專利名稱：煤-氧-礦-熔劑復(fù)合噴射鐵浴造氣與煉鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化工冶金領(lǐng)域，是熔融還原煉鐵的一種新工藝。該工藝將噴粉冶金技術(shù)，熔融還原煉鐵技術(shù)和煤氣制備技術(shù)結(jié)合為一體，所以具有熔融還原煉鐵、半鋼、造氣和廢鋼熔化等多種功能。
本世紀(jì)六十年代以來，世界各國的許多冶金研究工作者一直致力于熔融還原煉鐵新技術(shù)的研究與開發(fā)工作，即試圖用氧、煤、礦石直接冶煉出生鐵或半鋼。特別是近十年來，對這一新技術(shù)的開發(fā)有了重大的突破。目前正在開發(fā)的熔融還原工藝有十余種，但從本質(zhì)上說，煤氧熔煉可分為兩類，即一步法和二步法。一步法是以煤作為還原劑和熱源，將鐵礦石直接在熔融狀態(tài)下在鐵浴爐內(nèi)還原成生鐵或半鋼，煤粉和氧氣可從爐底、爐頂或爐側(cè)噴入鐵浴中，而鐵礦和造渣料從爐頂加入或隨煤粉噴入熔鐵，為了提高供熱強(qiáng)度，同時還向熔煉爐空腔或熔渣中吹入氧氣來提高二次燃燒率。二步法是在一步法的基礎(chǔ)上加了一個或二個預(yù)還原爐，即首先以熔煉爐煤氣為熱源和還原劑，將鐵礦石在固體狀態(tài)下預(yù)還原到一定程度，然后緊接著進(jìn)行熔融終還原。
無論是一步法還是二步法，大多數(shù)流程都離不開鐵浴熔融終還原。二步法所需煤氣也必須由鐵浴反應(yīng)器產(chǎn)生。對于流化床預(yù)還原礦粉，需經(jīng)噴吹方式輸送到鐵浴反應(yīng)器內(nèi)。此外，由于吹入大量的煤粉，導(dǎo)致熔鐵中硫含量較高，需經(jīng)脫硫后才能用于煉鋼。因此可以說，鐵浴反應(yīng)器是整個熔融還原工藝的中樞環(huán)節(jié)。
目前，世界各國正在開發(fā)多種熔融還原工藝和反應(yīng)器。與本發(fā)明較接近的熔融還原工藝是日本SUMITOMO METAL IND KK公司煤氧鐵浴氣化與煉鐵工藝(專利號86229175/08635)。該工藝是將煤氧從立式鐵浴反應(yīng)器的下部噴入，底槍噴嘴由同時吹入的碳?xì)錃怏w化合物CnHm裂解吸熱得到保護(hù)，而礦粉和熔劑由頂槍從反應(yīng)器的頂部噴入反應(yīng)器，礦粉大部分直接進(jìn)入熔渣。由于礦粉不能直接與熔鐵接觸，因而反應(yīng)速度較慢。此外，煤氣二次燃燒率低，成分不宜調(diào)整，熔渣FeO含量高，脫硫能力差，渣量大，難以得到合格硫含量的鐵水。
本發(fā)明工藝克服了上述缺點，本發(fā)明將預(yù)還原礦粉、煤粉和氧氣從爐頂噴入熔鐵表面，自爐底噴入煤粉和氧氣，當(dāng)爐容積大于2m3時，還自頂槍噴入二次氧氣，使煤氣進(jìn)一步二次燃燒和控制煤氣成分，煤氧熔煉和造氣結(jié)束并溢渣后，直接在爐內(nèi)進(jìn)行底噴粉脫硫精煉批處理。
本發(fā)明工藝設(shè)計了一個煤-氧-礦-熔劑復(fù)合噴射的鐵浴反應(yīng)器，在同一反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)熔融終還原，制造不同成分的煤氣，精煉脫硫三個目的。這種工藝，既充分地利用了煤的化學(xué)能，又把爐外脫硫的程序引進(jìn)了該工藝，從而節(jié)約了設(shè)備，提高了效益，降低了煉鐵的成本?？傻玫筋A(yù)還原爐所要求的合格煤氣和煉鋼爐所要求的合格鐵水。
為實現(xiàn)發(fā)明的目的，本發(fā)明者設(shè)計了多流道的頂噴槍和雙流道預(yù)混式底槍與轉(zhuǎn)爐爐體配套使用。頂槍分為水冷多流道噴槍和雙流道噴槍兩種，一般視爐容積的大小，可分別采用雙流道噴頭(爐容積小于2M3)或多流道噴頭(爐容積大于2M3)。


圖1為煤-氧-礦-熔劑復(fù)合噴射造氣與熔融還原煉鐵反應(yīng)器的示意圖。圖2為頂槍(A)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為頂槍(B)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為底槍結(jié)構(gòu)示意圖。其中(1)頂槍、(2)底槍、(3)轉(zhuǎn)爐型鐵浴爐體、(4)中心管、(5)中間管、(6)外層管、(7)外層環(huán)管、(8)環(huán)隙、(9)中心管、(10)中間環(huán)縫、(11)外層環(huán)管、(12)內(nèi)噴管、(13)內(nèi)噴嘴、(14)噴槍頭、(15)中隔管、(16)氧氣噴管、(17)外套管、(18)內(nèi)噴管、(19)外噴管、(20)外噴管進(jìn)口接頭、(21)密封壓蓋、(22)密封塞、(23)預(yù)混管。
圖1為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖，其特點是由頂槍(1)、底槍(2)、轉(zhuǎn)爐型爐體(3)三個部分組成。頂槍安裝在爐體上部(見圖1)，用以噴射氧-煤-礦石，水蒸氣，副氧。底槍為雙流道預(yù)混式噴槍，安裝在爐底，用以噴射煤及礦、氧或熔劑。對于底槍的結(jié)構(gòu)和性能本發(fā)明者在已獲專利中有詳述(中國專利CN91216746.7)，所設(shè)計的爐底煤氧槍無需冷卻氣保護(hù)，而靠煤粉自身熱解得以保護(hù)。
圖2為多流道噴頭結(jié)構(gòu)示意圖，中心管(4)為煤粉，礦粉流道，中間管(5)為主氧流道，外層管(6)為二次燃燒副氧流道，外層環(huán)管(7)為冷卻水流道，與中心管相鄰的環(huán)隙(8)為水蒸氣流道。噴頭由紫銅鑄造而成，與槍身螺紋連接。副氧流道的設(shè)計不僅使一氧化碳進(jìn)一步二次燃燒，釋放更多的熱量供還原吸熱，提高熱效率，而且改善了氣-渣間的傳熱條件，這是區(qū)別于其他頂槍的關(guān)鍵所存。
圖3為雙流道噴頭結(jié)構(gòu)示意圖，內(nèi)噴嘴(13)、內(nèi)噴管(12)、噴槍頭(14)分別由2520耐熱鋼，1Cr18Ni9Ti不銹鋼，紫銅制成，中隔管(15)等其他部分由無縫鋼管制成。內(nèi)噴嘴(13)與內(nèi)噴管(12)用螺紋連接，氧氣噴管(16)與噴槍頭(14)用螺紋連接。而外套管(17)與噴槍頭(14)則焊接相連。
圖4為底槍的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)和性能詳見CN91216746.7的專利所述。
底噴槍和爐體配套使用，打結(jié)在爐襯內(nèi)，底槍預(yù)混段端頭與爐底表面相平為宜。
本工藝所用原料包括煤粉，預(yù)還原礦粉，石灰、粉狀脫硫劑、氧氣、氮氣、少量塊狀焦炭，粉料的粒度均在60mesh以下，工藝實施過種所使用的其他設(shè)備如磨粉機(jī)、供氣輸送系統(tǒng)、粉料噴吹系統(tǒng)，煤氣收集系統(tǒng)是成熟的技術(shù)，不屬于本發(fā)明范圍。
開爐時，爐內(nèi)必須有一定容量的鐵水，爐內(nèi)熔池高度最好為最大熔池量的三分之一左右，在兌入鐵水前，底槍要不斷地吹入氮氣，以防噴頭堵塞。首先開始底槍煤氧礦噴吹，即由底槍的環(huán)隙煤及礦流道，將已破碎在60目以下的煤粉及礦粉以氮氣為載體噴入爐內(nèi)，隨后將底槍中心管的氮氣切換成氧氣。同時，將頂槍降至距熔池液面一定高度，頂槍的煤氧流道要維持一定的氮氣量，以防噴頭堵塞。當(dāng)采用B型頂槍時，待爐溫合適后，再開始由頂槍的中心管(9)噴入煤粉、礦粉、由中間環(huán)縫(10)吹入氧氣，調(diào)整頂槍和底槍各噴吹參數(shù)正常最佳爐溫1500-1650℃，爐氣出口溫度小于1700℃，爐渣堿度R＝1-3。爐渣的堿度由爐頂加入石灰量來調(diào)整。石灰分批加入，加石灰的間隔時間視噴吹速度而定，石灰加入量視噴吹物料成分和渣堿度要求而定。為防止泡沫渣噴濺和保護(hù)爐襯，隨著石灰加入部分塊狀焦炭。熔煉過程控制爐內(nèi)碳氧含量是操作的關(guān)鍵，所以底噴碳氧原子比為C/O＝1.0-2.0，頂噴碳氧原子比為C/O＝0.8-1.6，頂噴參數(shù)煤礦重量比為煤/礦＝1-2。
隨著噴吹的進(jìn)行，熔池中液面逐漸升高，當(dāng)熔池高度超過正常操作允許高度時，提升頂槍，停止頂槍噴吹，切換底槍供煤供氧，使維持底槍中心管和環(huán)隙有適當(dāng)?shù)牡獨饬髁俊u爐溢渣后，以氮氣為載體由底槍中心管噴入脫硫粉劑進(jìn)行脫硫的操作。脫硫劑可為氧化鈣基多元渣系或其他高硫容量的合成渣。傳統(tǒng)的脫硫方法是靠由爐頂加入石灰造渣來進(jìn)行的，由于在熔煉過程中，渣中FeO含量高，因而爐渣脫硫能力差，而煤粉的吹入，又導(dǎo)致熔鐵中硫含量較高，要得到低硫含量的鐵水，必須向爐內(nèi)加大量的石灰造大量的堿性渣，才能達(dá)到脫硫的效果，這樣做在實際生產(chǎn)中帶來很大困難。為了解決這一問題，本發(fā)明將爐外精煉脫硫的技術(shù)引入該工藝，即在熔融還原結(jié)束時，由裝在爐底的底槍噴入脫硫粉劑，能使鐵水快速地脫硫。此外，本發(fā)明工藝爐內(nèi)渣層較薄，部分被還原出的磷蒸氣還來不及被熔渣和熔鐵充分吸收而隨著煤氣逸出，所以鐵水中的磷含量，低于高爐鐵水和用其他工藝所得的鐵水的磷含量。
經(jīng)過不同種類的原料和燃燒及不同工藝參數(shù)下的大量試驗表明，本工藝與國內(nèi)外類似專利相比，效果更好，反應(yīng)器壽命長，頂槍壽命可達(dá)200小時以上，底槍的壽命也大于爐令(指爐襯壽命)。
最佳實例實例一、D100kg級熱模型上裝入爐料熔化，裝入量為其容量的1/3，熔化過程中保持底槍有適量N2通入，以防底槍堵塞。爐料熔化后，開始底噴煤氧，并降低頂槍進(jìn)行頂吹二次氧，當(dāng)爐溫達(dá)到1500℃以上時，停止二次氧，并進(jìn)行頂噴煤氧礦，當(dāng)?shù)讎姶祬?shù)碳氧比C/O為1.5，頂噴參數(shù)煤礦比為1.0、碳氧(主氧流道的氧)原子比1.0，礦粉為金屬化率32%的流化床預(yù)還原礦粉，煤粉為大同煙煤，渣堿度控制在2.0左右，在頂槍噴頭距熔池表面約400mm，試驗過程中每5min取氣樣分析的技術(shù)參數(shù)條件下，在煤-氧-礦復(fù)合噴吹造氣與熔煉過程中，在80min的試驗時間內(nèi)，制備的煤氣成分分析結(jié)果為68-76%CO，15-20%H2，1-3%CO2，5-7%N2，85%-96%(CO+H2);鐵水成分C4.5-5.0%，Mn0.27-0.31%，P0.14-0.15%，Si0.3-0.4%，SO0.02-0.15%，鐵浴對熔融鐵氧化物的還原能力強(qiáng)，渣中氧化鐵總量可控制在5%以下。
煤-氧-礦復(fù)合噴射造氣與終還原之后，即當(dāng)熔池高度漲到規(guī)定容量時，提起頂槍并停止噴吹，切換底槍噴煤氧為噴吹CaO-CaF2粉，進(jìn)行脫硫精煉，當(dāng)脫硫劑噴吹量為20公斤/噸鐵。在20min的時間內(nèi)，熔鐵中的硫由0.15%降低到了0.006%，脫硫率在95%以上。停止底噴脫硫劑，并適當(dāng)維持底槍有一定的N2流量以防堵塞，搖爐溢渣、出鐵2/3。然后開始下一個爐役的操作。
從試驗開始到試驗結(jié)束(約4小時)，鐵水中的磷含量略有增加。
實例二、通過控制槍位和氧流量可得到不同(CO+H2)含量的煤氣。例如在實例一參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加副氧流量至主氧量的1/3，則可得到58-64%(CO+H2)，28-31%(CO2+H2O)的煤氣，既滿足了流化床對鐵礦預(yù)還原度的要求，又在鐵浴內(nèi)有效地利用了煤的化學(xué)能。經(jīng)過數(shù)十次的試驗表明，煤氧頂槍壽命可達(dá)數(shù)百小時以上。
實例三、將實例一的底噴參數(shù)碳/氧比值改為1.0可煉得碳含量2.0-2.5%的半鋼。
權(quán)利要求
1.一種熔融還原煉鐵(或半鋼)，造氣的工藝流程，其特征在于在同一個反應(yīng)器中(轉(zhuǎn)爐型爐體)，設(shè)計安裝了水冷多流道(包括雙流道)的頂槍，雙流道底槍，進(jìn)行復(fù)合噴吹煤-氧-預(yù)還原礦-熔劑；調(diào)整頂槍噴吹參數(shù)碳和氧的原子比為C/O=0.8-1.6，煤礦重量比為煤/礦=1-2，熔池溫度為1500-1650℃，控制爐渣的堿度R=1-3，(R=CaO+MgO+MnO/SiO2+0.55Al2O3+1.18P2O5)，調(diào)整底槍噴吹參數(shù)碳氧原子比C/O=1-2，可獲得不同成分的煤氣；終還原結(jié)束后，溢渣，由底槍以氮氣作載體噴入氧化鈣基多元渣系直接精煉脫硫。
2.按權(quán)利要求1所述方法，最佳渣堿度R＝1.5-2.0
3.按權(quán)利要求1所述方法的設(shè)備，A為三流道頂槍，其結(jié)構(gòu)特征為中心管(4)為煤粉和礦粉的流道，中間管(5)為主氧流道，外層管(6)為二次燃燒副氧流道，外層環(huán)管(7)為冷卻水流道，噴頭鑄造而成，與槍身螺紋連接。
4.按權(quán)利要求3所述的噴槍設(shè)備，頂槍可由四流道組成;與中心管相鄰的環(huán)隙(8)為水蒸氣流道。
5.按權(quán)利要求3所述的噴槍，B為雙流道頂槍，其結(jié)構(gòu)特征在于包括中心管(9)，內(nèi)噴嘴(13)，內(nèi)噴管(12)、噴槍頭(14)、中隔管(15)、外套管(17)等部分;中心管(9)為礦和煤流道，中間環(huán)縫(10)為氧流道，外層環(huán)管(11)為冷卻水流道;內(nèi)噴嘴(13)與內(nèi)噴管(12)用螺紋連接，氧氣噴管(16)與噴槍頭(14)用螺紋連接，外套管(17)與噴槍頭(14)靠焊接相連。
全文摘要
本發(fā)明屬于化工冶金領(lǐng)域，熔融還原煉鐵的一種新工藝流程。其特征為在同一個鐵浴反應(yīng)器中，借助多流道底槍和頂槍復(fù)合噴吹煤-氧-礦-熔劑，進(jìn)行鐵礦石的終還原。在造氣與熔融還原過程中，改變各個噴吹參數(shù)(碳/氧原子比，頂槍高低，副氧流量等)時，得到不同成分的煤氣，既滿足了礦石預(yù)還原的要求，又提高了煤的化學(xué)能的利用。終還原結(jié)束時，直接在鐵浴反應(yīng)器中噴吹脫硫劑脫硫，獲得合格的鐵水或半鋼。
文檔編號C21B11/00GK1095108SQ93104740
公開日1994年11月16日 申請日期1993年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月12日
發(fā)明者王大光, 謝裕生, 郭占成, 艾菁, 劉天中, 楊學(xué)民, 孫月海, 于憲溥 申請人:中國科學(xué)院化工冶金研究所