CN101956038A - 一种铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢工艺方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢工艺及装置，熔融还原炉内形成厚渣层的铁渣熔池后，四层复合喷吹、四区熔融还原低碳炼铁和三级吹氧连续炼钢技术实现了用铁矿石熔融还原低碳炼铁和连续炼钢。本发明的生产率高，热效率高，炉子寿命长，流程短，易于生产的连续化和自动控制，节省设备和基建投资，节约土地，节能减排。

Description

一种铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢工艺方法及装置

技术领域

本发明涉及铁的生产工艺，尤其涉及一种用铁矿石熔融还原低碳炼铁的生产工艺方法和装置及炼钢工艺，属钢铁冶金技术领域。

背景技术

为解决日益匮乏的焦煤资源问题和环保问题，冶金领域的科学家们在不断探讨各种不用焦碳的炼铁或炼钢方法，如Itmk3“第三代炼铁法”日本神户制钢与美国米德兰(Midrex)公司联合开发球团烧结设备直接还原新工艺(Fastmet)，以天然气为还原剂的MIDREX、HYL法以及煤为还原剂的回转窑法、竖炉法等。熔融还原主要是用非焦煤生产铁水-转炉炼钢流程工艺方法，主要有AUSIRON、HISMELT、DIOS、ROMELT、CCF、AISI、CLEANMELT、COREX、FINEX等，大多数熔融还原工艺还处于研发阶段，COREX炼铁工艺建成了6-7条生产线，在浦项、南非、印度等一些厂已经运行了十年以上，尤其是南非的COREX-2000，浦项的FINEXCOREX，中国宝钢引进的COREX-3000。HISMELT工艺已经开发成熟，在澳大利亚昆纳纳建设了一座80万吨的工厂，目前正在试运行，SRV融熔还原炉矿粉需用强力喷枪才能喷入熔池、存在投资大、传热效率低等问题。

中国专利申请02116882.2公开了一种煤-铁矿微波还原-电炉直接炼钢方法及设备，这种方法生产效率低，难以规模化生产；中国专利申请86105494公开了褐煤预还原矿石直接炼钢轧材，是将矿石先制成海棉铁，再由电炉炼钢，再轧成钢材，能源利用效率和生产效率低；中国专利申请200610040303.1公开了用感应炉直接炼钢的方法，能耗高、生产效率低；中国专利申请200610040696.6公开了用铁矿粉与无烟煤粉的混合料块利用转炉直接炼钢方法和中国专利申请200610040838.9公开了用氧化铁皮与无烟煤粉的混合料利用电炉直接炼钢方法以及中国专利申请87101210公开了一种铁矿石直接炼钢的方法是指由铁精矿、非焦煤和溶剂做成的未经任何还原的冷固结球团，加到现代工业炼钢炉中炼钢的方法，这些方法的铁矿石还原效率低，能耗高，生产效率低；中国专利申请92113519.X公开了用矿石直接炼钢的方法及设备，是先将矿石用还原气体还原成海棉铁，然后将高温海绵铁在与外界大气隔离的情况下送入熔化室内熔化，再加入造渣剂去除有害元素的方法，能耗高，生产效率低，未见到产业化的报道。

中国专利申请96104008.4公开了一种公开了一种生产生铁水的方法和装置，把煤直接供入冶金容器的渣中，渣上方有一氧枪燃烧煤气，冶金容器顶部有一熔融旋流器，铁矿粉和氧气喷入熔融旋流器旋转的同时燃烧来子冶金容器的煤气，产生的1600℃高温把铁矿粉熔化沿着熔融旋流器的壁流入冶金容器被还原，熔融旋流器在铁矿粉的强喷力下其耐火材料的寿命很短是该设备的最大缺陷，至今未见应用报导。

中国专利申请86106417高炉连续炼钢与制钢生产的连续化，提出改进高炉用纯氧和加压气化煤气作燃料和还原剂直接炼成钢的方法，未见到产业化的报道。中国专利申请87104957.0槽式炉连续炼钢工艺及设备，设前炉、槽式炉和后炉的一种连续炼钢工艺，所用原料仍然是高炉铁水，效率低，成本高。中国专利200810238696.6公开一种含铁物料连续炼钢工艺方法及装置，把煤粉和氧气喷入到熔渣的中下部的钢渣界面上，把转底炉预还原70-97％(金属化率)900℃～1000℃的预还原金属化球团在渣中熔融和还原的工艺方法和装置，该工艺方法采用的是把转底炉高温预还原球团加入熔炼炉实现连续炼钢，但是转底炉热损失高达20％，生产规模小，影响了全系统的热效率，存在只能用于预还原球团。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种铁矿石熔融还原低碳炼铁装置以及炼钢装置。

本发明的另一目的是提供一种铁矿石熔融还原低碳炼铁的生产工艺及炼钢工艺方法。

本发明提出的铁矿石熔融还原低碳炼铁的工艺方法和装置，直接生产出C含量2.2～2.5％、磷含量＜0.015％、硫含量＜0.050％、硅含量＜0.05％、锰含量＜0.05％的合格低碳铁水。低碳铁水经本发明提出的炼钢工艺和装置生产出C含量0.006～0.020％、磷含量＜0.010％、硫含量＜0.010％、硅含量＜0.02％、锰含量＜0.05％的合格钢水供LF或RH等精炼炉。

本发明提出一种全新铁矿石熔融还原低碳炼铁工艺方法，即四层复合喷吹、四区熔融还原技术。熔融还原炉内首先形成厚渣和铁水熔池，对熔融还原炉实施四层复合喷吹，一层铁水熔融还原炉底吹氧透气砖喷吹区称为熔池区(D区)，D区炉底吹入的氧气与含有饱和碳的铁水中的碳(C：4.2-4.5％)反应，产生的热量输送到上部铁渣界面以上的终还原E区，为FeO还原反应提供热量，反应生产的CO搅动铁水熔池使铁水成分和温度均匀，并生产出C含量2.2～2.5％的低碳铁水，低碳铁水通过“乙型”出铁口连续流入炼钢炉，始终保持熔融还原炉铁水稳定在一定的高度范围；二层高压碳氧枪喷吹区称为终还原区(E区)，高压碳氧枪向渣铁界面同时喷入氧气和兰炭(或兰碳粉)，控制碳氧比使15-35％的兰炭燃烧成CO，产生的热量用于FeO还原反应和把富余兰炭加热成1400℃以上高温碳颗粒，在熔池渣铁界面以上0-0.5m区域形成含有过饱和碳的铁水及有大量高温碳颗粒熔渣的终还原E区；三层碳氧枪喷吹区称为初还原区(F区)，碳氧枪向离渣铁界面以上0.4-1.2m处同时喷吹兰炭和氧气，控制碳氧比使85-90％的兰炭被燃烧生成CO和少量CO₂，E区的高温碳颗粒还原FeO产生的CO和剩余高温碳颗粒向上运动，直到碳氧枪喷吹区渣铁界面以上0.4m-1.2m区域即为初还原F区，F区产生的大量热量通过高温熔渣(1550-1600℃)不断向终还原E区输送，为FeO还原反应提供热量；四层氧枪喷吹区称为快速熔融区(G区)，氧枪向离渣铁界面以上1.0-1.8m熔渣处喷入氧气，离渣铁界面以上1.0-3.5m区域即为快速熔融G区，在G区氧气把熔渣中的CO和剩余高温碳颗粒90-98％燃烧生产CO₂，产生的高热量全部被高温熔渣(1450-1600℃)高效吸收，不断加入的铁矿石块或球团(预热到1000-1200℃)被快速熔融成液态铁氧化物，比重为4-4.5％的液态铁氧化物在熔渣中携带大量热量进入初还原F区被还原，同时G区熔渣也把大量的热量交换到初还原F区熔渣中，为液态铁氧化物的还原提供热量。即自上而下形成快速熔融区、初还原区、终还原区和熔池区四个区。

经预热到1000-1200℃比重为1.6-2.0的铁矿石块(10-50mm)或氧化球团，利用高温串罐加料设备加入到熔融还原炉快速熔融G区，在比重为1.2-2.0的熔渣中并被快速熔化成液态铁氧化物(1400-1450℃)，比重为4-4.5的液态铁氧化物在G区被快速升温(1550-1600℃)进入初还原F区被逐步还原，进入E区被终还原和渗碳，生产出含有饱和碳的铁水(C含量4.2-4.5％)进入熔池，铁水中的饱和碳与熔池底吹入的氧气反应生产出低碳铁水(C含量2.2-2.5％，1400-1450℃)，低碳铁水由“乙形”出铁口直接供炼钢炉。

低碳铁水三级吹氧炼钢工艺方法，即一级底吹氧，即“乙型”出铁口底吹氧，熔融还原炉D区C含量2.2～2.5％的低碳铁水通过“乙型”出铁口连续流入炼钢炉的过程中，“乙型”出铁口底部的吹氧透气砖向低碳铁水中弱吹氧，氧气与铁水中的碳反应实施脱碳的同时为“乙型”出铁口中的铁水提供热量，防止铁水在“乙型”出铁口中发生冻结，保证“乙型”出铁口中的铁水顺利流入炼钢炉；二级底吹氧，即炼钢炉底吹氧透气砖向流入炼钢炉的低碳铁水中实施中吹氧，氧气与铁水中的碳反应实施脱碳、提高钢水温度的同时产生的CO搅拌钢水，使钢水的温度和成分均匀；三级顶部强吹氧，即炼钢炉顶吹氧枪吹氧，当炼钢炉加入造渣剂时顶吹氧枪对钢水渣面实施强吹氧，以达到快速化渣目的，当炼钢炉出钢前如果钢水碳含量或温度达不到出钢要求(C含量0.006～0.020％、磷含量＜0.010％、硫含量＜0.010％、硅含量＜0.02％、锰含量＜0.05％，温度1600-1700℃)时，顶吹氧枪对钢水渣面实施强吹氧，以达到快速提高钢水温度和脱碳目的。

名词解释：

四层复合喷吹：是指熔融还原炉底吹氧透气砖、高压碳氧枪、碳氧枪和氧枪分别从熔融还原炉的熔池底部和厚熔渣不同的高度，把煤氧或氧气同时喷入铁水熔池和厚熔渣不同高度处，自上而下形成了四个加热熔融还原区。

四区熔融还原：是指熔融还原炉内自上而下形成高温铁矿石块或球团快速熔融区(G区)、液态铁氧化物初还原区(F区)、FeO终还原区(E区)和低碳铁水熔池区(D区)4个区。

三级吹氧低碳铁水炼钢：是指“乙型”出铁口底吹氧、炼钢炉底吹氧、炼钢炉顶吹氧枪吹氧达到使低碳铁水脱碳、造渣、脱硫、脱磷、提高钢水温度炼钢的目的。

弱吹氧：是指“乙型”出铁口底吹氧透气砖的吹氧强度使钢水液面稍微有气泡冒出，不出现涌泉式翻腾。

中吹氧：是指炼钢炉底吹氧透气砖的吹氧强度使钢水液面或渣表面出现涌泉式翻腾，但不出现大沸腾。

顶部强吹氧：是指顶吹氧枪由炼钢炉顶部插到钢渣面上强力吹氧，同转炉炼钢的吹氧方式。顶部强吹氧在一个炼钢周期只有二次，一次是前期加入造渣溶剂后强吹氧快速化渣，熔融的钢渣被顶吹氧枪强氧气流溅飞到炼钢炉的炉内壁上，起到溅渣护炉保护炉内壁的作用；二次是出钢前如果钢水温度或碳含量达不到要求则强吹氧脱碳或提高钢水温度。

兰炭：人们也称半焦，结构为块状，粒度一般在3mm以上，最大不超过30mm，颜色呈浅黑色。兰炭的主要生产原料是侏罗纪弱粘煤和不粘煤块，在600℃左右低温干馏烧制而成，固定碳＞82％，挥发份＜4％，灰份＜6％，硫、磷＜0.3％，水份＜10％。

因本发明比较复杂、涉及步骤众多，因此重点论述本发明与现有技术相区别的创新部分。本发明未论述部分均可采用现有技术。

本发明提供一种铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢装置。包括熔融还原炉(5)、高温料加入系统、出渣口(9)、四层复合喷吹系统和三级吹氧炼钢系统组成；熔融还原炉(5)上部两侧炉壁与高温料加入系统相连，顶部与煤气出口(4)相连，熔融还原炉侧壁安装有出渣口(9)、放铁口(15)、四层复合喷吹系统，熔融还原炉(5)下部出铁口与三级吹氧炼钢系统相连。

优选的，高温加料系统依次包括：串罐式布料器(6)、上料车(7)、轨道(8)；上料车(7)运行在轨道(8)上；优选的，串罐式布料器(6)连接在熔融还原炉(5)上部的炉壁上。优选的本专业技术人员可根据炉子大小选择1到6个串罐式布料器(6)安装到熔融还原炉(5)上部炉侧壁。优选的，串罐式布料器(6)安装在上部炉侧壁上时，其全部重量由钢结构架支撑。优选的，可在熔融还原炉(5)顶部炉盖和侧壁可同时安装串罐式布料器(6)。炼钢炉通过“乙型”出铁口(10)与熔融还原炉(5)相连；熔剂串罐式布料器(123)把造渣熔剂加入到炼钢炉；炼钢炉(12)的顶部设有顶吹氧枪(121)，底部设有炼钢炉底吹氧透气砖(127)；控制炼钢炉煤气出口(122)保持炼钢炉(12)与熔融还原炉(5)压力一致。优选的，“乙型”出铁口(10)的上部设有一密封盖(11)，供维修用。

优选的，四层复合喷吹系统，自上而下依次包括氧枪(3)、碳氧枪(2)、高压碳氧枪(1)和熔融还原炉底吹氧透气砖(14)。

优选的，所述熔融还原炉底吹氧透气砖(14)，是可更换的，根据炉子的大小和冶炼需要，本专业技术人员可选择安装3到18套，布置在铁水熔池底部1/3或2/3半径位置，或其他合适的位置。

优选的，所述高压碳氧枪(1)心部管道是氧气、中部管道是兰炭粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用；或者是氧气管道与兰炭粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。优选的，高压碳氧枪(1)由出渣口(9)以上的炉壁插入到熔渣中的铁渣界面，是可更换的，根据炉子的大小和冶炼需要，本专业技术人员可选择安装2到16支枪，布置在炉壁周围合适的位置。优选的，高压碳氧枪与炉壁成α角，α角为15～45度夹角。

优选的，所述碳氧枪(2)的心部管道是氧气、中部管道是兰炭粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用；或者是氧气管道与兰炭粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。优选的，碳氧枪(2)由出渣口(9)以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面0.4-1.2m处，是可更换的，根据炉子的大小和冶炼需要，本专业技术人员可选择安装2到16支枪，布置在炉壁周围合适的位置。优选的，碳氧枪与炉壁成β角，β角为20～55度夹角。

优选的，所述的氧枪(3)心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。优选的氧枪(3)由出渣口(9)以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.0-1.8m处，是可更换的，根据炉子的大小和冶炼需要，本专业技术人员可选择安装2到16支枪，布置在炉壁周围合适的位置。优选的，氧枪与炉壁成γ角，γ角为35～70度夹角。

优选的，铁矿石块(5-50mm)可直接用于本工艺，小于5mm的铁矿粉、氧化铁皮、高炉除尘灰、转炉除尘灰、电炉除尘灰、烧结除尘灰等等含铁物料均可生产成球团，再经改造后的带式焙烧机、或链篦机回转窑、或竖炉等设备预热到1000-1200℃，然后加入熔融还原炉。

优选的，所述的三级吹氧炼钢系统依次包括：“乙型”出铁口(10)、出铁口吹氧透气砖(13)、炼钢炉(12)、顶吹氧枪(121)、炼钢炉煤气出口(122)、熔剂串罐式布料器(123)、炼钢炉出渣口(124)、炼钢炉出钢口(125)、放钢口(126)和炼钢炉底吹氧透气砖(127)；炼钢炉通过“乙型”出铁口(10)与熔融还原炉(5)相连；熔剂串罐式布料器(123)把造渣熔剂加入到炼钢炉；炼钢炉(12)的顶部设有顶吹氧枪(121)，底部设有炼钢炉底吹氧透气砖(127)；控制炼钢炉煤气出口(122)保持炼钢炉(12)与熔融还原炉(5)压力一致。优选的，“乙型”出铁口(10)的上部设有一密封盖(11)，供维修用。

优选的，熔融还原炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子；优选的，熔渣上部空间的圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的3-7倍；在熔融还原炉的底部设有放铁口(15)，供大修时使用。优选的，熔渣区的圆台形是上大下小的圆台型，上表面的圆周直径是下表面圆周直径的1.5～5倍。优选的，炼钢炉(12)是圆柱形炉子。

优选的，熔融还原炉(5)外壳、“乙型”出铁口(10)的外壳以及炼钢炉(12)的外壳均采用水冷炉壁结构，使炉子寿命可达到20年以上。

本发明提供一种铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢工艺，包括如下步骤：

1)熔融还原炉内首先形成0.8～1.0m深的铁水熔池，铁水熔池上面形成1.5～2.0m厚熔渣；

2)四层复合喷吹、四区熔融还原技术：

一层喷吹：熔融还原炉底吹氧透气砖向熔池底部吹入氧气，氧气与饱和铁水中的碳(C含量4.2-4.3％)生成CO，放出的热量供铁渣界面以上终还原区FeO还原反应，并生产出低碳铁水(C含量2.2-2.3％)。

二层喷吹：高压碳氧枪喷吹区把氧气和兰炭粉高压喷入铁水熔池中和渣铁界面上，控制碳氧比把15-35％的兰炭粉燃烧成CO，产生的热量用于FeO反应和把富余兰炭粉加热成1400℃以上高温碳颗粒，在熔池渣铁界面以上0-0.5m区形成过饱和碳的铁水并有1400～1450℃的高温碳颗粒的终还原区(E区)；

三层喷吹：碳氧枪向距渣铁界面以上0.4-1.2m处同时喷入兰炭粉和氧气，控制碳氧比把85-90％的兰炭被燃烧生成CO和少量CO₂，终还原区(E区)的高温碳颗粒还原FeO产生的CO和剩余高温碳颗粒向上运动，碳氧枪喷吹区渣铁界面以上0.4m-1.2m区域即为初还原区(F区)，初还原区(F区)产生的大量热量通过高温熔渣(1550-1600℃)不断向终还原区(E区)输送，为FeO终还原反应提供热量；

四层喷吹：氧枪向熔渣上部距渣铁界面1.0-1.8m处喷入氧气，熔渣中的CO和高温碳颗粒90-98％被氧气燃烧生成CO₂，产生的热量被熔渣高效吸收，形成渣铁界面以上1.0-3.5m区域为快速熔融区(G区)，快速熔化不断加入的铁矿石块或球团(预热到900-1200℃)，铁矿石块或球团被快速熔融成液态铁氧化物，比重为4-4.5％的液态铁氧化物在熔渣中携带大量热量进入初还原区(F区)被还原，同时快速熔融区(G区)熔渣也把大量的热量交换到初还原区(F区)熔渣中，为液态铁氧化物和FeO的还原提供热量；

3)经预热到1000-1200℃比重为1.8～2.0的粒度为10-50mm的铁矿石块或球团，以及造渣熔剂均采用高温串罐加料设备加入到熔融还原炉快速熔融(G区)的顶部，铁矿石块或球团在比重为1.2～2.0的熔渣中被快速熔化成1400～1500℃、比重为4-4.5的液态铁氧化物，液态铁氧化物在快速熔融区(G区)被快速升温至1550-1600℃，然后进入初还原区(F区)并被逐步还原，进入终还原区(E区)被终还原和渗碳，生产出C含量4.2-4.5％的含饱和碳的铁水；铁水中饱和碳与熔池底吹氧反应生产出低碳铁水(C含量2.2-2.5％，1400-1450℃)，低碳铁水由“乙形”出铁口直接供连续炼钢炉；同时加入的熔剂造渣，对铁水脱硫、脱磷，渣碱度控制在1.1～1.3范围内，使铁水中的硫、磷控制在S＜0.050％，P＜0.015％。

4)当熔融还原炉的厚渣达到2.5-3.5m厚时，停止加料3分钟后开始出渣，渣厚到达1.6～2.0m厚时，停止出渣，继续下一个周期的冶炼；

5)三级吹氧低碳铁水炼钢工艺：

熔融还原炉得到的铁水经“乙型”出铁口连续流入炼钢炉，运用三级吹氧低碳铁水炼钢工艺进行冶炼；

一级底吹氧：C含量2.2～2.5％的低碳铁水通过“乙型”出铁口连续流入炼钢炉的过程中，“乙型”出铁口底部的吹氧透气砖向低碳铁水中弱吹氧，氧气与铁水中的碳反应实施脱碳，为“乙型”出铁口中的铁水提供热量，防止铁水在“乙型”出铁口中发生冻结，保证“乙型”出铁口中的铁水顺利流入炼钢炉；

二级底吹氧：炼钢炉底吹氧透气砖向流入炼钢炉的低碳铁水中实施中吹氧，氧气与铁水中的碳反应实施脱碳、提高钢水温度的同时产生的CO搅拌钢水，使钢水的温度和成分均匀；

三级顶吹氧：炼钢炉顶吹氧枪吹氧，当炼钢炉加入熔剂时顶吹氧枪对钢水渣面实施强吹氧，以达到快速化渣目的，渣的碱度控制在3.0～3.5范围内，当炼钢炉出钢前钢水碳含量和温度达不到出钢要求时，对钢水渣面实施强吹氧，以达到快速提高钢水温度和脱碳目的。

6)出钢：

达到出钢要求的钢水(C含量0.006～0.020％、磷含量＜0.010％、硫含量＜0.010％、硅含量＜0.02％、锰含量＜0.05％，温度1600-1700℃)，经炼钢炉出钢口出钢。

步骤1)所述的厚熔渣，是指熔融还原炉中铁渣界面以上厚1.5-3.5米的熔渣。

步骤2)所述的兰炭可用优质煤粉(固定碳含量77％以上、硫磷尽量低)替代，或用焦粉代替。

优选的，熔融还原炉产生的高温炉气经旋风除尘后(1400-1450℃)，用于预热铁矿石块或球团到1000-1200℃；炼钢炉产生的煤气用于轧钢加热炉或其它设备的燃料。

所述的渣碱度，生产现场多采用二元碱度计算法，即CaO/SiO₂的比值。

优选的，步骤2)所述高压碳氧枪是用氮气作为载体，用0.6-1.2MPa的压力的氮气把兰炭粉高压喷入铁水熔池中和渣铁界面上，同时喷入氧气，控制碳氧比使15-35％的兰炭被燃烧成CO。优选的，兰炭的喷入量为450-530公斤/吨铁。

优选的，步骤2)所述碳氧枪是用氮气作为载体，用0.4-0.7MPa的压力把兰炭粉喷入距渣铁界面0.4-1.2m处熔渣中，同时喷入氧气，控制碳氧比使85-90％的兰炭被燃烧生成CO和少量CO₂。优选的，兰炭的喷入量为120-200公斤/吨铁。

优选的，步骤2)所述高压碳氧枪和碳氧枪的心部管道是氧气、外部管道是兰炭粉，或者是氧气管道与兰炭粉管道并列，外层有水冷管道保护，最外层是耐火材料。

优选的，步骤3)所述“乙形”出铁口的底部吹氧透气砖向“乙型”出铁口(10)竖直通道中的铁水吹入氧气，产生的热量防止通道中的铁水低温冻结。

优选的，步骤4)、步骤5)所述熔剂为生石灰、白云石、萤石等中的一种或几种，熔剂经高温加料系统按吨铁水80-120公斤加入熔融还原炉内，炼钢炉熔剂是按吨钢30-60公斤加入。

本发明的优势体现在：

(1)用兰炭或煤粉作还原剂或燃料，不用焦炭，用块状铁矿石或铁矿石粉制成氧化球团经预热后直接冶炼出低碳铁水，生产效率高，可与竖炉、链篦机回转窑、带式焙烧机等高效设备相连接，实现大规模生产，综合能耗低，生产成本低，节能减排效果显著。

(2)实现了把900～1200℃预热的铁矿石块、或高温氧化球团等直接加入熔融还原炉，余热利用效率高，这一点优于现有的高炉-转炉流程、COREX熔融还原炼铁-转炉流程，Hismelt-转炉流程，同时也优于一些专利提出连续炼钢或一步炼钢方法。

(3)本发明炼铁设备简单，与长流程炼铁比设备和基建投资节省60％以上，节约土地2/3以上，物流得到充分简化，节能25％以上，减排约50％以上，易于实现生产的连续化和自动控制，炉子寿命可长达20年以上；3座500万吨规模的改造后的带式焙烧机或链篦机回转窑对应6座(或3座)熔融还原炉可实现年产1000万吨钢，是钢铁冶金的一个革命性工艺变革。

附图说明

图1是本发明的示意流程图。其中：1：高压碳氧枪，2：碳氧枪，3：氧枪，4：煤气出口，5：熔融还原炉，6：串罐式布料器，7：上料车，8：轨道，9：出渣口，10：“乙型”出铁口，11：密封盖，12：炼钢炉，13：出铁口吹氧透气砖，14：熔融还原炉底吹氧透气砖，15：放铁口，121：顶吹氧枪，122：炼钢炉煤气出口，123：熔剂串罐式布料器，124：炼钢炉出渣口，125：炼钢炉出钢口，126：放钢口，127：炼钢炉底吹氧透气砖。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明并不局限于此。

实施例1：

原料：铁矿块，兰炭；预热设备：竖炉。

本发明的铁矿石熔融还原低碳炼铁设备，包括：竖炉，高压碳氧枪1，碳氧枪2，氧枪3，煤气出口4，熔融还原炉5，串罐式布料器6，上料车7，轨道8，出渣口9，“乙型”出铁口10，密封盖11，出铁口吹氧透气砖13，熔融还原炉底吹氧透气砖14，放铁口15和炼钢炉12。如图1所示。

串罐式布料器6、上料车7、轨道8依次相连；上料车7运行在轨道8上，组成高温加料系统；串罐式布料器6与熔融还原炉5的炉侧壁相连。

氧枪3、碳氧枪2、高压碳氧枪1和熔融还原炉底吹氧透气砖14自上而下依次排列。

熔融还原炉底吹氧透气砖14共6支，分别安装在底部三分之二半径圆周上，呈60度均匀分布，是可更换的，3支吹氧，另3支备用。

高压碳氧枪1心部管道是兰炭粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。高压碳氧枪1由出渣口9以上的炉壁插入熔渣中的铁渣界面，是可更换的，安装3支枪，布置在炉壁周围合适的位置。高压碳氧枪与炉壁成α角，α角为30度夹角。

碳氧枪2的心部管道是氧气、中部管道是兰炭粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用；碳氧枪2由出渣口9以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面0.4-1.2m处，选择安装3支枪，布置在炉壁周围合适的位置。碳氧枪与炉壁成β角，β角为35度夹角。

氧枪3心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。氧枪3由出渣口9以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.0-1.8m处，安装4支枪，布置在炉壁周围合适的位置。氧枪3与炉壁成γ角，γ角为50度夹角。

“乙型”出铁口(10)的底部设有2支出铁口吹氧透气砖(13)，并列分布，一支吹氧，另一支备用。

熔融还原炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子；熔渣上部空间的圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的4倍；在熔融还原炉的底部设有放铁口15，供大修时使用。熔渣区的圆台形是上大下小的圆台型，上表面的圆周直径是下表面圆周直径的2倍。炼钢炉(12)是圆柱形。

炼钢炉12包括：顶吹氧枪121，炼钢炉煤气出口122，熔剂串罐式布料器123，炼钢炉出渣口124，炼钢炉出钢口125，放钢口126，炼钢炉底吹氧透气砖127；炼钢炉通过“乙型”出铁口与熔融还原炉5相连、熔剂串罐式布料器123把造渣熔剂加入到炼钢炉，控制炼钢炉煤气出口122压力保持炼钢炉12与熔融还原炉5压力一致。

熔融还原炉5外壳、“乙型”出铁口10外壳以及炼钢炉外壳均采用水冷炉壁结构。

熔融还原炉5内首先行成1.0m深的铁水熔池，铁水熔池上面形成1.6m厚渣；

熔融还原炉底吹氧透气砖向熔池喷吹氧气与饱和铁水中碳(C：4.2-4.3％)反应，产生的热量输送到上部铁渣界面以上的终还原E区为FeO还原反应提供热量，生产的CO搅动铁水熔池使成分和温度均匀，生产出C含量2.2～2.5％的低碳铁水，D区低碳铁水通过“乙型”出铁口连续流出，始终保持熔融还原炉中低碳铁水在一定的高度范围；高压碳氧枪向渣铁界面同时喷入氧气和兰炭，控制碳氧比使15-35％的兰炭燃烧成CO，产生的热量用于FeO还原反应和把富余碳粉加热成1400℃以上高温碳颗粒，在熔池渣铁界面上形成过饱和碳的铁水及有大量高温碳颗粒的渣铁界面以上0-0.5m区域即为终还原E区；碳氧枪向离渣铁界面以上0.4-1.2m处同时喷吹兰炭和氧气，控制碳氧比使85-90％的兰炭被燃烧生成CO和少量CO2，E区的高温碳颗粒还原FeO产生的CO和剩余高温碳颗粒向上运动，直到碳氧枪喷吹区渣铁界面以上0.4m-1.2m区域即为还原F区，F区产生的大量热量通过高温熔渣(1550-1600℃)不断向终还原E区输送，为FeO还原反应提供热量；氧枪向离渣铁界面以上1.0-1.8m熔渣处喷入氧气，离渣铁界面以上1.0-3.5m区域即为快速熔融G区，在熔融G区氧气把熔渣中的CO和剩余高温碳颗粒90-98％燃烧生产CO2，产生的高热量全部被高温熔渣(1450-1650℃)高效吸收，快速熔化不断加入的铁矿石块或球团(预热到1000-1200℃)，铁矿石块或球团被快速熔融成液态铁氧化物，比重为4-4.5％的液态铁氧化物在熔渣中携带大量热量进入还原区被还原，同时G区熔渣也把大量的热量交换到还原区熔渣中，为液态铁氧化物和FeO的还原提供热量。

竖炉把铁矿石块(5-50mm、比重1.6-2.0)，由竖炉预热到1000℃，通过上料车7和高温串罐式布料器6加入到熔融还原炉5中熔渣G区，在比重为1.2-2.0的熔渣中并被快速熔化成液态铁氧化物(1400-1450℃)，比重为4-4.5的液态铁氧化物在G区被快速升温(1550-1600℃)进入还原F区被逐步还原，进入E区被终还原和渗碳，生产出饱和碳的铁水(C含量4.2-4.3％)，铁水中的饱和碳与熔池底吹入的氧气反应生产出低碳铁水(C含量2.2-2.5％，Mn：0.05％，P＜0.015％、S＜0.050％、Si＜0.02％，1400-1450℃)。当熔融还原炉的厚渣达到2.5-3.5m厚时，停止加料3分钟后开始出渣，渣到达1.6～2.0m厚时，停止出渣，继续下一个周期的冶炼。铁矿石块加入的同时按吨铁100公斤向熔融还原炉加入熔剂造渣，对铁水脱硫、脱磷，渣碱度控制在1.1～1.3范围内。

低碳铁水由“乙形”出铁口直接供炼钢炉，运用三级吹氧低碳铁水炼钢工艺进行冶炼；

一级底吹氧：C含量2.2～2.5％的低碳铁水通过“乙型”出铁口连续流入炼钢炉的过程中，“乙型”出铁口底部的吹氧透气砖向低碳铁水中弱吹氧，氧气与铁水中的碳反应实施脱碳，为“乙型”出铁口中的铁水提供热量，防止铁水在“乙型”出铁口中发生冻结，保证“乙型”出铁口中的铁水顺利流入炼钢炉；

二级底吹氧：炼钢炉底吹氧透气砖向流入炼钢炉的低碳铁水中实施中吹氧，氧气与铁水中的碳反应实施脱碳、提高钢水温度的同时产生的CO搅拌钢水，使钢水的温度和成分均匀；

三级顶吹氧：炼钢炉顶吹氧枪吹氧，熔剂串罐式布料器123把造渣熔剂加入到炼钢炉时顶吹氧枪对钢水渣面实施强吹氧，以达到快速化渣目的，炼钢炉熔剂是按吨钢30-60公斤加入，渣的碱度控制在3.0～3.5范围内，当炼钢炉出钢前钢水碳含量和温度达不到出钢要求时，对钢水渣面实施强吹氧，以达到快速提高钢水温度和脱碳目的；

炼钢炉底吹氧透气砖127和顶吹氧枪121连续吹入氧气对铁水进行脱硫、脱磷、脱碳、提高温度，炼出C含量0.006～0.020％、磷含量＜0.010％、硫含量＜0.010％、硅含量＜0.02％、锰含量＜0.05％，温度1600-1700℃的合格钢水供LF或RH等精炼炉。

实施例2：

原料：铁矿粉生产成球团，焦粉，预热设备：链篦机回转窑；

本发明的直接熔融还原炼铁设备，包括：球团制球设备、改造后的链篦机回转窑，熔融还原炉。制球设备把铁矿粉制成球团，链篦机回转窑利用熔融还原炉煤气把氧化球团加热到1200℃的高温加入到熔融还原炉。高压碳氧枪1把焦粉高压喷入铁水熔池中，形成过饱和碳的铁水并有高温碳颗粒的熔池界面终还原区，其他同实施例1。

高压碳氧枪1安装6支枪，布置在炉壁周围合适的位置。高压碳氧枪与熔融还原炉侧壁成α角，α角为45度夹角。

碳氧枪2是氧气管道与煤粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。碳氧枪2安装6支枪，碳氧枪与熔融还原炉侧壁成β角，β角为20度夹角。

氧枪3心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。氧枪3由出渣口9以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.4m处，安装9支枪，布置在炉壁周围合适的位置。氧枪与熔融还原炉侧壁成γ角，γ角为40度夹角。

熔融还原炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子；熔渣上部空间的圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的5倍；在熔融还原炉的底部设有放铁口11，供大修时使用。熔渣区的圆台形是上大下小的圆台型，上表面的圆周直径是下表面圆周直径的2.5倍。

实施例3：

原料：铁矿粉50％，含铁冶金粉尘50％，优质煤粉(硫磷尽量低，固定碳含量在77％以上)，预热设备：改造后的带式焙烧机；

本发明的直接熔融还原炼铁设备，包括：球团制球设备、改造后的带式焙烧机，熔融还原炉。

高压碳氧枪1安装9支枪，布置在炉壁周围合适的位置。高压碳氧枪与熔融还原炉侧壁成α角，α角为15度夹角。

碳氧枪2是氧气管道与煤粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。碳氧枪2安装9支枪，碳氧枪与熔融还原炉侧壁成β角，β角为50度夹角。

氧枪3心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料，可插入熔渣中使用。氧枪3由出渣口9以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.6m处，安装12支枪，布置在炉壁周围合适的位置。氧枪与熔融还原炉侧壁成γ角，γ角为70度夹角。

熔融还原炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子；熔渣上部空间的圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的6倍；在熔融还原炉的底部设有放铁口11，供大修时使用。熔渣区的圆台形是上大下小的圆台型，上表面的圆周直径是下表面圆周直径的3倍。

含铁冶金粉尘：氧化铁皮、高炉除尘灰、转炉除尘灰、电炉除尘灰、烧结球团除尘灰等中的一种或几种的混合粉。

制球设备把铁矿粉50％和含铁冶金粉尘50％生产出球团，改造后的带式焙烧机利用熔融还原炉煤气把氧化球团加热到1200℃的高温加入到熔融还原炉。其他同实施例1。

Claims (10)

1.一种铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢装置，包括熔融还原炉(5)、高温料加入系统、出渣口(9)、四层复合喷吹系统和三级吹氧炼钢系统组成；熔融还原炉(5)上部两侧炉壁与高温料加入系统相连，顶部与煤气出口(4)相连，熔融还原炉侧壁安装有出渣口(9)、放铁口(15)、四层复合喷吹系统，熔融还原炉(5)下部出铁口与三级吹氧炼钢系统相连。

2.如权利要求1所述的铁矿石熔融还原低碳炼铁装置，其特征在于，高温加料系统依次包括：串罐式布料器(6)、上料车(7)和轨道(8)；上料车(7)运行在轨道(8)上；串罐式布料器(6)安装在熔融还原炉(5)顶部炉盖上和上部侧壁上。四层复合喷吹系统，自上而下依次包括氧枪(3)、碳氧枪(2)、高压碳氧枪(1)和熔融还原炉底吹氧透气砖(14)；三级吹氧炼钢系统依次包括：“乙型”出铁口(10)、出铁口吹氧透气砖(13)、炼钢炉(12)、顶吹氧枪(121)、炼钢炉煤气出口(122)、熔剂串罐式布料器(123)、炼钢炉出渣口(124)、炼钢炉出钢口(125)、放钢口(126)和炼钢炉底吹氧透气砖(127)；炼钢炉通过“乙型”出铁口(10)与熔融还原炉(5)相连；熔剂串罐式布料器(123)把造渣熔剂加入到炼钢炉；炼钢炉(12)的顶部设有顶吹氧枪(121)，底部设有炼钢炉底吹氧透气砖(127)；控制炼钢炉煤气出口(122)保持炼钢炉(12)与熔融还原炉(5)压力一致。优选的，“乙型”出铁口(10)的上部设有一密封盖(11)，供维修用。

3.如权利要求1所述的铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢装置，其特征在于，所述高压碳氧枪(1)心部管道是氧气、中部管道是优质煤粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料；或者是氧气管道与煤粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料。优选的，高压碳氧枪可选择安装2到16支枪，由出渣口(9)以上的炉壁插入熔渣中的铁渣界面，高压碳氧枪与熔融还原炉侧壁成α角，α角为15～45度夹角。

4.如权利要求1所述的铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢装置，其特征在于，所述碳氧枪(2)的心部管道是氧气、中部管道是煤粉、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料；或者是氧气管道与煤粉管道并列、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料。优选的，碳氧枪(2)可选择安装2到16支枪，碳氧枪由出渣口(9)以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面0.4-1.2m处，碳氧枪与熔融还原炉侧壁成β角，β角为20～55度夹角。

5.如权利要求1所述的铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢装置，其特征在于，所述的氧枪(3)心部管道是氧气、外部管道是水冷管、最外层是耐火材料。优选的，氧枪(3)可选择安装2到16支枪，由出渣口(9)以上的炉壁插入熔渣中离渣铁界面1.0-1.8m处，氧枪与熔融还原炉侧壁成γ角，γ角为35～70度夹角。

6.如权利要求1所述的铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢装置，其特征在于，所述的熔融还原炉(5)底部安装有熔融还原炉底吹氧透气砖(14)，其特征在于布置在铁水熔池底部1/3或2/3半径位置。所述熔融还原炉底吹氧透气砖(14)，是可更换的，可安装3到18套。

7.如权利要求1所述的铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢装置，其特征在于，熔融还原炉(5)熔池区是圆柱形、熔渣区是圆台形、熔渣上部空间是圆柱形炉子，熔渣上部空间圆柱形体积是熔渣区圆台形体积的3-7倍，圆台形熔渣区上部直径是下部直径的1.5～5倍。炼钢炉(12)是圆柱形炉子。熔融还原炉(5)外壳、“乙型”出铁口(10)外壳以及炼钢炉(12)外壳均采用水冷炉壁结构。

8.一种铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢工艺，包括如下步骤：

1)熔融还原炉内首先形成0.8～1.0m深的铁水熔池，铁水熔池上面形成1.5～2.0m的厚熔渣；

2)四层复合喷吹、四区熔融还原技术：

一层喷吹：熔融还原炉底吹氧透气砖向熔池底部吹入氧气，氧气与饱和铁水中的碳(C含量4.2-4.3％)生成CO，放出的热量供铁渣界面以上终还原区FeO还原反应，并生产出低碳铁水(C含量2.2-2.3％)由“乙形”出铁口直接供连续炼钢炉。

二层喷吹：高压碳氧枪喷吹区把氧气和优质煤粉高压喷入铁水熔池中和渣铁界面上，控制煤氧比，把15-35％的煤粉燃烧成CO，产生的热量用于FeO反应和把富余煤粉加热成1400℃以上高温碳颗粒，在熔池渣铁界面以上0-0.5m区形成过饱和碳的铁水并有1400～1450℃的高温碳颗粒的终还原区(E区)；

三层喷吹：碳氧枪向距渣铁界面以上0.4～1.2m处同时喷入煤粉和氧气，控制煤氧比把85-90％的煤被燃烧生成CO和少量CO₂，终还原区(E区)的高温碳颗粒还原FeO产生的CO和剩余高温碳颗粒向上运动，碳氧枪喷吹区渣铁界面以上0.4m-1.2m区域即为初还原区(F区)，初还原区(F区)产生的大量热量通过高温熔渣(1550-1600℃)不断向终还原区(E区)输送，为FeO终还原反应提供热量；

四层喷吹：氧枪向熔渣上部距渣铁界面1.0～1.8m处喷入氧气，熔渣中的CO和高温碳颗粒90-98％被氧气燃烧生成CO₂，产生的热量被熔渣高效吸收，形成渣铁界面以上1.0-3.5m区域为快速熔融区(G区)，快速熔化不断加入900-1200℃的的铁矿石块或球团，铁矿石块或球团被快速熔融成液态铁氧化物，比重为4-4.5％的液态铁氧化物在熔渣中携带大量热量进入初还原区(F区)被还原，同时快速熔融区(G区)熔渣也把大量的热量交换到初还原区(F区)熔渣中，为液态铁氧化物和FeO的还原提供热量；

3)经预热到1000-1200℃比重为1.8～2.0的粒度为10-50mm的铁矿石块或球团，以及造渣熔剂均采用高温串罐加料设备加入到熔融还原炉快速熔融(G区)的顶部，铁矿石块或球团在比重为1.2～2.0的熔渣中被快速熔化成1400～1500℃、比重为4-4.5的液态铁氧化物，液态铁氧化物在快速熔融区(G区)被快速升温至1550-1600℃，然后进入初还原区(F区)并被逐步还原，进入终还原区(E区)被终还原和渗碳，生产出C含量4.2-4.5％的含饱和碳的铁水；铁水中饱和碳与熔池底吹氧反应生产出C含量2.2-2.5％、1400-1450℃的低碳铁水，低碳铁水由“乙形”出铁口直接供连续炼钢炉；同时加入的熔剂造渣，对铁水脱硫、脱磷，渣碱度控制在1.1～1.3范围内，使铁水中的硫、磷控制在S＜0.050％，P＜0.015％。

4)当熔融还原炉的厚渣达到2.5-3.5m厚时，停止加料3分钟后开始出渣，渣厚到达1.6～2.0m厚时，停止出渣，继续下一个周期的冶炼；

5)三级吹氧低碳铁水炼钢工艺：

熔融还原炉得到的铁水经“乙型”出铁口连续流入炼钢炉，运用三级吹氧低碳铁水炼钢工艺进行冶炼；

一级底吹氧：C含量2.2～2.5％的低碳铁水通过“乙型”出铁口连续流入炼钢炉的过程中，“乙型”出铁口底部的吹氧透气砖向低碳铁水中弱吹氧，氧气与铁水中的碳反应实施脱碳，为“乙型”出铁口中的铁水提供热量，防止铁水在“乙型”出铁口中发生冻结，保证“乙型”出铁口中的铁水顺利流入炼钢炉；

二级底吹氧：炼钢炉底吹氧透气砖向流入炼钢炉的低碳铁水中实施中吹氧，氧气与铁水中的碳反应实施脱碳、提高钢水温度的同时产生的CO搅拌钢水，使钢水的温度和成分均匀；

三级顶吹氧：炼钢炉顶吹氧枪吹氧，当炼钢炉加入熔剂时顶吹氧枪对钢水渣面实施强吹氧，以达到快速化渣目的，渣的碱度控制在3.0～3.5范围内，当炼钢炉出钢前钢水碳含量和温度达不到出钢要求时，对钢水渣面实施强吹氧，以达到快速提高钢水温度和脱碳目的；

所述出钢要求为：C含量0.006～0.020％、磷含量＜0.010％、硫含量＜0.010％、硅含量＜0.02％、锰含量＜0.05％，温度1600-1700℃；

6)出钢：

达到出钢要求的钢水，经炼钢炉出钢口出钢。

9.如权利要求8所述的铁矿石熔融还原低碳炼铁工艺，其特征在于，

步骤2)所述高压碳氧枪是用氮气作为载体，用0.6-1.2MPa的压力的氮气把兰炭粉高压喷入铁水熔池中和渣铁界面上，同时喷入氧气，控制碳氧比使15-35％的兰炭被燃烧成CO。优选的，兰炭的喷入量为450-530公斤/吨铁；

步骤2)所述碳氧枪是用氮气作为载体，用0.4-0.7MPa的压力把兰炭粉喷入距渣铁界面0.4-1.2m处熔渣中，同时喷入氧气，控制碳氧比使85-90％的兰炭被燃烧生成CO和少量CO₂。优选的，兰炭粉的喷入量为120-200公斤/吨铁。

10.如权利要求8所述的铁矿石熔融还原低碳炼铁和炼钢工艺，其特征在于，步骤3)和步骤5)所述熔剂为生石灰、白云石、萤石等中的一种或几种，熔剂经高温加料系统加入炉内，低碳炼铁熔融还原炉熔剂按吨铁水80-120公斤加入，炼钢炉熔剂按吨钢水30-60公斤加入。

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