一种气基竖炉和电炉联用的系统和方法与流程

本发明属于冶炼设备技术领域，尤其涉及一种用于直接还原炼铁的气基竖炉和电炉联用的系统和方法。

背景技术：

目前，高炉炼铁法依然是钢铁生产的主要方法，其存在的主要缺点是对冶金焦具有强烈依赖性。随着冶金焦资源贫乏、价格居高不下而非焦煤资源储存广泛且不能被利用，以及我国在治理雾霾和严格控制污染气体排放等政策的颁布，高炉炼铁法遇到了前所未有的挑战，而以气基竖炉生产工艺为首的直接还原法的优越性则越来越显著。

气基竖炉生产工艺是指不依赖高炉，通过气基竖炉设备炼制海绵铁的生产过程。气基竖炉生产使用的原料为球团矿或铁矿石。将球团矿或铁矿石置于气基竖炉炉顶预热段进行预热后进入还原段发生还原反应，生产出具有一定温度的海绵铁产物。

气基竖炉由预热段、还原段和冷却段组成，并将冷的海绵铁送至电炉内进行熔分生产钢液，取代高炉炼铁法长流程中转炉炼钢工序，为后序连铸过程连续进行提供保障。

由于气基竖炉直接还原工艺均含有冷却段，冷却气体为室温下的还原气、焦炉煤气或天然气，一方面造成了海绵铁能量的大量散失，后序熔分过程需要提供更多的电能。另一方面要制备冷却气体增加了制气过程负担，也给加热了的冷却气安全储存和生态环境带来新的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种气基竖炉和电炉联用的系统和方法，在气基竖炉和电炉之间增加了储料罐，改进了气基竖炉的结构，使得整个系统可以最大限度的利用高温海绵铁的显热，降低电炉熔分过程中电能的消耗。

本发明的目的之一是提供一种气基竖炉和电炉联用系统，包括气基竖炉、储料罐、溜管和电炉；

所述气基竖炉包括原料进口、物料出口、气体出口和还原气入口；

所述储料罐包括罐体、料重仪和支撑架，所述罐体包括进料口和出料口，所述料重仪固定在所述支撑架上，所述罐体固定在所述料重仪上；

所述电炉包括进料口；

所述气基竖炉物料出口连接所述罐体进料口，所述罐体出料口通过溜管连接所述电炉的进料口，所述罐体位于所述气基竖炉的下方，所述电炉位于所述罐体的下方。

气基竖炉包括预热段和还原段，原料进口位于气基竖炉的顶部，气体出口位于预热段，还原气入口位于还原段，物料出口位于气基竖炉的底部。气基竖炉取消了冷却段及其冷却过程相关附属设备。

气基竖炉产生的高温海绵铁连续排出至储料罐中贮存。储料罐在整个系统中起到承上启下的作用。在电炉需要装料时，将储料罐中贮存的海绵铁送至电炉。其罐体的容量必须满足气基竖炉和电炉联用系统连续生产的要求。罐体最小体积容积由公式V＝Q×t决定，式中，Q为气基竖炉单位时间海绵铁产量，t为贮存时间；t＝t₁+t₂-t₃+t₄+t_other，式中，t₁为电炉装料时间，t₂为电炉熔分时间，t₃为电炉装料与电炉熔分过程重叠时间，t₄为电炉电极更换时间，t_other为电炉其它维护检修时间，电炉装料和电炉熔分过程为两个独立过程但存在一定的时间交叉，因此电炉熔分过程是相对连续而非绝对连续。

进一步的，本发明的系统还包括洗涤器、预热器和转化炉，

所述洗涤器包括气体入口、第一煤气出口；

所述预热器包括混合气入口和气体出口；

所述转化炉包括气体入口和还原气出口；

所述气基竖炉气体出口连接所述洗涤器气体入口，所述洗涤器第一煤气出口连接所述预热器混合气入口，所述预热器气体出口连接所述转化炉气体入口，所述转化炉还原气出口连接所述气基竖炉还原气入口。

更进一步的，本发明的系统还包括气体压缩机，所述气体压缩机包括气体入口和气体出口；所述洗涤器包括第二煤气出口，所述转化炉包括燃气入口，所述洗涤器第二煤气出口连接所述气体压缩机气体入口，所述气体压缩机气体出口连接所述转化炉燃气入口。

进一步的，本发明的系统还包括料仓，所述料仓包括出料口，所述料仓出料口连接所述气基竖炉原料进口。

优选的，所述气基竖炉物料出口通过第一波纹管连接所述罐体进料口，所述溜管通过第二波纹管连接所述电炉进料口，所述第一波纹管和第二波纹管的两端设有法兰，其通过法兰连接其他设备。

固体和料重仪之间为软连接，即罐体和料重仪之间可相对移动，便于料重仪对罐体进行称重。通过第一波纹管连接气基竖炉和罐体，可确保罐体在竖直方向上发生位移时系统的安全。电炉熔分完毕，排出钢液和电炉渣，此过程中炉体发生倾动，电炉维护检修过程中会发生的扭曲和转动。第二波纹管连接溜管和电炉，保证电炉的转动不会对系统造成影响。

更进一步的，所述第一波纹管和第二波纹管的法兰处设有氮气保护装置。在法兰连接处设置氮气保护装置可防止空气漏入导致热的海绵铁被氧化。

作为本发明优选的方案，所述溜管外层为钢板，中间为保温材料，内层为铸铁，所述铸铁的内表面镀有耐热、耐高温材料，如Al₂O₃陶瓷材料，其厚度3～7mm。

进一步的，本发明的系统还包括辅料管道，所述辅料管道与所述溜管连通。优选的，辅料管道位于溜管的出口处，与电炉的进料口形成三通。

本发明的另一目的是提供一种上述系统联用的方法，包括以下步骤：

A、将原料在气基竖炉与还原气进行还原，生成海绵铁和炉顶气；

B、将所述海绵铁送入储料罐的罐体，罐体内贮存的海绵铁的重量由料重仪测定；

C、当电炉的产物排出后，将所述罐体内的海绵铁由溜管送入电炉。

对于气基竖炉产生的炉顶气的处理步骤如下：

D、将所述炉顶气进行洗涤冷却后获得煤气；

E、将所述煤气中体积百分比为70％～80％的气体与天然气混合获得混合气体，将混合气体送入所述预热器进行预热，剩余煤气送入所述气体压缩机进行加压；

F、将预热后的混合气体送入所述转化炉，进行催化裂化反应，生成还原气；将加压后的煤气送入所述转化炉的燃料入口进行燃烧；

G、将所述还原气送入气基竖炉。

作为本发明优选的方案，在所述步骤A之前包括步骤：将原料送入所述料仓，然后对料仓进行密封，抽出所述料仓内空气后将所述料仓内的原料送入所述气基竖炉；在所述B中，所述海绵铁通过所述第一波纹管送入所述罐体中；在所述步骤C中，所述罐体内的海绵铁通过溜管与辅料混合，混合后物料通过第二波纹管送入所述电炉中。

本发明提供的气基竖炉和电炉联用的系统和方法，改进了气基竖炉结构，取消了冷却段及其相关附属设备，减少了物料在气基竖炉内的运动时间；气基竖炉产生的海绵铁输送至电炉的过程中，热损少，不会被氧化，节约了电炉熔分过程的电能消耗；设置储料罐，用于贮存气基竖炉连续排出的海绵铁，为系统的连续生产提供了保障，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明实施例气基竖炉和电炉联用系统示意图；

图2是本发明实施例气基竖炉和电炉联用方法流程图。

图中：

1-料仓；

2-气基竖炉，201-预热段，202-还原段；

3-储料罐，301-罐体，302-料重仪，303-支撑架；

4-溜管；5-辅料管道；6-电炉，601-电炉倾动装置；

701-第一波纹管，702-第二波纹管；8-洗涤器，9-气体压缩机；

10-预热器；11-转化炉。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

如图1所示，一方面，本发明实施例提供一种气基竖炉和电炉联用系统，包括料仓1、气基竖炉2、储料罐3、溜管4、辅料管道5、电炉6、第一波纹管701、第二波纹管702、洗涤器8、气体压缩机9、预热器10和转化炉11。

料仓1上设有出料口，料仓的出料口与气基竖炉的原料进口连接。本发明实施例的原料为焙烧球团或铁矿石。原料进入料仓1后，对料仓1进行密封，抽出料仓1中的空气，再将原料送入气基竖炉。这样可以保证整个系统没有氧气进入，确保后续物料不会被氧化。

气基竖炉2包括预热段201和还原段202。预热段201设有原料进口和气体出口，还原段202设有还原气入口和物料出口。原料进入气基竖炉2后，在预热段201中被由下而上的气体预热至一定温度后进入还原段202，在还原段202与底部通入的热的还原气体还原生成热的海绵铁产物。与其他气基竖炉相比，本发明实施例的气基竖炉取消了冷却段及其冷却过程相关附属设备。

储料罐3位于气基竖炉2的下方。储料罐3包括罐体301、料重仪302和支撑架303。罐体301上设有进料口和出料口。气基竖炉的物料出口通过第一波纹管701连接罐体的进料口。罐体301外壁由铸铁焊接而成，内壁均由耐火、耐温材料铸成。罐体301的下方装有三支料重仪302，三支料重仪302等角度布置于同一水平面，罐体301与302为软连接，便于料重仪302称重。料重仪302固定在支撑架303上。料重仪302采集的数据通过PLC时时传入数据库，可时刻获取罐体内贮存料量，亦可控制电炉装料过程料流速度。

罐体301最小体积容积由公式V＝Q×t决定，式中，Q为气基竖炉单位时间海绵铁产量，t为贮存时间；t＝t₁+t₂-t₃+t₄+t_other，式中，t₁为电炉装料时间，t₂为电炉熔分时间，t₃为电炉装料与电炉熔分过程重叠时间，t₄为电炉电极更换时间，t_other为电炉其它维护检修时间。

安装料重仪302的意义在于：其一，由于热的海绵铁进入电炉进行熔分可能需要加入添加剂或其它辅助原料，因此该添加剂或其他辅助原料的添加量或下料速率需在已知热的海绵铁的下料速率的前提下进行，料重仪则成为了监测和调节该指标的主要设备。其二，储料罐是衔接气基竖炉和电炉的重要环节，其储料量对气基竖炉和电炉生产均能产生一定的指导和调节作用，是气基竖炉-电炉生产过程连续进行的前提条件。

溜管4用于连接储料罐3和电炉6，将罐体中的海绵铁输送至电炉6。当上一批次入电炉中炉料熔分结束后，向电炉中再次装料时，热的海绵铁由储料罐3排出进入其下方溜管4，依靠热的海绵铁自身重力落入电炉6内。溜管4由三层结构组成，其外层为壁厚为10mm钢板焊接而成，中间层由耐热保温材料填充，耐热保温材料为保温棉，如矿渣棉、岩棉等，厚度约100mm，最内层为铸铁材料，厚度为10mm，且内表面通过SHS技术镀有厚度约5mm厚的耐磨、耐高温材料，如Al₂O₃陶瓷材料。溜管4的直径大小应根据海绵铁的热送流量而定。溜管4倾斜设置，其与水平面的夹角为15～30°，具体角度由海绵铁的最大热送流量及实际生产过程中储料罐3与电炉4的距离和位置决定。

与传统溜管相比，本发明的溜管4没有氮气冷却系统，溜管中间层为实体材料，既能够确保热送海绵铁过程温降低，亦能促使海绵铁长期稳定输送。该装置具有耐磨、耐高温，易更换的优点。

溜管4通过第二波纹管702连接电炉6的进料口，以保证电炉的转动不会对系统造成影响。

在溜管4的下方设有辅料管道5，辅料管道5与溜管4的出口汇合，形成三通的形式。辅料管道5上设有开关装置，能够控制进料速度。

电炉6位于储料罐4的下方。电炉6用于物料的熔分，其包括电炉倾动装置601。电炉6的炉盖上焊接有受料管，受料管内壁镀有耐温耐磨层，管壁外侧由炉盖冷却水系统进行冷却，防止受料管温度过高，延长其工作寿命。

洗涤器8包括气体入口、第一煤气出口和第二煤气出口。气基竖炉2的气体出口连接洗涤器8的气体入口。洗涤器8用于将气基竖炉产生的炉顶气洗涤冷却后获得煤气。

预热器10包括混合气入口和气体出口，第一煤气出口排出的煤气占煤气量体积的70％～80％，第一煤气出口排出的煤气与天然气混合后，获得混合气体，混合气体由预热器混合气入口进入预热器10。

气体压缩机9包括气体入口和气体出口，洗涤器8的第二煤气出口连接气体压缩机9气体入口，对剩余的煤气进行加压。

转化炉11包括燃气入口、气体入口和还原气出口。预热后的混合气体通过转化炉的气体入口进入转化炉11，在镍质催化反应管组进行催化裂化反应后生成850～950℃的还原气。生成的还原气由气基竖炉的还原气入口通入气基竖炉。加压后的煤气通入转化炉11进行燃烧。

波纹管可伸缩，在其连接的设备移动时，波纹管的伸缩可保证系统的安全。本发明实施例中第一波纹管701和第二波纹管702均耐温耐磨，其两端均设有法兰，在法兰连接处设置氮气保护装置可防止空气漏入导致热的海绵铁被氧化。

另一方面，本发明实施例提供一种上述系统联用的方法，包括以下步骤：

1、将原料送入料仓，然后对料仓进行密封，抽出料仓内空气后将料仓内的原料送入气基竖炉。

2、将原料在气基竖炉进行还原反应，生成高温海绵铁(大于600℃)和炉顶气。

3、将海绵铁通过第一波纹管送入储料罐的罐体，罐体内贮存的海绵铁的重量由料重仪测定。

4、当电炉的上一批产物排出后，将罐体内的海绵铁通过溜管和辅料混合，混合后的物料通过第二波纹管送入电炉。

5、将所述炉顶气进行洗涤冷却后获得煤气。

6、将所述煤气中体积百分比为70％～80％的气体与天然气混合后送入预热器进行预热，另一部分煤气送入气体压缩机进行加压。

7、将预热后的混合气体送入转化炉，进行催化裂化反应，生成850～900℃还原气；将加压后的煤气送入转化炉的燃料入口进行燃烧。

8、将所述还原气送入气基竖炉。

由于电炉熔分与装料过程存在一定的时间差，即电炉熔分过程不是绝对意义上的连续过程，需在气基竖炉与电炉中间环节建立一个储料罐来贮存气基竖炉连续生产产生的热的海绵铁。储料罐内贮存的热的海绵铁的重量由其下方同水平面等夹角布置的三支料重仪测定并经过PLC传输进入数据库，其数据可时时被监测。

电炉装入一定料量后停止加料，进入熔分过程。电炉装料过程与熔分过程可以存在一定的重叠时间，即在电炉装入一定料量后开始进行熔分，但加料过程与熔分过程时间完全重合，即边加料、边熔分、出钢液和电炉渣则不合理。

熔分完毕后，缓慢倾动电炉，排出钢液和电炉电炉渣接近完毕后电炉归位，需要更换电极或维护检修时暂停向电炉内加料，无需更换电极或维护检修操作则开始向电炉加料，进入本批次电炉熔分过程。

值得注意的是，该方法和系统包括但不局限于氢气竖炉-电炉联合生产处理铁精矿、钒钛磁铁矿、红土镍矿、高磷赤铁矿，其他矿种采用该方法和系统均落入本发明的保护范围。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。