专利名称：直接熔炼法的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于直接熔炼金属物料的基于熔融浴的方法。特别地，本发明涉及在根据本发明直接熔炼金属物料的基于熔融浴的方法中将固体物料注入熔融浴所需的参数。
背景技术：
已知的用于金属物料的直接熔炼法(其在原理上依靠作为熔炼介质的熔融浴且通常被称为HIsmelt法)在本申请人名义下的国际申请PCT/AU96/00197 (W096/31627)中被描述。如在该国际申请中描述的HIsmelt法在直接熔炼氧化铁形式的金属物料且产生熔融铁的情况下包括以下步骤:(a)在直接熔炼容器中形成铁水和炉渣的熔融浴；(b)将以下物质注入该熔融浴；(i)金属物料，典型的是氧化铁jP(ii)含碳固体物料；典型的是煤，其用作氧化铁的还原剂和能量源；以及(C)将金属物料熔炼成熔融浴中的铁。术语“熔炼”在这里被理解为表示热处理，其中发生了还原金属氧化物的化学反应以产生熔融金属。HIsmelt法也包括:后燃烧(post — combuste)在熔融浴上方的空间内的反应气体(例如从熔融浴释放的CO 和H2)与含氧气体(典型的是空气);和将由后产生的热传递到熔融浴，以有助于熔炼金属物料所需的热能。HIsmelt法也包括在熔融浴的标称静态表面上方形成过渡区域，在该区域中存在有利的量的上升且随后下降的熔融金属和/或炉渣的液滴或喷溅或流(其提供有效介质，以将由在熔融浴上方后燃烧反应气体而产生的热能传递给熔融浴)。在HIsmelt法中，金属物料和含碳固体物料通过多个固体注入喷枪(有时称为“风口 ”)被注入熔融浴，喷枪相对于竖直方向倾斜，以向下且向内延伸经过直接熔炼容器的侧壁并进入容器的下部区域，从而将固体物料的至少一部分输送进入在容器底部中的熔融金属层内。为了促进反应气体在容器上部中的后燃烧，一股热空气(其可以是富氧的)通过向下延伸的热空气注入喷枪被注入容器的上部区域。源自容器中的反应气体的后燃烧的废气从容器的上部区域经过废气管道被带走。容器包括在容器的侧壁和顶部中的有防火衬里的水冷板，并且水连续地循环经过连续回路中的板。HIsmelt法使大量的熔融铁通过直接熔炼熔融浴中的金属物料而产生。为了能实现这种生产水平，大量的金属物料和含碳的物料必须被提供到容器。上面的描述不认为是承认澳大利亚或其他地区的公知常识。本申请人名下的美国专利6，989，042公开了 HIsmelt法中的用于将进料(固体物料或载气)通过固体注入喷枪注入熔融浴的参数。这些参数包括注入速度、喷枪直径、喷枪取向和由于固体注入而产生的来自金属层的表面气体流量。
具体地，该美国专利中的权利要求1限定了用于生产金属(该术语包括来自黑色金属物料的金属合金)的直接熔炼法的步骤，其包括以下步骤:(a)在冶金容器中形成熔融金属和熔融炉渣的熔融浴；(b)以至少40m/s的速度通过向下延伸的固体注入喷枪将进料(其是固体物料和载气)注入熔融浴，该喷枪具有内径为40-200mm的输送管，该喷枪布置成喷枪的出口端的中心轴线相对于水平轴线成20-90度角；和至少部分通过熔融浴中的被注入的物料的反应在熔融浴内产生至少0.04Nm3/s/m2 (其中m2涉及熔融浴的水平截面的面积)的表面气体流量，这引起熔融金属向上突出成为喷溅、液滴和流且形成膨胀的熔融浴区域，气流和向上突出的熔融物料使熔融浴内的物料明显移动并剧烈地混合熔融浴，进料被选择成，整体意义上说，进料在熔融浴中的反应是吸热的；和(c)将含氧气体通过至少一个气体注入喷枪注入容器的上部区域，和后燃烧从熔融浴释放的可燃气体，从而使膨胀的熔融浴区域中的熔融物料上升随后下降，这都有助于将热传递给熔融浴。本申请人认定，实现来自金属层的熔融物的所需的向上流动的范围是个难题，因为直接熔炼容器的尺寸增大了。特别地，在具有6m或更大的等量炉缸直径的容器中，相比于具有该等量直径的大约一半的较小的容器，该混合要求明显更难达到。另外，本申请人认定，实现来自金属层的熔融物料的所需的向上流动的范围对于较大尺寸的HIsmelt法的稳定且廉价的工作来说是非常关键的。申请人:意识到，通过选择用于HIsmelt法的工作参数，以便用于该方法的进料(固体物料和载气)具有充分的动量从而穿透达到熔融浴的至少900_深的金属层内至少IOOmm的深度，能而实现熔融物料的所需的向上流动的范围。用于实现进 入金属层的给定的穿透深度的数值计算不是精确的科学。利用不同的计算假定和方法能计算出不同的穿透深度(对于名义上相同的条件来说)。出于明确术语“穿透深度”的意义的目的，已经采用加基于拿大麦克马斯特大学的模型的标准计算方法。该模型的细节在附录中给出，并且该模型自身是可免费获得的。这里所使用的术语“穿透深度”被隐含地限定为利用在附录中描述的麦克马斯特模型计算出的穿透深度。因此，在前面的段落中涉及的进入熔融浴的金属层至少100_的穿透表示利用附录中描述的麦克马斯特模型计算出的至少100_的穿透深度。
发明内容
本发明提供了用于在直接熔炼容器中直接熔炼金属物料和产生熔融金属的基于熔融浴的方法，直接熔炼容器容纳具有至少900_深的金属层的熔融浴，该方法包括选择该方法的工作参数，以便包括固体物料和载气的进料从金属层上方通过至少一个固体注入喷枪利用足以穿透到金属层的标称静态表面下方至少100_的深度从而使来自金属层的熔融物料和气体向上运动的动量被注入金属层。提供具有足够动量的进料的该方法的工作参数可包括以在固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)中的至少I巴的喷枪压降来注入进料。在固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)中的喷枪压降是加速度的测量值，因而是经过固体注入喷枪或每个固体注入喷枪的进料的动量和/或速度。
术语“喷枪压降”在这里理解为表示从喷枪和喷枪的“加速部分”(见下文)的上游的点(A)(在这里气体的速度比喷枪出口端处的速度低至少两倍)到喷枪自身的出口端(B)的压降。在很多情况下，在点(B)处的压力是无法获得的(例如，在该位置没有压力传感器)，但在这些情况下，喷枪端部的压力能借助估算的炉渣浓度和喷枪端浸没的深度根据熔融物上方的压力合理地计算出来。术语“加速部分”在这里被理解为表示喷枪的一部分，其中经过该部分的进料的表面气流速度从该部分的入口端到出口端至少改变两倍。喷枪压降在固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)中可以至少是1.5巴。喷枪压降在固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)中可以至少是2巴。喷枪压降在固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)中可以至少是3巴。提供具有足够动量的进料的该方法的工作参数可包括将固体注入喷枪或每个固体注入喷枪的下端定位成尽可能靠近熔融物/炉渣界面。提供具有足够动量的进料的用于该方法的工作参数可包括选择该方法的工作参数，例如炉渣的化学组成，以促进固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)的管延伸部的形成，从而使注入的固体物料经过喷枪(或多个固体注入喷枪)的行进距离最小，因而有助于使固体注入喷枪或每个固体注入喷枪的下端定位成尽可能靠近熔融物/炉渣界面。提供具有足够动量的进料的用于该方法的工作参数可包括被注入的进料的至少40m/s的注入速度。提供具有足够动量的进料的用于该方法的工作参数可包括至少50m/s的注入速 度。提供具有足够动量的进料的用于该方法的工作参数可包括至少60m/s的注入速度。提供具有足够动量的进料的用于该方法的工作参数可包括至少10千克固体每Nm3气体的被注入的固体进料和载气的固体/气体比。提供具有足够动量的进料的用于该方法的工作参数可包括至少15千克固体每Nm3气体的被注入的固体进料和载气的固体/气体比。固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)可具有至少40mm的内径。固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)可具有至少60_的内径。固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)可具有至少80mm的内径。固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)可具有大于200mm的内径。固体进料可以只是含碳固体物料。含碳固体物料可以是煤。固体进料可以只是含碳固体物料和熔剂。固体进料可以是含金属的进料和固体含碳物料。固体进料可以是含金属的进料、固体含碳物料和熔剂。含金属的进料可以是含铁的物料。含铁的物料可以是铁矿石。铁矿石可以是细料形式的。含金属的进料和含碳固体物料可通过同一固体注入喷枪(或多个喷嘴)或通过分开的固体注入喷枪被注入。
含金属的进料料可以是预加热的。含金属的进料可以处于环境温度。载气可以是惰性气体,例如氮气或氩气。进料的进入金属层的穿透深度可以是至少150mm。进入金属层的穿透深度可以是至少200mm。进入金属层的穿透深度可以是至少300mm。进入金属层的穿透深度可以是小于500mm。进入金属层的穿透深度可以是小于400mm。金属层深度可以是至少lm。金属层深度可以是至少1.5m。金属层深度可以小于2.5m。固体注入喷枪(或多个固体注入喷枪)可布置成向下伸入容器内，喷枪(或多个喷枪)的出口端的中心轴线相对于水平轴线成20-90度的角度。固体注入喷枪可包括成对的相对的固体注入喷枪，喷枪被布置成且在容器内的取向设置成通过喷枪注入的进料在熔融浴的金属层中形成被注入的进料的重叠的气泡柱区。固体注入喷枪可包括至少一对相对的注入喷枪，喷枪向下并向内延伸入熔融浴，喷枪的纵轴线在容器的 底部处或在底部上方或在底部下方相交，以便来自喷枪的被注入的物料的气泡柱区在金属层的中央区域(在金属层的表面下方至少100mm)中重叠并且存在来自金属层的中央区域的熔融物料和气体的向上运动。术语“被注入的物料的气泡柱区”在这里被理解为描述(a)被注入的进料的流和(b)通过喷枪注入直接熔炼容器而产生的产物的流。在进料包括含碳固体物料的情况下，该产物通过实例包括反应产物和含碳物料释放的挥发物，例如CO、CO2和h2o。容器可以具有至少6m的直径。容器可以具有至少7m的直径。
参考附图通过实例进一步描述本发明，附图示出了形成设备的一部分的直接熔炼容器，该设备能特别适于用来执行如在国际申请PCT/AU96/00197中描述的HIsmelt法。参考附图在下文中描述的本发明的方法的实施例能被认为是国际申请中描述的HIsmelt法的一种形式。
具体实施例方式下面的说明是在熔炼铁矿石细料(通常小于6mm)形式的金属物料的情况下根据HIsmelt法产生熔融铁。但是，应该理解的是，本发明不限于铁矿石且能适用于熔炼采取任何物料形式的任何金属物料。矿石是金属物料形式的一个实例。本发明还扩展到其他形式的金属物料，通过实例包括部分还原的矿石和含金属的废物流。参考附图，在附图中示出的容器11具有用于容纳铁和炉渣的熔融浴的炉缸，该炉缸包括由耐火砖形成的基部12和侧部13、侧壁14 (其形成从炉缸的侧部13向上延伸的大体圆柱形桶状件)和顶部17。侧壁14和顶部17包括用于传递来自侧壁14和顶部14的热的水冷却板(未示出)。水冷却板是用于控制侧壁14和顶部17的温度且确保温度不增大到对侧壁14和顶部15的完整性产生影响的程度的主要机构。容器11还设置有:前炉19，通过前炉19在熔炼期间熔融铁连续地排出；和出渣口 21，通过出渣口熔融的炉渣在熔炼期间定期地排出。顶部17设置有出口 18，通过出口 18该方法的废气被排出。 根据本发明的方法的实施例，在用容器11熔炼铁矿石细料以产生熔融铁时，容器11容纳铁和炉渣的熔融浴，该熔融浴包括主要是熔融铁的层22和在铁层22上的主要是熔融的炉渣的层23。铁层22的标称静态表面的位置用附图标记24表示。炉渣层23的标称静态表面的位置用附图标记25表示。术语“静态表面”被理解为表示没有气和固体注入容器11时的表面。在通常的工作条件下，本方法在范围为0.5至1.2 (优选0.6至1.0巴)的压力范围内起作用。容器11设置有多个固体注入喷枪27，该喷枪向下且向内延伸经过容器的侧壁14中的开口(未示出)并进入炉渣层23。喷枪可以是如在转让给本申请人的美国专利7445747中更详细地描述的，并且该美国中公开的内容通过交叉引用在此被并入。喷枪27具有至少40mm的内径并且在容器内的取向设置成使喷枪27的出口端28在该方法工作期间处于铁层22的表面上方。喷枪27的该位置减小了通过与熔融金属接触而损坏的风险并且也能通过受强制的内部水冷来冷却喷枪而没有在容器11中与熔融金属接触的危险。优选地，喷枪27的出口端28定位成尽可能地接近熔融浴的金属/炉渣界面(这是安全方面的考虑)，以便进入金属层的被注入的固体物料的行进距离和所导致的动量损失最小化。喷枪27通常以相对于水平轴线成45°的角度向下和向内伸入容器11内。喷枪27在容器11内的取向设置成使喷枪27的纵向轴线81在铁层22中、铁层22的中央区域中相交。在使用中，在正常工作条件下，铁矿石细料形式的固体进料、煤形式的含碳固体物料、和熔剂通过喷枪27的出口端28利用氮气形式的载气以至少10千克固体每Nm3气体的被注入的固体进料和载气的固体/气体比、被注入的固体进料和载气的至少40m/s的注入速度、和喷枪27中的至少I巴的喷枪压降被注入熔融浴内。喷枪压降是从(a)喷枪27和喷枪的“加速部分”(见下文)的上游的点(在这里气体的速度比喷枪出口端处的速度低至少两倍)到(b)喷枪自身的出口端的压降。注入的进料形成进料的穿透金属层23并在金属层的中央区域中重叠的向下运动的气泡柱区71。这些工作参数使注入的进料具有足够的动量和/或速度，以便向下穿透进入铁层22到达铁层22的标称静态表面24下方至少IOOmm的穿透深度(在铁层22至少900mm深的情况下)，穿透深度利用如在附录中描述的麦克马斯特模型被计算出来。申请人发现在这些工作参数下进料的注入能获得熔融物料的向上流动的所要求的范围，以用于本方法的稳定且廉价的工作。煤被脱去挥发成分，因而当其在熔融浴中向下运动时产生气体。碳部分地溶解在金属中并且部分地保持为固体碳。铁矿石被熔炼成金属，熔炼反应产生一氧化碳气体。被输送进入铁层22且通过去挥发成分和熔炼产生的气体产生了熔融的物料(包括金属和炉渣)和来自熔融浴的固体碳及气体的明显的浮力上升。浮力上升使熔融物料的喷溅、液滴和流与气体向上运动进入容器的上部区域83，S卩，上部气体空间。向上的运动在附图中示出为处于通过附图标记69识别的区域中。浮力上升也引起熔融浴中的明显的搅拌且实际上使熔融浴膨胀。搅拌的范围设置成在熔融浴内的熔融物料的强烈的混合达到在整个熔融浴中存在合理的均匀温度的程度，通常是1450-1550°C (温度的变化为50°C的量级)。此外，熔融物料的向上的运动足以达到形成容器11的侧壁14和顶部17的湿的水冷却板，以便使热损失最小化、达到经过板的热损失小于板的3000kW/m2更优选小于2000kW/m2的程度，和引起很大程度的搅拌。对上述的本发明的方法的实施例可做出许多变型，而不背离本发明的精神和范围。通过实例，虽然附图示出具有多个固体注入喷枪27的容器11，但能容易地理解本发明扩展到只有一个固体注入喷枪的配置。此外，虽然附图示出以相对于水平轴线成45°角向下且向内伸入容器11内的固体注入喷枪27，但是本发明不受这样的限制而是扩展到喷枪以相对于水平轴线在20-90°范围内的任何合适的角度向下延伸的配置。
此外，虽然实施例包括通过固体注入喷枪27共同注入的矿石、煤和熔剂，但本发明不受这样的限制并且扩展到通过喷枪27只注入煤和/或熔剂，并且矿石通过容器顶部被供给。矿石的这种顶部供给包括通过向下延伸穿过顶部的喷枪或在侧壁和顶部之间的向内且向上倾斜的过渡区进行注入。此外，虽然实施例包括将热空气注入容器内，但本发明不受这样的限制并且扩展到注入冷却的氧气(作为含氧气体)。附录麦克马斯特(McMaster)注入模型背景对于简单的第一原理分析来说，计算注入的固体的流及载气将穿入金属和炉渣多远是不能经受检验的。相对于只有气体注入的情况，固体的存在带来了一定程度的复杂，并且分析变得更困难。能进行各种估算，这些估算将导致不同的结果。为了使该影响最小化，合适的是找到“可用的最佳计算方法”并且基于此使计算标准化。为此，麦克马斯特注入模型被广泛地接受。该模型源自二十世纪八十年代加拿大的麦克马斯特大学，并且潜在的科学基础(化学式、估算等)已经被广泛地公开。通常引用的公开的参考文献是:G A Irons and L R Farias, “The Influence of Lance Orientation and GasEvolution on Particle-Liquid Contact During Submerged Power Injection”, CanadianMetallurgical Quarterly, Vol25, No4, pp297-306, 1986L R Farias and G A Irons, “A Unified Approach to Bubbling-JettingPhenomena in Powder Injection into Iron and Steel，，，Metallurgical TransactionsB, Volumel6B, 1985 年 6 月，pp211_225Irons, G.A., 1992.“Fundamental Aspects of Solids Injection for BathSmelting，，, Savard/Lee International Symposium on Bath Smelting, 10 月 18 — 22,蒙特利尔，QC, The Metallurgical Society and The Iron and Steel Society of AIME, andCIM pp.493-506
麦克马斯特大学的原始作品(作者为两个博士后，S卩，G A Irons教授所监督的博士 L R Farias和H Gou)使用该注入方法的Fortran语言模型来计算性能。该原始的麦克法斯特Fortran语言代码(被译成C#语言且在windows环境下重新编码(经过G A Irons的严格测试以确保准确性))形成了现在的麦克马斯特注入模型的基础。其被认为代表了“最佳实践”的计算方法学。HIsmelt也扩展了用于与他们的方法相关的条件的模型。目的在于使用该模型作为普通工具来计算固体及载气进入金属和炉渣的穿透距离。其他人可选择重复这些计算本身(利用相同的输入、方法和估算)，因而获得相同的结果。但是，为了避免需要这种类型的重复计算(这会是麻烦且耗时的)，意图为任何感兴趣的对象做出可用(迅速且免费)的软件。模型参数该附录的图1示出所需的模型输入。每个被编号的输入的说明被示出，这些(输入32-36)中的五个需要额外的说明(见下文)。
权利要求
1.一种用于在直接熔炼容器中直接熔炼金属物料和产生熔融金属的基于熔融浴的方法，该直接熔炼容器容纳具有至少900_深的金属层的熔融浴，所述方法包括选择所述方法的工作参数，以便包括固体物料和载气的进料从金属层上方通过至少一个固体注入喷枪以一动量被注入金属层，所述动量足以穿透到金属层的标称静态表面下方至少IOOmm的深度，从而引起来自金属层的熔融物料和气体向上运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中工作参数包括以在固体注入喷枪或多个固体注入喷枪中的至少I巴的喷枪压降注入进料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中工作参数包括以在固体注入喷枪或多个固体注入喷枪中的至少1.5巴的喷枪压降注入进料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中工作参数包括以在固体注入喷枪或多个固体注入喷枪中的至少2巴的喷枪压降注入进料。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中工作参数包括将固体注入喷枪或多个固体注入喷枪的下端定位成尽可能靠近金属/炉渣界面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中工作参数包括被注入的进料的至少40m/ s的注入速度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中工作参数包括被注入的进料的至少50m/s的注入速度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中工作参数可包括至少10千克固体每Nm3气体的被注入的固体进料和载气的固体/气体比。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中工作参数可包括至少15千克固体每Nm3气体的被注入的固体进料和载气的固体/气体比。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中固体进料包括含金属的进料和含碳固体物料。
11.根据权利要求10所述的方法，其中含金属的进料包括含铁的物料。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中含碳固体物料包括煤。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中进料进入金属层的穿透深度是至少150mmo
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中金属层中的金属层深度是至少lm。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中固体注入喷枪或多个固体注入喷枪可布置成向下伸入所述直接熔炼容器内，其中该固体注入喷枪或多个固体注入喷枪的出口端的中心轴线相对于水平轴线成20-90度的角度。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中固体注入喷枪可包括成对的相对的固体注入喷枪，所述固体注入喷枪被布置成且在所述直接熔炼容器内的取向设置成通过喷枪注入的进料在熔融浴的金属层中形成被注入的进料的重叠的气泡柱区。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中固体注入喷枪包括向下且向内伸入熔融浴的至少一对相对的注入喷枪，所述至少一对相对的注入喷枪的纵向轴线在所述直接熔炼容器的底部处或在底部上方或在底部下方相交，以便来自喷枪的注入物料的气泡柱区在金属层的金属层表面下方 至少IOOmm的中央区域中重叠并且存在来自金属层中央区域的熔融物料和气体的向上运动。
18.根据前 述权利要求中任一项所述的方法，其中所述直接熔炼容器的直径是至少6m ο
全文摘要
一种用于在容纳熔融浴的直接熔炼容器中直接熔炼金属物料并产生熔融金属的基于熔融浴的方法，其中熔融浴具有至少900mm深的金属层。该方法包括选择方法的工作参数，以便进料(固体物料和载气)从金属层上方通过至少一个固体注入喷枪以足以穿透到金属层的标称静态表面下方至少100mm的深度以引起来自金属层的熔融物料和气体向上运动的动量被注入金属层。
文档编号C21B13/00GK103228800SQ201280003879
公开日2013年7月31日 申请日期2012年2月9日 优先权日2011年2月9日
发明者R·J·德赖 申请人:技术信息有限公司