CN107881275B - 闪速熔炼铁的方法及其炼铁炉 - Google Patents

Abstract

一种新型闪速熔炼铁的方法及其炼铁炉，其中炼铁炉包括反应塔，反应塔内限定有反应空间，炉料喷嘴和熔池，炉料喷嘴设在反应塔的顶部，熔池设置在反应塔的下部，反应塔的塔身是由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构，在单叶双曲面结构的下部设有燃料和富氧气体的进口，燃料和富氧气体从进口进入到反应空间的下部，将铁矿砂中的高价铁氧化物部分还原成低价铁氧化物及部分金属铁；低价铁氧化物及部分金属铁落入熔池。本发明具有结构紧凑，反应时间和反应温度可控的优点。

Description

闪速熔炼铁的方法及其炼铁炉

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其是涉及一种新型闪速熔炼铁的方法及其炼铁炉。

技术背景

传统的炼铁，主要采用高炉炼铁设备，利用传统高炉炼铁，铁矿砂首先需要造球、干燥、烧结、破碎、冶炼等工序，因此存在流程长、投资大、能耗高和熔炼时间的缺陷。

为解决上述问题，近年来人们提出了一些解决方案，

如中国专利文献CN101597661A公开的一种熔融还原炼铁方法；

中国专利文献CN102690919B公开的一种铁的闪速冶金方法，

中国专利文献CN102605120A公开的腔式高炉炼铁装置和炼铁方法。

都是采用先将铁矿石磨成粉，然后将铁矿砂与燃料和氧气一起喷入炉膛内，让铁矿砂与燃料和氧气在炉膛内快速反应后，生成的溶铁落入位于炉膛下面的熔池，再进行还原反应，形成铁水和铁渣，进而排出铁水和铁渣。这样，可以大大地缩短炼铁时间。

现有快速炼铁装置的炉膛一般采用圆形、方形或圆台形炉膛，炼铁装置的排烟道位于炉膛一侧，与熔池相通，炉膛、熔池和排烟道基本构成流畅的气体通道。这种方法的快速炼铁装置存在两个明显的弊端：一是铁矿砂在自身重力作用下和顺流气体带动下，会快速通过炉膛，即在炉膛的停留时间较短，一般不不超过5秒钟，不利于铁矿粉与还原性气体在高温下的充分反应；二是铁矿砂和高温还原性气体热交换效率低，排放的尾气温度高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明向社会提供一种结构紧凑，反应时间可控、铁矿砂和高温还原性气体热交换充分的新型闪速熔炼铁的方法及其炼铁炉。

本发明的技术方案是：提供一种新型闪速熔炼铁的方法，包括：使用闪速熔炼炉，对铁矿砂进行闪速熔炼；其中所述闪速熔炼炉包括：反应塔，所述反应塔内限定有反应空间；炉料喷嘴和熔池，将所述炉料喷嘴设在所述反应塔顶部，用于向所述反应空间内输入铁矿砂；将所述熔池设置在所述反应塔的下部，用于容纳从所述反应空间中反应后落下的熔体，并对熔体进行后续的还原反应；将所述反应塔的塔身设计成由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构，燃料和富氧气体从单叶双曲面结构的下部进入所述反应空间的下部反应并生产含有还原性气体的混合气体（一氧化碳和氢气），所述混合气体与反应塔顶部进入所述反应空间的上部内的铁矿砂在反应空间逆向相遇，并使所述铁矿砂在炉腔内被保持预定时间，被加热到预定温度，将所述铁矿砂中的高价铁氧化物部分还原成低价铁氧化物及部分金属铁；所述低价铁氧化物及部分金属铁落入熔池；在反应过程中产生的废烟气沿着反应空间的上部的弧形内壁向上，通过设在反应塔顶部圆周附近的排烟口排出。

作为对本发明的改进，在所述中部反应区域的下部设有用于控制燃料和富氧气体的流量的中间流道控制机构，所述中间流道控制调节和控制还原性气体的流速和流量。

作为对本发明的改进，所述反应塔的顶部为球缺形。

作为对本发明的改进，所述反应塔的顶部为圆台形。

本发明还提供一种新型闪速炼铁炉，包括：反应塔，所述反应塔内限定有反应空间，铁矿砂在所述反应塔内被闪速熔炼；炉料喷嘴和熔池，所述炉料喷嘴设在所述反应塔的顶部，用于向所述反应空间内输入铁矿砂；所述熔池设置在所述反应塔的下部，用于容纳从所述反应空间中反应后落下的熔体，并对熔体进行后续的还原反应；所述反应塔的塔身是由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构，在所述单叶双曲面结构的下部设有燃料和富氧气体的进口，所述燃料和富氧气体从所述进口进入到所述反应空间的下部反应并生成含有还原性气体的混合气体，所述混合气体与从反应塔的顶部进入所述反应空间的上部内的铁矿砂在反应空间逆向相遇，并使所述铁矿砂在中部反应区域被保持预定时间，被加热到预定温度，将所述铁矿砂中的高价铁氧化物部分还原成低价铁氧化物及部分金属铁；所述低价铁氧化物及部分金属铁落入熔池；在反应过程中产生的废烟气沿着反应空间的上部的弧形内壁向上，通过设在反应塔的顶部的圆周附近的排烟口排出。

作为对本发明的改进，在所述中部反应区域的下部设有用于控制燃料和富氧气体的流量的中间流道控制机构，能控制还原性气体的流速。

作为对本发明的改进，所述倒圆台导料筒的外壁与所述反应空间的上部的内壁之间构成烟气流道，烟气流道与所述排烟口相通。

本发明的将反应塔设计成由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构，其反应空间由上部倒圆台形内部空间和下部的圆台形内部空间构成，通过调节还原性气体的流速使从反应塔的顶部进入所述反应空间的上部内的铁矿砂在反应空间逆向相遇，可较好的控制所述铁矿砂在反应区域被保持预定时间，被加热到预定温度，达到完全反应的目的；将排烟口设在反应塔的顶部的圆周上，可以直接从反应塔内部排出废烟气，使反应塔的结构变得更加紧凑。本发明与现有的闪速熔炼铁的方法及炼铁炉相比，其具有还原反应过程可控、热交换效率高、反应效率更高、能耗更低的优点，可大大地降低冶炼成本。

本发明与传统的高炉炼铁相比，本发明可将粒度小于1mm，具有巨大比表面积的粉末状干燥的铁矿砂，不经过造球、烧结和破碎，直接在反应空间的区域与还原性气体反应，被逐步地加热到约1550℃，铁矿砂中的铁氧化物被还原金属铁融化，并下落到反应塔下部的熔池中。。生成的金属铁及炉渣在熔池中分层，连续或定期排出。

附图说明

图1是本发明第一种实施例的结构示意图。

图2是本发明第二种实施例的结构示意图。

图3是本发明第二种实施例的结构示意图。

图4是本发明第四种实施例的结构示意图。

图5是本发明第五种实施例的结构示意图。

图6是本发明的反应塔的顶部俯视结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供的一种新型闪速熔炼铁的方法，包括：使用闪速熔炼炉，对铁矿砂进行闪速熔炼；其中所述闪速熔炼炉包括：反应塔，所述反应塔内限定有反应空间；炉料喷嘴和熔池，将所述炉料喷嘴设在所述反应塔顶部，用于向所述反应空间内输入铁矿砂；将所述熔池设置在所述反应塔的下部，用于容纳从所述反应空间中反应后落下的熔体，并对熔体进行后续的还原反应；将所述反应塔的塔身设计成由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构，所述反应空间由上部倒圆台形内部空间和下部的圆台形内部空间构成，燃料和富氧气体从单叶双曲面结构的下部进入所述反应空间的下部，调节燃料和富氧气体的流量和流速使从反应塔顶部进入所述反应空间的上部内的铁矿砂在反应空间的中部反应区域相遇，并使所述铁矿砂在中部反应区域被保持预定时间（一般为30秒－180秒），被加热到预定温度（一般为1500摄氏度－1600摄氏度），将所述铁矿砂中的高价铁氧化物部分还原成低价铁氧化物及部分金属铁；所述低价铁氧化物及部分金属铁落入熔池；在反应过程中产生的废烟气沿着反应空间的上部的弧形内壁向上，通过设在反应塔顶部圆周附近的排烟口排出。

本发明的将反应塔设计成由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构，其反应空间由上部倒圆台形内部空间和下部的圆台形内部空间构成，通过调节调节燃料和富氧气体的流量和流速使从反应塔的顶部进入所述反应空间的上部内的铁矿砂在反应空间的中部反应区域相遇，可较好的控制所述铁矿砂在中部反应区域被保持预定时间，被加热到预定温度，达到完全反应的目的；将排烟口设在反应塔的顶部的圆周上，可以直接从反应塔内部排出废烟气，使反应塔的结构变得更加紧凑。本发明与现有的闪速熔炼铁的方法及炼铁炉相比，其具有工艺流程更短，能耗更低，可大大地降低冶炼成本。本发明中的燃料一般采用含有预定水分的煤粉粒或焦碳粉粒。

根据本发明的新型闪速熔炼铁的方法，可以将粒度小于200目，比表面积位于1200－2000cm²/g，水分小于10%，含铁量介于45－68%之间的粉末状干燥的铁矿砂；不经过造球、烧结和破碎，经设置在反应塔顶部的炉料喷嘴将铁矿砂高速喷入炽热的反应空间内，并与从底部进入塔体下部的反应空间内的燃料和富氧气体在中部反应区域被迅速地加热到1500摄氏度－1600摄氏度，铁矿砂中的高价铁氧化物部分被还原成低价铁氧化物及部分金属铁，并下落到反应塔下部的熔池中。在熔池内低价铁氧化物被进一步还原成金属铁。生成的金属铁及炉渣在熔池中分层，连续或定期排出。生成的废烟气沿着反应空间的上部的弧形内壁向上，通过设在反应塔顶部圆周附近的排烟口排出。

本发明中的铁矿砂可以采用主要成份为三氧化二铁，比重大约为5.26的赤铁矿砂；也可以采用比重约为3.6～4.0的褐铁矿砂。

本发明中，反应塔的尺寸不受特别限制。在本发明的一个实施例，反应塔的顶部内径和下部内径可以为5－30米，中部区域的内径可以是3－25米，高度可以为6-15米。

本发明中，排烟口的数目不受特别限制。可以使用一个，也可以多个圆周布置，如在1－30个之间选择。

根据本发明的实施例，一座闪速炉年产金属铁100-1000万吨。与现有的闪速炼铁炉比较，可节约建设占地25%、节约投资30%、综合节能15～20%。

优选的，为了更有效控制铁矿砂在反应空间的中部反应区域的停留时间，在所述中部反应区域的下部设有用于控制燃料和富氧气体的流量的中间流道控制机构，本实施例中采用的是流道控制环，所述中间流道控制环向内滑时，所述燃料和富氧气体的流量减小。所述中间流道控制环可以是由多个滑环段构成，所述滑环段向反应塔的炉膛内移动时，可以缩小燃料和富氧气体的流道截面，进而控制所述燃料和富氧气体的流量，使之减小流量。

优选的，为了更有效控制铁矿砂在反应空间的中部反应区域的停留时间，还可以在所述排烟口上设有用于控制废烟气流量的烟气流量控制件。所述烟气流量控制件的结构很多，其中一种可以是由多层不同口径的盖板构成，需要多大烟气流量时，可以采用相应口径的盖板。

优选的，在所述反应塔的顶部的内底面上设有用于控制铁矿砂流向的倒圆台导料筒；所述倒圆台导料筒的外壁与所述反应空间的上部的内壁之间构成烟气流道，烟气流道与所述排烟口相通。这种结构可以进料道与烟气流道更好的分开，以利铁矿砂的进料，以及排废烟气的排放。

请参见图1和图6，图1和图6揭示的是本发明的第一种实施例，它是一种新型闪速炼铁炉，包括：反应塔1，所述反应塔1内限定有反应空间11，铁矿砂在所述反应塔1内被闪速熔炼；炉料喷嘴2和熔池3，所述炉料喷嘴2设在所述反应塔1的顶部12，用于向所述反应空间11内输入铁矿砂；所述熔池3设置在所述反应塔1的下部，用于容纳从所述反应空间11中反应后落下的熔体，并对熔体进行后续的还原反应，从而形成铁水31和铁渣32；为了进一步对铁水进行还原，还可以在铁渣层32上设一层焦炭（块煤）层；所述反应塔1的塔身14是由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构，所述反应空间11由上部倒圆台形内部空间和下部的圆台形内部空间构成，在所述单叶双曲面结构的下部15设有燃料和富氧气体的进口16，所述燃料和富氧气体从所述进口16进入到所述反应空间11的下部15内，调节燃料和富氧气体的流量和流速，使从反应塔1的顶部12进入所述反应空间11的上部18内的铁矿砂在反应空间11的中部反应区域19相遇，并使所述铁矿砂在中部反应区域19被保持预定时间，被加热到预定温度，将所述铁矿砂中的高价铁氧化物部分还原成低价铁氧化物及部分金属铁；所述低价铁氧化物及部分金属铁落入熔池3；在反应过程中产生的废烟气沿着反应空间11的上部18的弧形内壁181向上，通过设在反应塔1的顶部12的圆周附近的排烟口182排出，如图1中的箭头13所示。如图6所示，所述反应塔1的顶部12的排烟口182一共设有10个，当然，根据需要所述排烟口182可以在1－30个之间选择。

为了更有效控制铁矿砂在反应空间的中部反应区域的停留时间，还可以在所述排烟口182上设有用于控制废烟气流量的烟气流量控制件。所述烟气流量控制件的结构很多，其中一种可以是由多层不同口径的盖板构成，需要多大烟气流量时，可以采用相应口径的盖板。

本实施例中，所述反应塔1的顶部12为球缺形。

本发明的将反应塔1设计成由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构，其反应空间11由上部倒圆台形内部空间和下部的圆台形内部空间构成，通过调节调节燃料和富氧气体的流量和流速使从反应塔1的顶部12进入所述反应空间11的上部18内的铁矿砂在反应空间11的中部反应区域19相遇，可较好的控制所述铁矿砂在中部反应区域19内被保持预定时间，被加热到预定温度，达到完全反应的目的；将排烟口182设在反应塔1的顶部12的圆周上，可以直接从反应塔1内部排出废烟气，使反应塔1的结构变得更加紧凑。本发明与现有的闪速熔炼铁的炼铁炉相比，其具有工艺流程更短，能耗更低，可大大地降低冶炼成本。

本发明中，可以将粒度小于200目，比表面积位于1200－2000cm2/g，水分小于10%，含铁量介于45－68%之间的粉末状干燥的铁矿砂；不经过造球、烧结和破碎，经设置在反应塔1的顶部12的炉料喷嘴2将铁矿砂喷入炽热的反应空间11内，并与从底部进入塔体下部15的反应空间内的燃料和富氧气体在中部反应区域被迅速地加热到1600摄氏度－1800摄氏度，铁矿砂中的高价铁氧化物部分被还原成低价铁氧化物及部分金属铁，并下落到反应塔下部的熔池3中。在熔池3内低价铁氧化物被进一步还原成金属铁。生成的金属铁及炉渣在熔池中分层，连续或定期排出。生成的废烟气沿着反应空间的上部的弧形内壁181向上，通过设在反应塔1的顶部12圆周附近的排烟口排出。

本发明中的铁矿砂可以采用主要成份为三氧化二铁，比重大约为5.26的赤铁矿砂；也可以采用比重约为3.6～4.0的褐铁矿砂。

本发明中，反应塔的尺寸不受特别限制。在本发明的一个实施例，反应塔的顶部内径和下部内径可以为5－30米，中部区域的内径可以是3－25米，高度可以为6-15米。

本发明中，排烟口的数目不受特别限制。可以使用一个，也可以多个圆周布置，如在1－30个之间选择。

根据本发明的实施例，一座闪速炉年产金属铁100-1000万吨。与现有的闪速炼铁炉比较，可节约建设占地25%、节约投资30%、综合节能15～20%。

请参见图2，图2所示的本发明的第二种实施例，图2所示实施例与图1所示实施例相比，其大体结构相同，所不同的是在所述中部反应区域19的下部设有用于控制燃料和富氧气体的流量的中间流道控制机构，本实施例中采用的是流道控制环191，所述中间流道控制环191向内滑时，所述燃料和富氧气体的流量减小。使用中间流道控制环191可以改变燃料和富氧气体的流量和流速，以达到控制铁矿砂在中部反应区域19的停留时间，以适应不同成份的铁矿砂对反应时间的要求。

请参见图3，图3所示的本发明的第三种实施例，图3所示实施例与图2所示实施例相比，其大体结构相同，所不同的是在所述反应塔1的顶部12的内底面上设有用于控制铁矿砂流向的倒圆台导料筒121；所述倒圆台导料筒121的外壁1211与所述反应空间11的上部18的弧形内壁181之间构成烟气流道183，烟气流道183与所述排烟口182相通。这样更有利于铁矿砂和废烟气分道流动。

请参见图4，图4所示的本发明的第四种实施例，图4所示实施例与图3所示实施例相比，其大体结构相同，所不同的是所述反应塔1的顶部12为球缺形或所述反应塔1的顶部12为圆台形。

请参见图5，图5所示的本发明的第五种实施例，图5所示实施例与图3所示实施例相比，其大体结构相同，所不同的是所述燃料和富氧气体的进口16是多个，设在所述单叶双曲面结构的下部15的外壁上，所述燃料和富氧气体从所述进口16进入到所述反应空间11的下部15内，调节燃料和富氧气体的流量和流速，使从反应塔1的顶部12进入所述反应空间11的上部18内的铁矿砂在反应空间11的中部反应区域19相遇，并使所述铁矿砂在中部反应区域19被保持预定时间，被加热到预定温度。这种设置方式，可以更加方便地调节燃料和富氧气体的流量和流速，需要减小燃料和富氧气体的流量和流速时，只需将进口16中的一个或多个关闭，就可以达到减小燃料和富氧气体的流量和流速的目的。

Claims (6)

1.一种闪速熔炼铁的方法，包括：使用闪速熔炼炉，对铁矿砂进行闪速熔炼；其中所述闪速熔炼炉包括：反应塔，所述反应塔内限定有反应空间；炉料喷嘴和熔池，将所述炉料喷嘴设在所述反应塔顶部，用于向所述反应空间内输入铁矿砂；将所述熔池设置在所述反应塔的下部，用于容纳从所述反应空间中反应后落下的熔体，并对熔体进行后续的还原反应；其特征在于：将所述反应塔的塔身设计成由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构， 燃料和富氧气体从单叶双曲面结构的下部进入所述反应空间的下部发生化学反应生成含有还原性气体的混合气体，所述混合气体自反应塔底部向上流动，与来自反应塔顶部飘落的铁矿砂形成反向逆流，铁矿砂在预定高温下充分反应。

2.根据权利要求1所述的闪速熔炼铁的方法，其特征在于，在中部反应区域的下部设有用于控制混合气体流速的中间流道控制机构，所述中间流道控制机构收缩时，所述混合气体的流速会增加；反之，混合气体的流速会减小。

3.根据权利要求1或2 所述的闪速熔炼铁的方法，其特征在于，在排烟口上设有用于控制废烟气流量的烟气流量控制件。

4.一种闪速炼铁炉，包括：反应塔（1），所述反应塔（1）内限定有反应空间（11），铁矿砂在所述反应塔（1）内被闪速熔炼；炉料喷嘴（2）和熔池（3），所述炉料喷嘴（2）设在所述反应塔（1）的顶部（12），用于向所述反应空间（11）内输入铁矿砂；所述熔池（3）设置在所述反应塔（1）的下部，用于容纳从所述反应空间（11）中反应后落下的熔体，并对熔体进行后续的还原反应；其特征在于：所述反应塔（1）的塔身（14）是由双曲线绕其主轴旋转而生成的单叶双曲面结构， 在所述单叶双曲面结构的下部（15）设有燃料和富氧气体的进口（16），所述燃料和富氧气体从所述进口（16）进入到所述反应空间（11）的下部（15）内反应生成含有还原性气体的混合气体，所述混合气体和从反应塔（1）的顶部（12）进入所述反应空间（11）的上部（18）内的铁矿砂在反应空间（11）相遇，并使所述铁矿砂在反应空间（11）被保持预定时间，被加热到预定温度，将所述铁矿砂中的高价铁氧化物部分还原成低价铁氧化物及部分金属铁；所述低价铁氧化物及部分金属铁落入熔池（3）；在反应过程中产生的废烟气沿着反应空间（11）的上部（18）的弧形内壁（181）向上，通过设在反应塔（1）的顶部（12）的圆周附近的排烟口（182）排出。

5.根据权利要求4所述的闪速炼铁炉，其特征在于，在中部反应区域（19）的下部设有用于控制混合气体的流速的中间流道控制机构（191），调节所述中间流道控制机构（191），增加或减小混合气体的流速，从而控制铁矿砂的下落时间的增加或减少。

6.根据权利要求4或5所述的闪速炼铁炉，其特征在于，在所述排烟口（182）上设有用于控制废烟气流量的烟气流量控制件。