CN1345381A - 直接炼铁和钢 - Google Patents

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Abstract

一种直接炼铁和钢的工艺包括用载气对热还原铁进行气动输送,由喷枪喷嘴向下喷出热还原铁射流进入位于金属熔池中的熔化区。在炉气从回转炉排出之前,在熔化区的指定位置,氧气也被加入到热气流中以与脱碳沸腾产生的CO和其它可燃气体进行二次燃烧,为熔化提供热量。之后,在其排入大气之前,热气流被用于为还原反应提供大部分所需要的热量。一个特点是在熔化区内沿横向和纵向分布热还原铁以促进熔化传热。

Description

直接炼铁和钢
本发明涉及铁和钢的生产，特别是关于直接炼铁和钢的生产工艺。
我的美国专利No.5542963论述了一种直接炼铁和钢生产工艺，其特点就在于高压热还原气体还原固态氧化铁与对热还原铁进行连续熔化。本发明为一种改进的工艺，包括一些(技术)改进和增加，以使其更加通用。本专利申请是正在申请中的No.08/916395的部分继续申请。
有许多人们熟知的实现固态氧化铁还原的工艺和衍变技术，所有这些技术都是为了生产直接还原铁，如人所共知作为最终产品的直接还原铁或海绵铁。传统上这些产品被分为如下两类：
A类：采用的是高压热还原气体穿过由氧化铁颗粒球团或块矿构成的重力接触支撑床或流化移动床的固态还原工艺，其中高压还原气体包括补充已在外部进行改制的碳氢化合物或直接加入碳氢化合物的再循环炉顶气体，且在产品排料端还原气体的压力是相当大的，一般为1-5大气压。
B类：采用的是煤或其他固态碳质还原剂的固态还原工艺，煤或其他固态碳质还原剂作为离散颗粒与氧化铁球团或块矿混合在一起，或是作为氧化铁造块(造球)的一个组分，它们在回转窑或进行旋转或移动的炉床内沿长而相对浅的移动床移动，在料床的上方有不再循环利用的高温炉气流，以及通过料床内煤反应生产的还原气体，其中在产品排料端的过程气体压力相对于环境大气压力而言接近于零。
A类直接还原铁生产工艺包括：以在竖炉反应器内通过重力接触支撑逐步下降的移动床为特征的MIDREX法、HYL法、PUROFER法、NIPPON STEEL-DR法和AREX-SBD法，以及采用流化床或重力接触支撑床生产碳化三铁工艺的FIOR法、FINMET法、SPIREX法、CIRCORED法和CIRCOFER法。
B类直接还原铁生产工艺包括：在回转窑内采用加热离散铁-煤混合物料的SL/RN法、DRC法、KRUPP-CODIR法和ACCAR法。FASTMET法和INMETCO法则采用氧化铁粉与煤混合造球的生产工艺，COMET法是在旋转炉床上交替布置氧化铁和煤/石灰石混合物料层的生产工艺。
本发明的总的目的就是要将在固态铁矿石还原技术中的这两类人们熟知的工艺与连续金属熔化工艺结合在一起，形成直接从氧化铁生产铁水和钢水的连续工艺步骤，与现有人们熟知的工艺或工艺组合相比，可实现对产品成分和质量进行有效控制的较高产量、较低能量需求，高金属收得率，低原料消耗和较低环境污染物排放的目标。
而就固态还原工艺来说，当仅采用天然气或燃油进行操作时，对于ACCAR工艺是上述两类工艺的一种不引人注意的例外。因为它不用固态碳质还原剂，是在大气压力下运行。在1967年和1977年之间，开发在大气压力下运行回转窑试验中，表明当直接喷入高温氧化铁球团料床的碳氢化合物为天然气或油时，它们会在料床内改制为还原气体(CO+H2)，而免除了在外部对其进行改制的需要。这一工作已在Iron and Steel Society，AIME，1980，第87-90页发表的“直接还原铁生产和应用技术与经济”一文中进行了总结。仅仅过了大约十年或更多一点的时间就突破了这一概念而应用于A类(直接还原铁生产)工艺，如AREX技术，对于其他利用在外部进行已改制的还原气体的竖炉技术就是一种可行的选择。因此，可以应用的还原气体构成范围就宽多了。这对大体保持适宜的还原气体温度和C、H、O比例是十分必要的，以进行持续固态还原金属铁生产。这样使得固态氧化铁还原系统装置的选择更加直接地集中在这些目标上，如低工艺能量要求，高生产率，低的废气量且废气中含有较少的粉尘和未燃烧的可燃成分，提高对产品成分的控制，工艺简化且成本低。
各种氧气转炉和电炉工艺在现行的工业化炼钢生产中占有统治地位，但它们都存在一个共同的问题，即在废气中含有未燃烧的可燃气体CO和H2，人们熟知的熔池熔化工艺也存在这一难题。二次燃烧(post-combustion)技术的开发缓解了这问题，但在每炉钢的不同(熔化)阶段二次燃烧比例(PCD)变化范围很大，因此，通过多个炉内气体喷射装置(喷射)过量氧气就是完全必不可少的。炉内对其所产生的热的利用-传热效率(THE)也处于相对低的水平，这主要是由于批量炉次熔化操作模式，典型电炉或氧气转炉的几何形状，以及熔池与烟气排出口相距较远等所致。一些如废钢预热方面的应用也通常由于实际操作复杂和成本高而使其可行性有限。本发明的一个目的就是实现稳定且近乎完全的二次燃烧，包括炉内向炉料的传热效率，其特征就在于稳定的高的二次燃烧比例和传热效率，同时在整个系统中有效利用废钢当中所含的显热，从而减少整个过程的能量需求，且排入大气中的只是基本不含可燃成分的低温废气。
现有的这些钢铁生产工艺其特性几乎都是采用喷枪向熔池表面喷吹高纯度氧气，且一般为高压和处于音速范围的高速气流。部分氧气与铁反应生成作为细粉尘排出的氧化铁烟尘，这样降低了金属收得率且污染了环境。本发明的另一个目的就是提供一种炼钢工艺，该工艺不是将氧气连续喷入熔池，而只是在需处理特殊物料和产品要求特殊时才采用(氧气)。一个理论上的目的就是要大大减少现有工业化炼钢工艺中普遍存在的氧化铁烟尘的产生量。另一个理论上的目的就是提供一个采用低压低纯度氧气的操作，如通过分子筛而制成的氧气，代替高纯度高压氧气。
本发明的另一目的就是只排放少量的废气，且废气温度相对较低且基本不含有可燃成分。从而比其他铁矿石还原和炼钢相结合工艺热量损失少，且向大气中排放较少的污染物。
本发明的另一目的就是在最短的时间内完成高温固态还原铁从还原带输入处于熔化阶段的部分熔化金属熔池中，且热量损失最小，与大气、炉气和钢渣接触时间短。
本发明的另一目的是将高温固体还原铁布料于部分熔化金属熔池中，且使它们充分扩散以避免未熔铁块的粘结形成漂浮物，并减少熔池中延缓传质的障碍，以加速传热和熔化。
本发明的另一目的是在直接炼铁和钢工艺中消耗最少的物料、添加剂、燃料、还原剂和氧化剂，在该工艺中所有的主要工艺步骤都可以同步进行，并生产出连续的具有控制成分和温度的铁水和钢水液流。
作为上述的A类工艺的应用，本发明提供一种直接炼铁和钢工艺，该工艺包括将含有氧化铁的物料加入到还原反应器的气-固还原带，还原反应器通过高压热还原气体进行加热，而高压热还原气体包括由再循环炉顶气体、补充已在外部改制的碳氢化合物或直接加入碳氢化合物而构成。还原气体穿过气-固还原带而与氧化铁反应，生成固态热还原铁。接下来将该还原铁输送到长形回转炉内侧炉壁中的包含部分熔化金属熔池的气-固-液熔化区，熔池上至少带有一层漂浮的部分顶渣层，并由可燃含氧气体燃烧而加热，产生高温炉气流，高温炉气流从熔池上方通过不断地为熔化热还原铁提供热量，以生产铁水和钢水。而炉气流则通过炉子的环形开口排出，其步骤包括：
使热还原铁与伴随的高温还原气体从气-固还原带进入直接将还原带和熔化区之间连接起来的输送管道，并与一喷枪相接，而喷枪通过回转炉的圆形端开口插入熔化区，喷枪角度向下倾斜指向熔池液面；
将高压载气通入输送管道，以携带和推动热还原铁，通过喷枪射出，载气和热还原铁射流穿透熔池液面，使热还原铁浸入部分熔融金属熔池并扩散，通过使炉内壁相对于熔池底部周边旋转，产生推动力，促使热还原铁在熔池内进一步扩散。
回转炉高温燃烧产生的气体所含显热最好用于热还原气体的预热，在外部通过与氧气的不完全氧化对补充碳氢化合物中的一少部分进行改制也是较好的特性，剩余的主要部分直接在气-固还原区内就地改制成还原气体CO和H2。
当在或接近环境大气压力下采用B类固态还原工艺时，本发明提供一个将热还原铁输入高压区的附加步骤，通过输入高压气体来施加高压。离散的碳质还原剂，如煤炭等，当与热还原铁混合在一起时，最好在对铁加压、传送、喷吹之前，通过粒度分离而去除，进而对煤炭进行清洗，并使这种未反应的还原剂再循环利用。最好将从熔化区排出的热还原气体输送到气-固还原带，为氧化铁还原提供补充热量。
作为不论A类还是B类还原铁的实际应用，主要工艺步骤最好连续同步进行，而炉料连续地加入和排出。本发明的工艺包括将附加的含有氧的气体如将至少纯度为80％的氧气加入到气流中，这可导致有效地实现：(1)作为含在热还原铁内的残余氧化铁的氧和碳之间反应而从熔池表面排放出来的CO的二次燃烧；(2)在气流从熔化区排出之前，与载气中含有的可燃成分和来自射流的热还原气体中的可燃成分反应，形成CO2和H2O，从而为熔化提供补充热量。除了与炉子炉壁的旋转和倾斜相结合有效分布和扩散固体喷枪射流冲击区之外，通过在熔化区内向前和向后移动射流的一个优越之处，就在于载气和热还原铁射流冲击区沿部分熔化熔池纵向分布，便于满足最有效熔化的传质传热要求。
工艺最好包括将液态金属推进气-固精炼区，在位于炉子中的该气-固精炼区带有一个完全的熔融金属熔池，并由排料端燃烧器提供一部分可燃气体和含氧气体进行加热，以控制熔融金属熔池的温度。其基本独立于熔化区内进行熔化的热量要求。在控制回转炉侧壁的搅拌作用情况下，对液态金属进行搅拌、均质和精炼，以生产出所控温度和成分的钢水和铁水。来自排料端燃烧器的高温燃烧产生的气流也可构成熔化热量要求的基本部分。熔化热量的其余部分由二次燃烧和来自射流的气体燃烧来提供，这可由加料端燃烧器燃烧直接输入熔化区来作为补充。
用以控制和调节气-固-液及气-固反应区化学反应的熔剂、合金、增碳剂也可通过载气输送，与热还原铁一道输入输送管道而加入。补充加入的废钢铁、生铁、冷直接还原铁、直接还原铁压块可选择的加入熔化区，并沿纵向前后移动输入位置。
本发明工艺和装置的各个其他目标、特性和优越之处可参照附图由下面的详述和权利要求中显现得更加清楚。其中：
图1概要地表示了本发明工艺和设备的特征，它实际体现的是利用在竖炉反应器中逐步下降的接触支撑床内的气-固还原进行的上述A类还原工艺；
图2为沿图1中平面2-2的剖面图；
图3为用于将热固态还原铁喷入气-固-液熔化区的喷枪纵向移动循环的示范图；
图4为在流化床反应器内采用A类还原工艺的概要的局部流程图；
图5为在回转窑内采用B类还原工艺的概要的局部流程图；
图6为在旋转炉床上采用B类还原工艺的概要的局部流程图；
图7为处于运行中的固体喷枪枪嘴的局部剖面图，该喷枪也适于向气流中加入氧气；
图8为氧气喷枪喷嘴的局部剖面图，它适于为整个气流二次燃烧而输入氧气；
图9为图8中喷嘴的变形实施例；
图10为一个可供选择的采用B类还原工艺的局部流程的概要图；
图11表示的是图10中喷射器组合的侧面剖面图，它用于对喷射的热还原铁进行加速。
参照工艺流程图1，在还原反应器2内有一气-固还原带1；含有氧化铁的炉料3，一般为块矿或球团矿，通过至少一个反应器给料口4加入，从而形成一个因重力作用而逐步下降的接触支撑床，经入口6输入的高压热还原气体5，通过炉料孔隙与固体炉料的移动方向呈逆向，向上穿过还原带1，并与氧化铁反应形成热还原铁58；反应生成的炉顶气体7通过出口8排出，并引入旋风除尘器9，以去除颗粒状灰尘，并在通过再循环压缩鼓风机11进行再加压之前，经冷却洗涤塔10进行脱水。
与此同时，在回转炉内形成了带有部分熔融金属熔池32的气-固-液熔化区12，在这里，由还原带1排放而来的热炉料被熔炼。紧接熔化区12的是气-液精炼区18，在这里对出钢前的钢水的成分和温度进行调整。这些区域都是根据需要通过加料端燃烧器19和排料端燃烧器20输入的可燃含氧气体进行燃烧加热。燃烧产生的高温炉气流与炉料移动成逆向流动，经圆形加料端开口21排入废气管道系统。该系统包括去除尘粒的气体调节室22和压力控制调节阀23。之后高温炉气33向再循环炉顶气体用换热器24提供热量。出金属液则可通过出钢口26排入钢包27或通过虹吸管28进入真空炉29中。真空炉29除了带有合金、脱氧剂、熔剂用闭锁料斗30外，在钢水排入流槽或中间包31以供给连铸机之前，还可进行气体搅拌、吹氧、加热等功能作业。
在所述实施例中，经过反应、脱水和增压后的炉顶气体35被分为三部分气流：第一部分气流36被用作燃烧器19、20的燃料42、43，同时向其供氧44和45。第二部分气流37在直接加热器40中与空气或氧气燃烧以产生高温气体41，气体41与燃烧产生的高温气体33一起构成了换热器24的总输入热量，废气73则穿过最好采用喷水的雾化冷却室74、抽风机75、调节阀76、除尘器77，最后经烟囱78排入大气中。这样经冷却、除尘后的废气79是本工艺流程排放的唯一废气。它基本不含可燃成分和颗粒状灰尘；第三部分且也是主要气流38，在通过换热器24后成为通入还原带1的高温再循环炉顶气体50，用以补充、温度调整和再循环之用。
如图所示，碳氢化合物51是作为还原气体的组成部分而输入混合室52的，而碳氢化合物51B则可选择地直接输入(反应器2)，作为还原气体5的不混合组分。而以燃油形式存在时，最好对碳氢化合物51、53进行雾化，为此只需少量高压炉顶气体35作为雾化介质。为了平衡所述工艺流程所需能量和氧气，碳氢化合物53最好大约为总量的三分之一，在气体发生器55中与氧气54进行不完全燃烧，生成主要由CO和H2构成的高温还原气体56。故高压热还原气体5包括高温再循环炉顶气体50、新碳氢化合物51、51B和碳氢化合物53的不完全氧化物56的混合。
许多固态还原生产工艺都可以由人们熟知的工艺衍变而来，例如，一个工艺流程可包括在碳氢化合物兑入炉顶气体再循环系统(HYL法)或与炉顶气体混合(MIDREX法)之前，对其进行前期改制，也可包括改制装置(HYL法)的气流或作为不完全氧化剂(AREX法)的空气。它还可包括通过高温碳酸钾洗涤(PUROFER法)或单乙醇胺吸附(NIPPON STEEL &IRON CARBIDE法)或PSA吸附(HYL法)去除再循环的CO2。还原带1可以在1-大于5个大气压下运行，且随着压力的增加生产率显著增加(NIPPON STEEL法)。适宜的调整包括在所有情况下与保证适宜的还原温度的能量平衡相结合在一起以满足操作条件，如C、H和O的物料平衡。
尽管许多不同的还原气体再循环流程都是可行的，但本特别实施例被认为是最佳的。因为，除了由氧化铁带入的氧之外，还有气体成分所要求的附加氧也会得到满足，不需加稀释氮以减缓气-固还原反应和吸收流程中每次用以再加热的热量。同时，提供了在局部改制炉内直接反应需要的相当部分的热量，避免了间接热交换和外置改制炉的附加的能量损失。而且，碳氢化合物气体在反应器入口前基本上都反应生成了CO和H2，从而可以进行氧化铁直接还原反应并降低由于碳氢化合物在气-固还原带进行吸热改制反应所造成的温度损失；从物料和能量平衡角度，与以前的还原工艺技术相比，这些优点是十分明显的。
在反应器2的底部的高压热还原气体和热还原铁58随时可输送到气-固-液熔化区12。可以使用旋转阀60、密封螺旋装置或其它人们熟知的机械装置来调节铁通过与输送管道62相连的管道61的输送速度。而输送管道62与喷枪63相连，喷枪63是用于将热还原铁通过开口21喷入位于气-固-液熔化区12内的部分熔化熔池32中。在标准操作规程中，热还原铁58与通过阀60从还原带1中带出来的高温还原气体一起进入输送管道62。在所述实施例中，从再循环高压热炉顶气体50引出的少量高压热载气65被输入输送管道62，在管道62里高压热载气65与固态还原铁和从管道61相伴而来的还原气体混合，携带并驱动热还原铁进入带有枪嘴34的喷枪63，而枪嘴34角度向下倾斜并指向熔池32的表面，将喷出的射流64喷入部分熔融金属熔池32；通过控制阀66调节气流流量，从而控制气流和射流64的速度，进而控制热气体和还原铁在与熔池表面发生撞击时进入熔池32的穿透深度。添加剂16，如来自高压添加剂给料料斗17的熔剂、合金和增碳剂，可以随热(还原)铁一起喷入，料斗17与输送管道62相连，并根据人们所熟知的风动给料和传输操作规程控制给料速度。
一般热还原铁的密度为2.0-3.8克/立方厘米，与此相比，渣的密度为3.1-3.5克/立方厘米，金属熔池区域为7克/立方厘米。最初的趋势是固态还原铁喷到熔池表面上方并在金属液上着陆和漂浮之后，升入渣层；同时在还原铁块或球团浸入到液态铁熔池时，在再次熔化结壳和使球团达到完全熔化之前，最初在球团表面会形成一个金属凝固的固体壳或表面结壳；通过传热和传质就开始熔化了，当枪嘴34运行平稳时，该系统聚集相对大的未熔物料流量于射流64的着陆区。例如，对于一般中等规模的竖炉，如果热还原铁58以每小时60吨的速度进行生产，则大约每秒33镑的铁就输入熔池32中，如果缺乏对未熔铁料进行强制扩散的机制，则它们就会集中在射流附近的熔池区域，甚至可能集结在一起并形成一个主要由固态还原铁构成的漂浮物。参照图2可以看到，本发明提供一个扩散机制，即通过炉子15的内衬旋转作用驱动熔池32的底部周边，并与射流64的速度形成的扩散力相结合；通过增加炉子旋转速度，最高达每分钟10周以上，可以提高扩散效果；增加炉子的倾斜角度也会增加纵向的扩散作用。
随着在区域12耐火砖壁内回转炉大小和长度与直径的比率的增加，对熔化热的扩散类似于贯穿熔化区12的高温炉气流和耐火砖壁的热释放效率，主要靠射流速度、炉子旋转和倾斜来进行未熔铁的扩散是越来越困难。一个方案就是采用沿区域12分布附加的固体物料喷嘴或喷枪；作为另一个方案即为本发明所示实施例的最佳特性，喷枪64可以在熔化区12内在纵向向前和向后到达各个位置，并移动喷嘴34。
作为通过挠性软管90与输送管道62相连而输送热还原铁的悬壁式喷枪63，在固定槽式支撑辊48和可收放的夹紧导辊49之间移动，喷枪入口端卡在移动小车47上，而移动小车47安装有在纵向导轨39上滚动的支撑导辊。举例来说，移动或调整喷嘴34插入熔化区12的行程，可以通过可逆式变速液压或电动马达驱动导辊48来完成。导辊48带有极限距离继电器，并基于沿导轨39的极限位移和中间定位点来检测小车47的位置。最好垂直方向的调节也包括在内，如通过液压缸59绕支点57垂直旋转导轨39。用气幕对穿过加料罩的喷枪通道开口进行适当密封，至少是部分密封，并在竖直延长线方向适当延伸；在操作期间用可移动的护板或门来遮盖，以在喷枪插入或因维修而移出等过程中为倾斜安装喷嘴34提供一个顺畅的通道。另外举例来说，设备变形还包括长的套管取代导辊组合48、49及小车47，从而通过万向球螺杆或长程液压缸来进行移动。
热还原铁可由在最大插入长度Lmax和最小插入长度Lmin之间连续移动喷枪喷嘴34沿纵向进行布料。例如图3所示的一个循环过程，在这个循环中，喷嘴从Lmax位置以1英尺/秒的均匀速度向后移动直到其到达Lmin位置，从这里折返并以3英尺/秒的速度返回Lmax位置。届时这个循环则被重复，在一个方向上相对于另一个方向增加喷嘴移动的速度，如图中所示，或许是降低靠近折返点突发或周期性“双倍投料”效应的最简单方法。为了满足在特定区域优先集中固体物料，喷枪移动速度可以要求逐步地改变或根据方案进行加速或减速；在确定Lmax位置时主要考虑的是在熔融铁从熔化区12排出之前完成熔炼，Lmin的设定靠近加料端开口21有助于充分利用有效传热区域，避免在加料端熔池32的不必要局部过热和降低热气体33的温度。相反，对于小的Lmin，则载气中所含有的可燃成分在其从开口21排出之前没有充足的时间反应生成CO2和H2O。气体取样和分析系统对气体33的可燃成分和氧含量进行连续监测十分有助于确定最佳Lmin距离。Lmax-Lmin之间的距离最好至少为区域12总长的一半，通常在70-90％的范围内。
如图2所示，转动炉壁引起靠近熔池底部的金属沿炉壁旋转方向移动，这导致熔池表面附近沿相反方向的抵偿运动。在每个循环的两次通过之间的时间间隔内未熔化的物料从喷枪射流横向漂移。如图所示，在整个生产阶段，位于熔池表面附近的金属横向移动的逆流之上的喷枪射流使未熔化铁扩散至横跨整个熔池宽度。
如图所示，喷嘴34以大约45度角向下倾斜并指向炉子15的排料端。但也可以是任意适宜的锐角，最大为90度与熔池表面垂直。陡的角度增加射流穿透深度，小的角度有利于加大所用载气和炉内气体和氧气的紊流混合，从而延长在炉内的时间，进而在它们从开口21排出之前有利于充分传热和所含可燃成分的完全燃烧。
图1所示的实施例中，管道61安装有换向阀67，用于通过另一个管道68将热还原铁58分流到水淬池69，脱水装置70和干燥装置71工序，从而生产作为中间替代产品冷直接还原铁72。也可包括回收和再利用通过阀60、67出来的热还原气体，如通过向管道68通风并用管道将气体输入到鼓风机11的入口。需要注意的是竖炉用原料球团或块矿一般粒度大于3mm，还原铁58也与此相似，除了由于生产中暴裂所产生的少量的细颗粒。由于湿表面积与重量的比值相当低，而且在水淬中通过限制水份吸收量，主要是使表面变湿，故只有少量水份被吸收。通过限制水淬时间以在高温时排出湿球团，通常大约为100℃，它们基本上在冷却期间就可以自行变干，生产出冷态干燥的还原铁中间产品，而不需要外来干燥热。这种冷态直接还原铁可以例如通过高压料斗17作为一种添加剂而重新加入用于熔化，从而防止铁水和钢水的产量损失。水淬的另一个优点在于可以附着一层溶解或悬浮在水淬液中的惰性涂层试剂，以减少冷态直接还原铁球团在储存或运输过程的再氧化。从而可取消通过喷涂等方式进行的钝化后序操作。
图4表示的是A类固态还原的工艺流程，但它是流化床而不是重力接触支撑床。流化床80位于反应器81的气-固还原带1之内。反应器81被供以含氧化铁的炉料82，炉料82通过热还原气体5进行流态化。图示非常简洁，省略了个别装置和变化，这些可以清楚地从许多众所周知的实用性流化床铁矿还原工艺技术中看到。这些工艺总的说来将含有氧化铁的炉料加工成小于3mm，且在各种工艺流程和机械装置中采用沸腾和再循环流化床。通常以竖炉工艺为例，炉顶气体83带着较重的炉料负荷。在旋风除尘器86中脱除大部分炉料尘粒85后的清洁炉顶气体，大部分一般经脱水、加压、加热、补充和再循环而返回到流化床80中。高温固态还原铁87，从低碳金属铁到几乎纯的碳化三铁Fe3C的渗碳铁加上自由碳，以由流速控制阀89调节的流速穿过管道88进入输送管道62，在输送管道62中，又被高压载气65承载通过喷枪63，以射流64从喷嘴34射出，喷入气-固-液熔化区12。在图1中喷枪移动装置没有予以图示，但在某些方面的益处是很大的。如当铁和废钢、热压直接还原铁块等辅助金属炉料13用其它设备，如振动式给料输送设备14，加入熔化区12时，则构成了加入熔化区12的炉料的重要组分。如图所示，给料输送设备14安放在与炉子15纵向对齐的轨道上运转的轮子上，从而使输送设备前后移动，沿纵向分布炉料13出口位置，然后通过旋转炉子内壁并结合向下倾斜炉子15使炉料13在熔池32内进一步前移和扩散。造渣料和合金材料或冷还原铁球团作为添加剂16也可以从高压料斗17加入。将挠性软管90接到输送管道62上，一般来讲，它们都是由耐热合金和外部绝缘材料制成，以便于与在任何要求位置的反应器2或80或对应的炉子15相接，也便于调节喷枪63插入熔化区12的插入位置和角度，甚至在不需要喷枪横移时。当随着回转炉15的转动而浮动安装时，便于加料罩46的密封是其另一个优越之处，特别是在喷枪63直接由加料罩46支撑时。
与图1相似，也可包括冷却和排出热还原铁的分流设备，但因为炉料粒度较小而需要较多的脱水和干燥装置。另一种方法可以采用人们已熟知的不进行直接水淬而是间接冷却；与图1相类似，将热气体33通入对流态还原气体5进行预热的换热器。举例来说，通常流化床碳化三铁还原工艺采用外部补充加热器以预热到1200℃，同样也可通过利用气体33所含的热量来取代。
图5为一流程，在该流程中的固态还原属于B类工艺。其气-固还原反应是在一长条形的移动床93内进行的。移动床93随着微微向下倾斜的回转窑反应器94的旋转而连续向前移动。从料仓117通过控制速度给料机，经一般的输送装置或加料流槽118将含有氧化铁的球团或块矿、煤、煤炭以及作为硫吸附剂的石灰、白云石等构成的炉料加入反应器94中，对大部分回转窑还原技术而言，还原剂是煤或煤炭，它们与颗粒状氧化铁混合，在流动床93内经受热反应生成CO和H2，生成由热固体还原铁、煤炭、残余灰分和吸硫熔渣组成的反应混合物97。同时煤/煤炭也提供了总热能需求的大部分。而空气或氧气则是通过沿反应器94呈一定间隔分布的喷孔或燃烧器96及排料端燃烧器119而输入。为保持所期望的反应温度范围，如果必要的话也可以用液态燃料或气态燃料作为补充能源。离散状的混合物92中的煤和熔剂一般粒度小于含有氧化铁的球团或块矿，便于用通常大约为6mm的封闭式热筛筛板98进行分离，从而生产出筛上的基本干净的热还原铁99的连续料流，用于直接输送到熔化区12。筛板98一般是要振动的且筛子的篦条可以内部水冷或由耐热合金制成。筛子最好还可带有顶筛板(没有示出)，其筛孔尺寸适于去除大块粘结在一起的大块炉料并将其送到一个带有定期排料口的适当密封料仓中。
除了作为混合物92的组分，煤和煤炭也可以沿移动床93加入，如通过风动喷吹，这是一种在回转窑反应器铁还原技术中的较普通的操作工艺。在气-固反应区95内气流一般与料床的移动方向相反，废气135经加料罩136而从加料端开口排出并进入一个适宜的净化和排出系统，最好该系统包括显热热交换装置。
热还原铁99可以通过插入旋转阀91入口中的流槽和缓冲矿槽100或其他装置如螺旋给料器或闸门式给料器排出，并将其排入输送管道62中，以便由载气101输送，从而经输送管道62将还原铁送至喷枪63。一般旋转阀91为偏心式，当用气动输送系统输送相对热且大块度物料时，最好还包括一些已为人们熟知的旋转气闸阀门技术方面的特殊装置。由于与A类气-固还原区压力一般大于1巴不同，B类气-固还原工艺一般控制设定值，即在环境大气压±3mm水柱以内。载气通过阀91的泄露量和回流量就可以反映有效气体量，最好这些气体的大部分都能被排入大气或是导入载气增压系统用于再循环。
传统上，高压载气101最便于从外界气源供给，因为工艺流程产生的热高压再循环气体不是本身自然可以利用的。其它可以选择的办法包括对气-固还原区废气135进行增压，或将载气入口通道通过罩115插入气-固反应区，然后利用高温鼓风机对回转窑气体加压，从而形成载气101。由于这些还原区气体温度高，其成分通常对热还原铁属还原性或中性的，故用此方案，在输送期间再氧化和温度降都很小。由气-固-液反应区12排出的燃烧产生的高温炉气112具有1600℃左右，并只含有少量未燃烧的CO、H2和碳氢化合物，气体112通过废气输送管道114输入气-固反应区95以向那里提供部分热量。注意最好用于在回转炉连接处密封的固定式封闭装置115、46也与各种输送设备相连。管道114也可以带有旁路，如用于排出废气。另外在反应器94停炉时，废气112可以用于空气、氧气或燃气预热或是氧化性球团预热等。在反应区12内几乎所有可燃成分完全反应成CO2和H2O。对B类来说，与A类相比，并没有那么重要，因为对这些气体而言，在气-固还原区仍有第二次机会实现完全燃烧，而对A类，它们通常只被用于通过间接传热进行换热。
热筛下料可排入水淬池120，进而通过湿式磁选分离设备121来回收铁122，以便再利用。例如，经精磨机123，浓缩机124和过滤机125脱水，从而作为氧化铁造球和球团混合料的添加料，铁122、126也可以用作熔炼添加材料16、17，非磁性物料126可以进行湿法筛分127，并将漏在筛下的细灰和水合吸硫物128送到废物沉降池。对筛上的煤炭129进行脱水，然后重新利用，从而成为移动床93固态碳质还原剂的一部分。大家熟知的固态回转窑还原法也一直用于已被造球的铁矿石和精矿的还原。造球过程有通过圆盘造球机或圆筒造球机造出生球、预干燥、干燥和预加热或通过低温固化工艺进行处理，而不用在高温下加热进行初始固结。这样，经过适当的破碎之后，再循环使用的煤炭也可以与精矿粉混合进行造球，从而构成还原用球团的一部分，同时也成为固态碳质还原剂的一个组分。新碳质原料也可加入到球团中，从而在球团中所含的再循环碳质原料和新碳质原料一道构成了在气-固反应区中所使用的固体碳质还原剂的相当大的部分，甚至全部。球团炉料含碳量高时，筛子130和再循环系统121-129很大程度上变得多余了。全部反应后的混合物97也可被旁路送到水淬池120，例如通过翻转绞接筛篦条送进段130，接着进行湿冷筛分127，对于筛上物料131则送去干燥132，以生产冷直接还原铁球团133。球团133可以输送到反应区12，或作为另一添加剂16、17而喷入反应区12。湿的筛下料134可以如已述的那样，再加入细粒材料(加工利用)循环。
图6表示的是B类气-固还原工艺，其中，由细粒度氧化铁和煤混合制成的球团构成的炉料138作为薄料层分布在环形加热炉式反应器139的回转炉床上。通常加热燃料140通过沿炉膛以一定间隔的燃烧器加入，且来自鼓风机144的经预热燃烧空气137也被输入以控制炉料温度，并实现炉气的完全燃烧。炉内气流与炉床的转动方向相反，呈逆向，且废气141出口靠近炉料给料器138或与其重叠。回转炉燃烧产生的气体112被通入环形加热炉反应器139，以提供补充热量。废气141一般经调节器145、换热器146、除尘器147、抽风机148和烟囱149排出。由于固体还原剂为球团的一个组分，因此它们可以直接通入传热和喷吹系统，而不需筛分。图示的是一个适用于较高传输压力且无载气回流的系统，特别适用于前述的喷吹技术的长距离输送热还原铁。热还原铁通过密封流槽输入缓冲料斗100，并以间歇方式排入料斗102，随后带压输入连续保持压力的料斗103，并在减压后接收来自料斗100的热还原铁。该系统安装有适宜的切断和控制阀装置，如固体料流控制阀104、106和密封阀105、107。料斗压力最好是由在载气支线管路109上的调节器110来控制，它还包括与阀105开口同步闭合的切断阀111，从料斗103还原铁喷射进入输送管道62可以通过旋转阀或计量阀108均匀排放。另外，密封阀107可以采用双位门或是将热还原铁直接分流到两个高压料斗103中的一个，平行输入输送管道62。根据气动传输技术，许多设备和控制方法都是可行的。
一般热还原球团142都含有残余煤炭和煤灰，这造成区域12、18产生大量的炉渣和较高的熔剂供给量，以保证相同的炉渣碱度。这样，在我的美国专利No5305990中的连续控制炉渣排放、同步炉渣与铁水和钢水分离的方法就特别有优越之处了。另外，图示的喷枪63变形为直筒式喷嘴34，并带有一靠近开口21且大致与喷枪中心线相交叉的支点57，从而适于绕支点57旋转喷枪63，以及纵向移动喷枪小车来沿纵向移动射流64。伴随插入距离增加，气流对熔池表面冲击角度变平，可能并不是好的方案。
在旋转炉床(COMET)上的气-固态还原的另一个改进是含有细颗粒氧化铁炉料和煤/石灰石混合物交替布置的料层进行加热还原，则伴随铁精矿的粘结会减少。从而最好在对大块度的铁进行破碎步骤之前，进行如图5所示的热状态下粒度分离，生产出适于输送和喷吹的连续热还原铁。
高压空气，最好经过预热，是一种显而易见的载气方案，因为氧气对铁有氧化作用，而且在一定热还原铁温度以上对碳的氧化优先于铁的氧化，在输送期间铁的再氧化会减少。同时，就铁而论，特别是对A类还原铁，一般表面带有细小的碳黑状等形态的游离碳。不利之处是熔融金属中氮的溶解。这对产品质量有潜在的影响是决定性的，以及一些过早的且不可预料的碳的消耗，而这碳对FeO的还原是很有用的。惰性载气如氩气很容易以产生相对高的成本，且它们中是用非放热气体(与强放热气体CO2处H2O相比)对气-固-液熔化区气流进行稀释，从而降低了热能的有效利用。载气可以先预热，也可在满足供给要求的温度下加入冷气。考虑相对比热、传热和传质，在通过室温载气输送过程中，当每输送1吨铁载气量为4克分子时，对热还原铁的冷却温降总体说来不到15％。对于这一温降肯定会增加对区域12热平衡的冷却作用。
热还原铁一般含碳范围为1-2％，或20-40磅/吨铁，通常以方铁矿、FeO形式存在的氧为1-3％，且方铁矿、FeO都弥散在整个热还原铁中。当将其加入金属熔池32中，并进行熔化时，就进行以 反应式表示的脱碳沸腾反应。为了每吨铁中1％的降碳，需要输入热量80000英国单位热量，并同时从熔池和渣的表面产生主要为CO的600立方英尺的气体。通过这些处于炉温的CO与室温氧气的近乎完全的二次燃烧，根据放热反应式 ，在炉气从开口21排出之前，每吨可约有180000英国单位(btu)热量释放出来，前提是CO为熔池温度2800°F，而氧气为室温。通过向金属和炉渣传热，有助于熔化，同时作为残余显热还可用于气-固还原。由于在金属熔池和沪渣中存在铁被氧化生成FeO的可能，这些一般就要求补充碳，如添加剂16，以满足大部分型钢产品中的碳含量范围。为了满足预计所需的热量，在2800°F的钢液显热为1200000英国单位热量/短吨(shortton)。
这样，加入氧气主要用于两个目的：(1)在熔池32内由于脱碳沸腾而产生的CO的二次燃烧；(2)载气及来自射流64中的伴随热还原气体的燃烧。为了目的(2)，要发生反应的可燃气体必须集中于射流64的冲击区，而为目的(1)它们要均匀分布于熔池32的整个液面。如果为了实现目的(2)而将全部附加的氧气直接输入射流64的区域，气流的输送及混合对目的(1)就不适宜。所以，部分二次燃烧用氧气的一部分就可以由分流喷嘴提供，或作为燃料的过剩氧气通过喷嘴19、20来加入，或是将两者结合起来。
根据还原带和熔化区的距离和不同标高，通过管道61的载气和从气-固还原带流出的伴随还原气体量可能变化很大，但通常在每吨2-8磅克分子，具有代表性的是4磅克分子，或是1500标准立方英尺。一般这些气体中只有少量与钢水反应，而大部分融为射流64的气流。与氧气反应释放的热量取决于可燃气体含量，对每立方英尺的CO、H2和CH4其所含热量分别为270、240和780英国单位热量，而依据是在射流64为1500°F，反应生成3300°F的CO2和H2O。而在一些情况下，这些热量会是零或接近零，如采用空气、CO2或惰性气体作为高压载气等。
当熔池中碳和氧在熔化中理论上大体达到平衡，或是存在碳不足时，则不再需要向熔池中喷氧，而用于满足钢中碳含量需求的增碳都可作为添加剂16喷入或以其他方式加入。所要求加入的总量反映出在熔化和精炼区由金属和渣中氧化物构成的多余FeO的量，另外的选择包括镁、硅、钙、铝及与FeO反应的特殊混合物等脱氧剂，形成的反应产物进入渣中，而不是在热炉气中。
某些A类操作工艺和B类回转窑还原工艺还原铁中碳都可低至1％，或仅每吨2磅。在这种情况下，加入碳或其他脱氧剂就可以避免金属的过氧化，并保持钢水中碳处于所要求的水平。相反，热还原铁的碳基本超过与FeO反应的理论量，则向熔池喷氧就是显然的方案，但主要差别是每吨中每1％(20磅)的碳氧化成CO熔池释放的热为40000英国单位热量，而不是吸热80000英国单位热量。载气中所含有的氧气必须与单独喷氧相当。
碳化三铁还原工艺与图示是相符的。因为热还原铁一般碳、氧含量高，其中氧以氧化铁形式存在，例如，假设碳化三铁含碳量为5％，氧含量为6.5％，而钢水碳含量要求为0.5％，为了简化说明起见，假设炉内氧化铁均由FeO构成来与其他脱氧剂反应。假设0.5％的氧(重量)以FeO形式存在于渣中，而4.5％的碳与剩下的6％的氧相平衡进行 ，则钢中残余碳为0.5％。由于脱碳沸腾而产生的CO量大约为4.5(600)＝2700标准立方英尺，且吸收4.5(80000)＝360000英国单位热量/吨，气流中约有1350立方英尺的氧用于与CO反应生成CO2，伴随每吨钢水释放出大约4.5(180000)＝810000英国单位热量的热量。由于气流中的热量也要用于还原带的循环再利用，因此，向熔池中传送时具有高的传热效率(HTE)是有益的，但对于整个工艺过程的热效率却不是最关键的。但就是这样，就二次燃烧而言其热效率也远比电炉、氧气转炉高，因为细长的熔化区和对炉壁的旋转搅拌，从而连续稳定地将热量传递到熔池中。在碳化三铁还原技术中低纯度氧会明显降低可达到的生产率，因而，对类似的还原设备，规范采用高纯氧气的熔化区工艺操作，以能够达到较高的生产率和低的生产成本。
A类工艺其特点为高压预热再循环炉顶气体50，它含有可燃气体CO和H2，可用作载气，也可以通过补充新的碳氢化合物来作为热还原气体5。这些气体是有用的且有相当优越之处，特别是如果它们在区域12内的燃烧被控制主要在工艺热量需求最高的区域，则这一过程会进行得很完全，同时也会避免未燃烧的可燃气体排入大气中。氢可以以载气中的H2分压相平衡的值溶解在钢液中，即通常在8-16ppm，伴随载气中H2为25-50％，这是由钢铁冶金热力学所决定的。至少(对氢的)部分脱除会受脱碳沸腾作用的影响，还有后面的真空工艺，如真空装置29，但对于特殊的工艺应估计可能对产品质量的不利影响，包括最终产品。
图7表示的固体喷枪实施例，它适于注入了氧气的气流在区域12内与载气中所含的可燃气体混合并发生反应。喷枪63的喷嘴34以锐角向下指向钢水熔池表面，如图所示，其角度大约为45度。载气、热还原铁和添加剂的射流64将渣层152分开并穿入熔池32中，产生一紊流旋涡157。喷嘴34带有氧气喷射环形通道153，并根据众所周知的操作规程，由水冷套管155进行冷却。如图所示，氧气射流156可以从圆形开口或半圆形开口154射出，或是由单孔或多孔喷嘴159(见图2)射出。最好压力和速度较低，因为不需将金属或炉渣穿透，而是，随之而来射流64动能的耗散，载气从旋涡157向上升起，与已废载气和从熔池产生并释放出来的热还原气体158混合并发生反应。伴随载气中可燃气体与氧气混合并燃烧，结果主要在拥有未熔铁最集中的熔池区域上方产生放热。当然，通过喷嘴154输入氧气可以选择独立于氧枪63的氧枪来输送。
图8表示的是氧枪喷嘴160，它特别适合于将氧气与总的气流151相混合，这有助于目的(1)-由熔池中脱碳沸腾而生产的CO二次燃烧。氧气通过水冷圆形外管162和水冷内管163之间的环缝161输入，内管163带有氧气射流流量、方向和分布控制圆环164，圆形环缝喷嘴开口165处于外管162的端头和圆环164的后背之间，通过它们以连续氧气幕状沿轴向横跨射流166，成辐射状向外喷出，圆环164最好是通过由内水管168输送的冷却水进行水冷的，并通过内管环缝169返回。开口165可以加工成特殊形状以提高与气流的混合效果，加速与可燃气体的反应。例如，在图示中，环缝开口165是以与垂直方向成30°向上游延伸，射出一个圆锥形的向外辐射的气幕，它与总气流流向相反，使氧气射流166朝下指向熔池32的开口165段，比上部控制射流的区段变宽。从而更多的氧气直接穿过来自熔池液面的CO，开口165的宽度以及在指定压力和速度下氧气流量可以通过调节轴向管子163的位置来改变，而管子163的位置调节是通过沿轴滑移内管位置导向器167于外管内的不同位置。例如，通过将不同厚度的间隔垫圈安装在内管163的入口端法兰上。图9表示的是氧枪喷嘴实施例的变化形式，其中一个类似安装的圆环只起折射圆环170的作用。它适于向外折射氧气射流171，它使环形氧气幕穿过整个炉气。
该氧气射流为二次燃烧提供氧气，氧气射流同金属流动方向呈反向，与熔池表面交汇，包括整个气流。然后，热反应气体混合物同步流动一段距离，并对熔池和炉壁进行加热，接着在旋转炉子时，连续对熔池进行搅拌，从而将炉壁上吸收的二次燃烧热量传递给熔池。这样，与以前的技术工艺相比，如电炉、氧气转炉技术，本发明在二次燃烧比例和传热效率方面具有明显的优势。
当载气含有大量的可燃气体时，可以采用两个单独的氧气射流，一个射流如图7所示，主要为载气和由射流64而伴随生成的热还原气体，而另一射流如图8所示，为均匀的气流，以使热还原铁中所含的碳和FeO进行脱碳沸腾，而产生的CO进行二次燃烧。连续对排出的废气进行分析能够调节氧气喷射位置和操作参数，渗有氧气的气流也可用于喷嘴19、20燃料的燃烧，例如，燃烧器20为以过量的燃料的富燃烧，减少精炼区18的氧化，除了前面目的(1)和(2)的要求以外，则在区域12内由气流中的氧气燃烧。加料端燃烧器19和氧枪160也可沿纵向进行位置调整，例如，通过一个与喷枪63基本相同的系统来进行，这样就提供一种手段来调整区域12内的燃烧反应及热释放的分布。例如，参照图1和图2，对于喷嘴34和横跨Lmin和Lmax之间的射流64而言，燃烧器19的嘴就可以设置在恰好短于Lmax，而喷枪143的嘴则恰好超出Lmin。在操作中，调节它们的位置并观察对气体33成分和温度的影响，能够确定和保持效率最高的位置，许多其他燃烧方案变例和工艺的结合显然也是可行的。
熔池氧枪喷嘴的操作特点就在于采用相对高的压力和速度，以实现理想的熔池穿透和搅拌效果，通常根据已知的熔池吹氧技术参数，采用超音速、高纯低温氧气，以避免熔池增氮。而带有氧气的气流效率最高是低压低速，以避免过多的熔液和炉渣氧化以及耐火材料浸蚀。由于熔池的气-液相混合并不是不可缺少的，因此，如分子筛氧气发生装置生产的低纯度氧也是适用的。当采用纯度最少为80％的氧气进行燃烧和喷吹时，沿熔化区12热气流的纵向平均速度要适中，大约为每小时15英里，属于高温低密度气体，通常在每小时10-30英里的范围内。对如图8的喷嘴而言，喷嘴压降为1磅/平方英寸(22.7英寸水柱)，产生的喷嘴外排速度大约为每小时150英里的圆形氧气幕。由此足以获得氧气与气流外周实现很好的混合。7英寸水柱压降会转化为每小时75英里的外排速度，这也是有效的，这样进行压力可能变化相当大，但通常不超过5磅/平方英寸，从而熔池氧气射流喷嘴可以在很高的压力范围内运行。
B类工艺没有现成的熔池固体喷吹用载气，采用高压管线输送天然气是一种选择。因为载气中天然气所含的高发热值量接近于区域12的总熔化热量需要。考虑传质和物料分布，而纵向移动喷枪64是有益的。而作为主要熔化热源，在区域12内至少会有局部热的裂化及热气分配。高压废气112是另一种选择，即以惰性气体或CO2作为载气。考虑A类工艺，热还原气体5一般提供熔化区12热量需要的一半，也包括一些可能的裂化。脱水和再循环炉顶气体50，大约1/4或不到1/4为成本合理的，如图7所示，并对A类还原工艺是一种综合的选择方案。所需熔化热量随着热还原铁中碳的百分含量的增加而减少，而随着通过例如输送装置13输送的废钢或其他金属炉料14百分比的增加而增加。即增加载气中的可燃气体量。
热还原铁和附加物料输送操作参数遵循固有的规律及人们所熟知的气动固体传输原理。固体物质经流化后喷入熔池。在管道62中的最小气体速度必须超过沉积颗粒跳移速度，热还原铁和载气之间的质量比例一般为15-20，但其范围低为5，高则到30。在这样相对细颗粒密度相传输过程中，其特征为热还原铁或碳化三铁的流化体。射流64的速度受要求熔池穿透深度的影响，因为载气对固体物料的比例相当低，穿透深度主要取决于流速和固体物料的速度。炉渣分离和熔池表面形成最小旋涡通常需要一个固体物料有垂直向下的分速度，该速度超过20英里/小时，在熔池入口处一般在30-60英里/小时。喷嘴34可以是直的，也可以是收缩型或文氏管型，以增加穿透能力或发散以增加对熔池的覆盖面。一个典型实例是：输送和喷吹的速度为载气流速达每小时50英里，热还原铁的喷吹流量为每小时60短吨。它是通过直径6英寸的输送管道和喷嘴而喷入部分熔融金属熔池32。由于热还原铁或碳化三铁具有磨损作用，且在输送管道62和喷枪63内的磨损会随着速度的增加而增加，因此，相对低的速度有利于减少维修，也有利于还原铁稳定地沉入熔池32中。
采用气动固体输送的文氏管型喷射装置，与固体物料比，其特点一般为相对高的载气。如果将其作为主要的气动输送和喷吹装置，会带来严重的不利影响，但当还原带和熔化区相距很近，气-固还原带位置明显高于熔化区时，它们可以提供一种可行的方案。图10和图11为表示这一应用的流程图5的衍变形式，其中细颗粒的物料通过滚筒筛172而不是振动筛筛出，滚筒筛172带有回转反应器内衬的圆柱形部分。筛上的还原球团99穿过漏斗形流槽173之后垂直落入下降管174内，输入带有载气喷嘴176的喷射装置175入口。文氏管式喉口177和排料管178带有通往固体喷枪63的入口。在图示的实例中，喷嘴176通过高温鼓风机179提供载气，鼓风机179带有一个负压吸气管道180，而管道180则是从气-固还原带吸出热载气。
喷射装置效率低和高稀释比率是与对来自封闭的固定位置的固体颗粒或球团进行加速有关。从而在图10和11中的还原铁球团已经正在以相当大的速度沿入口输送方向进入喷射装置175。重力是作用于落入下降管道174中的还原铁球团上的主要力。根据众所周知的方程，当S为下降距离，速度为2gs，并由于与管壁的磨擦及方向变化所造成的气体阻力而变慢。例如，4米的自由落体速度至约为每小时20英里，换句话几乎为一般喷吹速度的一半，这样固体进入喷吹装置的入口速度大大减少了载气体积和压力要求。伴随地也降低了输送管道和喷枪喷嘴的直径。
举例来讲，每小时20吨的系统参数示意如下：
参数              目标值             范围
垂直下降          12英尺             10-15英尺
下降管直径        3英寸              2.5-3.5英寸
载气喷嘴直径      1英寸              0.8-1.2英寸
文氏管喉口直径    2英寸              1.8-2.5英寸
载气压力          2磅/平方英寸(表压) 1.5-3磅/平方英寸(表压)
输送管直径        4英寸              3.5-4.5英寸
输送管道速度      4000英尺/分        3500-4500英尺/分
直接炼铁和钢工艺的大量改进和变例都是可行的，且对本专业人士也是显而易见的。例如，参照B类工艺流程图5、图6和图10的气动加料输送和喷吹系统中所述的任何一个都是可行的。对于回转窑还原来说，如图5、图6所示，其他的变化可包括作为球团组分的所有固体还原剂、吸硫剂，不需要筛出过量的煤、灰分和石灰石、白云石，除了气-固还原带设备3，从工艺上非常类似于图6的旋转床还原。另外，作为离散颗粒而加入的全部或大部分还原剂，整个混合物料可以输入到区域12，而不用筛分。为了生产出高碳生铁，在气-固-液熔化区伴随有由输送炉料中的热固体含碳物料所提供的大量冶金热。这些只是在不脱离所附权利要求中限定的本发明范围的一些变例且同等实用。

Claims (29)

1、一种直接炼铁和钢工艺，该工艺包括对在还原反应器气固还原带内的含有氧化铁的物料进行加热和还原，生产热固态还原铁；接下来将该还原铁输送到长形回转炉内侧炉壁中的部分熔化熔池气-固-液熔化区，熔池上至少带有一层漂浮的部分顶渣层，并由高温炉子产生的可燃含氧气体燃烧而加热产生高温炉气流，高温炉气流从熔池上方通过而不断地为熔化热还原铁提供热量，以生产钢水或铁水；而炉气流则通过炉子的环形开口排出，其步骤包括：
使热固体还原铁与从气-固还原带来的伴随的高温还原气体进入将还原带和熔化区之间连接起来的输送管道，并与至少一喷枪相接，而喷枪通过回转炉的圆形开口插入熔化区，喷枪角度向下倾斜指向熔池液面；
将高压载气通入输送管道，以承载热还原铁，通过喷枪射出，载气和热还原铁射流穿透熔池液面，使热还原铁浸入部分熔融金属熔池并扩散，通过使炉内壁相对于熔池底部周边旋转，使热还原铁在熔池内随着浸入而进一步扩散。
2、根据权利要求1的工艺，其特征在于，还包括将附加的含有氧的气体加入到气流中，以使氧气与从熔池表面溢出的CO进行二次燃烧反应，在该气流通过圆形开口排出之前，生成CO2和H2O，而CO是由热还原铁中含有的以残余氧化铁形式存在的氧与碳反应而生成；从而，为气-固-液熔化区进行的熔化提供附加热量。
3、根据权利要求1的工艺，其特征在于，还包括将附加的含有氧的气体加入到气流中，以使氧气与从熔池表面溢出的CO、载气中所含可燃气体与伴随的来自射流的热还原气体进行二次燃烧反应，在该气流通过圆形开口排出之前，生成CO2和H2O，而CO是由热还原铁中含有的以残余氧化铁形式存在的氧与碳反应而生成；从而，为气-固-液熔化区进行的熔化提供附加热量。
4、根据权利要求1的工艺，其特征在于，还包括直接将纯度至少为80％的氧气加入到位于熔化区内的气流中，以使由热还原铁中含有的以残余氧化铁形式存在的氧与碳反应而生成的CO进行二次燃烧，在该气流通过圆形开口排出之前，生成CO2和H2O，从而，为气-固-液熔化区进行的熔化提供附加热量。
5、根据权利要求1的工艺，其特征在于，还包括直接将纯度至少为80％的氧气加入到位于熔化区内的气流中，以使由热还原铁中含有的以残余氧化铁形式存在的氧与碳反应而生成的CO进行二次燃烧；且靠近载气和热还原铁射流，直接喷入纯度至少为80％的氧气，以使其与载气中所含可燃气体及来自该射流的伴随热还原气体进行反应；从而在该气流通过圆形开口排出之前，生成CO2和H2O，从而，为气-固-液熔化区进行的熔化提供附加热量。
6、根据权利要求1、2、3、4或5的工艺，其特征在于，其加热和还原受高压热还原气体穿过含有氧化铁的物料料床影响，且该载气包括来自气-固还原带的经脱水加压的炉顶气体。
7、根据权利要求1、2、3、4或5的工艺，其特征在于，加热和还原受高压热还原气体穿过含有氧化铁的物料料床影响，而该载气只含有一小部分高压热还原气体。
8、根据权利要求1、2、3、4或5的工艺，其特征在于，加热和还原受高压热还原气体穿过含有氧化铁的物料料床影响，它包括对来自气-固还原带的炉顶气体进行脱水、加压和再加热，从而构成再循环炉顶气体；
加入新的碳氢化合物，以及用氧气对少部分碳氢化合物进行不完全氧化，以形成CO和H2；
将该再循环炉顶气体、CO、H2和大部分碳氢化合物混合在一起，从而构成反应器燃烧的高压热还原气体。
9、根据权利要求1、2、3、4或5的工艺，其特征在于，加热和还原受高压热还原气体穿过含有氧化铁的物料料床影响，它包括对来自气-固还原带的炉顶气体进行脱水、加压和再加热，从而构成再循环炉顶气体；
加入新的碳氢化合物，以及用氧气对少部分碳氢化合物进行不完全氧化，以形成CO和H2；
将该再循环炉顶气体与该CO、H2混合在一起，从而构成反应器燃烧的高压热还原气体的主要部分；
将新碳氢化合物的大部分直接喷入气-固还原带。
10、根据权利要求1、2、3、4或5的工艺，其特征在于，加热和还原受高压热还原气体穿过含有氧化铁的物料料床影响，它包括对来自气-固还原带的一部分炉顶气体进行脱水、加压和再加热，从而构成再循环炉顶气体；
对另一部分炉顶气体进行脱水并与含氧气体发生燃烧反应，生成包括CO2和H2O的热炉气；
通过换热器将该热炉气所含的显热传递给高压热炉顶气体，生成高压、预热的再循环炉顶气体；
引入新的碳氢化合物，不完全氧化一小部分该碳氢化合物，形成热CO和H2；
将该高压、预热的再循环炉顶气体、热CO和H2及大部分碳氢化合物混合在一起，从而，形成反应器燃烧的高压热还原气体。
11、根据权利要求1、2、3、4或5的工艺，其特征在于，加热和还原受高压热还原气体穿过含有氧化铁的物料料床影响，它包括对来自气-固还原带的第一部分炉顶气体进行脱水、加压，从而构成再循环炉顶气体；
对第二部分炉顶气体进行脱水并与含氧气体发生燃烧反应，生成包括CO2和H2O的热炉气；
对第三部分炉顶气体进行脱水，以构成对热还原铁进行连续熔化的可燃气体，这样所生成的燃烧产物CO2和H2O从气-固-液熔化区排出；
将热炉气和由第二及第三部分炉顶气体所形成的燃烧产物中所含的显热通过换热器传递给高压再循环炉顶气体，成为高压、预热的再循环炉顶气体；
加入新的碳氢化合物，并用氧气使一小部分碳氢化合物发生不完全氧化生成CO和H2；
将该高压预热再循环炉顶气体、热CO和H2及大部分碳氢化合物混合在一起，生成反应器燃烧的高压热循环气体。
12、根据权利要求1的工艺，其特征在于，加热和还原还包括将固态碳质还原剂加入到气-固还原带，并在大气压力下对氧化铁和还原剂进行加热，发生还原反应；还包括将从气-固-液熔化区排出的高温燃烧生成的气体输入到气-固还原带，从而为氧化铁还原提供补充热量。
13、根据权利要求1的工艺，其特征在于，加热和还原还包括将固态碳质还原剂加入到气-固还原带，并在大气压力下对氧化铁和还原剂进行加热发生还原反应，且含有氧化铁的炉料基本上都是球团，这些球团是由精细颗粒的铁矿与作为球团组分的碳质原料混合造球而制成，以进行加热和还原。
14、根据权利要求1的工艺，其特征在于，加热和还原还包括将固态碳质还原剂加入到气-固还原带，并在大气压力下对氧化铁和还原剂进行加热，发生还原反应，且含有氧化铁的炉料基本上都是呈离散状的，且其粒度大于也呈离散状的固态碳质还原剂；还包括在将热还原铁加入高压区之前进行筛分的步骤，从而所加入的基本上都是留在筛上的粗颗粒的热还原铁物料，并且，排出由于颗粒细小穿过筛孔的未反应的碳质原料，以及细颗粒还原铁和吸硫剂。
15、根据权利要求1的工艺，其特征在于，加热和还原还包括将固态碳质还原剂加入到气-固还原带，并在大气压力下对氧化铁和还原剂进行加热发生还原反应，且含有氧化铁的炉料基本上都是呈离散状的，且其粒度大于也呈离散状的固态碳质还原剂；还包括在将热还原铁加入高压区之前进行筛分的步骤，从而所加入的基本上都是留在筛上的粗颗粒热还原铁物料，并且，直接将由于颗粒细小穿过筛孔的未反应的碳质原料，以及细颗粒还原铁和吸硫剂排入水淬池；接着通过湿法磁选分离来回收细颗粒的还原铁，通过筛分回收碳质还原剂，以再循环利用。
16、根据权利要求15，其特征在于，未反应的碳质还原剂作为球团的一个组分而被再循环利用，按照权利要求13进行加热和还原。
17、根据权利要求1的工艺，其特征在于，加热和还原还包括将固态碳质还原剂加入到气-固还原带，并在大气压力下对氧化铁和还原剂进行加热，发生还原反应，且将热还原铁输送到高压区包括连续的循环操作过程；
在环境压力下向上部闭锁料斗加料，且此压力大致为还原区内由气-固还原反应生成的热还原铁所拥有的压力；
对上部闭锁料斗进行加压，达到至少为输送管道内的载气压力；
将热还原铁加入连续加压的下部闭锁料斗，从这里将该还原铁输入输送管道；
对上部闭锁料斗进行减压，以便进行下一加料循环操作；
在上部闭锁料斗上游存储热还原铁的过程中包括对上部闭锁料斗进行加压、输送和减压，以便准备进行加料操作。
18、根据权利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工艺，其特征在于，对氧化铁进行加热和还原，由喷枪喷吹载气和热还原铁射流及对其进行熔化是连续且同步进行的。
19、根据权利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工艺，其特征在于，包括将由熔剂、合金和增碳剂构成一组物料中所选择的炉料加入到输送管道中，且这些炉料与热还原铁一起由载气承载并喷入熔融金属熔池中。
20、根据权利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工艺，其特征在于，包括通过外控手段对将热还原铁加入输送管道的速度进行调节，从而保持气-固还原带内的平均还原速度与气-固-液熔化区内的平均熔化速度之间的平衡，而其中加热和还原是受高压热还原气体穿过含氧化铁炉料床的影响。
21、根据权利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工艺，其特征在于，射流穿过渣层直接撞击到熔池上，在熔池表面上形成一个紊流涡流，在该紊流涡流区几乎所有的热还原铁都被分散开来并浸入熔池中，撞击之后，载气与气流混合在一起并上升。
22、根据权利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工艺，其特征在于，包括沿纵向分布载气和还原铁的射流对熔池表面的撞击区域，且至少为气-固-液熔化区长度的一半。
23、根据权利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工艺，其特征在于，包括通过在气-固-液熔化区内沿部分熔融金属熔池向前和向后移动射流，从而沿纵向分布载气和还原铁的射流对熔池表面的撞击区域。
24、根据权利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工艺，其特征在于，包括通过在气-固-液熔化区内沿部分熔融金属熔池向前和向后移动射流，从而沿纵向分布载气和还原铁的射流对熔池表面的撞击区域，且射流的极限折返点之间所占的总距离超过气-固-液熔化区总长度的一半。
25、根据权利要求1、2、3、4、5、12、13、14或15的工艺，其特征在于，气流在熔池上方通过的总流动方向与熔池内金属流动方向相反；在纵向上，金属是从回转炉的加料端流向排料端，而气流是从位于加料端的圆形开口排出，喷枪的射流的轨迹的水平分量的方向与气流方向相反，适于在气流从圆形开口排出之前增加热气体的紊流、混合及载气中所含CO和可燃气体及伴随热还原气体与氧气的反应时间，生成CO2和H2O。
26、根据权利要求1、2、3、4、5、12、1 3、14或15的工艺，其特征在于，气流在熔池上方通过的总流动方向与熔池内金属流动方向相反。在纵向上，金属是从回转炉的加料端流向排料端，而气流是从位于加料端的圆形开口排出；喷枪的射流的轨迹的水平分量的方向与气流方向相反，适于在气流从圆形开口排出之前增加热气体的紊流、混合及载气中所含CO和可燃气体及伴随热还原气体与氧气的反应时间，生成CO2和H2O；还包括将金属液输入位于炉内的完全熔化的熔融金属熔池中的气-液精炼区，并通过排料端燃烧器输送的部分可燃含氧气体进行加热，以控制完全熔融金属熔池的温度，特别是该熔化区内因熔化需要的热量，在对回转炉内壁的搅拌功能进行控制的情况下，进行搅拌、均质和精炼，以生产出所控温度和成分的铁水和钢水。
27、根据权利要求5的工艺，其特征在于，还包括通过在气-固-液熔化区内沿部分熔融金属熔池向前和向后移动射流，从而沿纵向分布载气和直接还原铁的射流对熔池表面的撞击区域，并输入氧气以与通过与来自固体喷枪相连管道喷入的射流中的可燃气体反应，且在移动过程中保持氧气喷射位置相对于射流位置的相对基本衡定。
28、根据权利要求4或权利要求5的工艺，其特征在于，还包括为CO的二次燃烧而通过气流喷枪输入氧气，且从喷嘴中射出的为环形气幕，与气-固-液熔化区内的热炉气流横向向外交汇和混合。
29、根据权利要求12、13、14或15的工艺，其特征在于，包括将来自气-固还原带的热还原铁落入输送管道的基本垂直段，从而使其在下降期间因重力作用而加速进入文氏管固体喷射器，经喷射器入口喷嘴射出高压载气，从而通过文氏管喷射器的喉口将炉料喷出，并进一步使其加速进入连续的输送管道，以通过喷枪以高压和高速喷入金属熔池。
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