直接熔炼工艺的启动方法

专利名称：直接熔炼工艺的启动方法
技术领域：
本发明涉及在盛有熔池的冶金容器中，用含金属的原料，如矿石、局部还原的矿石及含金属的废矿生产铁水的工艺。
本发明尤其是涉及基于熔池的，用含金属的原料生产铁水的直接熔炼工艺。
术语“直接熔炼工艺”被理解为指的是用含金属的原料生产熔融金属，在此情况下是生产铁水的工艺。
本发明更具体地是涉及一种基于熔池的直接熔炼工艺，它以熔融金属层为熔炼介质，因而通常被称为HIsmelt法。
HIsmelt法包括如下步骤(a)在冶金容器中形成熔池，它具有金属层和位于该金属层上的渣层；(b)经多支喷枪／喷咀将含金属的原料及固体含碳物料喷入该金属层中；(c)在金属层中将含金属的原料熔炼成金属；(d)使熔融的物料以飞溅物、液滴和液流状喷射到熔池的标称静止的表面(nominal quiescent surface)上方空间中，从而形成一个过渡区；及(e)经一支或多支喷枪／喷咀将含氧气体喷入该容器中，以使自熔池中释放出来的反应气体后燃烧，借此有利于在过渡区中上升然后又下降的熔融物料的飞溅物、液滴和液流将热传给熔池，并借此过渡区将该容器的经与过渡区相接触的侧壁的热损失减至最小。
HIsmelt法的一种较佳方式的特征在于通过采用穿过容器侧壁的，向下和向内延伸的喷枪将载气、含金属的原料、固体含碳物料及任选的熔剂喷入熔池中，从而使载气和固体物料穿透金属层，并使熔融物料从熔池中喷射出来。
HIsmelt法的这种方式是优于这种方法的早期方式的一种改进，早期方式是通过用喷咀将载气和固体含碳物料底吹入熔池中而形成过渡区，这种底吹也将使熔融材料和液滴、飞溅和液流从熔池中喷发出来。
本申请人已对该HIsmelt法进行了大量实验室工作，并对该方法取得了一系列重大的发现。
作为本发明的主题的这些发现之一是以有效和高效的方式启动该HIsmelt法的方法。
一般地说，本发明是启动直接熔炼工艺的方法，该工艺是用于在冶金属容器中用含金属的原料生产铁，该容器包括多支输送原料的喷枪／喷咀，该启动方法包括如下步骤(a)预热容器；(b)将铁水炉料供入该容器，然后在该容器中形成熔池；(c)向该熔池供入含碳物料及熔剂，再经一或多支原料喷枪／喷咀喷入含氧气体，从而使碳及熔池产生的气体(若存在)燃烧，从而加热熔池和产生渣；(d)向该容器供入含金属的原料，同时连续供应含碳物料及熔剂，并喷入含氧气体，因而熔炼含金属的物料及产生铁水，从而完成该启动法。
预热容器的步骤(a)优选包括在容器中使燃料气体和空气燃烧。术语“燃料气体，，在本文中应理解为包括，比如是焦炉煤气，高炉煤气和天然气。
步骤(c)中的供应含碳物料和／或熔剂优选借助一支或多支原料喷枪／喷咀进行。
步骤(d)中的供应含金属原料优选借助一支或多支原料喷枪／喷咀进行。
固体料，即借助一支或多支原料喷枪／喷咀供入的含金属原料、含碳物料及熔剂中的一或几种优选用载气经由该喷枪／喷咀喷入。
在该启动方法中该固体料喷枪／喷咀可在下降的作业位置及升高的回缩位置间移动。
可供选择的是，在该启动方法中，可固定该固体料喷枪／喷咀，比如，它可经该容器的侧壁延伸。
在固体料喷枪／喷咀被固定的情况下，步骤(b)优选包括以防止金属液渗入喷枪／喷咀的流量经该固体料喷枪／喷咀喷射不夹带固体料的载气。
该启动方法优选包括一个在步骤(b)和(c)之间的经一支或多支原料喷枪／喷咀，在开始步骤(c)中的供入含碳物料和熔剂之前，喷射含氧气体的中间步骤，以便使可氧化的物料在熔池中燃烧，并因而提高熔池温度。
供应含金属原料的步骤(d)优选在规定的工艺条件达到预定值时开始。规定的工艺条件包括，比如，下述条件的一种或几种。
(ⅰ)熔池温度优选至少1400℃；(ⅱ)熔池中的碳浓度优选至少为4％(重量)；
(ⅲ)后燃烧程度优选低于标志熔池碳饱和的程度。
该容器优选包括一个前炉，而将铁水炉料供入该容器的步骤(b)优选包括经该前炉供入炉料。
预热步骤(a)优选包括在前炉上安上一盖子，以将经由前炉的热预失减至最少。
该启动方法优选包括在预热步骤(a)之前清理该容器，以将炉渣从容器中去除。
该容器优选包括形成该容器的至少部分侧壁的水冷板，而该启动方法优选包括在预热步骤(a)之前在该板上喷涂可浇铸的耐火材料，以在该启动方法中减少经该板的最初热损失。
该可浇铸的耐火材料优选是高氧化铝尖晶石。
该启动方法优选包括，在预热步骤(a)之前，将延长段与固体料喷枪／喷咀末端衔接，以便在熔池水平面相当低时，提高该启动法中的固体喷射效率。该延长段优选使用这样的材料制成当熔池水平面上升并逐步淹没此延长段时它熔化在该熔池中。
在步骤(b)中供入的铁水优选至少含3％(重量)的碳。
在步骤(b)中供入的铁水优选含硅和／或铝和／或任何的其它适宜的物料，如可氧化的物料。
步骤(c)和步骤(b)和(c)之间的中间步骤优选包括以比该容器中的压力至少高100kpa的压力喷射载气，该压力是经固体喷枪／喷咀测得的。
该启动法优选包括在步骤(c)和(d)各步中增大含氧气体的流量。
步骤(c)优选包括经一支或几支原料喷枪／喷咀，以至少12000Nm3／时的流量喷射含氧气体。
步骤(d)优选包括以至少20000Nm3／时的流量喷含氧气体。
该启动法优选包括通过监测出自容器的废气中的氧和／或一氧化碳和／或二氧化碳的浓度确定步骤(c)时间段。
该启动法优选包括通过监测出自容器的废气中的氧和／或一氧化碳和／或二氧化碳的浓度确定步骤(b)和(c)之间的中间步骤的时间段。
该启动法优选包括在步骤(c)中增大该容器中的压力。
造渣材料，包括可能来自该容器的先前作业的渣料，可在步骤(c)中供向该容器，以便通过在熔池上形成渣层而有助于在步骤(c)中将熔池中的铁的过氧化减至最少。
渣料优选经一支或几支原料喷枪／喷咀供入。
含金属的原料可以是任何的适宜的含铁原料。较佳的原料是铁矿石。
铁矿石可经预热。
铁矿石可经部分还原。
在某些情况下，如容器承受高的热损失的情况下，该含金属的原料可以是铁矿石和高度还原的含金属原料的混合料。在此情况下，该启动法优选包括以下步骤减少这些高度还原的，被供往熔池的含金属物料的量；用铁矿石取代这种含金属原料及连续喷射含氧气体并达到稳定态的工艺状况。
术语“稳定态的工艺状况”应理解为指的是该工艺用目标含金属原料在目标热平衡和物料平衡范围内进行。
上述定义在上下文中应被理解为该HIsmelt法有赖于容器中的熔池的明显搅动，结果，该方法可承受短期的明显波动。
在步骤(d)中被喷入的高度还原的含金属的原料的金属化率优选至少为60％。
该高度还原的含金属的原料更好是直接还原铁(“DRI”)。
含氧气体优选是最多含50％(体积)氧的空气。
根据本发明，还提供了一种包括上述启动法的直接熔炼工艺。
通过参照附图
，以举例的方式进一步说明本发明，该附图是用于实施HIsmelt法，将铁矿石直接熔炼以产生铁水的直接熔炼容器的优选形式的垂直剖面图。
图中所示的容器具有一个炉床，它包括由耐火砖构成的基底3和侧面55；侧壁5，它一般形成一个从炉床侧面55向上延伸的圆桶，而且它包括上桶状部51和下桶状部53；炉盖7；废气出口9；用于连续排放金属液的前炉77；用于将炉床和前炉相连的前炉连接段71；以及排出熔渣的出渣口61。
使用时，在稳态的工艺状态下，该容器盛有铁和渣的熔池，它包括熔融金属层15和位于其上的熔渣层16。箭头17所指的是金属层15的标称的静止表面的位置；箭头19所指的是渣层16的标称静止表面的位置。术语“静止表面”应理解为未将气体和固体喷入该容器时的这种表面。
容器还包括两支原料喷枪／喷咀，其形态为以与垂线成30—60°的角度，穿过侧壁5向下、向内穿入渣层16的固体喷枪／喷咀11。选择喷枪／喷咀11的位置以使其下端在稳态的工艺状态下时位于金属层15的静止表面17的上方。
在使用时，在稳态的工艺状态下，夹带在载气(一般为N2)中的铁矿石、固体含碳物料(一般是煤)及熔剂(一般是石灰、氧化镁)经喷枪／喷咀11被喷入金属层15中。固体材料／载气的冲力使得固体材料和气体穿透金属层15。煤脱去了挥发份，从而在金属层15中产生气体。碳部分溶于金属中，部分保持为固体碳。铁矿石被熔炼成金属，而且此熔炼反应生成了CO气体。这些被输入金属层15中的气体及因脱去挥发份和熔炼而生成的气体使熔融金属，固体碳和渣(由于固／气喷射的结果被吸入金属层15中的)从金属层15中大量上浮，这产生了熔融金属和渣的喷溅物、液滴及液流的向上运动，然后当这些喷溅物，液滴和液流经过渣层16而移动时进入了渣中。
熔融金属、固体碳及渣的上浮，在金属层15和渣层16中产生很大的搅动，结果渣层16体积膨胀，从而具有了箭头30所示的表面。搅动的程度要使金属和渣的区域中有合理的均匀的温度；一般为1450—1550℃，温度变化的范围为30℃。
此外，因熔融金属、固体碳和渣的上浮而引起的熔融金属及渣的喷溅物、液滴及液流的向上运动延续到该容器中熔融材料上方的顶部空间31中，从而(a)形成了过渡区23；及(b)使某些熔融材料(主要是渣)喷在过渡区之外和侧壁5的部分上桶状段51上，即位于过渡23的上方，并喷到炉盖7上。
一般说来，渣层16为一液态的连续的体积，其中带有气泡，而过渡区23是一带有熔融金属和渣的喷溅物、液滴和液流的气态的连续体积。
该容器还包括另一支原料喷枪／喷咀13，其形状为一喷枪，用于喷射含氧气体(一般为经预热的富氧空气)，它位于中心部位，并垂直向下伸入容器中。喷枪13的位置及经过枪13的流过的气体流量的选择要使得在稳态工艺状态下，该含氧气体穿透过渡区23的中心区，然后基本上保留在围绕枪13末端周围的金属／渣的自由空间25中。
在使用时，在稳态的工艺状态下，经枪13喷入的含氧气体使过渡区23及围绕枪13末端的自由空间25中的CO和H2气后燃烧，然后在此气体空间中产生量级为2000℃的或更高的高温。这种热传给了在气体喷射区中上升和下落的熔融物料的喷溅物、液滴及液流，当此熔融材料返回熔池时又将此热部分地传给了金属层15。
为达到高度的后燃烧，自由空间25是重要的，因为它能将过渡区23上方的该空间中的气体带入到枪13的末端区中，从而使所得的反应气体的大量暴露于后燃烧中。
枪13的位置，经枪13流过的气体流量及熔融金属及渣的飞溅物、液滴及液流的向上运动的组合效果在于形成了环绕枪13的下端区的过渡区23—下端区一般用标号27表示。所形成这一区域产生了一种阻碍向侧壁5辐射传热的屏蔽。
此外，在稳态的工艺状态下，上升和下降的熔融金属和渣的飞溅物、液滴及液流是一种将热从过渡区23传向熔池的有效手段，结果侧壁5的该区域内的过渡区23的温度在1450—1550℃的范围内。
参照在稳态工艺状态下实施该工艺时金属层15、渣层16及过渡区23在该容器中的水平面，及参照在稳态工艺状态下实施该工艺时喷入过渡区23上方的顶部空间31中的熔融金属和渣的飞溅物、熔滴和液流的高度构成此容器，从而使(a)与金属／渣层15／16相接触的炉床及侧壁5的下桶状段53用耐火砖构成(在该图中用交叉线标识)。
(b)至少侧壁5的部分下桶状段53衬有水冷板8；(c)与过渡区23和顶部空间31接触的侧壁5的上桶状段51和炉盖7用水冷板57，59构成。
侧壁5的上桶状部51中的水冷板8、57、59各有平行的上、下沿及平行的侧沿，并经弯曲从而形成了该圆柱形的桶形段。每块板都包括内冷水管和外冷水管。这些管被制成蛇形管状，并有用弯曲段相互连接的水平段。每根管还包括入水口和出水口。垂直地拆去这些管子，从而当从板的暴露面，即暴露于容器内部的面看去时，外管水平段并不就在内管的水平段后面。每块板还包括捣筑的耐火材料，它填满了相邻的每根管的直段间及管之间的间隙。每块板还包括支撑板，它构成了该板的外表面。
将各管的入水口和出水口与水源回路相连(未示)，水源使水以高流量经各管循环。
本申请人在Western Australia的Kwinana进行了几个连续炉期的与上述内容相关的实验厂工作。
该实验厂工作用图中所示的上述容器中，在上述稳态工厂状态下进行。
该实验厂工作对该容器进行了评估及对不同工艺条件下进行了研究，该差异是(a)原料；(b)固体和气体的喷射速率；(c)渣量渣层深度和渣与金属之比；(d)运行温度；(e)设备构成。
实验厂工作建立起一种较佳的有效和高效的启动方法。该较佳的启动法归纳如下(1)清理容器，以去除在前一炉役期中沉积在炉床、侧壁5、炉盖7上的渣。去除炉渣是重要的，因为若炉渣喷出或喷入前炉77会导致在启动期间出现在潜在的安全问题。清理过容器之后，在水冷板上喷涂高氧化铝尖晶石，以减少在启动程度期间经由该板的热损失、在上述步骤之前或之后，用螺栓或其它方式将延长段(未示)接在固体喷枪／喷咀11上，以在该启动程度中增加该喷枪／喷咀的有效长度，而同时使容器中的熔融物料的水平面很低。该延长段用不锈钢或当熔池水平面升高并淹没该延长段时能熔于熔池中的任何适宜材料制成。
(2)预热容器一种优选的预热方案是使燃料气体和空气在该容器中燃烧。在实践中，将预热温度限于1400℃是可取的，因为产生这种预热温度的火焰的温度要高得多，因而会引起容器中的耐火材料的损坏。为提高传热效率，使盖73及向下延伸的盖板75位于前炉77之上。
在有热炉子可用的情况下，另一种优选的加热方案是按下列方法进行预热经枪13鼓入热风，然后逐步增加已被预热过的空气的量，直至全部空气经由该炉而来，然后，用前述的燃烧器燃料补充预热超过上次400℃。
(3)制备40—45吨含4％(重量)C、0．75％(重量)Si和0．5％(重量)Al，平均温度为1360℃的铁水炉料。
(4)停止预热步骤，然后将铁水炉料经前炉77运至容器，再经喷枪／喷咀将N2(或其它适宜的)载气，以高于容器压力至少100kpa的压力喷入容器中，该压力防止了熔融物料渗入喷枪／喷咀11中。
(5)输入铁水炉料之后，如步骤(4)所述继续喷N2，然后经枪13喷含氧气体，其起始流量为12000Nm3／时，然后增至20000Nm3／时(喷固体的最小流量)，以使Si和Al燃烧及使铁水炉料脱碳并产生CO／CO2，从而加热此铁水熔池。同时，将容器中的压力升至喷固体所需的最小压力(一般为20kpa)。此步骤所需的时间一般为5—10分钟。
(6)在已建立起20000Nm3／时的喷射金属气体之后，着手经喷枪／喷咀11，以3吨／时的起始喷煤流量喷煤和熔剂(一般为石灰)，并着手监测废气中的氧和／或CO和CO2含量以确定熔池是否正在反应。氧含量下降及CO和CO2含量的上升标志着熔池正在反应。当建立起这种趋势时，煤和含氧气体的流量可从起始流量升高。此步骤的目的在于(a)尽快提高铁水的温度和含碳量，以达到1450℃的最低铁水温度和4．5％(重量)的最低含碳量，(b)形成具有所需碱度的渣，及(c)开始建立过渡区23。在此步骤中，水冷板上有很高的热负荷。含氧气体的流量升到28000Nm3／时。这有着将容器中的压力提高到70—75kpa的效果。此步骤一般进行30分钟。
(7)当铁水温度达到1450℃的最低温度和4．5％(重量)的最低含碳量之后，着手经枪／喷咀11喷入一批铁矿石粉和DRI的混合料，其流量为6吨／时，同时继续喷煤和熔剂，然后熔炼这批混合料，从而产生从前炉流出的铁水，产生后燃烧，及经过渡区23向熔池的传热。在后燃烧程度开始增加后，开始降低水冷板上的热负荷而且混合料的流量可以增加。
(8)随着时间的推移，DRI可逐渐被部分还原的铁矿石或铁矿石取代，直到目标原料仅是含金属的原料，并且该工艺处于稳态模式时为止。
(9)运行2—3小时后，由容器上的开口，取得渣样，来测定工艺状态。
上述的步骤(7)中的开始喷铁矿石粉和DRI的混合料取决于容器尺寸和热损失。在实验厂的场合下，在启动期有很大的热损失，加DRI是必要的以建立金属生产。在较大的工业尺寸的容器中，认为热损失不象争论中说的那样严重，因而加DRI可能就不必要了。
对于本发明的该工艺的上述较佳实施方案可进行多种改进，而并不违背本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于启动在冶金属器中用含金属的原料生产铁的直接熔炼工艺的方法，该容器包括多个原料喷枪／喷咀，该启动方法包括如下步骤(a)预热该容器；(b)将铁水炉料供往该容器中并在该容器中形成熔池；(c)将含碳物料和熔剂供往该熔池中，并经一或多个原料喷枪／喷咀喷入含氧气体，然后使碳和熔池产生的气体(若有)燃烧，从而加热熔池及生成渣；及(d)将含金属的原料供入该容器，同时继续供应含碳物料及熔剂并喷入含氧气体，以及熔炼含金属的原料及产生铁水，从而完成该启动方法。
2.权利要求1的启动方法，其中预热容器的步骤(a)包括使燃料气体和空气在该容器中燃烧。
3.权利要求1或2的启动方法，其中步骤(c)包括经一或多支原料喷枪／喷咀喷入原料来供应含碳物料和／或熔剂。
4.上述权利要求中任一项的启动方法，其中步骤(d)包括经一或几支原料喷枪／喷咀喷入原料来提供含金属的原料。
5.权利要求3或4的启动方法，它包括用载气经一或几支原料喷枪／喷咀喷入含碳物料、熔剂和含金属的原料中的一种或几种。
6.上述权利要求中之任一项的启动方法，它包括在开始步骤(c)中的供应含碳物料和熔剂之前，在步骤(b)和(c)之间的经一或多支原料喷枪／喷咀喷入含氧气体的中间步骤，从而使熔池中的可氧化的物料燃料，以提高熔池温度。
7.上述权利要求中之任一项的启动方法，它包括在所述工艺条件达到预定阈值时开始步骤(d)。
8.权利要求7的启动方法，其中该预定条件包括熔池温度，该熔池中的碳含量及后燃烧水平中的任何一种或多种条件。
9.上述权利要求中之任一项的启动方法，其中该容器包括前炉，而向该容器供以铁水炉料的步骤(b)包括经该前炉供应该炉料。
10.权利要求9的启动方法，其中预热步骤(a)包括在前炉上安上盖子以将经前炉的热损失减至最少。
11.上述权利要求中之任一项的启动方法，它包括在预热步骤(a)前清理该容器以从中去除炉渣。
12.上述权利要求中之任一项的启动方法，其中该容器包括形成至少部分该容器的侧壁的水冷板，而该启动方法包括在预热步骤(a)之前将可浇铸的耐火材料喷涂在该板上，以减少在该启动方法中经该板的最初热损失。
13.上述权利要求中之任一项的启动方法，其中在步骤(b)中被供入的铁水含至少3％(重量)的碳。
14.上述权利要求中之任一项的启动方法，其中步骤(b)中供入的铁水含硅和／或铝和／或任何其它的适合的可氧化的物料。
15.上述权利要求中之任一项的启动方法，其中步骤(c)包括以比容器中压力高至少高100kpa的压力喷入载气。
16.上述权利要求中之任一项的启动方法，它包括在(c)和(d)每步骤中提高含氧气体的流量。
17.权利要求16的启动方法，它包括在步骤(c)中以至少12000Nm3／时的流量喷入含氧气体。
18.权利要求16或17的启动方法，它包括在步骤(d)中以至少20000Nm3／时的流量喷入含氧气体。
19.上述权利要求中之任一项的启动方法，它包括通过监测出自该容器的废气中的氧和／或一氧化碳和／或二氧化碳的浓度来确定步骤(c)的时间段。
20.上述权利要求中之任一项的启动方法，它包括在步骤(c)中增加容器中的压力。
21.上述权利要求中之任一项的启动方法，其中该含金属的原料是铁矿石和高度还原的含金属的原料的混合料，而该启动方法包括在整个时间段内减少供往熔池的高度还原的含金属的原料的量，用铁矿石取代该高度还原的含金属的原料，继续喷入含氧气体及达到稳态的工艺状态。
22.权利要求21的启动方法，其中在步骤(e)中被喷入的高度还原的含金属原料的金属化程度至少为60％。
23.权利要求22的启动方法，其中该高度还原的含金属的原料是直接还原铁(“DRI”)。
全文摘要
启动在冶金容器中由含金属的原料生产铁的直接熔炼工艺的方法。该容器包括多支原料喷枪/喷嘴(11、13)。该启动方法包括如下步骤:(a)预热该容器;(b)将铁水炉料供入该容器,并在该容器中形成熔池;(c)经一或多支喷枪/喷嘴将含碳物料及熔剂供入熔池,并喷含氧气体,从而使碳和产自熔池的气体(若有)燃烧,借以加热熔池和生成炉渣;(d)将含金属的原料供入容器中,同时继续供应含碳物料和熔剂并喷入含氧气体,从而熔炼含金属的原料,从而产生铁水,借此完成该启动方法。
文档编号C21B13/00GK1280199SQ00120449
公开日2001年1月17日 申请日期2000年7月10日 优先权日1999年7月9日
发明者塞西尔·P·贝茨, 彼得·D·伯克 申请人:技术资源有限公司