CN108374067B - 一种飞速还原直接炼钢的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种飞速还原直接炼钢的装置及方法，属于钢铁冶金技术领域。该装置包括铁矿粉预处理，飞速还原炉和炼钢炉三个系统。其方法为：先将普通铁精矿通过细磨精选制备超纯铁精矿，实现冷态除杂；再与以氢气为主的还原气体通入还原炉中，气固两相并行向下流动的过程中进行飞速还原，得到金属化率为85～100％的预还原铁粉后，喷吹至炼钢炉中的钢水区，同时喷吹煤粉和氧气进行连续炼钢，得到含C的质量分数为0.01～0.40％的钢水，熔炼尾气经过改质后通过底喷元件吹入熔池进行搅拌。该方法简化了炼钢流程，提高了生产效率，同时减少CO2排放，减轻环境负荷。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，涉及非高炉炼铁工艺，特别涉及一种飞速还原直接炼钢的装置及方法。
背景技术
传统的炼铁工艺以高炉为主，将还原、熔化、造渣等过程集于高炉一体，具有设备简化的优点，但高炉炼铁流程长、能耗高以及环境污染严重，并且强烈依赖冶金焦。因此，钢铁工业节能减排的任务非常迫切，实施低碳生产技术、推行清洁生产是现代钢铁企业持续发展的必由之路。
熔融还原炼铁技术以煤代焦，减少冶金焦的使用，同时可利用粉矿进行还原，可省去造块、炼焦等高污染、高耗能工序，因而得以发展。主要有Finex、HIsmelt、DISO法等。Finex法采用多级流化态反应器完成铁矿的还原过程，还原的热矿粉经热压块后作为炉料加入熔融气化炉中进行熔融还原。该工艺使用1～10mm的粉矿进行还原，但由于Finex法采用较高的预还原温度(850℃左右)，获得高金属化率(90％左右)的还原铁粉，在多级流态化还原过程中易于发生粘结失流的现象，影响流化过程的顺利进行。HIsmelt法采用铁浴炉作为熔炼造气炉，循环流化床作为还原炉，直接使用粒度为6mm以下的粉矿与粉煤进行冶炼。熔炼炉中煤与矿石的混合料通过枪口喷入金属熔融区，迅速溶解并进行冶炼。虽然通过控制预还原度显著地降低了矿粉的粘结，但炉渣中的w(FeO)提高，这加重了铁浴炉的负担，加剧炉衬腐蚀，不利于终还原进行。
专利CN101117650A提出熔融还原快速预还原细微铁矿粉的方法，将微米级铁矿粉在输送式反应器或快速流化床中预还原，还原温度为580～750℃，将预还原率控制在70～85％的铁料经压块或喷粉导入熔融气化炉中进行终还原得到铁水和高温煤气，但是由于熔融气化炉主要完成直接还原铁的熔化及造气功能，要求直接还原铁的还原率高于90％，使得该方法中熔炼过程的进行较为困难。专利CN101906501A提出一种用粉矿和煤氧直接炼钢工艺，采用细粒铁矿粉在旋风预热器和循环流化床分别预热还原，将得到的金属化率为90％以上的还原铁矿粉吹入高温熔体中获得钢水，由于该工艺的还原温度为770～850℃，且铁矿粉的金属化率高，因此在流化过程中矿粉极易粘结，影响预还原的进行。专利CN101260448A提出一种直接使用精矿粉的熔融还原炼铁方法，将铁矿粉预热后送入快速流化床中进行预还原，预还原后的铁粉金属化率达到50～80％，与还原后的铁粉与煤粉、氧气喷入炼钢炉内，进行终还原与熔化，但没有提到炼钢炉熔融还原的具体方式。专利CN102586527A中提出一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，铁矿粉经预热还原后，在终还原过程中采用氢气和煤粉对铁矿进行熔融还原，但在预还原铁矿粉进入终还原炉的过程中经过炉内自由空间时会发生再氧化，影响还原效率。专利CN101445850A公开了一种含铁物料悬浮二级快速还原工艺方法及其装置，喷射还原炉中气固两相向上并流，气固两相接触充分，为连续炼钢炉提供金属化率为85～97％的预还原铁矿粉，但含铁物料中加入了3～10％的CaO，降低预还原铁矿粉的纯度。
专利CN104551015A、CN106086280A、CN102690919A、CN103993115A等公开的闪速炼铁技术，把还原、熔化、造渣等过程集于一体，具有设备简化，易于生产的大规模生产的优点，但还原过程受到熔炼气氛的影响，无法保证铁矿粉在悬浮的过程中充分还原。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种飞速还原直接炼钢的装置及方法，该方法先将普通铁精矿通过细磨精选制备超纯铁精矿，实现冷态除杂；然后将超纯铁精矿和以氢气为主的还原气体通入还原炉中，气固两相并行向下流动的过程中进行飞速还原，还原时间为1～50s，还原后生成金属化率为85％以上的预还原铁粉；将预还原铁粉喷入炼钢炉内同时喷吹煤粉和氧气，进行熔炼还原，熔炼过程中生成的熔炼尾气经过煤气改质获得改质煤气，通过底喷元件将改质煤气吹入熔池进行搅拌，实现连续炼钢，生产的钢水供精炼炉生产超纯净钢。其目的在于提供一个工艺简单，对环境友好，效率高，流程短的炼钢流程。
本发明的一种飞速还原直接炼钢的装置，包括铁矿粉预处理系统，飞速还原炉系统和炼钢炉系统；
其中，所述的铁矿粉预处理系统包括磨矿装置、磁选装置、干燥装置、矿粉提升装置和给料装置，各个装置依次通过管道连接；
所述的飞速还原炉系统包括飞速还原炉、出料仓、还原气体制备装置和还原尾气后处理设备；
所述的飞速还原炉设置有进料口、物料出口和还原尾气出口；飞速还原炉的炉体顶部设置有进料口，与铁矿粉预处理系统的给料装置相连；飞速还原炉的炉体底部设置有物料出口，与出料仓相连；飞速还原炉的炉体侧面下部设置有还原尾气出口，与还原尾气后处理设备相连；
所述的还原尾气后处理设备包括除尘装置、还原尾气净化装置、气体混合罐、换热器和还原气体流量调节阀，各个装置通过管路依次连接；
其中，还原气体制备装置和气体混合罐相连接；所述的还原气体流量调节阀和飞速还原炉的进料口相连；
所述的炼钢炉系统包括炼钢炉、换热器、熔炼尾气净化装置、煤气改质装置和熔炼气体流量调节阀；
所述的炼钢炉从上到下依次为气相区，渣层区，钢水区，炼钢炉的炉壁上设置有高温氧枪、煤氧喷枪、粉矿喷吹设备和底喷元件；其中，高温氧枪的出口位于气相区，煤氧喷枪的出口位于渣层区，粉矿喷吹设备和底喷元件插入钢水区；
炼钢炉外侧炉墙中部设置有出渣口，炼钢炉外侧炉墙底部设置有出钢口；炉体的顶部设置有熔炼尾气出口；
所述的出料仓出口与炼钢炉的粉矿喷吹设备相连，炼钢炉的熔炼尾气出口与换热器、熔炼尾气净化装置、煤气改质装置、熔炼气体流量调节阀、炼钢炉的底喷元件依次相连。
作为优选，所述的除尘装置的含铁尘灰出口与炼钢炉的粉矿喷吹设备相连。
作为优选，所述的飞速还原炉为长径比为20:1～40:1的竖直反应炉体。
本发明的一种飞速还原直接炼钢的方法，采用上述装置，具体包括以下过程：
步骤1，原料细磨精选
将普通铁精矿细磨精选，得到粒径≤100μm的超纯铁精矿，然后干燥，将干燥后的超纯铁精矿粉通过矿粉提升装置提升至给料装置，其中，干燥后的超纯铁精矿粉中水分的质量百分数≤1％；
步骤2，飞速还原
(1)向飞速还原炉中，通入预热温度为600～900℃的还原气体，同时，飞速还原炉的温度控制在900～1100℃；
(2)干燥后的超纯铁精矿粉通过给料装置加入飞速还原炉中，还原气体与超纯铁精矿粉并行向下运动的过程中进行飞速还原，得到金属化率为85～100％的预还原铁粉；
其中，按质量比，干燥后的超纯铁精矿粉：还原气体＝1：(1～10)；
还原过程中，干燥后的超纯铁精矿粉在飞速还原炉中的平均停留时间为1～50s；
(3)还原尾气经过除尘装置后，再进行脱水蒸汽、CO2处理，并调整成分，然后预热至600～900℃后再通入飞速还原炉中循环使用；
(4)步骤2(2)得到的预还原铁粉与步骤2(3)在除尘装置收集的含铁尘灰一起喷入炼钢炉中进行熔融还原；
步骤3，熔炼还原
(1)炼钢炉内预先形成了一个钢渣熔池，钢渣熔池分层形成渣层区和钢水区，温度≥1450℃；
(2)以氧气为载体向渣层区喷吹还原剂和造渣剂，向渣层上方的气相空间喷吹氧气，采用粉矿喷吹设备将预还原铁粉与含铁尘灰喷吹至炼钢炉中的钢水区，进行连续炼钢过程，得到钢水、炉渣和熔炼尾气；其中，钢水的含C的质量分数为0.01～0.40％、温度为1580～1680℃；
(3)钢水从炼钢炉的出钢口流出，炉渣从炼钢炉的出渣口流出，熔炼尾气从熔炼尾气出口流出后，通过换热器对进入飞速还原炉的还原气体进行预热，然后通过熔炼尾气净化装置和煤气改质装置，得到改质煤气；改质煤气通过底喷元件从炼钢炉的底喷口吹入炼钢炉中，进行搅拌熔池，实现气体循环利用。
所述的步骤1中，所述的超纯铁精矿粉中，TFe质量分数≥71.5％，SiO2含量为≤0.5％。
所述的步骤2(1)中，所述的还原气体中含有的气体及各个气体的体积分数分别为：氢气为80～100％，余量为甲烷、一氧化碳中的一种或两种的混合物。
所述的步骤2(1)中，所述的飞速还原炉的温度达到900～1100℃，采用如下方法：向飞速还原炉，通入预热温度为600～900℃的还原气体的同时喷吹温度为600～900℃氧气，燃烧部分还原气体，使还原气体温度升高至900～1100℃；其中，按体积比，氧气：还原气体＝(1～10)：100。
所述的步骤3(2)中，所述的还原剂为煤粉、焦粉、烟煤、无烟煤中的一种或几种混合，其平均粒径≤100μm。所述的步骤3(2)中，所述的氧气纯度≥95％。
所述的步骤3(2)中，还原剂与氧气的比例根据钢水的成分及温度进行调整。
所述的步骤3(2)中，所述的造渣剂的加入量控制在熔渣的二元碱度为0.8～1.3，优选为石灰粉、白云石粉或生石灰粉中的一种或几种，其平均粒径≤100μm。
所述的步骤3(3)中，所述的钢水用于RH(真空循环脱气)或LF(钢包精炼炉)生产超纯净钢。
所述的步骤3(3)中，所述的改质煤气中CO与H2的体积含量满足(CO+H2)/(CO+H2+CO2+H2O)＝85～98％，温度为900～1100℃。
所述的步骤3(3)中，所述的改质煤气还可以作为载气，将预还原铁粉与含铁尘灰喷吹至炼钢炉的钢水区中。
本发明的一种飞速还原直接炼钢的装置及方法，其优势体现在：
(1)本发明将普通铁精矿经过细磨精选制备超纯铁精矿，在冷态下将铁与杂质元素分离，避免杂质进入铁水中，大幅度减小精炼过程中的压力，为后续冶炼超纯净钢奠定基础，同时矿粉经过细磨后，粒径减小至100μm以下，使得还原过程中的传质、传热速度大幅度提高。
(2)本发明采用矿粉与还原气体并行向下的方式完成还原反应。气固并行向下为顺重力场流动过程，矿粉在还原炉中充分分散。而气固并行向上流动过程为逆重力场流动，会加剧颗粒的聚集。因此与气固上行的流动过程相比，气固下行流动过程中轴向的气固返混明显降低，有效避免还原过程中粘结失流的问题。同时还原过程中铁矿粉处于悬浮流动状态，气固两相接触充分，使还原时间大幅度减小，极大提高还原效率。
(3)本发明采用氢气作为主要还原气体有以下优势：氢气的导热系数远大于一氧化碳的导热系数，采用氢气为还原剂可加速气固两相的对流换热；氢气的还原能力强于一氧化碳的还原能力，在还原过程中采用氢气还原有利于获得高金属化率的还原铁粉；采用氢气还原避免预还原铁粉的渗碳过程，减小炼钢过程中的脱碳压力；减少CO2排放，减轻环境负荷。
(4)本发明采用全氧喷煤强化熔炼过程，产生的高温不仅满足熔分的需要，并且减少熔炼尾气中氮氧化物的生成。熔炼尾气经净化及改质后获得高温煤气，以高温煤气为载气将还原铁粉喷吹至钢水区，可避免预还原铁粉发生再氧化，并且在携带过程中预还原铁粉将被进一步还原，提高气体的利用率。通过底喷元件将部分高温煤气吹入炼钢炉中，进行搅拌熔池，实现气体循环利用。
(5)与现有的炼钢工艺相比，本发明取消造团、炼焦等工艺，不需要转炉脱碳，从而简化炼钢流程，减少能量损失。
附图说明
图1为本发明飞速还原直接炼钢方法流程图。
图2为本发明飞速还原直接炼钢系统结构示意图。
其中，1为磨矿装置、2为磁选装置、3为干燥装置、4为矿粉提升装置、5为给料装置、6为还原气体制备装置、7为气体混合罐、8为换热器、9为还原气体流量调节阀、10为飞速还原炉、11为出料仓、12为除尘装置、13为还原尾气净化装置、14为炼钢炉、15为熔炼尾气净化装置、16为煤气改质装置，17为熔炼气体流量调节阀；
其中，飞速还原炉包括：1001为进料口、1002为竖直反应炉体、1003为物料出口、1004为还原尾气出口；
其中，炼钢炉包括：1401为熔炼尾气出口、1402为高温氧枪、1403为煤氧喷枪、1405为粉矿喷吹设备、1404为出渣口、1407为出钢口、1406为底喷元件。
A为普通铁精矿、B为超纯铁精矿粉、C为还原气体、D为预还原铁粉、E为含铁尘灰、F为还原尾气、G为氧气、H为煤粉、I为造渣剂、J为渣层、K为钢水、L为熔炼尾气、M为改质煤气。
具体实施方式
下面对本发明进行具体举例说明，但本发明内容并不局限于以下实例。
实施例1
一种飞速还原直接炼钢的装置，包括铁矿粉预处理系统，飞速还原炉系统和炼钢炉系统；其结构示意图见图2。
其中，所述的铁矿粉预处理系统包括磨矿装置1、磁选装置2、干燥装置3、矿粉提升装置4、和给料装置5，各个装置依次通过管道连接；
所述的飞速还原炉系统包括飞速还原炉10、出料仓11、还原气体制备装置6和还原尾气后处理设备；
所述的飞速还原炉设置有进料口1001、物料出口1003和还原尾气出口1004；飞速还原炉的竖直反应炉体1002顶部设置有进料口1001，与铁矿粉预处理系统的给料装置5相连；飞速还原炉的竖直反应炉体1002底部设置有物料出口1003，与出料仓11相连；飞速还原炉竖直反应炉体1002侧面下部设置有还原尾气出口1004，与还原尾气后处理设备相连；
所述的还原尾气后处理设备包括除尘装置12、还原尾气净化装置13、气体混合罐7、换热器8和还原气体流量调节阀9，各个装置通过管路依次连接；
其中，还原气体制备装置6和气体混合罐7相连接；所述的还原气体流量调节阀9和飞速还原炉的进料口1001相连；
所述的除尘装置12的含铁尘灰出口与炼钢炉14的粉矿喷吹设备1405相连；
所述的炼钢炉系统包括炼钢炉14、换热器8、熔炼尾气净化装置15、煤气改质装置16和熔炼气体流量调节阀17；
所述的炼钢炉14从上到下依次为气相区，渣层区，钢水区，炼钢炉的炉壁上设置有高温氧枪1402、煤氧喷枪1403、粉矿喷吹设备1405和底喷元件1406；其中，高温氧枪1402的出口位于气相区，煤氧喷枪1403的出口位于渣层区，粉矿喷吹设备1405和底喷元件1406插入钢水区；
炼钢炉14外侧炉墙中部设置有出渣口1404，炼钢炉14外侧炉墙底部设置有出钢口1407；炉体的顶部设置有熔炼尾气出口1401；
所述的出料仓11出口与炼钢炉14的粉矿喷吹设备1405相连，炼钢炉熔炼尾气出口1401与换热器8、熔炼尾气净化装置15、煤气改质装置16、熔炼气体流量调节阀17、炼钢炉14的底喷元件1406依次相连。
所述的飞速还原炉10为长径比为20:1的竖直反应炉体1002。
一种飞速还原直接炼钢的方法，采用上述装置，方法流程图见图1，具体包括以下过程：
步骤1，原料细磨精选
将普通铁精矿A通过磨矿装置1和磁选装置2进行细磨精选，得到粒径为100μm的超纯铁精矿粉B，然后利用干燥装置3干燥，将干燥后的超纯铁精矿粉B通过矿粉提升装置4提升至给料装置5，其中，干燥后的超纯铁精矿粉B中水分的质量百分数≤1％；
所述的超纯铁精矿粉B中，TFe质量分数为71.9％，SiO2的质量分数小于0.5％。
步骤2，飞速还原
(1)通过还原气体制备装置6和气体混合罐7调整还原气氛，再与炼钢炉产生的熔炼尾气在换热器8内进行换热，升温至800℃后通入飞速还原炉10中，同时，喷吹为还原气体体积分数5％的氧气G燃烧部分还原气体，使炉内温度升高至1000℃；
所述的还原气体中含有的气体及各个气体的体积分数分别为：氢气为90％，甲烷为5％，余量为一氧化碳。
(2)通过给料装置5控制干燥后的超纯铁精矿粉B加入飞速还原炉中的量，还原气体与矿粉并行向下运动的过程中进行飞速还原，得到金属化率为90％的预还原铁粉D，然后进入出料仓11；
其中，按质量比，干燥后的超纯铁精矿粉B：还原气体＝1：3；
还原过程中，干燥后的超纯铁精矿粉B在飞速还原炉中的平均停留时间为10s；
(3)还原尾气F经过除尘装置12后，进入还原尾气净化装置13进行脱水蒸汽、CO2处理，并经过气体混合罐7调整成分，然后与炼钢炉产生的熔炼尾气在换热器8内换热，升温至800℃后再通入飞速还原炉10中循环使用；
其中，在除尘装置12中，收集含铁尘灰E；
(4)步骤2(2)得到的预还原铁粉D与步骤2(3)收集的含铁尘灰E一起喷入炼钢炉14中进行熔融还原；
步骤3，熔炼还原
(1)炼钢炉14内预先形成了一个钢渣熔池，钢渣熔池分层形成渣层区和钢水区，温度为1450℃；
(2)以氧气G为载体通过煤氧喷枪1403向渣层区喷吹煤粉H和造渣剂I，同时通过高温氧枪1402向渣层J上方的气相空间喷吹氧气G，通过控制煤粉及氧气的喷吹量进而控制炼钢炉内温度及气氛；
采用粉矿喷吹设备1405将预还原铁粉D与含铁尘灰E喷吹至炼钢炉14中的钢水区，进行连续炼钢过程，得到钢水K、炉渣和熔炼尾气L；其中，钢水的含C的质量分数为0.01～0.40％、温度为1580～1680℃；
煤粉平均粒径为100μm，氧气纯度≥95％。
所述的造渣剂的加入量控制在熔渣中w(CaO)/w(SiO2)＝1.0，造渣剂为石灰粉，其平均粒径为100μm。
(3)通过上述过程得到钢水K和炉渣在熔池内自然分层，钢水K从炼钢炉14的出钢口1407流出，炉渣从炼钢炉14的出渣口1404流出，熔炼尾气L从熔炼尾气出口1401流出后，通过换热器8对进入飞速还原炉10的还原气体C进行预热，然后通过熔炼尾气净化装置15和煤气改质装置16，得到改质煤气M；改质煤气M通过底喷元件1406从炼钢炉14的底喷口吹入炼钢炉14中，进行搅拌熔池，实现气体循环利用。
所述的钢水为C的质量分数为0.01～0.40％、温度为1580～1680℃的钢水，用于RH(真空循环脱气)生产超纯净钢。
所述的改质煤气中CO与H2的体积含量满足(CO+H2)/(CO+H2+CO2+H2O)＝98％，温度为900℃。
所述的改质煤气M作为载气，将预还原铁粉D与含铁尘灰E喷吹至炼钢炉14的钢水区中。
实施例2
一种飞速还原直接炼钢的装置，同实施例1，不同之处在于：
所述的飞速还原炉10为长径比为40:1的竖直反应炉体1002。
一种飞速还原直接炼钢的方法，采用上述装置，具体包括以下过程：
步骤1，原料细磨精选
将普通铁精矿A通过磨矿装置1和磁选装置2进行细磨精选，得到粒径为100μm的超纯铁精矿粉B，然后利用干燥装置3干燥，将干燥后的超纯铁精矿粉B通过矿粉提升装置4提升至给料装置5，其中，干燥后的超纯铁精矿粉B中水分的质量百分数≤1％；
所述的超纯铁精矿粉B中，TFe质量分数为71.9％，SiO2质量分数小于0.5％。
步骤2，飞速还原
(1)通过还原气体制备装置6和气体混合罐7调整还原气氛，再与炼钢炉产生的熔炼尾气在换热器8内进行换热，升温至900℃后通入飞速还原炉10中，同时，喷吹为还原气体体积分数3％的氧气G燃烧部分还原气体，使炉内温度升高至1000℃；
所述的还原气体中含有的气体及各个气体的体积分数分别为：氢气为90％，一氧化碳为5％，余量为甲烷。
(2)通过给料装置5控制干燥后的超纯铁精矿粉B加入飞速还原炉中的量，还原气体与矿粉并行向下运动的过程中进行飞速还原，得到金属化率为90％的预还原铁粉D，然后进入出料仓11；
其中，按质量比，干燥后的超纯铁精矿粉B：还原气体＝1：5；
还原过程中，干燥后的超纯铁精矿粉B在飞速还原炉中的平均停留时间为20s；
(3)还原尾气F经过除尘装置12后，进入还原尾气净化装置13进行脱水蒸汽、CO2处理，并经过气体混合罐7调整成分，然后与炼钢炉产生的熔炼尾气在换热器8内换热，升温至900℃后再通入飞速还原炉10中循环使用；
其中，在除尘装置12中，收集含铁尘灰E；
(4)步骤2(2)得到的预还原铁粉D与步骤2(3)收集的含铁尘灰E一起喷入炼钢炉14中进行熔融还原；
步骤3，熔炼还原
(1)炼钢炉14内预先形成了一个钢渣熔池，钢渣熔池分层形成渣层区和钢水区，温度为1500℃；
(2)以氧气G为载体通过煤氧喷枪1403向渣层区喷吹煤粉H和造渣剂I，同时通过高温氧枪1402向渣层J上方的气相空间喷吹氧气G，通过控制煤粉及氧气的喷吹量进而控制炼钢炉内温度及气氛；
采用粉矿喷吹设备1405将预还原铁粉D与含铁尘灰E喷吹至炼钢炉14中的钢水区，进行连续炼钢过程，得到钢水K、炉渣和熔炼尾气L；其中，钢水的含C的质量分数为0.01～0.40％、温度为1580～1680℃；
煤粉平均粒径为100μm，氧气纯度为95％。
所述的造渣剂的加入量控制在熔渣中w(CaO)/w(SiO2)＝1.1，造渣剂为石灰粉，其平均粒径为100μm。
(3)通过上述过程得到钢水K和炉渣在熔池内自然分层，钢水K从炼钢炉14的出钢口1407流出，炉渣从炼钢炉14的出渣口1404流出，熔炼尾气L从熔炼尾气出口1401流出后，通过换热器8对进入飞速还原炉10的还原气体C进行预热，然后通过熔炼尾气净化装置15和煤气改质装置16，得到改质煤气M；改质煤气M通过底喷元件1406从炼钢炉14的底喷口吹入炼钢炉14中，进行搅拌熔池，实现气体循环利用。
所述的钢水为C的质量分数为0.01～0.40％、温度为1580～1680℃的钢水，用于RH(真空循环脱气)生产超纯净钢。
所述的改质煤气中CO与H2的体积含量满足(CO+H2)/(CO+H2+CO2+H2O)＝98％，温度为900℃。
所述的改质煤气M作为载气，将预还原铁粉D与含铁尘灰E喷吹至炼钢炉14的钢水区中。
实施例3
一种飞速还原直接炼钢的装置，同实施例1，不同之处在于：
所述的飞速还原炉10为长径比为30:1的竖直反应炉体1002。
一种飞速还原直接炼钢的方法，采用上述装置，具体包括以下过程：
步骤1，原料细磨精选
将普通铁精矿A通过磨矿装置1和磁选装置2进行细磨精选，得到粒径为100μm的超纯铁精矿粉B，然后利用干燥装置3干燥，将干燥后的超纯铁精矿粉B通过矿粉提升装置4提升至给料装置5，其中，干燥后的超纯铁精矿粉B中水分的质量百分数≤1％；
所述的超纯铁精矿粉B中，TFe质量分数为71.9％，SiO2的质量分数小于0.5％。
步骤2，飞速还原
(1)通过还原气体制备装置6和气体混合罐7调整还原气氛，再与炼钢炉产生的熔炼尾气在换热器8内进行换热升温至600℃后通入飞速还原炉10中，同时，喷吹为还原气体体积分数5％的氧气G燃烧部分还原气体，使炉内温度升高至900℃；
所述的还原气体氢气的体积分数为100％。
(2)通过给料装置5控制干燥后的超纯铁精矿粉B加入飞速还原炉中的量，还原气体与矿粉并行向下运动的过程中进行飞速还原，得到金属化率为100％的预还原铁粉D，然后进入出料仓11；
其中，按质量比，干燥后的超纯铁精矿粉B：还原气体＝1：10；
还原过程中，干燥后的超纯铁精矿粉B在飞速还原炉中的平均停留时间为5s；
(3)还原尾气F经过除尘装置12后，进入还原尾气净化装置13进行脱水蒸汽、CO2处理，并经过气体混合罐7调整成分，然后与炼钢炉产生的熔炼尾气在换热器8内换热，升温至600℃后再通入飞速还原炉10中循环使用；
其中，在除尘装置12中，收集含铁尘灰E；
(4)步骤2(2)得到的预还原铁粉D与步骤2(3)收集的含铁尘灰E一起喷入炼钢炉14中进行熔融还原；
步骤3，熔炼还原
(1)炼钢炉14内预先形成了一个钢渣熔池，钢渣熔池分层形成渣层区和钢水区，温度为1500℃；
(2)以氧气G为载体通过煤氧喷枪1403向渣层区喷吹煤粉H和造渣剂I，同时通过高温氧枪1402向渣层J上方的气相空间喷吹氧气G，通过控制煤粉及氧气的喷吹量进而控制炼钢炉内温度及气氛；
采用粉矿喷吹设备1405将预还原铁粉D与含铁尘灰E喷吹至炼钢炉14中的钢水区，进行连续炼钢过程，得到钢水K、炉渣和熔炼尾气L；其中，钢水的含C的质量分数为0.01～0.40％、温度为1580～1680℃；
煤粉平均粒径为100μm，氧气纯度为95％。
所述的造渣剂的加入量控制在熔渣中w(CaO)/w(SiO2)＝0.8，造渣剂为白云石粉和生石灰粉(质量比为1:1)，其平均粒径为100μm。
(3)通过上述过程得到钢水K和炉渣在熔池内自然分层，钢水K从炼钢炉14的出钢口1407流出，炉渣从炼钢炉14的出渣口1404流出，熔炼尾气L从熔炼尾气出口1401流出后，通过换热器8对进入飞速还原炉10的还原气体C进行预热，然后通过熔炼尾气净化装置15和煤气改质装置16，得到改质煤气M；改质煤气M通过底喷元件1406从炼钢炉14的底喷口吹入炼钢炉14中，进行搅拌熔池，实现气体循环利用。
所述的钢水为C的质量分数为0.01～0.40％、温度为1580～1680℃的钢水，用于RH(真空循环脱气)生产超纯净钢。
所述的改质煤气中CO与H2的体积含量满足(CO+H2)/(CO+H2+CO2+H2O)＝98％，温度为900℃。
所述的改质煤气M作为载气，将预还原铁粉D与含铁尘灰E喷吹至炼钢炉14的钢水区中。
实施例4
一种飞速还原直接炼钢的装置，同实施例1，不同之处在于：
一种飞速还原直接炼钢的方法，采用上述装置，具体包括以下过程：
步骤1，原料细磨精选
将普通铁精矿A通过磨矿装置1和磁选装置2进行细磨精选，得到粒径为100μm的超纯铁精矿粉B，然后利用干燥装置3干燥，将干燥后的超纯铁精矿粉B通过矿粉提升装置4提升至给料装置5，其中，干燥后的超纯铁精矿粉B中水分的质量百分数≤1％；
所述的超纯铁精矿粉B中，TFe质量分数为71.9％，且磷、硫的质量分数小于0.2％。
步骤2，飞速还原
(1)通过还原气体制备装置6和气体混合罐7调整还原气氛，再与炼钢炉产生的熔炼尾气在换热器8内进行换热，升温至800℃后通入飞速还原炉10中，同时，喷吹为还原气体体积分数10％的氧气G燃烧部分还原气体，使炉内温度升高至1100℃；
所述的还原气体中含有的气体及各个气体的体积分数分别为：氢气为80％，一氧化碳为5％，余量为甲烷。
(2)通过给料装置5控制干燥后的超纯铁精矿粉B加入飞速还原炉中的量，还原气体与矿粉并行向下运动的过程中进行飞速还原，得到金属化率为90％的预还原铁粉D，然后进入出料仓11；
其中，按质量比，干燥后的超纯铁精矿粉B：还原气体＝1：1；
还原过程中，干燥后的超纯铁精矿粉B在飞速还原炉中的平均停留时间为50s；
(3)还原尾气F经过除尘装置12后，进入还原尾气净化装置13进行脱水蒸汽、CO2处理，并经过气体混合罐7调整成分，然后与炼钢炉产生的熔炼尾气在换热器8内换热至800℃后再通入飞速还原炉10中循环使用；其中，在除尘装置12中，收集含铁尘灰E；
(4)步骤2(2)得到的预还原铁粉D与步骤2(3)收集的含铁尘灰E一起喷入炼钢炉14中进行熔融还原；
步骤3，熔炼还原
(1)炼钢炉14内预先形成了一个钢渣熔池，钢渣熔池分层形成渣层区和钢水区，温度为1500℃；
(2)以氧气G为载体通过煤氧喷枪1403向渣层区喷吹焦粉和烟煤(质量比为1:1)和造渣剂I，同时通过高温氧枪1402向渣层J上方的气相空间喷吹氧气G，通过控制煤粉及氧气的喷吹量进而控制炼钢炉内温度及气氛；
采用粉矿喷吹设备1405将预还原铁粉D与含铁尘灰E喷吹至炼钢炉14中的钢水区，进行连续炼钢过程，得到钢水K、炉渣和熔炼尾气L；其中，钢水的含C的质量分数为0.2％、温度为1680℃；
煤粉平均粒径为80μm，氧气纯度为96％。
所述的造渣剂的加入量控制在熔渣中w(CaO)/w(SiO2)＝1.3，造渣剂为白云石粉，其平均粒径为100μm。
(3)通过上述过程得到钢水K和炉渣在熔池内自然分层，钢水K从炼钢炉14的出钢口1407流出，炉渣从炼钢炉14的出渣口1404流出，熔炼尾气L从熔炼尾气出口1401流出后，通过换热器8对进入飞速还原炉10的还原气体C进行预热，然后通过熔炼尾气净化装置15和煤气改质装置16，得到改质煤气M；改质煤气M通过底喷元件1406从炼钢炉14的底喷口吹入炼钢炉14中，进行搅拌熔池，实现气体循环利用。
所述的钢水为C的质量分数为0.2％、温度为1680℃的钢水，用于LF(钢包精炼炉)生产超纯净钢。
所述的改质煤气中CO与H2的体积含量满足(CO+H2)/(CO+H2+CO2+H2O)＝85％，温度为1100℃。
所述的改质煤气M作为载气，将预还原铁粉D与含铁尘灰E喷吹至炼钢炉14的钢水区中。
Claims (10)
1.一种飞速还原直接炼钢的装置，其特征在于，包括铁矿粉预处理系统，飞速还原炉系统和炼钢炉系统；
其中，
所述的铁矿粉预处理系统包括磨矿装置、磁选装置、干燥装置、矿粉提升装置和给料装置，各个装置依次通过管道连接；
其中，
所述的飞速还原炉系统包括飞速还原炉、出料仓、还原气体制备装置和还原尾气后处理设备；
所述的飞速还原炉设置有进料口、物料出口和还原尾气出口；飞速还原炉的炉体顶部设置有进料口，与铁矿粉预处理系统的给料装置相连；飞速还原炉的炉体底部设置有物料出口，与出料仓相连；飞速还原炉的炉体侧面下部设置有还原尾气出口，与还原尾气后处理设备相连；
所述的还原尾气后处理设备包括除尘装置、还原尾气净化装置、气体混合罐、换热器和还原气体流量调节阀，各个装置通过管路依次连接；
还原气体制备装置和气体混合罐相连接；所述的还原气体流量调节阀和飞速还原炉的进料口相连；
其中，
所述的炼钢炉系统包括炼钢炉、所述的还原尾气后处理设备中的换热器、熔炼尾气净化装置、煤气改质装置和熔炼气体流量调节阀；
所述的炼钢炉从上到下依次为气相区，渣层区，钢水区，炼钢炉的炉壁上设置有高温氧枪、煤氧喷枪、粉矿喷吹设备和底喷元件；其中，高温氧枪的出口位于气相区，煤氧喷枪的出口位于渣层区，粉矿喷吹设备和底喷元件插入钢水区；
炼钢炉外侧炉墙中部设置有出渣口，炼钢炉外侧炉墙底部设置有出钢口；炉体的顶部设置有熔炼尾气出口；
所述的出料仓出口与炼钢炉的粉矿喷吹设备相连，炼钢炉的熔炼尾气出口与所述的还原尾气后处理设备中的换热器、熔炼尾气净化装置、煤气改质装置、熔炼气体流量调节阀、炼钢炉的底喷元件依次相连。
2.如权利要求1所述的飞速还原直接炼钢的装置，其特征在于，所述的除尘装置的含铁尘灰出口与炼钢炉的粉矿喷吹设备相连。
3.如权利要求1所述的飞速还原直接炼钢的装置，其特征在于，所述的飞速还原炉为长径比为20:1~40:1的竖直反应炉体。
4.一种飞速还原直接炼钢的方法，其特征在于，采用权利要求1~3中任意一项所述的飞速还原直接炼钢的装置，具体包括以下过程：
步骤1，原料细磨精选
将普通铁精矿细磨精选，得到粒径≤100μm的超纯铁精矿，然后干燥，将干燥后的超纯铁精矿粉通过矿粉提升装置提升至给料装置，其中，干燥后的超纯铁精矿粉中水分的质量百分数≤1%；
步骤2，飞速还原
(1)向飞速还原炉中，通入预热温度为600~900℃的还原气体，同时，飞速还原炉的温度控制在900~1100℃；
(2)干燥后的超纯铁精矿粉通过给料装置加入飞速还原炉中，还原气体与超纯铁精矿粉并行向下运动的过程中进行飞速还原，得到金属化率为85~100%的预还原铁粉；
其中，按质量比，干燥后的超纯铁精矿粉：还原气体=1：(1~10)；
还原过程中，干燥后的超纯铁精矿粉在飞速还原炉中的平均停留时间为1~50s；
(3)还原尾气经过除尘装置后，再进行脱水蒸汽、CO2处理，并调整成分，然后预热至600～900℃后再通入飞速还原炉中循环使用；
(4)步骤2(2)得到的预还原铁粉与步骤2(3)在除尘装置收集的含铁尘灰一起喷入炼钢炉中进行熔融还原；
步骤3，熔炼还原
(1)炼钢炉内预先形成了一个钢渣熔池，钢渣熔池分层形成渣层区和钢水区，温度≥1450℃；
(2)以氧气为载体向渣层区喷吹还原剂和造渣剂，向渣层上方的气相空间喷吹氧气，采用粉矿喷吹设备将预还原铁粉与含铁尘灰喷吹至炼钢炉中的钢水区，进行连续炼钢过程，得到钢水、炉渣和熔炼尾气；其中，钢水的含C的质量分数为0.01~0.40%、温度为1580~1680℃；
(3)钢水从炼钢炉的出钢口流出，炉渣从炼钢炉的出渣口流出，熔炼尾气从熔炼尾气出口流出后，通过换热器对进入飞速还原炉的还原气体进行预热，然后通过熔炼尾气净化装置和煤气改质装置，得到改质煤气；改质煤气通过底喷元件从炼钢炉的底喷口吹入炼钢炉中，进行搅拌熔池，实现气体循环利用。
5.如权利要求4所述的飞速还原直接炼钢的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的超纯铁精矿粉中，TFe质量分数≥71.5%，SiO2含量为≤0.5%。
6.如权利要求4所述的飞速还原直接炼钢的方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，还原气体中含有的气体及各个气体的体积分数分别为：氢气为80~100%，余量为甲烷、一氧化碳中的一种或两种的混合物。
7.如权利要求4所述的飞速还原直接炼钢的方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，所述的飞速还原炉的温度达到900~1100℃，采用如下方法：向飞速还原炉，通入预热温度为600~900℃的还原气体的同时喷吹温度为600~900℃氧气，燃烧部分还原气体，使还原气体温度升高至900~1100℃；其中，按体积比，氧气：还原气体=(1~10)：100。
8.如权利要求4所述的飞速还原直接炼钢的方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，所述的还原剂为煤粉、焦粉、烟煤、无烟煤中的一种或几种混合，其平均粒径≤100μm；
所述的步骤3(2)中，所述的造渣剂的加入量控制在熔渣的二元碱度为0.8~1.3，具体为石灰粉、白云石粉或生石灰粉中的一种或几种，其平均粒径≤100μm。
9.如权利要求4所述的飞速还原直接炼钢的方法，其特征在于，所述的步骤3(3)中，所述的改质煤气中CO与H2的体积含量满足(CO+H2)/(CO+H2+CO2+H2O)=85~98%，温度为900~1100℃。
10.如权利要求4所述的飞速还原直接炼钢的方法，其特征在于，所述的步骤3(3)中，所述的改质煤气作为载气，将预还原铁粉与含铁尘灰喷吹至炼钢炉的钢水区中。
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