CN102066584A - 铁浴式熔融炉 - Google Patents

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门口维人
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Abstract

一种铁浴式熔融炉，其特征在于，构成如下：具有炉体和贯穿设置于所述炉体的高度方向上的不同位置的多个出炉口，原料铁源与碳材和造渣材料被一起装入炉内，进而吹入含氧气体，由此使所述碳材和/或铁水中的碳燃烧而得到燃烧热，在该燃烧热下，所述原料铁源熔融而生成铁水和熔融炉渣，从所述多个出炉口之中的最上层的出炉口依次转换到下方的出炉口用于出铁、出渣，由此所述铁水和所述熔融炉渣在所述炉体直立的状态下被间歇地取出到炉外而制造铁水。

Description

铁浴式熔融炉
技术领域
本发明涉及熔融固体还原铁、废钢等原料铁源来制造铁水的铁浴式熔融炉。
背景技术
在铁浴式熔融炉中，是通过吹氧来使铁液中的碳和/或所供给的碳材燃烧，从而熔融原料铁源而制造铁水，但炉内蓄积的铁水需要取出到炉外。作为其取出方式虽然提出有各种方式，但任何方式均留有以下这样的问题点，现状是尚不存在已经确立的方式。
作为铁浴式熔融炉，历来大量提出有使用转炉型炉的方式(例如参照专利文献1)。但是，使用转炉型的铁浴式熔融炉时所存在的问题是，因为要停止吹氧(即，中止铁水的制造)并使炉体倾动而排出铁水和熔融炉渣(以下也简称为“熔渣”。)，所以，由于该吹炼停止而导致铁水的生产率降低。此外还存在的问题是，出铁中由于从炉体表面向外部空气发生的热损失导致炉内熔汤温度降低，因此在之后的吹炼中，就需要在装入原料铁源前补偿该温度降低部分而进行升温操作，铁水的生产率进一步降低。
另一方面，作为铁浴式熔融炉，公开有一种连续出铁式的熔融炉，其在炉底侧部形成有出铁、出渣口，并且在该出铁、出渣口的前面设有被称为所谓前炉的耐火材料结构体，在该耐火材料结构体(前炉)内部，形成有从上述出铁、出渣口顺着出铁槽直通到出铁位置的连续出铁用的通路(参照专利文献2)。但是，在这样的连续出铁式的熔融炉中存在的问题是，从前炉到出铁槽之间的热损失大，需要辅助燃烧器的加热等，例如因原料供给设备、氧供给设备等所发生的设备故障而中断熔融吹炼时，从前炉到出铁槽之间，铁水、熔融炉渣凝固堵塞，复原则需要投入极大的时间和费用。另外，因为铁水不是分批而是连续地排出，所以，以铁水包接取用于在分批工序的后段、即炼钢工序中使用的所需要的铁水量费时，初期被排出的铁水的温度下降不能忽视，最坏的情况是铁水有可能在铁水包内凝固。
另外，还公开有一种铁浴式熔融还原炉，其是在使炉体直立的状态下，从设于炉侧的固定式的出铁孔和排渣孔间歇性地将铁水和熔融炉渣取出到炉外(参照专利文献3)。但是其存在的问题是，若从这样的固定式的出铁孔、排渣孔取出铁水、熔融炉渣，则出铁口的耐火材料砌块(以下也简称为“耐火材料”。)因铁水流而磨耗，排渣孔的耐火材料因含有高FeO的熔渣而氧化，可以预见这会导致其分别发生显著的损耗，炉寿命极度缩短。为了延长炉寿命，也考虑进行出铁孔、排渣孔的耐火材料的修补，但是这样需要长时间中止作业，有生产率大幅降低的问题。
专利文献1：日本特公平3-49964号公报
专利文献2：日本特开2001-303114号公报
专利文献3：日本特开平5-125419号公报
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种铁浴式熔融炉，是利用含氧气体使铁水中的碳和/或所供给的碳材燃烧所产生的燃烧热来熔融原料铁源而制造铁水的铁浴式熔融炉，既可长期稳定确保高生产率，又可大幅度延长炉寿命。
本发明人等为了确保上述课题之中的高生产率，出铁、出渣不以上述专利文献1那样的倾动方式进行，而是在使炉体直立的状态下进行。但是，连续的出铁、出渣如上述专利文献2所述，技术性的课题很多，被判断为实用化困难，因此与上述专利文献3一样，采用间歇的出铁、出渣的方式。而且，为了大幅延长炉寿命，认为有效的是筹划进行速度控制的出铁孔和排渣孔的配置和构造，和种研究的结果是完成了以下的发明。
在本发明的第一形态中，其构成为，铁浴式熔融炉具有炉体和贯穿设置于所述炉体的高度方向上的不同位置的多个出炉口(tap hole)，原料铁源与碳材和造渣材料被一起装入炉内，进而吹入含氧气体，由此使所述碳材和/或铁水中的碳燃烧而得到燃烧热，在该燃烧热下，所述原料铁源熔融而生成铁水和熔融炉渣，从所述多个出炉口之中的最上层的出炉口依次转换到下方的出炉口而用于出铁、出渣，由此所述铁水和所述熔融炉渣在所述炉体直立的状态下被间歇地取出到炉外而制造铁水。
在本发明的第二形态中，也可以构成为，在炉内所保持的铁水层的质量保持在恒定范围的条件下，所述出炉口的转换可对应于伴随炉内衬耐火材料的损耗的进行而变化的所述生铁水层的汤面位置来进行。
在本发明的第三形态中，也可以构成为，所述出炉口分别对应其使用顺序，预先对1个或多个材质的耐火材料进行优化配材。
根据本发明，因为是在使炉体直立的状态下进行出铁、出渣，所以能够高而稳定地确保铁水的生产率，并且通过依次转换使用设于炉侧的高度方向上的多个出炉口，使现有1个出炉口的耐火材料的集中损耗分散给了多个出炉口的耐火材料，因此结果是使炉寿命大幅地延长。
附图说明
图1是表示实施方式的铁浴式熔融炉的概略结构的纵剖面图。
图2A是用于说明出炉口间的高度方向距离的决定方法的铁浴式熔融炉的纵剖面图。
图2B是用于说明出炉口间的高度方向距离的决定方法的铁浴式熔融炉的纵剖面图。
图3是模式化地表示在炉侧的高度方向所设的多个出炉口耐火材料的配材的一个实施方式的局部纵剖面图。
图4是模式化地表示炉前的开铁口机和泥炮的配置结构的一个实施方式的水平剖面图。
图5A是模式化地表示炉前的开铁口机和泥炮的配置结构的另一实施方式的水平剖面图。
图5B是模式化地表示炉前的开铁口机和泥炮的配置结构的另一实施方式的正视图。
图6A是模式化地表示向炉侧配置出炉口的配置例的局部正视图。
图6B是图6A的A-A线水平剖面图。
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本发明的实施方式。
(铁浴式熔融炉的结构)
图1中表示本发明的一个实施方式的铁浴式熔融炉的概略结构。本实施方式的铁浴式熔融炉(以下简称为“炉”)1是竖型反应炉。而且，在其炉口2上分别设置有如下：用于将炉内发生的燃烧气体排出到炉外的排气管道3；用于将原料铁源、碳材和造渣材料装入炉内的装料槽4；用于向炉内吹入含氧气体的顶吹氧枪5。另外，在炉底6设有多个底吹风口7。
此外，在炉侧8在其高度方向上还设有多个出炉口9(本例中为9a、9b、9c这3个)。
各出炉口间的高度方向的距离(高差)例如以如下方式决定。
作为一个例子，说明出炉口9a和9b间的高度方向的距离(高差)的决定方法。如后述，根据出炉口9a的耐火材料的损耗的进行状况，从最上层的出炉口9a向下一层的出炉口9b进行转换，但是从新炉至该出炉口转换时，不仅是出炉口9a的耐火材料的损耗在进行，而且其他部位的炉内衬耐火材料的损耗也在进行。
另一方面，为了尽可能恒定地维持原料铁源的熔融速度，推荐保持在炉内的铁水层11的质量(炉内铁水保持量)维持在恒定的范围(将一次出炉量的蓄铁量作为变动的范围)。
因此，若要使炉内铁水保持量维持在恒定的范围，则随着炉耐火材料的损耗的进行，铁水层11的汤面水平高度会降低。因此，出炉口9a和9b间的高度方向的距离(高差)ΔL1优选为，与通过下式(1)计算的、从新炉时至第一次转换出炉口时之间的铁水层11的汤面水平高度的降低量相符(参照图2A和2B)。
ΔL1＝[1-(D1/D2)2]×H1+Δh1…式(1)
在此，H1：新炉时的铁水层深度，D1：新炉时的平均炉内径，D2：第一次转换出炉口时的平均炉内径，Δh1：从新炉时至第一次转换出炉口时的炉底耐火材料的熔损量的平均值。
在此，D2和Δh1例如根据旧炉的耐火材料残存厚度的测量结果预测即可。
出炉口9a和9b间的高度方向的距离(高差)也能够同上述一样地决定。
该多个出炉口9a、9b、9c可以沿垂直方向排列配置，但更优选也在炉圆周方向上适宜错开配置。由此，出炉口9邻域的耐火材料的损耗的进行不仅能够在炉侧的高度方向分散，而且也能够在炉圆周方向上分散，因此炉寿命被进一步延长。
而且，各出炉口9a、9b、9c在新炉时，要用开铁口机的钻头填充可以开铁口的耐火材料而加以堵塞，推荐对应于其使用顺序(本例中为9a、9b、9c的顺序)，如图3所示，预先对1个或多个材质的耐火材料进行优化配材。
也就是说，在该图所示的示例中，对于最初使用的出炉口9a，作为其耐火材料砌块，使用考虑到耐熔渣熔损性和耐熔渣氧化性的耐火材料B1(例如SiC：60％、Al2O3：20％-C：5％-SiO2：15％[％为质量％的意思，下同])，作为填充在孔内的耐火材料(孔内填充耐火材料)，使用考虑到耐熔渣熔损性和针对铁水流的耐磨耗性的耐火材料B2(例如SiC：50％、Al2O3：30％-C：5％-SiO2：15％)。
出炉口9a因为在新炉时接近熔渣/铁水界面，所以要考虑到其耐火材料砌块、孔内填充耐火材料均容易受到来自熔渣的熔渣、氧化的影响。
另一方面，在位于出炉口9a的下方的出炉口9b和9c中，耐火材料砌块、孔内填充耐火材料，在达到开始使用预定时刻存在被熔损的可能性的范围(ΔE1和ΔE2)和较之在炉外侧的范围，均要改变耐火材料的材质。
即，在有熔损可能性的ΔE1和ΔE2的范围，作为耐火材料砌块，使用考虑到针对铁水流的耐磨耗性的耐火材料A1(例如Al2O3：70％-SiC：15％-C：5％-SiO2：10％)，作为孔内填充耐火材料，使用考虑到针对铁水流的耐磨耗性和开铁口的操作性的耐火材料A2(例如Al2O3：80％-SiC：10％-C：5％-SiO2：2.5％)。
相对于此，比起ΔE1和ΔE2在炉外侧的范围，使用与9a相同结构的耐火材料B 1、B2。出炉口9b和9c各自至开始使用的时刻，与出炉口9a相比，距熔渣/铁水界面更远，因此受到来自熔渣的熔损、氧化的影响并不那么大，倒不如考虑一下上方的出炉口在使用时产生的铁水流造成的磨耗，这方面的影响更大。
以下，基于图1，分成使用该铁浴式熔融炉1、熔融原料铁源B而生成铁水和熔渣的熔融工序，和从炉中排出在熔融工序中生成的铁水和熔渣的出铁、出渣工序，依次进行说明。
(熔融工序)
从多个底吹风口7向铁浴式熔融炉1内的铁水层11中吹入惰性气体例如氮气A，一边搅拌铁水层11，一边从铁浴式熔融炉1的上方经由装料槽4，将原料铁源例如固体还原铁B，与碳材例如煤C、造渣材料例如生石灰、轻烧白云石D等一起，例如以利用重力的落入方式装入。从顶吹氧枪5顶吹含氧气体例如氧气E，由此使铁水11中的碳和/或碳材C燃烧而得到燃烧热，以该燃烧热熔融固体还原铁B，制造铁水11。还有，作为原料铁源，也可以并用废钢、生铁、氧化铁皮等。
若装入铁浴式熔融炉1的碳材C的粒度过小，则其容易飞散到排气中，另一方面若过大，则熔渣层12的(FeO)浓度无法充分降低，另外向铁水层11中的渗碳速度降低，因此以平均粒径计优选为2～20mm，更优选为3～15mm的范围。
为了确保熔渣层12的流动性，并且促进从铁水的脱硫，优选熔渣层12的碱度CaO/SiO2(质量比)在0.8～2.0的范围内进行调整，更优选在1.0～1.6的范围内进行调整。
另外，二次燃烧率能够通过调节顶吹氧气D的流量和/或顶吹氧枪5的高度而控制为推荐值(40％以下，更优选为10～35％，进一步优选为15～30％)，由此，不会使铁浴式熔融炉1的耐火材料的热负荷过大，能够减少碳材消耗量。
还有，通过从上方喷射顶吹氧气D，熔渣层12受到搅拌作用，加上底吹氮气A对铁水层11的搅拌作用，在铁水层11与熔渣层12的界面，固体还原铁B向铁水层11中的熔融及碳材C向铁水层11中的渗碳得到促进。优选铁水中的[C]含量为3质量％以上，更优选为3.5～4.5质量％。随之而来的是，优选熔渣层12中的T.Fe含量降低到10质量％左右以下，更优选为5质量％左右以下，进一步优选为3质量％左右以下，从铁水层11的脱硫受到促进，并且，因熔融FeO造成的炉内衬耐火材料的熔损也得到抑制。
[出铁、出渣工序]
如上述继续恒定时间的熔融操作，在进行了1次出炉量的蓄铁、蓄渣后，首先使用最上层的出炉口9a进行出铁、出渣(即，进行间歇的出铁、出渣)。出铁、出渣与高炉的出铁、出渣作业相同，不使炉倾动而是在使之直立的状态下，用未图示的开铁口机的钻头开通出炉口9a，首先排出铁水，直至其浴面到达出炉口9a的水平高度后，接着进行熔渣的排出。
在此，即使在出铁、出渣中，也要至少继续供给顶吹氧气(含氧气体)E，以使炉内的铁水温度保持在预先设定的最低铁水温度以上即可。
通过继续顶吹氧气(含氧气体)E的供给，从而利用使煤(碳材)C和/或铁水中的碳燃烧得到的燃烧热，能够抑制出铁、出渣中的炉内铁水的温度降低。
作为上述最低铁水温度，考虑因出铁、出渣时的流动性、输送机构、和到达后面工序的时间的影响造成的温度降低，设定为例如1400℃～1500℃即可。
在上述出铁、出渣中，更优选除了继续顶吹氧气(含氧气体)E的供给以外，还继续煤(碳材)C的装入。
通过继续煤(碳材)C的装入，能够维持铁水中的[C]浓度和熔渣层12中的碳材量，能够防止熔渣起泡的发生。
在上述出铁、出渣中，更优选除了继续顶吹氧气(含氧气体)E的供给和煤(碳材)C的装入以外，进一步还继续固体还原铁(原料铁源)B的装入。
通过继续固体还原铁(原料铁源)B的装入，即使在出铁、出渣中也能够制造铁水。
在上述出铁、出渣中，更优选除了继续顶吹氧气(含氧气体)E的供给、煤(碳材)C的装入和固体原料铁(原料铁源)B的装入以外，还继续造渣材料D的装入。
通过继续装入造渣材料D，能够维持熔融炉渣的组成，能够更确实可靠地防止熔渣起泡的发生。
另外，在出铁、出渣中，优选跟随铁浴式熔融炉1内的汤面的高度位置的变化来控制顶吹氧枪5下端的高度位置(氧枪高度)。氧枪高度可以使之连续地变化，也可以步进式地变化。
即，由于出铁、出渣导致汤面的高度位置降低，因此，若固定顶吹氧枪5下端的高度位置(氧枪高度)，则顶吹氧枪5下端和汤面的距离变大，炉内的氧气吹炼状态、燃烧状态发生变化，燃烧热的发生量、向熔汤的导热量发生变化，熔汤的温度将发生变动。因此，推荐使顶吹氧枪5的下端的高度位置(氧枪高度)跟随汤面的高度位置的变化而下降，使顶吹氧枪5下端和汤面的距离维持恒定，尽可能不使氧气吹炼状况、燃烧状态发生变化。
如上，即使在出铁、出渣中，炉内的铁水温度仍被维持得很高，而且先前热容大的铁水被排出，因此出炉口9a被充分地加热，即使随后才陆续排出熔渣，熔渣也难以被冷却，熔渣的固化得到更确实可靠的防止。
还有，汤面是铁水层11的上面，但也能够由熔融炉渣层12的上面代用。
然后，规定量的熔渣被排出后，使用泥炮用泥堵塞出炉口9a即可。
还有，在出铁、出渣工序中，随时间变化测量从出铁开始时间起的出汤量(容量)，根据由该测量取得的出汤量和从出汤开始算起的需要时间与炉内形状的关系，能够控制顶吹氧枪5下端的高度位置(氧枪高度)。
也可以用称重传感器(load cell)测量出汤量，通过进行这种重量测量来替代上述出汤量的容量测量。
或者，也可以用微波液位计等的液位计直接测量出铁、出渣中的汤面的高度位置(汤面水平高度)，基于该测量值控制上述顶吹氧枪下端的高度位置(氧枪高度)。
或者，也可以基于出铁、出渣中从铁浴式熔融炉排出的气体的组成，控制顶吹氧枪下端的高度位置(氧枪高度)。
即，若顶吹氧枪5下端和汤面的距离发生变化，则炉内的吹炼状况、燃烧状态发生变化，排气组成、例如CO和CO2浓度发生变化。因此，例如通过控制氧枪高度而使排气中的CO浓度和/或CO2浓度处于规定范围(例如CO浓度为20～25％)，则能够使炉内的吹炼状况、燃烧状态尽可能不发生变化。还有，也可以基于二次燃烧率来控制氧枪高度，以之替代CO浓度和/或CO2浓度。
如上，通过反复熔融工序和使用出炉口9a的出铁、出渣工序，不用使炉倾动，而在直立的状态下就能够顺畅地进行迅速的出铁、出渣作业，即使在出铁、出渣作业中，也可以继续吹炼(熔融操作)，能够稳定提高铁水的生产率。
然而，出炉口9a的耐火材料在出铁、出渣时因铁水流而磨耗，因熔融渣而发生氧化，由此导致其与其他部位的炉耐火材料相比，损耗显著快速地进行。因此，在出炉口9a的耐火材料变得过大前，进行转换至下一层的出炉口9b。
还有，出炉口9a的耐火材料的损耗量，例如能够根据旧炉中的耐火材料残存厚度的测量结果而进行预测。此外，也能够根据埋入该耐火材料内的热电偶的测温值(砖背面和/或铁皮的测温值)的变化进行在线推测，替代该预测或施加该预测。
在炉内所保持的铁水的量(炉内铁水保持量)维持恒定的条件下，出炉口从9a向9b的转换，对应随炉耐火材料的损耗的进行而变化的所述铁水的汤面位置进行即可。
例如，在图2A和2B中，使炉内铁水保持量与新炉时相同时铁水层11的汤面位置，相比9a的高度位置更接近9b的高度位置这一方时，进行从9a到9b的转换即可。或者，使炉内铁水保持量与新炉时相同时铁水层11的汤面位置，在到达9b的高度位置时，进行从9a到9b的转换即可。
然后，结束了作为出炉口这一任务的9a，因为以后不需要开孔，所以不用泥封，而是填充不定形耐火材料等完全堵塞即可。
每进行一次出炉口9的转换(改变)，开铁口机和泥炮的目标位置都会变化，但是能够采用例如图4或图5A和5B所示的结构。
图4是在炉前立起两根支柱23、24，以它们为轴经由可伸缩的臂25、26，使开铁口机21和泥炮22分别可以分开在水平方向旋转，并且也可以沿着各支柱23、24在上下方向上移动。
另外，图5A和5B是在炉前，在与出炉口9的轴向正交的方向设置导轨27，安装开铁口机21和泥炮22，使之可以沿着该导轨27进行水平方向的移动，也可以通过连杆机构28，分别使该开铁口机21和泥炮22另外分开沿上下方向移动。
(变形例)
在上述实施方式中，说明的是出炉口9只在炉的同一高度位置(水平圆周方向)设置1处的例子，但如图6A和6B所例示的那样，也可以在炉的同一高度位置(水平圆周方向)设置多处(在本例中为3处，例如最上层的9a1、9a2、9a3)，至转换到下一层为止，一直周期性地转换该多处出炉口(9a1、9a2、9a3)用于出铁、出渣。
另外，在上述实施方式中，例示的只是出炉口兼用作铁水和熔融炉渣排出的情况，但例如在熔融炉渣的生成量多的情况下，也可以在上述炉的水平圆周方向所设的多处出炉口(9a1、9a2、9a3)之中，使用任意一个专门用于熔融炉渣的排出。
符号说明
1…铁浴式熔融炉
2…炉口
3…排气管道
4……装料槽
5…顶吹氧枪
6…炉底
7…底吹风口
8…炉侧
9、9a、9b、9c…出炉口
10…裙板
11…铁水层
12…熔融炉渣层
A…惰性气体(氮气)
B…原料铁源(固体还原铁)
C…碳材(煤)
D…造渣材料
E…含氧气体(氧气)

Claims (3)

1.一种铁浴式熔融炉，其特征在于，具有炉体和贯穿设置于所述炉体的高度方向上的不同位置的多个出炉口，
原料铁源与碳材和造渣材料被一起装入炉内，进而吹入含氧气体，由此使所述碳材和/或铁水中的碳燃烧而得到燃烧热，在该燃烧热下，所述原料铁源熔融而生成铁水和熔融炉渣，
从所述多个出炉口之中的最上层的出炉口依次转换到下方的出炉口用于出铁、出渣，由此所述铁水和所述熔融炉渣在所述炉体直立的状态下被间歇地取出到炉外而制造铁水。
2.根据权利要求1所述的铁浴式熔融炉，其中，在炉内所保持的铁水层的质量维持在恒定范围的条件下，所述出炉口的转换对应于伴随炉内衬耐火材料的损耗的进行而变化的所述生铁水层的汤面位置来进行。
3.根据权利要求1所述的铁浴式熔融炉，其中，所述多个出炉口分别对应其使用顺序，预先对1个或多个材质的耐火材料进行优化配材。
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