CN112322820B - 熔炼方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及熔炼方法和装置。该熔炼装置包括(a)适于容纳熔融金属和熔渣的浴的熔炼炉(4)和(b)位于该熔炼炉的上方并且与其直接连通的用于预处理含金属进料的熔炼旋流器(2)。该装置还包括用于将废气从该熔炼旋流器排出的从该熔炼旋流器延伸的废气导管(9)。该废气导管具有从该熔炼旋流器向上延伸的入口段(18)，并且形成为使废气在其流经该废气导管的入口段时经历显著的方向变化。

Description

熔炼方法和装置
本申请是优先权日为2013年12月20日、发明名称为“熔炼方法和装置”的中国发明专利申请第201480068445.1号(对应的国际申请号为PCT/AU2014/001146)的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于熔炼含金属材料的方法和装置。
具体地，但决不排他地，本发明涉及用于熔炼含铁材料例如铁矿石并生产铁的熔炼方法和装置。
背景技术
以下将已知的熔融浴基熔炼法称为“HIsarna”法。
术语“熔炼”在本文中理解为意指热加工，其中发生将金属氧化物还原的化学反应以生产熔融金属。
HIsarna法和装置以申请人的名义记载于国际申请PCT/AU99/00884(WO 00/022176)中。
HIsarna法尤其与由铁矿石或另外的含铁材料生产熔融铁有关。
在熔炼装置中进行HIsarna法，该熔炼装置包括(a)熔炼炉，该熔炼炉限定熔炼室并且包括用于将固体进料和含氧气体注入该熔炼室的喷枪并且适于容纳熔渣和熔融金属的浴，和(b)用于预处理含金属进料的熔炼旋流器，其限定旋流器室并且包括用于将固体进料和含氧气体注入该旋流器室的风口，并且其位于该熔炼炉的上方且与该熔炼炉直接连通。
术语“熔炼旋流器”在本文中应理解为意指容器，其典型地限定竖直圆柱形室并且包括用于将固体进料和含氧气体注入该室的风口，并且其经构造以致供给到该室的进料在该室的竖直中心轴周围的路径中移动并且能够经受足以至少部分地将含金属进料熔化的高工作温度。
该熔炼炉包括下部炉膛中的耐火衬里部和该炉的顶部和侧壁中的水冷面板，并且使水在连续的回路中经过该面板连续地循环。
熔炼炉也包括经由前炉连接部与该熔炼室连接的前炉，该前炉连接部允许金属产物从该熔炼炉连续地流出。前炉作为熔融金属填充的虹吸密封件运行，在生产熔融金属时使过剩的熔融金属从该熔炼炉自然地“溢出”。这允许了解该熔炼炉的熔炼室中的熔融金属水平并且将其控制在小公差内-这对于设备安全至关重要。
在HIsarna法的一种形式中，将含碳进料(典型地煤)和任选地熔剂(典型地煅烧石灰石)注入该熔炼炉的熔炼室中的熔融浴中。该含碳材料作为还原剂源和能量源提供。将任选地与熔剂混合的含金属进料例如铁矿石注入该熔炼旋流器中并且在该熔炼旋流器中加热并且部分地熔化和部分地还原。这种熔融、部分地还原的含金属材料从该熔炼旋流器向下流入该熔炼炉中的熔融浴中并且在该浴中被熔炼为熔融金属。
在该熔炼室的上部中用含氧气体(典型地技术级氧)使该熔融浴中产生的热反应气体(典型地CO、CO2、H2和H2O)部分地燃烧。将由二次燃烧产生的热传送到上部中的熔融液滴，该熔融液滴回落到该溶融浴中以保持该浴的温度。
热的部分燃烧的反应气体从该熔炼室向上流动并且进入熔炼旋流器的底部。经由风口将含氧气体(典型地技术级氧)注入该熔炼旋流器，以在该熔炼旋流器的室的水平面中，即竖直中心轴周围产生旋风涡流模式的方式配置该风口。含氧气体的这种注入导致熔炼炉气体的进一步燃烧，导致非常热的(旋风的)火焰。经由该熔炼旋流器中的风口将典型地细粉形式的进入该熔炼旋流器中的含金属进料气动地注入这些火焰中，导致迅速的加热和部分熔化，相伴有部分还原(大约10-20％的还原)。该还原起因于赤铁矿的热分解和来自该熔炼室的反应气体中的CO/H2的还原作用两者。通过旋风涡流作用将热的、部分地熔化的含金属进料向外投射到该熔炼旋流器的壁上，并且如上所述，向下流入下方的熔炼炉中以在该炉的熔炼室中熔炼。
通过废气导管将由熔炼旋流器中的反应气体的进一步的二次燃烧产生的废气从熔炼旋流器的上部区域带走。
上述形式的HIsarna法的净效应为两步逆流法。通过从熔炼炉出来的反应气体(添加有含氧气体)在熔炼旋流器中将含金属进料加热并且部分地还原并且该含金属进料从该熔炼旋流器向下流入该熔炼炉并且在该熔炼炉的熔炼室中将其熔炼为熔融的铁。一般而言，该逆流配置使生产率和能效增加。
上述描述不应视为在澳大利亚或其他地区对公知常识的承认。
发明内容
本发明基于如下认识：HIsarna熔炼装置的熔炼炉的熔炼室中的不希望的熔渣发泡事件可能由大的固体或接近固体的富含氧化铁的堆积物(以下称为“堆积物”)引起，该堆积物从该装置的熔炼旋流器上方的废气导管脱落并且落入该熔炼炉中的熔融浴中，在此它们能够引起快速的脱碳沸腾和极难遏制的非常快速的发泡。本申请人认为这些几乎规律的下落固体块引起不希望的“微型脱碳沸腾”事件，对于短时间段，每一个增加了从熔融浴释放的CO。
广义上，本发明提供熔炼装置，其包括：(a)熔炼炉，其限定熔炼室并且适于容纳熔融金属浴和熔渣，(b)用于预处理含金属进料的熔炼旋流器，其限定旋流器室并且位于该熔炼炉上方并且与该熔炼炉直接连通，和(c)用于从该熔炼旋流器将废气排出的从该熔炼旋流器延伸的废气导管，该废气导管具有入口段，该入口段从该熔炼旋流器向上延伸并且形成为使得废气在其流经该废气导管的入口段时经历显著的方向变化。
该入口段包括(a)限定该入口段的上游支线(leg)的旋流器室的向上、典型地竖直延伸部和(b)该入口段的下游支线，该下游支线相对于该上游支线以一角度延伸以致该废气在其经过将该上游和下游支线相互连接的弯道移动时经历显著的方向变化。在该入口段中显著的方向变化的目的在于使废气迅速地从该旋流器室的向上、典型地竖直的延伸部离开。这促进(a)液体材料在该向上延伸部的下游并且从该向上延伸部横向移开(在废气的流动的方向上)的该废气导管的高温部中去夹带并且连续地倒流到熔炼室中的熔融浴中和(b)在该高温下游段的下游的废气导管的上部中的壁上形成的堆积物在该高温下游段中落下并且在此熔化，得到的液体直接落入该熔炼室中的熔融浴中。
应指出地是，堆积物可起因于(a)在形成该废气导管的壁上凝固的废气中的夹带的熔融材料和(b)在形成该废气导管的壁上沉积的废气中的夹带的固体材料。
该入口段的入口段的上游支线可从该熔炼旋流器竖直地向上延伸。
该入口段的弯道可以为在该入口段的上游(废气的流动的方向上)支线与该入口段的下游支线之间限定至少90°、典型地90-120°的夹角的折线(dog-leg)弯道形式。在使用中，该弯道使得废气在其流经该入口段进入该废气导管的下游段时经历显著的方向变化，气体角度变化为至少60°、典型地60-90°的角度。
该入口段的弯道可以被冷却并且以防止大的固体堆积物在该位置生长的方式构造。
该入口段的弯道可包括冷却元件，例如水冷板。
该冷却元件可以是任何适合的元件。
如上所述，该废气导管可包括下游(在废气的流动方向上)段，其为高温段，即，在高于熔渣的凝固温度范围的温度下。
该下游段可形成为使废气在其流经该下游段时经历另一个显著的方向变化。如上述的第一方向变化那样，该第二方向变化有助于将固体材料和液体材料从该废气中分离。而且，如上所述，该下游段也是堆积物的收集区域，该堆积物在该下游段的下游的废气导管的壁上形成并且随后熔化或从该壁脱落。经时地，这些堆积物熔化并且熔融的材料回流到该熔炼室中。
该下游段可包括弯道，典型地折线弯道，其在该废气的流动方向上的上游支线与该下游段的下游支线之间限定小于90°、典型地60-90°的夹角，该弯道使废气在其流经该下游段时通过角度而经历显著的方向变化。
该熔炼旋流器可包括风口，其用于将固体进料和含氧气体注入该旋流器室。
该熔炼炉可包括用于将固体进料和含氧气体注入该熔炼室的喷枪。
根据本发明，提供熔炼含金属进料的方法，其包括在上述的熔炼装置中的熔炼炉的熔融浴中将该含金属进料熔炼。
该方法可包括(a)在上述的熔炼装置中的熔炼旋流器中至少部分地还原且部分地熔化该含金属进料和(b)在所述装置的熔炼炉的熔融浴中将该至少部分地还原/熔化的材料完全地熔炼。
该方法可包括保持充足的熔炼旋流器中的氧势以致来自该熔炼旋流器的废气具有至少80％的二次燃烧率。
该含金属进料可以是含有金属氧化物的任何材料。
该含金属进料可以是矿石、部分还原的矿石和含有金属的废物流。
该含金属进料可以是含铁进料，例如铁矿石。在这种情况下，该方法可表征为在该熔炼旋流器中保持至少1100℃、典型地至少1200℃的温度。
该含金属进料可以是二氧化钛熔渣。
该含金属进料可以是任何其他合适的材料。
附图说明
参照附图通过实例进一步描述本发明，其中：
图1为说明在HIsarna熔炼装置中根据HIsarna熔炼法将含铁的含金属进料熔炼为熔融铁的设备的一个实施方案的示意图；
图2为说明根据本发明的HIsarna熔炼装置的废气导管的一个实施方案的示意图；和
图3为表示根据本发明的HIsarna熔炼装置的废气导管的另一个(但不是仅有的其他)实施方案的示意图。
具体实施方式
图1中所示的方法和装置为HIsarna法和装置的实施方案。
本发明的方法和装置并不限于HIsarna法和装置并且还扩展到任何其他的熔融浴基熔炼法和装置。
图1中所示的方法和装置基于使用下述装置，该装置包括熔炼旋流器2和紧挨着地位于该熔炼旋流器2下方的熔融浴基熔炼炉4，熔炼旋流器2和熔炼炉4的室之间直接连通。
参照图1，使用气动传送气体1a经由矿石干燥器将具有6mm的顶部尺寸的磁铁矿基矿石(或其他铁矿石)形式的含金属进料与石灰石1的共混物进料到熔炼旋流器2中。石灰石占矿石和石灰石的组合流的大约8-10wt％。经由单独的干燥器将煤3进料到熔炼炉4，在此使用传送气体2a将其注入金属和熔渣的熔融浴中。将氧7注入到熔炼炉4中至二次燃烧气体，典型地CO和H2，其在该熔融浴中产生且从其释放并且在该气体从熔炼炉4向上流入熔炼旋流器2中之前提供该浴中该熔炼法所必需的热。将氧8注入熔炼旋流器2中以预加热和部分地熔化该矿石。具体地，氧气8进一步二次燃烧在该熔融浴中产生并从其释放的气体(典型地CO和H2),导致熔炼旋流器2中非常热的(旋风的)火焰。典型地，氧7和8为技术级氧。
上述形式的HIsarna法的净效应为两步逆流法。含金属进料在熔炼旋流器2中被从熔炼炉4出来的反应气体加热并且部分还原，并且向下流入熔炼炉4中且被熔炼为熔融铁。
经由前炉将熔融铁5从熔炼炉4排出。
经由熔渣放出口将该方法中产生的熔融的熔渣6从熔炼炉4中排出。
选择操作条件以致经由废气出口导管9离开熔炼旋流器2的废气具有典型地至少90％的二次燃烧率，该操作条件包括但并不限于，直接向熔炼炉4和熔炼旋流器2的煤和矿石进料速率、氧进料速率和从熔炼炉4的热损失。
来自熔炼旋流器2的废气经过废气导管9至废气焚化炉10，在此将额外的氧11注入以燃烧剩余的CO/H2并且在完全燃烧的烟气中提供游离氧度(典型地1-2％)。
完全燃烧的气体于是经过废热回收段12，在此将该气体冷却并且产生蒸汽。烟气于是经过湿式洗涤器13，在此实现冷却和除尘。得到的淤泥14可用于经由矿石进料流1再循环到熔炼炉。
将离开洗涤器13的凉烟气进料到烟气脱硫单元15。
然后经由堆叠物16将清洁的烟气排出。该气体主要由CO2组成，并且如果合适的话，其能够被压缩和地质隔离(geo-squestered)(将残留的非可凝气体物质适当除去)。
熔炼炉4为以申请人的名义记载于国际公开WO 00/01854中并且包含由耐火材料形成的炉缸和由炉缸的侧面向上延伸的侧壁，该侧壁包括水冷面板。通过交叉引用将该国际公开中的公开内容并入本文。
可如说明书的上述背景部分中所述的那样操作上述装置以生产熔融金属。
如上所述：
(a)可由从该熔炼旋流器上方的废气导管断开并且落入熔炼炉中的熔融浴中的大固体(或接近固体)的富含氧化铁的堆积物引起熔炼炉4的熔炼室中不希望的熔渣发泡，在此它们能够在1分钟左右的时标上引起迅速的脱碳沸腾和发泡；
(b)中试试验表明从该熔炼旋流器落入该熔炼炉的“产物”主要包括液体或浆料滴并且偶尔还包括该固体堆积物；和
(c)本申请人认为这些几乎规则的下落固体堆积物引起不希望的“微型脱碳沸腾”事件，对于短时间，每个增加CO。
图2和图3各自表示根据本发明的废气导管9的实施方案。
参照图2和3，本发明通过设置从熔炼旋流器2的顶部向上地(在图2和3中所示的实施方案中竖直地)延伸的废气导管9的入口段18(参见图2和3的圆圈部分)并且该入口段18形成为使废气在其流经该入口段时经历显著的方向变化，从而解决了上述的由落入熔炼炉中的熔融浴中的来自废气导管9的堆积物引起的不希望的熔渣发泡事件。入口段中方向的显著变化使废气迅速地从旋流器室和熔炼室的向上(在这些实施方案中是竖直的)延伸部离开以致在导管9中形成的任何堆积物更有可能在入口段的下游(废气移动的方向上)形成并且横向从该入口段移开，因此不能直接落入熔炼室中的熔融浴中。
参照图2，废气导管9的入口段18包括弯道，典型地折线弯道，其在入口段18的上游(废气流动的方向上)竖直延伸支线21与入口段18的下游支线22之间限定约100-115°的夹角。换言之，该入口段包括上游支线21和下游支线22，下游支线22从上游支线21以角度α延伸并且限定入口段18的弯道。将入口段18定位以致上游支线21从熔炼旋流器2的顶部竖直地向上延伸。将入口段18中心地定位于熔炼旋流器2的顶部中。该配置引导从熔炼旋流器2向上流动的废气进入入口段18中。随即使废气流过该弯道，即，通过入口段18的支线21、22之间100-115°的弯角而方向显著改变，并且相对于熔炼旋流器2和熔炼炉4从竖直路径离开。经过该弯道的气体角度变化为65-80°。该配置使废气导管9的壁的表面积最小化，在废气导管9的该壁上固体堆积物能够形成并且随后从废气导管9分离并直接掉入熔炼炉4中的熔融浴中并且引起熔渣发泡事件。上游支线21和下游支线22可以为任何合适的长度。典型地，将支线21选择为尽可能短以致入口段18为高温区。
为了使堆积物生长最小化，在入口段18的壁的部分中(例如在入口段18的上游支线21和下游支线22之间的弯道的上表面上)通过水冷铜冷却壁19的形式的冷却元件将入口段18冷却，其中入口段18的壁的该部分是流经入口段18的废气的主要接触表面。
废气导管9还包括直段23，其为相对于水平以10-15°的角度从入口段18向上延伸离开的下游支线22的延伸。直段23可以相对于水平成任何合适的角度并且可以为任何合适的长度。直段23以向上的折线弯道的形式终止于下游段24，该向上的折线弯道在下游段24的竖直延伸的下游支线25与直段23之间限定至少75°且典型地75-80°的夹角β。该弯道使废气在其流经下游段24时经历另一个显著的方向变化(经过75-80°的气体角度变化)。这第二次方向变化有助于使堆积物从该废气分离。该下游段也是下游段24的下游的废气导管的壁上形成并且随后熔化或从该壁脱落的堆积物的收集区域。随着时间推移，这些堆积物熔化并且熔融的材料回流到熔炼旋流器2和熔炼炉4中。
参照图3，该图中所示的废气导管9的实施方案的入口段18形成为弯道、典型地折线弯道，其在入口段18的上游(废气流动的方向上)竖直延伸支线21与入口段18的下游支线22之间限定约90°的夹角α。如关于图2实施方案所述那样，下游支线22从上游支线21以角度α延伸并且限定入口段18的弯道。将入口段18定位以致上游支线21从熔炼旋流器2的顶部竖直地向上延伸。将入口段18中心地定位于熔炼旋流器2的顶部中。该配置引导从熔炼旋流器2向上流动的废气进入入口段18中。随即使废气流过该弯道，即，方向显著改变，即90°的气体角度变化，并且相对于熔炼旋流器2和熔炼炉4从竖直路径离开。该配置使废气导管9的壁的表面积最小化，在废气导管9的该壁上固体堆积物能够形成并且随后从该导管分离并直接掉入熔炼炉4中的熔融浴中并且引起熔渣发泡事件。为了使堆积物生长最小化，在入口段18的壁的部分中(例如在入口段18的上游支线21和下游支线22之间的弯道的上表面上)通过水冷铜板19的形式的冷却元件将入口段18冷却，其中入口段18的壁的该部分是流经入口段18的废气的主要接触表面。
图3中所示的废气导管9还包括折线弯道形式的下游段24，其在入口段18的下游支线22与下游段24的向上延伸的下游支线23之间限定70-75°的夹角β。下游段24紧接着就在入口段18之后。该弯道使废气在其流经下游段24时经历另一个显著的方向变化(经过105-110°的气体角度变化)。这第二次方向变化有助于使堆积物从该废气分离。该下游段也是下游段24的下游的废气导管9的壁上形成并且随后熔化或从该壁脱落的堆积物的收集区域。随着时间推移，这些堆积物熔化并且熔融的材料回流到熔炼旋流器2和熔炼炉4中。下游支线23为相对于水平以60-70°的角度向上延伸的直段。
图2和3中所示的本发明的废气导管9的实施方案对于使废气导管9中的堆积物最小化是有效的选择，该堆积物直接掉入熔炼炉4中的熔融浴中并引起熔渣发泡事件。
在不脱离本发明的主旨和范围的情况下可对上述的本发明的实施方案进行多种变形。
通过例示，尽管每个实施方案在入口段18和下游段24中包括两个折线弯道，但本发明并不限于此，并且本发明的最宽泛的实施方案在入口段18中包括单一的折线弯道。本发明也延伸到存在多于2个的弯道的配置。
而且，本发明并不限于图2和3中所示的实施方案中废气导管9的支线和其他部分的具体的相对尺寸。
而且，尽管图2和3中所示的实施方案的废气导管9的入口段18的支线21为竖直支线21，但本发明并不限于此并且包括支线21向上地但未必竖直地延伸的配置。由希望使支线21上形成的堆积物的可能性最小化的目标支配支线21的角度的选择。
而且，尽管入口段18中的弯道由直支线21、22限定，但本发明并不限于该配置并且扩展到其中支线21、22中的一个或两者为曲线或其他轮廓的配置。

Claims (18)

1.熔炼装置，包括：
熔炼炉，其包括适于容纳熔渣和熔融金属的浴的熔炼室；
用于预处理含金属进料的熔炼旋流器，其位于该熔炼炉上方并且与该熔炼炉直接连通；和
用于从该熔炼旋流器将废气排出的从该熔炼旋流器延伸的废气导管，该废气导管具有入口段，该入口段从该熔炼旋流器的顶部向上延伸，其中该入口段包括：
限定该入口段的上游支线的向上延伸部，该向上延伸部从该熔炼旋流器的顶部延伸；和
该入口段的下游支线，该下游支线相对于该上游支线成角度延伸,其中该入口段为在该入口段的上游支线与该入口段的下游支线之间限定至少90°的夹角的第一折线弯道形式，该第一折线弯道使得废气在其流经该入口段进入该废气导管时通过该角度而经历显著的方向变化，和
其中该废气导管包括下游段，该下游段具有在该下游段的上游支线和下游支线之间限定小于90°的夹角的第二折线弯道，从而使得当废气在流经该下游段时通过该角度而废气经历另一显著的方向变化，
其中该下游段从入口段的下游支线向上延伸，从而限定出收集区域以便在废气流经下游段时废气的另一显著方向变化期间，收集废气中的固体堆积物。
2.根据权利要求1所述的装置，其中入口段的上游支线被配置为从熔炼旋流器的顶部竖直向上延伸，从而随即在入口段以显著的方向变化引导废气。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述下游段的下游支线向熔炼旋流器的上部区域倾斜，从而引起废气经历另一显著的方向变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其中第二折线弯道紧接着位于下游支线的入口段之后，以便废气在其流经该入口段的下游支线时发生另一显著的方向变化。
5.根据权利要求1所述的装置，其中下游段中的收集区域被配置为允许熔融固体堆积物回到熔炼旋流器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中该入口段的弯道被冷却并且以防止大的固体堆积物在该弯道中生长的方式构造。
7.根据权利要求1-6的任一项所述的装置，其中该熔炼旋流器包括用于将固体进料和含氧气体注入该旋流器室的风口。
8.根据权利要求1-6的任一项所述的装置，其中该熔炼炉包括用于将固体进料和含氧气体注入该熔炼室的喷枪。
9.根据权利要求1所述的装置，其中该入口段为在该入口段的上游支线与该入口段的下游支线之间限定90-120°的夹角的第一折线弯道形式。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述下游段具有在所述下游段的上游支线和下游支线之间限定60-90°的夹角的第二折线弯道。
11.熔炼含金属进料的方法，其包括在权利要求1所述的装置的熔炼炉中在熔融浴中将该含金属进料熔炼。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
在权利要求1所述的装置的熔炼旋流器中至少部分地还原且部分地熔化该含金属进料；和
在所述装置的熔炼炉中在熔融浴中将该至少部分地还原/熔化的材料完全地熔炼。
13.根据权利要求11所述的方法，包括保持熔炼旋流器中充足的氧势以致来自该熔炼旋流器的废气具有至少80％的二次燃烧率。
14.根据权利要求11-13的任一项所述的方法，其中该含金属进料含有金属氧化物。
15.根据权利要求11-13的任一项所述的方法，其中该含金属进料包括矿石、部分还原的矿石和含有金属的废物流。
16.根据权利要求11-13的任一项所述的方法，其中该含金属进料包括含铁进料。
17.根据权利要求11-13的任一项所述的方法，其中该含金属进料包括铁矿石。
18.根据权利要求11-13的任一项所述的方法，其中该含金属进料包括二氧化钛熔渣。
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