CN1086546A - 冶金反应器气体空间中耐火衬里保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于保护冶金反应器耐火衬里 的方法，所述冶金反应器含有一种由金属和炉渣组成 的熔炼体，该熔炼体的反应剂通过配置在浴表面下方 和上方的导入装置加入金属浴，从熔炼体中逸出的气 体在气体空间中即在静止熔炼体以上的空间中用氧 化剂进行后燃烧，为此，气态反应剂和/或在金属浴 中表现惰性的气体从浴表面以下通入该熔炼体中，且 冶金反应器气体空间中的全部耐火衬里表面被呈液 滴、溅沫、象喷泉一样涌起或喷射的液体部分等形式 的部分数量熔炼体和/或被熔炼体的波动或晃动所 润湿。

Description

本发明涉及一种用于保护治金反应器耐火衬里的方法，所述冶金反应器含有一种由金属和炉渣组成的熔炼体，该熔炼体的反应剂通过配置在金属浴表面下方和上方的导入装置加入该金属浴中，从该金属浴逸出的气体在气体空间中、即在静止熔炼体上方的空间中用氧化剂进行后燃烧。

先有技术包括许多冶金工艺，其中可燃气体在金属浴表面上方的熔炼和反应容器中部分燃烧或充分燃烧。从广义上说，这种在熔炼体上方的充分气体燃烧已在西门子-马丁炉（平炉）中发生，所产生的热量传递给金属浴。

对于卡尔多（Kaldo）炼钢法和从它发展起来用于铁矿石熔炼还原的多列德（Dored）法，人们第一次注意到反应气体在铁熔体上方后燃烧时由于高温而对耐火衬里引起的问题。例如，Iron&Steel（1958年8月，p.419-423）中一篇关于卡尔多法的论文提到有关转炉衬里及其耐用性的数字，指出每批料约4-7毫米的耗损速度。这些数值比目前的氧气炼钢转炉的对比数据高10倍。当时，转炉衬里高耗损一方面归因于由于熔炼体浸润耐火材料引起的温度变化，另一方面归因于小铁珠在衬里表面上的氧化。利奥本矿业学院（the  Mining  College  of  Leoben）自1976年以来关于铁矿石直接还原的文献研究令人印象深刻地指出了耐火材料高消耗对多列德法的影响。该文在结论中写道：“这座运行装置（多列德法）中耐炎物质的消耗比以前预期的高得非常多。由于这个问题甚至无法通过专门研究来解决，所以该运行装置于1968年关闭。”

在碱性顶吹转炉钢迅速发展之后，转炉中铁熔体反应气体后燃烧并利用所产生的热量改善转炉中的能量平衡这一设想，在底吹OBM转炉引进之后不久再度成为炼钢专家注意的焦点。70年代初有一些专利涉及在转炉中通过供氧使反应气体（主要是CO和H₂）后燃烧。代表性实例是美国专利3，839，017和东德专利101，916。然而，如这些保护性权利中所述的简单后燃烧导致转炉上部空间中耐火材料过早损坏，在钢精炼工艺的热平衡方面也未能察觉到显著的改善。

只有用德国专利2755165中第一次描述的氧气顶吹新技术才能在炼钢转炉中进行这样的后燃烧，使得所产生的热量充分受益于熔炼体，从而有利于该精炼工艺的热平衡。这种方法的基本特征是在精炼期的大部分时间内通过一个或多个在转炉气体空间中起自由射流作用的、对准金属浴表面的气体喷嘴把新鲜氧气量的20～80%通入熔炼体，而其余数量的氧气在金属浴表面以下注入。

在气体空间中，这些自由射流覆盖一定距离，在这一距离范围内它们能吸入大量转炉废气。主要包含CO和CO₂的气体射流以比金属浴温度高得多、估计为2500℃的温度冲击熔炼体表面。这种方法没有明显增加转炉气体空间中的衬里损耗，但它只达到20～25%之间的后燃烧程度，对熔炼体的再传热效率高达约80-90%。

德国专利3903705涉及反应气体后燃烧的方法和装置以及这种方法的使用，其特征在于氧化性气体的一股或多股气体射流通过一个或多个风嘴成螺旋形吹到金属浴表面上。这种方法可用于炼钢、铁矿石熔炼还原和铁浴煤气化。通过改变涡流系数，可以可靠地把后燃烧控制在40～80%之间，后燃烧所得到的能量对铁熔体的再传递效率介于80-90%。

在这些高程度的后燃烧时，尽管对熔炼体有良好的再传热，在反应器的气体空间中仍有非常高的温度。只要知道这些关系，就能计算出2700℃以上的气体温度。这种具有高程度后燃烧的工艺控制涉及由于热应力过大而引起的容器耐火衬里过早损坏的很大危险。

为了反应器气体空间中的高温和有关的潜在问题，欧洲专利申请0418627中的熔融还原方法走一条不同的途径。反应气体的后燃烧是在一个泡沫状炉渣层中进行的。按照该专利申请，氧气用一支喷枪顶吹，同时通过配置在金属浴表面以下的风嘴通入循环气体。这种工艺的特征在于每平方米金属浴表面必须存在至少2000千克渣。它达到40%以上的后燃烧程度，再传热效率为90%。

如先有技术所指出的，已知有一些方法可用来获得铁熔体上方的高程度后燃烧。也有一些概念可用来在高达约45%的后燃烧时把反应器衬里的过早损耗保持在一定范围内，以便不危及总体方法的经济性。然而，没有一种常规耐火材料能耐受2000℃以上的气体空间温度，或者说没有一种方法能保护反应器衬里不受如此高温度的危害。

因此，本发明基于提供一种使得有可能保护治金反应器气体空间中耐火材料的方法这一问题，旨在防止该气体空间中耐火衬里的过早损坏，尽管在反应气体后燃烧期间有很高温度。本发明的进一步目的是延长冶金反应器的寿命，从而提高钢和铁合金生产方法、铁浴煤气化、铁矿石熔融还原和有色金属生产方法等的经济性。

这个问题是由本发明具有创造性的方法通过以下步骤解决的：把气态反应剂和/或在金属浴中表现惰性的气体从金属浴表面以下通入该熔炼体中;使冶金反应器气体空间中的全部耐火衬里表面被呈液滴、溅沫、像喷泉一样升起或喷射的液体部分等形式的部分数量的熔炼体和/或被该熔炼体的波动或晃动所润湿。

本发明的目的是一种用于保护冶金反应器耐火衬里的方法，该反应器含有一种由金属和炉渣组成的熔炼体，该熔炼体的反应剂通过配置在金属浴表面以下和以上的导入装置通入该金属浴中，从该熔炼体逸出的气体在气体空间中、即在静止熔炼体上方的空间中用氧化剂进行后燃烧，其特征在于气态反应剂和/或在金属浴中表现惰性的气体从金属浴表面以下通入该熔炼体中，且该冶金反应器气体空间中的全部耐火衬里表面被呈液滴、溅沫、像喷泉一样升起或喷射的液体部分等形式的部分数量的熔炼体和/或被该熔炼体的波动或晃动所润湿。

本发明的进一步目的是将所述方法用于生产钢和铁合金，用于铁矿石的熔炼还原，用于铁浴煤气化，和用于精炼与生产有色金属。

本发明基于如下发现：同以前的假设相反，气体从金属浴表面以下供给熔炼体导致该熔炼体的强烈浴式运动，并有部分数量的熔炼体以液滴、溅沫、像喷泉一样升起或喷射的液体部分以及熔炼体的波动和晃动等形式润湿气体空间衬里，从而减少了该反应器气体空间中耐火材料的损坏。按照本发明，这种沸腾的金属浴运动，并有部分熔炼体像喷泉一样溅射到反应器气体空间中的器壁表面上，是所希望的。这一发现是令人惊讶的，因为先有技术认为反应器气体空间中的耐火衬里当该衬里表面润湿了熔炼体（例如在转鼓式转炉中）及高程度后燃烧时由于顶吹射流中气体温度高而清楚地表现出耗损增加。

在已知方法中，例如卡尔多转炉及其旋转运动期间熔炼体对衬里表面的润湿和随后由于后燃烧气体射流而产生的高热负荷之间的快速交变，这个转炉上部区域中耐火材料具体消耗已达到使本工艺的经济性频危的境地。在组合吹炼KMS炼钢转炉中，后燃烧增加到高达约30%可能导致该反应器气体空间或罩的过早损坏。

本发明方法所依据的发现，即冶金反应器气体空间中耐火材料的耐用性在该反应器中的后燃烧程度增加到30%以上至高达85%的数值且向熔炼体的热再传递高达70%以上至90%以及金属浴下通风口的气体流率能引起熔炼体的剧烈浴式运动并有液滴、溅沫和部分熔炼体像喷泉一样喷射到衬里表面上时同时得到改善，全都更加令人惊讶和不可预测。喷射的熔炼体部分，例如，不管它们是液滴、大溅沫、像喷泉一样涌起或喷射的熔炼体部分还是由波动和晃动带到衬里表面的熔炼体，其尺寸关系不起可认识的作用。唯一重要的事情是反应器气体空间中的全部衬里表面都润湿了熔炼体。不管这种润湿的层厚是否也产生了迄今为止尚不可清楚地检测的影响，从而任何层厚，无论大或小、均匀或不均匀，都要加以假设。

按照本发明，气体空间中耐火衬里表面的润湿是借助位于反应器中的熔炼体、利用通过浴下风口导入该熔炼体中的气体即气态反应剂和在金属浴中行为惰性的气体的流率控制的。0.2Nm³/min.t（标准立方米/分钟·吨）和30Nm³/min.t之间的流率，较好在2Nm³/min.t和10Nm³/min.t之间的流率，已证明在反应容器中熔炼体的最低充满高度时是有用的。这个最低充满高度以静止浴表面为基准，应大于0.3米，较好大于0.5米。

本发明的一个重要特征是，从浴表面以下导入熔炼体中的气体的流率是根据熔炼体浴的水平和反应器最大高度确定和控制的。第一步是考虑流率与反应器中熔炼体浴的吨数以及反应器中熔炼体的最低充满高度的关系。

在更详细地论述气体流率、浴水平和气体空间高度之间的关系之前，将如同本发明方法申请时所提出的那样描述熔炼体及其以上气体空间的运行规律。气体是通过浴下风口以如此高流率吹入该熔炼体的，以致该熔炼体各部分能像一股喷泉一样从浴表面向上涌起。气体和熔炼体的速度高得足以使液体像一股成为一个或多个自由射流的喷泉一样夹带到衬里表面，从而使之润湿。

这种运行方式肯定明显区别于更像沸腾的已知熔炼体浴运动，请比较炼钢转炉的吹炼行为，后者只飞射出溅沫和液滴。本发明的基本特征是调整冶金反应器中熔炼体的运行方式，从而使部分数量的熔炼体像喷泉一样以足够的速度从浴表面涌起并喷射到气体空间中反应器衬里的表面上，从而使之润湿。

为了描述使衬里表面充分润湿的这种创造性的运行方式，包括对不同冶金反应器明确和可再现的、浴表面以下气体的最佳注入条件，已根据考虑了熔炼体中的动能和气体浮力的各种模型实验和数学模式得出了一种公式关系。其结果是，喷泉状喷射高度h_f[米]近似对应于每个风嘴的气体流率Q_V[米³/秒]与浴深度h_b[米]之商的2/3次方，

h_f～（Q_v/h_b）^2/3或h_f＝2.3（Q_v/h_b）^2/3

从这个关系推导出如下最佳气体注入条件下器壁润湿的公式关系：

（h_r/h_f）或（h_r/（（Q_v/h_b）^2/3））≤2.3，较好＜1.7

式中h_r对应于气体空间高度[米]，且h_f大于h_r。

按照这个公式，小于或等于2.3、较好小于1.7的数值要加以调整。Q_v是一个风嘴的气体流率，并对该风嘴处的压力和温度做了修正。本发明方法当然是用一个以上风嘴运行的，各风嘴之间的距离至少要使得注入气羽在浴下风嘴以上的熔炼体中以约20°的开口角形成时不互相重叠。浴溶度h_b[米]与风嘴直径d[米]之间关系也必须注意。h_b/d之商应设定于大于20的数值。如果留意这个关系，则在普通运行条件下没有气体通入熔炼体中，从而避免所谓的吹透（blow-throughs）。

也属于本发明范围的是，以在某些情况下表现惰性的气体运行另一些浴下风嘴，以选择性地润湿反应器气体空间中的衬里表面而不服从所述公式关系。作为惰性气体或在熔炼体中表现惰性的气体，人们可使用诸如氩、氮、CO或类似气体及其混合物。这些特殊润湿风嘴可用于润湿处在普通浴下风嘴盲角位置的衬里表面。它们也可用于诸如具有低浴深的区域。因此，这些特殊润湿风嘴没有按照以上公式设计，因而并不引起受动能制约、像喷泉一样涌起的熔炼体部分的喷射。这些润湿风嘴并不利用高速进入熔炼体的惰性气体的动能和把溅沫与液滴夹带到衬里表面。这些润湿风嘴只在个别情况下使用，且主要用于低浴深的区域，而且由于注入的惰性气体不与熔炼体反应，所以这些特殊风嘴的运行并不干扰本发明方法的进程。

为了获得从熔炼体逸出的反应气体在冶金反应器气体空间中高程度后燃烧的最佳预定条件，可用一个喷嘴以螺旋形方式和/或以周边气体射流形式把氧化剂（主要为空气、氧气或其混合物）向浴表面方向注入。这些氧化性气体可以是预热的，例如预热到1200～1500℃之间温度的空气。

冶金反应器的气体空间含有液体部分，统称为“部分数量的熔炼体”，其形式为液滴、溅沫、喷发式涌起或像喷泉一样喷射的熔炼体。这些液体颗粒在后燃烧气体射流中升温，回落到熔炼体中，从而执行一可观部分的能量传输，即把后燃烧产生的热传递给熔炼体。熔炼体的表面在本工艺工作期间消散成一个过渡区，其构成为粒状熔炼体、反应气体和后燃烧气体的混合物，呈大小不一的气泡和向深度方向伸展的气羽形式。这个过渡区对于后燃烧热量向熔炼体的再传递也颇为重要。只有对后燃烧气体与粒状熔炼体所穿透的气体空间有利的顶吹技术和过渡区的联合效应，才导致向熔炼体的热再传递具有70%以上的有利效率，在高程度后燃烧时尤其如此。

虽然气体空间中后燃烧用氧化剂的所述顶吹气体射流中的温度可能达到2700℃以上的数值，但当本发明方法实施时将熔炼体的温度调节在1300～1600℃之间，较好在1350～1500℃之间。本发明的一个基本特征是把熔炼体的温度调节到明显低于冶金反应器中的气体空间温度。反应器中熔炼体和气体空间之间的温差可在100～1400℃之间。这些差值主要决定于后燃烧期间的热增量，即取决于后燃烧程度。用于使反应气体后燃烧的氧化剂的预热温度对比当然也有影响，这主要是适合作为氧化剂或用来预热氧化剂的空气、氧气或任何混合物（包括其它混合气体）的预热温度。

按照本发明，熔炼体的喷泉状部分在从浴表面以下导入该熔炼体的气体的流率控制下抛射到反应器气体空间中的衬里表面上，衬里的这种润湿使耐火材料在其表面上就地冷却。在那些如果不用熔炼体润湿就会暴露于因反应气体后燃烧而产生的高气体温度的位置的这种直接冷却，导致反应器气体空间中耐火材料耐用性的显著改善。虽然浴区以上反应器气体空间中的衬里如果不采用本发明方法就会过早损坏，但现在可以达到整个反应器中衬里的均匀损坏。本发明方法使反应器气体空间中的耐火衬里表面无间隙地润湿熔炼体，并使之全部就地冷却。

本发明方法对冶金反应器气体空间中耐火衬里的保护主要在两个方面明显优于已知方法。首先，衬里表面的冷却就地发生，尤其是连续发生，即对器壁表面没有交变温度应力。其次，抛射到衬里表面上的部分数量的熔炼体同时为该衬里遮挡后燃烧气体射流的热辐射，并获得一恒定衬里温度，即仅可忽略不计地高于该熔炼体的温度。具有高还原电位的金属滴命中衬里表面并防止它接触通常引起耐火材料显著损坏的过热、氧化的（FeO含量高的）炉渣。

此外，连续喷射到器壁表面上的部分数量的熔炼体和由熔炼体波动和晃动而带到耐火衬里上的熔炼体导致对该衬里的大幅度冷却和防护。由于其不断更新，润湿层在被新鲜熔炼体置换之前不会升温至任何大的程度。已得知部分数量的熔炼体当穿过该气体空间时温度升高的估计值最大值为大约50℃。

成鲜明对照的是，在已知方法中，例如在旋转式转炉中，表面完全润湿了熔炼体，但当衬里一旦从熔融浴中露出时，它就暴露于热辐射和对流所产生的后燃烧气体的高温。这种不断发生的温度变化很可能是造成这类反应器的气体空间中已知的耐火材料过早损坏的原因。

按照本发明，冶金反应器气体空间中耐火衬里的表面完全润湿了由反应器中熔炼体喷射出来的新的部分数量不断置换、然后或者从衬里表面落回或者停下来的熔炼体。吹到衬里表面上的部分数量熔炼体的估计值，达到至少约50千克/分钟·平方米器壁表面的数值。这当然只是一个粗略的近似值;对于本发明至关重要的是衬里表面是无间隙地润湿。因而，不同质量的熔炼体份额可润湿反应器气体空间不同区域中的耐火衬里表面。

现在就参照附图和非限制性实例更详细地解释本发明。

图1表示一个用于铁矿石和正亚铁矿石熔炼还原生产铁合金和正亚铁合金的鼓形反应器的横截面。

这个鼓形反应器有由钢板制成的外套1，其内有一个从保温层2和烧蚀衬3构成的耐火衬里。反应气体通过浴下风嘴6通入由铁浴4和炉渣层5形成的熔炼体中，并在该熔炼体中形成注入气羽7。也能看到润湿风嘴8。

浴深h_b用尺寸9表示，气体空间高度h_r用尺寸10表示。尺寸10进一步指出过渡区。

通过热风管12给顶吹风嘴13供给热空气，即预热温度为1250℃的空气。这个后燃烧风嘴13把后燃烧射流14吹入这个熔炼还原反应器的气体空间10。从熔炼体9逸出的后燃烧反应气体冲击像喷泉一样从熔炼体中抛射出来的部分数量15和液滴与溅沫16。这些呈液滴、溅沫16和喷射部分15等形式的部分数量熔炼体和处于波动或晃动的熔炼体部分17润湿箭头18所示的衬里表面。衬里表面润湿现象18是本发明的基本特征，润湿风嘴8及其喷雾射流19也对此做出贡献。

一座用于铁矿石熔炼还原的试验性转炉含有大约8吨铁熔体，其含碳量为3%，温度为1450℃。1.5砘的炉渣层浮在这个熔融液上面，其CaO含量为34%，SiO₂26%，FeO 5%，MgO 12%，相当于碱度为1.3。大约46千克/分钟含Fe量62%的铁矿石通过浴下风嘴吹入这个铁熔体中。同时向该浴中引进22千克/分钟煤粉，其组成为85%C，3.0% Hz，1.6% O₂，0.7% S和7%灰分。大约3小时的操作时间后，通过出铁孔从熔炼还原反应器排出5吨铁和1.8吨炉渣。

大约30标准立方米/分钟反应气体和10标准立方米惰性气体从熔炼体逸入气体空间，并在那里与105标准立方米/分钟预热温度为1150℃的热空气一起进行后燃烧。得到平均57%的后燃烧程度，即以85%的热效率再传递给该熔炼体。通过6个浴下风嘴和2个以3标准立方米/分钟氮气运行的附加润湿风嘴，按粗略估计，将50千克/分钟·米²衬里表面的部分数量熔炼体抛射到反应器气体空间中的衬里表面上，并使耐火材料就地冷却。在这座中试装置运行6个月之后，可以在熔炼还原反应器的熔体区和气体区中检测到均匀的耐火材料消耗。

这种保护冶金反应器气体空间中耐火衬里的方法可应用于钢和铁合金的生产、正亚铁矿石的熔炼还原、铁浴煤气化和有色金属的精炼。对于所有从浴表面以下向熔融浴中加入反应剂、尤其气态反应剂的冶金方法，本发明工艺的特点是对这些方法的特殊操作条件的适应有很大的灵活性。本发明工艺的改良及其对上述和类似冶金工艺中各种操作条件的特定适配都属于本发明的范围。本发明方法的基本特征已得到满足，因而只要符合下述条件，其方法就落入本发明的范围：冶金反应器气体空间中的衬里表面被到达其上的熔炼体就地冷却，而该熔炼体的温度低于该气体空间中的盛行温度。

Claims (12)

1、一种用于保护冶金反应器耐火衬里的方法，所述冶金反应器含有一种由金属和炉渣组成的熔炼体，该熔炼体的反应剂通过配置在浴表面下方和上方的导入装置加入该金属浴中，且气态反应剂和/或在金属浴中表现惰性的气体从浴表面以下通入该熔炼体，以及从该熔炼体逸出的气体在气体空间中、即在静止熔炼体以上空间中用氧化剂进行后燃烧，其特征在于该冶金反应器气体空间中的全部耐火衬里表面被呈液滴、溅沫、像喷泉一样涌起或喷射的液体部分等形式的部分数量的熔炼体和/或被该熔炼体的波动或晃动所润湿。

2、权利要求1的方法，其特征在于把命中气体空间耐火表面并以液滴、溅沫、像喷尔一样涌起或喷射的液体部分等形式和/或通过熔炼体的波动或晃动使该衬里润湿的熔炼体质量分数调整到彼此不同的比例。

3、权利要求1和2的方法，其特征在于熔炼体对反应器气体空间中耐火衬里表面的润湿是通过经由浴下风嘴加入该熔炼体中的气态反应剂和/或在该熔炼体中表现惰性的气体的流率控制的。

4、权利要求1至3中一项或多项的方法，其特征在于经由浴下风嘴的气态反应剂的流率是相对于能使反应器气体空间中全部衬里表面润湿的熔融浴水平和最大反应器高度来控制的。

5、权利要求1至4中一项或多项的方法，其特征在于保持浴下风嘴的气体流率Q_V[标准立方米/分钟]、熔融浴水平h_b[米]和气体空间高度h_r[米]之间的如下公式关系

（H_r/（（Q_V/h_b）^2/3））≤2.3

以使反应器气体空间中的衬里表面润湿。

6、权利要求1至5中一项或多项的方法，其特征在于每个浴下风嘴的内径d与熔炼体浴深h_b的关系，要设计得使h_b/d之商大于20。

7、权利要求1至5中一项或多项的方法，其特征在于浴下风嘴进一步以表现惰性的气体按照独立于公式关系的方式运行，这只是为了选择性地润湿反应器气体空间中的衬里表面。

8、权利要求7的方法，其特征在于把反应器中熔炼体与气体空间之间的温差调节在100和1400℃之间。

9、权利要求1至8中一项或多项的方法，其特征在于使反应器气体空间中的耐火衬里表面润湿的部分数量熔炼体为至少50千克/分钟·米²表面。

10、权利要求1至9中一项或多项的方法，其特征在于反应器中的熔炼体被调节到明显低于气体空间温度的浴温。

11、权利要求1至10中一项或多项的方法，其特征在于反应器气体空间中衬里表面上的耐火材料是通过被熔炼体润湿而就地冷却的。

12、权利要求1至11中一项或多项的方法，其特征在于反应器气体空间中耐火衬里表面是用熔炼体连续和完全润湿的。

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