CN103392013A - 制造铁水和钢的方法和设备 - Google Patents

Abstract

基于碳的金属化方法与装置，其中金属氧化物转化成含碳，金属化中间物，其从在沟槽式感应炉中熔化以从所述金属氧化物产生液体金属。在以粉末或精矿形式的铁矿石的应用中，通过消除矿石，炼焦，和鼓风炉操作的结块，使用低成本的煤将大大地减少资金和操作费用。如此产生的铁水在炼钢炉中有效地转化成钢，例如碱性氧气转炉（BOF），特别是当其物理集成到沟槽式感应炉时，其中铁水被沟槽式感应炉直接倒入集成的BOF中，产生低成本的钢，减小热损失，和最小化排放。

Description

制造铁水和钢的方法和设备

技术领域

本发明涉及铁和钢的制造以及申请人的专利No. 6409790 B1上的改进，专利No. 6409790 B1在2002年6月25日公布，以下称为“引用专利”。

该引用专利公开了一种方法和装置，其用于实施基于碳的冶金，以及在制造铁水的具体情况下，涉及两个不同的步骤。第一步骤包括在水平管式反应器中形成铁/碳产物，其中含有氧的气体从水平喷枪喷射，水平喷枪从水平反应器的排放端插入，同时形成的热的铁/碳产物（中间物）被排放到垂直反应器中。第二步骤包括将垂直反应器中的铁/碳产物熔化，称为“熔化器/均化器”，其通过使用垂直喷枪喷射含有氧的气体以将铁/碳产物转化成铁水，铁水被供给到保持容器中。

具体而言，本发明涉及与关于在高炉中产生的铁水相比的铁水制造而改进引用专利，这在钢铁工业中通常称为“高熔金属”。

背景技术

钢铁行业在1998年3月发布了题为“Steel Industry Technology Roadmap”的综合出版物，第11页陈述如下：

在炼铁领域的最终目标是开发基于煤的工艺，其直接从煤和矿石的粉末或精矿生产铁水。铁水优选的是固体铁，因为没有脉石并且其保留了它的焓。煤在焦炭或天然气上明显是优选的，因为它是丰富的和更低的成本。如果可能的话，使用粉末或精矿将消除结块成本。这些新的工艺应具有高熔炼强度或生产率。高生产率以及炼焦和结块的消除将显著降低资本成本。

实质上，路径图的最终目标是，并且现在仍然是，来以一个单一的高效工厂代替几个工厂。申请人构思引用专利中公开的主题为直接产生铁水的最终目标的解决方案，其中煤和矿石粉末或精矿被使用；提交了专利申请，引用专利被公布。

为了把概念付诸实践，构建了试点并开始测试。众多的问题被发现了。最严重的问题包括如下：

一、在水冷的氧气喷枪的铜尖端处的不锈钢外管（护套）的熔化的水泄露产生的过热蒸汽导致的零星的爆发，这使操作人员有生命危险，他们之一会经历严重烧伤而被迫住院。为了防止不锈钢护套的熔化，采取了一些步骤以增加铜尖端的大小。不幸的是，发生的喷枪的尖端处的过度积聚导致氧的流动模式的破坏。

二、含有氧气的气体从喷枪的尖端的均匀流动对于产生均匀的产品是最关键的，铁/碳中间物约50％金属化，具有约6％碳，其适合于转化成高炉规格的碳饱和铁水。喷枪的尖端处积累导致的问题，包括过早熔化，过度氧化，金属化过低，完全未还原的供给材料。

三、水平反应器内发生的过多的热损耗，特别是朝向其排放端，由水冷喷枪的冷却效果导致。

四、自身持续的在水平反应器的排放端处的积累，导致物理堵塞，其通过推动装料机的柱体阻止水平反应器的内含物的提升，从而迫使意外停机。

五、水平金属化反应器下游和存储器上游的积累也在垂直截面中进行，其中均化器/熔化器将被定位，从而导致停机，其需要移动设备以提供访问存数点，以条积累材料以去掉积聚。

六、铁/碳中间物，其被供给到熔炉中，其轻于铁水，将浮在熔浴的顶部，并存在于那里，而不是进入到溶液中，熔浴中具有金属，这种中间物的漂浮阻止中间物快速和完全转化成铁水。

为了解决一、二、三的问题，决定将喷射枪重新放置以从冷端通过水平金属化反应器的装料机引入，同时增加含氧气体的喷射压力以产生从喷枪的尖端的有力的射流以到达所有到水平金属化反应器的排放端的通路，喷枪的尖端定位在铁矿石和灰分的温度低于其初期熔化的温度。这需要建造新的装料机，其中喷枪被设置为通过心轴的中心，导致喷枪的结构设置通过心轴且心轴通过推动柱塞。

为了解决四的问题，这涉及在金属化反应器的排放端处通过积累产生阻塞，新的装料机比原来的在结构上更坚固地构造，并且通过添加具有新控制的增压器液压泵使液压提高，以增加新的装料机的推力，从而缓解阻塞。

为了解决五的问题，为了防止金属化反应器的下游和存储器的上游的积累，决定完全除去均化器/熔化器（附图标记11），在引用专利中描述的，并在沟槽式感应炉（ICF）中执行铁/碳中间物的熔化，如Ajax Magnethermic进行的，将在下文详细描述的某些修改作为熔化器以及铁水的存储器。

为了解决中间物在熔浴顶部漂浮的问题，垂直摆动机械浸泡器被开发，其装备有石墨块，其适于迫使浮动中间物被淹没在高温熔浴的水平面下，其中在中间物中的碳完成了铁的未反应的氧化物的还原，即Fe₂O₃，Fe₃O₄和FeO，其还没有在水平金属化反应器中反应。

利用所做的更改，申请人成功克服了上文提到的问题，并产生了可接受的中间物，在水平金属化反应器中，进入中间物中的来自煤的碳在来自矿石粉末或精矿的金属化的铁内集成地嵌入。

另外，两个有价值的气体是共同产生的：一个在水平金属化反应器中的铁矿石的金属化过程中，第二个在中间物的熔化过程中。

综上所述，申请人实际上已经发明了一种方法和装置，其适于接收各种比例的矿石和煤并且通过产生中间物产生铁水，中间物非常适合于转化成铁水，其可以随后转化成低成本钢。

发明内容

本发明的主要目的是使用低成本的煤直接从矿石粉末和精矿生产铁水，其与1998年3月的Steel Industry Technology Roadmap中所述的最终目标一致，如上所述。

本发明的另一个目的是提供一种有效的方法和装置，以执行相同目的以将铁矿石和煤混合物转化成铁水，其效率大于在使用焦炭和铁矿石球团的高炉中的制造铁水的常规工艺。

因此，本发明的另一个目的是提供一种方法和装置，其在与使用焦炭和铁矿石球团的高炉中的制造铁水的常规工艺相比大大地减小了热损失。

本发明的另一个目的是提供一种方法和装置，其与常规工艺相比大大地减小了排放，该常规工艺供给球团，烧结，焦炭进入高炉，其转而是二氧化碳（CO₂）的主要排放体。

本发明的另一目的是制造更有效的沟槽式感应炉（ICF），同时仍然通过提供浸泡装置保护其衬里，浸泡装置帮助将铁/碳中间物浸入ICF中的熔化的铁浴，从而加快其反应并使其与熔化的铁浴中的成分混合，以导致熔化的铁浴内的其快速液化和同化。

本发明的另一个目的是将沟槽式感应炉（ICF）物理集成到炼钢炉，如碱性氧气炼钢炉或电弧炼钢炉，在行业中分别称为BOF和EAF，但通过举例的方式，下面的描述将公开ICF到BOF的集成，ICF适于将铁和碳中间物转化成熔化的铁，同时BOF将熔化的铁和废料转化成钢。ICF和BOF结构地结合在一起，以此方式来产生混合的，双功能构造，其减少资金和操作成本，提高了效率，并最小化排放。

本发明的另一个目的包括提供ICF和BOF之间的物理互连，以使得能够将熔化的铁直接从所述BOF中的所述ICF倒出，其通过径向地旋转所述ICF和所述BOF，而不需要使用起重机。

本发明的另一个目的是在制造熔化铁的情况下提供ICF自身，这仅在需要一种制铁的改进方法而不生产钢的情况下。

因此，本发明的另一目的在于提供一种方法和装置，其可以将二氧化碳（CO₂），温室气体转化成有用的产品，如肥料。

从下面的描述和所附的权利要求将出现本发明的其它目的。参考附图来描述实施制造铁/碳中间物的此方法的目标装置结构，将铁/碳中间物被转化为铁水，其随后被转化为钢。应理解的是，本文所公开的方法和装置不仅仅限于处理含铁矿石，本发明还可以被应用到其他非含铁矿石。

附图说明

图1示出了直接从煤和矿石粉末或精矿制造铁水的工厂。

图2表示金属化反应器的透视图和截面图，图2A示出了实际的铁/碳中间体，其碳物理嵌入金属化的铁中。

图3示出了产生中间物的金属化反应器的电浴的透视图。

图4是具有中间物输送系统的感应熔炉的特写且局部视图。

图5示出了工厂的侧视图，其包括气体清洁和从含有CO₂的肥料（草酰胺）的合作生产。

图6示出了炼钢炉，其通常称为碱性氧气转炉（BOF），到炼铁炉的集成，其通常称为沟槽式感应炉（ICF）。

图7至图18示出了生产铁水和将其转化成钢的各个操作步骤，其与ICF中产生的铁水和BOF中的钢同时进行。

在详细描述本发明之前，应理解的是，本发明不限于在附图中所示的部件的细节或布置，因为本发明可以使用其它实施例操作。此外，应理解的是，本文包含的术语是用于描述的目的，而不是限制。

具体实施方式

图1概念地示出了包含两个炉组的工厂，标记为20（a）和20（b），其每个包括几个相同的金属化反应器，一个标记为21，两个熔炉，标记为A和B，以及输送机，其供给在金属化反应器中制成的热的铁/碳中间物到两个熔炉。

在更详细地描述工厂时，申请人将仅描述炉组20（a）和炉子A，因为两个炉组和两个炉子是相同的。

在每个炉组下面，放置两个输送机，标记为附图标记22（a）和23（a），输送机22（a）是固定的，输送机23（a）适于如穿梭输送机行进。穿梭输送机23（a）适于不仅行进到炉子A，而且一路到炉子B的端部，从而提供余量。炉子A具有三个相同的供给开口，标记为附图标记24，其沿着两个炉子的长度等距间隔，以使得穿梭输送机（a）能够沿着炉子A以及炉子B的长度分配热的铁/碳中间物。在穿梭输送机（a）的头部，扣盖，标记为附图标记25，放置成浸入熔浴中，铁/碳中间物被供给到炉子A或炉子B中。要注意的是，穿梭输送机23（b）可以为炉子A和炉子B服役。

参照图2，其示出了铁/碳金属化反应器21的透视图和截面图，其中供给料斗26适于供给煤并且供给料斗27用于供给矿石和煤的混合物。附图标记28代表装料机，其由心轴29和主柱体（推进器）30制成，其中喷枪31放置通过心轴29的中心，其在反应器21的进料端处穿入。煤芯是深颜色的材料，其由附图标记32指代，喷枪31通过其经过，以及环33，其由铁和煤混合物制成，完全围绕煤芯32。反应器21的排放部，其包括热传播室，由附图标记34标示，其具有用于安装启动燃烧器的进口35。排放室34下游提供的滑动门，由附图标记35（a）标示，用作控制供给装置以预定序列将涌浪包含容器从金属化反应器21服役给主输送机22（a）（图1所示），由于输送机22（a）从几个金属化反应器接收铁/碳中间物。应注意的是，金属化反应器21衬有绝缘耐火材料，其中热烟道在耐火材料中构建以将热传播进入反应器21，以便提供热能以双向地加热环33。加热烟道未示出，因为它是工业中常用的，并且它们总是封装在附图标记39所标记的钢外壳中。图2A表示铁/碳中间物的实际结构，其清楚地显示了碳，其源于煤，其散置在源于矿石的铁中。这样的中间物是原料来通过使其熔化而生产铁水。在铁矿石与煤的金属化期间，富氢（H₂）气体被产生；作为能源非常有价值的这种气体通过出口37离开。

参照图3，其示出炉组20（a），其大部分的部件在图1和图2中描述，除了附图标记40代表供给到供给料斗26和27的分配输送机。其它设备表示为如下：料斗升降机用于从地平面输送供给，由附图标记41标示，炉排气抽吸管由附图标记42标示，排气机由附图标记43标示，烟气喷射歧管由附图标记44标示，分级筛由附图标记45标示，其在被供给到炉子A中之前将残渣从铁/碳中间物分离，以在中间物的供给期间最小化粉尘排放。

参照图4，其示出了炉组20（a）的部分，沟槽式感应炉A，炉子B的部分。除了在以前的图中的描述，炉子A示出为没有前部以示出炉子的内部，石墨浸块在炉子A的左侧由附图标记46标示。其他部分包括浸泡器25的上部件，其推动浸入熔浴72中的熔化铁的顶部漂浮的铁/碳中间物，旋转接头47，其允许炉子旋转同时仍连续地从炉子A内取出燃烧气体，炉膛48，从铁氧化物的氧与侵入铁/碳中间物中包含的碳的反应释放的炉膛上方的CO燃烧。

参照图5，其代表的工厂的侧视图，其中输送机22（a）和输送机23（a）已被替换为用附图标记49标示的立管，其后面是阀50和51，其控制铁/碳中间物直接进入沟槽式感应炉A的供给，烟气（N₂+CO₂）从炉子A排放到立管49的底部。由附图标记52指代的管道系统连接到热交换器53，其供给相对冷的含汞气体进入清除床54（a）或清除床54（b）；这两个床，其交替使用，包含活性炭以从气体提取汞。交换器53下游，脱硫器55形成热气体清除的下部，吸附剂再生器56设置在脱硫器55的上方。两个反应器59（a）和59（b）设置在脱硫器55的下游，以作为一氧化碳（CO）到氰的转化器，吸附剂再生器的下游是用附图标记57标示的硫回收系统；其用于以元素形式回收硫，其是商售商品。由附图标记58指代的第二热交换器调节脱硫气体。反应器59（a）和59（b）从氰的生成器替换为催化剂的再生器。反应器59（a）和59（b）的下游提供了用附图标记60标示的液化器；其后面是分离器61，泵62，其提升氰以在柱63中与水化合以形成草酰胺，缓释肥。沉淀罐64设置在压滤机65的上游，而干燥器66在压滤机65之后，堆积器67输送作为商售肥料的最终产品到存储器68。

图6示出了通过BOF到ICF的炼钢炉到炼铁炉的集成，它们都在本发明的发明内容部分参考；可行的是合并一个单一，低成本，有效率的，物理集成的方法中的三个步骤，其包括：

-包括粉末或精矿的铁矿石与煤的金属化，形成中间物；

-熔化中间物产生铁水；以及

-以氧气吹铁水产生钢。

由于金属化和熔化的方法已经在上面详细描述，图7至18将描述供给铁/碳中间物，将其熔化成铁水和产生钢的步骤。

图7示出了穿梭输送机23（a）或输送机23（b），其供给铁/碳中间物进入ICF，材料漂浮在熔浴上，其由附图标记71标示，同时氧气在BOF内通过垂直喷枪69被吹，将铁转化成钢，烟气收集在罩70中；附图标记73标示的升降机用于升高和降低喷枪69。

图8是与图7相同，除了浸泡器25将石墨块46放置在中间物上，其仍漂浮在熔浴上。

图9示出了石墨块46已经将浮动中间物浸入熔浴72。

图10示出了从BOF将炉渣倒入锅75中，同时使用由附图标记74指代的止动杆凭借ICF在倾斜位置而防止铁水从ICF流出。图11示出了使用滑动门77的钢从BOF的底部到浇包76的出钢。还当注意的是，BOF的出渣和出钢可通过其他构造作用。

图12示出了BOF中的热量已经被抽出，出钢孔密封材料78落入由附图标记79标示的BOF出孔。图13示出在了填充出孔79的过程中的密封材料78，图14示出了出孔79已经被密封。

图15示出了通过逆时针倾斜ICF而使ICF出渣，熔化中间物产生的炉渣由附图标记80标示，其被从ICF倒出。图16示出了顺时针倾斜ICF，以使得通过斜槽82能够以废料为BOF装料，这由附图标记81标示，其中止动杆74在下部位置以防止熔化的铁在废料装料的过程中从ICF流入到BOF中。图17示出了在ICF和BOF处于倾斜的位置时，止动杆74处于升起位置，允许铁水从ICF流入BOF，其由附图标记83标示，在废料81顶部上分配预定的铁水装料。在这点上，ICF从它的倾斜位置旋转到直立位置，罩70在BOF的口上旋转，氧气喷枪73升降机下降进入BOF，以通过从喷枪69吹氧而将铁水转化为钢，同时位于ICF的装料孔24上的输送机23（a）或（b），进行铁/碳中间物到ICF中的供给以将其熔化，同时铁水和废料被转化成钢，如图18所示，其与图7是相同的，其示出了相同功能：由输送机23（a）或（b）供给铁/碳中间物，在ICF中将其熔化成铁水以形成熔浴72并将铁水和废料转化成钢，同时铁矿石粉末或精矿在金属化反应器21中经历与煤的金属化，如包容性地图1至5示出和描述的。

关于本发明对非铁金属的应用，本文所述的变体可以产生；然而，发明不脱离本公开的精神。总而言之，本文提出了本发明提供传统的实践/冶金上的重大改进，其可以使用低成本的原材料，并为有能效的和环境友好的，同时要求低资本投资。

Claims (24)

1.一种在一个或多个水平室以含碳材料热处理金属氧化物的方法，其中每个水平室具有装料端和排放端，适于产生热的含碳金属化产品，其随后在熔化器中被熔化，在产生热的液体金属和有价值的燃料气体，包括下列步骤：

以对大气密封的方式供给含碳材料，其在所述室的装料端处包含易挥发物；以对大气密封的方式供给金属氧化物和含碳材料的组合制成的混合物到所述室中；

在所述室中以抑制模式以氧化剂燃烧一部分所述含碳材料以产生还原气体，从而还原所述金属氧化物，以导致热的富碳金属的形成，其特征在于中间物；

排放所述中间进入垂直室，其装备有控制阀，以使得能够以受控制的次序分配所述中间物进入熔化炉；

在所述炉中熔化所述中间物以完成所述金属氧化物的还原，从而与燃料气体一起产生液体金属的熔浴，燃料气体从所述浴产生；

在所述浴上燃烧所述燃料气体以将热能放射回到所述浴以增加熔化炉的效率，同时产生燃烧产物，包括CO₂；

从所述熔化炉排放所述燃烧产物，并且引导它们到所述垂直室的底部以通过其升起，同时接触所述热的富碳中间物以将CO₂转化成CO；以及

利用所述CO产生有价值的副产物。

2.如权利要求1所述的方法，其中供给包含易挥发物的含碳材料的步骤特征在于以在所述水平室内形成芯的方式供给它。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述芯特征在于具有通过所述芯的孔，以容纳通过所述孔的氧化剂喷枪的插入。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述喷枪从所述水平室的装料端被插入。

5.如权利要求2所述的方法，其中所述芯由环围绕，所述环由包括含碳材料和金属氧化物的混合物制成。

6.如权利要求2所述的方法，其中所述芯由煤制成。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述环由煤和金属氧化物制成。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述金属氧化物是以粉末或精矿形式的铁矿石。

9.如权利要求2所述的方法，其中所述芯在抑制条件下燃烧，其通过喷枪喷射氧化剂以产生还原气体从而在铁氧化物的金属化中使用。

10.如权利要求1所述的方法，其中在所述炉中熔化所述中间物以完成所述金属氧化物的还原从而产生熔浴的步骤进一步特征在于所述熔浴由铁水制成，所述铁水在沟槽式感应炉中产生，缩写称为“ICF”。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述铁水在碱性氧气转炉中转化成钢，缩写称为“BOF”。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述BOF物理连接到ICF，两个炉以集成程序操作，其中ICF将熔化中间物以产生铁水；BOF将铁水转化成钢，铁水步骤包括在先前的钢热量从BOF取出完成之后发生从ICF到BOF中的直接供给。

13.如权利要求12所述的方法，其中在集成程序中操作两个炉的步骤进一步特征在于所述ICF以在水平金属化反应器的炉组中产生的中间物供给，并且通过输送机输送到ICF。

14.如权利要求13所述的方法，其中两个沟槽式感应炉被提供并且装备有复制输送机以确保余量。

15.如权利要求12所述的方法，其中步骤包括从ICF进入BOF的直接供给通过阀以受控制的方式进行，阀特征在于止动杆，其在ICF的旋转期间确保正确流动同步。

16.如权利要求1所述的方法，其中利用所述CO产生有价值的副产物的步骤特征在于清除所述CO的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述CO在其清除之后转化为氰。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述CO转化为氰特征在于使所述氰水化合成草酰胺，长效肥。

19.如权利要求16所述的方法，其中清除所述CO的步骤进一步特征在于从所述CO去除汞。

20.如权利要求1所述的方法，其中排放所述中间进入垂直室的步骤进一步特征在于提供浸泡器，其适于将漂浮中间物浸入所述炉的浴中，以加快中间物的熔化，从而导致从所述熔化炉的铁水的生产能力的提高，所述垂直室装备有控制阀，以使得能够以受控制的次序分配所述中间物进入熔化炉。

21.一种以含碳材料热处理金属氧化物以产生液体金属的装置，包括：

水平金属化反应器，其具有装料端和排放端，其装备有推动柱体，心轴通过推动柱体设置，其中所述心轴具有孔，喷射喷枪通过孔设置，以此方式来从装料端朝向所述反应器的排放端喷射氧化剂，以产生由矿石和含碳材料制成的中间物；

机构，其设置在所述反应器的排放端的下游，其能够控制所述中间物材料进入熔化炉的供给，其中所述中间物转化成液体金属同时在所述炉内产生气体；

氧化剂喷射装置，其适于在所述炉中燃烧所述气体，以使所述炉在转化所述中间物成液体金属时更有效，其通过增加所述炉中的热能输入；

抽吸装置，其适于从所述炉取出包含CO₂的燃烧产物；

用于将所述CO₂转化成CO的装置；

用于清除所述CO的装置；以及

用于将所述CO转化成有用的产品的装置。

22.如权利要求21所述的装置，在所述熔化炉的下游包括炼钢炉，以将液体金属转化成钢。

23.如权利要求22所述的装置，其中所述炼钢炉物理集成到所述熔化炉，其适于从所述熔化炉直接供给液体金属进入所述炼钢炉，从而提高效率，最小化热损失，并且减少排放。

24.如权利要求21所述的装置，支配装置适于通过浸泡器浸没所述熔化炉中的液体金属的顶部上漂浮的中间物材料，所述浸泡器能够进行上下运动以强制地推动漂浮中间物到熔化炉中包含的液体金属的水平面以下。

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