一种微波炼铁工艺及其微波炼铁竖炉的制作方法

炼铁设备，特别是微波炼铁工艺及其微波炼铁竖炉。

背景技术：

随着社会经济的发展，高炉炼铁资源短缺与环境负荷日益加重的局面已日益显现，开发炼铁新技术，逐步取代传统炼铁技术已迫在眉睫。一直以来，国际钢铁界包括我国，对于采用纯氧、原煤和原矿为原料的熔融还原炼铁技术，始终没有停止探索开发的脚步。到目前为止，开发出的熔融还原炼铁法有36种之多。但由于技术的不成熟，真正投入大规模技术使用的很少。目前的炼铁工艺，主要还是以焦炭或燃气为燃料、以烧结矿、焦炭、石灰、球团矿等为原料在高炉中进行的。高炉炼铁仍是当今世界最主要的炼铁工艺，它具有生产规模大、能耗低、生铁质量好以及效率高等特点。但其存在的问题是：1、在高炉中无法直接利用原煤、原矿粉料进行生产，必须将其制成烧结矿和球团矿，还必须先将原煤炼成焦炭才能使用；因而工序复杂，极大地增加了炼铁的投资、成本和能耗；2、反应温度很高，不仅浪费能源，而且会降低高炉寿命并恶化生产环境；3、化石燃料的大规模使用，使温室气体和硫等有害气体大量排放，造成空气污染和温室效应；4、为防止高炉中气道堵塞和偏烧，对原料的粒度、强度和布料均匀度等均有较高要求，从而增加了工艺成本。

为此，日本东京工业大学的曾经申请过专利“微波炼铁熔炉”（中国专利申请号：cn200810144798.1）试图解决上述问题。但长期以来，始终未能投入工业化应用。其所遇到的技术瓶颈主要来自两方面：一是，炼铁的混合原料为碱性，为防止炉体耐火材料被快速侵蚀、以提高熔炉使用寿命，其微波炼铁熔炉的炉衬耐火材料，必须使用碱性或含碳耐火材料砌筑，例如用镁质或碳质耐火材料砌筑。但碱性或含碳耐火材料是吸收微波的材料，会强烈吸收微波而发热升温，从而会严重阻碍微波能量进入炉腔内部，用于加热炼铁混合原料。其加热过程成为了以被微波加热升温的高温炉体对物料的传导加热为主，而微波对物料的直接加热为辅的加热形式，因此加热效率和速度很低。二是，微波对于炼铁混合原料的穿透深度十分有限，对于频率2450兆赫的微波，其穿透深度约在20cm左右。因此，一般单体竖炉的炉腔内径必须设计的很小，从而限制了其工业化生产规模。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种微波炼铁工艺及其微波炼铁竖炉，其特征是：将含有氧化铁原矿粉料、助溶剂粉料和还原剂粉料的碱性炼铁混合原料，引入用碱性耐火材料或含碳耐火材料为炉体内衬砌筑的竖炉中，并在重力下自上而下运动；引导微波经波导管（或定向天线），穿过炉体而进入炉腔内，直接对炉腔内的碱性炼铁混合原料进行加热；在波导管前端腔体内设有活动可调并可透射而不吸收微波的耐火材料波导管塞体，它将波导管前端内腔塞填，用以透射微波并阻止碱性炼铁混合原料进入波导管内；由于上述耐火材料波导管塞体不能采用吸收微波的碱性耐火材料或含碳耐火材料，从而会被碱性炼铁混合原料所缓慢侵蚀，其寿命较短；因此将上述耐火材料波导管塞体结构设计为：可从波导管后端顶入新塞体、从而可进行活动续接的补偿结构，以达到延长上述微波炼铁竖炉整体使用寿命的目的。

由于微波对物料、尤其是粉体材料具有特殊的加热机制，而上述碱性炼铁混合原料中的各组分，又均为具有极大介电损耗效应的高效吸波材料；因此它们会从内部被整体高效加热、高速升温并快速完成整个化学反应过程，直至熔融和熔化为铁水和炉渣从竖炉底部排出。

上述碱性炼铁混合原料中的助溶剂粉料为石灰或/和白云石。

上述碱性炼铁混合原料中的还原剂粉料为碳粉、煤粉、生物有机粉（或浆料），其生物有机材料包括：动植物和微生物及其排泄物、塑胶、织物等各种有机废料。它们均可极其高效地吸收微波并被分解碳化而成为还原剂。

上述各种粉状物料组分的粒度在直径0~3mm。

在上述微波炼铁竖炉上，自上而下环绕其炉体外侧设置有微波加热装置，上述由氧化铁原矿粉料、助溶剂粉料和还原剂粉料组成的炉体混合物料，在重力作用下自上而下运行，并在运行中不断吸收微波而被加热升温，直至熔融和熔化为铁水和炉渣；并从炉底部排出。由于微波的加热深度有限，对于频率2450兆赫的微波，一般不大于20cm；因此这种单体竖炉的直径会很小。为了提高产能，可采用以下几种技术方案：一是将单体竖炉排列起来使用；二是增加竖炉的高度；三是将竖炉炉腔设计成大直径的空心环形，并在其环形炉体的内外两侧设置微波加热装置。

上述碱性耐火材料为镁铬转、镁铝砖、镁碳砖等，含碳耐火材料为碳化硅。

上述可透射而不吸收微波的耐火材料塞体为刚玉等氧化铝耐火材料。

上述波导管的几何截面形状为圆管或矩形管，其与炉腔内碱性炼铁混合原料相接触的前端部分，采用耐高温、耐碱侵蚀的薄壁金属材料（如铂金）制作。

由于微波对材料的入射深度较浅（约在20cm）因此筒状竖炉的内腔直径或宽度尺寸较小；不仅限制了生产效率而且会严重冲刷侵蚀炉壁；另外，尺寸有限的炉体周长，对于大量布置微波源系统会造成困难。为此将这种微波炼铁竖炉的腔体截面设计为大直径的环状，这种环形竖炉的炉体主要有外环炉体和内环炉体构成。

由于吸波粉状物料的微波加热具有升温速度快，热源利用率高，物料反应均匀充分且熔融熔化速度快、温度低，对于铁磁材料、碱性材料、含碳材料和生物材料的加热效率极高等显著优势，试验表明，其生产每千克铁水的耗能仅为传统高炉工艺的50%到70%；因此本发明的有益之处在于：可大幅降低炼铁的原料和能耗成本、充分节省矿产资源并可大规模处理利用有机废物、对于大规模节能减排具有十分重大的意义。另外，由于这种微波炼铁工艺不再使用焦炭，其粉状的炼铁混合原料中的含碳量可以得到有效控制，因此，可省去“注氧除碳”这一专门的炼钢环节，而采用粉状混合原料达到直接炼钢的目的。

附图说明

图1是本发明实施例之一的俯视图。

图2是本发明实施例之一的a-a剖面图。

图3是本发明实施例之二的俯视图。

图4是本发明实施例之二的b-b剖面图。

图5是本发明实施例的局部放大图c。

图中1.炉体内壁，2.波导管塞体，3.波导管，4.保温层，5.炉体外壳，6.碱性炼铁混合原料，7.铁水，8.微波源系统，9.筒形炉体，9a.外环炉体，9b.内环炉体，10.筒形炉腔，11.环形炉腔。

具体实施方式

图1、图2中，将碱性炼铁混合原料6引入用碱性耐火材料或含碳耐火材料为内壁砌筑的筒形竖炉中，并在重力下自上而下运动；微波经波导管3穿过炉体进入筒形炉腔10内，对其中的碱性粉体工业原料6进行加热，在波导管3前端腔体内设有活动可调并可透射而不吸收微波的耐火材料波导管塞体2，它将波导管3前端内腔塞填，用以透射微波并阻止碱性炼铁混合原料6进入波导管3内；由于上述耐火材料波导管塞体2不能采用吸收微波的碱性耐火材料或含碳耐火材料，因此会被碱性粉体工业原料6所缓慢侵蚀，其寿命较短；因此将上述耐火材料波导管塞体结构设计为：可从波导管3后端顶入新塞体，从而可进行活动续接的补偿结构（图中未画出），以达到延长上述筒状竖炉整体使用寿命的目的。碱性炼铁混合原料6在筒形炉腔10内被微波加热熔化为铁水7，并从筒形竖炉底部流出。

图中炉体内壁1为镁铬转、镁铝砖、镁碳砖等碱性耐火材料，或碳化硅等含碳耐火材料。

图中可透射而不吸收微波的耐火材料波导管塞体2为刚玉等氧化铝耐火材料。

上述波导管3的几何截面形状为圆管或矩形管。

图3、图4中，将碱性炼铁混合原料6引入用碱性耐火材料或含碳耐火材料为内壁砌筑的环形竖炉中，并在重力下自上而下运动；微波经波导管3穿过炉体进入环形炉腔11内，对其中的碱性炼铁混合原料6进行加热，在波导管3前端腔体内设有活动可调并可透射而不吸收微波的耐火材料波导管塞体2，它将波导管3前端内腔塞填，用以透射微波并阻止碱性炼铁混合原料6进入波导管3内；由于上述耐火材料波导管塞体2不能采用吸收微波的碱性耐火材料或含碳耐火材料，因此会被碱性炼铁混合原料6所缓慢侵蚀，其寿命较短；因此将上述耐火材料波导管塞体结构设计为：可从波导管后端顶入新塞体，从而可进行活动续接的补偿结构（图中未画出），以达到延长上述环形竖炉整体使用寿命的目的。碱性炼铁混合原料6在环形炉腔11内被微波加热熔化为铁水7，并从环形竖炉底部流出。

图中炉体内壁1为镁铬转、镁铝砖、镁碳砖等碱性耐火材料，或碳化硅等含碳耐火材料。

图中可透射而不吸收微波的耐火材料波导管塞体2为刚玉等氧化铝耐火材料。

上述波导管3的几何截面形状为圆管或矩形管。

图5为上述微波炼铁竖炉炉体的局部结构放大图，在波导管3前端腔体内设有活动可调并可透射而不吸收微波的耐火材料波导管塞体2，它将波导管3前端内腔塞填，用以透射微波并阻止碱性炼铁混合原料6进入波导管3内；由于上述耐火材料波导管塞体2不能采用吸收微波的碱性耐火材料或含碳耐火材料，因此会被碱性炼铁混合原料6所缓慢侵蚀，其寿命较短；因此将上述耐火材料波导管塞体2结构设计为：可从波导管3后端顶入新塞体，从而可进行活动续接的补偿结构（图中未画出），以达到延长上述竖炉整体使用寿命的目的。