專利名稱：高爐型礦煤塊熱風(fēng)或氧無焦低氮煉鐵法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金技術(shù)中鋼鐵的冶煉，具體是指高爐型礦煤塊熱風(fēng)或氧無焦低氮煉鐵法。
背景技術(shù)：
從豎爐到現(xiàn)代高爐，都是礦炭頂裝，下部鼓風(fēng)，定期出渣出鐵，這一基本工藝，已有2000多年歷史了，不同粒度、重量的焦、燒結(jié)塊、球團(tuán)等冶煉時(shí)化學(xué)變化不一，難免發(fā)生偏料，管道、坐料、塌料等事故，煤氣難均勻分布，CO利用率＜50％，加上焦化、燒結(jié)……噸鐵總煤耗＞700Kg標(biāo)煤；爐內(nèi)有1/2容積被焦炭占據(jù)，影響裝礦量而影響鐵產(chǎn)量；不能用過富氧或全氧操作，以免燒損爐襯；還原與造渣從爐身開始到爐缸完成，都是在同一質(zhì)點(diǎn)伴隨進(jìn)行，因而渣堵塞還原進(jìn)排氣孔而延長(zhǎng)還原時(shí)間，反應(yīng)速度慢，產(chǎn)量低；調(diào)節(jié)爐況需改變爐頂裝料配比，周期長(zhǎng)；需焦化、燒結(jié)、石灰、煤粉廠配合，污染大；工序多，占地、廠房、設(shè)備、員工多，投資大，目前需建300萬/年.臺(tái).爐，才有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決現(xiàn)有高爐事故多、CO利用率低、煤耗大、鐵產(chǎn)量低、工序繁雜、廠房設(shè)備多、投資大、污染嚴(yán)重等問題，而提供一種工藝簡(jiǎn)單、煤耗低、產(chǎn)量高、廠房設(shè)備少、技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境保護(hù)好的高爐型礦煤塊熱風(fēng)或氧無焦低氮煉鐵法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用大透氣孔型礦以解決爐料透氣性，而要求型礦免燒結(jié)而高溫時(shí)仍保持強(qiáng)度和大透氣孔，必須①選用鐵含量高的鐵精礦摻少量有機(jī)粘結(jié)劑壓制、使型礦軟化溫度提高；②適當(dāng)使用較大壓強(qiáng)，使顆粒緊密結(jié)實(shí)，也能提高軟化溫度；③將型礦設(shè)計(jì)成圓環(huán)圈或方環(huán)圈或壓成蜂窩形；④在軟溶區(qū)的環(huán)圈型礦或蜂窩型礦的大透氣孔縫內(nèi)填滿氧化縮核反應(yīng)的焦末，提高軟化溫度；⑤盡量避免在低溫下還原或低溫下停留時(shí)間減少；冶煉時(shí)，把型礦從爐頂裝入，用螺旋器或氣動(dòng)連續(xù)將煤粒、煤塊、煤粉、或天然氣、石灰石粒這些熔劑從爐壁的煤咀壓入爐內(nèi)，煤咀下部利用風(fēng)口噴熱風(fēng)或富氧或氧，產(chǎn)生CO和H2；煤入爐后受熱形成焦炭，降在爐缸周圍，形成爐缸焦層，并逐步與氧或鐵水滲炭反應(yīng)而縮核成焦粒，隨煤氣流入軟溶區(qū)，填充在型礦孔縫內(nèi)，型礦還原成型鐵塊，直下至爐缸焦層，滲炭后熔點(diǎn)降低成為鐵水，造渣過程下移到爐缸焦層渣層進(jìn)行。
本發(fā)明運(yùn)用現(xiàn)代物理化學(xué)、力學(xué)等周邊高科技知識(shí)，設(shè)計(jì)了型礦頂裝、底加煤塊、熱風(fēng)及氧或天燃?xì)獾状档男聼掕F法，具有熱效率高，不需焦化、燒結(jié)、石灰、煤粉等專門制造廠，污染源大大減少，設(shè)備操作簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)緊湊，廠地廠房少，與高爐相比，具有Corex法無焦優(yōu)點(diǎn)，爐容利用系數(shù)提高一倍以上，噸鐵基建投資減少60％，噸鐵總煤耗450kg標(biāo)煤以下，成本降低20％以上，是最佳環(huán)保節(jié)能煉鐵法，適合于有鋼無鐵建煉鐵，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇后，也特別適合于現(xiàn)有一切小中大高爐技術(shù)改造，只需擴(kuò)大熱風(fēng)系統(tǒng)，或增加制氧機(jī)、型礦機(jī)，改造后鐵產(chǎn)量可增產(chǎn)一倍以上。
原有技術(shù)高爐與本發(fā)明丁爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較原有技術(shù)高爐1、不同粒度、重量的焦，燒結(jié)塊，球團(tuán)等冶煉時(shí)化學(xué)變化不一，難免偏料，管道、坐料、塌料等事故、煤氣難均勻分布，CO利用率＜50％。加上焦化、燒結(jié)……噸鐵總煤耗＞700Kg標(biāo)煤。
2、爐內(nèi)有1/2容積被焦炭占據(jù)，影響裝礦量而影響鐵產(chǎn)量。
3、不能用過富氧或全氧操作，以免燒損爐襯。
4、還原與造渣從爐身開始到爐缸完成，都是在同一質(zhì)點(diǎn)伴隨進(jìn)行，因而渣堵塞還原進(jìn)排氣孔道而延長(zhǎng)還原時(shí)間反應(yīng)速度慢、產(chǎn)量低。
5、調(diào)節(jié)爐況，需改變爐頂裝料配比，周期長(zhǎng)。
6、需焦化、燒結(jié)、石灰、粉煤廠配合污染大。
7、工序多、占地、廠房、設(shè)備、員工多、投資大，口前需建300萬T/年.臺(tái).爐，才有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
本發(fā)明丁爐1、僅大小一致的型礦頂裝，冶煉化學(xué)物理變化一致，不發(fā)生偏料、管道……等事故，煤氣能均勻分布，加之礦燃逆流，CO利用率＞60％，因無焦化，燒結(jié)，噸鐵總煤耗＜450kg標(biāo)煤。
2、爐身無焦，可多裝礦一倍。因而鐵產(chǎn)量可增一倍。
3、風(fēng)口咀長(zhǎng)，遠(yuǎn)離爐襯，煤入爐焦化前吸熱，可以用過富氧或全氧無氮操作，鐵產(chǎn)量又可增加一倍。
4、造渣下移到爐缸焦層和渣層進(jìn)行，不堵塞型礦自爐身到爐底還原過程進(jìn)排氣孔道，因而還原反應(yīng)速度快，爐熔利用系數(shù)提高。
5、調(diào)節(jié)爐況，可通過爐缸煤風(fēng)(氧)比，周期短。
6、不需焦化、燒結(jié)、石灰、煤粉廠，污染大大降低。污染量可減少90％以上。
7、工序少，占地、廠房、員工大大減少，噸鐵投資不到高爐的40％，一臺(tái)丁爐可設(shè)計(jì)年產(chǎn)50-1000萬噸鐵，效益都大于現(xiàn)有高爐。


圖1為本發(fā)明方環(huán)圈型礦平面示2為本發(fā)明方環(huán)圈型礦側(cè)面剖示3為本發(fā)明圓環(huán)圈型礦平面示4為本發(fā)明圓環(huán)圈型礦側(cè)面剖示5為本發(fā)明蜂窩型礦結(jié)構(gòu)立體示意6為型礦還原過程相變示意7表示高爐中不同區(qū)域和基本氣流分布的斷面8為本發(fā)明丁爐煤塊熱風(fēng)或氧無焦煉鐵法各部位氣流分布圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明運(yùn)用現(xiàn)代物理化學(xué)、力學(xué)等周邊高科技知識(shí)，設(shè)計(jì)了型礦，底加煤塊，新煉鐵法，具有熱效高，不需焦化、燒結(jié)、石灰、煤粉等專門制造廠，污染源大大減少，設(shè)備操作簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)緊湊、廠地廠房少，與高爐相比，具有Corex法無焦優(yōu)點(diǎn)、爐容利用系數(shù)提高一倍以上。噸鐵基建投資減少60％，噸鐵總煤耗450kg標(biāo)煤以下，成本降低20％以上，是最佳環(huán)保節(jié)能煉鐵法，適合于有鋼無鐵建煉鐵，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇后，也特別適合于現(xiàn)有一切小中大高爐技術(shù)改造，只需擴(kuò)大熱風(fēng)系統(tǒng)，或增加制氧機(jī)、型礦機(jī)，改造后鐵產(chǎn)量可增產(chǎn)一倍以上。具體技術(shù)方案如下型礦要簡(jiǎn)化現(xiàn)有工藝，關(guān)鍵需要采用大透氣孔型礦以解決爐料透氣性問題，現(xiàn)有煉鐵系統(tǒng)的焦化、燒結(jié)、篩分、爐型設(shè)計(jì)……等都是為了解決透氣性問題。因鐵礦石的還原，噸鐵按1000℃以下氣相還原為主式考慮，設(shè)CO利用率為100％，需要600M3CO，若CO濃度或利用率降低，則需要更多的氣體通過反應(yīng)區(qū)。設(shè)噸鐵耗礦石1.6噸，體積不到0.6M3，氣固相之間體積差1000倍以上，大膽設(shè)計(jì)將鐵精礦制成高強(qiáng)度、大透氣孔的型礦，保護(hù)冶煉過程良好透氣性，是各種氣固相反應(yīng)爐況順行的關(guān)鍵?；仡櫳鲜兰o(jì)出現(xiàn)的Wiberg、Midrex、HYL、COrex……等幾十種煉鐵法，關(guān)鍵都因沒有解決好高溫還原時(shí)爐料透氣性問題，而只控制在1000℃以下還原，因而熱效低、燃耗大，總效益取代不了高爐。
以氣固相反應(yīng)的家用煤爐為例，過去燒散煤、強(qiáng)度低，塌料后透氣性差，不好燒，CO利用率低，煤耗大，改用煤球后，由于壓縮后強(qiáng)度大，燃燒時(shí)仍保持足夠強(qiáng)度，透氣性好些，好燒了，60年代出現(xiàn)了大透氣孔蜂窩煤后，由于壓制后強(qiáng)度大，在燃燒時(shí)仍保持原型和足夠強(qiáng)度，透氣孔特大，好燒并好控制了，CO利用率大大提高，省煤了，氧化燃燒與還原煉鐵同是氣固相反應(yīng)，物化原理相似，燒結(jié)礦類似散煤，球團(tuán)礦類似煤球，透氣性都不理想，所以將鐵精礦加有機(jī)粘結(jié)劑壓制成高溫還原時(shí)仍保持強(qiáng)度大，透氣孔特大，設(shè)計(jì)如圖1圖2方環(huán)圈型礦或圖3圖4園環(huán)圈型礦，在爐內(nèi)替代高強(qiáng)度焦炭或燒結(jié)塊或沒有透氣性但強(qiáng)度大的球團(tuán)礦作支撐，更具有最佳強(qiáng)度和最佳透氣性了。新煉鐵法的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是采用強(qiáng)度和透氣孔特大的型礦，以保持冶煉時(shí)有足夠強(qiáng)度和透氣性，就能夠?qū)?fù)雜的煉鐵系統(tǒng)工序大大簡(jiǎn)化。也可壓成蜂窩(煤式)型礦，如圖5，其比重小于現(xiàn)高爐混合爐料。
型礦強(qiáng)度粉碎及免燒結(jié)，要求型礦免燒結(jié)而高溫時(shí)仍保持強(qiáng)度和大透氣孔，必須1、選用鐵含量高的鐵精礦摻少量有機(jī)粘結(jié)劑壓制，使型礦軟化溫度提高；2、適當(dāng)使用較大壓強(qiáng)使顆粒緊密結(jié)實(shí)，也能提高軟化溫度。3、將型礦設(shè)計(jì)如圖3、4的園環(huán)圈型礦，因?yàn)橛杀矶镏鸩竭€原過程中，如圖6所示，表層最先還原成鐵，形成一層最佳鐵箍外殼，能夠承受住逐層由Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe還原過程中相變的收縮或膨脹產(chǎn)生各方位均勻一致的應(yīng)力。如果外層不規(guī)則，不結(jié)實(shí)，就是形成鐵殼，也承受不了內(nèi)部相變各方位產(chǎn)生不均的應(yīng)力而粉碎。正如煮生雞蛋，完整蛋殼煮出完整熟蛋，不同程度損傷的蛋殼，煮出破碎蛋甚至是爆蛋花了。4、在軟熔區(qū)的環(huán)圈礦內(nèi)大透氣孔縫內(nèi)填滿了氧化縮核反應(yīng)的焦末，因而也提高軟化溫度，以上四點(diǎn)，同樣的鐵精礦，制成型礦就會(huì)比制成摻石灰的松散燒結(jié)塊軟化溫度提高近100℃.5、近年來已查明，礦石在低溫500-600℃還原最容易粉化，筆者認(rèn)為主要原因之一是外層還原出來的鐵粒，沒有足夠溫度將其燒結(jié)成一整體結(jié)實(shí)的鐵殼，如圖6，內(nèi)層依次還原各相變應(yīng)力，擠破外殼而粉碎了。盡量避免在低溫下還原或低溫下停留時(shí)間減少，可以避免或減少型礦粉碎而影響透氣性。以上5點(diǎn)，可以使型礦免燒結(jié)仍具有強(qiáng)度和大透氣孔而不破碎，只有本發(fā)明丁爐煉鐵法，才能滿足上述要求。當(dāng)然，丁爐在試生產(chǎn)時(shí)，或遇到硫含量高的鐵精礦時(shí)，仍可采用型礦燒結(jié)，成功后免燒結(jié)。
CO利用率采用型礦頂裝、煤塊(天然氣)熱風(fēng)(氧)底裝吹。能進(jìn)一步提高CO利用率，按Fe-O-C平衡圖，作者從理論上發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有高爐爐身下段還原礦石或分解石灰石放出大量CO2，上升至爐身上段被焦炭大量吸熱，氣化反應(yīng)成CO。即反應(yīng)，而CO又沒有機(jī)會(huì)還原利用就排出爐外了，如圖7，這就是近30年來，冶金師盡很大努力，CO利用率很難超過50％左右的理論根源。因此本發(fā)明丁爐把型礦從爐項(xiàng)裝入，煤塊、石灰石粒等熔劑從風(fēng)口上方裝放入、煤咀下部用現(xiàn)有風(fēng)口噴入熱風(fēng)(富氧或純氧)，不完全燃燒形成CO和H2上升還原型礦，如圖8產(chǎn)生的CO2，因爐身上段不存在焦炭，故沒有CO2與炭的氣化反應(yīng)，類似Wiberg法。CO利用率很容易＞60％，比較一下圖7和圖8各部位化學(xué)反應(yīng)變化情況。就一目了然本發(fā)明丁爐CO利用率大大高于高爐的原理。
高爐化學(xué)反應(yīng)式
(參考《化學(xué)冶金進(jìn)展評(píng)論》)
本發(fā)明丁爐化學(xué)反應(yīng)式請(qǐng)注意上述兩種化學(xué)反應(yīng)式的位置變化，SiO還原量小，排放的CO量可忽略不計(jì)。
丁爐設(shè)計(jì)原理爐型利用現(xiàn)有高爐，如圖8所示，設(shè)備可全部利用，用螺旋器或氣動(dòng)連續(xù)將煤(粒、塊、粉)熔劑自爐壁的煤咀壓入爐內(nèi)，煤咀下部利用現(xiàn)有風(fēng)口(數(shù)量爐子大小而定)噴熱風(fēng)或富氧或氧，在炭過?；蚋邷貤l件下，不完全燃燒產(chǎn)生CO和H2。煤入爐后受熱脫去揮發(fā)物而形成焦炭，大焦塊吹不動(dòng)，降在爐缸周圍，形成爐缸焦層，并逐步與爐氣中氧，或礦石脈石中氧或鐵水滲炭反應(yīng)而縮核成焦粒，隨煤氣流入滴熔區(qū)。將型礦還原，縮核反應(yīng)成焦粉，隨煤氣流入軟熔區(qū)，填充在型礦孔內(nèi)并支撐型礦軟化溫度提高，并將型礦還原后焦粉變成CO，隨氣流入型礦區(qū)而予還原型礦，產(chǎn)生的CO2再上升予熱型礦后，排出爐外了。
將型礦還原成型鐵塊，直下至爐缸焦層，因滲炭后熔點(diǎn)降低而成鐵水了，爐缸焦層高度，取決于供煤量和風(fēng)口冒出爐渣高度而定，焦層適當(dāng)高，風(fēng)口高溫區(qū)上移，對(duì)爐缸起保護(hù)作用。
造渣過程下移到爐缸焦層渣層內(nèi)進(jìn)行，有利提高爐料還原時(shí)所需的透氣性。高爐冶煉燒結(jié)塊內(nèi)因摻有石灰，在爐身中段，鐵開始還原時(shí)就出現(xiàn)Cao、FexOy焦末、脈石、灰分等溶渣體。粘掛在爐料孔隙上，就開始影響阻滯爐料透氣性，直到爐身下段鐵還原結(jié)束，造渣過程才結(jié)束，嚴(yán)重影響鐵還原過程氣體通過和排放。因而延長(zhǎng)了還原時(shí)間，而本發(fā)明丁爐，石灰石粒從煤咀噴入爐缸，燒成石灰時(shí)放時(shí)CO2，與爐缸焦作用產(chǎn)生CO，這樣即可減少鼓風(fēng)量，石灰在爐缸與縮核反應(yīng)的焦炭灰分，和掉入焦層的型礦脈石，三者在爐缸焦層和渣層內(nèi)造渣。而型礦入爐缸焦層之前基本已還原結(jié)束，故丁爐造渣過程不堵塞型礦還原時(shí)爐料進(jìn)排氣速度需要的透氣性，所以丁爐還原速度比高爐快，還原周期比高爐縮短。
附圖標(biāo)記說明圖7中1-燒結(jié)鐵礦、焦炭、石灰石2-塊料區(qū)或爐身區(qū)
3-軟溶區(qū)4-滴溶區(qū)或活潑焦炭區(qū)5-焦炭溝6-結(jié)合層(軟化礦石+鐵)7-回旋區(qū)8-爐缸9-氣流10-液體+焦炭11-熔化溫度12-焦炭停滯區(qū)13-礦石14-焦炭15-鐵水圖8中16-型礦區(qū)17-焦粉型礦軟溶區(qū)18-焦末型鐵滴溶區(qū)19-煤氣焰區(qū)20-爐缸焦層21-煤塊、石灰石粒22-熱風(fēng)或氧23-渣24-鐵水25-型礦
權(quán)利要求
1.一種高爐型礦煤塊熱風(fēng)或氧無焦低氮煉鐵法，其特征在于采用大透氣孔型礦以解決爐料透氣性，而要求型礦免燒結(jié)而高溫時(shí)仍保持強(qiáng)度和大透氣孔，必須①選用鐵含量高的鐵精礦摻少量有機(jī)粘結(jié)劑壓制、使型礦軟化溫度提高；②適當(dāng)使用較大壓強(qiáng)，使顆粒緊密結(jié)實(shí)，也能提高軟化溫度；③將型礦設(shè)計(jì)成具有大透氣孔的形狀④在軟溶區(qū)的環(huán)圈型礦或蜂窩型礦的大透氣孔縫內(nèi)填滿氧化縮核反應(yīng)的焦末，提高軟化溫度；⑤盡量避免在低溫下還原或低溫下停留時(shí)間減少；冶煉時(shí)，把型礦從爐頂裝入，用螺旋器或氣動(dòng)連續(xù)將煤粒、煤塊、煤粉、或天然氣、石灰石粒這些熔劑從爐壁的煤咀壓入爐內(nèi)，煤咀下部利用風(fēng)口噴熱風(fēng)或富氧或氧，產(chǎn)生CO和H2；煤入爐后受熱形成焦炭，降在爐缸周圍，形成爐缸焦層，并逐步與氧或鐵水滲炭反應(yīng)而縮核成焦粒，隨煤氣流入軟溶區(qū)，填充在型礦孔縫內(nèi)，型礦還原成型鐵塊，直下至爐缸焦層，滲炭后熔 點(diǎn)降低成為鐵水，造渣過程下移到爐缸焦層渣層進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高爐型礦煤塊熱風(fēng)或氧無焦低氮煉鐵法，其特征在于采用的大透氣孔型礦設(shè)計(jì)成圓環(huán)圈或方環(huán)圈或壓成蜂窩形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高爐型礦煤塊熱風(fēng)或氧無焦低氮煉鐵法，其特征在于還可采用天然氣底吹進(jìn)行冶煉。
全文摘要
一種高爐型礦煤塊熱風(fēng)或氧無焦低氮煉鐵法，采用大透氣孔型礦從爐頂裝入，煤粒、煤塊、煤粉、石灰石粒熔劑從煤嘴壓入爐內(nèi)，煤嘴下部利用風(fēng)口噴熱風(fēng)或氧。本發(fā)明具有高效低耗的突出優(yōu)點(diǎn)，無需焦化、燒結(jié)、石灰、煤粉等專門制造廠，設(shè)備及操作簡(jiǎn)化，廠地廠房少，污染源大大減少，爐容利用系數(shù)提高一倍以上。噸鐵基建投資減少60％，噸鐵總耗煤450kg標(biāo)煤以下，成本降低20％以上，是最佳環(huán)保節(jié)能煉鐵法。適合于有鋼無鐵建煉鐵，也適合于現(xiàn)有高爐技術(shù)改造，鐵產(chǎn)量可增加一倍以上。
文檔編號(hào)C21B5/00GK1442491SQ0211398
公開日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2002年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月6日
發(fā)明者丁公權(quán), 丁小波 申請(qǐng)人:丁公權(quán)