CN1288485A - 还原氧化铁的方法及用于该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

在具有旋转炉膛的连续炉中金属氧化物直接还原的方法,它沉积两层或多层炉料,各层金属氧化物的含量向着加料顶面而增加,而碳的含量向着加料顶面而减少。所述的碳预热到200℃量级的温度,而金属氧化物预热到800℃。该炉子配备有在加料表面生成三角形槽的设备,以及在该炉的第一区和第二区,具有与双作用相匹配的设备。

Description

还原氧化铁的方法及 用于该方法的装置
本发明涉及金属氧化物特别是氧化铁直接还原(一般表述为DRI)的改进方法，它是通过煤获得高生产率并降低煤的消耗率而实现的。它还涉及实施该方法的装置，以及涉及生产海绵金属的能力。
本发明首先旨在通过炉料的混合，通过增加来自工业炉的辐射效率以及通过增加与工业炉气氛热交换的表面积来提高反应速率；其次旨在通过迫使煤的挥发组份进入金属氧化物的预热层，更有效地利用它们的还原能力。与此同时，这些操作工况也导致大大提高单位表面积的生产能力，并降低为获得单位还原金属氧化物而排放到空气中二氧化碳的含量。
本发明另一个目的是：由于在保持工业炉的容积为最小的同时控制这些气体的速度，而使排放到气体处理工厂的尘土减少。
本发明也旨在大批量生产与已知技术生产的产品相比具有更好的还原均匀度的海绵金属。
金属氧化物的直接还原，特别是矿石，还有各种回收的金属氧化物的直接还原近年来有长足的发展。
一种生产低硫分海绵铁的方法在欧洲专利EP0692543A1文件有所描述。
该文件指出，一种无预热的炉料置于一可动炉镗上，所述的炉料由加在上面细分的材料层组成，至少有一层主要由氧化铁组成，以及至少另一层由固态含碳还原剂与脱硫剂的混合物形成。该氧化铁主要借助来自煤的一氧化碳而还原，煤的挥发组分只是部分地参加氧化铁的还原。
相类似地，在从氧化铁与煤的混合物形成的弹丸状颗粒生产海绵铁的过程中，该氧化铁主要借助于来自煤的一氧化碳进行还原，该煤的挥发组分仅部分地参加还原过程。
一种生产海绵铁的方法在LU60981A(Societe Anonyme des Minerais)的专利文件中有所描述，它包括使用一连续旋转炉镗的反应器，材料从炉侧向中心位移，先是单独提供煤，然后提供铁矿石，它们是弹丸状或即破碎状的，预热到反应温度。固定的刮板在炉镗每旋转一次使煤向中心移动。在采用其它的刮板使重度焦化的含碳源与预热的铁矿石完全彻底的混合以后，炉料通过一中心轴排出。从煤中蒸馏的气体和反应气体在与卷入的微粒一起向着位于该反应器上方的收集器排放以前，通过在反应器中移动的固态材料的加热而部分或完全地燃烧。
该方法(未任何图示)不包括用于最大可能地应用煤的挥发成分的还原性能的有效方法，主要利用它在反应区的外部燃烧的加热能力。此外，层叠的层所形成的炉料并不预先混合，以及，每次移动整个炉料的刮板的使用并不能获得炉料的高度均匀性(无论是材料或者是温度)，也不导致高生产率。
一种在一旋转炉镗的工业炉中应用紧挨该炉镗上表面的氧化火焰生产海绵铁的方法在美国专利US5567224A(Kundrai)文件中有所描述。金属氧化物与含碳还原剂的混合物置于该炉镗上，所述的混合物在炉镗旋转期间在燃烧器的前面通过。该还原剂的第二层然后加入并继续加热。不提供任何材料搅拌和(或)混合的装置。向着工业炉的边缘排出，这是应用一阿基米德螺旋机构而获得的。
一种生产海绵铁的方法在美国专利US3383199A(Schmidt)文件中有所描述，它将材料分几层提供在一运输皮带上，而对各个不同层层内组分的混合或不同层相互混合的实施方法没有任何说明。
一种在加热和带孔的可动炉镗上方采用蒸馏室生产焦炭的同时生产海绵铁的方法在美国专利US3770417A(Kranz)文件中有所描述。煤在蒸馏以后以第二层的形式加入到氧化物炉料中，以还原。安装在反应器顶部的刮板可搅拌材料，并可用来将材料向着中心出口排出。
一种生产海绵铁的方法在美国专利US3475286A(Kemmerer)文件中有所描述，它基于采用具有锥形炉镗的旋转炉，该炉镗配备有安装在该反应器顶部的固定刮板，刮板使材料向着中心移动。以这种方式来布置刮板：炉镗上材料床的厚度保持不变。
“Comet过程一从细颗粒炉料和煤直接还原”文献(出版在钢铁时代224卷，1996年11月11期第399页，序号XP000639991)描述了一种旋转炉镗工业炉的原理，由中请人与比利时列日市的冶金研究中心联合开发而得。
在这些文件所述的所有方法有相同的缺点，它们如上述LU60981A专利所述的那样，也即：煤的挥发成分只是部分地参与金属氧化物的还原，以及这些方法均不能获得高生产率，或者不能获得炉料材料和温度的高均匀性。
本发明依赖于这一观察到的现象：在大多数现有技术方法中，煤挥发成分的主要部分，特别是氢和甲烷，它们的还原能力并没有被利用，还原主要依靠一氧化碳来实现，而其还原动力远不如氢。所以，似乎特别有利的是，前述挥发成分应该逐步释放，并迫使它们通过含金属氧化物的料层，以使它们在操作条件下(特别是金属氧化物和再生制剂相继混合物的温度)与金属氧化物接触，从而使它们参与金属氧化物的还原。运意味着，金属氧化物和释放的还原气体在尽可能高的温度下发生接触，但不打搅还原过程的进行。为此，煤将被预热到200℃量级的温度，而金属氧化物将被预热到800℃量级的温度，组分均是借助于用相同的热交换器从排放的燃烧气体中回收的热而进行预热的。
本发明涉及在一连续旋转炉镗的工业炉中直接还原金属氧化物的改进方法，其中，在炉镗环形宽度上称之为加料区的部分，取决于该工业炉的直径和容量，沉积两层或多层，每层金属氧化物的稠密度向着炉料上表面而增加，煤的稠密度，特别是具有高浓度挥发成分的煤的稠密度向着炉料的上表面而减少，所述的煤预热到200℃量级的温度，而所述的金属氧化物预热到800℃量级的温度，两者的组分均借助于用相同的热交换器从排放的燃烧气体中回收的热进行预热，为了使煤快速达到挥发成分释放的温度，以及在以这种方式释放的挥发成分特别是氢的作用下，以及，为了在足以启动还原反应的温度下实现对已预热的金属氧化物的还原，该工业炉的入口配备有使该炉料的表面生成三角形沟槽的装置；以及在该工业炉的第一区配备有附加的双作用装置，它通过削掉尖峰的第一作用，防止各沟槽的被急速加热的尖峰达到团块的温度，若尖峰达到团块的温度会使它们与炉料的混合更困难，削掉的部分进入沟槽的凹槽处；以及通过第二作用，使各沟槽的一面削至到它的基底，削掉的部分被推入邻接沟槽的面上，并覆盖由第一作用所产生的材料，因此炉料在逐渐深入的方向上相继混合，以及在炉镗旋转时，它径向移动，各沟槽的基底在炉料每旋转一圈末了通过对应于各加料区宽度的总距离上于径向一步或多步地移动；以及在该工业炉的第二区配备有双作用装置，它通过削掉尖峰的第一作用，防止各沟槽的被急速加热的尖峰达到团块的温度，若尖峰达到团块的温度，由于偏析作用会使混合更困难，削掉的部分被推入沟槽的凹陷处，以及通过第二作用，各沟槽的一面向下削至炉镗，削掉的部分被推到邻接沟槽的面上，并覆盖由第一作用产生的材料，炉镗旋转时径向移动的炉料在炉镗旋转数圈，最好是4圈或更多圈以后，向着加料区对面的环形部排放。
在一个特殊应用场合中，金属氧化物与煤的混合物层以及金属氧化物层由包括这些组分的弹丸状颗粒层组成。
以下描述将涉及“金属氧化物”这个一般术语。该术语包括通常的金属矿石、起源于钢铁制造过程，例如起源于鼓风炉、钢厂、电炉或轧钢厂的回收金属氧化物；以及这些氧化物源与细颗粒焦炭或煤的混合物，如果必要，它们呈弹丸状。
煤可被理解为任何固态含碳材料。
在该工业炉所述的第一和第二区中，所述的操作条件以这种方式来选择：在第一要求与第二要求之间取其折衷方案，第一要求是，尽可能快地使炉料产生高而均匀一致的温度；第二要求是，逐步地与金属氧化物层或与金属氧化物和煤(仅仅是下层煤的上部)的混合物的上层接触，以避免在其中与较冷的下层结合，从而使如此获得的新混合物的温度在600℃以上，特别是在700℃量级的温度。
所述炉镗的旋转速度在每小时3～12圈之间。最好是每小时8圈。
此外，对于炉料的上层，主要要避免例如由于铁橄榄石型硅酸盐的形成而被玻璃化，这会抑制对还原的作用。为此，搅拌棒一类的器件可确保紧挨着的下层的表面层快速混合。
最后的目的是在尽可能短的生产时间内获得5～10cm量级厚度的炉料，生产时间是由炉料中温度的最低点来确定的，海绵金属的均匀度优于用现有技术还原方法所产生的均匀度，后者有缺点，在后者产生的产品中，金属氧化物还原度不同。
现已发现，较为有利的是，将一些石灰与金属氧化物混合，这首先是因为，所述的石灰用作反应的催化剂，其次是因为，它可防止海绵金属中的粘附现象。此外，石灰一般对生铁的脱硫和对更流体化的炉渣的形成有好处。
本发明将参阅附图对执行本发明的最佳形式进行描述。
图1为其内分布有搅拌耙的一旋转炉的俯视图；
图2为该旋转炉的纵截面视图；
图3为加料期间形成的沟槽；
图4为由位于固定的搅拌耙上的叶片的第一作用而在炉料中引起的沟槽；
图5为由位于固定的搅拌耙上的叶片的第二作用而在炉料中引起的沟槽；
图6为搅拌耙和具有一将其与搅拌耙固定的臂的叶片的纵截面图。
本发明方法的工作原理如图1所示。
在图1中，加料区表示为1，从旋转炉镗3排放的区为2，所述的炉镗按箭头4表示的反时针方向围绕炉的轴线5而运动。固定在工业炉外壁的燃烧器表示为6，燃烧气体通过工业炉的内壁7抽出，并通过标号8处送至热交换器。支承叶片的搅拌耙标号为9，而氧气喷射器的标号为10。
图1中的相同标号用于图2。标号11为炉料。
图3表示加料期间形成的沟槽。
图4为由于叶片的第一作用而削掉沟槽尖峰13的示意图。
图5为由于叶片的第二作用而削掉沟槽的14部的示意图。
图6为具有外绝热层16和内水冷室17的搅拌耙15及具有与该搅拌耙固定的臂19的叶片18的纵截面图。
根据实施本发明的最佳形式，具体叙述如下。
加料在炉镗环形体的内轮廓即小圆周中实现，最好为该炉镗环形宽度的1/8至1/12；
经受4或更多圈旋转的材料，取决于炉镗环形宽度上的加料状态，由配备有不同形状和功能的叶片的搅拌耙拨动最多100次，叶片的形状和功能取决于上述工业炉的区域；
炉料在各叶片上径向向外移动，该炉料划出大体的螺旋形轨迹；
借助于一个或两个蜗杆输送器在炉镗环形外部实现排放，该输送器的长度分别对应于加料宽度或加料宽度的一半；
多个燃烧器置于炉镗环形的侧壁上，主要置于该环形体的外壁上，即在大圆周上的壁上；
气体在材料运动方向的相反方向通过该环形体的内侧壁，即小圆周上的壁，流动而排放。
在搅拌耙上，具有不同尺寸和形状的双作用叶片这样布置：在所述第一区的叶片，在向下向着沟槽的基底逐渐深入的方向上，逐步削平炉料，而在该炉料尚未结块而易于混合的第二区的叶片的形状与第一区的叶片形状有较明显的区别，它们削平沟槽及其基底。这可防止在炉料的表面出现还原的金属氧化物片，这些金属氧化物片由于太厚、太结实而不易破碎和排出。
本发明的优点主要在于炉料的还原更均匀，加料装置更简单，排放更容易，以及通过对炉内气体更好的控制能够更有效地控制炉内的气氛。
搅拌耙径向置于炉内并固定，第一搅拌耙位于加料区，也即炉内供应材料的区域。
搅拌耙的叶片偏置并固定，也即由相对于在先搅拌耙的叶片形成的沟槽以稍稍偏摆的方式而布置，例如偏50mm，以便削掉各沟槽的斜侧。在炉镗上的材料的运动引起混合，也即搅动，并形成新的沟槽。叶片使炉料的整个表面上生成三角形沟槽，这使炉料与炉中气氛交接的表面积增加大约35％，从而，工业炉向炉料传输更多的热。
第一和第二型式的双作用叶片是这样设计的：在各个通过炉料的通道上，炉料的一部分被翻转，炉料的上层与炉中的气氛接触，该上层最初由金属氧化物组成，然后由金属氧化物和煤的混合物组成，最后由还原的金属氧化物组成，在下层上升期间，该上层下降。
叶片的端部，为了翻转材料，以这种方式来定形：沟槽的最上部，即最热的部分被移动到新生成沟槽的槽中，以确保更均匀。
所述的端部，如果需要，可进行冷却，例如通过冷却液的内部循环。
搅拌耙在该工业炉某一区的通道长度上，炉子不同区内可呈线性分布，最好是作成非线性分布，这将取决于炉料表面温度及温度梯度。
煤的数量根据现存的金属氧化物实现完全还原按化学计算所必需的量来确定，它按对应于挥发成分的还原作用的量而减少，并按海绵铁的熔化和随后的合金化所必需的量而增加。
金属氧化物层与下层的逐步混合，它在邻近金属氧化物与煤交接区的温度必需高于更远层的温度，具有以下后果：
在上层与炉中气氛交接面的表面积中，热量传输增加；
金属氧化物层更高的导热率，起先存在于炉料上部的单个层中，此后逐渐在混合物中，有利的是，热量传输优于采用多层的热量传输，没有还原剂，在这种情况下，不良导热体的煤妨碍过程的进行；
形成炉料的层的逐渐混合可使整个炉料快速达到均匀的温度；
反应性较高处的金属氧化物极快地达到高温，这便提高还原过程的效率，并减少操作时间；
由于煤逐渐取得高温而逐渐释放，产生的挥发组分可有效和直接地用作还原剂；
采用氢气而产生的还原会立即发生并优化，这可带来这样的优越性：它的反应动力性优于CO气体；
通过CO而产生的还原会更有效，这是因为较热的上层与具有适当温度的、紧挨着的下层逐渐混合，而不与尚处于冷却状态的较深的下层混合；
原则上，为生成单位质量还原金属而产生的二氧化碳可能较少；
可避免过高的表面温度，因而不产生任何的铁橄榄石；
在炉料的表面可防止出现还原的金属氧化物片，该片太厚、太结实而不易破碎和排出；
对于给定的生产规模，本发明的工业炉不会像用其它方法的工业炉那样笨重，例如用多层炉料的工业炉，或炉料由弹丸状的单层材料组成的工业炉。
原则上，还原剂为具有高浓度挥发成分的煤，挥发成分的浓度最好大于25％。
该工业炉在炉顶处通常保持1300℃至1450℃量级的温度，最好为1400℃量级，它是借助于安装在活动炉镗工业炉外壁中的多个燃烧器，在炉镗环形的内部发生后燃而实现的。
上层与下层的逐渐混合意味着最大表面温度不超过1100℃至1200℃。
采用的方法有可能增加由弹丸状材料组成的炉料的均匀性，它对大幅度增加炉料的厚度、更快更有效地进行操作循环、炉子结构更紧凑、以及热交换的最佳化有好处。

Claims (18)

1．一种在连续旋转炉镗的工业炉中直接还原金属氧化物的方法，其特征在于，在取决于该工业炉的直径和容量的炉镗环形体宽度上称之为加料区的部分，沉积两层和多层，每层金属氧化物的稠密度向着炉料上表面而增加，煤的稠密度，特别是具有高浓度挥发成分的煤的稠密度向着炉料的上表面而减少，所述的煤预热到200℃量级的温度，而所述的金属氧化物预热到800℃量级的温度，两者的组分均用相同的热交换器利用排放的燃烧气体中回收的热进行预热，为了使煤快速达到挥发成分释放的温度，以及在以这种方式释放的挥发成分特别是氢的作用下，以及，为了在足以启动还原反应的温度下实现对已预热的金属氧化物的还原，该工业炉的入口配备有使该炉料的表面生成三角形沟槽的装置；以及在该工业炉的第一区配备有附加的双作用装置，它通过削掉尖峰的第一作用，可防止各沟槽的被急速加热的尖峰达到团块的温度，若尖峰达到团块的温度会使它们与炉料的混合更困难，削掉的部分进入沟槽的凹陷处，以及通过第二作用，使各沟槽的一面削至到它的基底，削掉的部分被推到相邻沟槽的面上，并覆盖由第一作用所产生的材料，因此，炉料在逐步深入的方向上相继混合，以及在炉镗旋转时它径向移动，各沟槽的基底在炉料每旋转一圈的末了，通过对应于各加料区宽度的总距离上，径向一步或多步地移动；以及在该工业炉的第二区配备有双作用装置，它通过削掉尖峰的第一作用，可防止各沟槽的被急速加热的尖峰达到团块的温度，若尖峰达到团块的温度会使炉料的混合更困难，削掉的部分被推入沟槽的凹陷处，以及通过第二作用，各沟槽的一面削至炉镗，削掉的部分被推到相邻沟槽的面上，并覆盖由第一作用产生的材料，炉镗旋转时径向移动的炉料在炉镗旋转数圈，最好是4圈或更多圈以后，向着加料区对面的环形体的一部分排放。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的加料区为炉镗环形的内部。
3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的材料沉积在对应于炉镗环形宽度1/4或更窄部分的所述加料区上。
4．根据权利要求1至3任一个所述的方法，其特征在于，所述的炉料在炉镗旋转4圈或更多圈以后排出。
5．根据权利要求1至4任一个所述的方法，其特征在于，所述的金属氧化物以尽可能高的馈送温度引入，在引入期间，通过表面层快速混合到紧挨着的下层，避免如不利于还原的铁橄榄石化合物的形成。
6．根据权利要求1至5任一个所述的方法，其特征在于，所述的装置防止在炉料的表面形成厚的还原金属片，该还原金属片坚固，不易破碎，不易排出。
7．根据权利要求1至6任一个所述的方法，其特征在于，煤与覆盖它的层逐渐接触在尽可能高的温度下实现，而在向混合区提供较低温度的下层以后，不致使该区大幅度冷却，从而，这样获得的新混合物的温度在600℃以上，特别是为700℃量级的温度。
8．根据权利要求1至7任一个所述的方法，其特征在于，所用的金属氧化物为金属矿石或起源于钢铁生产过程的回收金属氧化物。
9．根据权利要求1至8任一个所述的方法，其特征在于，石灰与炉料混合。
10．根据前述权利要求任一个所述的方法，其特征在于：
加料在炉镗环形的内轮廓即小圆周中进行，至少为该环形体宽度的1/4；
旋转4或更多整圈的材料，取决于环形体宽度上的加料状态，借助于配备有叶片的搅拌耙翻转最多100次；
在各叶片上，炉料径向向外移动，该炉料划出大体上的螺旋轨迹；
排放借助于长度为最后一个搅拌耙外部尺寸的1/4或更小的蜗杆输送器或偏转器在环形体的外部进行；
燃烧器置于所述环形体的侧壁上，主要在环形体外壁即大圆周上；
燃烧气体的后燃在该环形体的内部，即小圆周上进行；
气体在材料运动的反方向通过该环形体的内侧壁，即小圆周壁流动而排放。
11．一种实施权利要求1至10任一个所述的方法的设备，由一旋转炉镗的工业炉组成，其特征在于，它包括实现上层与下层逐渐混合的装置。
12．根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述的装置由配备有双作用叶片的搅拌耙组成，所述的叶片犹如搅拌耙的齿，所述的搅拌耙在该工业炉中径向设置并固定。
13．根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，部分搅拌耙位于加料侧的后面，叶片贯穿炉料的整个深度，使炉料向着该环形体的排放侧径向移动。
14．根据权利要求11至13任一个所述的设备，其特征在于，叶片偏置，也即相对于在先的搅拌耙的叶片形成的沟槽以稍稍偏摆的方式而布置，以便削掉各沟槽的斜侧而形成新的沟槽。
15．根据权利要求11至14任一个所述的设备，其特征在于，叶片的形状可翻转炉料。
16．根据权利要求11至15任一个所述的设备，其特征在于，叶片在炉料的表面上生成三角形沟槽，所述的沟槽增加与工业炉气氛交接的表面积，从而获得从工业炉至炉料更多的热量传输。
17．根据权利要求11至16任一个所述的设备，其特征在于，该工业炉借助于安装在活动炉镗工业炉外侧壁的燃烧器，在炉顶保持1300℃至1450℃量级的温度，最好为1400℃量级。
18．根据权利要求1至10任一个所述的方法和/或采用权利要求11至17任一个所述的设备获得的海绵金属，其特征在于，在整个质量范围上，还原度的均匀性大于用现有技术的方法所获得的均匀性。
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