CN1033276C

CN1033276C - 煤-氧-矿-熔剂复合喷射铁浴造气炼铁的工艺及所用的喷枪

Info

Publication number: CN1033276C
Application number: CN 93104740
Authority: CN
Inventors: 王大光; 谢裕生; 郭占成; 艾菁; 刘天中; 杨学民; 孙月海; 于宪溥
Original assignee: Institute of Chemical Metallurgy CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 1993-05-12
Filing date: 1993-05-12
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2013-05-12
Also published as: CN1095108A

Abstract

本发明属于化工冶金领域，熔融还原炼铁的一种新工艺流程。其特征为在同一个铁浴反应器中，借助多流道底喷枪和顶喷枪复合喷吹煤-氧-矿-熔剂，进行铁矿石的终还原和制备煤气。在造气与熔融还原过程中，改变各个喷吹参数(碳/氧原子比，顶喷枪高低，副氧流量等)时，得到不同成分的煤气，既满足了矿石预还原的要求，又提高了煤的化学能的利用。终还原结束时，直接在铁浴反应器中喷吹脱硫剂脱硫，获得合格的铁水或半钢。

Description

煤-氧-矿-熔剂复合喷射铁浴造气炼铁的工艺及所用的喷枪

本发明涉及化工冶金领域，是熔融还原炼铁的一种新工艺。该工艺将喷粉冶金技术、熔融还原炼铁技术和煤气制备技术结合为一体，所以具有熔融还原炼铁、半钢、造气和废钢熔化等多种工能。

本世纪六十年代以来，世界各国的许多冶金研究工作者一直致力于熔融还原炼铁新技术的研究与开发工作，即试图用氧、煤、矿石直接冶炼出生铁或半钢。特别是近十年来，对这一新技术的开发有了重大的突破。目前正在开发的熔融还原工艺有十余种，但从本质上说，煤氧熔炼可分为两类，即一步法和二步法。一步法是以煤作为还原剂和热源，将铁矿石直接在熔融状态下在铁浴炉内还原成生铁或半钢，煤粉和氧气可从炉底、炉顶或炉侧喷入铁浴中，而铁矿和造渣料从炉顶加入或随煤粉喷入熔铁，为了提高供热强度，同时还向熔炼炉空腔或熔渣中吹入氧气来提高二次燃烧率。二步法是在一步法的基础上加了一个或二个预还原炉，即首先以熔炼炉煤气为热源和还原剂，将铁矿石在固体状态下预还原到一定程度，然后紧接着进行熔融终还原。

无论是一步法还是二步法，大多数流程都离不开铁浴熔融终还原。二步法所需煤气也必须由铁浴反应器产生。对于流化床预还原矿粉，需经喷吹方式输送到铁浴反应器内。此外，由于吹入大量的煤粉，导致熔铁中硫含量较高，需经脱硫后才能用于炼钢。因此可以说，铁浴反应器是整个熔融还原工艺的中枢环节。

目前，世界各国正在开发多种熔融还原工艺和反应器。与本发明较接近的熔融还原工艺是日本SUMITOMO METAL IND KK公司煤氧铁浴气化与炼铁工艺(专利号86229175/08635)。该工艺是将煤氧从立式铁浴反应器的底部喷入熔铁，底喷枪喷嘴由同时吹入的碳氢气体化合物C_nH_m裂解吸热得到保护，而矿粉和熔剂由顶喷枪从反应器的顶部软喷入反应器，矿粉大部分直接进入熔渣。由于矿粉不能直接与熔铁接触，因而反应速度较慢。此外，煤气二次燃烧率低，成分不宜调整，熔渣FeO含量高，脱硫能力差，渣量大，难以得到合格硫含量的铁水。

本发明工艺克服了上述缺点，本发明将氧气和预还原矿粉加煤粉的混合粉料从炉顶喷入熔铁表面，自炉底喷入氧气和煤粉，或自炉底喷入氧气和预还原矿粉加煤粉的混合料。当炉容积大于2m³时，还自顶喷枪喷入二次燃烧副氧，使煤气进一步二次燃烧和控制煤气成分，煤氧熔炼和造气结束并逸渣后，直接在炉内进行底喷粉脱硫精炼批处理。

本发明工艺设计了一个煤-氧-矿-熔剂复合喷射铁浴反应器，在同一反应器内，实现熔融终还原、制备不同成分的煤气、精炼脱硫三个目的。这种工艺，既充分地利用了煤的化学能，又把炉外脱硫的程序引进了该工艺，从而节约了设备，提高了效益，降低了炼铁的成本。可得到预还原炉所要求的合格煤气和炼钢炉所要求的合格铁水。

为了实现发明的目的，本发明者设计了多流道的顶喷枪和双流道预混式底喷枪与转炉炉体配套使用。顶喷枪分为水冷多流道喷枪(A)和双流道喷枪(B)两种，视炉容积的大小来选用顶喷枪种类，炉容积小于2m³时，可采用双流道喷枪，炉容积大于2m³时，采用多流道喷枪。

图1为煤-氧-矿-熔剂复合喷射造气与熔融还原炼铁反应器的示意图。图2为顶喷枪(A)结构示意图。图3为顶喷枪(B)结构示意图。图4为底喷枪结构示意图。其中包括：顶喷枪1、底喷枪2、转炉型铁浴炉体3、中心管4、中间管5、外层管6、外层环管7、环隙8、中心管9、中间环缝10、外层环管11、内喷管12、内喷嘴13、喷枪头14、中隔管15、氧气喷管16、外套管17、内喷管18、外喷管19、外喷管进口接头20、密封压盖21、密封塞22、预混管23。

图1为反应器的结构图，其特点是由顶喷枪1、底喷枪2、转炉型炉体3三个部分组成。顶喷枪安装在炉体上部(见图1)，用以喷射氧、煤、预还原矿、水蒸汽和副氧。底喷枪为双流道预混式喷枪，安装在炉底，用以喷射煤粉或预还原矿加煤的混合粉料、氧气或熔剂。对于底喷枪的结构和性能本发明者在已获专利中有详述(中国专利CN91216746.7)，所设计的炉底煤氧枪无需冷却气保护，而靠煤粉自身热解得以保护。

图2为多流道喷头结构示意图，中心管4为煤粉、预还原矿粉流道，中间管5为主氧流道，外层管6为二次燃烧副氧流道，外层环管7为冷却水流道，与中心管相邻的环隙8为水蒸汽流道。喷头由紫铜铸造而成，与枪身螺纹连接。副氧流道的设计不仅使一氧化碳进一步二次燃烧，释放更多的热量供还原吸热，提高热效率，而且改善了气-渣间的传热条件，这是区别于其它顶枪的关键所在。

图3为双流道喷头示意图。内喷嘴13、内喷管12、喷枪头14分别由2025耐热钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢、紫铜制成，中隔管15等其它部分由无缝钢管制成。内喷嘴13与内喷管12用螺纹连接，氧气喷管16与喷枪头14用螺纹连接，而外套管17与喷枪头14则焊接。

图4为底喷枪的结构示意图，其结构和性能详见CN91216746.7的专利所述。

底喷枪和炉体配套使用，打结在炉衬内，底喷枪预混段端头与炉底表面相平为宜。

本工艺所用原料包括煤粉、预还原矿粉、石灰、粉状脱硫剂、氧气、氮气和少量块状焦炭，粉料的粒度均在60目以下，工艺实施过程所使用的其它设备如磨粉机、供气输送系统、粉料喷吹系统、煤气收集系统是成熟的技术，不属于本发明范围。

开炉时，炉内必须有一定容量的铁水，炉内熔池高度最好为最大熔池量的三分之一左右，在兑入铁水前，底喷枪要不断地吹入氮气，以防喷头堵塞。首先开始底喷吹煤粉(或预还原矿粉加煤粉混合粉料)和气氧，即由底喷枪的环隙煤粉(或预还原矿粉加煤粉混合粉料)流道，将已破碎在60目以下的煤粉(或预还原矿粉加煤粉混合粉料)以氮气为载体喷入炉内，随后将底喷枪中心管的氮气切换成氧气。同时，将顶喷枪降至距熔池液面一定高度，顶喷枪的氧流道和煤矿流道也要维持一定的气量，以防喷头堵塞。待炉温合适后，再开始由顶喷枪的中心管9喷吹预还原矿加煤的混合粉料，由中间环缝10吹入氧气，调整顶喷枪和底喷枪各喷吹参数正常。最佳熔池温度为1500～1650℃，炉气出口温度小于1700℃，炉渣碱度R＝1～3，炉渣碱度由炉顶加入石灰量来调整，石灰由炉顶分批加入，而不是喷吹，加入石灰的间隔时间视喷吹速度而定，石灰加入量视喷吹粉料成分和渣碱度要求而定。为防止泡沫渣喷溅和保护炉衬，随石灰加入部分块状焦炭。熔炼过程控制炉内碳氧含量是操作的关键，所以底喷碳氧原子比为C/O＝1～2.0，顶喷碳氧原子比为C/O＝0.8～1.6，顶喷煤矿重量比为煤/矿＝1～2。

随着喷吹的进行，熔池液面逐渐升高，当熔池高度超过正常操作允许高度时，提升顶喷枪，停止顶喷枪喷吹，切换底喷枪供煤(或预还原矿加煤的混合粉料)供氧，使维持底喷枪中心管和环隙有适当的氮气流量。摇炉溢渣后，以氮气为载体由底喷枪中心管喷入脱硫粉剂进行脱硫的操作。脱硫剂可为氧化钙基多元渣系或其他高硫容量的合成渣。传统的脱硫方法是靠由炉顶加入石灰造渣来实现的，由于在熔炼过程中，渣中FeO含量高，因而炉渣脱硫能力差，而煤粉的喷入，又导致熔铁中硫含量较高，要得到低硫含量的铁水，必须向炉内加大量的石灰造大量的碱性渣，才能达到脱硫的效果，这样做在实际生产中带来很大困难。为了解决这一问题，本发明将炉外精炼脱硫的技术引入该工艺，即在熔融还原结束时，由装在炉底的底喷枪喷入脱硫粉剂，能使铁水快速地脱硫。此外，本发明工艺炉内渣层较薄，部分被还原出的磷蒸气还来不及被熔渣和熔铁充分吸收而随煤气逸出，所以铁水中磷含量低于高炉铁水和用其它工艺所得的铁水的磷含量。

经过不同种类的原料和燃料及不同工艺参数下的大量试验表明，本工艺与国内外类似专利相比，效果更好，反应器寿命长，顶喷枪寿命可达200小时以上，底喷枪的寿命也大于炉龄(指炉衬寿命)。

实例：

实例一、在100kg级热模型上装入生铁料熔化，装入量为其容量的1/3，熔化过程中保持底喷枪有适量N₂通入，以防底喷枪堵塞。炉料熔化后，开始底喷煤粉和氧气，并降低顶喷枪进行顶吹二次燃烧副氧，当炉温达到1500℃以上时，停止二次燃烧副氧，并进行顶喷氧气和煤矿混合粉料，当底喷吹参数碳氧比C/O为1.5，顶喷参数煤矿比为1.0、碳氧(主氧流道的氧)原子比1.0，矿粉为金属化率32％的流化床预还原矿粉，煤粉为大同烟煤，渣碱度控制在2.0左右，在顶喷枪喷头距熔池表面约400mm，试验过程中每5min取气样分析的技术参数条件下，80min的试验时间内，制备的煤气成分分析结果为：68～76％CO，15～20％H₂，1～3％CO₂，5～7％N₂，85％～96％(CO＋H₂)；铁水成分：C4.5～5.0％，Mn0.27～0.31％，P0.14～0.15％，Si0.3～0.4％，S0.02～0.15％；铁浴对熔融铁氧化物的还原能力强，渣中氧化铁总量可控制在5％以下。

造气与终还原之后，即当熔池高度涨到规定容量时，提起顶喷枪并停止喷吹，切换底喷枪喷煤氧为喷吹氮气，然后摇炉溢渣，溢渣后，开始底喷CaO-CaF₂粉，进行脱硫精炼。当脱硫剂喷吹量为20公斤/吨铁，在20min的时间内，熔铁中的硫由0.15％降低到了0.006％，脱硫率在95％以上。停止底喷脱硫剂，并适当维持底喷枪有一定的N₂流量以防堵塞，摇炉逸渣、出铁2/3。然后开始下一个炉役的操作。

从试验开始到试验结束(约4小时)，铁水中的磷含量略有增加。

实例二、通过控制枪位和氧流量可得到不同(CO＋H₂)含量的煤气。例如在实例一参数的基础上，增加副氧流量至主氧量的1/3，则可得到58～64％(CO＋H₂)，28～31％(CO₂＋H₂O)的煤气，既满足了流化床对铁矿预还原度的要求，又在铁浴内有效地利用了煤的化学能。经过数十次的试验表明，煤氧顶枪寿命可达数百小时以上。

实例三、将实例一的底喷参数碳/氧比值改为1.0，可炼得碳含量2.0～2.5％的半钢。

Claims

1、一种熔融还原炼铁或半钢并造煤气的方法，其特征在于在同一个反应器中，设计安装了水冷多流道的顶喷枪和双流道底喷枪，顶吹氧气和预还原矿加煤的混合粉料，底吹氧气和煤粉，或底喷吹氧气和预还原矿加煤的混合粉料，顶喷枪喷吹参数碳和氧的原子比为C/O＝0.8～1.6，煤和矿的重量比为煤/矿＝1～2，熔池温度为1500～1650℃，炉渣的综合碱度R＝1～3，其中R＝CaO＋MgO＋MnO/SiO₂＋0.55Al₂O₃＋1.18P₂O₅，底喷枪喷吹参数碳氧原子比C/O＝1～2；终还原结束后，溢渣，由底喷枪以氮气作载体喷入氧化钙基多元渣系直接精炼脱硫。

2、按权利要求1所述方法，其特征在于最佳渣碱度R＝1.5～2.0。

3、实施权利要求1所述方法的三流道顶喷枪，其特征在于：中心管(4)为煤粉和矿粉的流道，中间管(5)为主氧流道，外层管(6)为二次燃烧副氧流道，外层环管(7)为冷却水流道，喷头铸造而成，与枪身螺纹连接。

4、按权利要求3所述的喷枪设备，其特征在于顶枪由四流道组成，与中间管相邻的环隙(8)为水蒸汽流道。

5、实施权利要求1所述方法的双流道顶喷枪，其特征在于包括：中心管(9)、内喷嘴(13)、内喷管(12)、喷枪头(14)、中隔管(15)、外套管(17)；中心管(9)为矿和煤流道，中间环缝(10)为氧流道，外层环管(11)为冷却水流道；内喷嘴(13)与内喷管(12)用螺纹连接，氧气喷管(16)与喷枪头(14)用螺纹连接，外套管(17)与喷枪头(14)靠焊接相连。