CN101008554A - 一种铬铁冶炼竖炉及冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
一种铬铁冶炼竖炉及冶炼方法，铬铁冶炼竖炉包括，竖炉本体，其由炉壳、耐火材料形成一冶炼空间，分为上、中、下段；炉子上段为加热区的炉身；炉子中段为炉腹，其侧壁有一内倾角α；炉子下段为炉缸；大钟及漏斗，设置于炉身顶部；热风围管，设置于炉子中段一侧；风口，设置于炉子中段下沿；冷却装置，设置于本体炉壳内；出渣口、出铁口，分别开设于炉子下段炉缸一侧。矿石、焦炭等原燃料通过大钟及漏斗装入炉内，热风经热风围管和风口从下部鼓入竖炉并在风口前点燃焦炭；在炉料下降、熔滴滴落和煤气上升的过程中，矿石被加热、熔化并还原。本发明采用竖炉型熔化还原预还原处理后的热固结铬铁团块，得到的含铬热铁水直接制备不锈钢母液。
Description
技术领域
本发明属于铁合金冶炼工艺及设备，涉及一种熔化-还原型铬铁冶炼装置及冶炼工艺，用于不锈钢用的含铬铁水(不锈钢母液)冶炼。
背景技术
不锈钢的生产已从电弧炉单一熔炼、精炼和合金化发展到电弧炉—AOD-二步法(双联工艺)。80年代开发出了“三步法”不锈钢生产新工艺，即初炼炉(电弧炉或转炉)-转炉-真空精炼炉。初炼炉只起熔化作用(提供母液)，真空精炼炉主要为VOD或AOD，也有RHOB、RHKTB。目前三步法所占比例已接近20％。
从铬的角度来看，不锈钢母液的来源主要有以下四种：(1)废钢；(2)固体高碳铬铁；(3)液态高碳铬铁；(4)液态不锈钢母液。
目前，世界上绝大多数不锈钢生产流程均采用废钢(或铁水)加碳素铬铁的方法获取不锈钢母液(即含铬铁水)。发展中国家废钢资源短缺，不锈钢母液大多采用固体高碳铬铁+普通铁水(或再加部分废钢)的电弧炉混兑法。这种方法需用电能重新熔化固体高碳铬铁，生产成本增加。由于高碳铬铁是在矿热电炉中生产的，它存在电耗高、生产率低及对铬矿要求高等问题，而且铬矿还原的动力学条件差，其铬的回收率仅为78％～93.7％。据统计，每冶炼一吨碳素铬铁约需1880～2250kg铬块矿、410～520kg焦炭、85～95kg硅石和75～85kg钢屑，耗电3100～3300kwh，铬回收率92～95％。
上述流程的致命缺点是能耗大、成本高、不能使用粉矿资源，而且产生的环境污染较严重。
世界上1880年开始用高炉进行冶炼含铬生铁的实践，但由于当时条件所限，特别是炉缸温度不足，炉体设备损坏严重，而含铬生铁和炉渣的流动性差，无法进行正常的生产。
在此背景下，研究一种成本低、可以广泛使用各种资源的新铬铁生产装置便迫在眉睫。熔化—还原竖炉可望成为解决以上问题的理想方法之一。其原理是将高炉炉缸的熔融还原和化铁炉的快速加热组合在一起，采用氧-煤强化冶炼技术实现高的燃烧温度，将预还原处理后的热固结铬铁团块送入竖炉冶炼处理，为短流程炼钢提供铬铁合金母液，从而提高钢铁产品的竞争能力。
中国专利CN218952Y“金属化球团还原竖炉”公开的技术是以水煤气作还原剂，氧化球团作原料冶炼金属化球团的还原竖炉。炉型为“酒瓮”形，炉体分预热段、还原段、冷却段，炉体上设置有还原煤气进口、冷却煤气进口和出口，炉体采用机械无级变速固体铁产品排料机构。该竖炉设计简便，操作也方便，可以得到较高金属化率的固态金属铁产品。从技术工艺、设备上分析，该竖炉不适合冶炼含铬铁水。
中国专利CN2273712Y“还原铁竖炉”公开的技术也是以煤作还原剂生产海绵铁(固态产品)的专用竖炉，主要由燃烧室、还原室及气体循环系统组成，还原室位于炉体中心，还原室外围设有燃烧室，位于烟道下部并在燃烧室内设有阻落墙，阻落墙与燃烧室自己设有气体加热器，加热器与进入还原室中的气体输入管相连，还原室输出气经净化处理进入加热器循环使用。该竖炉只能应用于生产固态海绵铁。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用预还原铬铁球团矿作原料的熔化—还原铬铁冶炼装置，用于生产不锈钢用的含铬热铁水(不锈钢母液)冶炼，取代传统的矿热电炉铬铁冶炼工艺，减少铬铁合金生产对大量电能和昂贵的铬铁精块矿资源的依赖。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案
本发明的主要内容是铬铁冶炼用熔化—还原竖炉以及采用预还原铬铁球团矿作原料生产不锈钢用的含铬热铁水的方法。
为了克服传统矿热炉必须使用块矿和电能的不足，本发明采用的工艺是用转底炉将非块矿(粉矿或精矿)进行造块和预还原处理后再送入竖炉冶炼。熔化—还原竖炉冶炼必须满足采用预还原球团矿、氧化物还原和含铬热铁水产品合格的要求。
本发明的铬铁冶炼竖炉，其包括，竖炉本体，其由炉壳、耐火材料形成一冶炼空间，分为上、中、下段；炉子上段为加热区的炉身，与化铁炉相类似，其功能是将炉料快速加热到1000～1300℃；预还原矿或含合金元素的矿物团块在该区域只是加热，不进行还原，因此对炉气的还原势没有要求；炉子中段为熔化—还原区的炉腹，其侧壁有一内倾角α；炉子下段为炉缸，其作用是盛装铁水和炉渣及部分未还原的矿物在此继续还原，脱硫等一些化学反应也在此进行，最终生成合格的合金热铁水或合金母液；大钟及漏斗，设置于竖炉本体炉子上部炉身的顶部；热风围管，设置于炉子中段一侧；风口，设置于炉子中段下沿；冷却装置，设置于本体炉壳内；出渣口，开设于竖炉本体炉子下段炉缸一侧，由于铬铁冶炼渣量非常大；出铁口，开设于竖炉本体炉子下段炉缸一侧。
进一步，所述的竖炉本体炉子上段炉身为倒锥形结构。
所述的竖炉本体炉子中段炉腹侧壁的内倾角α小于70°。
所述的冷却装置为水冷结构。
所述的竖炉本体炉壳内还设有保温耐材层。
本发明铬铁冶炼用竖炉及冶炼铬铁的方法，其包括，
a.矿石、焦炭等原燃料通过大钟及漏斗装入铬铁冶炼竖炉上段，由上升的煤气快速加热到1000～1300℃；
b.温度达1250℃以上(1250～1350℃)的热风从下部鼓入竖炉并在风口前点燃焦炭；通过风口将氧气和煤粉送入炉内中段，喷煤300-400kg/t，风口氧煤喷枪，可吹5-20％氧，以确保煤粉快速、高效燃烧；在该区域氧气、煤粉和焦炭燃烧产生高达2300～2500℃的温度，预还原矿迅速熔化，大部分矿物在此还原，初渣形成；
c.炉子下部为盛装铁水和炉渣的炉缸，部分未还原的矿物在此继续还原，脱硫等一些化学反应也在此进行，最终生成合格的铁水或合金母液；
d.使用预还原处理后的热固结铬铁团块，焦炭负荷低，铬铁直接还原率高于60％，煤气发生量达4000-6000m3/t，炉顶温度高达500-700℃。
矿石、焦炭等原燃料通过大钟及漏斗装入炉内，温度达1250℃以上的热风经热风围管和风口从下部鼓入竖炉并在风口前点燃焦炭；在炉料下降、熔滴滴落和煤气上升的过程中，矿石被加热、熔化并还原。作为竖炉冶炼产品，上渣从渣口装置排出，下渣和合金铁水从铁口装置排出，竖炉煤气从煤气导出管排出。冷却装置、耐火材料和炉壳可确保形成固定的冶炼空间，使冶炼过程得以持续进行。
本发明的优点在于，与废钢(或铁水)加碳素铬铁工艺相比，在同样原燃料、能源介质价格和同样铁水质量条件下，竖炉冶炼每吨不锈钢母液的生产成本可降低约三百元，同时节省了大量铬铁精块矿资源；而且使用竖炉自产煤气及少量焦炭(或煤粉)作为转底炉和竖炉的能源介质，可大大减少电能的消耗。熔化-还原竖炉还能提供清洁煤气，有利于缓解短流程炼钢企业煤气短缺的矛盾。
为适应铬铁冶炼使用预还原球团矿，边缘气流较为发展；焦炭负荷低，煤气发生量大，炉顶温度高；软熔带高度减小，根部位置下移的实际情况，炉型设计有意识地增大炉喉直径、降低炉喉、炉身和炉缸高度，适当加大炉腰、炉腹高度。此外，还采取密集风口间距、扩大竖炉冷却面积、提高炉体冷却强度；炉底、炉缸选用高等级耐材砌筑等一系列措施，来适应生铁高炉和铬铁竖炉之间的差异。
表1.生产铁水的高炉与本发明竖炉结构和工艺参数的区别
| 结构部位 | 铬铁冶炼竖炉 | 生产铁水的高炉 |
| 热风炉 | 风口鼓风温度为1250～1350℃ | 风口鼓风温度为1000～1250℃ |
| 煤气除尘装置 | 带有煤气冷却设备的干法煤气除尘装置 | 一般为湿法煤气除尘装置 |
| 喷煤/富氧设备 | 由于风温及鼓风富氧率高，具有300-400kg/t的喷煤能力，使用风口氧煤喷枪，可富氧5-20％。以确保煤粉快速、高效燃烧 | 吨铁喷煤能力一般低于230kg/t.一般为鼓风机前、后富氧，富氧率低于8％. |
| 炉型设计 | 使用预还原处理后的热固结铬铁团块，焦炭负荷低，铬铁直接还原率高于60％，煤气发生量达 | 使用烧结矿氧化球团矿冶炼，焦炭负荷低，直接还原率低于30％，煤气发生量仅 |
| 4000-6000m3/t，炉顶温度高达500-700℃，边缘气流较为发展；软熔带高度低；炉喉直径大、炉喉、炉身高度较短，炉缸加炉腹高度较高，炉腹角小于68度，炉身角大于90度炉体呈漏斗形。 | 1000-1500m3/t，炉顶温度仅200-300℃，炉喉直径较小，软熔带高度高，炉身较高；炉腰、炉腹较短，炉腹角大于80度，炉身角小于82度，炉体呈纺垂形。 | |
| 炉体冷却系统 | 炉底、炉缸选用非碳质高等级耐材砌筑，并设保温层，扩大竖炉冷却面积、提高炉体冷却强度 | 可全炉体冷却，炉缸选用碳质材料砌筑并设水冷却壁 |
| 炉缸设计 | 炉缸较矮，炉缸死料层深度设计仅为0.3-0.5米以保持含铬热铁水达1530℃以上 | 炉缸较高；死料层深度设计为炉缸直径的20％ |
本发明的有益效果
利用本发明竖炉熔化还原直接制备不锈钢母液有以下优点：
(1)生产成本大大降低；
(2)生产率高，适合大规模生产含铬热铁水的需要；
(3)铬铁矿原料的使用灵活，尤其是可用价廉的铬铁粉矿处理后制成预还原的热固结铬铁团块或烧结后使用；
(4)母液中的含铬量比国标高碳铬铁低，铬铁矿的还原更容易，能耗更低；
(5)铬的综合回收率高；
(6)可节省大量电力，降低不锈钢成本。
附图说明
图1为本发明铬铁冶炼竖炉的结构示意图；
图2为本发明铬铁冶炼竖炉冶炼工艺流程及其配套设备的示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的铬铁冶炼竖炉，其包括，竖炉本体1，其由炉壳、耐火材料形成一冶炼空间，分为上、中、下段；炉子上段101为加热区的炉身，该炉身为倒锥形结构，炉喉104直径大，炉喉、炉身高度较短；炉子中段102为熔化-还原区的炉腹，其侧壁有一内倾角α，该内倾角α小于70°；炉子下段103为炉缸，炉缸加炉腹高度较高；大钟及漏斗2，设置于竖炉本体炉子上段101炉身的顶部；热风围管3，设置于炉子中段12一侧；风口4，设置于炉子中段102下沿；冷却装置5，设置于竖炉本体1炉壳内，该冷却装置为水冷结构；出渣口6，开设于竖炉本体1炉子下段103炉缸一侧；出铁口7，开设于竖炉本体炉子下段103炉缸一侧。
预还原处理后的热固结铬铁团块矿石、焦炭等原燃料(成分见表2、表3、表4)通过大钟及漏斗1装入炉内，温度达1250℃以上的热风经热风围管3和风口4从下部鼓入竖炉并在风口前点燃焦炭；在炉料下降、熔滴滴落和煤气上升的过程中，上述矿石被加热、熔化并还原，其中铬矿石的主要化学反应如下：
三氧化二铬的碳热还原：Cr2O3+3C＝2Cr+3CO；
铬尖晶石的还原：MgO·Cr2O3+3C＝2Cr+MgO+3CO；
碳化铬的生成：Cr2O3+13/3C＝2/3Cr2C2+3CO；
铬铁矿的还原：3FeO·Cr2O3+3C＝3Fe+Cr2O3+3CO。
作为竖炉冶炼产品，上渣从出渣口6渣口装置排出，下渣和合金铁水从出铁口7铁口装置排出，竖炉煤气从煤气导出管8排出。
参见图2，冶炼用原燃料通过矿槽设施11进行筛分、计量；由上料设施12按规定顺序送入竖炉14内；在炉料下降、熔滴滴落和煤气上升的过程中，上述矿石被加热、熔化并还原；并由铁水罐车21运输。其中，煤粉喷吹装置13具有吨铁400千克的喷煤能力，并且使用氧煤喷枪，以确保煤粉快速、高效燃烧；除尘设施15、煤气冷却装置16、旋风除尘装置17和布袋除尘装置18可将最终的煤气含尘量降至15mg/Nm3以下，既保护了大气环境又提高了煤气质量；热风炉19采用球式结构和余热回收装置，使用自产的竖炉煤气(低发热值6000～8000KJ/Nm3)可将鼓风温度加热至1250～1300℃；鼓风装置20配有BBD脱湿机组，能把鼓风湿度降至10g/Nm3以下。
上述所有设施、装置通过各自所起作用，提供了竖炉正常生产所需条件，使竖炉冶炼1530℃含铬热铁水(产品成分见表5)的生产过程得以持续进行。
表2.预还原热固结铬铁球团(铬铁冶炼竖炉原料)的化学成分，％
| 炉次 | 温度/℃ | TFe | TCr | P | S |
| 1# | 1350 | 34.90 | 17.14 | 0.020 | 0.230 |
| 2# | 1350 | 31.53 | 15.49 | 0.020 | 0.170 |
| 3# | 1350 | 32.33 | 15.90 | 0.018 | 0.184 |
| 4# | 1350 | 30.62 | 15.13 | 0.017 | 0.172 |
| 5# | 1350 | 35.68 | 17.29 | 0.026 | 0.191 |
生产条件：转底炉1350℃还原30min。
表3.铬铁冶炼竖炉喷吹煤的成分(工业分析)，％
| 煤种 | H2O | Ash | VM | C | P | S |
| 永成 | 1.78 | 11.14 | 9.12 | 77.96 | 0.0063 | 0.205 |
| 神府 | 6.77 | 6.18 | 30.15 | 56.90 | 0.0098 | 0.266 |
| 0.4神府+0.6永城 | 3.78 | 9.16 | 17.53 | 69.54 | 0.0089 | 0.258 |
表4.铬铁冶炼竖炉用焦炭的工业分析，％
| H2O | Ash | VM | C | P | S |
| 4.96 | 10.71 | 1.01 | 83.32 | 0.025 | 0.525 |
| 0 | 11.27 | 1.06 | 87.71 | 0.026 | 0.553 |
表5.含铬热铁水产品的成分
| 炉次 | TFe(％) | TCr(％) | Si(％) | P(％) | S(％) | C(％) | Cr/(Cr+Fe) |
| 1# | 64.4 | 26.5 | 0.2 | ＜0.03 | 0.1 | 7.4 | 29.15 |
| 2# | 65.8 | 25.4 | 0.1 | ＜0.01 | 0.062 | 7.3 | 27.85 |
| 3# | 61.0 | 26.5 | 1.1 | ＜0.02 | 0.12 | 7.9 | 30.29 |
| 4# | 62.8 | 26.3 | 0.9 | ＜0.02 | 0.065 | 7.2 | 29.52 |
| 5# | 68.0 | 23.8 | ＜0.1 | ＜0.01 | 0.21 | 7.1 | 25.93 |
本发明对我国大型不锈钢生产基地可采用竖炉型熔化还原预还原处理后的热固结铬铁团块，得到的的含铬热铁水直接制备不锈钢母液，然后经转炉高速脱碳→VOD或AOD精炼→连铸→连轧成材的不锈钢生产新工艺流程的建立意义重大。
Claims (6)
1.一种铬铁冶炼竖炉，其特征是，其包括，
竖炉本体，其由炉壳、耐火材料形成一冶炼空间，分为上、中、下段；炉子上段为加热区的炉身；炉子中段为熔化一还原区的炉腹，其侧壁有一内倾角α；炉子下段为炉缸；
大钟及漏斗，设置于竖炉本体炉子上部炉身的顶部；
热风围管，设置于炉子中段一侧；
风口，设置于炉子中段下沿；
冷却装置，设置于本体炉壳内；
出渣口，开设于竖炉本体炉子下段炉缸一侧；
出铁口，开设于竖炉本体炉子下段炉缸一侧。
2.如权利要求1所述的铬铁冶炼竖炉，其特征是，所述的竖炉本体炉子上段炉身为倒锥形结构。
3.如权利要求1所述的铬铁冶炼竖炉，其特征是，所述的竖炉本体炉子中段炉腹侧壁的内倾角α小于70°。
4.如权利要求1所述的铬铁冶炼竖炉，其特征是，所述的冷却装置为水冷结构。
5.如权利要求1所述的铬铁冶炼竖炉，其特征是，所述的竖炉本体炉壳内还设有保温耐材层。
6.一种用上述权利要求1所述的铬铁冶炼竖炉冶炼铬铁的方法，其包括，
a.矿石、焦炭等原燃料通过大钟及漏斗装入铬铁冶炼竖炉上段，快速加热到1000～1300℃；
b.温度达1250℃以上的热风从下部鼓入竖炉并在风口前点燃焦炭；通过风口将氧气和煤粉送入炉内中段，喷煤300-400kg/t，风口氧煤喷枪，可吹氧5-20％，以确保煤粉快速、高效燃烧；在该区域氧气、煤粉和焦炭燃烧产生高达2300～2500℃的温度，预还原铬铁矿迅速熔化，大部分矿物在此还原，初渣形成；
c.炉子下部为炉缸盛装铁水和炉渣，部分未还原的矿物在此继续还原，脱硫等一些化学反应也在此进行，最终生成合格的热铁合金母液；
d.使用预还原处理后的热固结铬铁团块，焦炭负荷低，铬铁的直接还原率高于60％，煤气发生量达4000-6000m3/t，炉顶温度高达500-700℃。
7.如权利要求6所述的冶炼铬铁的方法，其特征是，步骤b中热风温度为1250～1350℃。
8.如权利要求6所述的冶炼铬铁的方法，其特征是，预还原处理后铬铁矿团块铁的金属化率大于70％、铬的预还原率大于40％。
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