CN109825660A - 一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺及装置，冶金装置，包括粉剂喷吹装置、喷枪和给料装置，喷枪末端的直管段连接有分叉进料管，分叉进料管与直管段连通，粉剂喷吹装置的出口通过粉吹喷粉连接管与直管段连接，给料装置的出口与分叉进料管连接，在喷射冶金过程中，利用粉剂喷吹装置形成的粉剂和载气形成的混合流体在喷枪中将颗粒料加速后一同喷入待处理的金属熔体中，其中颗粒料相对于粉剂更易与待处理的金属熔体反应，颗粒料的粒径大于粉剂的粒径；本发明能够用于向金属溶液喷入加入少量颗粒料的粉剂进行冶金反应，有效改善喷射冶金中粉剂和金属溶液的反应动力学条件，明显提升喷射冶金反应速率和效果。

Description

一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺及装置

技术领域

本发明涉及火法冶金的喷射冶金领域，具体涉及一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺及装置。

背景技术

在火法冶金中，喷射冶金技术由于其反应动力学条件好、反应效率高而得到广泛的应用，特别是钢铁冶金的铁水预处理、炉外精炼中。

理论和实践表明，在实际喷射冶金过程中，大量的粉剂颗粒停留在气泡和金属界面，或形成团聚，所以只有小部分的粉剂颗粒界面和金属溶液形成了实质性的接触。也就是说粉剂很大的比表面积这一优势并未得到充分的发挥，如何进一步改善粉剂与金属的接触条件、进而提升冶金反应效率具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺及装置，本发明能够用于向金属溶液喷入加入少量颗粒料的粉剂进行冶金反应，有效改善喷射冶金中粉剂和金属溶液的反应动力学条件，明显提升喷射冶金反应速率和效果。

分析粉剂颗粒在气液界面聚集的原因有如下方面：(1)金属溶液的表面张力很大，克服这一表面张力的影响进入金属溶液要求粉剂颗粒必须有足够大的动能；(2)在气泡和金属溶液界面附近有气流边界层存在，阻碍着气体和粉剂混合流的穿透；(3)颗粒越小，其与气体间的粘滞力及拖曳力作用越大，其与气流的分离越困难；(4)流股前沿的气流反向作用；(5)金属溶液对粉剂的浮力。

从理论上讲，具有一定动能的大颗粒更容易穿透气液界面而进入金属溶液中。但大颗粒比表面积明显降低，完全反应时间长，且不易实现流态化和气流携带，更无法实现浓相输送。同时，要想让大颗粒进入金属溶液一定的深度又必须要有足够高的动能。如何在两者之间寻求平衡点是技术开发的关键。

在综合考量及试验模拟的基础上，本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺，其过程如下：

在喷射冶金过程中，利用粉剂和载气形成的混合流体将颗粒料加速后一同喷入待处理的金属熔体中，所述颗粒料相对于粉剂更易与待处理的金属熔体反应，所述颗粒料的粒径大于粉剂的粒径。

粉剂的粒径上限为0.150mm(具体上限值可依照生产需求确定)，颗粒料的粒径为0.5-3mm。

颗粒料的重量为粉剂重量的5％-20％。

在喷射冶金过程中，粉剂、载气和颗粒料形成的混合流体竖直向下射入待处理的金属熔体中。

所述粉剂为石灰粉、电石粉、萤石粉、氧化铁皮粉、预熔渣粉料和硅钙粉中的一种或几种的组合，所述颗粒料为石灰石颗粒。

一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金装置，包括粉剂喷吹装置、喷枪和给料装置，喷枪末端的直管段连接有分叉进料管，分叉进料管与直管段连通，粉剂喷吹装置用于使粉剂和载气形成的混合流体，粉剂喷吹装置的出口通过粉吹喷粉连接管与直管段连接，给料装置用于输送颗粒料，给料装置的出口与分叉进料管连接。

优选的，分叉进料管与直管段之间的夹角小于25°，所述喷枪在使用时，直管段竖直设置。

优选的，分叉进料管与直管段入口端的端部连接有连接法兰。

优选的，粉剂喷吹装置包括流态化装置和喷粉罐，流态化装置的出口与喷粉罐的入口连接，喷粉罐的出口通过粉吹喷粉连接管与直管段连接。

优选的，喷粉罐的出口连接有粉剂储存罐，粉剂储存罐的出口通过粉吹喷粉连接管与直管段连接。

优选的，给料装置包括颗粒料罐和给料器，粒料罐的出口与给料器的入口连接，给料器的出口与分叉进料管连接。

优选的，给料器采用螺旋给料器或电磁给料器。

优选的，给料器采用螺旋给料器时，螺旋给料器的中心延长线偏离喷枪中心线(1/2)D以上，其中，D为螺旋给料器外径。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺利用粉剂和载气形成的混合流体将颗粒料加速后一同喷入待处理的金属熔体中，颗粒料的粒径大于粉剂的粒径，因此颗粒料能够有效穿透气液界面，打碎粉剂在气液界面的团聚以及进一步利用颗粒料透界面的尾涡携带粉料颗粒进入液相，大幅度改善粉剂界面和金属溶液的接触和反应，提高反应效率，由于颗粒料相对于粉剂更易与待处理的金属熔体反应，因此能够克服颗粒料的粒径较大，完全反应时间会延长的问题。其中，利用粉剂和载气形成的混合流体将颗粒料加速后一同喷入待处理的金属熔体中，颗粒料的加入方式为分加的加入方式，因此能够有效解决粉剂的流态化输送和大颗粒定量加入的矛盾，克服了可能出现的粒度偏析问题；本发明的冶金工艺能够控制通过对颗粒料的种类、粒度、比例的调整，取得最优的冶金反应效果，使得对冶金反应的调控手段增多。

本发明的颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金装置利用粉剂喷吹装置能够使粉剂和载气形成的混合流体，利用给料装置输送颗粒料；通过在喷枪末端的直管段连接分叉进料管，将粉剂喷吹装置的出口通过粉吹喷粉连接管与直管段连接，给料装置的出口与分叉进料管连接，能够实现利用粉剂和载气形成的混合流体将颗粒料加速后一同喷入待处理的金属熔体中，以及颗粒料以分加的加入方式加入金属熔体中，因此能够有效解决粉剂的流态化输送和大颗粒定量加入的矛盾，克服了可能出现的粒度偏析问题；综上所述，通过本发明的颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金装置能够向金属溶液喷入加入少量颗粒料的粉剂进行冶金反应，有效改善喷射冶金中粉剂和金属溶液的反应动力学条件，明显提升喷射冶金反应速率和效果。

附图说明

图1是本发明颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺的物料流程图；

图2是本发明颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金装置的结构示意图。

其中：1-流态化装置；2-喷粉罐；3-粉剂储存罐；4-粉吹喷粉连接管；5-喷枪；6-连接法兰；7-给料器；8-颗粒料罐；9-直管段；10-分叉进料管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明来进行说明。

见图1按照本发明提出的工艺方案，本发明颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺方案如下：

在喷射冶金过程中，利用粉剂和载气形成的混合流体将颗粒料加速后一同喷入待处理的金属熔体中，所述颗粒料相对于粉剂更易与待处理的金属熔体反应，所述颗粒料的粒径大于粉剂的粒径。

本发明的上述技术方案在原来粉剂喷吹的基础上，添加部分易反应物质的颗粒料的技术方案，其中颗粒料的粒径相对于粉剂粒径较大，颗粒料相对于粉剂更易与待处理的金属熔体反应可以克服颗粒料粒径较大后完全反应时间会延长这一问题，粒径较大得颗粒料可以增加颗粒料对气液界面的穿透能力，进一步利用颗粒料穿透界面的尾涡携带粉料颗粒进入液相。如果颗粒料进入金属熔体后，能快速分解(如石灰石进入金属溶液后受热快速分解)，还会产生爆炸性的界面湍动效果，使得反应效果更佳。

为了不影响粉剂的流态化输送及粒度偏析，颗粒料单独定量配入。同时还应使大颗粒能够获得足够的动能以顺利穿透气液界面并进入金属溶液一定的深度。可以考虑在喷枪的末端加入，利用喷枪直管段的气体和粉剂混合流股将大颗粒加速后，从喷枪喷出进入金属溶液。如果直管段足够长，颗粒料可以获得和气粉混合流体流速一样的速度。由于喷枪一般垂直向下设置，粉剂、载气和颗粒料形成的混合流体竖直向下射入待处理的金属熔体中，颗粒料的重力作用不会产生不利影响，反而成为其快速加速的有利因素，同时可降低由于弯头等带来的磨损。

颗粒料的粒度大小需要考虑粉剂的粒度、颗粒料物质的物化及反应特性以及冶金反应要求，在理论计算及试验的基础上确定。定量稳定给料有现成的技术可以选用，如螺旋及电磁给料。对于0.045mm-0.150mm的石灰基粉剂，配入石灰石颗粒，石灰石颗粒的粒径可选择在0.5-3mm。

颗粒料的比例按照重量比可控制在粉剂重量的5％-20％。对于石灰基粉剂，石灰石颗粒可按照粉剂重量的10％-15％配入。

颗粒料的配入，应不影响原粉剂的化学组成及冶金反应效能。如对石灰基粉剂，配入石灰石颗粒料时，应考虑到石灰石分解后生成的氧化钙的影响。也就是说，粉剂配料中应同时考虑石灰石颗粒料分解生成的氧化钙量。

为了实现本发明颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺，本发明提供了颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金装置，如图2所示，本发明的颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金装置包括粉剂喷吹装置、喷枪5和给料装置，喷枪5末端的直管段9连接有分叉进料管10，分叉进料管10与直管段9连通，粉剂喷吹装置用于使粉剂和载气形成的混合流体，粉剂喷吹装置的出口通过粉吹喷粉连接管4与直管段9连接，给料装置用于输送颗粒料，给料装置的出口与分叉进料管10连接。粉剂喷吹装置包括流态化装置1和喷粉罐2，流态化装置1的出口与喷粉罐2的入口连接，喷粉罐2的出口连接有粉剂储存罐3，粉剂储存罐3的出口通过粉吹喷粉连接管4与直管段9连接。给料装置包括颗粒料罐8和给料器7，粒料罐8的出口与给料器7的入口连接，给料器7的出口与分叉进料管10连接。

本发明的颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金装置在设计时，需要根据本发明的冶金工艺提取相关技术数据，进行喷枪的结构参数选择与设计，包括：喷射粉剂组成、粒度分布、喷吹量、处理金属种类及金属溶液量等工艺数据，选定新喷吹工艺的大颗粒物质种类、占比及其粒度范围，一般颗粒料的比例按照重量比可控制在粉剂重量的5％-20％。对于0.045mm-0.150mm的石灰基粉剂，选用石灰石颗粒料代替部分石灰粉，石灰石颗粒料的质量占比按照10％-15％，粒径按照0.5-3mm考虑。按照原物料消耗采购或加工相关物料。粒料罐8按照颗粒料占喷吹固体料的比例5％-20％，并按照12-24小时用量设计。

根据颗粒料消耗量确定颗粒料罐8的容积，并选择螺旋给料器或选择符合给料精度要求的电磁给料装置进行给料，螺旋给料器通过变频电机进行驱动。给料精度控制在误差正负5％以内。为了防止应粉剂和载气喷射的抽吸作用导致的吸气，给料装置的各连接处应密封。因此除要求颗粒料罐、接口严密外，在颗粒料罐加料口，加装压紧密封条。

在喷枪5末端(即入口端，也即图2中喷枪5的上端)的直管段9处设置分叉进料管10，也可按照与喷枪5的主体可拆分方式设计，即在分叉进料管10与直管段9之间设置连接法兰，直管段9与粉吹喷粉连接管在连接处设置有连接法兰6，分叉进料管10与给料器7在连接处设置有连接法兰6。在连接处加焊法兰接口，以便于维护和更换。按照空间及喷枪5枪体直管段长度评估，以直管段9可否保障能将大颗粒加速到基本与原气粉两相流速度相当为标准，决定是否延长直管段长度。一般情况下，浸入式喷射冶金用枪长度可以满足这一技术要求。

为防止分叉进料管10堆料，参照图2，分叉进料管10与水平方向夹角应大于65°且分叉进料管10长度应尽可能短。在具体布置上，要求螺旋给料器中心延长线应偏离喷枪中心线(1/2)D以上，以便于使得螺旋给料器下料管与喷枪直管更近，D为螺旋给料器外径。

考虑到采用部分颗粒料后，钢管的磨损可能增大，因此，喷枪本体及分叉进料管的材质耐磨性可提高一个等级。

相对于现有的粉剂喷吹技术，本发明中添加了单独的大颗粒制备及料仓；采用螺旋给料器控制颗粒料的定量加入，并通过驱动电机的变频调速，实现对颗粒料给料速度的调节；在喷枪的枪尾设置了颗粒料加入料管(即分叉进料管10)，颗粒料通过加入料管进入喷枪主喷吹管后被粉剂和载气流股加速，一同喷入金属熔体。

实施例1

本发明的冶金工艺在钢铁企业100万吨铁水预处理脱硫装置上的应用：

(1)基本情况：

年处理能力100万吨喷粉脱硫装置，脱硫用铁水包为75吨。喷吹粉剂中各组元的质量比为：石灰粉：电石粉：萤石粉＝70:20:10。以氮气为喷吹载气。粉剂粒径在0.150mm以下，粉剂用量6.5kg/t铁(对比炉号设定值)，脱硫率70％-88％。

(2)应用方式：

按照本发明提出的工艺方案(见图1)，调整喷吹粉剂中各组元的质量配比如下：

石灰粉：电石粉：萤石粉：石灰石颗粒＝58.3:18.8:9.4:13.5。其中石灰粉、电石粉和萤石粉的粉剂粒径仍按照0.150mm以下控制。石灰石颗粒粒径1.5-2.5mm(由烧结原料加工工段加工，颚式破碎机+筛分闭路循环，筛下物用于烧结)。

增设了石灰石颗粒料料罐及螺旋给料器。

在石灰石颗粒给料采用了带螺旋的下料管，螺旋下料速度由螺旋杆的转速控制，转速由变频电机控制。

对枪体按照本发明的冶金工艺要求进行了改造，加装了颗粒料进料管、

其它喷吹设备全部利用。

(3)应用结果

喷吹过程稳定、颗粒料下料可调、喷枪使用寿命与原工艺相当。在同样的喷吹量和喷吹条件下，即粉剂用量6.5kg/t铁(对比炉号设定值)，脱硫率由原来的70％-88％稳定提高到了78％-92％。

实施例2

本发明的冶金工艺在铁水脱硅脱磷装置中的应用：

(1)基本情况：

由于采用部分高磷矿，铁水中磷含量长期偏高，设计处理铁水量为180万吨，采用主铁沟加渣脱硅，80吨铁水包中喷吹法脱硅脱磷。铁水包中脱硅脱磷渣各组元的质量比为：石灰：氧化铁皮：萤石＝45:45:10，用量15kg/t铁水(对比炉次)，脱磷率35％-65％。

(2)应用方式：

按照本发明提出的工艺方案(见图1)，并结合企业提出的要求，调整喷吹粉剂各组元的质量比如下：

石灰粉：氧化铁皮：萤石粉：石灰石颗粒＝35.1:42.7:9.5:12.7。其中石灰粉、氧化铁皮粉和萤石粉的粉剂粒径按照0.074mm以下控制。石灰石颗粒粒径0.5-3.0mm控制。小颗粒石灰石直接由石灰石矿山提供。

加装了石灰石料仓，储料量按照20小时用量设计。

在石灰石颗粒给料采用了螺旋给料器。螺旋给料器的下料速度由螺旋杆的转速控制，转速由变频电机控制。

对喷枪进行了改造，加装颗粒料进料支管。

其它喷吹设施全部利用。

(3)应用结果

在同样的喷吹量和喷吹条件下，即粉剂用量15kg/t铁(对比炉号设定值)，脱磷率由原来的35％-65％稳定提高到了62％-81％。喷吹过程稳定，枪体寿命无变化。

实施例3

在年产265万吨钢厂铁水预处理中的应用

(1)基本情况：

为进一步新钢种，增设喷粉脱硫装置1台，年处理钢水量120万吨。喷吹粉剂中各组元的质量比为：石灰粉：预熔渣粉料：萤石粉：硅钙粉＝25:65:10:2。以氩气为喷吹载气。粉剂粒径：0.045mm以下，粉剂用量5.5kg/t铁(对比炉号设定值)，脱硫率72％-85％.

(2)应用方式

按照本发明提出的工艺方案(见图1)，对原喷粉工艺进行微调。调整喷吹粉剂各组元的质量配比如下：

石灰粉：预熔渣粉：萤石粉：石灰石颗粒＝58.3:18.8:9.4:13.5。其中石灰粉、预熔渣粉和萤石粉的粉剂粒径仍按照0.045mm以下控制。石灰石颗粒粒径0.5-2.5mm。按照总喷吹料8％加入量设计。

粉剂及石灰石颗粒对外采购。

增设了颗粒粒料系统，包括料罐(容积按照12小时用料量设计，料罐式上料)及配套的螺旋给料装置，并对喷枪进行了改造。

其它喷吹设备及参数参照原喷粉工艺设计和选型。

(3)应用结果。

脱硫率由原来的72％-85％稳定提高到了80％-90％，喷吹过程顺利、稳定，枪体寿命及其它设备运行正常，达到设计要求。

Claims (10)

1.一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺，其特征在于，过程如下：

在喷射冶金过程中，利用粉剂和载气形成的混合流体将颗粒料加速后一同喷入待处理的金属熔体中，所述颗粒料相对于粉剂更易与待处理的金属熔体反应，所述颗粒料的粒径大于粉剂的粒径。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺，其特征在于，粉剂的粒径上限为0.150mm，颗粒料的粒径为0.5-3mm。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺，其特征在于，颗粒料的重量为粉剂重量的5％-20％。

4.根据权利要求1所述的一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺，其特征在于，在喷射冶金过程中，粉剂、载气和颗粒料形成的混合流体竖直向下射入待处理的金属熔体中。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺，其特征在于，所述粉剂为石灰粉、电石粉、萤石粉、氧化铁皮粉、预熔渣粉料和硅钙粉中的一种或几种的组合，所述颗粒料为石灰石颗粒。

6.一种用于实现权利要求1～5任意一项所述的颗粒与粉剂协同喷吹的喷射冶金工艺的装置，其特征在于，包括粉剂喷吹装置、喷枪(5)和给料装置，喷枪(5)末端的直管段(9)连接有分叉进料管(10)，分叉进料管(10)与直管段(9)连通，粉剂喷吹装置用于使粉剂和载气形成的混合流体，粉剂喷吹装置的出口通过粉吹喷粉连接管(4)与直管段(9)连接，给料装置用于输送颗粒料，给料装置的出口与分叉进料管(10)连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，分叉进料管(10)与直管段(9)之间的夹角小于25°，所述喷枪在使用时，直管段(9)竖直设置。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，粉剂喷吹装置包括流态化装置(1)和喷粉罐(2)，流态化装置(1)的出口与喷粉罐(2)的入口连接，喷粉罐(2)的出口通过粉吹喷粉连接管(4)与直管段(9)连接。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，给料装置包括颗粒料罐(8)和给料器(7)，粒料罐(8)的出口与给料器(7)的入口连接，给料器(7)的出口与分叉进料管(10)连接。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，给料器7采用螺旋给料器或电磁给料器，当给料器(7)采用螺旋给料器时，螺旋给料器的中心延长线偏离喷枪中心线(1/2)D以上，其中，D为螺旋给料器外径。