CN87103786A - 制造含铬生铁的方法 - Google Patents

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Abstract

生产含铬生铁(19)的方法。包括如下步骤：从高炉(13)上部装入冷结料丸、铁矿(10)和焦炭块(11)，并把含氧(16)量超过50％的气体和风嘴火焰温度控制剂(12)经风口吹入高炉，冷粘结料丸由主要原料铬矿粉(5)和焦炭粉(6)构成。冷粘结料丸的制备步骤为：预先形成混合物(7)，制丸(8)和固化(9)。用于控制风口火焰温度的控制剂是顶部气、蒸汽、水或CO，用这些气体使火焰温度控制在2000～2900℃。

Description

本发明涉及利用高炉生产含铬生铁的方法，特别是涉及利用冷粘结料丸作配料并从高炉风口鼓入气体生产含铬生铁的方法。
含铬生铁通常是在电炉中生产的。虽然已经提出若干个高炉生产含铬生铁的方案，由于铬矿很难被还原并且其熔点高，尽管在高炉中已进行过试验，但这些方案均未能付诸实施。
日本专利出版物（KOKOKU）No.60-21218中披露：
（1）采用含碳材料的冷粘结料丸;以及
（2）在风口处采用高火焰温度，它可以通过从风口吹入热氧空气流获得，空气含氧量为41%或更低。
该方法的缺点是，由于通过炉腹区气体量很大以致顶部气体温度超过500℃数量级，这就使炉顶设备的负荷很大，并导致生产率很低。
本发明的目的是提供一种生产含铬生铁的方法，该方法可防止高炉顶部普遍温升，并可减少热对高炉体以及高炉设备所产生的影响。
这些目的和其它目的以及优点，从如下本发明的详细说明并结合附图将会变得更加明显。
根据本发明提供的一种生产含铬生铁的方法，该方法包括以下几步：
往高炉中加入由粉末铬矿、粉末焦炭制成的冷粘结丸，铁矿和焦炭块;以及
通过高炉的风口往高炉中吹入含50%以上氧的空气。
图1示出了根据本发明的一个具体实施例操作的高炉说明图;
图2是表明在热空气操作过程中按如图控制的热平衡图;
图3为当风口的火焰温度改变时，本发明的一个具体实施例的热平衡
图4为当生铁中的铬含量改变时，本发明的另一个具体实施例的热平衡图;
图5为本发明氧气炼钢炉中顶部气体温度对焦炭比例关系与热空气操作中相对关系对比的说明图;
图6为当生铁中铬含量和燃料比之间的关系说明图;以及
图7为估算的炉内温度分布说明图。
图1举例说明按本发明生产含铬生铁方法的示意图。
铬矿1经细研磨制成的铬矿粉5、焦炭细粉粒大致细磨制成的焦炭粉6、水泥3、硅石粉4通过混合7制成混合物。混合物经制丸8制成生料丸。生料丸通过固化9制成冷粘结料丸。
冷粘结丸、铁矿10、焦炭11和硅石12加入高炉13。
顶部气体18和纯氧16通过燃烧嘴14燃烧。燃烧气吹入高炉中间层的炉料中，以进行预热。纯氧16、煤粉17和顶部随风口火焰温度控制剂18通过风口15吹入高炉。用这种方法进行矿石的还原反应，在炉底部生产出生铁14和炉渣20。
本发明的说明和权利要求中出现的术语“纯氧”，其含意指不必是100%的纯度，可含少量杂质。
根据上述方法，因为冷粘结料丸是以含碳物料的冷粘结料丸的形式提供的，矿石粒度又很细，这样它们与碳颗有许多点相接触，从而还原反应可在低温下进行，并有助于炉体热负荷的降低。例如，在1350℃下60分钟可达到90%的还原，在这种情况下，如果粒度更小的话，矿石的还原速度通常进行得很快，由于颗粒大小决定着矿石中的扩散速度。还原反应速度会随含碳量的增加而增大，但是，既使所加碳量超过碳化物生成的当量值时，也显示不出明显的效果。由于在冷粘结料丸的制备过程中加入了硅石粉，因此就有可能得到不仅还原性优异、而且高温软化和熔化性能也十分好的料丸。固化9分成两种类型：（1）“原样固化”和（2）快速固化。类型（1）中，料丸是在室外大气中固化3-4周末提高强度。类型（2）中，料丸要经过预干燥、蒸汽处理和后干燥处理9～14小时来提高强度。经过这样的固化步骤，能够得到适合炉炉料所需要的强度。
规定铬含量低于40%时，可以进行生产。在这种情况下，由于炉底部的气量较小，高炉得不到必需的热量。因此要达到所需温度水平的优选方法是从高炉中间层吹入预热气体。然而，即使铬在含量低于40%的情况下，如果通过提高燃料比来提高炉腹部气量进行生产的话，也可能得到预热炉所必需的热量。
虽然就预热气而言，根据上述实施例，可以把顶部燃烧气18和纯氧16经燃烧器14引入高炉，除了顶部气外还可利用焦炉气、重油和焦油。虽然根据本发明可使用燃烧器，但也可使用燃烧炉制备预热气预热气的温度可在1000℃～1600℃范围内调整。低于1000℃时，冷粘结料丸的还原反应减慢。温度超过1600℃，矿石软化，产生不令人满意的“下降”现象。温度超过1600℃增加了高炉的热负荷并缩短了高炉的使用寿命。铬含量超过40%数量极时，燃料比较高并且炉腹气量增加，这样就免除了使用预热气的必要性。
纯氧16和火焰温度控制剂通过风口15吹入高炉。优选的火焰温度控制剂为顶部气、水蒸汽、水和冷空气，火焰温度最好控制在2000℃～2900℃。低于2000℃时，很难掌握含铬生铁合乎要求的出铁温度。温度超过2900℃时，炉渣组份强烈汽化，导致生成气在高炉顶部冷凝，因此最佳温度范围为2400℃～2800℃。
此外，因为氧是代替热空气从风口吹入高炉的，所以在这里也吹入了较多量的燃料，这样便可降低焦炭的消耗量。就燃料而言，可使用媒粉、焦炭粉、重油以及焦油。
此外，由于氧气的吹入，所以炉腹部的气量降低，因而防止高炉顶部区的温升以及配料的附带“漂浮”。结果，就有可能提高生产。因为顶部气基本上不含N2，所以它作为化学合成原料气具有广泛的实用价值。
在该实施例中，由于纯氧16是从风口15吹入的，因此纯氧可用含氧50%以上的气体代替。如果氧含量为50%或更低，那么就必需提高燃料比。结果导致顶部气体温度过分地并令人不希望地提高。优选氧含量为95～100%。该含量范围的优点在于：
（a）固定在高炉上的风口嘴处产生的气体的有效组成（CO+H2）含量增加。
（b）单元生产气量可减少，因此生产率提高。
（c）炉顶气适合作化学合成原料气，由于气体中CO丰富，并几乎不含N2。
就炉渣组成而言，炉渣中Al2O- 3MgO的含量最好为30%或更低。如果该含量超过30%，保留在炉腹中的Cr2O3的还原进行得较慢，并且铬的产率降低。在这个实施例中，用硅石作熔剂以控制矿渣的组成。
本发明将会从如下实例中得更好的理解，注意这些例子用作说明，并不作为限制。
高炉操作中的物料和热的平衡说明如下，以揭示氧和热空气操作。
表1示出了计算要求量。
物料平衡考虑最高和最低部分，即高炉的两部分。使最高和最低部分的交界温度等于在高炉较低部分控制热平衡的Cr2O3直接还原反应开始的温度，即1650℃和1350℃分别适用于铬矿块和含炭材料的冷粘结料丸。由风口预热气体吹入预热气和气体的量可分别从高炉的最高部分和最低部的平衡求出。
表1-1
（1）矿石组成
TFe FeO Fe Cr2O3SiO2CaO Al2O3MgO Mn Fe ore 0.5863 0.0395 0 0 0.0540 0.0800 0.0513 0.0129 0.0030 Cr ore 0.1127 0.145 0 0.564 0.0455 0.0043 0.1290 0.1302 0
（2）生铁的组成
No.    Cr    C    Si    P    Fe
1    60    8    1    0.05    30.95%
2    40    8    1    0.05    50.95
3    20    8    1    0.05    70.95
4    10    8    1    0.05    80.95
（3）炉渣组成
CaO/SiO2＝0.5
（Al2O3+MgO）/（Al2O3+MgO+SiO2+CaO）＝0.42
表1-2
（4）熔融金属和熔融炉渣温度
熔融金属    1750℃
熔融炉渣    1800℃
（5）较低和较高部分交界的凝固温度TR
含碳材料的冷粘结料丸：
TR1350℃
矿石块∶TR1650℃
（6）热损失
25×104Kcal/T
（7）气体吹入条件
吹入气    控制剂    吹入温度    火焰温度
热空气（O221%） 600℃ 2000℃
热空气（O221%） 900℃ 2300℃
热空气（O230%） 1100℃ 2600℃
O2顶部气 - 2600，2900
O2蒸汽 - 2600，2900
表1-3
（8）装填量（kg/T）
编号    生铁中Cr%    铬矿    铁矿    石灰石    硅石
1    60    1690    209    350    295
2    40    1126    662    130    130
3    20    564    1115    0    60
4    10    282    1340
计算结果示于图2-4中。
这些图分别示出了，高炉生产中提高固体温度和还原反应所需热量与辐射量和气体温度降低之间的关系。图2-4中，表示气体温度与热量关系的曲线的斜率越大，炉腹气量越大，且燃料比越高。
图2是对比热空气操作的计算实例，在该情况下，风口火焰温度随Cr2O3还原反应起始温度1650℃和Cr含量20%的变化而改变。由于使用铬矿铁，因此温度1650℃要进行调整。
图2的图示中，风口火焰（Tf）2000℃处的固体温度以a1（s）表示，它随气体温度（以a1（g）表示）的变化而改变;2300℃下固体温度（以b1（s）表示）它随气体温度（以b1（g）表示）的变化而改变;2600℃下固体温度（以c1（s）表示）随气体温度（以c1（g）表示）的变化而改变，例如，在风口火焰温度2000℃下，固体的温度沿曲线a1（s）的x→y→z变化，其中，
x：顶部装料态;
y：较高部分和较低部分界面态;以及
z：出铁态。
气体沿a1（g）曲线的L→M→N变化，其中，
L：风口态
M：较高部分与较低部分的界面态;以及
N：高炉顶部排出气体态。
通过提高风口火焰温度Tf，可使燃料比F.R.降低，并且顶部气体温度可从1060℃大大降低到547℃。然而，风口火焰温度、顶部气体温度分别超过500℃时，会出现损坏高炉顶部耐火材料问题，以及对高炉顶部设备的热负荷加大问题。
图3示出了当热空气和纯氧通过风口吹入高炉时，Cr的恒定含量为20%的高炉操作的变化。由于使用了含碳材料的冷粘结丸，因此Cr2O3还原反应的起始温度为1350℃。在热空气吹入操作中，热空气温度为1100℃时的风口嘴火焰温度为1350℃，注意固体的温度变化用a（s）表示，气体温度的变化以a2（g）表示。
吹氧操作中，纯氧和顶部气作为风口火焰温度控制剂通过风口吹入高炉，将使火焰温度（Tf）达到2600℃和2900℃。在Tf＝2600℃时，固体和气体温度变化分别以b2（s）和b2（g）表示，并且在Tf＝2900℃时，固体和气体的温度变化分别以c2（s）和c2（g）表示。在吹氧操作情况下，顶部气体的温度降低，最好使用预热气。
图4示出吹氧操作中Cr含量在TR＝1350℃和Tf＝2900℃改变时高炉操作的变化，注意TR和Tf分别代表Cr2O3还原反应的起始温度和风口火焰温度。40%-Cr固体和气体温度的变化分别以a3（s）和a2（g）表示;20%-Cr固体和气体的温度分别以b3（s）和b3（g）表示;以及10%-Cr固体和气体的温度变化分别以c3（s）和c3（g）表示。在含铬10%和20%固体的情况下，顶部气体温度下降，因此最好使用预热气体。在含铬40%的固体情况下可不用预热气体进行操作。
随着铬含量（%）的增加，高炉较低部分需热量增加，因此燃料比FR增大。
图5为吹氧操作中预顶部气体温度与焦炭比率关系与热空气吹入操作的比较。图5中5、10、20、40和60为铬的百分含量，A、B、C、D、E和F为计算值，根据高炉操作要求示于如下表2中。
表2
等级    风口鼓风    鼓风温度    风口嘴火焰    还原反应起
（℃）    温度（℃）    始温度（℃）
A 含O221% 600 2000 1650
的热空气
B 含O221% 900 2300 1650
的热空气
C 含O230% 1100 2600 1650
的热空气
表2（续）
等级    风口鼓风    鼓风温度    风口嘴火焰温    还原反应起
（℃）    温度（℃）    始温度（℃）
D 含O230% 1100 2600 1350
的热空气
E 纯 O2
+
煤粉    大气温度    2600    1350
+
顶部气
F 纯 O2
+
煤粉    大气温度    2900    1350
+
顶部气
图5中实线表示各种条件下的热空气吹入操作。当铬含量增加时，顶部气体温度提高，致使高炉操作变得困难。另一方面，按照本发明虚线表示吹氧操作（E、F）中，将氧气从风口吹入高炉可降低炉腹气体量。这样就可降低顶部气体温度，并可抑制顶部气体温度的上升。根据本发明，铬含量超过40%时，操作可在不用预热气的条件下完成，但是当铬含量低于40%时，最好吹入预热气体以防止顶部气体温度明显地降低。根据本发明，不仅氧气而且温度控制气也可以通过风口吹入高炉以控制上述火焰温度。
图6示出了当将顶部气和蒸汽作风口嘴火焰温度控制剂用于吹氧生产时，Cr含量与燃料比之间的关系，注意：
（a）当使用蒸汽时，风口嘴的火焰温度Tf升至2600℃;
（b）当煤粉和顶部气从风口吹入高炉时，温度Tf升至2600℃;
（c）在（b）相同的条件下，温度Tf升至2900℃;
以及
（d）当仅用顶部气作温度控制剂从风口吹入高炉时，温度Tf升至2600℃。
如果用蒸汽作风口嘴火焰温度控制剂，会发生较大的热吸收，从而导致燃料比FR越高。值得注意的是，大气可用于控制风口嘴的火焰温度。
表3为根据本发明的吹氧操作中，用顶部气体作风口嘴火焰温度控制剂时，每吨熔融金属单位消耗实例。在Cr＝40～60%时，顶部气体中的CO2含量低到4～9%数量级，即可以直接地或经过轻度处理之后作为化学合成原料气。
图7为高炉中温度分布曲线图。图7中的实线表示当Tf＝2000℃和TR＝1650℃的热空气吹入操作，注意TR代表还原反应的起始温度。图7中虚线示出了Tf＝2900℃和TR＝1350℃时的吹氧操作。用含碳冷粘结料丸作为原料的吹氧操作时，可减缓炉体的炉顶热负荷。由于高炉内部气体具有十分高的还原性，因此FeO的还原反应很快完成，以致温度和化学侵蚀引起的炉壁耐火材料的腐蚀可以减轻。
表3-1
铬含量    Cr    20%    Cr    40%    Cr    60%
火焰温度    2600℃    2900    2600    2900    2600    2900
（Tf）
铬矿    564Kg    564    1126    1126    1690    1690
铁矿    1115Kg    1115    662    662    209    209
石灰石    0Kg    0    131    128    351    348
硅石    61Kg    64    128    131    292    297
冷粘结料丸
中的碳含量    150Kg    150    225    225    300    300
焦炭块    340Kg    250    405    295    520    380
总计    490Kg    400    630    520    820    680
PC    500Kg    500    750    750    950    950
O2547Nm3488 787 709 1028 925
循环顶部气 312Nm3146 591 316 891 488
表3-2
铬含量    Cr    20%    Cr    40%    Cr    60%
火焰温度    2600℃    2900    2600    2900    2600    2900
（Tf）
循环预热气 66Nm3207 0 0 0 0
顶部气CO    68.5%    61.5    79.0    77.2    83.6    52.5
CO217.7% 23.9 8.0 9.3 3.9 4.5
H27.5% 6.6 9.5 9.5 10.5 10.6
H2O 5.5% 7.3 2.8 3.3 1.4 1.7
N20.7% 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
卡路里 3.6×1063.0 6.1 5.5 8.4 7.7
Kcal
量 1593Nm31461 2316 2122 3018 2769
温度    100℃    100    259    106    346    198
以下是根据本发明的含碳冷粘料丸制造过程中高炉操作的实例。
铬矿粉、焦炭粉、水泥和粉末硅石均具有各自的化学组成和粒度分布，如表4和表5中分别所示出的。它们按照表6示出的比率进行混合。混合的物料由4m直径圆盘制丸机制成丸，然后既可以快速固化（1）也可以固化制备成含碳冷粘结料丸。
Figure 87103786_IMG1
表5
粒度（μ）    500-    250-    125-    74-    44-    -44
1000    500    250    125    74
Cr矿石粉    0.09    0.25    2.96    9.27    7.88    79.55
（%）
焦炭粉    0.08    0.49    5.08    10.57    83.78
（%）
水泥（%）    0.19    0.35    2.47    96.99
硅石粉（%）    0.11    0.17    0.38    2.99    9.05    87.30
表6
对比实例    实例
Cr矿石粉    70.20    60.68
（%）
混合组份    焦炭粉    14.80    12.80
（%）
水泥（%）    15.00    15.00
硅石粉    11.52
（%）
固化步骤（1）为：预干燥（90℃，30分钟），蒸汽处理（100℃饱和蒸汽9小时）以及后干燥处理（250℃，1小时）。
＊固化步骤（1）制成的料丸的特性示于如下表7中。
表7
对照实例    实例
抗压强度    138.40    141.01
（kg/p）
破碎强度    0.10    0.30
快速    （-3mm%）
固化    装料的精炼    ○    ◎
（还原）
精炼熔融度    △    ◎
与不含任何粉状硅石的物料相比，实例中所得料丸的抗压、程度、破碎强度、装料的精炼性能十分优良。破碎强度以料丸从2米高处落下10次后筛除3mm以下料丸颗粒的比率表示。抗压强度以单个颗粒破坏时所需的载荷表示。
固化步骤（2）中，料丸可在室外大气中固化1、2、3和4周，分别测出它们抗压强度。
表8
对照实例    实例
固化1周后的抗    62.38    76.41
压强度（kg/p）
原样    固化2周后的抗    88.68    86.59
压强度（kg/p）
固化
固化3周后的抗    94.91    97.78
压强度（kg/p）
固化4周后的抗    113.79    125.02
压强度（kg/p）
抗压强度随固化周期的延长而增加，因此固化4周后的料丸可用于高炉生产。与对照实例相比，实例表明高抗压强度也可以在快速固化情况下得到。
以下是实例，即根据本发明生产含铬生铁的方法。
所用高炉的炉膛直径为0.95m，其内部容积为3.9m3。装填物料可由含碳冷粘结料丸、烧结矿、硅石和焦炭制成，这些物料要装填到能得到预定含铬的量。填加硅石是为了使炉渣中Al2O3-MgO的含量达到25%或更低。当用蒸汽作为火焰温度控制剂时，纯氧和煤可吹入高炉。1100℃燃烧气体预热气从高炉的中部吹入。单位消耗详细地列于如下表9中，操作结果示于如下表10中。
表9
预期的Cr    5    10    15    20
含量值
（%）
冷粘接    67Kg/H    268Kg/T    128    545    203    812    257    1089
料丸
装
烧结矿    375    1500    323    1374    310    1240    260    1102
填
硅石    28    112    38    162    58    232    73    309
物
焦炭    350    1400    375    1596    400    1600    425    1800
料
冷粘结    10    40    19    81    31    124    39    165
料丸中
的碳量
表9（续）
预期的Cr    5    10    15    20
含量值
（%）
氧气 240Nm3/H 260 260 288
吹    蒸汽    69Kg/H    70    70    83
入    煤粉    80    320    80    340    80    320    80    339
Tf    2600℃    2700    2700    2700
预    温度    1100℃    1100    1100    1100
热
气量 250Nm3/H 250 250 250
表10-1
预期的Cr    5    10    15    20
含量值
（%）
燃料比    1760Kg/T    2017    2044    2304
出    计算值    250Kg/H    1000Kg/T    235    1000    250    1000    236    1000
铁
量    实际值    274    215    252    231
除    计算值    147    588    182    774    237    948    272    1153
渣
量    实际值    129    165    178    224
灰尘量    20    80    34    145    58    232    64    271
出铁温度    1432℃    1478    1487    1442
炉渣温度    1464℃    1527    1487    1500
表10-2
C    3.81%    3.74    3.63    3.25
金
Si    2.84    5.26    5.48    6.80
属
Cr    4.68    9.86    15.46    19.42
组
P    0.178    0.216    0.244    0.241
成
S    0.112    0.091    0.107    0.153
表10-3
MgO    7.02%    7.68    7.60    6.87
炉 Al2O314.86 16.42 14.54 16.58
渣 SiO235.36 35.30 37.47 38.38
组    CaO    31.88    29.43    27.25    26.83
成 Cr2O30.0476 0.181 0.276 0.295
P2O50.015 0.016 0.017 0.013
S    1.414    1.576    1.676    1.090
表10-4
顶部气体温度（℃）    200    200    230    250
顶    CO    69.7%    73.8    75.3    75.9
部
气 CO215.9 12.5 10.2 10.0
体
组 H214.2 13.7 14.7 14.1
成
N2Tr. Tr. Tr. Tr.
已证实，经风口吹入高炉的焦炭粉可充分燃烧。如果没有任何滑坡、吹穿和悬浮存在的话，高炉内可得到较好的效果。当出铁时也可观察到光滑的出渣。
炉渣中Cr2O3的含量低于0.3%。从这一点讲，可以得出结论，铬矿的还原过程可顺利地进行。
随着铬含量水平的增大，顶部气体温度有些上升，但在300℃以下不会发生不利于高炉操作的问题。至于顶部气体的组成，CO超过65%而N2几乎为零。可以肯定地说，上述顶部气作为化学合成原料气具有广泛的使用价值。

Claims (15)

1、生产含铬生铁的方法包括：
将由铬矿粉、焦炭粉制得的冷粘结料丸、铁矿石和焦炭块装填到高炉中；以及
将含氧量超过50%的气体，经由冷粘料丸生产含铬生铁高炉的风口吹入高炉。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述气体包括95～100%的氧气。
3、按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述气体包括纯氧。
4、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括从风口嘴向高炉内吹入一种温度控制剂的步骤。
5、按照权利要求4所述的方法，其特征在于：所述温度控制包括从顶部循环气、蒸汽、水、CO2和冷空气中至少选择一种物料。
6、按照权利要求4所述的方法，其特征在于：所述吹入温度控制剂步骤包括控制风口嘴火焰温度为2000～2900℃。
7、按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述风口嘴火焰温度要控制在2400～2800℃。
8、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括从高炉中部吹入一种1000～1600℃的气体，以预热高炉中配料的步骤。
9、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括一个经风口向高炉内吹入燃料的步骤。
10、按照权利要求9所述的方法，其特征在于：所述燃料包括从焦粉、焦炭粉、重油、煤焦油中选取的至少一种。
11、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述冷粘结料丸制备步骤为：
将铬矿粉和焦炭粉混合并制成生料丸;以及把所述生料丸固化。
12、按照权利要求11所述的方法，其特征在于：所述混合和制丸步骤包括，除了所述铬矿粉和焦炭粉外，还需混入硅石源以制成所述生料丸。
13、按照权利要求11所述的方法，其特征在于：所述生料丸的固化步骤是使所说的生料丸在室外大气中固化。
14、按照权利要求11所述的方法，其特征在于：所述料丸固化的所述步骤是，所说的生料丸经预干燥、蒸汽处理和后干燥处理使之快速固化。
15、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：装填所述冷粘结料丸、所述铁矿和所述焦炭的步骤是，加入一种助熔剂，使所形成的炉渣中Al2O3-MgO的含量为30%或更低。
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