CN1067108C - 金属还原和熔化方法及预热设备 - Google Patents

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Abstract

一种金属还原及熔化方法，包括在一种槽型感应炉中加热包括含金属组分和含碳组分的炉料，以还原这种含金属的组分，其中至少部分形成于该过程中的气态产物用于预热炉料，本发明还涉及实施这种预热的设备。

Description

金属还原和熔化方法及预热设备
本发明涉及金属还原和熔化方法比如炼钢方法，以及该方法中进行预热的设备。在该方法中，含有金属和碳的炉料在一种槽型感应炉中被加热，以使炉料中的金属部分被还原及熔化。
这方面一个已知的方法中，即美国专利5,411,570，其中送入炉中的原料的含金属组分含一种金属矿石，或一种部分还原的金属矿石(如在含铁炉料情况下的海绵铁)，含碳组分包括煤；原料通过一个或多个沿炉侧设置的加料口基本垂直地加入炉中，其加入方式使得炉中的料堆沿炉各侧边形成漂浮于炉中熔融金属熔池的沿纵向延伸的连续料堆。
在所述配置中，所形成的气态产物，主要是CO和与煤有关的挥发物，在位于炉内漂浮的炉料上方的空腔中与氧进行燃烧，氧气从炉外引入到这一位置。
据说通过这种燃烧获得的气体，通常约为1600℃左右，可在炉内用于加热炉料，或者用于这样的地方，其中装入炉中的原料含废钢或冷铁，含一氧化碳等废气的气体通过炉中相同的开口处被排出，经该开口也用于它们充入炉中，以便通过使这些气体与这些原料直接接触而将废钢或冷铁预热。
这一方面的另一方法中，即美国专利1,819,238，经感应加热炉一端的加料口装入炉中的矿石、含碳物质和熔剂，在所述一端形成料堆，并逐渐分散开并熔化。形成的气体通过加料口排出，并以一定方式燃烧，以确保所述气体与装入的炉料发生直接接触。
在又一已知方法中，即英国专利1,572,248，熔化设备是一个等离子体炉或电弧炉，最终还原过程中形成的气体也通过炉料加入口，使得所述气体和装入的炉料发生直接接触。
公开于法国专利1,205,446中的方法也是这样，熔化设备可以是包括一个或多个转炉的槽型炉。根据该发明，主要的还原反应发生于溶于金属的碳和溶于炉渣的铁的氧化物之间。据称这样形成的气体以逆流方式流动，并与装入的炉料相接触，以便进行预热和预还原。
本发明的目的是提供一种可更好利用这种燃烧气体的金属还原和熔化方法。
根据本发明，金属还原和熔化方法涉及在一种槽型感应炉中，加热包括含金属组分和含碳组分的炉料，以还原这种含金属组分，该方法包括至少利用本过程中的一部分气态产物用于预热炉料，即在炉料入炉前对其预热的步骤。
可以理解，如果因为这种预热，炉料的温度升高并超过了预定的值，炉料中含有金属的组分在炉料入炉前将被还原。
这将导致在炉料入炉之前，至少在炉料中会形成一些气相还原产物。
炉料入炉前，其中的这种还原反应开始的具体温度，当然将取决于炉料中具体含金属组分的特性。
另外，炉料入炉之前，由于这种预热至少会有一些与炉料中含碳组分有关的挥发物也将被释放在炉料中。
上述的气相物质，入炉后，会相应地含有上述挥发物质以及所述还原过程中形成的CO和CO2。
可以理解，这种炉料的预热，将不仅降低全过程所需要的能量消耗，还将提高炉子的生产率。
此外，根据本发明，至少有一部分以上所述的气态产物在炉中会与空气和/或氧气燃烧，而且如此产生的燃烧气体可以用于对炉料的所述预热。
此外，根据本发明，炉料通过一个长形的加料室被送进炉内。围绕该加料室的周围或贯穿该加料室，配有一个或数个通道，所述燃烧气体可以穿过这些通道，对加料室中的炉料进行预热。
优选的是，加料室和通道相互密封隔离，使气态产物不可能在它们之间流通。
本发明的一种优选形式是这些通道可含有环状套管，围绕加料室的周围沿长度方向布置。
此外，根据本发明，所述加料室的一端或底部可延伸到炉内一定距离，使其与漂浮在炉中熔融金属熔池上方的料堆相接触。
采用这种方式，可以防止加料室中的炉料通过此端口而自由落入炉内。
本发明的一种形式中，是在所述加料室中保持正压，以保证加料室中形成的大部分气态产物可传送到炉内。
这样的压力，比如说，可以通过适当的锁闭系统而将炉料引入加料室的办法予以建立。
另外，作为选择方案，这种正压力可以通过在炉料进入加料室之前，向其引入压缩的惰性气体如氮气而建立起来。
本发明的一种形式中，至少一些炉料中形成的上述气态产物，在炉料被引入到炉内之前，可以从入炉前的炉料中去掉。
这样一来，至少一些氧化性气体，比如说炉料中形成的CO2和H2O蒸气，可以从炉料中去掉。
去掉这种氧化性气体的理由是与下列事实有关，如果炉料的温度达到了预定值，这种氧化性气体可与炉料中的含金属和碳的组分发生反应，由此将导致含碳物质的消耗。
另外，根据本发明，这种氧化性气体可以通过一种长形的端部开口的导管从炉料中去除，该导管沿长度方向惯穿所述长形的加料室，使其一端或底部朝着到加料室的底部安放，另一端或上部与一个排气系统相连，该导管在其全长上至少有一个排气口，该排气口设置在加料室的预定高度上。
使用中，该导管将相应地被炉料包围，其所述气体排气口将设置在炉料的预定高度上。
另外，根据本发明，所述导管的气体排气口将设置在加料室的一定位置，炉料在该位置处的温度，恰好低于所述氧化性气体将开始与炉料中的含金属和含碳组分进行反应的温度。
这种优选的位置，可以例如通过试验加以确定，比如说分析从导管中排出的气体。
另外，或作为选择方案，也可以测试导管的气体排出口的温度，例如采用热电偶等。
实际中，一旦导管气体排出口的优选的高度被确定下来，其位置将被固定，在该位置炉料的温度可以由例如以下方法加以控制：控制氧化性气体从导管中排出的速度，和/或预热速度，和/或控制炉料通过加料室送入的速度。
在含金属组分含铁、含碳组分包括煤的情况下，以上所述温度约在600℃左右。
由此所排出的氧化性气体，比如说，可以在其它地方被利用，或传送到所述通道中用于预热炉料。
另外，根据本发明，预热的氧气和/或空气被引入到导管中至所述底端，以燃烧在那部分炉料中任何存在的CO使其形成CO2，然后它们从所述气体排出口排出。
为了保证气体到达所述排气口之前基本所有CO转化为CO2，恰好在排气口之下的加料室的壁相对该室其它部分保持在较低的温度。
通过适当隔热，和/或通过降低加料室中炉料移动通过导管壁该部分的速率，可以获得这种较低温度。后一操作可通过例如增大加料室在该区域的截面宽度来实现。
还根据本发明，使至少一些炉料中与含碳组分有关的挥发物在导管所述上部向其所述底部循环，在该底部它与CO一起通过氧气和/或预热空气燃烧。
将会理解，由这种转化和燃烧提供的热将有助于炉料预热。
所说的挥发物的流通循环，可以采用长形的端部开口的管子予以实现，该管子的一端位于导管的所述上部预定的高度，另一端朝向导管的所述底部安放。
还根据本发明，炉料中的含碳组分可以采用这样的方式加入到加料室中，即它们沿着加料室的外壁分布，而炉料中的含金属组分沿所述导管外壁分布。
采用这种方式，含碳组分(提供吸热Boudouard反应所需要的碳，该吸热反应又是将二氧化碳转变成一氧化碳所必需的反应，这种一氧化碳最终将需要用于还原炉料中的含金属组分中的金属)比含金属组分更靠近预热源，在一些情况下，含金属组分可与一氧化碳发生放热反应。
还根据本发明，炉料中含铁化合物包括一种铁矿石，含碳组分包括煤。
现在通过参照附图进行举例来进一步描述本发明，其中：
图1是根据本发明带有预热装置的炉子的一个实施方案的示意剖面图；
图2是所述装置另一实施方案的类似图1的示意剖面图，其中有部分图示为被截去。
在本发明的两个实施方案中，根据本发明的炉料预热装置10被展示为与一个槽型感应炉11一起使用。
炉子11包括一个长筒式转炉12，其截面为圆形并包括至少两排平行间隔排列的炉料进料孔，沿其相对边伸入转炉12的壁中，附图中仅详细展示了其中之一13。
转炉12由两排空间上相隔开的电感应加热器14从下面加热。
当用于炼钢过程时，转炉12中被装入一定数量的熔化钢水以形成熔池16，含煤和铁矿石混合物的炉料15通过加料孔13引入到转炉12中，漂浮在熔化的钢水熔池16上面，而形成相互间隔的两个料堆17，它们沿转炉12的竖侧边方向堆积，在其之上形成转炉12中的空腔18。
转炉12还配有多个氧气燃烧器19和至少一个用于从转炉12放出还原的熔化钢水开口(没有画出)。
在图1所示的实施方案中，装置10包括一个长形的加料室，其一端通过加料孔13伸展进入炉子11的内腔，并达到一定的深度，使其可与料堆17的上部相接。
炉料15通过炉料加料斗21和一系列锁闭系统22加入到加料室20中。
加料室20周围环绕一个长形的环状套管23形式的通道，该套管具有带有炉口25的底部入口24，该炉口穿过转炉12的炉壁与炉子11的区域18相连通。
套管23还有一顶部的出口26，它通过管子27连接到气体排出系统(没有画出)的管道28。
加料室20和套管23相互之间彼此密封，以阻止气体在它们之间流通。
操作中，转炉12被装入许多熔化的钢水16，接通感应加热器14。含煤和铁矿石的混合物的炉料15，从加料斗21通过锁闭系统22和加料口13被加入到转炉12中，形成漂浮在液体金属熔池16的料堆17。料堆17的上部与加料室20的底端相接触，使料堆上部的炉料挡住加料室20的开口端，由此可以防止炉料15自由地从加料室20的开口端落下。
锁闭系统22保证在加料室20中维持正压力，所以基本上没有气体从冷的上部炉料15处跑出进入加料室20。
主要是CO和CO2和挥发性物质的气体，产生于对炉料15中含铁组分的加热和随后的还原过程中，它们在空腔18中利用燃烧器19送入的氧气燃烧。
产生的燃烧产物由炉口25和入口24从区域18中被送入套管23，在套管23中它们用来预热加料室20的内腔中的炉料15。
由于这种对炉料15的预热，炉子11的生产率显著地提高了。
用过的燃烧气体，从套管23经由出口26和管子27传送到管道28，它们可以在本过程中其它地方使用，以利用它们的化学和/或热性能。
同时，位于加料室20中的与煤有关的挥发性物质，由于这种对炉料15的预热，可以被分解为碳、CO和H2，它们在管子20中可以直接参与炉料15的还原。这样的结果，也可以使本过程中每吨产品的煤和氧的消耗显著降低。
在图2所示的实施方案中，其中与图1所示的相应部分被采用同样的数码加以标注，炉料15从加料斗21被加入至长形的加料室29的上部，加料室29的底部与炉子11的转炉12中的一个入口13相连通。
加料室29由一个长形的套管30以环状方式环绕着，套管的底部有一个出口24，它通过炉口25与转炉12的区域18相接通。
套管30的上端有一个出口26，它通过管子27与气体排出系统(没有画出)的管道28相接通。
加料斗21的出口配备一个气体入口管30.1，通过它惰性气体如氮气可以被传送到炉料15中，进而到加料室29中，以对其施加一个正压力。
加料室29配备有一个长的端部开口的导管31，其上端32通过管子33和管子27与管道28相接通。
导管31的下端34延伸到加料室29的一个预定深度。这方面更详细的内容随后给出。
当炉料15通过加料室29加到转炉12中时，加料室29中的炉料将环绕着导管31并达其开口底部34。
导管31在其中间长度处配备有一系列孔眼35，其尺寸大小只能让气体通过，炉料15不能通过。
导管31还配备了一个长的端部开口的管子36，其上端37对着导管31的上端32，其下端38与炉料15接触并对着导管31的下端34。
导管31还在其端部开口34处配备预热氧气/空气燃烧器(没有画出)的入口39。
设置导管31在加料室29中的位置，可使其孔眼35处在炉料15的温度为600℃左右的那个部位上。另外，导管31的长度可使其上端32处在炉料15的温度为200℃左右的那个部位上，其下端34位于炉料15的温度在800℃以上的那个部位上。
炉子12按前面图1实施方案所述的同样方式操作。
在这样的操作中，通过套管30预热加料室29的下部使其温度达到850℃左右，引起那个部位的炉料15发生Boudoard反应，
即 。
一部分如此产生的CO将与炉料15中铁组分发生反应形成CO2，由此引起铁组分的部分还原反应，
即
所形成的CO2将在炉料15中向上流动，一直达到导管31的孔眼35处，通过这些孔眼它们被经导管31的膛、管子33和27排到气体排处系统(没有画出)的管道28中。
另一部分所形成的CO将在导管31的内腔中向上流动，并通过氧气/预热的空气燃烧器39燃烧成CO2，
即
这些CO2，和随后来自孔眼35的CO2一起，流经管子33和27进入到管道28中。
同时，加料室29的那些炉料15较高部位中存在的任何挥发物和水蒸气，将由管子36的上端37传经其底部38而进入导管31的内腔中，在这个部位，挥发物将通过氧气/预热空气燃烧器39燃烧。
可以看出，由CO转换成CO2和挥发物燃烧所产生的热量，将有助于加热加料室29中的炉料15。
还可进一步看出，通过将导管31安放在加料室29中所述位置处，其孔眼35处在炉料15温度为600℃的地方，所述CO2在与炉料15中含金属和/或碳组分反应之前就被从炉料15中排除了。
为了进一步阻止这种反应的发生，导管31的紧靠孔眼35下面那部分管壁，应维持在相对于其它管壁较低的温度。比如，可以通过适当的管壁隔热的方式和/或降低这一部位炉料15通过加料室29的流速的方式达到该目的。后一种方式可以采用诸如增大加料室29的这个部位的横截面积的办法予以实现。
还可进一步看出，导管31下端的炉料温度可以通过控制下列的一种或几种内容加以控制：(1)炉料15通过加料室29的供给速度；(2)导管31中的燃烧特性；(3)燃烧气体通过套管30的速度。
炉子12的熔化金属产物可进一步采用常规方法处理和收集。
可以看出，在其所涉及的范围内，本发明还包括基本上已在此叙述的实施本发明方法的设备。还可进一步看出，毫无疑问可能存在着本发明方法和设备的许多细节方面的变化，而不偏离权利要求书的精神和/或范畴。
例如，炉料15可以采用这样的方式装入到加料室29中，使含碳组分朝加料室29的壁分布并且其含金属组分朝导管31的外壁分布，其理由如上所述。

Claims (36)

1、一种金属还原和熔化方法，该方法包括在一种槽式感应炉中(11)，加热包括含金属组分和含碳组分的炉料(15)，以还原这种金属组分，该方法利用这种过程中产生于炉中的至少部分气态产物，用于预热炉料(15)，该方法的特征在于炉料(15)由至少一个加料室(20,29)加入到炉子(11)中，所述加料室设置有一个或多个通道(23,30)环绕或贯穿加料室(20,29)，所述气态产物穿过每一个通道(23,30)以预热加料室(20,29)中的炉料(15)，加料室(20,29)和通道(23,30)相互之间彼此密封，所以气态产物不能在它们之间流通。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于至少有一部这种气态产物包括在炉(11)中通过燃烧该过程中产生的气体与空气和/或氧气所得到的气体。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于每个通道(23,30)包括环形套管，它们沿长度方向环绕在每个加料室(20,29)周围。
4、根据权利要求1-3中任一项的方法，以一定的方式实施该方法，在炉(11)中的熔化金属熔池(16)上至少形成一个漂浮炉料(15)的料堆(17)，其特征在于加料室(20,29)的一端或底部延伸到炉内(11)一定的距离，使其与炉(11)中的炉料(15)的堆(17)相接触。
5、根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于加料室(20,29)中维持正的压力，从而加料室(20,29)中形成的大部分气态产物可通入到炉内(11)。
6、根据权利要求5的方法，其特征在于所述压力是通过采用锁闭系统(22)将炉料(15)装入加料室(20)的办法建立。
7、根据权利要求5或6的方法，其特征在于所述压力是由将炉料(15)送入加料室(20,29)之前向其充入压缩的惰性气体如氮气而得以维持。
8、根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于至少有一些加料室(29)中的炉料(15)中所形成的气态产物，在炉料(15)被引入到炉(11)内之前，从尚未进入炉子(11)的炉料(15)中被去掉。
9、根据权利要求8的方法，其特征在于炉料(15)中形成的至少一部分氧化性气体，这样从炉料(15)中被去掉。
10、根据权利要求8或9的方法，其特征在于炉料中形成的所述气态产物通过长的端部开口的导管(31)从炉料(15)中被去掉，该导管纵向延伸贯穿所述加料室(29)，使导管(31)的一端或底部(34)对着到加料室(29)的底部，导管(31)另一端或上部(32)与一个适当的排气系统(33,27,28)相连通，该导管(31)在其全长上包括至少有一个气体孔眼(35)，该气体孔眼设置在加料室(29)的预定高度上。
11、根据权利要求10的方法，其特征在于导管(31)中所述气体孔眼(35)被设置在加料室(29)的一定位置，炉料(15)在该位置的温度，恰好低于炉料(15)中氧化性气体将开始与炉料(15)中的含金属和含碳组分进行反应的温度。
12、根据权利要求11的方法，其特征在于导管(31)中气体孔眼(35)的优选位置是根据分析从导管(31)中排出的气体中CO和CO2含量加以确定。
13、根据权利要求11或12的方法，其特征在于导管(31)中的气体孔眼(35)的温度是由热电偶测定。
14、根据权利要求11-13中任一项的方法，其特征在于一旦导管(31)的气体孔眼(35)的优选高度被确定下来，其位置就被固定下来，在该位置炉料(15)的温度，通过控制下列至少一项而加以控制：氧化性气体从导管(31)中排出的速度；预热速度；炉料(15)通过加料室(29)送入的速度。
15、根据权利要求10-14中任一项的方法，其特征在于如此被去掉的气态产物，在其它地方被利用，或送入所述通道中用于预热炉料(15)。
16、根据权利要求10-15中任一项的方法，其特征在于预热的氧气和/或空气被引入到导管(31)中至其所述底端(34)，以燃烧任何存在的CO使其变成CO2。
17、根据权利要求16的方法，其特征在于紧靠气体孔眼(35)下面的加料室(29)侧壁的温度相对于加料室其它部位处于较低的温度，从而使气体到达所述气体孔眼(35)之前，所有的CO基本上都转变成CO2。
18、根据权利要求17的方法，其特征在于这种低的温度，是通过对加料室(29)适当的隔热、和/或降低加料室(29)中的炉料(15)经过加料室侧壁这些部位的速度而获得。
19、根据权利要求10-18中任一项的方法，其特征在于至少有一部分与炉料(15)的含碳组分相关的挥发物，从导管(31)的所述另一端(32)处的炉料(15)位置被循环流通至导管(31)的所述一端(34)，在此位置它与任何存在的CO同时利用氧气和/或预热的空气燃烧。
20、根据权利要求19的方法，其特征在于所述挥发物的流通循环，通过采用长形的端部开口的管子(36)予以实现，该管子的一端(37)朝向导管(31)的所述上端(32)安放在预定的高度上，使其可与炉料(15)相接触，另一端(38)安放在朝向导管(34)的所述底部(34)。
21、根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于炉料(15)中的含碳组分以一定的方式加入到加料室中(20,29)，使其分布在加料室(20,29)的外侧壁处。
22、根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于炉料(15)中的含铁化合物含铁矿石，含碳组分包括煤。
23、用于预热金属还原和熔化方法的炉料(15)的预热设备，所述方法包括在槽型感应炉(11)中加热包括含金属组分和含碳组分的炉料(15)，以还原这种含金属组分，还包括利用在炉中(11)所形成的至少部分气态产物，用于预热炉料(15)，其特征为这种设备包括可以经其将炉料(15)加入到炉子(11)中的至少一个加料室(20,29)，和一个或多个延伸围绕或贯穿加料室(20,29)的通道(23,30)，工艺过程中所产生的气态产物通过这些通道(23,30)从而预热加料室(20，29)中的炉料(15)，加料室(20,29)和各个通道(23,30)相互之间彼此密封，气体不能在它们之间流通。
24、根据权利要求23的设备，其特征在于每个通道(23,30)包括一个环形的沿加料室(20,29)长度方向延伸的套管(23,30)。
25、根据权利要求23或24的设备，其特征在于加料室(20,29)的一端沿纵向延伸进入炉内(11)一定的距离，从而与漂浮在炉中(11)熔化金属熔池(16)之上的炉料(15)的堆(17)相接。
26、根据权利要求23-25中任一项的设备，其特征在于加料室(20)包括一个向加料室(20)供给炉料(15)的锁闭系统(22)，以使加料室(20)中维持正压力，从而使加料室(20)中形成的大多数气态产物将进入炉内(11)。
27、根据权利要求23-25中任一项的设备，其特征在于加料室包括一个装置(30.1)用于在炉料(15)送入加料室(29)之前，向炉料(15)中引入压缩惰性气体以便在加料室中维持一个正的压力。
28、根据权利要求23-27任一项的设备，其特征在于加料室包括一个长形的端部开口的导管(31)，该导管沿纵向延伸贯穿所述加料室(29)，使其一端或底部(34)朝向到加料室(29)的底部安放，其另一端或上部(32)与一个适当的排气系统(33,27,28)相连，该导管(31)在其全长上包括至少一个气体孔眼(35)，该气口位置设定在加料室(29)的预定高度上，通过该气体孔眼，炉料(15)在进入炉内(11)之前至少部分形成于炉料(15)中的气态产物可以被去掉。
29、根据权利要求28的设备，其特征在于导管(31)的所述气体孔眼(35)设置在加料室(29)的一定位置，炉料(15)在该高度处的温度，恰好低于炉料中氧化性气体将开始与炉料(15)中的含金属和含碳组分进行反应的温度。
30、根据权利要求28或29中任一项的设备，其特征在于加料室(29)包括将氧气和/或预热的空气引入到导管(31)中至其底端(34)的装置(39)，以燃烧存在的任何CO使其变成CO2。
31、根据权利要求30的设备，其特征在于紧靠在气体孔眼(35)下面的加料室(29)侧壁相对于加料室(29)的其它部位处于较低的温度，以保证气体到达所述气体孔眼(35)之前，所有的CO基本上都转变成CO2。
32、根据权利要求31的设备，其特征在于所述较低的温度通过采用对加料室的侧壁进行适当的隔热来实现。
33、根据权利要求23-32中任一项的设备，其特征在于加料室(29)包括一个长形的端部开口的管子(36)，其一端(37)朝着导管(31)的所述上部(32)安放在一个预定的位置处，其安装方式使得其与炉料(15)相接触，其另一端(38)对着导管(31)的所述底部(34)，该管子(36)是用来将至少一部分与炉料(15)中含碳组分有关的挥发物质，从导管(31)的所述上部(32)的炉料循环至导管(31)的所述底部(34)，在此位置该挥发物与任何存在的CO同时通过氧气和/或预热的空气烧掉。
34、根据权利要求8的方法，其特征在于炉料(15)中形成的CO2和H2O蒸气这样从炉料(15)中被去掉。
35．根据权利要求17的方法，其特征在于这种低的温度，是通过对加料室(29)适当的隔热、和/或采用增加加料室在侧壁这些部位的横截面宽度而降低加料室(29)中的炉料(15)经过加料室的这些部位的速度而实现的。
36．根据权利要求23-25中任一项的设备，其特征在于加料室包括一个装置(30.1)用于在炉料(15)送入加料室(29)之前，向炉料(15)中引入压缩氮气，以便在加料室中维持一个正的压力。
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