融金屬和渣的噴濺物、液滴和液流的氣態的連續體積。
該容器還包括另一支原料噴槍／噴咀13，其形狀為一噴槍，用於噴射含氧氣體(一般為經預熱的富氧空氣)，它位於中心部位，並垂直向下伸入容器中。噴槍13的位置及經過槍13的流過的氣體流量的選擇要使得在穩態工藝狀態下，該含氧氣體穿透過渡區23的中心區，然後基本上保留在圍繞槍13末端周圍的金屬／渣的自由空間25中。
在使用時，在穩態的工藝狀態下，經槍13噴入的含氧氣體使過渡區23及圍繞槍13末端的自由空間25中的CO和H2氣後燃燒，然後在此氣體空間中產生量級為2000℃的或更高的高溫。這種熱傳給了在氣體噴射區中上升和下落的熔融物料的噴濺物、液滴及液流，當此熔融材料返回熔池時又將此熱部分地傳給了金屬層15。
為達到高度的後燃燒，自由空間25是重要的，因為它能將過渡區23上方的該空間中的氣體帶入到槍13的末端區中，從而使所得的反應氣體的大量暴露於後燃燒中。
槍13的位置，經槍13流過的氣體流量及熔融金屬及渣的飛濺物、液滴及液流的向上運動的組合效果在於形成了環繞槍13的下端區的過渡區23—下端區一般用標號27表示。所形成這一區域產生了一種阻礙向側壁5輻射傳熱的屏蔽。
此外，在穩態的工藝狀態下，上升和下降的熔融金屬和渣的飛濺物、液滴及液流是一種將熱從過渡區23傳向熔池的有效手段，結果側壁5的該區域內的過渡區23的溫度在1450—1550℃的範圍內。
參照在穩態工藝狀態下實施該工藝時金屬層15、渣層16及過渡區23在該容器中的水平面，及參照在穩態工藝狀態下實施該工藝時噴入過渡區23上方的頂部空間31中的熔融金屬和渣的飛濺物、熔滴和液流的高度構成此容器，從而使(a)與金屬／渣層15／16相接觸的爐床及側壁5的下桶狀段53用耐火磚構成(在該圖中用交叉線標識)。
(b)至少側壁5的部分下桶狀段53襯有水冷板8；(c)與過渡區23和頂部空間31接觸的側壁5的上桶狀段51和爐蓋7用水冷板57，59構成。
側壁5的上桶狀部51中的水冷板8、57、59各有平行的上、下沿及平行的側沿，並經彎曲從而形成了該圓柱形的桶形段。每塊板都包括內冷水管和外冷水管。這些管被製成蛇形管狀，並有用彎曲段相互連接的水平段。每根管還包括入水口和出水口。垂直地拆去這些管子，從而當從板的暴露面，即暴露於容器內部的面看去時，外管水平段並不就在內管的水平段後面。每塊板還包括搗築的耐火材料，它填滿了相鄰的每根管的直段間及管之間的間隙。每塊板還包括支撐板，它構成了該板的外表面。
將各管的入水口和出水口與水源迴路相連(未示)，水源使水以高流量經各管循環。
本申請人在Western Australia的Kwinana進行了幾個連續爐期的與上述內容相關的實驗廠工作。
該實驗廠工作用圖中所示的上述容器中，在上述穩態工廠狀態下進行。
該實驗廠工作對該容器進行了評估及對不同工藝條件下進行了研究，該差異是(a)原料；(b)固體和氣體的噴射速率；(c)渣量渣層深度和渣與金屬之比；(d)運行溫度；(e)設備構成。
實驗廠工作建立起一種較佳的有效和高效的啟動方法。該較佳的啟動法歸納如下(1)清理容器，以去除在前一爐役期中沉積在爐床、側壁5、爐蓋7上的渣。去除爐渣是重要的，因為若爐渣噴出或噴入前爐77會導致在啟動期間出現在潛在的安全問題。清理過容器之後，在水冷板上噴塗高氧化鋁尖晶石，以減少在啟動程度期間經由該板的熱損失、在上述步驟之前或之後，用螺栓或其它方式將延長段(未示)接在固體噴槍／噴咀11上，以在該啟動程度中增加該噴槍／噴咀的有效長度，而同時使容器中的熔融物料的水平面很低。該延長段用不鏽鋼或當熔池水平面升高並淹沒該延長段時能熔於熔池中的任何適宜材料製成。
(2)預熱容器一種優選的預熱方案是使燃料氣體和空氣在該容器中燃燒。在實踐中，將預熱溫度限於1400℃是可取的，因為產生這種預熱溫度的火焰的溫度要高得多，因而會引起容器中的耐火材料的損壞。為提高傳熱效率，使蓋73及向下延伸的蓋板75位於前爐77之上。
在有熱爐子可用的情況下，另一種優選的加熱方案是按下列方法進行預熱經槍13鼓入熱風，然後逐步增加已被預熱過的空氣的量，直至全部空氣經由該爐而來，然後，用前述的燃燒器燃料補充預熱超過上次400℃。
(3)製備40—45噸含4％(重量)C、0．75％(重量)Si和0．5％(重量)Al，平均溫度為1360℃的鐵水爐料。
(4)停止預熱步驟，然後將鐵水爐料經前爐77運至容器，再經噴槍／噴咀將N2(或其它適宜的)載氣，以高於容器壓力至少100kpa的壓力噴入容器中，該壓力防止了熔融物料滲入噴槍／噴咀11中。
(5)輸入鐵水爐料之後，如步驟(4)所述繼續噴N2，然後經槍13噴含氧氣體，其起始流量為12000Nm3／時，然後增至20000Nm3／時(噴固體的最小流量)，以使Si和Al燃燒及使鐵水爐料脫碳並產生CO／CO2，從而加熱此鐵水熔池。同時，將容器中的壓力升至噴固體所需的最小壓力(一般為20kpa)。此步驟所需的時間一般為5—10分鐘。
(6)在已建立起20000Nm3／時的噴射金屬氣體之後，著手經噴槍／噴咀11，以3噸／時的起始噴煤流量噴煤和熔劑(一般為石灰)，並著手監測廢氣中的氧和／或CO和CO2含量以確定熔池是否正在反應。氧含量下降及CO和CO2含量的上升標誌著熔池正在反應。當建立起這種趨勢時，煤和含氧氣體的流量可從起始流量升高。此步驟的目的在於(a)儘快提高鐵水的溫度和含碳量，以達到1450℃的最低鐵水溫度和4．5％(重量)的最低含碳量，(b)形成具有所需鹼度的渣，及(c)開始建立過渡區23。在此步驟中，水冷板上有很高的熱負荷。含氧氣體的流量升到28000Nm3／時。這有著將容器中的壓力提高到70—75kpa的效果。此步驟一般進行30分鐘。
(7)當鐵水溫度達到1450℃的最低溫度和4．5％(重量)的最低含碳量之後，著手經槍／噴咀11噴入一批鐵礦石粉和DRI的混合料，其流量為6噸／時，同時繼續噴煤和熔劑，然後熔煉這批混合料，從而產生從前爐流出的鐵水，產生後燃燒，及經過渡區23向熔池的傳熱。在後燃燒程度開始增加後，開始降低水冷板上的熱負荷而且混合料的流量可以增加。
(8)隨著時間的推移，DRI可逐漸被部分還原的鐵礦石或鐵礦石取代，直到目標原料僅是含金屬的原料，並且該工藝處於穩態模式時為止。
(9)運行2—3小時後，由容器上的開口，取得渣樣，來測定工藝狀態。
上述的步驟(7)中的開始噴鐵礦石粉和DRI的混合料取決於容器尺寸和熱損失。在實驗廠的場合下，在啟動期有很大的熱損失，加DRI是必要的以建立金屬生產。在較大的工業尺寸的容器中，認為熱損失不象爭論中說的那樣嚴重，因而加DRI可能就不必要了。
對於本發明的該工藝的上述較佳實施方案可進行多種改進，而並不違背本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於啟動在冶金屬器中用含金屬的原料生產鐵的直接熔煉工藝的方法，該容器包括多個原料噴槍／噴咀，該啟動方法包括如下步驟(a)預熱該容器；(b)將鐵水爐料供往該容器中並在該容器中形成熔池；(c)將含碳物料和熔劑供往該熔池中，並經一或多個原料噴槍／噴咀噴入含氧氣體，然後使碳和熔池產生的氣體(若有)燃燒，從而加熱熔池及生成渣；及(d)將含金屬的原料供入該容器，同時繼續供應含碳物料及熔劑並噴入含氧氣體，以及熔煉含金屬的原料及產生鐵水，從而完成該啟動方法。
2.權利要求1的啟動方法，其中預熱容器的步驟(a)包括使燃料氣體和空氣在該容器中燃燒。
3.權利要求1或2的啟動方法，其中步驟(c)包括經一或多支原料噴槍／噴咀噴入原料來供應含碳物料和／或熔劑。
4.上述權利要求中任一項的啟動方法，其中步驟(d)包括經一或幾支原料噴槍／噴咀噴入原料來提供含金屬的原料。
5.權利要求3或4的啟動方法，它包括用載氣經一或幾支原料噴槍／噴咀噴入含碳物料、熔劑和含金屬的原料中的一種或幾種。
6.上述權利要求中之任一項的啟動方法，它包括在開始步驟(c)中的供應含碳物料和熔劑之前，在步驟(b)和(c)之間的經一或多支原料噴槍／噴咀噴入含氧氣體的中間步驟，從而使熔池中的可氧化的物料燃料，以提高熔池溫度。
7.上述權利要求中之任一項的啟動方法，它包括在所述工藝條件達到預定閾值時開始步驟(d)。
8.權利要求7的啟動方法，其中該預定條件包括熔池溫度，該熔池中的碳含量及後燃燒水平中的任何一種或多種條件。
9.上述權利要求中之任一項的啟動方法，其中該容器包括前爐，而向該容器供以鐵水爐料的步驟(b)包括經該前爐供應該爐料。
10.權利要求9的啟動方法，其中預熱步驟(a)包括在前爐上安上蓋子以將經前爐的熱損失減至最少。
11.上述權利要求中之任一項的啟動方法，它包括在預熱步驟(a)前清理該容器以從中去除爐渣。
12.上述權利要求中之任一項的啟動方法，其中該容器包括形成至少部分該容器的側壁的水冷板，而該啟動方法包括在預熱步驟(a)之前將可澆鑄的耐火材料噴塗在該板上，以減少在該啟動方法中經該板的最初熱損失。
13.上述權利要求中之任一項的啟動方法，其中在步驟(b)中被供入的鐵水含至少3％(重量)的碳。
14.上述權利要求中之任一項的啟動方法，其中步驟(b)中供入的鐵水含矽和／或鋁和／或任何其它的適合的可氧化的物料。
15.上述權利要求中之任一項的啟動方法，其中步驟(c)包括以比容器中壓力高至少高100kpa的壓力噴入載氣。
16.上述權利要求中之任一項的啟動方法，它包括在(c)和(d)每步驟中提高含氧氣體的流量。
17.權利要求16的啟動方法，它包括在步驟(c)中以至少12000Nm3／時的流量噴入含氧氣體。
18.權利要求16或17的啟動方法，它包括在步驟(d)中以至少20000Nm3／時的流量噴入含氧氣體。
19.上述權利要求中之任一項的啟動方法，它包括通過監測出自該容器的廢氣中的氧和／或一氧化碳和／或二氧化碳的濃度來確定步驟(c)的時間段。
20.上述權利要求中之任一項的啟動方法，它包括在步驟(c)中增加容器中的壓力。
21.上述權利要求中之任一項的啟動方法，其中該含金屬的原料是鐵礦石和高度還原的含金屬的原料的混合料，而該啟動方法包括在整個時間段內減少供往熔池的高度還原的含金屬的原料的量，用鐵礦石取代該高度還原的含金屬的原料，繼續噴入含氧氣體及達到穩態的工藝狀態。
22.權利要求21的啟動方法，其中在步驟(e)中被噴入的高度還原的含金屬原料的金屬化程度至少為60％。
23.權利要求22的啟動方法，其中該高度還原的含金屬的原料是直接還原鐵(「DRI」)。
全文摘要
啟動在冶金容器中由含金屬的原料生產鐵的直接熔煉工藝的方法。該容器包括多支原料噴槍/噴嘴(11、13)。該啟動方法包括如下步驟:(a)預熱該容器;(b)將鐵水爐料供入該容器,並在該容器中形成熔池;(c)經一或多支噴槍/噴嘴將含碳物料及熔劑供入熔池,並噴含氧氣體,從而使碳和產自熔池的氣體(若有)燃燒,藉以加熱熔池和生成爐渣;(d)將含金屬的原料供入容器中,同時繼續供應含碳物料和熔劑並噴入含氧氣體,從而熔煉含金屬的原料,從而產生鐵水,藉此完成該啟動方法。
文檔編號C21B13/00GK1280199SQ00120449
公開日2001年1月17日 申請日期2000年7月10日 優先權日1999年7月9日
發明者塞西爾·P·貝茨, 彼得·D·伯克 申請人:技術資源有限公司