直接熔炼方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于从含铁原材料生产含铁金属的基于熔融熔池的直接熔炼方法。该方法中，将预热空气以相对于水平轴２０到９０°的角度、８００～１４００°Ｃ的温度以及２００～６００ｍ／ｓ的速度经由至少一个喷枪（２７）向下喷射到容器中。这个步骤迫使喷枪下端区域内的熔融材料远离喷枪，并围绕喷枪下端形成空白空间，该空间的熔融材料浓度低于升高熔池内的熔融材料浓度。该方法中，喷枪定位成：（ｉ）喷枪延伸到容器内的距离至少为喷枪下端外径那么大；并且（ｉｉ）喷枪的下端在熔融熔池静止表面之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于熔融熔池的直接熔炼方法和一种用于从诸如矿石、局部还原的矿石以及含金属的废液的含铁原材料生产熔融含铁金属(该术语包括含铁合金)的装置，尤其是该装置决不专用于铁，该装置将基于预热空气(该术语包括达到50％O2的富含氧气的空气)的系统用于后燃在熔融熔池中产生的反应气体(主要是CO和H2)。
技术介绍
在没有充分的反应气体后燃以及随后将热量基本上传导回熔融熔池的情况下，这种基于熔池的直接熔炼方法，尤其是那些没有预还原阶段的直接熔炼方法变得不经济，并在很多情况下由于含铁原材料还原的吸热特性而不能实行。虽然基于氧气的后燃系统(该术语包括纯O2到50％O2)相对于基于预热空气的系统具有诸如使废气体积最小的优点，但是在供给大量氧气方面存在显著高的成本。进一步的需求在于良好的后燃不必以再次氧化显著大量的熔融熔池内的熔融含铁金属为代价，这是由于在需要过分大量的固态含碳材料来还原这种氧化的情况下，该方法变得效率低下。并且，在熔融熔池中过分大量的液态FeOx(主要为FeO)对熔融含铁金属的名义静止表面高度和作为整体的熔池的表面高度之间的区域内的耐火材料侵蚀尤其有害。一种用于产生熔融含铁金属的公知的基于熔融熔池的直接熔炼方法为DIOS方法。DIOS方法包括预还原阶段和熔炼还原阶段。在DIOS方法中，矿石(-8mm)被预热(750℃)，并在流化床中利用来自熔炼还原容器的废气预还原(10到30％)，该熔炼还原容器包含金属和矿渣的熔融熔池，且矿渣在金属上形成深层(deep layer)。矿石的精细(-3mm)和粗糙(-8mm)成分在该方法的预还原阶段分离。煤炭和预热并预还原的矿石(经由两个供给线路)从熔炉的顶部连续供给到熔炼还原熔炉中。矿石熔解并在矿渣的深层中形成FeO，而煤炭在矿渣层中分解成炭和挥发性物质。氧气通过一个特殊设计的喷枪吹入，这改善了泡沫状矿渣中的二次燃烧。氧气射流燃烧与熔炼还原反应一同产生的一氧化碳，由此产生传递到熔融矿渣上的热量。FeO在矿渣/金属和矿渣/炭交界面处还原。从熔炼还原容器的底部引入热的金属熔池的搅动空气改善了热传导效率，并增加了用于还原的矿渣/金属交界面。矿渣和金属周期性排出。另一种公知的用于产生熔融含铁金属的直接熔炼方法为AISI方法。AISI方法液包括预还原阶段和熔炼还原阶段。在AISI方法中，预热和局部预还原的铁矿石颗粒、煤炭或焦炭渣和造渣剂(flux)从顶部装填到加压的熔炼反应器中，该反应器包含金属和矿渣的熔炼熔池。煤炭在矿渣层液化，而铁矿石颗粒在矿渣内熔解并然后由矿渣内的碳(炭)还原。较高的气体发生率导致矿渣泡沫化。在该过程中产生的一氧化碳和氢气在矿渣层或正好在矿渣层之上后燃，以提供吸热还原反应所需的能量。氧气从顶部通过中央水冷喷枪吹入，而氮气通过反应器底部的鼓风口喷入，以保证充分搅动，从而利于后燃能量对熔池的热传导。处理的废气在送入竖井型熔炉以用于将颗粒预热并预还原成FeO或铁酸盐之前在热的漩流器中除尘。另一种公知的用于产生熔融含铁金属的直接熔炼方法为HIsmelt方法。如以本申请人名义的国际申请PCT/AU96/00197(WO 96/31627)中所述的一种形式的HIsmelt方法包括(a)在容器中形成金属和矿渣的熔融熔池；(b)将以下物质喷射到熔池中(i)含铁原材料、一般为金属氧化物；以及(ii)固态含碳材料、一般为煤炭，其作用为金属氧化物的还原剂和能量来源；并且(c)将铁原材料熔炼成熔融熔池金属层内的金属。这种HIsmelt方法也包括将含氧气体喷射到熔池之上的空间内，并后燃从熔池释放的反应气体，如CO和H2，并将所产生的热量传导到熔池中，以有助于熔炼含金属原材料所需的热能。本申请人已经对HIsmelt方法进行了大量的中间工厂研究和计算的流体动力学建模研究，并已经作出一系列关于基于预热空气系统的重大发现。
技术实现思路
总的来说，本专利技术提供了一种用于从含铁原材料生产含铁金属的直接熔炼方法，其包括以下步骤(a)在冶金容器中形成熔融金属和熔融矿渣的熔池；(b)将含铁原材料喷入熔融熔池内，并将含铁原材料在熔融熔池内熔炼成金属；(c)将固态含碳材料喷射到熔融熔池中；(d)至少部分通过所喷射材料在熔池内的反应而在熔融熔池内产生气流，该气流将熔融材料向上携带到熔融熔池静止表面之上，从而形成升高的熔池；(e)将预热空气喷射到容器中，以便该预热空气撞击或刺穿升高的熔池，并后燃从升高熔池中释放或包含在升高熔池内的反应气体，由此利于热量传导到熔融熔池中；该方法特征在于将预热空气以相对于水平轴20到90°的角度、800～1400℃的温度以及200～600m/s的速度经由至少一个喷枪向下喷射到容器中，并迫使在喷枪下端区域中的升高熔池内的熔融材料远离喷枪，而形成围绕喷枪下端的“空白”空间，该空间的熔融材料浓度低于升高熔池中的熔融材料浓度，喷枪定位成使得(i)喷枪延伸到容器内为至少喷枪下端外径那么大距离；并且(ii)喷枪的下端在熔融熔池静止表面之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径。优选地是，在围绕喷枪下端的空白空间内的熔融材料的浓度为空间体积的5％或更小。优选地是，围绕喷枪下端的空白空间为半球形体积，其直径至少为喷枪下端外径的二倍。优选地是，围绕喷枪下端的空白空间的直径不大于喷枪下端外径的四倍。优选地是，预热空气中至少体积上50％的氧气，更优选地是60％的氧气在围绕喷枪下端的空白空间内燃烧。优选地是，该方法包括将预热空气以漩涡运动喷射到容器内。术语“熔炼”在此应理解为意味着其中发生还原含铁原材料的化学反应以产生液态金属的热处理。术语“静止表面”应理解为意味着在其中没有气体/固体喷射并因此熔池不搅动的工艺条件下熔融熔池的表面。如上所述，术语“空气”应理解为意味着空气或包含体积上50％的O2的富氧空气。优选地是，在熔融熔池内的表面气体流动至少为熔融熔池静止表面的0.04Nm3/s/m2。优选地是，表面气体流速至少为熔融熔池静止表面的0.2Nm3/s/m2。优选地是，表面气体流速小于熔融熔池静止表面的2Nm3/s/m2。熔融熔池内的气流可以通过任何一个或多个因素造成。例如，气流可以由于含铁原材料和固态含碳材料喷射到熔融熔池内，优选地是喷射到熔融熔池的下部区域内而至少在局部产生。作为另一示例，气流可以作为与喷射的含铁原材料和/或固态含碳材料一起将载体气体喷射到熔融熔池内，优选地是喷射到熔融熔池的下部区域内的结果而至少在局部产生。作为另一示例，气流可以作为气体从底部和/或侧壁喷射到熔融熔池内，优选地是喷射到熔融熔池的下部区域内的结果而至少在局部产生。优选地是，该方法包括将在熔融铁内溶解的碳的浓度控制为至少重量上3％，并且将矿渣维持在强还原状态下，以导致矿渣中的FeO含量少于重量上6％，优选地少于重量上5％。优选地是，该方法包括相对于容器内的熔融含铁金属，将容器内矿渣总量保持为较高。容器内的矿渣量，即，矿渣总量对在熔融熔池上部区域内的矿渣量具有直接影响。与金属相比矿渣相对低的热传导特性在使热量向水冷的侧壁和经由容器侧壁从容器中损失最小方面是至关重要的。通过适当的过程控制，矿渣可以在侧壁上形成层或多层，这就增强了对从侧壁的热损失的抵抗力。因此，通过改变矿渣总量，有可能增大或减少侧壁上的矿渣量，因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从含铁原材料生产含铁金属的方法，包括以下步骤： （ａ）在冶金容器中形成熔融金属和熔融矿渣的熔池； （ｂ）将含铁原材料喷入熔融熔池内，并将含铁原材料在熔融熔池内熔炼成金属； （ｃ）将固态含碳材料喷射到熔融熔池中； （ｄ）至少部分通过所喷射材料在熔池内的反应而在熔融熔池内产生气流，该气流将熔融材料向上携带到熔融熔池静止表面之上，从而形成升高的熔池； （ｅ）将预热空气喷射到容器中，以便该预热空气撞击或穿透升高的熔池，并后燃从升高熔池中释放或包含在升高熔池内的反应气体，由此利于热量传导到熔融熔池中， 其特征在于，将预热空气以相对于水平轴２０到９０°的角度、８００～１４００℃的温度以及２００～６００ｍ／ｓ的速度经由至少一个喷枪向下喷射到容器中，并迫使在喷枪下端区域中的升高熔池内的熔融材料远离喷枪，而形成围绕喷枪下端的“空白”空间，该空间的熔融材料浓度低于升高熔池中的熔融材料浓度，喷枪定位成使得（ｉ）喷枪延伸到容器内的距离至少为喷枪下端外径那么大；并且（ｉｉ）喷枪的下端在熔融熔池静止表面之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗德尼J德赖，彼得J伯克，
申请(专利权)人：技术资源有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]