CN1168925A - 一种射流还原冶炼方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射流还原熔融分离冶炼方法及设备，采用中低品位铁矿或难选铁矿、非炼焦煤为原料，用高速还原煤气流携带原料喷射入还原炉和还原熔融分离炉进行还原熔融分离，冶炼成铁水(半钢成分)，省去选矿、烧结、炼焦、高炉冶炼等工序，降低建设投资，改善环保、节能，彻底改变传统的钢铁生产工艺。

Description

一种射流还原冶炼方法及设备

本发明提供一种射流还原熔融分离冶炼方法及设备，属黑色金属冶炼-直接还原至熔融还原技术领域。

现有非高炉炼铁技术中，以煤为还原剂，采用回转炉直接还原铁矿熔融分离的，有朝鲜的粗钢生产(见“朝鲜回转炉炼铁生产”冶金工业出版社1974年11月第一版)。该方法的提出，目的在于克服朝鲜粒铁生产工艺存在生产效率低(回转炉容积利用系数0.25吨/米³.日)、热效率低(仅26％)的主要缺点。

朝鲜粗钢生产工艺，实质是将清津粒铁厂海绵铁回转炉与热分离炉串联起来，实现渣铁热分离，所得液态粗钢直接热装电炉炼钢，比回转炉粒铁生产工艺前进了一大步。但是，仍不能从根本上解决回转炉冶炼海绵铁生产效率低，热效率低的致命缺点。

本发明的目的在于应用中低品位铁矿(或难选铁矿)、非炼焦煤，用射流还原熔融分离方法冶炼成铁水(半钢成份)，省去选矿、烧结、炼焦、高炉冶炼等工序，降低建设投资，改善环保，降低能耗，降低生产成本，彻底改变传统的钢铁生产工艺。

本发明的另一个目的包括实现本发明冶炼方法的设备。

本发明采用的设备包括鼓风机，高效换热器，煤气发生炉，管道，闸阀，其特征在于本发明还包括其上设有喷射缩口的射流还原炉以及其上沿炉内壁切线方向设有喷射入口，其内设有喷射缩口的射流还原熔融分离炉。射流还原炉由射流予热初还原炉和射流还原炉两部份构成，射流予热初还原炉的上部和下部设有锥体，底部和顶部设有喷射缩口，用于增大流速，为炉料产生喷腾运动提供动能；射流还原炉的上部和下部也设有锥体，底部(即射流予热初还原炉的顶部)和顶部设有喷射缩口，用于使炉料产生第二次喷腾运动，在底部喷射缩口部位设有热风入口，用于提高还原用温度。射流还原熔融分离炉由上部带锥体的射流还原炉身及下部的炉缸构成。炉身与炉缸之间设有喷射缩口，上部的射流还原炉身的炉壁设为波浪形，用于使射入的物料形成紊流后再逐渐变为旋转运动，并延长贴壁炉料的滞流时间，另在该炉的上部沿炉体内壁切线方向设有炉料射入口，中部沿炉体内壁割向设置风口，用于提供高温热风，炉身内径上大下小，逐渐收缩成锥体，锥面角度为80-85，炉身与炉缸之间设喷射缩口，用于向炉缸内射入高温高速气流，促进缸内化学反应及渣铁分离。

本发明按以下方法实现

1、用1000℃-1200℃热风，在煤气发生炉19内使煤粉燃烧气化，生成还原煤气。要求煤粉(R90)通过4900孔/cm²的筛网，筛余量＜10％，低位发热量＞2000KJ/KG，水份＜1％，磨粉时加入熔剂(降低灰份熔点)。煤粉用给料器从入口18给入，随来自高效换热器的热风进入射流口，风粉射流被纳入旋转运动，在燃烧过程中，煤粉被甩向炉壁形成滞流燃烧层，与气流之间反应表面积很大，且形成可观的相对运动，传热传质迅速，加上炉壁起伏影响，延长煤粉滞流燃烧气化时间.煤粉不完全燃烧放热，虽然只相当于完全燃烧放热的三分之一，但是有1000℃以上的热风燃烧气化煤粉，可以生成1000℃以上的还原煤气。提高入炉热风温度到1200℃左右，实现液态排渣和生成高温还原煤气。煤气通过管道11送至射流予热还原炉的下部；煤灰熔化成渣，落入熔渣池3流入炉缸10，渣中残炭在缸内浮在渣水面上气化成CO，在高温除尘室8中二次燃烧放出化学热能。

2、铁矿、煤(还原剂)和熔剂按配比混匀磨细(R90)成粉料(称炉料)，由给料器从入口12给至煤气流，煤气流携带炉料以每秒20-40米的速度从喷射缩口28进入射流予热初还原炉下部，在炉体一定高度内形成一股上升气流，将炉下部锥体周围的炉料和煤气不断裹胁进来，喷射上去，造成许多由中心向炉壁的旋涡，从而形成喷腾运动。在喷射缩口28附近，进入煤气流的炉料被吹起、悬浮，较大的颗粒所受阻力不同而被甩向炉壁，碰壁后沿壁下坠，降到喷射缩口，再被吹起而作大循环；较小的颗粒在向炉壁运动的过程中，有的被上升煤气流带走，有的到达炉壁后进入滞流喷腾层，这种喷腾运动，使炉内煤气流的平均含料粉浓度大大增加，大幅度延长了料粉在炉内经过的时间。在炉内具有的还原温度850-950℃，还原气氛(煤气)和还原时间(滞流时间)等条件下，使炉料完成预热初还原，即铁矿粉由Fe2O3还原成Fe3O4和FeO，还有少量还原成Fe。炉内温度若超过950℃，必须从调温孔17注入少量水蒸汽，控制温度在950℃以下，以免出现炉壁结皮、粘结、堵塞等事故。水蒸汽入炉吸热分解，增加煤气中H2(还原剂)的含量，温度在850℃以上，有利于加快铁矿还原反应速度。

3、炉料完成预热初还原后，重量减轻并随煤气流进入二次喷射缩口26以每秒20-40米的速度射入射流还原炉下部，再次形成喷腾运动，在900-950℃还原温度下，炉内大量的FeO在固态下还原成Fe，当温度低于900℃时，由调温孔14引入少量热风增温。

为了使矿粉在固态下获得充分的还原，除温度因素外，要优化以下因素：①增加炉料细度，以增大反应比表面积；②选择反应性好的还原剂，适当增加还原剂配比；③正确设计炉体结构，延长炉料在炉内滞流时间；④选择最佳的操作速度，如射流速度等。

4、还原炉料随煤气流经上部的管道29从喷射口21以每秒18-25米的速度进入射流还原熔融分离炉16的顶部，由于炉衬内壁形状变化，煤气流从紊流状态过渡到旋转状态，悬浮于煤气流中的炉料受离心力作用，逐渐被甩向炉壁，形成滞流层，同时炉料受下部高温带辐射传热而升温到1000℃左右，料层中的还原剂继续气化，尚未充分还原的铁矿粉继续还原。

炉料往下移动，有少量一次热风(占入炉风量的20％左右)从风口30入炉燃烧煤气，火焰温度升到1200-1300℃，靠近中央的料层表面温度升高，出现液相，靠炉壁的料层温度较低，因有还原剂散布其中，属强还原性区域，炉体中央气流CO₂含量增加，属弱还原性区域，为料层中的矿粉实现最终还原留有余地。

随着炉料层往下移动，有二次热风(占入炉风量的30％左右)，三次热风(占入炉风量的50％左右)分别从风口31和32入炉，大量燃烧还原煤气，火焰高达1600℃左右，炉料层软化熔融，其中金属铁微粒分散包裹在熔渣中，被渣膜保护。另外，由于炉内结构的特性及气流旋转作用，炉料贴壁并含有炭素，氧气相对不足，属还原气氛，炉料与气流接触的过程中，避免金属铁粒氧化；熔融炉料往下降落，炉体内径逐渐收缩，熔融料层逐渐加厚，也有利于减少金属铁粒的氧化。

熔融料层下降至炉体底部，随气流入炉缸10，在炉缸内熔体受喷射缩口25喷出的高温高速气流(每秒150-250米)强烈冲击搅拌，迅速升温，熔渣粘度降低，铁往下沉，渣往上浮。渣中残炭浮到渣水面气化成CO，随废气排出炉缸，炉缸内，定时放出铁水，渣水。

射流还原熔融分离炉16的炉体下部和炉缸的耐火炉衬工作温度较高，受熔渣、火焰冲刷侵蚀，将会缩短工作时间。但是，由于炉体下部熔融炉料贴壁移动，对耐火炉衬起一定的保护作用，炉缸内火焰温度高达1700℃左右，渣水上浮，加上水冷炉壁的散热，可以发挥耐火炉衬的自卫能力。因为在冶炼过程中，不断产生侵蚀耐火炉衬的液铁、液渣，在散热冷却过程中冻结成渣皮，铁壳来保护炉衬，从而延长了耐火炉衬的工作寿命(高炉的炉腹，炉缸主要靠水冷炉壁的散热作用，提高耐火炉衬的自卫能力，从而延长了工作寿命)，本炉炉体下部及炉缸的耐火炉衬，可选用磷酸盐高铝砖或镁碳砖等。

5、炉缸内排出的废气含有CO，并带出少量熔渣，在除尘室8内引入热风进行二次燃烧CO，放出化学热能，同时净化高温废气，以确保高效换热器5的正常工作。

6、高效换热器输出1000℃-1200℃热风，分两路，一路进入煤气发生炉19生成煤气后再经过煤气管11送至射流予热初还原炉13，射流还原炉15再进入射流熔融分离炉16中；另一路分成三股分别从风口30、31、32进入射流还原熔融分离炉16，两路汇合从炉缸10排出，相当于两条并联风路，两者路程阻力悬殊较大，故设置闸伐7以调节平衡热风流量。

7、铁矿还原化学反应式及炉渣综合碱度

按固体炭素还原铁矿粉的还原反应，其产物可分成2组：

(1)       -108910kJ

             -194263kJ

                 -167590kJ

二组反应的发展程度，主要取决于 反应进行情况，温度升高到900℃以上时，还原反应主要按(1)组方式进行，(2)组反应实际进行已极少。

炉渣综合碱度(R) $R=\frac{\mathrm{CaO}+\mathrm{MgO}+\mathrm{MnO}}{\mathrm{AL}2O3+\mathrm{SIO}2}=0.3-0.5$

8、主要部位的温度、压力参数范围：

炉体名称(编号)	部    位	温度(℃)	压力(kpa)
				高效换热器5	冷风进口	常    温	8.6-11.6
煤气发生炉3	热风进口	＞1000	7.4-10.4
				射流予热初还原炉13	煤气及炉料进口	1000-1100	6-9
射流还原炉15	煤气及炉料进口	850-950	4.8-7.8
				射流还原熔融分离炉16	煤气及炉料进口	900-950	4-7
炉缸10	喷射气流出口	1600-1700	2.2-5.2
				高温除尘室8	高温废气进口	1500-1600	1.7-4.7
高效换热器5	高温废气进口	1450-1500	1.2-3.3

本发明具有以下优点：

(1)从根本上摆脱了回转炉传热效率低，生产效率低的缺点，充分发挥炉料比表面积大，传热传质迅速的优势，从而提高了热效率和生产效率；

(2)不存在设备联接上的困难，容易操作；

(3)燃烧还原后的煤气，放出热量升温，实现渣铁热分离，省去喷吹煤粉加压缩空气搅拌熔池的设施；

(4)高温废气除尘，并燃烧废气中的CO，放出化学热能，净化后的高温废气直接进入高效换热器换热，排出的废气温度降到350℃以下，热风温度达1000-1200℃。

(5)回收废气中的热量全部用于生产流程中，不设置废热锅炉；

(6)减少建设投资。

图1为本发明之设备总图；

图2为本发明之射流还原熔融分离炉剖面图；

图3为本发明之射流还原炉下部剖面图；

图4为本发明之C-C剖面图；

图5为本发明之D-D剖面图；

下面结合附图对本发明设备做进一步描述。

图中：1为鼓风机，2为放风闸阀，3为煤气发生炉的熔渣池，4为排渣管，一端与熔渣池相连，另一端与熔融分离炉的炉缸相连，便于熔渣流入炉缸内，5为高效换热器，利用来自二次燃烧室8的废气加热空气，便于向煤气发生炉19和射流还原熔融分离炉16、射流还原炉15提供热风，6为热风管道，分为两路，一路供煤气发生炉19，另一路分三股供射流还原熔融分离炉16的风口30、31、32，7为控制阀，8为高温降尘及二次燃烧室，9为渣、铁出口，10为炉缸，11为煤气管，一端与煤气发生炉相连，另一端与射流还原炉相接，12为炉料(矿粉、熔剂、还原剂)入口，13为射流予热初还原炉，14为调温热风入口，15为射流还原炉，用钢材做炉壳，炉内砌有耐火砖炉衬，16为射流还原熔融分离炉，壳体为钢材，上部炉壁为耐火砖炉衬，中部内炉壁为耐火砖炉衬，外炉壁设有水冷装置，成为水冷外炉壁，下部炉缸内砌有碳砖等耐火炉衬，17为蒸汽入口，18为煤粉入口，19为煤气发生炉，20为废气排放管，21为炉料入口，沿炉内壁切线方向设置，22为波浪形内壁，23为耐火材料内衬，24为热风口，沿炉内壁割向设置，25为炉缸顶部的喷射缩口，26为射流还原炉的二次喷射缩口，27为上、下部的锥体，28为底部喷射缩口。

实施例：

采用炉料的化学成份：铁矿：TFe48.2％、K2O0.34％、Na2O0.17％、CaO0.69％、MgO0.34％、AL2O36.5％、SiO220.3％、MnO1.8％、P＜0.26％、S＜0.01％

褐煤半焦：固定碳60％、挥发份5％、灰份35％、硫＜0.2％

石灰：CaO＞85％

炉料按化学成份和化学反应方程式进行配料计算，其配比为：铁矿800千克(80％)、褐煤半焦120千克(12％)、熔剂(石灰)80千克(8％)混合均匀，磨细至-200。

炉料给至1100℃的气流，流速为每秒20米，射入炉13予热初还原，炉内温度保持900℃，炉料随煤气再射入炉15还原，炉内温度保持940℃，金属还原率大于70％，炉料再随煤气流以每秒25米的流速进入炉16，炉体上部温度控制在950-1000℃，使炉料充分还原，炉体中部温度控制在1200-1400℃，使炉料还原熔融，炉缸温度控制在1600-1700℃，使炉料最终还原熔融分离，炉缸内向下喷射的气流速度为200米/秒，火焰温度高达1700℃，渣水温度可达1550℃，铁水(半钢成分)温度达1480℃。

获得主要技术经济指标：

铁水化学成份C1.2％Si0.6％S＜0.06％P＜0.04％

炉渣综合碱度0.35，金属冶炼回收率96％

铁矿消耗    2.12吨/吨铁

还原剂消耗  0.32吨/吨铁

煤粉消耗    0.7吨/吨铁

熔剂消耗    0.245吨/吨铁

电力消耗    120KWH/吨铁。

Claims (6)

1、一种射流还原冶炼方法，其特征在于：

a、将原矿、还原剂和熔剂按配比混匀磨细成粉料，通过给料器从射流还原炉下部的入口给至煤气流，煤气流携带炉料以每秒20-40米的速度，经射流还原炉下部喷射缩口28喷射进入射流予热初还原炉，在850-950℃温度下进行预热初还原；

b、预热初还原的炉料随煤气流以每秒20-40米的速度经射流还原炉下部的喷射缩口26喷射进入射流还原炉，在900-950℃温度下进行固态还原；

c、还原炉料随煤气流以每秒18-25米的速度经切向设置于射流还原熔融分离炉顶部的喷射口21进入炉内，在炉体上部温度为950-1000℃的区域内进行充分还原，在炉体中部温度为1200-1400℃区域内熔融实现最终还原，炉体底部在1600-1700℃温度下实现渣铁熔融分离，在炉缸顶部喷射缩口形成高速的高温气流(每秒150-250米的速度)喷射入炉缸熔体内进行冲击搅拌，完成最终冶炼，使渣铁分离。

2、根据权利要求1所述的冶炼方法，其特征在于炉料(矿粉、煤、熔剂)粒径小于5mm。

3、一种用于权利要求1所述冶炼方法的设备，包括鼓风机，高效换热器，煤气发生炉，管道，闸阀，其特征在于本发明还包括其上设有喷射缩口的射流还原炉以及其上沿炉内壁切线方向设有喷射入口，其内设有喷射缩口的射流还原熔融分离炉。

4、根据权利要求3所述的设备，其特征在于射流还原炉由射流预热初还原炉和射流还原炉两部份构成，且两炉的上部和下部均设有锥体，锥顶设有喷射缩口。

5、根据权利要求3所述的设备，其特征在于射流还原熔融分离炉由上部带锥体的射流还原炉身和下部炉缸构成，且炉身与炉缸之间设有喷射缩口。

6、根据权利要求5所述的设备，其特征在于射流还原熔融分离炉上部炉身的锥面角度为80°-85°，且在炉身上部沿炉体内壁切向设置炉料喷射入口，中部沿炉体内壁割向设置热风入口。

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