CN1238809A - 生产金属和合金的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种由金属氧化物生产金属与合金的工艺。该工艺包括经一次或多次预还原使金属氧化物部分预还原，其预还原程度至少达到60%。其后，该工艺还包括在熔炼还原阶段使金属氧化物全部还原以及使金属熔融。该工艺的另一特征是实施了至少一个预还原步骤，在该步骤中以天然气、转化天然气和部分转化天然气作为还原剂。

Description

生产金属和合金的方法及装置
本发明涉及一种由金属氧化物，如铁矿石和部分还原的铁矿石，生产金属与合金的工艺和装置。特别是该工艺和装置不只专用于生产铁和铁合金。所述工艺与装置基于使用装有熔融槽的冶金容器。
我们已经知道很多冶炼铁矿石及部分还原铁矿石的工艺，该工艺基于使用带有能使铁矿石和矿渣溶化的熔融槽的冶金容器(通常指“熔炼还原容器”(smelt reduction vessel))。
通常，这些已知的工艺需要将含碳物质作为还原剂和热源注入熔融槽。所述含碳物质(carbonaceons material)可以是固态，如煤，也可以是气态，如天然气。
澳大利亚专利649,402题目为“预还原氧化铁的冶炼”，以Zurich Branchof Midrex International BV Rotterdam名义申请，该专利公开了一种冶炼铁矿石和部分还原铁矿石的特殊工艺，该工艺基于将天然气注入冶金容器的熔融槽。
本发明的一个目的是提供一种比澳大利亚专利649,402中公开的工艺更为有效的冶炼铁矿石的工艺。
本发明提供了一种由金属氧化物生产金属及合金的工艺。该工艺包括以下步骤：经过一次或多次预还原使金属氧化物的预还原度至少达到60％；然后在熔炼还原阶段使金属氧化物全部还原及熔融，该工艺的特征是实施了至少一步以天然气、转化(重整)天然气和部分天然气中的一种或多种为还原剂的预还原步骤。
本发明部分基于在预还原阶段使用一种或多种天然气、转化天然气和部分转化天然气冶炼铁矿石或部分还原铁矿石可比澳大利亚专利649,402中的工艺更有效地利用天然气的认识，该澳大利亚专利只是基于在熔炼还原阶段使用天然气的工艺。
优选在预还原阶段使金属氧化物的预还原程度至少达到70％。
尤其优选在预还原阶段使金属氧化物的预还原程度至少达到80％。
尤其优选在预还原阶段使金属氧化物的预还原程度至少达到90％。
优选将过量的一种或多种天然气、转化天然气和部分转化天然气用于每一次预还原，生产固态含碳物质、典型烟灰、和/或固态含碳物，如碳化铁。
尤其优选将固态含碳物质和/或固态含碳物用于熔炼还原阶段。
优选在装有熔融槽的冶金容器中实施熔炼还原步骤，该熔融槽中装有铁和矿渣。
优选熔融槽中装有金属层和矿渣层。
优选所述冶金容器应为配有底部和/或边缘风口(side tuyeres)和/或喷管和/或顶部风口/喷管的熔炼还原容器，所述工艺包括通过风口/喷管向熔融槽中注入固态和/或气态含碳物质。
优选注入熔融槽的固态含碳物质为由天然气动预还原步骤得到的固态含碳产物和/或固态含碳物。
优选气态含碳物质为天然气。
更优选熔炼还原容器包括：
(1)用于将由预还原阶段得到的部分还原的金属氧化物注入熔融槽的一个或多个风口/喷管；
(2)用于将含氧气体注入熔融槽液面上部空间的一个和/或多个风口/喷管，二次后燃或后燃烧由熔融槽释放的反应气体，如CO和H2。
更优选在步骤(2)中通入还原槽的空气为含氧气体。
更优选将空气预热至至少1000℃。
优选应有两个预还原步骤。
此种情况下，优选在第一次还原时金属氧化物的预还原程度至少达到11％，在第二次预还原时，将由第一次预还原时得到的已部分还原的金属氧化物预还原为所选择的预还原度。
优选熔炼还原容器放出的废气为第一次预还原时的还原剂。
或者，优选由第二次预还原时放出的废气应为第一次预还原的还原剂。
优选一种或多种天然气、转化天然气和部分转化天然气为第二次预还原的还原剂。
金属氧化物可为任意适宜的形态，如可为矿石，该矿石可为块状或细粉状。
优选金属氧化物为氧化铁。
本发明也提供了一种由金属氧化物生产金属和合金的装置，包括：
(1)一个或多个预还原容器用于使金属氧化物在经过至少两次预还原后还原度至少达到60％，优选至少达到70％，更优选至少达到80％，典型至少达到90％；其中至少一个预还原容器包括将用作还原剂的一种或多种天然气、转化天然气和部分转化天然气通入该容器的装置；和
(2)将已部分还原的金属氧化物全部还原并融化的冶金容器，该容器装有能使金属和矿渣熔融的熔融槽。
本发明将通过实施例对该工艺及所述装置具体的优化方案来进一步阐述，实施例可参考作为附图的流程图。
优选方案的描述以由铁矿石生产铁为例。而这种优化方案也同样适用于由其他金属氧化物制得金属。参考工艺流程图，根据优化方案：
(1)铁矿石经两次连续预还原被部分还原为所需要的预还原度，第一次和第二次还原所用的预还原容器分别为3、5。然后；
(2)将已部分还原的铁矿石在熔炼还原容器7中完全还原及熔融。
铁矿石可为任意适宜形式，如块状或细粉状。
预还原容器3、5可为任意适宜形式，如鼓风炉或流化床。
用于第一个预还原容器3的还原剂包括由熔炼还原容器7放出的反应气。
选择第一个预还原容器3的操作参数，使铁矿石的预还原度至少达到起始相对低的预还原剂，一般为至少11％。
用于第二个预还原容器5的还原剂包括天然气。
在第二个预还原容器5中，所述天然气被裂化为可作为还原剂CO和H2。
选择第二个预还原容器5的操作参数，使由第一个预还原容器3生成的已部分还原的金属氧化物进一步还原，其还原度至少达到90％。
根据具体的优选方案，将过量的天然气通入第二个预还原容器5中，过量的天然气能够促使CO生成烟灰和CO2。所生成的烟灰由容器5随废气一起放出，与废气分离后，烟灰通入熔炼还原容器7中，使熔融槽中的铁碳化，所述烟灰还可用作还原剂和燃料。
熔炼还原容器7可为任意适宜的容器形式。
优选熔炼还原容器7为带有铁矿石和炉渣的熔融槽，还包括：
(1)用于将固态和/或气态含碳物质通入熔融槽，以使该熔融槽中的铁碳化的底部和/或边缘的风口/喷管，所述含碳物质也用作还原剂和热源；
(2)使在预还原容器5中生成的已部分还原的铁矿石从熔融槽的上表面通入熔融槽的顶部风口/喷管；和
(3)用于将热空气通入熔融槽表面之上的空间的风口/喷管，热空气的温度高于1000℃，热空气在熔融槽中二次燃烧由熔融槽放出的反应气如CO和H2。
熔炼还原容器7的形状，包括风口/喷管的位置、操作参数的选择应能够在熔融槽表面上部空间形成过渡区，在该过渡区内，熔融的金属和矿渣的液滴在上升然后下降的过程中与来自熔融槽的反应气、顶吹热空气及二次燃烧的反应气体混合。
过渡区的作用是有利于熔融槽中的二次燃烧反应气所产生的热量更有效的转移到熔融槽中。
过渡区可以任何适宜方法形成。
例如，通入合适的气体可形成过渡区，如通过冶炼还原容器7的底部通入惰性气体，以使熔融槽的金属和矿渣的液滴或飞溅物喷入熔融槽的上部空间。
或者，将载气及部分还原的铁矿石和/或其它合适的固态物质，如助溶剂和/或矿渣生成剂通过与熔融槽接触的还原容器7的侧面和/或从熔融槽的表面之上有控制地注入熔融槽形成过渡区。
上述具体优选方案有很多重要特点：
1．很多地区都很容易得到廉价的天然气，在这些地区，利用天然气由铁矿石生产铁的工艺有很好的经济效益。
2．选择铁矿石在预还原容器3、5中达到较高的预还原度可使在熔炼还原容器7中所希望的还原剂量达到最小，从而可以在熔炼还原容器7中，使用天然气。上述讨论的意义是向熔炼容器7中通入达到较高的还原度所需要的大量的天然气会导致熔炼容器7在低效率下运转。
具体的优化方案和以上所描述的设备(参考附图)的很多改进均没有背离本发明的宗旨和范围。
例如，具体的优化方案使用两个预还原容器3、5，但本发明并不局限于此，可以扩展到使用一个、三个、或更多的预还原容器。
而且，优选方案中的第二个预还原容器5中使用的还原剂为天然气，但本发明并不局限于此，还可使用天然气、改制天然气、和部分改制天然气。
而且，优选方案使用了过量的天然气以生成烟灰，但本发明并不局限于此，可扩展到生成其它任何固态含碳物和/或含碳物质，如碳化铁。
而且，在优选方案中，由第二个预还原容器5放出烟灰与废气，烟灰与废气分离后，将烟灰通入熔炼还原容器7。但应当认识到，本发明并不局限于此，也可扩展到其它方式。例如，在第二预还原容器5中生成的烟灰(或其它固态碳化物或任何固态含碳物质)与部分还原的铁矿石可一起直接供入冶炼还原容器7。

Claims (12)

1．一种由金属氧化物生成金属与合金的方法，所述方法包括如下步骤：经过一次或多次预还原使金属氧化物达到至少60％预还原度，然后，在熔炼还原阶段使金属氧化物全部还原并熔融，该方法的特征在于实施了至少一个预还原步骤，在该步骤中以一种或多种天然气、转化天然气和部分转化天然气为还原剂。
2．权利要求1的方法，其中预还原度至少达到70％。
3．权利要求2的方法，其中预还原度至少达到80％。
4．权利要求3的方法，其中预还原度至少达到90％。
5．以上任何一项权利要求的方法，包括在每一个预还原阶段通入过量的天然气、转化天然气和部分转化天然气，以生成固态碳质物，如烟灰，和/或固态含碳物，如碳化铁，再将该固态碳质物和/或固体含碳物熔炼还原阶段。
6．以上任何一项权利要求的方法，包括在装有金属和矿渣熔融槽的冶金容器中实施熔炼还原步骤。
7．权利要求6的方法，其中冶金容器是一种熔炼还原容器，包括底部和/或边缘风口/喷管和或顶部风口/喷管，所述方法包括通过风口/喷管将固态和/或气态含碳物质通入熔融槽。
8．以上任何一项权利要求的方法，包括在第一次预还原时使金属氧化物的预还原度至少达到11％，而在第二次预还原时使在第一次预还原时已经部分还原的金属氧化物还原至所需要的程度。
9．权利要求8的方法，还包括将熔炼还原阶段产生的废气用作第一次预还原的还原剂。
10．权利要求8的方法，还包括将第二次预还原产生的废气作为第一次预还原的还原剂。
11．权利要求10的方法，其中一种或多种天然气、转化天然气和部分转化天然气在第二次预还原时用作还原剂。
12．由金属氧化物生成金属和合金的装置，包括：
(1)一个或多个预还原容器，用于使金属氧化物在经过至少两次预还原后其预还原度至少达到60％，优选至少70％，更优选至少80％，典型优选至少90％，至少一个预还原容器带有使作为还原剂的天然气、转化天然气和部分转化天然气通入容器的装置；和
(2)一个冶金容器，用于使已部分还原的金属氧化物全部还原并熔融该金属，该容器采纳了装有金属和矿渣的熔融槽。
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