專利名稱：直接熔煉方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)熔融金屬(包括金屬合金)的方法及設(shè)備，尤其是涉及在包含熔池的冶金容器中，用含金屬的原料，如礦石，部分還原的礦石及含金屬的廢料生產(chǎn)不僅限于鐵的熔融金屬的方法和設(shè)備。
本發(fā)明尤其是涉及用含金屬的原料生產(chǎn)熔融金屬的，以熔池為基礎(chǔ)的直接熔煉方法。
用含金屬的原料直接生產(chǎn)熔融金屬的方法通常被稱為“直接熔煉法”。
一種通常稱為Romelt法的已知直接熔煉法的基礎(chǔ)是采用大容積、高攬動的渣池作為介質(zhì)將自頂加入的金屬氧化物熔煉成金屬和使氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物后燃燒及按需要進(jìn)行傳熱以使金屬氧化物的熔煉持續(xù)進(jìn)行。Romelt法包括將富氧空氣或氧經(jīng)下排風(fēng)嘴噴入渣中以使渣攪動，及經(jīng)上排風(fēng)嘴將氧噴入渣中以進(jìn)行后燃燒。按Romelt法，金屬層不是重要的反應(yīng)介質(zhì)。
其它一組以渣為基礎(chǔ)的已知的直接熔融法通常被稱為“深渣法”。這些方法，如DIOS和AISI法，都是以形成具有3個區(qū)域的深的渣層為基礎(chǔ)的，這3個區(qū)是用噴入的氧使反應(yīng)氣體后燃燒的上部區(qū)，使金屬氧化物熔煉成金屬的下部區(qū)；及將上、下區(qū)域分隔開的中間區(qū)。至于Romelt法，渣層之下的金屬層并非重要的反應(yīng)介質(zhì)。
其它已知的，依賴于熔融金屬層作反應(yīng)介質(zhì)，并通常被稱為Hlsmelt法的直接熔煉法被述于以該申請人的名義申請的國際專利申請PCT/AU96/00197(WO 96/31627)中。
該國際專利申請中所述的Hlsmelt法包括(a)在容器中形成具有金屬層和位于金屬層之上的渣層的熔池；(b)向熔池噴入(ⅰ)含金屬的原料，一般是金屬氧化物；(ⅱ)固體含碳原料，一般是煤，它的作用是用作金屬氧化物的還原劑及能源；(c)在金屬層中將含金屬的原料熔煉成金屬。
Hlsmelt法還包括使自熔池釋放出來的反應(yīng)氣體，如CO和H2在熔池上方被含氧氣體后燃燒，再將后燃燒所產(chǎn)生的熱傳給熔池，以提供熔煉含金屬原料所需的熱能。
Hlsmelt法還包括在熔池名義上靜止表面的上方形成過渡區(qū)，在該區(qū)中，金屬液和/或渣的液滴或飛濺或液流上升而后下落，它們是將于熔上方因反應(yīng)氣體后燃燒而產(chǎn)生的熱能傳給熔池的有效傳熱介質(zhì)。
本發(fā)明的目的在于提供一種可使用各種類型的煤，包括低級煤的直接熔煉方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明提供的直接熔煉含金屬的原料的方法包括如下步驟(a)用含氧氣體預(yù)處理煤，并生成炭和可燃?xì)怏w；(b)在制氧廠中間用至少部分產(chǎn)于步驟(a)中的可燃?xì)怏w作能源加熱含氧氣體和/或產(chǎn)生含氧氣體；(c)將含金屬的原料和產(chǎn)于步驟(a)的炭及在步驟(b)加過熱的或所產(chǎn)生的含氧氣體噴入直接熔煉容器中；(d)用炭作能源及還原劑在直接熔煉容器中將含金屬的原料直接熔煉成金屬液，并在該熔煉過程中用含氧氣體使反應(yīng)氣體后燃燒。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于預(yù)處理步驟(a)改變了煤的性能/成份，從而使之適于直接熔煉含金屬的原料。結(jié)果該方法可在直接還原熔器中用低級煤運行從而高生產(chǎn)率地生產(chǎn)熔融金屬。術(shù)語“低級煤”指的是與正常汽煤(steamingcoal)相比，發(fā)熱值低而雜質(zhì)含量高的煤，因而是劣質(zhì)的煤。術(shù)語“雜質(zhì)”指的是諸如硫、堿類、鹽類和揮發(fā)份之類的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)分布在預(yù)處理步驟(a)所產(chǎn)生的炭和可燃?xì)怏w之間。結(jié)果，預(yù)處理步驟(a)使供給直接還原容器中的雜質(zhì)負(fù)荷下降。雜質(zhì)負(fù)荷下降是有益的，因為這意味著熔煉含金屬的原料的速率可以上升，而來自該容器的廢氣體積可下降。這2個結(jié)果都是優(yōu)點。
此外，本發(fā)明的方法包括這樣一個有益的方案用生于步驟(a)的可燃?xì)怏w加熱隨后用于直接熔煉爐中的含氧氣體，最好是空氣或富氧空氣。在可用熱空氣或富氧空氣運行的直接熔煉工藝，如Hlsmelt工藝中，產(chǎn)生熱空氣和富氧空氣的任務(wù)得到了充分的保證。步驟(a)中所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w非常適于作，比如，在熱風(fēng)爐中的加熱空氣的能源，因此它也是建立在此基礎(chǔ)上的本發(fā)明方法的一個重要優(yōu)點。
在本文中應(yīng)將術(shù)語“含金屬的原料”理解為指的是任何的金屬原料，這包括金屬氧化物，如礦石、部分還原的礦石和含金屬的廢料。
本文中的術(shù)語“炭”可理解為從煤中去除了至少50％的水份/結(jié)合的氧/揮發(fā)份后剩余的固態(tài)產(chǎn)物。
步驟(b)最好包括將此可燃?xì)怏w供往熱空氣鼓風(fēng)裝置，及在熱空氣鼓風(fēng)裝置中用此可燃?xì)怏w作加熱空氣的能源。
熱空氣鼓風(fēng)裝置最好是熱風(fēng)爐。
該方法最好包括在將含金屬的原料噴入直接熔煉容器之前，用部分可燃?xì)怏w將其預(yù)熱。
根據(jù)成份，在將含金屬原料噴入直接還原容器之前，可用此可燃?xì)怏w使此原料部分還原。
步驟(d)可包括任何適用的直接熔煉過程。
步驟(d)最好包括按Hlsmelt法直接熔煉含金屬的原料，該法包括(a)在直接熔煉容器中形成具有金屬層及位于其上的渣層的熔池；(b)經(jīng)多個噴槍/噴嘴將含金屬的原料及炭噴入金屬層中；(c)在金屬層中將含金屬的原料基本上熔煉成金屬液；(d)使金屬液和渣液以飛濺物、液滴和液流狀拋射到熔池名義上靜止表面上方的空間中，從而形成過渡區(qū)；(e)經(jīng)一或多支噴嘴/噴槍將含氧氣體噴入直接還原容器中，并使自熔池中釋放出來的反應(yīng)氣體后燃燒，借助于熔融金屬和熔渣的飛濺物，液滴和液流在過渡區(qū)中上升然后下落，以利于將熱傳給熔池，以及借助于過渡區(qū)使損失于與過渡區(qū)相接觸的側(cè)壁的熱減至最少。
述于熔池中的術(shù)語“靜止表面”在本文中應(yīng)理解為在沒有噴射任何氣體/固體，因而沒有任何熔池攪動的工藝條件下的熔池表面。
該工藝最好以高度的后燃燒在直接熔煉容器中運行。
后燃燒程度最好大于60％，后燃燒的定義是 其中[CO2]=廢氣中的CO2的體積％；[H2O]=廢氣中的H2O的體積％；[CO]=廢氣中的CO的體積％；=廢氣中的H2的體積％。
按本發(fā)明，還提供了直接熔煉含金屬原料的設(shè)備，它包括(a)用于熔煉含金屬原料的直接熔煉容器；(b)用于從煤中產(chǎn)生炭和可燃?xì)怏w的裝置及生產(chǎn)含氧氣體的裝置；(c)用此可燃?xì)怏w作能源產(chǎn)生加了熱的含氧氣體，然后將其供往直接熔煉容器的裝置；(d)及將含金屬的原料及炭供往直接熔煉爐的裝置。
以實施例的方式并參照附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中

圖1是流程圖，是本發(fā)明工藝和設(shè)備較佳實施方案的大致的示意圖；圖2是用于圖1所示的工藝/設(shè)備中的直接熔煉容器的較佳形式。
圖1所示的較佳實施方案描述了用鐵礦石生產(chǎn)鐵。但應(yīng)注意的是，該較佳實施方案同樣適用于用其它的含金屬的原料生產(chǎn)金屬(包括金屬合金)。
參看圖1，鐵礦石101在鐵礦石預(yù)熱爐3中加熱，然后被送往直接熔煉容器105，并在該容器中被煉成鐵水。
泥漿狀的煤102和氧103被供往煤的碳化器7中然后進(jìn)行反應(yīng)并產(chǎn)生800～1000℃的溫度。煤(包括煤中的組份，如揮發(fā)份)與氧之間的反應(yīng)產(chǎn)生了炭104和可燃?xì)怏w105。
本文中的術(shù)語“碳化裝置”應(yīng)理解為任何的，使煤和含氧氣體于其中可相互接觸并生成炭和可燃?xì)怏w的適用設(shè)備。
將炭從碳化器7中排出，使之冷卻。儲存然后送往直接熔煉容器105中作能源及還原劑。
至少部分來自碳化器7的，溫度在1000℃以上的可燃?xì)怏w經(jīng)濕式煤氣洗滌器(未示)被供往熱空氣鼓風(fēng)系統(tǒng)9，如熱風(fēng)爐，而后燃燒從而生產(chǎn)將空氣106加熱到1200℃量級的溫度的熱。
該被加熱的空氣是富氧的，并被供往直接熔煉容器105中。如于圖2中更詳細(xì)地描述的那樣，該熱的富氧空氣體將于直接熔煉鐵礦石時所生成的反應(yīng)產(chǎn)物，如CO和H2后燃燒，并且后燃燒所產(chǎn)生的熱有助于維持直接熔煉容器105內(nèi)的溫度。一般說來，該工藝以60％以上的后燃燒率運行。
產(chǎn)于煤的碳化器7的部分可燃?xì)怏w還用于在礦石預(yù)熱器3中將礦石預(yù)熱到800℃量級的溫度。
產(chǎn)于直接熔煉容器105中的廢氣以1650℃量級的溫度被排出，冷卻到1000℃，再因加冷空氣而后燃燒，進(jìn)一步冷卻，再比如于廢氣清潔器107進(jìn)行處理，而后排放到大氣中。
任選地，部分廢氣用于在礦石預(yù)熱器中預(yù)熱礦石。
上述的方法和設(shè)備有若干優(yōu)于已知技術(shù)的優(yōu)點。
舉例來說，已知的兩段直接熔煉工藝(包括預(yù)熱階段和熔煉階段)集中在通過將來自熔煉階段的廢氣用作預(yù)還原段的還原劑或用作加熱富氧空氣的能源，從而將總的能耗降至最低。本發(fā)明與這些公知的方法不同，而是著眼于最大限度地提高生產(chǎn)率。比如，在單獨的碳化器7中處理煤，然后將產(chǎn)于該碳化器7中的炭噴入直接熔煉容器105中就減少了煤中的，被帶入直接熔煉容器105中的雜質(zhì)量。這就減少了與雜質(zhì)相關(guān)的熔煉排放量，并使之能夠提高直接熔煉容器的生產(chǎn)率并減小產(chǎn)于該容器中的廢氣的體積。在直接熔煉鐵礦石時，利用低級煤也成為了可能。此外，產(chǎn)于碳化器7中的可燃?xì)怏w是用于加熱熱風(fēng)爐的燃燒氣體的方便的來源。在諸如用空氣或富氧空氣使反應(yīng)氣體后燃燒的Hlsmelt法等的工藝中，產(chǎn)生的大量的加了熱的空氣或富集空氣是重要的排放物。此外，本發(fā)明的方法不依賴于從產(chǎn)生熔融還原容器105提取能量，因而就能以大于70％的后燃燒率運行。
在直接熔煉容器105中運行的直接熔煉工藝可以是任何適宜的工藝。
在該直接熔煉容器中運行的優(yōu)選的直接熔煉是在下文參照圖2概述的Hlsmelt法，其詳細(xì)內(nèi)容述于以申請人名義申請的國際申請PCT/AU99/00538中，在該國際申請中提出的專利說明書中的公開內(nèi)容通過相互參照已結(jié)合在本文之中。
該優(yōu)選的直接熔煉方法是基于(a)在直接熔煉容器105中形成具有金屬層及其上的渣層的熔池；(b)經(jīng)多支噴嘴/噴槍將預(yù)熱過的鐵礦石和炭噴入金屬層中；(c)在金屬層中將鐵礦石基本上煉成鐵水；(d)使鐵水和渣以飛濺物、液滴、和液流狀被拋射到熔池正常靜止表面上方的空間中從而形成過渡區(qū)；(e)將加過熱的富氧空氣經(jīng)一或多個噴槍/噴嘴噴入直接熔煉容器105中，從而使自熔池中釋放出來的反應(yīng)氣體后燃燒，并在過渡區(qū)中產(chǎn)生2000℃或更高溫度量級的氣相溫度，借助于熔融金屬和熔渣的飛濺物、液滴和液流在過渡中上升和下落促使向熔池傳熱，并利用該過渡區(qū)將經(jīng)與該區(qū)接觸的側(cè)壁損失的熱減至最少。
直接熔煉容器105可以是任何適用的容器。
優(yōu)選的直接熔煉容器是參照圖2概述于下文中的容器，其詳細(xì)內(nèi)容述于以申請人名義申請的國際申請PCT/AU99/00537中，該國際申請中所提出的專利說明書中的公開內(nèi)容經(jīng)相互參照已結(jié)合在本文之中。
圖2所示的容器105具有包括用耐火磚砌的爐底3和側(cè)底55的爐床；側(cè)壁5(它一般為從爐床的側(cè)底55向上延伸的圓桶狀的，并包括上桶狀段51和下桶狀段53)；頂部7；廢氣出口9；用于連續(xù)排放金屬液的前爐58；用于將爐床和前爐相連接的前爐連接段71；及排放熔渣的出渣口61。
在使用時，在穩(wěn)態(tài)的工藝條件下，容器105中盛有鐵和渣的熔池，它包括金屬層15及其上的渣層16。箭頭17所指的是金屬層名義上的靜止表面，箭頭19所指的渣層16的名義上的靜止表面。術(shù)語“靜止表面”指的是未將氣體和固體噴入容器時的表面。
容器105還包括2支噴射固體的噴槍/噴嘴11，它們以與垂線成30-60。的角度穿過側(cè)壁5向下向內(nèi)延伸，然后伸入渣層16中。噴槍/噴嘴11位置的選擇要使得其下端，在穩(wěn)態(tài)的工藝條件下，位于金屬層15的靜止表面17上方。
在使用時，在穩(wěn)態(tài)的工藝條件下，夾帶在載氣(一般是N2)中的預(yù)熱過的鐵礦石，炭和熔劑(一般是石灰和鎂砂)經(jīng)噴槍/噴嘴11被噴入金屬層15中。固體原料/載氣的中量使該固體材料和氣體穿透金屬層15。碳部分溶于金屬中，部分仍為固態(tài)。鐵礦石被熔煉成金屬，而此熔煉反應(yīng)產(chǎn)生CO氣體。被輸入金屬層15中的及因熔煉而產(chǎn)生的氣體產(chǎn)生了使金屬液、固態(tài)碳及渣(因固體/氣體/噴射而被帶入金屬層15中的)上升的很大的浮力，它引起了金屬液和熔渣的飛濺物、液滴和液流的向上運動，這些飛濺物、液滴和液流在穿過渣層16移動時就進(jìn)到渣中。
金屬液、固體碳和渣的向上的浮力在金屬層15和渣層16中引起很大的攪動，結(jié)果使渣層16的體積增大，從而有了箭頭30所示的表面。攪動的程度使得金屬和渣的區(qū)域中有了合理的均勻的溫度-一般1450-1550℃，而每區(qū)中的溫度變化不超過30℃。
此外，金屬液、固體碳及渣的向上浮力所引起的金屬液和熔渣的飛濺物、液滴和液流的向上運動延續(xù)到該容器中的熔融材料的上方的頂部空間31中，從而(a)形成了過渡區(qū)23；(b)將一些熔融材料(主要是渣)拋射到過渡區(qū)以上并拋在位于過渡區(qū)23上方的側(cè)壁5的桶狀段51上及拋射在頂部7上。
一般來說，渣層16是一種連續(xù)的液態(tài)體積，其中含有氣泡，而過渡區(qū)23是含有金屬液和渣的飛濺物、液滴和液流的連續(xù)氣體體積。
容器105還包括將加過熱的富氧空氣噴入其中的噴槍13。噴槍13位于容器105中心并垂直向下伸入其中。要選擇槍13的位置及經(jīng)其流過的氣體的流量，以使含氧氣體在穩(wěn)態(tài)的工藝條件下穿透過渡區(qū)23的中心區(qū)域并在槍13的端部周圍保持基本上無金屬/渣的自由的空間25。
使用時，在穩(wěn)態(tài)的工藝條件下，經(jīng)槍13噴入的含氧氣體使反應(yīng)氣體CO和H2在過渡區(qū)23中后燃燒并在氣體空間中產(chǎn)生2000℃量級或更高的氣相溫度。這些熱傳給了在氣體噴射區(qū)中上升和下落的熔融材料的飛濺物，液滴和液流，而后在金屬/渣返回金屬層15時，這些熱就部分傳給了金屬層15。
自由空間25對于達(dá)到高度的后燃燒是重要的，因為它能將過渡區(qū)23上方的該空間中的氣體帶到槍13的端部區(qū)中，從而使所得到的反應(yīng)氣體更多地暴露于后燃燒中。
槍13的位置，經(jīng)槍13的氣體流量及熔融金屬及渣的飛濺物，液滴及液流向上運動的綜合作用在于在槍13的下部區(qū)(一般標(biāo)為27)的周圍形成了過渡區(qū)23。所形成的這一區(qū)域形成了向側(cè)壁輻射傳熱的局部屏障。
此外，在穩(wěn)態(tài)的工藝條件下，熔融金屬和渣的上升和下落的液滴、飛濺物和液流是將熱從過渡區(qū)23傳向熔池的有效手段，結(jié)果使側(cè)壁區(qū)域內(nèi)的過渡區(qū)23的溫度為1450-1550℃的量級的溫度。
參照工藝在穩(wěn)態(tài)下運行時金屬層15、渣層16及過渡區(qū)在容器105中的水平面，并參照在該工序在穩(wěn)態(tài)的工藝條件下運行時被拋射到過渡區(qū)23上方空間中的熔融金屬和渣的飛濺物、液滴和液流來構(gòu)成容器105，以使得(a)爐床及與金屬/渣層15/16相接觸的側(cè)壁5的下桶狀段53用耐火磚砌成(在圖中用虛線表示)；(b)至少部分側(cè)壁5的下桶狀段53襯有水冷板8；(c)與過渡區(qū)23和頂部空間31相接觸的側(cè)壁上桶狀段51及頂部7用水冷板構(gòu)成。
在側(cè)壁5的上桶狀段51中的水冷板8、58、59(未示)具有平行的上、下邊緣，這些板被彎曲從而限定了圓桶的截面。每塊板均包括內(nèi)水冷管和外水冷管。每根管的水平段被彎管相連，從而形成蛇形管的構(gòu)形。每根管還包括出水和入水口。管子被垂直地排放，在由板的暴露看去時，即由向容器內(nèi)部暴露的面看去時要使外管的水平段并不緊貼在內(nèi)管的水平段后面。每塊板還包括填充在每根管相鄰的水平段間的及管與管之間的搗打的耐火材料。每塊板還包括形成了板的外表面的支撐板。
將管的入水口和出水口與供水回路(未示)相連，該回路可使水在管內(nèi)高速循環(huán)。
對該上述較佳實施方案在不違背本發(fā)明的精神和范圍的前提下，尚可作多種改動。
比如，雖然該較佳實施方案包括將至少部分可燃?xì)怏w供往煤的碳化器7，但本發(fā)明不限于由此，而可包括其它方案，如可將可燃?xì)怏w送往制氧廠作制氧的能源。
權(quán)利要求
1．直接熔煉含金屬原料的方法，它包括如下步驟(a)用含氧氣體預(yù)處理煤，從而產(chǎn)生炭和可燃?xì)怏w；(b)在制氧廠用至少部分產(chǎn)于步驟(a)的可燃?xì)怏w作能源加熱和/或生產(chǎn)含氧氣體；(c)將含金屬的原料，在步驟(a)中生產(chǎn)的炭和在步驟(b)中加熱或生產(chǎn)的含氧氣體噴入直接熔煉容器；(d)在直接熔煉容器中，用炭作能源和還原劑將含金屬的原料直接熔煉成金屬液并用含氧氣體使產(chǎn)于該熔煉過程中的反應(yīng)氣體后燃燒。
2．根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，步驟(b)包括通過將可燃?xì)怏w供往熱空氣鼓風(fēng)裝置加熱含氧氣體及用可燃?xì)怏w作能源在該熱空氣鼓風(fēng)裝置中作加熱含氧氣體的能源。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，該熱空氣鼓風(fēng)裝置是熱風(fēng)爐。
4．根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其特征在于，含氧氣體是空氣或富氧空氣。
5．根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其特征在于，它包括在將含金屬的原料噴入直接熔煉爐之前，用至少部分產(chǎn)于步驟(a)的可燃?xì)怏w預(yù)熱該原料。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，它還包括在將含金屬的原料噴入直接熔煉容器之前，用至少部分產(chǎn)于步驟(a)的可燃?xì)怏w使該原料預(yù)還原。
7．根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其特征在于，步驟(d)包括(a)在直接熔煉容器中形成具有金屬層及位于其上的渣層的熔池；(b)經(jīng)多支噴槍/噴嘴將含金屬的原料及炭噴入金屬層中；(c)基本上在金屬層中將含金屬的原料熔煉成金屬液；(d)使熔融的金屬及渣以飛濺物、液滴和液流狀被拋射到熔池的名義上靜止的表面上方的空間中，從而形成過渡區(qū)；(e)經(jīng)一或多支噴槍/噴嘴將含氧氣體噴入直接熔煉容器中，并使自容器釋放出來的反應(yīng)氣體后燃燒，通過過渡區(qū)中的熔融金屬及渣的飛濺物、液滴和液流的上升和回落促進(jìn)向熔池傳熱，并利用過渡區(qū)將經(jīng)與該區(qū)接觸的側(cè)壁損失的熱減至最少。
8．直接熔煉含金屬原料的設(shè)備，它包括(a)用于熔煉含金屬原料的直接熔煉容器；(b)用煤和含氧氣體生產(chǎn)炭和可燃?xì)怏w的裝置；(c)用可燃?xì)怏w作能源產(chǎn)生加過熱的含氧氣體，然后將該氣體供往直接熔煉容器的裝置；(d)將含金屬的原料及炭供往直接熔煉容器的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種直接熔煉含金屬原料的方法。用含氧氣體預(yù)處理煤而產(chǎn)生炭和可燃?xì)怏w。在制氧廠中用此可燃?xì)怏w加熱和/或生產(chǎn)含氧氣體。將含金屬的原料、炭和含氧氣體噴入直接熔煉容器,在直接熔煉容器中,用炭作能源及還原劑將含金屬的原料熔煉成金屬液。
文檔編號C21C5/00GK1313909SQ99809948
公開日2001年9月19日 申請日期1999年7月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月24日
發(fā)明者羅德尼·J·德賴 申請人:技術(shù)資源有限公司