专利名称：生产还原金属的旋转炉床型炉和生产还原金属的方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转炉床型炉，并特别涉及炉床的结构，该旋转炉床型炉通过加热和还原含碳原料来生产还原金属，含碳原料至少由含金属氧化物物料和碳质还原物料组成。
作为生产还原铁的方法之一，一种众所周知的方法是将优良的矿石和煤原料如粉煤或焦碳混合形成附聚的原料如小球，将小球装入旋转炉床型炉并加热到高温，使铁矿石中的氧化铁还原得到固态金属铁。
此外，这种还原方法不仅可用于生产金属铁，还可用于非铁金属如Ni和Cr的还原。
还原铁是通过下文作为实例的旋转炉床型炉(参考图5)生产的。
(1)将粉状氧化铁和粉状碳质原料混合并制球来形成生球。
(2)将生球加热到其中产生的可燃挥发性组分不会被点燃的温度范围，以除去所含湿气得到干燥小球(下文将简单地称作小球)。
(3)使用适合的装料设备13将小球7供入旋转炉床型炉17，在旋转炉床1上形成小球层。
(4)安装在炉子内上部的燃烧器17c的燃烧使形成一层的小球辐射加热还原，通过金属化生产还原铁。
(5)通过冷却器18直接向还原铁喷气或使用冷却水夹套间接冷却使这种还原铁冷却到允许机械处理的温度，及然后通过出料设备12从炉中出料得到还原铁产品。
图6是举例说明所说步骤(4)的旋转炉床型炉的剖面视图。旋转炉床1有许多附着在其底部的轮子19，通过驱动装置(未显示)使其以恒定的速度在圆形导轨20上旋转。同时，覆盖旋转炉床上部的炉罩21由顶蓬22和侧壁2组成并固定在地面上。所以，在允许旋转炉床1沿炉罩21自由旋转的同时，有必要密蔽炉子内的气体和大气，因此一般在旋转炉床1和侧壁2之间安装水-封装置4。如图6表示，水-封装置4包括称作封槽的金属圆形槽，封槽中充满水，整体地安装在侧壁2两侧的下端，及向下的金属圆罩4a在旋转炉床1的水平边缘1a双侧下方整体地安装在炉床1上，其中圆罩4a的前沿端浸入封槽4的水4b中，且不与封槽4接触。
因为小球7装载在炉床1上部，炉床1被安装在炉罩22上的燃烧器17c由上部辐射加热到高温，所采用的结构是其中绝缘的未成形耐火材料5被层放在炉床的下侧表面，及耐热的未成形耐火材料被层放在炉床的上侧表面。
此外，因为在邻近装载小球7的炉床1的上表面处，在短时间周期内(10～20分钟)被重复加热和冷却，普通级别的耐火材料可被散裂等损坏。同时由于小球7装到炉床1上表面时的如滚动、磨损或下落冲击的各种因素，小球7产生的细粉与小球7一起混入炉子17并还原为铁粉，在炉床1上表面上形成聚集的物料层。因此，炉床1邻近上表面处经常形成以氧化铁作主要成分的炉床物料，从而没有散裂问题，且很容易去除聚集的物料层。
此外，如图6所示，为了防止小球7下落掉入封槽4，在炉床水平边缘1a的末端附近不装载小球7。因此，虽然炉床水平边缘1a的耐火材料上表面1u直接暴露于辐射热，辐射热来自炉子内部如热的燃烧器17c、炉罩21的顶蓬22的内侧和侧壁2的内侧，使其温度升高而膨胀到大的界限，但炉床水平边缘1a的耐火材料侧壁1s没有直接暴露于辐射热，且因此没有膨胀。从而，在边缘1e(下文将称作炉床水平边缘1a)的耐火材料炉床边缘产生了由热变形引起的大数量的应力，由于煅烧不充分，它往往具有低强度和散裂的倾向。当炉床边缘1e散裂时，碎片下落掉入封槽4，及装载在炉床边缘1e附近的小球7往往也下落掉入封槽4。这不仅降低还原铁产品的收率，而且因为在封槽4的底部出现淤渣-形沉淀物，使得圆罩4a的下端埋在沉淀物之中，可能使炉床1的旋转停止。
作为解决所说问题的方法，本发明第一方面涉及一种旋转炉床型炉，它通过加热和还原含碳原料来生产还原金属，含碳原料由含金属氧化物的物料和碳质还原物料组成，该旋转炉床型炉包括在其上装载所说含碳原料的炉床；及由上部覆盖整个炉床的炉罩，其中所说炉床水平边缘两侧的上部由炉罩侧壁下端覆盖；及由侧壁下端提供的冷却装置。在这种情况下，虽然由所说炉罩的侧壁下端覆盖，但可由侧壁下端部分覆盖所说炉床上表面双侧水平边缘的上侧面。
炉罩侧壁下端覆盖炉床上表面的水平边缘，使得水平边缘的耐火材料不直接暴露于炉子内的辐射热。因而炉床边缘没有热变形，及其散裂可不会发生。同样冷却装置被安装在侧壁下端以缓解炉子内侧壁下端边缘的热变形，及这些部分的散裂得以避免。
本发明第二方面涉及根据第一方面生产还原金属的旋转炉床型炉，包含所说旋转炉床型炉旋转轴的纵截面具有的θ和L的结合适合于下列等式1和2二者L·tanθ≥30等式1L≥0.16θ2-2.44θ+92 等式2其中从所说炉床侧壁下端中心点的前端向下看所说炉床水平边缘，θ(°)是暴露至少一部分炉床水平边缘的最小俯角，及L(mm)是从所说前端到所说成最小俯角的水平边缘位置的水平长度。
根据本发明，当炉子大气温度在1200℃或1200℃以下时，因为边缘的温度可降低到炉床边缘的散裂不能发生的程度，可确保本发明根据第一方面的效果。
本发明第三方面涉及根据第二方面生产还原金属的旋转炉床型炉，其中所说的等式2由L≥0.16θ2-2.44θ+92被取代为L≥0.19θ2-2.44θ+100。
根据本发明，即使炉子中大气温度高于1200℃，当大气温度在1400℃或1400℃以下时炉床边缘的温度仍可降低到炉床边缘的散裂不能发生的程度，因此可确保本发明根据第一方面的效果。
本发明第四方面涉及根据上述三个方面中任意一项生产还原金属的旋转炉床型炉，其中所说水平边缘具有倾斜的表面，其向上的梯度朝向与炉床中心点相反的水平前端。
根据本发明，含碳原料不会向下落入水封装置(封槽)中，不会妨碍炉床的旋转。
本发明第五方面涉及根据上述四个方面中任意一项生产还原金属的旋转炉床型炉，其中所说水平边缘由煅烧过的预制耐火材料或成形的耐火材料形成的。
根据本发明，水平边缘的耐火材料可在炉子外煅烧使其具有足够程度的强度，通过它可防止由于上述不充分燃烧出现的水平边缘的低强度问题，并更加有效地防止炉床边缘的散裂。
本发明第六方面涉及一种通过加热和还原含碳原料来生产还原金属的方法，含碳原料由含金属氧化物的物料和碳质还原物料组成，该方法包括的步骤为将所说含碳原料装料到所说根据前述五个方面中任意一项生产还原金属的旋转炉床型炉的炉床上；及加热还原碳质热-处理的产品。
根据本发明，炉床边缘的散裂不会发生，因此小球不会向下落入封槽中，可使还原金属的收率得到改善。
图5是举例说明生产还原铁的旋转炉床型炉的示意平面图；及图6是举例说明生产还原铁的旋转炉床型炉的原始炉床结构的剖面视图。
侧壁下端2a是例如作为未成形耐火材料提供的，冷却装置3例如金属冷却水管埋在其中。优选冷却水管3与锚式板3a焊接，以便冷却效果可向上达到耐火材料的表面。或者，例如可使用一种箱-形冷却水槽代替冷却水管3，也可使用气体代替水来进行冷却。由于焊接等实施的冷却可达到耐火材料的表面，可提高耐火材料本身的强度，因此可防止耐火材料表面的磨损。此外，侧壁下端炉子内表面和下表面之间的温度差异减小，使得侧壁边缘2e的热变形可以缓解，以防止侧壁边缘2e的损坏。如果冷却装置3没有安装在侧壁下端2a中，则侧壁边缘2e由于炉子内表面和下表面之间的温度差异造成的热变形而损坏，覆盖(A)炉床水平边缘1a的效果是有限的，使得炉床边缘1e也许被损坏。此外，优选将冷却装置3如冷却水管或箱-形冷却水槽埋在侧壁下端2a中，因为除了所说效果外，埋入的冷却装置3可适于用作侧壁耐火材料5的重量支撑体。
例如优选根据下列次序进行炉床耐火材料的安装首先，跨越整个炉床宽度安装绝缘的成形或未成形耐火材料层5a，接着老化并固化。在耐火材料层5a上，跨越炉床水平边缘的整个内和外周边安排煅烧过的预制耐火材料边饰砖5c，形成边堤1a(它显示A，但下文将省略A的说明)。耐热的未成形耐火材料5b安装在内和外周边的边堤1a之间，比边堤1a稍微沉陷一些。然后由燃烧器17c加热炉子，以干燥和煅烧未成形耐火材料5b。煅烧后边堤1a和未成形耐火材料5b制成的凹陷处装满炉床物料6，炉床物料6的主要成分是氧化铁，形状是小块状或粉末状，使用燃烧器17c将其加热形成装载小球7的炉床表面。这提供了不会由于散裂而损坏的炉床，并能够维持平面，因为形成在炉床上表面上的聚集物料层很容易除去。或者可在未成形耐火材料5b被施用、干燥和固化后安装边饰砖5c。
然后，发明者发现炉床边缘1e的散裂的发生是由于炉床边缘1e的热变形，它密切地与炉床边缘1e的温度相关，并进行了如下研究参考
图1，由于炉床水平边缘1a附近的几何构造，炉床边缘1e附近的温度是变化的，然而直接测量该温度是困难的。因此，考虑炉子内经过炉床1和侧壁2之间的缝隙的辐射热-传递和从炉床1上表面传递的传导热-传递，炉床边缘等处的温度可通过热-传递计算来评价。
参考图2，当炉子中大气温度设定为1400℃，接近用旋转炉床型炉17生产还原铁的上限温度时，有关炉床边缘温度作图，炉床边缘温度是使用参数通过热-传递计算得到的，参数如图1所示由侧壁边缘2e往下看炉床边缘1e的俯角θ、和侧壁边缘2e到炉床边缘1e的水平长度L(侧壁下端和炉床上表面重叠的长度，下文将简单地称作重叠长度)。此外，提供了炉床结构(相应于将在下文说明的实验2、4和5)，其中通过在现有的旋转炉床型炉(炉床直径8.5m及炉床宽度1.25m)的炉床水平边缘使用氧化铝基可铸耐火材料的煅烧过的预制耐火材料，使俯角θ和重叠长度L有三种变化。所说炉子的大气温度设定为大约1400℃，用确定的时间周期(22～30天)进行生产还原铁的实验，观察到的炉床边缘1e的散裂及其结果由图2表示。图2中，O标记表示炉床边缘1e没有散裂，×标记表示炉床边缘1e有散裂。由这些结果可了解，当炉床边缘的温度保持在550℃或550℃以下时，炉床边缘1e的散裂可能性非常低。优选设定的重叠长度L尽可能地大，及设定的俯角θ尽可能地小，以便将炉床边缘的温度保持在550℃或550℃以下，然而必须考虑下列条件。
此外，如果炉床水平边缘1a和侧壁下端2a之间的缝隙被设定得太小，小球7可能在缝隙中阻塞而妨碍炉床1的旋转。因此考虑到使用的小球直径一般为5～20mm，该缝隙优选地至少为30mm。
如上所述，为了防止炉床边缘1e的散裂，需要满足下列等式1和2L·tanθ≥30等式1L≥0.16θ2-2.44θ+92 等式2其中，L的单位为mm，及θ的单位为度(°)。此外，当炉床边缘的温度为550℃时，由图2曲线近似地读出重叠长度L和俯角θ的结合，而得到等式2。
图3表示所说的等式1和2。换言之，对应于等式1的曲线之上的面积和对应于等式2的曲线b之上的另一面积。因此在曲线a和曲线b二者之上的面积中任意点(包括曲线上的那些点)的L和θ的结合使得炉床边缘1e的散裂可被防止。
而且，如果重叠长度L设定在400mm或400mm以下，不用于生产还原铁的炉子炉床的开放面积可减到最小，同时确保炉子热绝缘必须的厚度，这是侧壁2最初的用途，在经济基础如降低炉子制造成本上它是优选的。因此，L和θ的结合选择在图3直线c及曲线a和b定义的倾斜区域范围内，其中直线c下虚线标记的区域与L≤400mm的状态相对应。于是，优选地可防止炉床边缘1e的散裂和可降低炉子的制造成本。
此外，所说的描述表明了优选的条件即大气温度是1400℃，该温度接近通过旋转炉床17生产还原铁的炉子的上限，而由数种局限性如所使用原料的特性导致有时炉子中的大气温度有时被设定为1200℃。在这种情况下，要调整等式2的条件，因为与1400℃的炉子大气温度相比，炉床边缘温度是较低的。大气温度被设定为1200℃，热-传递的计算与上述图2中相同，得到曲线图(未表示)，依据该图炉床边缘1e具有较低的散裂可能性。在此条件下，边缘前端所具有的温度在550℃或550℃以下，得到如下等式2’L≥0.16θ2-2.44θ+92 等式2’等式1是一种仅仅由几何学上决定的限制条件，与炉子中不变化的大气温度无关，其中在炉子大气温度为1200℃时，优选的重叠长度L和俯角θ的结合区域满足等式1和等式2’二者。当等式2’一起被画在图3中时，曲线b’上方的区域与等式2’相对应，曲线a上方的区域和曲线b’上方的区域(包括在曲线b’上的区域)与选择L和θ的范围相对应，此范围比炉子大气温度为1400℃时的范围宽。
因为炉子大气温度使所使用的原料的质量而不同，在这种情况下，以本发明的技术原理为基础，可使用适合的炉子结构。
进一步地，当炉床边缘温度根据煅烧过的预制的耐火材料5c的热导率或多或少地变化，及同样炉床边缘1e没有散裂的耐火材料的原料或多或少引起炉床边缘温度的差异时，在煅烧过的预制耐火材料在热导率的范围内及使用一般原料的情况下，图3中所表达的是可防止炉床边缘1e散裂的范围。
虽然炉床上表面水平边缘1a一般是形成平面，以便还原金属用螺杆或刮刀可很容易出料，但为了防止小球向下掉入封槽，如图4A和4B表示，可形成倾斜的表面1k，表面1k在炉子水平边缘1a上具有朝向炉床边缘(侧部前端)1e向上的梯度。虽然倾斜的表面1k的角度没有特别的限制，在炉床水平边缘在不同于还原铁小球用出料设备从炉子出料区域(一般为外周边一侧)的区域(一般为内周边一侧)内，优选地至少将角度设定为使小球7静止的角度，例如至少25°，使到达倾斜表面的小球7能容易地返回最初的炉子内。而且，优选预先在炉床边缘1e的附近倾斜地切削(图4C)或给定半径R(未表示)，使具有分散应力的构造，使得炉床边缘1e可几乎不会散裂。此外，在图4A～4C中一起给出重叠长度L和俯角θ的定义，其中采用了这种炉床水平边缘1a的构造。换言之，从侧壁边缘2e向下看炉床水平边缘1a时，俯角θ是至少暴露部分炉床水平边缘1a的最小俯角。此外，重叠长度L是具有最小俯角θ的炉床水平边缘1a上到位置1z的水平距离。位置1z是以重叠长度L和俯角θ的定义为基础的，因为辐射热不直接到达炉子超出位置1z的区域，虽然辐射热直接到达炉子从位置1z向内的其他区域，位置1z成为产生热变形最大值的点。
此外，虽然在所说实施方案中小球作为含碳原料的实例来描述的，但含碳原料并不限于小球，可包括煤砖形、盘形、矿块形、粉末混合物等。
表1
参考表1中实验1，选择的炉床结构是其中常规炉床水平边缘上部不用侧壁下端覆盖，及炉子中炉床水平边缘是通过铸造氧化铝-基可铸耐火材料(含有50质量％的Al2O3和45质量％的SiO2)来形成的。在这种情况下，在炉子大气温度为1400℃运转22天后，观察到炉床边缘沿着圆周具有大量的散裂及封槽中的淤渣量也大量增加。
参考实验2，选择的结构(L为100mm及θ为21°)是炉子中炉床水平边缘是通过铸造氧化铝-基可铸耐火材料形成的，及如实验1中侧壁下端直接覆盖在水平边缘上，在侧壁下端没有安装冷却装置。即使在这种情况下，在炉子大气温度为1400℃运转22天后，发现炉床边缘沿着圆周具有大量的散裂，及封槽中的淤渣量也大量增加，及侧壁边缘沿着圆周也有大量的散裂。认为没有安装冷却装置损坏侧壁边缘，使得屏蔽炉子内辐射热的效果被取消而损坏了炉床边缘。
参考实验3，如实验1和2通过在炉子中铸造氧化铝-基可铸耐火材料形成炉床水平边缘，其中侧壁下端直接覆盖水平边缘的长度(重叠长度)比实验2中稍长，及俯角也比实验2中稍小(L为200mm及θ为17°)，此外，在侧壁下端埋入焊接锚式板的冷却水管。在这种情况下，即使在炉子大气温度为1400℃运转30天后，炉床边缘仅有轻微的裂缝而没有达到散裂，并没有发现侧壁边缘的损坏。而且，封槽中淤渣的增加大量减少。因为安装了冷却装置，防止了侧壁边缘的散裂，及炉子内辐射热的屏蔽效果使得能够防止炉床边缘的散裂，且作为结果，可防止小球等向下落入封槽。
在实验4中，仅将炉床水平边缘耐火材料的铸造方法改变为铸造煅烧过的预制耐火材料边饰砖(含有50质量％Al2O3和45质量％SiO2)的方法，其中其他条件与实验3中相同。作为结果，炉床边缘完全没有发现如裂缝的损坏。认为这是采用边饰砖的效果，它是在炉子外预先充分煅烧过的，与炉子中铸造未成形耐火材料的方法比较，边缘上得到了足够的强度。
在实验5中，与实验4的炉床结构比较，重叠长度更长及俯角更小(L为250mm及θ为14°)，其中其他条件与实验4中相同。也得到了与实验4基本上相同的效果。由实验3～5的结果，在炉子大气温度为1400℃，当重叠长度L和俯角θ的结合同时满足所说的等式1和2(在图3曲线a和曲线b上方的区域中)时，可以确认可靠地得到了根据本发明的效果。
在实验6中，将重叠长度L和俯角θ改变到存在于图3中曲线a和曲线b’二者上方的区域中(L为150mm及θ为25°)，即使不在图3的曲线a和曲线b的上方，炉子大气温度降低到1200℃，其中其他条件与实验4及5中相同。这也得到与实验4及5基本上相同的效果。可确认当炉子大气温度降低到1200℃时，与1400℃的大气温度比较，L和θ的结合范围变宽了。
在实验7中，重叠长度L和俯角θ具有与实验5中相同的值，及在炉床水平边缘的最边缘侧形成带有朝向边缘向上的梯度的倾斜表面(水平长度为100mm及梯度为30°)，其中其他条件与实验4及5中相同。在这种情况下，任何炉床边缘和侧壁边缘都完全没有损坏，并几乎根本没有发现封槽中淤渣的增加。认为在炉床水平边缘形成的倾斜表面带有稍微大于小球静止角度的向上梯度(20～25°)，以防止小球向下落入封槽。
根据本发明第一方面所述，炉罩侧壁下端覆盖在炉床上表面的水平边缘上，使得水平边缘的耐火材料不直接暴露于炉子内的辐射热中。于是炉床边缘不会热变形并可防止其散裂。同样，因为冷却装置安装在侧壁下端，侧壁边缘的热变形可被缓解，从而防止了这些部分的散裂。
根据本发明第二方面和第三方面所述，因为炉床边缘的温度可被降低到炉床不发生散裂的程度，可确保本发明根据第一方面的效果。
根据本发明第四方面所述，水平边缘具有的倾斜表面带有朝向侧部前端的向上梯度，含碳原料不会向下落入封槽，所以可达到本发明根据第一至第三方面的效果而不妨碍炉床旋转。
根据本发明第五方面所述，水平边缘的耐火材料可以是在炉子外部煅烧的，具有充分的强度，可防止水平边缘由于不充分燃烧产生的低强度问题，所以可以更加有效的方式防止炉床边缘的散裂。
权利要求
1.一种通过加热和还原含碳原料生产还原金属的旋转炉床型炉，含碳原料由含金属氧化物的物料和碳质还原物料组成，该旋转炉床型炉包括一种在其上装载所述碳质热-处理原料的炉床；及一种从上部覆盖整个炉床的炉罩，其中所述炉床双侧水平边缘的上部被所述炉罩的侧壁下端所覆盖；及在侧壁下端提供了冷却装置。
2.根据权利要求1的生产还原金属的旋转炉床型炉，其中所述的水平边缘具有的倾斜表面带有与炉床中心点相反的朝向侧部前端向上的梯度。
3.根据权利要求1的生产还原金属的旋转炉床型炉，其中所述的水平边缘是由煅烧过的预制耐火材料或成形耐火材料形成的。
4.一种通过加热和还原含碳原料生产还原金属的方法，含碳原料由含金属氧化物的物料和碳质还原物料组成，该方法包括的步骤为将所述碳质热-处理的原料装入所述的根据权利要求1生产还原金属的旋转炉床型炉的炉床中；及加热和还原含碳原料。
5.根据权利要求1生产还原金属的旋转炉床型炉，包括所述旋转炉床型炉的旋转轴的纵截面具有的θ和L的结合满足下列等式1和2二者L·tanθ≥30等式1L≥0.16θ2-2.44θ+92 等式2其中在侧壁下端从所述炉床中心点的前端向下看所述炉床水平边缘时，θ(°)是暴露至少一部分炉床水平边缘的最小俯角，及L(mm)是从所述前端到所述水平边缘成最小俯角位置的水平长度。
6.根据权利要求5生产还原金属的旋转炉床型炉，其中所述的等式2由L≥0.16θ2-2.44θ+92取代为L≥0.19θ2-2.44θ+100。
7.根据权利要求5生产还原金属的旋转炉床型炉，其中所述的水平边缘具有的倾斜表面带有与炉床中心点相反的朝向侧部前端向上的梯度。
8.根据权利要求5生产还原金属的旋转炉床型炉，其中所述的水平边缘是由煅烧过的预制耐火材料或成形耐火材料形成的。
9.一种通过加热和还原含碳原料生产还原金属的方法，含碳原料由含金属氧化物的物料和碳质还原物料组成，该方法包括的步骤有将所述碳质热-处理原料装入根据权利要求5生产还原金属的所述旋转炉床型炉的炉床中；及加热和还原含碳原料。
全文摘要
在通过加热和还原含碳原料生产还原金属的旋转炉床型炉中,含碳原料至少由含金属氧化物的物料和含碳还原物料组成,提供了炉床水平边缘的耐火材料不损坏、且含碳原料不会向下落入旋转炉床型炉的水封部分的炉床结构。炉罩覆盖整个炉床,炉床水平边缘1a的上部被炉罩侧壁2的下端2a所覆盖,并在侧壁下端2a中安装了一种冷却装置3。
文档编号F27D99/00GK1360061SQ0114045
公开日2002年7月24日 申请日期2001年12月7日 优先权日2000年12月7日
发明者原田孝夫, 田中英年 申请人:株式会社神户制钢所