CN1217015C - 稳定的停炉过程 - Google Patents

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Abstract

在直接熔炼过程中维持熔融金属生产的工艺方法，在必须维持金属生产并连续地供给含氧气体和固体含碳材料的情况下，维持过程包括停止供给含金属喂入材料，向炉中连续注入含氧气体和固体含碳材料，在炉中产生热量以维持熔浴在熔浴冻结温度以上。在必须维持生产、连续供给含氧气体、不供给固体含碳材料的情况下，维持过程包括停止供给含金属喂入材料和将含氧气体和可燃材料注入炉中，在炉内产生热量以维持熔浴温度。

Description

稳定的停炉过程
本发明涉及了一种在含有熔浴的冶炼炉中从含金属喂入材料即矿石、部分还原矿石和含有金属废洗矿生产铁水的工艺方法。
本发明特别涉及了从含金属喂入材料生产铁水的基于熔浴的直接熔炼工艺方法。
术语“直接熔炼工艺方法”的含义是从含金属喂入材料中生产熔融金属(在这里是铁)的工艺方法。
本发明特别涉及熔浴直接熔炼工艺方法，通常指Hismelt工艺方法。
从一般来说，Hismelt方法包括以下步骤：
a在直接熔炼炉中形成由金属层和在金属层上的熔渣层组成的熔浴；
b通过多个喷枪/吹风嘴向金属层中注入含金属喂入材料、固体含碳材料和任选的助熔剂；
c在金属层中熔炼含金属喂入材料；
d使熔融材料以溅洒、熔滴和射流注入熔浴标定静态表面上方的空间，以形成过渡区；和
e通过一个或多个喷枪/吹风嘴向炉中注入含氧空气，后燃烧从熔浴中释放出来的反应气体，因此过渡区中的熔融材料的溅洒、熔滴和射流的上升和随后的下降有利于将热量传递给熔浴，这样就降低了与过渡区接触的炉侧壁的热量损失。
Hismelt工艺方法的最佳方式的特征是：通过喷枪向熔浴中注入载入气体、含金属喂入材料、固体含碳材料和任选的助熔剂而形成过渡区，其中喷枪通过炉的侧壁向下和向内延伸，使得载入气体和固体材料进入金属层并且熔融材料从熔浴中形成。
这种Hismelt工艺方法是早期工艺方法的改进，它通过吹风嘴在底部向熔浴中注入载入气体和固体含碳材料而形成了过渡区，使得熔融材料的溅洒、熔滴和射流从熔浴中溅起。
申请人已经对使用Hismelt工艺方法作了广泛的试产工作，试产工作包括从直接熔炼炉中连续地排出熔融金属并定期地排出熔渣，并且申请人已经从该工艺方法中得到了一系列重要发现。
其中的一个发现即本发明第一方面是连续供入含氧气体和固体含碳材料的状态，能够长期维持这个过程即停止生产金属，并保持炉中的熔融金属池，然后接着进行该过程而恢复金属的生产。
这是一个重要的发现，因为在许多情况下，必须能够在相对很短的时间内停止生产铁水。这种状态的一个例子是：当下游操作不能用该工艺方法生产铁水时。在这种状态下，当可以连续进行该工艺方法并且生产铁水时，由于直接在下游工艺操作中使用该铁水，因而遭受经济损失。另一个例子是：在该工艺方法中偶然中止供应含金属喂入材料时，就不能继续操作该工艺方法。在这种状态下，如果没有维持过程的话，就只有即刻关闭该过程并且从炉子中排空铁水和熔渣，当校正了关闭原因后，再重新启动该工艺方法。关闭/启动过程大大降低产量并带来具备巨大经济损失。
在试产工作中的另一个发现即本发明第二个方面是在固体含碳材料的供给中断、但可供入气体或液体燃料(即天然气)的状态下，能够维持该过程相当长一段时间，即停止生产金属并维持炉中的熔融金属池，然后继续操作该过程并恢复金属的生产。
这是一个重要的发现，因为在没有维持过程的情况下，唯一的选择是即刻关闭该过程并且从炉子中排空铁水和熔渣，当校正了关闭的原因后，再重新启动。关闭/启动过程大大降低产量并带来具备巨大经济损失。
上述发现特别适用于直接熔炼工艺方法，该工艺方法连续地排出熔融金属并定期地排出熔渣。
本发明的第一个方面提供了在炉中从含金属喂入材料生产熔融金属的直接熔炼工艺方法，炉中含有由金属层和在金属层上的熔渣层组成的熔浴，该工艺方法包括以下标准的操作过程：
a通过多个注入固体材料的喷枪/吹风嘴将载入气体、含金属喂入材料和固体含碳材料和任选的助熔剂注入熔浴中，其中注入固体材料的喷枪/吹风嘴设置在金属层的上方并延伸向金属层的表面，使得熔浴中的熔融材料在熔浴的标定静态表面上方溅起溅洒、熔滴和射流，以形成过渡区；
b在熔浴中将含金属喂入材料熔炼成金属；
c通过一个或多个喷枪/吹风嘴向炉中注入含氧气体，并且使从熔浴中释放出的反应气体后燃烧，因此在过渡区中上升和随后下降的溅洒、熔滴和射流有利于将热量传递给熔浴；
d从炉中排出所需的熔融金属和熔渣；
并且这种工艺方法的特征是下面的维持过程，不中断含氧气体和/或固体含碳材料的供给，必须停止生产熔融金属一段时间。
i停止向炉中供入含金属喂入材料。
ii通过注入固体材料的喷枪/吹风嘴向熔浴中连续注入载入气体和固体含碳材料，并在熔浴中产生可燃材料，使熔融材料和可燃材料射入过渡区内；并且
iii通过一个或多个喷枪/吹风嘴向炉中注入含氧的空气并让射入过渡区内的可燃材料燃烧，因此过渡区内熔融材料溅洒、熔滴和射流的上升和随后的下降有助于将热量传递给熔浴，以使熔浴的温度保持在熔浴冻结温度之上。
在维持过程中，最好减少注入到炉中的固体含碳材料和含氧空气的数量。
最好维持过程还包括定期地向熔浴中加入助燃剂。
最好维持过程还包括定期地排出熔渣。
本发明的第二个方面提供了一种在炉中由含金属喂入材料生产出熔融金属的工艺方法，其中炉中含有由金属层和在金属层上的熔渣层组成的熔浴，该工艺方法包括以下的标准操作过程：
a通过多个注入固体材料的喷枪/吹风嘴将载入气体、含金属喂入材料和固体含碳材料和任选的助熔剂注入熔浴中，其中注入固体材料的喷枪/吹风嘴设置在金属层的上方并延伸向金属层的表面，使得熔浴中的熔融材料在熔浴的标定静态表面上方溅起溅洒、熔滴和射流，以形成过渡区；
b在熔浴中将含金属喂入材料熔炼成金属；
c通过一个或多个喷枪/吹风嘴向炉中注入含氧气体，并且使从熔浴中释放出的反应气体后燃烧，因此过渡区中的上升和随后下降的溅洒、熔滴和射流有利于将热量传递给熔浴；
d从炉中排出所需的熔融金属和熔渣；
并且这种工艺方法的特征是下面的维持过程，必须停止生产熔融金属一段时间，并且中断固体含碳材料的供给。
i停止向炉中供给含金属喂入材料；和
ii将含氧气体和气体或液体可燃材料注入到炉中，并使可燃材料燃烧以保持温度。
与本发明的第一方面相关的术语“可燃材料”理解为包括，例即一氧化碳、固体焦碳、氢气和可由固体含碳材料产生的其它易挥发物。
在上下文熔浴中的术语“静态表面”的含义为在无气体/固体注入并且不搅拌熔浴的操作条件下的熔浴表面。
一般维持的时间可长达5个小时。
最好操作步骤d包括从炉中连续地排出熔融金属。
该工艺方法包括通过前炉连续地排出熔融金属，最好维持过程包括改变炉内的压力，由此改变炉内熔融金属的水平面，迫使熔融金属从炉中进入前炉并从前炉进入炉中。改变压力使得熔融金属在炉子和前炉之间进行循环并有助于维持炉中和前炉熔融金属温度的相对均匀一致。
最好固体含碳材料是煤。
最好气体可燃材料包括天然气。
最好含氧气体是空气或富氧空气。
最好富氧空气至少包括占体积50％的氧气。
最好该工艺方法工作在高后燃烧水平。
最好后燃烧的程度大于60％。
最好含金属喂入材料是一种含铁的喂入材料。最好的喂入材料是铁矿石。
铁矿石可被预热。
铁矿石可部分地被还原。
最好含金属喂入材料主要在金属层被熔炼成金属。
参照下列附图所示的实施例对本发明作进一步的描述，其中
附图1为实施根据本发明最佳实施例方法的直接熔炼炉的纵向截面图，该工艺方法将铁矿熔炼成熔铁。
图中显示的炉子是一个具有底座3和由耐火砖砌成的炉壁55的炉；它还包括通常从炉壁55向上延伸并包括上圆筒部分51和下圆筒部分53的侧壁5；顶部7；出气口9；可连续排出熔铁的前炉81；与炉和前炉81相连的前炉连接部分71；和排出熔渣的排出口61。
在使用中，在标准操作情况下即稳定状态下，炉子含有铁和熔渣的熔浴，其含有熔铁层15和在金属层15上的熔渣层16。由标号17所示的箭头表示金属层15的标定静态表面的位置，由标号19所示的箭头表示熔渣层16的标定静态表面的位置。术语“静态表面”理解为未将气体和固体加入到炉子中时的表面。
炉子还包括2个注入固体的喷枪/吹风嘴11，它穿过侧壁5并以与其垂直面成30°-60°的角度向下和向内延伸，进入熔渣层16。喷枪/吹风嘴11的位置是这样选择的，在稳定状态工艺方法条件下，它的底部在金属层15的静态表面17之上。
在使用中，通过喷枪/吹风嘴11将标准操作条件的铁矿石、固体含碳材料(一般为煤)、和含在载入气体(一般为N2)中的助熔剂(一般为石灰或碳酸镁)注入到熔浴中。固体材料/载入气体的动量使固体材料和气体穿过金属层15中。煤被低温炼焦并由此在金属层15产生气体。碳一部分溶入金属中，一部分保留在固体碳中。铁矿石被熔炼成金属，并且该熔炼反应产生了一氧化碳气体。传入金属层15和通过低温炼焦和熔炼产生的气体对熔融金属、固体碳和熔渣(由于固体/气体的注入而进入金属层的熔渣)产生了巨大的向上的浮力，使得金属层15产生熔融材料和熔渣的溅洒、熔滴和射流。当熔融材料的溅洒、熔滴和射流经过熔渣层16时，便夹带了熔渣。
熔融金属、固体碳和熔渣向上的浮力在金属层15和熔渣层16内产生了很大的搅动，由此使熔渣层的体积增大并且熔渣层具有如箭头30所示的表面。搅动范围使金属和熔渣区域中具有趋于相对均衡的温度，一般温度在1450°-1550°范围内有30°左右的温度变化。
另外，由熔融金属向上的浮力而产生熔融材料和熔渣的溅洒、熔滴和射流的向上运动，使得固体碳和熔渣进入炉中熔融材料上方的顶部空间31，并且；
a形成了过渡区23，以及
b溅起一些熔融材料(主要上熔渣)越过过渡区并到侧壁5的上圆筒部分51的上，即在过渡区23上面到顶部7上。
一般说来，熔渣层16是一种夹带气体泡沫的液体连续容积，而过渡区23是一种夹带熔融金属和熔渣的溅洒、熔滴和射流的气体连续容积。
炉子还包括注入含氧气体(通常是预热含氧的空气)的喷枪13，它设置在炉子的中心并在炉中垂直向下延伸。喷枪13的位置和气体在喷枪中的流速是这样选择的：在标准操作条件下，气体穿过过渡区23的中央区并且在喷枪13底部的周围保持大致的金属/熔渣的自由空间25。
在使用中，在标准操作条件下，通过喷枪13注入的含氧气体使得在过渡区和在喷枪底部周围自由空间25内的反应气体CO和H2后燃烧，并在气体空间内产生2000℃左右的高温或更高温。热量传递给在气体注入区内上升和下降熔融材料溅洒、熔滴和射流，然后在金属/熔渣返回到金属/熔渣层15/16时，热量部分地传递给金属层15。
为了达到高水平的后燃烧，自由空间25是很重要的，因为它使过渡区23上方空间内的气体夹带进喷枪13的末端区域，因此增加了后燃烧的反应气体的接触。
喷枪13的位置、通过喷枪的气体流速和熔融材料溅洒、熔滴和射流的向上运动的综合效果形成了喷枪13底部区域周围的过渡区23，一般由标号27所示。所形成的区域对向侧壁5辐射的热传递形成部分屏蔽。
另外，在标准操作条件下，上升、下降的熔融材料溅洒、熔滴和射流是从过渡区23到熔浴传热的有效方式，这样在侧壁5区域内的过渡区23温度为1450℃-1550℃左右。
当在标准条件下进行操作时，炉子的结构是根据炉中金属层15、熔渣层16和过渡区23的水平面而确定的，并根据溅入过渡区23上方顶部空间31的熔融材料溅洒、熔滴和射流而确定，从而：
a与金属/熔渣层接触的炉和侧壁5的圆筒下部53是由耐火材料砌成的(如图中剖面线所示)；
b至少侧壁5圆筒下部53的一部分衬有冷却水板8；和
c与过渡区23和顶部空间31接触的侧壁5和顶部7的上圆筒部分51装有冷却水板57，59。
在侧壁5的上圆筒部分51内的每个冷却水板57、59(未示出)均具有平行的上缘、下缘和平行的侧缘，并且板被弯成一般圆筒的形状。每个板包括一个内冷却水管和一个外冷却水管。将该管子制成水平管与弯曲管相连的蛇形结构。每个管子还包括进水口和出水口。将管子垂直偏移放置，使得从板暴露面(即露于炉子内部的表面)看，外管的水平部分不直接位于内管的水平部分的后面。每个板还包括填充每个管子相邻的直线段之间的空间和管子之间的空间的填充耐火材料。每个板还包括一个在板的外表面上的支撑板。
管子的进水口和出水口与供水回路(未示出)相连，该供水回路使水以高流速循环通过管子。
炉子还包括2个天然气燃烧嘴12，它穿过侧壁5以与垂直方向成30°-60°的角度向下和向内延伸。正如下文所述，天然气燃烧嘴12可用在维持过程中。
上面所指的试产工作是由申请人在Kwinana、澳大利亚西部所进行的一系列延长炉龄期的实验。
试产工作是在图中所示的炉子中并且在上述稳定操作条件下进行。特别是，操作通过前炉81连续地排出铁水并通过排出口61定期地排出熔渣。
试产工作在很多不同范围内对炉子作出评估并检测整个过程：
a喂入材料；
b注入固体和气体的速率；
c熔渣量-根据熔渣层深度进行测量和熔渣与金属的比率；
d操作温度；和
e设备的装配。
在本发明上下文的试产工作已经发现：在炉子中可维持高达5个小时的熔融金属，在维持过程结束后，可重新启动该工艺方法。这种发现大大提高了操作的灵活性并缩减了该工艺方法关闭的次数。
申请人发现：下面维持过程是成功的。
1.它处于中断供给含氧气体的状态。
维持过程包括以下步骤。
a除了向喷枪/吹风嘴11保持低正向载入气体流外，停止向炉中供入一切喂入材料，
b从炉中排出熔渣直到在金属层15上有较少的一层熔渣为止。
c让熔渣冻结在金属层15上。
d将木炭加入前炉81中，并停止前炉连接部分71的外表面的喷射冷却。
申请人发现：这种过程可在炉中维持大于6小时的熔融状态。在下文中，前炉81的接触面积大于炉子的接触面积，因此必须检测熔融金属的状态，并且采用一些步骤来(如向前炉表面加入额外的木炭)隔离金属以减少热量损失。
一旦恢复供入含氧气体，直接熔炼过程重新开始。
2.连续地供入含氧气体和固体含碳材料的状态，否则必须维持金属生产。
a在这种特殊的状态下，不断地向炉子中提供喂入材料，但是必须停止生产铁水，维持过程包括以下步骤：
i停止向炉中供入铁矿。
ii)少量地连续供入固体含碳材料和通过喷枪/吹风嘴供入载入气体，由此产生熔融材料溅洒、熔滴和射流向上运动并进入过渡区。熔融材料溅到冷却水板上，形成了主要由熔渣组成的固体层，从而减少了通过板损失的热量。
iii通过喷枪13连续地注入少量的含氧气体，并且在过渡区内燃烧材料。熔融材料溅洒、熔滴和射流的下降将热量传递给熔浴。
iv向前炉81中加入木炭并停止前炉连接部分的外表面的喷射冷却。
v经过一段时间在一系列步骤中增加炉中的压力以达到预定的上限。
vi并经过一段时间在一系列步骤中减少炉中的压力以达到预定的下限。
vii重复v和vi步骤，并且定期对前炉温度和碳进行取样。
viii定期地排放熔渣。
改变压力的目的是让熔融金属从炉子中流入前炉81并从前炉81流入炉中，通过这两个区域进行熔融金属的循环。熔融金属的循环确保熔融金属具有相对均衡的温度，并避免金属的局部冻结。
b在这种特殊的状态下，除了损失煤供给以外，还要连续地供给其它喂入材料，维持过程包括以下步骤：
i停止向炉子供给铁矿石，并且通过固体注入喷枪/吹风嘴11向炉中提供可维持正流量的载入气体；
ii通过喷枪13将含氧空气的流速降至较低的水平，并且通过燃烧嘴12向炉中注入天然气。天然气在炉中燃烧并产生了维持炉内温度的热量；
iii向前炉81中加入额外木炭并停止向前炉出口喷射冷却；
iv经过一段时间在一系列步骤中增加炉中的压力以达到预定的上限；
v经过一段时间在一系列步骤中减少炉中的压力以达到预定的下限；
vi重复v和vi步骤，并且定期对前炉温度和碳进行取样。
根据估测的可重新喂入煤的时间，可适当将炉中熔融金属和熔渣的数量降至最低的水平。
一旦重新供给煤，最佳启动过程是将熔融金属加热到大约1450℃的温度并进行渗碳，使碳饱和，然后再增加喂入材料的供给。
可以对上述本发明工艺方法的最佳实施例作出很多改变而不会脱离本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种在炉中从含金属喂入材料生产熔融金属的工艺方法，炉子容纳由金属层和金属层上的熔渣层组成的熔浴，该工艺方法包括以下标准操作过程：
a通过多个注入固体材料的喷枪或吹风嘴将载入气体、含金属喂入材料和可用作燃料的固体含碳材料注入熔浴中，其中注入固体材料的喷枪或吹风嘴设置在金属层的上方并延伸向金属层的表面，使得熔浴中的熔融材料在熔浴的标定静态表面上方溅起溅洒、熔滴和射流，以形成过渡区；
b在熔浴中将含金属喂入材料熔炼成金属；
c通过一个或多个喷枪或吹风嘴向炉中注入含氧气体，并且从熔浴中释放出的反应气体后燃烧，因此在过渡区中上升和随后下降的熔融材料溅洒、熔滴和射流将热量传递给熔浴；
d从炉中排出熔融金属和熔渣；
并且这种工艺方法的特征在于下面的维持过程，不中断供给含氧气体和/或可用作燃料的固体含碳材料，必须停止生产熔融金属一段时间：
i停止向炉中供入含金属喂入材料；
ii通过注入固体材料的喷枪或吹风嘴向熔浴中连续注入载入气体和可用作燃料的固体含碳材料，并在金属层中产生可燃材料，使熔融材料和可燃材料溅入过渡区内；并且
iii通过一个或多个喷枪或吹风嘴向炉中连续注入含氧空气并让溅入过渡区内的可燃材料燃烧，因此过渡区内熔融材料溅洒、熔滴和射流的上升和随后的下降将热量传递给熔浴，以使熔浴的温度保持在熔浴冻结温度之上。
2.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：维持时间长达5个小时。
3.如以上任一权利要求所述的工艺方法，其特征在于：步骤d包括不断地从炉中排出熔融金属。
4.如权利要求3所述的工艺方法，其特征在于：步骤d包括通过前炉不断地从炉中排出熔融金属，并且维持过程包括改变炉中的压力，因此改变炉中熔融金属的水平面，并迫使熔融金属从炉中进入前炉和从前炉进入炉中。
5.如权利要求4所述的工艺方法，其特征在于：在维持过程中，减少向炉中注入可用作燃料的固体含碳材料和含氧气体的量。
6.如权利要求4所述的工艺方法，其特征在于：维持过程包括定期地向熔浴中加入助熔剂。
7.如权利要求1或2所述的工艺方法，其特征在于：可用作燃料的固体含碳材料是煤。
8.如权利要求1或2所述的工艺方法，其特征在于：维持过程包括在维持期间定期地排出熔渣。
9.一种在炉中从含金属喂入材料生产熔融金属的工艺方法，炉子容纳由金属层和金属层上的熔渣层组成的熔浴，该工艺方法包括以下标准操作过程：
a通过多个注入固体材料的喷枪或吹风嘴将载入气体、含金属喂入材料和可用作燃料的固体含碳材料注入熔浴中，其中注入固体材料的喷枪或吹风嘴设置在金属层的上方并延伸向金属层的表面，使得熔浴中的熔融材料在熔浴的标定静态表面上方溅起溅洒、熔滴和射流，以形成过渡区；
b在熔浴中将含金属喂入材料熔炼成金属；
c通过一个或多个喷枪或吹风嘴向炉中注入含氧气体，并且从熔浴中释放出的反应气体后燃烧，因此在过渡区中的上升和随后下降的溅洒、熔滴和射流将热量传递给熔浴；
d从炉中排出所需的熔融金属和熔渣；
并且这种工艺方法的特征在于下面的维持过程，必须停止生产熔融金属一段时间，并且中断供给可用作燃料的固体含碳材料：
i停止向炉中供给含金属喂入材料；和
ii将含氧气体和气体或液体可燃材料注入到炉中，并使可燃材料燃烧以保持温度。
10.如权利要求9所述的工艺方法，其特征在于，还包括：将含氧气体的流速从标准操作过程的流速降到在维持过程中的低流速。
11.如权利要求10或9所述的工艺方法，其特征在于：在步骤ii中向炉中供入的可燃材料包括天然气。
12.如权利要求9至10中任意一个权利要求所述的工艺方法，其特征在于：维持过程长达5个小时。
13.如权利要求9至10中任意一个权利要求所述的工艺方法，其特征在于：步骤d包括从炉中连续排出熔渣。
14.如权利要求13所述的工艺方法，其特征在于：步骤d包括通过前炉不断地从炉中排出熔融金属，并且维持过程包括改变炉中的压力，因此改变炉中熔融金属的水平面，并迫使熔融金属从炉中进入前炉和从前炉进入炉中。
15.如权利要求9至10中任意一个权利要求所述的工艺方法，其特征在于：维持过程包括保持通过注入固体的喷枪或吹风嘴载入气体注入的正压力。
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