专利名称：金属还原和熔化方法
技术领域：
本发明涉及金属还原和熔化方法比如炼钢方法，以及该方法中进行预热的设备。在该方法中，含有金属和碳的炉料在一种槽型感应炉中被加热，以使炉料中的金属部分被还原及熔化。
在众所周知的的有关方法中，炉料中的含金属组分包括金属矿石、或部分已还原的金属矿石(如含铁炉料情况下的海绵铁)、和含碳组分包括煤。
在这种已知的方法中，炉料通过沿着炉壁设置的一个或多个加料口基本垂直地加入炉内，其加料方式使炉料沿着炉子的每一个侧壁形成连续的纵向伸展的料堆，并漂浮在炉内已熔化的金属池的上面。
在这种已知的方法中，所形成的气态产物，主要是CO和与煤有关的挥发物，在位于炉内漂浮的炉料上方的空腔中与氧进行燃烧。氧气是从炉外引入到这一位置的。
由所述燃烧产生的燃烧气体，一般约为1600℃左右，被抽出炉外并在其它的地方利用。
本发明的目的是提供一种可更好利用这种燃烧气体的金属还原和熔化方法。
根据本发明，金属还原和熔化方法涉及在一种槽型感应炉中，加热包括含金属组分和含碳组分的炉料，以还原这种含金属组分，该方法包括至少利用本过程中的一部分气态产物用于预热炉料，即在炉料入炉前对其预热的步骤。
可以理解，如果因为这种预热，炉料的温度升高并超过了预定的值，炉料中含有金属的组分在炉料入炉前将被还原。
这将导致在炉料入炉之前，至少在炉料中会形成一些气相还原产物。
炉料入炉前，其中的这种还原反应开始的具体温度，当然将取决于炉料中具体含金属组分的特性。
另外，炉料入炉之前，由于这种预热至少会有一些与炉料中含碳组分有关的挥发物也将被释放在炉料中。
上述的气相物质，入炉后，会相应地含有上述挥发物质以及所述还原过程中形成的CO和CO2。
可以理解，这种炉料的预热，将不仅降低全过程所需要的能量消耗，还将提高炉子的生产率。
此外，根据本发明，至少有一部分以上所述的气态产物在炉中会与空气和/或氧气燃烧，而且如此产生的燃烧气体可以用于对炉料的所述预热。
此外，根据本发明，炉料通过一个长形的加料室被送进炉内。围绕该加料室的周围或贯穿该加料室，配有一个或数个通道，所述燃烧气体可以穿过这些通道，对加料室中的炉料进行预热。
优选的是，加料室和通道相互密封隔离，使气态产物不可能在它们之间流通。
本发明的一种优选形式是这些通道可含有环状套管，围绕加料室的周围沿长度方向布置。
此外，根据本发明，所述加料室的一端或底部可延伸到炉内一定距离，使其与漂浮在炉中熔融金属熔池上方的料堆相接触。
采用这种方式，可以防止加料室中的炉料通过此端口而自由落入炉内。
本发明的一种形式中，是在所述加料室中保持正压，以保证加料室中形成的大部分气态产物可传送到炉内。
这样的压力，比如说，可以通过适当的锁闭系统而将炉料引入加料室的办法予以建立。
另外，作为选择方案，这种正压力可以通过在炉料进入加料室之前，向其引入压缩的惰性气体如氮气而建立起来。
本发明的一种形式中，至少一些炉料中形成的上述气态产物，在炉料被引入到炉内之前，可以从入炉前的炉料中去掉。
这样一来，至少一些氧化性气体，比如说炉料中形成的CO2和H2O蒸气，可以从炉料中去掉。
去掉这种氧化性气体的理由是与下列事实有关，如果炉料的温度达到了预定值，这种氧化性气体可与炉料中的含金属和碳的组分发生反应，由此将导致含碳物质的消耗。
另外，根据本发明，这种氧化性气体可以通过一种长形的端部开口的导管从炉料中去除，该导管沿长度方向惯穿所述长形的加料室，使其一端或底部朝着到加料室的底部安放，另一端或上部与一个排气系统相连，该导管在其全长上至少有一个排气口，该排气口设置在加料室的预定高度上。
使用中，该导管将相应地被炉料包围，其所述气体排气口将设置在炉料的预定高度上。
另外，根据本发明，所述导管的气体排气口将设置在加料室的一定位置，炉料在该位置处的温度，恰好低于所述氧化性气体将开始与炉料中的含金属和含碳组分进行反应的温度。
这种优选的位置，可以例如通过试验加以确定，比如说分析从导管中排出的气体。
另外，或作为选择方案，也可以测试导管的气体排出口的温度，例如采用热电偶等。
实际中，一旦导管气体排出口的优选的高度被确定下来，其位置将被固定，在该位置炉料的温度可以由例如以下方法加以控制控制氧化性气体从导管中排出的速度，和/或预热速度，和/或控制炉料通过加料室送入的速度。
在含金属组分含铁、含碳组分包括煤的情况下，以上所述温度约在600℃左右。
由此所排出的氧化性气体，比如说，可以在其它地方被利用，或传送到所述通道中用于预热炉料。
另外，根据本发明，预热的氧气和/或空气被引入到导管中至所述底端，以燃烧在那部分炉料中任何存在的CO使其形成CO2，然后它们从所述气体排出口排出。
为了保证气体到达所述排气口之前基本所有CO转化为CO2，恰好在排气口之下的加料室的壁相对该室其它部分保持在较低的温度。
通过适当隔热，和/或通过降低加料室中炉料移动通过导管壁该部分的速率，可以获得这种较低温度。后一操作可通过例如增大加料室在该区域的截面宽度来实现。
还根据本发明，使至少一些炉料中与含碳组分有关的挥发物在导管所述上部向其所述底部循环，在该底部它与CO一起通过氧气和/或预热空气燃烧。
将会理解，由这种转化和燃烧提供的热将有助于炉料预热。
所说的挥发物的流通循环，可以采用长形的端部开口的管子予以实现，该管子的一端位于导管的所述上部预定的高度，另一端朝向导管的所述底部安放。
还根据本发明，炉料中的含碳组分可以采用这样的方式加入到加料室中，即它们沿着加料室的外壁分布，而炉料中的含金属组分沿所述导管外壁分布。
采用这种方式，含碳组分(提供吸热Boudouard反应所需要的碳，该吸热反应又是将二氧化碳转变成一氧化碳所必需的反应，这种一氧化碳最终将需要用于还原炉料中的含金属组分中的金属)比含金属组分更靠近预热源，在一些情况下，含金属组分可与一氧化碳发生放热反应。
还根据本发明，炉料中含铁化合物包括一种铁矿石，含碳组分包括煤。
现在通过参照附图进行举例来进一步描述本发明，其中
图1是根据本发明带有预热装置的炉子的一个实施方案的示意剖面图；图2是所述装置另一实施方案的类似图1的示意剖面图，其中有部分图示为被截去。
在本发明的两个实施方案中，根据本发明的炉料预热装置10被展示为与一个槽型感应炉11一起使用。
炉子11包括一个长筒式转炉12，其截面为圆形并包括至少两排平行间隔排列的炉料进料孔，沿其相对边伸入转炉12的壁中，附图中仅详细展示了其中之一13。
转炉12由两排空间上相隔开的电感应加热器14从下面加热。
当用于炼钢过程时，转炉12中被装入一定数量的熔化钢水以形成熔池16，含煤和铁矿石混合物的炉料15通过加料孔13引入到转炉12中，漂浮在熔化的钢水熔池16上面，而形成相互间隔的两个料堆¨，它们沿转炉12的竖侧边方向堆积，在其之上形成转炉12中的空腔18。
转炉12还配有多个氧气燃烧器19和至少一个用于从转炉12放出还原的熔化钢水开口(没有画出)。
在图1所示的实施方案中，装置10包括一个长形的加料室，其一端通过加料孔13伸展进入炉子11的内腔，并达到一定的深度，使其可与料堆17的上部相接。
炉料15通过炉料加料斗21和一系列锁闭系统22加入到加料室20中。
加料室20周围环绕一个长形的环状套管23形式的通道，该套管具有带有炉口25的底部入口24，该炉口穿过转炉12的炉壁与炉子11的区域18相连通。
套管23还有一顶部的出口26，它通过管子27连接到气体排出系统(没有画出)的管道28。
加料室20和套管23相互之间彼此密封，以阻止气体在它们之间流通。
操作中，转炉12被装入许多熔化的钢水16，接通感应加热器14。含煤和铁矿石的混合物的炉料15，从加料斗21通过锁闭系统22和加料口13被加入到转炉12中，形成漂浮在液体金属熔池16的料堆17。料堆17的上部与加料室20的底端相接触，使料堆上部的炉料挡住加料室20的开口端，由此可以防止炉料15自由地从加料室20的开口端落下。
锁闭系统22保证在加料室20中维持正压力，所以基本上没有气体从冷的上部炉料15处跑出来。
主要是CO和CO2和挥发性物质的气体，产生于对炉料15中含铁组分的加热和随后的还原过程中，它们在空腔18中利用燃烧器19送入的氧气燃烧。
产生的燃烧产物由炉口25和入口24从区域18中被送入套管23，在套管23中它们用来预热加料室20的内腔中的炉料15。
由于这种对炉料15的预热，炉子11的生产率显著地提高了。
用过的燃烧气体，从套管23经由出口26和管子27传送到管道28，它们可以在本过程中其它地方使用，以利用它们的化学和/或热性能。
同时，位于加料室20中的与煤有关的挥发性物质，由于这种对炉料15的预热，可以被分解为碳、CO和H2，它们在管子20中可以直接参与炉料15的还原。这样的结果，也可以使本过程中每吨产品的煤和氧的消耗显著降低。
在图2所示的实施方案中，其中与图1所示的相应部分被采用同样的数码加以标注，炉料15从加料斗21被加入至长形的加料室29的上部，加料室29的底部与炉子11的转炉12中的一个入口13相连通。
加料室29由一个长形的套管30以环状方式环绕着，套管的底部有一个出口24，它通过炉口25与转炉12的区域18相接通。
套管30的上端有一个出口26，它通过管子27与气体排出系统(没有画出)的管道28相接通。
加料斗21的出口配备一个气体入口管30，通过它惰性气体如氮气可以被传送到炉料15中，进而到加料室29中，以对其施加一个正压力。
加料室29配备有一个长的端部开口的导管31，其上端32通过管子33和管子27与管道28相接通。
导管31的下端34延伸到加料室29的一个预定深度。这方面更详细的内容随后给出。
当炉料15通过加料室29加到转炉12中时，加料室29中的炉料将环绕着导管31并达其开口底部34。
导管31在其中间长度处配备有一系列孔眼35，其尺寸大小只能让气体通过，炉料15不能通过。
导管31还配备了一个长的端部开口的管子36，其上端37对着导管31的上端32，其下端38对着导管31的下端34。
导管31还在其端部开口34处配备预热氧气/空气燃烧器(没有画出)的入口39。
设置导管31在加料室29中的位置，可使其孔眼35处在炉料15的温度为600℃左右的那个部位上。另外，导管31的长度可使其上端32处在炉料15的温度为200℃左右的那个部位上，其下端34位于炉料15的温度在800℃以上的那个部位上。
炉子12按前面图1实施方案所述的同样方式操作。
在这样的操作中，通过套管30预热加料室29的下部使其温度达到850℃左右，引起那个部位的炉料15发生Boudoard反应，即。
一部分如此产生的CO将与炉料15中铁组分发生反应形成CO2，由此引起铁组分的部分还原反应，即所形成的CO2将在炉料15中向上流动，一直达到导管31的孔眼35处，通过这些孔眼它们被经导管31的膛、管子33和27排到气体排处系统(没有画出)的管道28中。
另一部分所形成的CO将在导管31的内腔中向上流动，并通过氧气/预热的空气燃烧器39燃烧成CO2，即这些CO2，和随后来自孔眼35的CO2一起，流经管子33和27进入到管道28中。
同时，加料室29的那些炉料15较高部位中存在的任何挥发物和水蒸气，将由管子36的上端37传经其底部38而进入导管31的内腔中，在这个部位，挥发物将通过氧气/预热空气燃烧器39燃烧。
可以看出，由CO转换成CO2和挥发物燃烧所产生的热量，将有助于加热加料室29中的炉料15。
还可进一步看出，通过将导管31安放在加料室29中所述位置处，其孔眼35处在炉料15温度为600℃的地方，所述CO2在与炉料15中含金属和/或碳组分反应之前就被从炉料15中排除了。
为了进一步阻止这种反应的发生，导管31的紧靠孔眼35下面那部分管壁，应维持在相对于其它管壁较低的温度。比如，可以通过适当的管壁隔热的方式和/或降低这一部位炉料15通过加料室29的流速的方式达到该目的。后一种方式可以采用诸如增大加料室29的这个部位的横截面积的办法予以实现。
还可进一步看出，导管31下端的炉料温度可以通过控制下列的一种或几种内容加以控制(1)炉料15通过加料室29的供给速度；(2)导管31中的燃烧特性；(3)燃烧气体通过套管30的速度。
还可更进一步看出，如果需要，至少一部分炉料15的还原期间形成于转炉12中的气体，可以通过入口13被吸回到加料室29中，以便将它们用于炉料15的还原和/或预热。炉子12的熔化金属产物可进一步采用常规方法处理和收集。
可以看出，在其所涉及的范围内，本发明还包括基本上已在此叙述的实施本发明方法的设备。还可进一步看出，毫无疑问可能存在着本发明方法和设备的许多细节方面的变化，而不偏离权利要求书的精神和/或范畴。
例如，炉料15可以采用这样的方式装入到加料室29中，使其沿着加料室外壁分布，其理由如上所述。
权利要求
1一种金属还原和熔化方法，该方法包括在一种槽型感应炉中，加热包括含金属组分和含碳组分的炉料，以还原这种含金属组分，该方法包括利用本过程的至少一部分气态产物用于预热炉料的步骤。
2根据权利要求1的方法，其中，在炉中至少一部分气态产物与空气和/或氧气一起燃烧，如此产生的燃烧气体被用来预热炉料。
3根据权利要求1或2中任一项的方法，其中，炉料经一个长形的加料室被加入到炉内，围绕加料室周围或贯穿加料室设有一个或数个通道，所述燃烧气体可以穿过这些通道以预热加料室中的炉料。
4根据权利要求3的方法，其中，加料室和通道之间相互密封隔离，以使气态产物不能在它们之间流通。
5根据权利要求3或4的方法，其中，每一个通道包括一个沿其纵向围绕在加料室周围的环状套管。
6根据权利要求3-5中任一项的方法，其中，加料室的一端或底部延伸到炉内一定距离，使其与漂浮在炉中熔融金属熔池上方的料堆相接触。
7根据权利要求3-6中任一项的方法，其中，在加料室中维持正的压力，以保证加料室中形成的大部分气态产物可通入到炉内。
8根据权利要求7的方法，其中，所述压力是通过采用适当的锁闭系统将炉料装入加料室的办法建立。
9根据权利要求7或8的方法，其中，所述压力是炉料进入加料室之前通过向其充入压缩的惰性气体如氮气而得以维持的。
10根据前述权利要求中任一项的方法，其中，至少有一部分在炉料中形成的气态产物，在炉料被引入到炉内之前，可从尚未进入炉子的炉料中被去掉。
11根据权利要求10的方法，其中，至少一部分氧化性气体，比如说炉料中形成的CO2和H2O蒸气，可以这样从炉料中被去掉。
12从属于权利要求3-9中任一项的根据权利要求10或11的方法，其中，所述气态产物通过一个长的端部开口的导管从炉料中被去掉，该导管纵向贯穿所述长形的加料室，使其一端或底部朝向加料室的底部安放，另一端或上部与一个适当的排气系统相连通，该导管在其全长上至少有一个排气口，该排气口设置在加料室的预定高度上。
13根据权利要求12的方法，其中，导管所述气体排气口被设置在加料室的一定位置，炉料在该位置的温度，恰好低于炉料中氧化性气体将开始与炉料中的含金属和含碳组分进行反应的温度。
14根据权利要求13的方法，其中，导管排气口的优选位置是由分析从导管中排出的气体加以确定。
15根据权利要求13或14的方法，其中，导管的气体排出口的温度是由热电偶等测定。
16根据权利要求13-15中任一项的方法，其中，一旦确定了导管的气体排出口的最佳高度，其位置就被固定下来，在该位置炉料的温度，通过控制氧化性气体从导管中排出的速度，和/或预热速度，和/或控制炉料通过加料室的速度而加以控制。
17根据权利要求11-16中任一项的方法，其中，如此被去掉的气态产物，可在其它地方被利用，或送入所述通道中用于预热炉料。
18根据权利要求11-17中任一项的方法，其中，预热的氧气和/或空气被引入到导管中，到达其所述底端，以燃烧在那部分炉料中存在的任何CO使其变成CO2。
19根据权利要求18的方法，其中，为了保证在气体到达所述气体排出口之前，所有的CO基本上都转变成CO2，紧靠气体排出口下面的加料室侧壁相对于加料室其它部位的侧壁应处于较低的温度。
20根据权利要求19的方法，其中，所述冷却，可以通过适当的加料室隔热、和/或降低在加料室中炉料经过加料室此侧壁的速度而实现，可以采用例如增大加料室这个部位的横截面宽度而降低炉料的速度。
21根据权利要求12-20中任一项的方法，其中，至少有一部分与炉料中含碳组分相关的挥发物，被从导管所述另一端循环流通至此导管的所述一端，在该一端它们与任何存在的CO同时将通过氧气和/或预热的空气燃烧。
22根据权利要求21的方法，其中，所述挥发物的流通循环，是通过采用长形的端部开口的管子予以实现，该管子的一端朝着导管所述上端安放在预定的高度上，另一端朝着导管的所述底部安放。
23权利要求3-22中任一项的方法，其中，炉料中的含碳组分以一定方式加入加料室中，可使其分布在加料室的外侧壁。
24根据前述权利要求中任一项的方法，其中，炉料中的含铁化合物含铁矿石，含碳组分包括煤。
25参照附图基本如本发明所述的金属还原和熔化方法。
26用于预热所述金属还原和熔化方法的炉料预热设备，所述方法包括在槽型感应炉中加热包括含金属组分和含碳组分的炉料，以便还原这种含金属组分；该设备包括长形加料室，通过该加料室将炉料送入炉中，以及一个或多个围绕或贯穿加料室的通道，该过程中所产生的气态产物可通过这些通道流动以预热加料室中的炉料。
27根据权利要求26的设备，其中，加料室和各个通道相互之间彼此密封，使气体不能在它们之间流通。
28根据权利要求26或27中任一项的设备，其中，每个通道包括一个环形的围绕加料室沿纵向延伸的套管。
29根据权利要求26-28中任一项的设备，其加料室一端延伸进入炉内一定的距离，以便与漂浮在炉中熔化金属熔池上的料堆相接。
30根据权利要求26-29中任一项的设备，其中，该设备包括一个向加料室供给炉料的锁闭系统，以便在加料室中维持正压，以保证加料室中形成的大部分气态产物进入炉内。
31根据权利要求26-30中任一项的设备，包括在炉料送入加料室前，向炉料中引入压缩惰性气体如氮气的装置，以便在加料室中维持正压力。
32根据权利要求26-31的设备，包括一个长形的端部开口的导管，该导管沿纵向贯穿所述长形加料室，使其一端或底部朝着到加料室的底部安放，另一端或上部与一个适当的排气系统相连，该导管在其全长上至少有一个排气口，该气体排气口位置设定在加料室的预定高度上，通过该排气口，在炉料进入炉内之前，至少有一部分形成于进入炉内之前的炉料中的气态产物可以被去掉。
33根据权利要求32的设备，其中，导管所述气体排气口将设置在加料室的一定位置，炉料在该处的温度，恰好低于炉料中氧化性气体将开始与炉料中的含金属和含碳组分进行反应的温度。
34根据权利要求32或33中任一项的设备，包括将氧气和/或预热的空气引入到导管中至其所述底端的装置，以燃烧在那部分炉料中存在的任何CO使其变成CO2。
35根据权利要求34的设备，其中，紧靠在气体排出口下面的加料室侧壁相对于加料室的其它部位处于较低的温度，以保证气体到达气体排出口之前，所有的CO基本上都转变成CO2。
36根据权利要求35的设备，其中，较低的温度通过采用对加料室的侧壁进行适当的隔热来实现。
37根据权利要求26-36中任一项的设备，该设备包括一个长形的端部开口的管子，其一端朝着导管所述上部安放在一个预定的位置处，其另一端对着导管的所述底部，该管子是用来将至少一部分与炉料中含碳组分有关的挥发物质，从导管所述上部循环至导管的所述底部，在此底部，挥发物与任何存在的CO同时通过氧气和/或预热的空气进行燃烧。
38用于预热金属还原和熔化方法中的炉料的设备，所述方法包括在一个槽型感应炉中加热包括含金属组分和含碳组分的炉料，以便还原这种含金属组分，如基本在本说明书所描述的并如附图的图1或图2所示。
全文摘要
一种金属还原及熔化方法,包括在一种槽型感应炉中加热包括含金属组分和含碳组分的炉料,以还原这种含金属的组分,其中至少部分形成于该过程中的气态产物用于预热炉料,本发明还涉及实施这种预热的设备。
文档编号C21B11/10GK1231000SQ97197987
公开日1999年10月6日 申请日期1997年7月22日 优先权日1996年7月25日
发明者L·J·弗里 申请人:伊普科公司