一種熔融還原冶金方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領(lǐng)域，特別涉及一種熔融還原冶金方法。
【背景技術(shù)】
[0002]上世紀(jì)六十年代，瑞典的Eketorp教授提出了鐵礦熔融還原理論，其基本理論基礎(chǔ)如下:
[0003]Fe203+3C = 2Fe+3C0 AH1700= 109Kj/mol
[0004]3C0+3/202= 3C0 2 AH1700= -201Kj/mol
[0005]兩個(gè)反應(yīng)的熱焓合計(jì)為_(kāi)92Kj/mol。
[0006]物理意思是，如果采用固定碳還原鐵礦粉，生成CO ;如果生成的CO全部氧化成CO2，可以達(dá)到熱量平衡，實(shí)現(xiàn)每噸鐵水理論最低能耗。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，從六十年代到八十年代，全世界共有近40項(xiàng)方案和工藝技術(shù)。這些方案的共同點(diǎn)是采用煤粉作為還原劑/燃料、氧氣/富氧空氣作為氧化劑、在一個(gè)反應(yīng)器/熱工設(shè)備內(nèi)、將礦粉熔化和還原、最后獲得金屬熱鐵水。后來(lái)人們把這種方案統(tǒng)稱(chēng)為煤氧噴射熔融還原，又由于熔化和還原在一個(gè)反應(yīng)器(熱工設(shè)備)中完成的，也叫一步法恪融還原。
[0008]這些方案，從采用的熱工設(shè)備上來(lái)講，可以分為兩大類(lèi)，一是以氧氣轉(zhuǎn)爐為基礎(chǔ)改進(jìn)的鐵浴式熔煉爐(頂吹氧氣)，另一類(lèi)是以反射爐為基礎(chǔ)改進(jìn)的熔煉爐(氧氣從側(cè)面噴入熔煉爐的上部無(wú)料的空間)。
[0009]一步法恪融還原有四種代表性的方案，Dored法、Eketorp-vall法、Brunner法和wiberg法。前三種采用鐵浴熔煉爐，第四種采用反射爐型熔煉爐。
[0010]一步法熔融還原技術(shù)經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，有的方案通過(guò)了每天40噸鐵水規(guī)模的工業(yè)性試生產(chǎn)。但是都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。套用Eketorp教授的話(huà)，就是，所有嘗試都以失敗而告終。
[0011]一步法熔融還原技術(shù)失敗的主要原因是，由于煙氣中的熱量和能量不能很好的回收利用，致使一步法熔融還原的能耗很高。具體原因有兩個(gè):(I)不能回收利用高溫含塵熱煙氣的物理顯熱。從熔煉爐排出的煙氣，溫度達(dá)到1500度，含有呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的顆粒。為了防止熔融的顆粒積聚在熔煉爐的煤氣管道中，采用加水冷卻和冷煙氣循環(huán)冷卻的方法，將高溫?zé)煔饫鋮s到950度以下。在這個(gè)過(guò)程中，煙氣從1500度到950度的熱量白白浪費(fèi)了。
(2)不能高效回收利用煙氣中低濃度CO的化學(xué)能。
[0012]由于一步法熔融還原存在的問(wèn)題無(wú)法克服，后來(lái)人們發(fā)明了二步法，把整個(gè)還原過(guò)程分為固態(tài)的預(yù)還原階段和液態(tài)的熔融還原階段，并且在兩個(gè)反應(yīng)器中分別完成兩個(gè)階段的還原，因而形成了種類(lèi)繁多的二步法熔融還原技術(shù)。
[0013]預(yù)還原階段采用的熱工設(shè)備有流化床，回轉(zhuǎn)窯，豎爐，旋風(fēng)爐等。終還原階段采用的熱工設(shè)備有煤(油)氧鐵浴熔煉爐，煤(油)氧反射爐，豎爐，礦熱電爐，等離子熔煉爐等。
[0014]所有的二步法熔融還原技術(shù)都可以歸類(lèi)為兩種熱工設(shè)備的組合，包括C0REX，COIN，AISI，F(xiàn)INEX，ELRED, COMB I SMELT等。但這些現(xiàn)有的二步法熔融還原方案中原料入爐大都是采用球團(tuán)入爐的方式。因?yàn)樵先绻捎妙w粒入爐，在爐料運(yùn)行的過(guò)程中很容易產(chǎn)生結(jié)焦的問(wèn)題，爐料運(yùn)行到加熱熔融的階段，不單爐料不易熔化，還容易造成爐膛的堵塞，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。且球團(tuán)的制備與烘干(不烘干的球團(tuán)強(qiáng)度不足)延長(zhǎng)了生產(chǎn)時(shí)間，增大了設(shè)備投入和能源消耗，加大了生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明第一個(gè)目的是要解決現(xiàn)有熔融還原工藝能耗高的不足，核心問(wèn)題是如何解決物料熔化的傳熱過(guò)程(需要氧氣維持燃燒，放出熱量)和金屬氧化物還原的傳質(zhì)過(guò)程(需要有濃度足夠高的CO氣體)之間的矛盾。第二個(gè)目的是要解決現(xiàn)有工藝采用球團(tuán)入爐加大了生產(chǎn)流程，增大了設(shè)備投入和能源消耗，加大了生產(chǎn)成本的問(wèn)題。
[0016]本發(fā)明技術(shù)方案是，采用粉料入爐的方式，將物料的熔化和金屬氧化物的還原分別在不同的窯爐/熱工設(shè)備中獨(dú)立完成，使兩個(gè)過(guò)程不相互干擾。也就是說(shuō)，首先物料(礦粉和熔劑)在加熱熔化爐內(nèi)加熱、熔化成液態(tài)熔體。液態(tài)熔體流入還原爐。在還原爐中，向熔體內(nèi)噴吹還原劑，把金屬氧化物還原成金屬。
[0017]物料的加熱熔化是個(gè)傳熱過(guò)程，可以在氧化氣氛下完成。燃料(煤粉、燃料油或者氣體燃料)、來(lái)自還原反應(yīng)產(chǎn)生的CO和H2，與氧氣反應(yīng)，燃燒，生產(chǎn)0)2和H 20，放出熱量，加熱熔化物料。熱煙氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱物料，除塵后排放。排放的煙氣不含有可燃?xì)怏w，溫度低于300 度。
[0018]熔體中的金屬氧化物的還原是傳質(zhì)過(guò)程，必須在還原氣氛下完成。在還原爐中，熔體中的金屬氧化物很容易與噴吹的還原劑反應(yīng)，被還原成金屬，放出CO和h2。為了維持還原爐的溫度，將燃料和氧氣噴入還原爐上部無(wú)料的空間內(nèi)。燃燒產(chǎn)生的熱量繼續(xù)加熱熔體，保持爐內(nèi)溫度。
[0019]采用傳熱和傳質(zhì)過(guò)程分離的設(shè)計(jì)，解決了煙氣中含有可燃?xì)怏w的問(wèn)題。熱煙氣預(yù)熱物料，解決了煙氣顯熱損失問(wèn)題。
[0020]本發(fā)明工藝流程包括原料制粉、物料預(yù)熱、加熱熔化、熔融還原、還原劑噴吹、出渣出鐵、環(huán)保除塵和自動(dòng)控制等工序。具體工藝流程如下:(見(jiàn)附圖):
[0021]1、原料制備工序
[0022]如果原料(包括礦粉、熔劑、燃料和還原劑)是塊狀，需要破碎成粉末。所有原料，包括礦粉、熔劑和燃料(煤炭)，細(xì)度為-0.1mm占90%。原料通過(guò)給料機(jī)，從料倉(cāng)均勻地給入預(yù)熱爐。
[0023]如果粒度太粗，物料在預(yù)熱爐和加熱熔化爐中下降速度太快，傳熱效率低，物料下降到加熱熔化爐底部時(shí)，顆粒內(nèi)部仍然沒(méi)有熔化，惡化了加熱熔化爐的工況，甚至物料會(huì)集聚在加熱熔化爐的底部，破壞了液態(tài)熔體的流動(dòng)。
[0024]如果粒度太細(xì)，物料會(huì)被預(yù)熱爐和加熱熔化爐中上升的煙氣吹出，加大了除塵環(huán)保系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
[0025]2、物料預(yù)熱
[0026]物料在預(yù)熱爐內(nèi)預(yù)熱。
[0027]料倉(cāng)中的礦粉、熔劑等原料通過(guò)給料機(jī)，從頂部進(jìn)入預(yù)熱爐，從底部排出后進(jìn)入加熱熔化爐。從預(yù)熱爐排出的物料溫度為600-700度。
[0028]來(lái)自加熱熔化爐的熱煙氣，溫度800-1000度，從預(yù)熱爐底部進(jìn)入，預(yù)熱物料后，從頂部排出，排出氣體的溫度低于300度。
[0029]3、加熱熔化工序
[0030]采用氣固逆流下行式豎爐作為加熱熔化爐。
[0031]來(lái)自預(yù)熱爐的熱物料(溫度600-700度)從加熱熔化爐頂部給入，經(jīng)過(guò)加熱、熔化后形成熔體。熔體從底部排出，流入還原爐。熔體溫度1300-1400度。
[0032]來(lái)自還原爐的含有可燃?xì)怏w的熱煙氣(溫度1400-1500度)從加熱熔化爐底部進(jìn)入，從下向上流動(dòng)，與物料逆向流動(dòng)完成熱交換，最后從頂部排出。從加熱熔化爐排出的熱煙氣溫度為800-1000度。
[0033]為了保證物料不被煙氣吹出爐外，煙氣上升速率不大于INm/s，實(shí)際控制在
0.4-0.8Nm/s。
[0034]為了保證物料能夠充分加熱和熔化，物料和煙氣的配比控制在INm3煙氣給入0.5-0.6kg 物料。
[0035]在加熱熔化爐的底部設(shè)有燃燒噴嘴，用于補(bǔ)充物料熔化需要的熱量，控制加熱爐爐口煙氣溫度900-1000度。
[0036]在加熱爐的中部，設(shè)有氣幕噴嘴。氣幕噴嘴的目的是在爐墻和熱煙氣之間形成氣幕，阻止煙氣中熔融的顆粒與爐墻接觸，積聚在爐墻上，形成結(jié)瘤。
[0037]3、還原工序
[0038]采用反射爐作為還原爐。
[0039]來(lái)自加熱熔化爐的液態(tài)熔體，直接匯集到還原爐。
[0040]還原爐的底部/下部設(shè)有還原劑噴吹系統(tǒng)。噴吹系統(tǒng)將還原劑噴入恪體，還原恪體中的金屬氧化物，生成熱金屬。經(jīng)過(guò)沉淀、分層，金屬液集中在底部，爐渣浮在上層，達(dá)到設(shè)定條件時(shí)，放出熱金屬和爐渣。
[0041]在還原爐的上部設(shè)有燃燒系統(tǒng)，將燃料和氧氣噴入還原爐無(wú)料空間，燃燒，放出熱量，維持還原爐溫度大于1500度。
[0042]4、除塵環(huán)保工序
[0043]從預(yù)熱爐排出的煙氣夾雜粉塵，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵和布袋除塵后排放。
[0044]5、自動(dòng)控制工序
[0045]采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自動(dòng)控制溫度、氣體流量、燃料用量以及給料量等參數(shù)。
[0046]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是:
[0047]新方案與文獻(xiàn)報(bào)道的工藝技術(shù)對(duì)比，有以下幾個(gè)特點(diǎn):
[0048]1、反射爐作為還原爐，豎爐作為加熱熔化爐，兩爐之間直接連接，從還原爐排出的熱的煙氣不需