CN1320128C

CN1320128C - 直接熔炼容器

Info

Publication number: CN1320128C
Application number: CNB021080984A
Authority: CN
Inventors: 彼得·D·伯克; 戴维·M·谢林顿
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Tata Steel Ltd
Priority date: 2002-02-24
Filing date: 2002-02-24
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-02-24
Also published as: CN1441065A

Abstract

一种直接熔炼容器用于经熔池为基础的直接熔炼工艺生产铁和/或铁合金，该容器包括：炉缸，它具有底部和有耐火砖内衬的侧面；侧壁，它由炉缸侧面朝上延伸，该侧壁包括有水冷板，并且至少在侧壁下部有耐火砖内衬；炉顶；用于由容器排放熔融金属和渣的装置；用于向容器内提供包括固体含铁物料和碳质物料在内的固体炉料的装置；以及用于将含氧气体供入容器以便使直接熔炼容器中产生的气体反应产物后燃烧的装置。将多个水冷元件设置于水冷板之下并与水冷板邻近，并且超出水冷板朝内延伸到容器内。

Description

直接熔炼容器

技术领域

本发明涉及用于由含铁物料生产铁和/或铁合金的直接熔炼容器，该含铁物料包括铁矿石、其它含铁矿石如铬铁矿、部分还原过的矿石、和含铁废料流如钢返料。

本发明特别涉及以下这样一种直接熔炼容器，它能够被用于以金属熔池为基础的直接熔炼工艺，以生产熔铁和/或铁合金。

背景技术

关于能包容直接熔炼工艺的所设计的容器，存在着许多明显的问题。

例如，为了经济和安全的原因，重要的是，该容器应以最小的热损失包容直接熔炼工艺，并且能够在整个长期限操作的炉龄中承受烧蚀/腐蚀的条件，而这些正是这种工艺的特点。

工艺容器还必须和一些装置联合以喷吹和混合反应物，以便在容器中形成并保持不同的区域，并分离工艺中的产物。

直接熔炼工艺的过程化学通常要求有低氧化势的区域，以熔融含金属铁的物料，以及高氧化势的区域，以燃烧氢和一氧化碳，从而获得燃烧能量。因而，在整个能包容直接熔炼工艺的容器中，一般存在有温度和化学组成的宽范围的改变，这对容器的设计提出了各种要求。

某些工厂用的和试验用的直接熔炼容器包括钢外壳，和一般以耐火砖和/或浇注料形式的耐火材料内衬。公知的是，在容器的不同部分使用不同组成和物理特性的耐火砖，以便最大限度地耐受热和化学的侵蚀和腐蚀。

例如，在容器底部的耐火砖，通常暴露在以金属为主的熔融物料中，而容器侧壁中部的耐火砖则通常暴露在以渣为主的熔融物料中，并暴露在气体反应物例如CO、H₂、CO₂和H₂O中。暴露在熔融金属中的砖和暴露在熔渣中的砖要求不同的化学性能，以抵抗金属和渣的化学侵蚀。

进而，在一般情况下，反应气体的后燃烧产生约2000℃或更高的高温，因而，暴露在发生后燃烧的顶部空间的砖要求能够承受高温的物理和化学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的直接熔炼容器。

本发明提供一种用于经熔池为基础的直接熔炼工艺生产铁和/或铁合金的直接熔炼容器，该容器包括：炉缸，它具有底部和有耐火砖内衬的侧面；侧壁，它由炉缸侧面朝上延伸，该侧壁包括有水冷板，并且至少在侧壁下部有耐火砖内衬；炉顶；用于由容器排放熔融金属和渣的装置；用于向容器内提供包括固体含铁物料和碳质物料在内的固体炉料的装置；以及用于将含氧气体供入容器以便使直接熔炼容器中产生的气体反应产物后燃烧的装置。该容器中，将多个水冷元件设置于水冷板之下并与水冷板邻近，并且超出水冷板朝内延伸到容器内。

该水冷元件的目的是防止熔融物料对水冷板造成砍口(undercutting)，并且至少部分地屏蔽在该元件之下的炉缸侧面的耐火砖衬，以防止容器内熔融物料回流。

优选的是，该元件横向延伸并从而覆盖元件之下的炉缸侧面的耐火砖衬的至少80％。

优选的是，该元件至少部分被侧壁下部的耐火砖衬覆盖。

更佳的是，该元件基本由侧壁下部的耐火砖衬覆盖。

优选的是，每个元件包括一个水进口，一个水出口，和使水在元件中流通的通道。

每个元件可以包括：

(a)外壳，它具有限定进水口和出水口的开孔，和

(b)内部水流导板，它将外壳封闭的空间分成通道。

在一个替换方案中(尽管它不是仅有的其它可能的替换)，实施方案中的每个元件可包括一个在其中钻出通道的铸件或锻件。

优选的是，容器一般是圆筒形的。

这样的结构下，优选的是每个元件包括平行的顶和底面，它们通常是不规则的四边形，平行的内和外面在顶和底面之间延伸并使顶和底面相互连接，而且侧面在顶和底面之间延伸并使顶和底面相互连接，并由外面朝内面收缩。

优选的是，该元件以环形排列被配置。

优选的是，该元件形成连续的环形排列。

优选的是，每个元件的顶、底和内面包括机加工的沟槽，这些沟槽便于在该面上形成附加物。

优选的是，每个元件的厚度，即顶底面间的距离大约是单块耐火砖或多块耐火砖的厚度。从而使水冷元件能够作为至少部分耐火砖的单层或多层的替代。

优选的是，侧壁下部的耐火砖衬由该衬和炉缸侧面的耐火砖衬的界面、以增长高度朝外渐进地形成阶梯。

优选的是，将该元件配置在侧壁的耐火砖衬和炉缸侧面的耐火砖衬的界面处。

优选的是，该元件一般水平延伸进该容器。

按照本发明，还提供了一种用于直接熔炼容器的水冷元件，它包括：

(a)外壳，它具有限定进水口和出水口的开孔，和

(b)内部水流导板，它将外壳封闭的空间分成使水由进口流到出口的通道。

附图说明

现通过实施例的方式进一步叙述本发明，同时参照以下附图；

图1是通过适于进行直接熔炼工艺的容器的垂直剖面；

图2是沿图1的线2-2的剖面；

图3是形成图1和图2所示容器部件的水冷元件的顶部平面视图；

图4和图5是构成水冷元件一部分的内部水流导板的前面和后面的正视图；

图6是水流导板顶部平视图；以及

图7是水冷元件上部横截面，它显示了水冷元件的顶和外面相对于容器其它组件的位置。

具体实施方式

以下的叙述是以熔炼铁矿石生产熔铁的角度出发的，而可以理解的是，本发明并不限于这一应用，它还可用于熔炼任何适宜的炉料。

图中示出的直接熔炼容器一般用数字11标注，它包括：

(a)炉缸，它具有由耐火砖形成的底部12和侧面13；

(b)侧壁14，它由炉缸侧面13朝上延伸；

(c)炉顶17；

(d)气体排出口18；

(e)前炉缸19，用于由容器连续排出熔铁；和

(f)排渣孔21，用于由容器排出熔渣。

侧壁14一般包括圆筒形的钢外壳16，和一系列固定到外壳上的水冷板51。侧壁14的下部包括耐火砖内衬53。

炉缸和侧壁14的上部在容器中限定了一个圆筒形区域。侧壁14的下部在容器中一般限定了一个截头圆锥筒形区域，它在直径较窄的炉缸和较宽直径的侧壁14的上部之间提供了一个过渡区。在商业规模的工厂，即熔铁产量至少500000吨/年的工厂中，炉缸直径至少为4米，更佳为至少6米。

容器还包括一支朝下延伸的热空气喷枪26，用以输送热空气鼓风进入容器中心的上部区域91，并使熔池放出的反应气体后燃烧。

应当说明的是，取决于相关因素的范围，包括容器的尺寸和几何形状的范围，可以有多于1支喷枪26。

容器还包括多个固体喷枪27(图中示出了其中的4支)，它们朝下延伸，并通过侧壁14以与水平成20-70°的角度插入熔池，用于将炉料，即铁矿石、固体碳质物料和熔剂加在缺氧载气中喷射进熔池中。

喷枪27被配置成使得其出口端39环绕容器的中轴呈等间距。

容器还包括一组多个水平配置的水冷元件，在图中一般用数字75标出，提供该元件是防止侧壁14的下部的水冷板被熔融物料造成砍口。并且屏蔽位于其下方的炉缸侧面13的耐火砖以防容器中熔融物料的回流。实际上，元件75在侧壁14和炉缸之间的界面处形成了水平的挡板。在申请人以HIsmelt工艺为基础进行过的中间试验厂工作中，申请人已发现，在容器长期操作的寿命期限方面，配置一套元件75是特别重要的。

水冷元件75以环绕容器圆周的毗邻关系被并排配置。元件75的构成，应使得整套元件75代替单层耐火砖，并且元件75应覆盖其下的炉缸的侧面13的耐火砖上表面至少80％。具体对于图中所示的容器而言，每个元件75的典型厚度为150mm，而其它尺寸则如图3至6所标注的尺寸。

参照图3至7，每个水冷元件75包括：

(a)铸铜外壳，一般用数字77标记；和

(b)钢制水流导板，置于外壳77所封闭的空间中，一般以数字79标记。

外壳77通常顶部平面是不规则的四边形。外壳77包括50mm厚度的平行的顶和底面81，平行的内和外面83、85，以及侧面87。侧面87曲外面85朝着内面83收缩。外壳77进而在外面85包括一个进水口和一个出水口，在图3中通常用箭头A和B标记，它们使得能够将冷却水提供入外壳77封闭的空间内并由其中流出。

水流挡板79置于外壳77内，并将外壳封闭的空间分成一系列通道，用于使水在进口和出口间流动。

水流挡板79包括中心板80，它在外壳77的外面85和内面83之间延伸，并且将外壳封闭的空间分成上部和下部。水流挡板79进一步包括一系列壁57，它们由中心板80朝上和朝下延伸，而且与外壳77的顶和底面81接触并在上部和下部形成通道。

图4表示水流挡板79的前面。在组装的元件75中，水流挡板79的前面与外壳77的内面83接触。

图5显示水流挡板79的背面。在组装的元件75中，水流挡板79的背面与外壳77的外面85接触。

上部和下部中的通道于外壳77的外面85和内面83之间延伸。

考虑到收缩的侧面87，壁57的形成应使得通道由外壳的外面85向内收缩到内面83。

参照图6，在板80上侧的两个壁57，限定了一个离水流挡板79背面处中心板80的端部为短距离的背后部。这两个壁由图6左侧看是第2个和第4个壁57。此外，虽然没有示出，但中心板80下侧，即图6已示出的一侧的相反侧上的第1、第3、第5个壁57则限定了一个离水流挡板79背面处中心板80的端部为短距离的背后部。因而，水能够在由这些上部和下部壁57所分隔的通道之间流动。此外，再参照图6，在水流挡板79前面，全部壁57都朝向中心板80的端部延伸。因而水能够由上部通道向下流到下部相对应的通道，反之亦然。上述水流在图6中用箭头表示。

进口被设置在外壳77的外面85中，使得水能如图6所见到的那样，通过进口流进顶部左方的通道。出口被设置在外壳77的外面85中，使得水能如图6所见到的那样，由顶部右方的通道通过出口流出。

由于这样的配置，在使用中，如图所示，水通过入口即开始沿顶部左方的通道流到内面83，并绕着中心板80的前端朝下流入对应的底部通道，即图示的底部左方的通道。然后，水沿该通道朝外面85流回，并且通过通道之间的相互连接处直接流进相邻的底部通道。然后，水沿着该相邻的底部通道朝向内面83向前流，并且绕着中心板80的前端朝上流进相应的顶部通道。然后，水沿该通道朝着外面85流回，依此类推，直至水到达出口。

参照图7，每个水冷元件75在容器中被配置，都具有25mmm的最大公差，以适应耐火材料的热膨胀。因此要设置30mm的起始间隙，以保证元件75的顶面81和最下部的水冷板51的水冷管63(铜冷却器管)之间不发生接触。由于耐火材料膨胀造成的伸长，使得元件75的顶面81和最下方水冷板51的水冷管63之间的间隙大于最大容许间距是可能的。为了防止此情况发生，每个元件75都包括一个肋61，它是外壳77的外面85在外壳的顶面81之上的延伸。

上述容器特别适用于如澳大利亚待审申请PQ8907中实施例的方法所述的HIsmelt工艺，尽管并不意味着排他性地适用，而且将该待批申请专利说明书中的叙述在此引为参考。

在使用中，用于进行HIsmelt工艺的容器包括一个熔池，在静态条件下，它有熔铁层15和熔渣层16。由数字41标出的点划线指明了熔融金属的静态表面，而数字43标出的点划线则指明了熔渣的静态表面。术语“静态表面”应理解成表示没有将炉料喷射进容器的位置的表面。

在HIsmelt工艺中，进入载气(典型地是N₂)的铁矿石、固态碳质物料(典型地是煤)和熔剂(典型地是石灰和氧化镁)，通过喷枪27以至少40m/s、优选80-100m/s的速度被喷射进熔池。固体物料/载气的动量携带着固体物料和气体对着炉缸的底部12进入环绕容器中轴的有间隔的区域。在以下的叙述中，这些区域作为固体/气体喷射的高浓度的区域而被涉及。煤脱去挥发份并因而产生气体。部分碳溶解进入金属而部分保持为固体碳。铁矿石被熔炼成金属，并且熔炼反应产生一氧化碳气体。输送进熔池的和脱挥发份及熔炼产生的气体，对熔融物料(包括金属和渣)和熔池的固体碳产生显著的上浮力。

熔融物料和固体碳的上浮力在熔池中引起强烈搅动，特别是迅速导致由固体/气体喷射的高浓度区域向上朝外的距离，其结果是形成了膨胀的熔池区28，它具有由箭头30指明的表面。更具体地说，膨胀的熔池区28的表面在中心区91和容器侧壁14之间形成了一个环形的升高区域70。搅动的程度应使得熔融物料在膨胀的熔池区28内有显著的运动，并在该区内使熔融物料强烈混合到这样的程度：在整个区域内有适当均匀的温度，一般为1450-1550℃，同时温度变化约为30℃。

虽然熔融物料在膨胀的熔池区28内强烈混合，但是熔铁还是朝向炉缸下部逐渐沉积，并形成一个富金属区域，再通过前炉缸19被连续排出。

膨胀的熔池区28和富金属区之间的界面主要由固体/气体喷射的高浓度区域决定。熔融物料由这些区域显著的向上运动由通过喷枪连续提供的新炉料和已熔融物料的向下运动予以补偿。

此外，由固体/气体喷射的高浓度区向上的气流将一些熔融物料(以渣为主)抛起到膨胀的熔池区28的上升区之外作为飞溅物、液滴和液流，并形成溅幕(未示出)。熔融物料以溅幕形式接触位于膨胀的熔池区28之上的侧壁14的上部炉腰部分51和炉顶17。

除上述之外，在应用中，热空气以800-1400℃的温度和200-600m/s的速度，通过喷枪26被喷射进容器的中心区91。并在该区内朝上转向对着被抛起的熔融物料，而且造成一个环绕喷枪26端部形成的基本上是金属/渣的自由空间29。这种朝下的热空气鼓风促进了将抛起的熔融物料形成为上述溅幕。

通过喷枪26的热空气鼓风，在环绕喷枪26端部的自由空间29中并以围绕着熔融物料的方式使反应气体CO和H₂后燃烧，并产生大约2000℃或更高的高温。热量在气体喷射区内被传递到熔融物料中，然后热量通过熔融物料部分被传递到富金属区。

应当理解，本发明并不被限定于附图所说明的结构细节的范围，许多改进和变型仍将落在本发明的精神和范围内。

Claims

1.直接熔炼容器，用于经熔池为基础的直接熔炼工艺生产铁和/或铁合金，该容器包括：炉缸，它具有底部和有耐火砖内衬的侧面；侧壁，它由炉缸侧面朝上延伸，并且包括上部和在炉缸和该上部之间提供过渡区的下部，该下部在容器中限定出大致截头圆锥区域，该侧壁至少在侧壁下部包括有水冷板和耐火砖内衬；炉顶；用于由容器排放熔融金属和渣的装置；用于向容器内提供包括固体含铁物料和碳质物料在内的固体炉料的装置；以及用于将含氧气体供入容器以便使直接熔炼容器中产生的气体反应产物后燃烧的装置，其中，将多个水冷元件设置于水冷板之下并与水冷板邻近，并且超出水冷板朝内延伸到容器内，从而覆盖元件之下的炉缸侧面的耐火砖衬的至少80％。

2.权利要求1所述的容器，其特征在于，该元件至少部分被侧壁下部的耐火砖衬覆盖。

3.权利要求2所述的容器，其特征在于，该元件由侧壁下部的耐火砖衬覆盖。

4.权利要求1所述的容器，其特征在于，每个元件包括一个进水口，一个出水口，和使水在元件中流通的通道。

5.权利要求4所述的容器，其特征在于，每个元件包括；

(a)外壳，它具有限定进水口和出水口的开孔，和

(b)内部水流导板，它将外壳封闭的空间分成通道。

6.权利要求1所述的容器，其特征在于，每个元件包括平行的顶和底面，它们通常是不规则的四边形，平行的内面和外面在顶和底面之间延伸并使顶和底面相互连接，而且侧面在顶和底面之间延伸并使顶和底面相互连接，并由外面朝内面收缩。

7.权利要求6所述的容器，其特征在于，该元件以环形排列被配置。

8.权利要求7所述的容器，其特征在于，该元件形成连续的环形排列。

9.权利要求6所述的容器，其特征在于，每个元件的顶、底和内面包括机加工的沟槽，这些沟槽便于在该面上形成附加物。

10.权利要求1所述的容器，其特征在于，每个元件的厚度是单块耐火砖的厚度或多块耐火砖的厚度。

11.权利要求1所述的容器，侧壁下部的耐火砖衬由该衬和炉缸侧面的耐火砖衬的界面、以增长高度朝外渐进地形成阶梯。

12.权利要求11所述的容器，其特征在于，将该元件配置在侧壁的耐火砖衬和炉缸侧面的耐火砖衬的界面处。

13.权利要求1所述的容器，其特征在于，该元件一般水平延伸进该容器。

14.权利要求6所述的容器，其特征在于，水流导板包括中心板，该中心板将外壳封闭的空间分成上部和下部。

15.权利要求14所述的容器，其特征在于，水流导板包括一系列壁，它们由中心板朝上和朝下延伸，并且将上部和下部分成一系列通道部分。

16.权利要求15所述的容器，其特征在于，进水口和出水口在外壳的外面，在外壳封闭的空间的上和下部中的通道部分在外壳的外和内面之间延伸，并且邻近外壳的外和内端部的水流挡板的面被构成使得各通道部分之间存在相互联接。