专利名称：直接熔炼方法
技术领域：
本发明涉及一种方法，用于在包含熔池的冶金容器中生成熔融金属(该术语包括金属合金)，尤其是来自含金属的供给材料，如矿石、部分还原的矿石和含金属的废流中的铁，但决不专指铁。
本发明特别涉及以熔融金属池为基础的直接熔炼方法，用于自含金属的供给材料中产生熔融金属。
直接从含金属的供给材料中生产熔融金属的方法一般被称为直接熔炼方法。
一种公知的直接熔炼方法，其被称为Romelt方法，其以利用大体积、高度搅动的矿渣池作为介质为基础，用来将上部填入的金属氧化物熔炼为金属，并用于后燃气态的反应产物以及传送持续冶炼金属氧化物所需的热量。Romelt方法包括经由下部的一排喷口注入富氧气体或氧气到矿渣中以使矿渣搅动，并且氧气通过上部的一排喷口的注入促进后燃的进行。在Romelt方法中，金属层并不是重要的反应介质。
另一个以矿渣为基础的公知的直接熔炼方法组被统称为“沉渣”方法。这些方法，如DIOS和AISI，基于形成具有三个区域的一深层矿渣，即一用注入的氧气后燃反应气体的上部区域；一用于熔炼金属氧化物为金属的下部区域；以及一中间区域，其分隔上部和下部区域。与Romelt方法相同，在矿渣层下部的金属层不是重要的反应介质。
在以申请者的名义的国际申请PCT/AU96/00197(WO96/31627)中描述了另一种已知的直接熔炼方法，其依靠熔融金属层作为反应介质，并且一般被称为HIsmelt方法。
在国际申请中所描述的HIsmelt方法包括(a)在容器中形成具有金属层和在金属层之上的矿渣层的熔池；(b)将以下物质注入熔池(ⅰ)含金属的供给材料，一般为金属氧化物；以及(ⅱ)固态含碳材料，一般为煤炭，其作为金属氧化物的还原剂及能量源；以及
(c)在金属层将含金属供给材料熔炼为金属。
HIsmelt方法也包括后燃反应气体，如CO和H2，其从熔池释放到熔池之上的具有含氧气体的空间，并将由后燃产生的热量传给熔池以提供熔炼含金属供给材料所需的热能。
HIsmelt方法也包括在熔池名义静止表面上方形成过渡区，在熔池内具有上升并然后下降的熔融金属和/或矿渣的液珠、或飞溅或液流，其提供了将由熔池上方的反应气体后燃产生的热量传导到熔池的有效的介质。
本发明的目的是提供一种改进的直接熔炼方法。
根据本发明，提供了一种用于直接熔炼含金属供给材料的方法，其包括(a)将含金属供给材料和煤炭供给到预还原容器；(b)在预还原容器中部分还原含金属供给材料并基本使煤炭脱去挥发成分，并且产生部分还原的含金属材料和炭；(c)将由步骤(b)产生的部分还原的含金属供给材料和炭送入直接熔炼容器；(d)供给预热的空气或富氧气体到直接熔炼容器；以及(e)在直接熔炼容器中利用作为能量源及作为还原剂的炭将部分还原含金属供给材料直接熔炼成熔融金属，并以预热的空气或富氧气体后燃在直接熔炼方法中产生的反应气体至超过70％的程度以产生用于直接熔炼反应所需的热量并将金属维持在熔融状态。
虽然决不是专门的，但该方法特别与中度和高度挥发煤炭有关。在此中度挥发煤炭意思为含有20-30％重量的挥发物的煤炭，高挥发煤炭意思为含有超过30％重量的挥发物的煤炭。
在中度和高度挥发煤炭的情况下，本发明的基础为实现在将煤炭引入直接熔炼容器之前将这些类型的煤炭基本脱硫，其有可能实现利用加热的空气或富氧气体作为用于后燃的含氧气体以70％的后燃程度或更高以经济地进行直接熔炼过程。
优选地，步骤(b)产生部分还原的具有小于65％预还原程度的含金属供给材料。
优选地，在富氧气体中的氧气的浓度小于50％的体积百分比。
术语“基本脱硫”意味着从煤炭中移去至少70％的重量百分比。
术语后燃定义为 其中[CO2]为废气中CO2的体积百分比；[H2O]为废气中H2O的体积百分比；[CO]为废气中CO的体积百分比；以及[H2]为废气中H2的体积百分比。
术语“废气”在此定义为由熔炼反应和后燃产生的气体，并且是在任何另外的含碳供给材料的可选附加物如天然气加入该气体之前。
优选地，本方法包括预热用于步骤(d)空气或富氧气体到800-1400℃的温度范围，并此后在步骤(d)将预热空气或富氧气体供给到直接熔炼容器。
更优选地，该温度在1000-1250℃的范围。
优选地，本方法包括在步骤(d)中将预热的空气或富氧气体供给到直接熔炼容器之前利用从直接熔炼容器中排出的废气作为用于预热空气或富氧气体的能量源。
优选地，本方法包括在利用废气作为能量源之前冷却从直接熔炼容器中排出的废气。
优选地，本方法包括在步骤(d)中将预热的空气或富氧气体供给到直接熔炼容器之前利用从预还原容器中排出的废气的一部分作为用于预热空气或富氧气体的能量源。
优选地，本方法包括在一个或多于一个热高炉中预热空气或富氧气体。
优选地，本方法包括先于步骤(a)的供给含金属供给材料到预还原容器预热含金属供给材料。
优选地，本方法包括利用从预还原容器中排出的废气预热含金属的供给材料。
优选地，预热容器是流化床。
更优选地，本方法包括回收从流化床中排出的废气回到流化床。
优选地，本方法包括回收至少70％体积的从流化床中排出的废气回到流化床。
术语“流化床”在此理解为包括沸腾和循环型二者。也包括沸腾和循环的结合型。
术语“含金属供给材料”在此理解为指任何含金属的供给材料，其包括金属氧化物，如矿石、部分还原的矿石和含金属废流。
步骤(e)可以是任何适于直接熔炼的方法。
优选地，步骤(e)包括直接熔炼根据HImelt方法的部分还原的含金属供给材料，其包括(a)在直接熔炼容器中形成具有金属层和在金属层之上的矿渣层的熔池；(b)通过多个喷枪/喷口注入含金属供给材料和煤炭到金属层中；(c)在金属层中熔炼含金属供给材料为基本熔融的金属；(d)使金属液和矿渣以飞溅、液珠和液流形式喷入熔池的名义静止表面的上方的空间，并且形成过渡区；以及(e)通过一个或多于一个喷枪/喷口将预热空气或富氧气体注入直接熔炼容器并且后燃从熔池释放的反应气体，从而，在过渡区中的熔融的金属和矿渣的飞溅、液珠和液流上升及其后的下降有助于热传导到熔池，并从而，过渡区使经由于过渡区接触的侧壁从容器中损失的热降至最小。
术语“金属层”在此理解为金属占主导地位的范围或区域。具体地说，该术语涵盖了包括在金属持续体积内散布有熔融矿渣的范围或区域。
在熔池的上下文中的术语“静止表面”在此理解为在没有气体/固体注入并因此熔池不搅动的工艺条件下的熔池的表面。
参照附图，将以实施例形式对本发明进行进一步描述。
图1是本发明的方法示意形式的流程图；图2是用于图1所示的方法的直接熔炼容器的优选实施例的垂直剖面图。
图1所示的实施例是在从铁矿石中炼铁的情况下进行。但是，应指出，本优选实施例同样可以应用于从其他含金属的供给材料中生产金属(包括合金)。
参照图1，铁矿石在气旋炉(cyclone)103、105中预热到750℃的温度范围，并被送到流化床反应器107中，该反应器在800-1000℃的温度范围工作。也将煤(一般为中度和/或高度挥发的煤)、氧气和含有高浓度CO和H2的还原气体送入反应器107。预热的铁矿石被部分还原到预还原程度，该程度优选地为小于65％，并且煤被大部分脱去挥发成分而形成碳。在本文中术语“预还原程度”意思为假设起始点是Fe2O3并假设Fe是100％预还原的产物条件下的去除氧的百分比。
从反应器107中排出的废气被传送通过预热气旋炉103、105并预热供给到这些气旋炉中的铁矿石。废气然后在文氏洗气装置108中被冷却。冷却的废气被分成两股，至少占总体积70％的一股被送到CO2洗气装置110，重新加热并然后作为液化气体返回到反应器107，另一股被送到热高炉109并用作加热高炉109的燃烧气体。
来自反应器107的部分还原的铁矿石和碳，其一般在600-900℃的温度范围，以及来自高炉109的预热到1200℃的温度范围的空气被送到直接熔炼容器111。
部分还原的铁矿石在容器111中被熔化为熔铁，并且在熔化预还原铁矿石中产生的反应气体，如CO和H2被后燃到至少70％的后燃程度。由后燃产生的热被用来维持容器111内的温度。
从容器111中排出的废气的一部分通过文氏洗气装置113送到炉109，并被用作加热高炉109的燃烧气体。
在直接熔炼容器111中的直接熔炼方法可以是任何适宜的方法。
优选的直接熔炼方法是在以下参照图2作为一般术语所描述的HIsmelt方法，且其在以申请者名义的国际申请PCT/AU99/00538中作详细描述。在国际申请的专利说明书中所公开的内容作为横向参照合并于此。
优选的直接熔炼方法基于(a)在直接熔炼容器111中形成具有金属层和在金属层之上的矿渣层的熔池；(b)通过一个或多个喷枪/喷口将部分还原的铁矿石和碳(以及可选的其他含碳材料，如附加的煤)喷入金属层；(c)在金属层熔化部分还原的铁矿石为基本熔融的铁；(d)使熔融材料作为飞溅、液珠和液流喷射到熔池的常态静止的表面的上方的空间并形成过渡区；以及(e)经由一个或多个喷枪/喷口将预热空气或富氧气体注入直接熔炼容器111内，并后燃从熔池释放的反应气体到高于70％的后燃程度，并在过渡区产生温度为2000℃或更高的气体相，从而，在过渡区熔融金属和矿渣的飞溅、液珠和液流的上升及其后的下降有助于热传导到熔池，并从而，过渡区使热量通过与过渡区接触的侧壁从容器内损失降至最小。
直接熔炼容器111可以是任何适宜的容器。
优选的直接熔炼的容器是参照图2在以下作为一般术语所描述的容器，且其在以申请者名义的国际申请PCT/AU99/00537中作详细描述。在国际申请的专利说明书中所公开的内容作为参照。
图2中所示的容器111具有一炉膛，其包括由耐火转形成的基底3和侧面55；侧壁5，其形成为从炉膛的侧面55向上延伸的大致圆柱形圆桶并包括上部的圆桶部分51和下部的圆桶部分53；一炉顶7；一用于废气的出口9；一用于连续排出熔融金属的前炉膛57；前炉膛连接71，其将炉膛和前炉膛57互连；以及一用于排出熔融矿渣的排放口61。
在使用时，在稳定工作条件下，容器111包含铁和矿渣的熔池，其包括熔融金属层15和金属层15之上的熔融矿渣层16。由附图标记17标识的箭头指金属层15的名义上静止表面的位置，并且由附图标记19标识的箭头指矿渣层16的名义上静止表面的位置。术语“静止表面”应理解为指当没有气体和固体注入容器时熔池的表面。
容器111也包括2个固体注入喷枪/喷口11，其以与垂直方向成30-60的角度向下并向内延伸过侧壁5并进入矿渣层16。喷枪/喷口11的位置被选择成在稳定工作条件下使其底端在金属层的静止表面17上方。
在使用时，在稳定工作条件下，来自反应器107的部分还原的铁矿石和碳(以及可选的其他的含碳材料，如煤)，和夹带在承载气体(一般为N2)中的助熔剂(一般为石灰和氧化镁)通过喷枪/喷口被注入金属层15。固体材料/气体的冲量使固体材料和气体穿透金属层15。碳部分溶入金属中且部分作为固态碳存在。铁矿石被熔化为金属，并且熔化反应产生一氧化碳气体。被传送入金属层15的气体以及由熔化反应产生的气体产生从金属层15提升熔融金属、固态碳和矿渣(随固体/气体注入引导入金属层15)的显著的浮力，其产生熔融金属和矿渣的飞溅、液珠和液流向上运动，并且在这些喷射流、液珠和液流穿过矿渣层16时夹带矿渣。
熔融金属、固态碳和矿渣的上浮在金属层15和矿渣层16引起相当大的搅动，结果为矿渣层16体积膨胀并且具有由箭头30标识的表面。搅动的程度为在金属和矿渣区域具有相当一致的温度，一般为1450-1550℃，在每个区域内的变动不超过30℃。
另外，在容器内，由提升熔融金属、固态碳和矿渣的浮力产生的熔融金属和矿渣的飞溅、液珠和液流的向上运动延伸到熔融材料上方的顶部空间31内，并且(a)形成过渡区23；并且(b)喷射一些熔融材料(主要为矿渣)超过过渡区并到侧壁5的上部圆桶部分51的在过渡区23的上方并在炉顶7上的那部分上。
一般来说，矿渣层16是一个液体连续体积，其内具有气泡，并且过渡区23是一个气体连续体积，具有熔融金属和矿渣的飞溅、液珠和液流。
容器111还包括一个喷口13，用于将来自炉9的预热的空气或富氧气体喷入容器111。喷口13居中定位并且垂直向下延伸入容器。喷口13的位置和通过喷口13的气体流速被选定为使在稳定工作条件下，含氧气体穿透过渡区23的中心区域并绕喷口13的端部保持一个大致的金属/矿渣的空缺空间(free space)25。
在使用时，在稳定工作条件下，经由喷口13的含氧气体的喷入使反应气体CO和H2在过渡区和围绕喷口13的端部的空缺空间25内后燃到后燃程度超过70％并在气体空间内产生2000℃或更高的气体相温度。热量被传送到在气体喷射区域的上升并下降的熔融材料的喷射液珠、液流中，并然后，在金属/矿渣返回到金属层15时，热量部分地传送到金属层15。
空缺空间25对于得到高程度的后燃是重要的，因为它能够夹带在过渡区23上方的空间内的气体到喷口13的端部区域，并从而增加可用的反应气体的产生以后燃。
喷口13的位置，通过喷口的气体的流速，以及熔融的金属和矿渣的飞溅、液珠和液流的向上运动合并一起的作用是围绕喷口13的下部区域形成过渡区23-由附图标记27总地标识。这个形成的区域提供了一个局部的壁垒防止热量通过辐射传到侧壁5。
此外，在稳定工作条件下，金属和矿渣的飞溅、液珠和液流的上升和下降是将热量从过渡区传导到熔池的有效的方法，结果为在侧壁5的区域内的过渡区23的温度在1450-1550℃的范围内。
容器111是参照在稳定工作条件下操作时，金属层15、矿渣层16以及过渡区23的水平面，并参照在稳定工作条件下操作时，被喷入过渡区23上方的顶部空间31的金属和矿渣的飞溅、液珠和液流而构建，以便(a)炉膛和与金属/矿渣层15/16相接触的侧壁5的下部圆桶部分53由耐火材料砖形成(在图中以剖面线示出)。
(b)至少侧壁5的下部圆桶部分53的一部分由水冷的板8支撑；以及(c)与过渡区23和顶部空间31相接触的侧壁5的上部圆桶部分51和炉顶7由水冷的板58、59形成。
每个在侧壁5的上部圆桶部分51的水冷板8、58、59具有平行的上部和下部边缘和平行的侧边缘，并被弯曲以形成圆柱形圆桶的部分。每个板包括内部的水冷管道和外部的水冷管道。管道被形成为螺旋结构，带有被弯曲部分互连的水平部分。每个管道还包括水入口和水出口。管道被垂直设置以便当从板的暴露表面看，即暴露于容器内部的表面看时，外部管道的水平部分不正好在内部管道的水平部分。每个板还包括夯实的耐火材料，其填在每个管道的相邻的水平部分之间和管道之间的空间。每个板还包括形成板外表面的支撑板。
管道的水入口和水出口被连接到水供给回路(未示出)，该回路以高流动速度循环水通过管道。
在不背离本发明的精神和范围的条件下，可以对所述优选实施例进行多种修改。
权利要求
1．一种用于直接熔炼含金属供给材料的方法，包括以下步骤(a)将含金属供给材料和煤炭供给到预还原容器；(b)在预还原容器中部分还原含金属供给材料并基本使煤炭脱去挥发成分，并且产生部分还原的含金属材料和炭；(c)将由步骤(b)产生的部分还原的含金属供给材料和炭送入直接熔炼容器；(d)供给预热的空气或富氧气体到直接熔炼容器；以及(e)在直接熔炼容器中利用作为能量源及作为还原剂的炭将部分还原含金属供给材料直接熔炼成熔融金属，并以预热的空气或富氧气体后燃在直接熔炼方法中产生的反应气体至超过70％的程度以产生用于直接熔炼反应所需的热量并将金属维持在熔融状态。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，在富氧气体中氧气的浓度为小于50％体积。
3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括预热用于步骤(d)空气或富氧气体到800-1400℃的温度范围，并此后在步骤(d)将预热空气或富氧气体供给到直接熔炼容器。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，温度在1000-1250℃的范围。
5．如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，包括在步骤(d)中将预热的空气或富氧气体供给到直接熔炼容器之前利用从直接熔炼容器中排出的废气作为用于预热空气或富氧气体的能量源。
6．如权利要求3到5中任一项所述的方法，其特征在于，包括在步骤(d)中将预热的空气或富氧气体供给到直接熔炼容器之前利用从预还原容器中排出的废气的一部分作为用于预热空气或富氧气体的能量源。
7．如权利要求3到6中任一项所述的方法，其特征在于，包括在一个或多于一个热高炉中预热空气或富氧气体。
8．如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，预还原容器是流化床。
9．如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括回收从流化床中排出的废气回到流化床。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括回收至少70％体积的从流化床中排出的废气回到流化床。
11．如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括(ⅰ)在直接熔炼容器中形成具有金属层和在金属层之上的矿渣层的熔池；(ⅱ)通过多个喷枪/喷口注入含金属供给材料和煤炭到金属层中；(ⅲ)在金属层中熔炼含金属供给材料为基本熔融的金属；(ⅳ)使金属和矿渣以飞溅、液珠和液流形式喷入熔池的名义静止表面的上方的空间，并且形成过渡区；以及(ⅴ)通过一个或多于一个喷枪/喷口将预热空气或富氧气体注入直接熔炼容器并且后燃从熔池释放的反应气体，从而，在过渡区中的熔融的金属和矿渣的飞溅、液珠和液流上升及其后的下降有助于热传导到熔池，并从而，过渡区使经由与过渡区接触的侧壁从容器中损失的热降至最小。
12．如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括将煤炭注入直接熔炼容器，从而在容器内煤炭作为能量源和还原剂。
全文摘要
公开了一种用于直接熔炼含金属供给材料的方法。本方法包括在预还原容器中部分还原含金属供给材料且基本将煤炭脱硫并产生部分还原的含金属供给材料和碳的步骤。本方法也包括在直接熔炼容器中利用碳作为能量源和还原剂直接将部分还原的含金属供给材料熔炼为熔融金属,并与预热空气或富氧气体后燃在直接熔炼过程中产生的反应气体到大于70%的后燃程度以产生直接熔炼反应和保持金属为熔融状态所需的热量。
文档编号C21C5/56GK1312864SQ99809561
公开日2001年9月12日 申请日期1999年7月26日 优先权日1998年7月24日
发明者罗德尼·J·德赖 申请人:技术资源有限公司