CN1545562A - 在竖炉中具有挥发性再生金属回收功能的还原熔炼方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在竖炉中还原金属氧化物的方法。一种金属氧化物，比如铁矿石或结块和一种还原剂的炉料在上述竖炉中反应，以产生一种金属氧化物的初炼金属及一种另外的再生金属如锌。控制从反应中排出的排出气体的温度，以防止再生金属冷凝，以使它仍然保持在排出气体中而用来从其中分离。

Description

在竖炉中具有挥发性再生金属回收功能的还原熔炼方法
技术领域
本发明涉及一种通过还原金属氧化物生产熔融(熔炼)金属的方法。这包括生产铁水，其中包括生铁和铸铁，及金属合金。
背景技术
还原法是用来或是直接从铁矿石生产钢，或是制造一种等效于供在常规炼钢法中用的高炉生铁的产品，或是生产作为常规法生产钢用的熔料的低碳铁。这种方法一般是用来代替高炉作为炼钢用的铁水生产的来源。
高炉通常构成一个垂直的塔，其中一种包括铁矿石、球团或结块(团矿、烧结矿、造块)的炉料与焦炭和石灰石一起，顺续地通过高炉的顶部装料，以便形成一个连续的炉料柱。在高炉的下部，将一种可以预热的环境空气引入到炉料中。当炉料接触从炉膛上行的热气体时，焦炭被这些气体预热，因此当焦炭到达高炉下部并接触引入到此处的空气时，将引起焦炭燃烧。在高炉的这个位置处存在的最终高温下，二氧化碳不稳定，并立即与碳反应形成一氧化碳。这种反应不仅是用于熔炼操作的主要热源，而且还产生一种还原气体(CO)，上述还原气体穿过高炉上行，在高炉里当炉料穿过高炉下行时，还原气体预热并还原炉料中的氧化铁。
对一给定的生产能力来说，高炉的生产能力随高炉设计参数的内部容积或面积而变。因此，为了增加生产能力，需要增加高炉的尺寸并因而调整各设计参数。
发明内容
本发明提供在生产熔融金属尤其是铁水中对上述常规高炉操作的改进。具体地说，按照本发明的方法和一种竖炉结合使用，这样可以用比采用包括高炉在内的常规熔炼操作更节约费用的方式生产铸铁、生铁或其它的金属合金。
本发明提供另一个优点在于能保留炉顶气体中的以一些金属如锌、镉等的氧化物形式的细粒物料，并可以回收和重复利用(循环使用)这些金属和氧化物。
按照本发明改进措施的用于还原金属氧化物的方法，通过新法使用一种竖炉用于熔炼，提供一些优于常规实际操作的优点。在这方面，该方法包括使一种金属氧化物和一种还原剂的炉料反应，以便产生该金属氧化物的一种初熔融金属(初炼金属，primary molten metal)和含有一氧化碳的气体以及另外一种不同于初熔融金属和金属氧化物的再生金属(secondary metal)和氧化物。引导该气体在竖炉中向上流动并离开该炉料。将在竖炉中炉料上方的一个位置处的气体的温度控制在一个高于再生金属和氧化物的冷凝温度的温度上。这防止了气体中的再生金属和氧化物粘附到竖炉的内壁上。此后随着气体向上通过并从竖炉中排出，将再生金属和氧化物从气体中取出。然后这些再生金属和氧化物可以用各种方法重复利用，包括将它们用于生产供待精炼的炉料使用的结块。
对该气体的温度可以通过改变竖炉内炉料的高度进行控制。此外对该气体的温度可以通过随着气体在竖炉内向上流动用一个燃烧器加热气体而改变气体的燃烧率来进行控制。
对气体的温度可以另外通过控制炉料的反应速率进行控制。
从炉中排出的气体主要是由二氧化碳和氮气组成。
炉料可以包括铁矿石。此外，炉料可以包括结块，上述结块可以是自还原性的、自熔性的，或者既是自还原性的又是自熔性的。
在常规的还原实际操作中，利用由焦炭部分燃烧所产生的CO进行还原。CO散布到炉料中，同时按照反应 进行还原作用。这种反应中所产生的CO2气体以与CO相反的意义散布。这种反应需要一定量的时间用于在炉料内完全扩散。这要求炉子给炉内的炉料一段停留时间，上述炉子通常是高炉。
然而，自还原性结块显示出更有利于还原的条件。矿石或氧化物与还原剂(煤或焦炭)的碳之间的接触越密切，反应时间就可以越短，因为没有必要将CO散布到结块中。还原作用按照下面的反应进行，并且为此目的该还原作用预先设定在结块内：
这样结块本身在实际操作中建立一个半封闭式系统，其中在结块内有碳的整个期间中，气氛都是一种还原性气氛。换句话说，正如这种规定所赋予的，自还原性的结块在其自身内保持它们自己的还原性气氛，这种还原性气氛与外部气氛的特征无关，该外部气氛也就是由上行气体提供的竖炉内部所存在的气氛。
因此，能够把炉子气氛中存在的通过燃料的部分烧烧提供的CO转变成用于进行处理的能量，并且能让还原反应在结块内发生和另外能控制炉顶气体的温度和特性(氧化性或还原性)。
在利用竖炉的熔炼方法中，焦炭或另外以固体形式存在的燃料，在操作过程期间通过炉子的顶部装料，跟随其余的炉料一起沿着下行的路线前进，按照反应 成逆流关系与上行的CO2反应。这造成碳材料的较大消耗，并因此妨碍有效地利用碳材料用于还原/熔炼处理。
由于按照本发明的自还原法要求短的停留时间，所以能够按照本发明以低炉料高度操作炉子。也能控制炉顶气体的排气温度，并因此能以蒸汽或细小颗粒的形式保留那些污染用于结块中的残渣的氧化物或金属。因此，这种材料可以在气体洗涤系统处回收。由于残渣中存在的内容物和非金属的还原作用，在气体洗涤系统处所回收的粉料显示出这些氧化物和金属的高浓度，如例如高于20％，这使得随后对这些氧化物和金属的回收经济易行。如果发现上述氧化物或金属的浓度未达到所希望的用于经济回收的水平，可以通过将这些粉料包含在自还原性结块的生产中，将这些粉料按需要重复利用多次，以便增加结块中这些氧化物或金属的含量，并因此增加所回收的粉料中这些金属或氧化物的浓度。
附图说明
图1是用于实施本发明的设备的一个实施例的示意局部透视图；
图2是图1设备的立面图(正面图)；
图3是示出这种设备的炉料分布装置的横截面图；
图4示出一种气体洗涤系统，所述气体洗涤系统能留住炉内气化的金属和与炉顶气体一起离开炉子的金属氧化物粉料；
图5是一种炉罩结构的横截面图，上述炉罩结构含有用于控制从炉中出来的排出气体的燃烧的燃烧器。
优选实施例详细说明
按照本发明的炉子能通过由下部区域提供的可燃气体的或大或小的燃烧率和结块中存在的氧化物的还原作用，控制热气体的排气温度。照这样，能使生结块中存在的金属和氧化物保持处于蒸汽或细颗粒状态。这包括具有气化温度低于1000℃的材料，如Zn，Cd，和Pb，若不这样这些材料会冷凝在炉壁上。
因此，在高温下并含有杂质金属的蒸汽或其细颗粒形式的氧化物的热气体从炉中排出，如图4所示，通过气体出口3排入气体洗涤系统，其中，在分离装置6(例如旋风式或沉淀式除尘装置)处，那些蒸汽冷凝，并且与残余粉料一起与炉顶气体分离，上述炉顶气体沿着一条穿过气体洗涤系统7余下部分的路线前进。
收集在这些分离装置6中的粉料由于原料中的铁的比率下降而具有高于20％的杂质金属或氧化物的浓度，使得其回收经济可行。
如果含杂质的残渣量足以保证这些金属或氧化物的经济可行的浓度，则可以通过只在炉子的一个区段处填装含这些杂质的结块，例如装到炉子的其中一端来操作本发明的炉子，并可以在炉子其余部分的炉顶气体完全混合之前提出和分离这些金属，以便提供其浓度在经济可行水平上。
那种新型炉子构造如图1-3中所示，主要是由一上部炉身1组成，上部炉身1为柱筒形或锥形，具有一个矩形横截面形状，在其上部处包括一个或多个装料装置，各装料装置都包括端口2，设置有炉料分配装置4，以便能将结块或炉料定位在炉内的合适位置中，以便提炼含有打算提炼的金属或氧化物的结块。一个或多个气体出口3用于排放气体，上述气体除了由炉料碎裂所产生的粉料之外，主要包括各种含量的CO2，CO，H2和N2。颗粒形式的蒸汽或氧化物可以沿着管道5流到气体洗涤系统7和粉料分离装置6，所述粉料分离装置保留住冷凝的金属或氧化物的颗粒物。此后把气体输送到回收装置或蓄热室(未示出)，以便预热鼓风空气或用于任何其它目的。
在上部炉身1中，有一排或多排风口8，上述风口8吹入富含O2或是不这样富含氧的热空气或冷空气，用于CO和任何可能存在的其它可燃气体的燃烧反应，以便按照下列反应得到二氧化碳：
将热量供给炉料，所述炉料由自还原性结块、矿石或氧化铁及含有铁和杂质的渣—是自熔性或非自熔性的、生铁、废钢铁、团块形式或其它形式的海绵铁、铸造厂或钢铁厂的废钢铁，或者这些成分按各种可能比例的混合物构成。
该设备或炉子还包括一个下部炉身9，所述下部炉身9是柱筒形或锥形形状，具有一矩形横截面形状，下部炉身的上部具有比上部炉身1大的侧边，它足够用于供给(供料)装置时定位，以便供给焦炭或煤或任何其它的固体燃料。围绕下部炉身9，在比上部炉身1的底部足够高的高度处，设置了一个连续的燃料供给区段，如图2中所示，这个区段通过管道或其它供给区段供给，上述其它供给区段通过用于固体燃料的密封阀10供给。任选地，供给另外的可燃材料的独立管道11可以加到固体燃料供给区段，以便提供一个合适的燃料床的供给，尤其是提供可能原本要被气体从中央上部炉身1抽出的粉状材料的供给，或者提供可燃材料如废轮胎、塑料等的供给。
下部炉身9包括一排或多排一次风口12，设置上述一次风口以便吹入预热的或未预热的空气—上述空气或是富含O2或是不富含O2的，并喷射液态，气态或固态粉状燃料用于燃料的部分或全部燃烧，提供还原和/或熔化炉料所需的热能。上部炉身1和下部炉身9可以包括一种整体式的耐火材料(在图3和4中用交叉影线示出)并可以另外包括冷却装置。
熔化的金属和渣通过炉的下部离开炉子。
这种类型炉中的燃料不需要像常规做法那样在炉身顶部处与炉料一起加入。
具有这些改进的这种炉子具有不同的气氛区，其特征在于，上述气氛区可以通过所应用的燃料类型和为此在各点处或多或少地喷射助燃剂来调节。因而能根据CO2对要回收的金属的氧化势能和炉内一般(主导)气氛的特点(氧化性或还原性)，来回收呈氧化形式或金属形式的金属。
来自下部区的气体，逆着炉料方向流动，把用于加热和还原或简单熔化所需的热能传递到炉料上。
因为在上部炉身1中的炉料不合大量的焦炭，木炭或其它固体燃料，所以使布氏反应 减至最少，上述布氏反应吸收热量并且另外消耗大量的碳。这样，离开设备的排出气体主要是由CO2和N2组成。然而，在各种工作模式中，所采用的能向炉顶气体提供还原特性的CO和用于预热鼓风空气或者工厂的其它部分的足够的加热能力的量都是可变的。
因为能控制炉内的气氛以及炉顶气体的温度，所以在这种炉中能避免像在冲天炉(化铁炉)和高炉情况下通常发生的排出气体中夹带的金属和/或氧化物集聚在炉子的内壁上的现象。
本发明的方法在实施熔化废钢铁(包括除了铁之外还含有高比率其它金属杂质如锌的废钢铁)、生铁、海绵铁或任何其它类型预还原材料—其可以为团块形式—的操作中提供了很大的灵活性。
这样，按照本发明方法操作的这种竖炉相比冲天炉或高炉具有能提供很大的燃料经济性的优点，因为在炉下部形成的一氧化碳或其它气体可以在上部处燃烧。这把反应过程中所产生的热能传递到穿过竖炉下降的炉料上。排出气体主要是由二氧化碳、氮气、水蒸汽和受控量的一氧化碳、氢气和碳氢化合物构成。
竖炉也可以按照本发明操作，用于还原和熔化矿石或工业废渣的自还原性结块，上述工业废渣含有或是没有金属杂质，上述金属杂质可以从炉顶气体中作为蒸汽或其氧化物的粉料回收。另外在这种情况下，所形成的一氧化碳沿着竖炉燃烧，并且由此所产生的热量几乎全部传递到下行的炉料上，因而大大增加了设备的热效率。此外，因为该设备不包括竖炉炉料中的煤或焦炭或其它的固体燃料层，所以反应 不会发生，以减少燃料消耗。
固体燃料供给区段还设有一个除气装置13，所述除气装置13装备有流量控制阀14，上述流量控制阀14能保证一定量的气体通过，以便提供预热、预干燥和蒸馏各种固体燃料中存在的挥发成分，如煤(丝煤)、柴，和/或各种碳质残渣。
为了调节和增加排出气体的温度以防金属沉积物冷凝，该炉的炉罩16可以具有一个燃烧器以加热这种气体。

Claims (29)

1.一种用于在竖炉中还原金属氧化物的方法，包括：
在上述竖炉中使一种包含金属氧化物和一种还原剂的炉料反应，以产生一种上述金属氧化物的初熔融金属和含有一氧化碳的气体以及另外一种与上述初熔融金属不同的再生金属和氧化物；
引导上述气体在上述竖炉中向上流动并离开上述炉料；
将在上述竖炉中炉料上方的一个位置处的上述气体的温度控制成高于上述再生金属和氧化物的冷凝温度；
此后从上述竖炉中排出上述气体；及
使上述再生金属和氧化物与从上述竖炉中排出的上述气体分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度通过改变上述竖炉内炉料的高度进行控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度通过随着上述气体在上述竖炉内引导向上流动用一个燃烧器来加热上述气体而改变上述气体的燃烧率进行控制。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度还另外通过改变上述竖炉内上述炉料的高度来进行控制。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度还另外通过控制上述炉料的上述反应的速率进行控制。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从上述竖炉中排出的气体主要由二氧化碳和氮气组成。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将上述分离的再生金属和氧化物重复利用，以供在后续的反应用炉料中使用。
8.一种用于在竖炉中还原金属氧化物的方法，包括：
使包含一种金属氧化物和一种还原剂的炉料反应，以产生一种上述金属氧化物的初熔融金属和含有一氧化碳的气体以及另外一种与上述熔炼的金属不同的再生金属和氧化物，上述炉料包括结块，所述结块包括上述金属氧化物和还原剂；
引导上述气体在上述竖炉中向上流动并离开上述炉料；
将在上述竖炉中上述炉料上方的一个位置处的上述气体的温度控制成高于上述再生金属和氧化物的冷凝温度；
此后从上述竖炉中排出上述气体；及
使上述再生金属和氧化物与从上述竖炉中排出的上述气体分离。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度通过改变上述竖炉内炉料的高度进行控制。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度通过随着上述气体在上述竖炉内引导向上流动用一个燃烧器加热上述气体而改变上述气体的燃烧率进行控制。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度还另外通过改变上述竖炉内炉料的高度进行控制。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度还另外通过上述炉料的上述反应的速率进行控制。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从上述竖炉中排出的上述气体主要由二氧化碳和氮气组成。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将上述分离的再生金属和氧化物重复利用，以供在后续的反应用炉料中使用。
15.一种用于在竖炉中还原金属氧化物的方法，包括：
使一种包括一种金属氧化物、一种还原剂和一种助熔剂的炉料反应，以便产生一种上述金属氧化物的初熔融金属和含有一氧化碳的气体以及另外一种与上述熔炼的金属不同的再生金属和氧化物；
引导上述气体在上述竖炉中向上流动并离开上述炉料；
将在上述竖炉中炉料上方的一个位置处的上述气体的温度控制成高于上述再生金属和氧化物的冷凝温度；
此后从上述竖炉中排出上述气体；及
将上述再生金属和氧化物与从上述竖炉中排出的上述气体分离。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度通过改变上述竖炉内炉料的高度进行控制。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度通过随着上述气体在上述竖炉内引导向上流动用一个燃烧器加热上述气体而改变上述气体的燃烧率进行控制。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度还另外通过改变上述竖炉内炉料的高度进行控制。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度还另外通过上述炉料的上述反应的速率进行控制。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，从上述炉中排出的上述气体主要是由二氧化碳和氮气组成。
21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将上述分离的再生金属和氧化物重复利用，以供在后续的反应用炉料中使用。
22.一种用于在竖炉中还原金属氧化物的方法，包括：
使包括一种氧化铁和一种还原剂的炉料反应，以便从上述氧化铁生产出铁水和生产出含有一氧化碳的气体以及另外一种与上述铁水不同的再生金属和氧化物；
引导上述气体在上述竖炉中向上流动并离开上述炉料；
将在上述竖炉中炉料上方的一个位置处的上述气体的温度控制成高于上述再生金属和氧化物的冷凝温度；
此后从上述竖炉中排出上述气体；及
将上述再生金属和氧化物与从上述竖炉中排出的上述气体分离。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度通过改变上述竖炉内炉料的高度进行控制。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度通过随着上述气体在上述竖炉内引导向上流动用一个燃烧器加热上述气体而改变上述气体的燃烧率进行控制。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度还另外通过改变上述竖炉内炉料的高度进行控制。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，对上述气体的上述温度还另外通过上述炉料的上述反应的速率进行控制。
27.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，从上述竖炉中排出的上述气体主要由二氧化碳和氮气组成。
28.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，将上述分离的再生金属和氧化物重复利用，以供在后续的反应用炉料中使用。
29.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，上述炉料包括结块，上述结块包括一种氧化铁，和一种还原剂与一种助熔剂二者中的至少一种。
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