专利名称：煤-氧-矿-熔剂复合喷射铁浴造气与炼铁的制作方法
技术领域：
本发明属于化工冶金领域，是熔融还原炼铁的一种新工艺。该工艺将喷粉冶金技术，熔融还原炼铁技术和煤气制备技术结合为一体，所以具有熔融还原炼铁、半钢、造气和废钢熔化等多种功能。
本世纪六十年代以来，世界各国的许多冶金研究工作者一直致力于熔融还原炼铁新技术的研究与开发工作，即试图用氧、煤、矿石直接冶炼出生铁或半钢。特别是近十年来，对这一新技术的开发有了重大的突破。目前正在开发的熔融还原工艺有十余种，但从本质上说，煤氧熔炼可分为两类，即一步法和二步法。一步法是以煤作为还原剂和热源，将铁矿石直接在熔融状态下在铁浴炉内还原成生铁或半钢，煤粉和氧气可从炉底、炉顶或炉侧喷入铁浴中，而铁矿和造渣料从炉顶加入或随煤粉喷入熔铁，为了提高供热强度，同时还向熔炼炉空腔或熔渣中吹入氧气来提高二次燃烧率。二步法是在一步法的基础上加了一个或二个预还原炉，即首先以熔炼炉煤气为热源和还原剂，将铁矿石在固体状态下预还原到一定程度，然后紧接着进行熔融终还原。
无论是一步法还是二步法，大多数流程都离不开铁浴熔融终还原。二步法所需煤气也必须由铁浴反应器产生。对于流化床预还原矿粉，需经喷吹方式输送到铁浴反应器内。此外，由于吹入大量的煤粉，导致熔铁中硫含量较高，需经脱硫后才能用于炼钢。因此可以说，铁浴反应器是整个熔融还原工艺的中枢环节。
目前，世界各国正在开发多种熔融还原工艺和反应器。与本发明较接近的熔融还原工艺是日本SUMITOMO METAL IND KK公司煤氧铁浴气化与炼铁工艺(专利号86229175/08635)。该工艺是将煤氧从立式铁浴反应器的下部喷入，底枪喷嘴由同时吹入的碳氢气体化合物CnHm裂解吸热得到保护，而矿粉和熔剂由顶枪从反应器的顶部喷入反应器，矿粉大部分直接进入熔渣。由于矿粉不能直接与熔铁接触，因而反应速度较慢。此外，煤气二次燃烧率低，成分不宜调整，熔渣FeO含量高，脱硫能力差，渣量大，难以得到合格硫含量的铁水。
本发明工艺克服了上述缺点，本发明将预还原矿粉、煤粉和氧气从炉顶喷入熔铁表面，自炉底喷入煤粉和氧气，当炉容积大于2m3时，还自顶枪喷入二次氧气，使煤气进一步二次燃烧和控制煤气成分，煤氧熔炼和造气结束并溢渣后，直接在炉内进行底喷粉脱硫精炼批处理。
本发明工艺设计了一个煤-氧-矿-熔剂复合喷射的铁浴反应器，在同一反应器内，实现熔融终还原，制造不同成分的煤气，精炼脱硫三个目的。这种工艺，既充分地利用了煤的化学能，又把炉外脱硫的程序引进了该工艺，从而节约了设备，提高了效益，降低了炼铁的成本。可得到预还原炉所要求的合格煤气和炼钢炉所要求的合格铁水。
为实现发明的目的，本发明者设计了多流道的顶喷枪和双流道预混式底枪与转炉炉体配套使用。顶枪分为水冷多流道喷枪和双流道喷枪两种，一般视炉容积的大小，可分别采用双流道喷头(炉容积小于2M3)或多流道喷头(炉容积大于2M3)。
图1为煤-氧-矿-熔剂复合喷射造气与熔融还原炼铁反应器的示意图。图2为顶枪(A)结构示意图。图3为顶枪(B)结构示意图。图4为底枪结构示意图。其中(1)顶枪、(2)底枪、(3)转炉型铁浴炉体、(4)中心管、(5)中间管、(6)外层管、(7)外层环管、(8)环隙、(9)中心管、(10)中间环缝、(11)外层环管、(12)内喷管、(13)内喷嘴、(14)喷枪头、(15)中隔管、(16)氧气喷管、(17)外套管、(18)内喷管、(19)外喷管、(20)外喷管进口接头、(21)密封压盖、(22)密封塞、(23)预混管。
图1为反应器的结构图，其特点是由顶枪(1)、底枪(2)、转炉型炉体(3)三个部分组成。顶枪安装在炉体上部(见图1)，用以喷射氧-煤-矿石，水蒸气，副氧。底枪为双流道预混式喷枪，安装在炉底，用以喷射煤及矿、氧或熔剂。对于底枪的结构和性能本发明者在已获专利中有详述(中国专利CN91216746.7)，所设计的炉底煤氧枪无需冷却气保护，而靠煤粉自身热解得以保护。
图2为多流道喷头结构示意图，中心管(4)为煤粉，矿粉流道，中间管(5)为主氧流道，外层管(6)为二次燃烧副氧流道，外层环管(7)为冷却水流道，与中心管相邻的环隙(8)为水蒸气流道。喷头由紫铜铸造而成，与枪身螺纹连接。副氧流道的设计不仅使一氧化碳进一步二次燃烧，释放更多的热量供还原吸热，提高热效率，而且改善了气-渣间的传热条件，这是区别于其他顶枪的关键所存。
图3为双流道喷头结构示意图，内喷嘴(13)、内喷管(12)、喷枪头(14)分别由2520耐热钢，1Cr18Ni9Ti不锈钢，紫铜制成，中隔管(15)等其他部分由无缝钢管制成。内喷嘴(13)与内喷管(12)用螺纹连接，氧气喷管(16)与喷枪头(14)用螺纹连接。而外套管(17)与喷枪头(14)则焊接相连。
图4为底枪的结构示意图，其结构和性能详见CN91216746.7的专利所述。
底喷枪和炉体配套使用，打结在炉衬内，底枪预混段端头与炉底表面相平为宜。
本工艺所用原料包括煤粉，预还原矿粉，石灰、粉状脱硫剂、氧气、氮气、少量块状焦炭，粉料的粒度均在60mesh以下，工艺实施过种所使用的其他设备如磨粉机、供气输送系统、粉料喷吹系统，煤气收集系统是成熟的技术，不属于本发明范围。
开炉时，炉内必须有一定容量的铁水，炉内熔池高度最好为最大熔池量的三分之一左右，在兑入铁水前，底枪要不断地吹入氮气，以防喷头堵塞。首先开始底枪煤氧矿喷吹，即由底枪的环隙煤及矿流道，将已破碎在60目以下的煤粉及矿粉以氮气为载体喷入炉内，随后将底枪中心管的氮气切换成氧气。同时，将顶枪降至距熔池液面一定高度，顶枪的煤氧流道要维持一定的氮气量，以防喷头堵塞。当采用B型顶枪时，待炉温合适后，再开始由顶枪的中心管(9)喷入煤粉、矿粉、由中间环缝(10)吹入氧气，调整顶枪和底枪各喷吹参数正常最佳炉温1500-1650℃，炉气出口温度小于1700℃，炉渣碱度R＝1-3。炉渣的碱度由炉顶加入石灰量来调整。石灰分批加入，加石灰的间隔时间视喷吹速度而定，石灰加入量视喷吹物料成分和渣碱度要求而定。为防止泡沫渣喷溅和保护炉衬，随着石灰加入部分块状焦炭。熔炼过程控制炉内碳氧含量是操作的关键，所以底喷碳氧原子比为C/O＝1.0-2.0，顶喷碳氧原子比为C/O＝0.8-1.6，顶喷参数煤矿重量比为煤/矿＝1-2。
随着喷吹的进行，熔池中液面逐渐升高，当熔池高度超过正常操作允许高度时，提升顶枪，停止顶枪喷吹，切换底枪供煤供氧，使维持底枪中心管和环隙有适当的氮气流量。摇炉溢渣后，以氮气为载体由底枪中心管喷入脱硫粉剂进行脱硫的操作。脱硫剂可为氧化钙基多元渣系或其他高硫容量的合成渣。传统的脱硫方法是靠由炉顶加入石灰造渣来进行的，由于在熔炼过程中，渣中FeO含量高，因而炉渣脱硫能力差，而煤粉的吹入，又导致熔铁中硫含量较高，要得到低硫含量的铁水，必须向炉内加大量的石灰造大量的碱性渣，才能达到脱硫的效果，这样做在实际生产中带来很大困难。为了解决这一问题，本发明将炉外精炼脱硫的技术引入该工艺，即在熔融还原结束时，由装在炉底的底枪喷入脱硫粉剂，能使铁水快速地脱硫。此外，本发明工艺炉内渣层较薄，部分被还原出的磷蒸气还来不及被熔渣和熔铁充分吸收而随着煤气逸出，所以铁水中的磷含量，低于高炉铁水和用其他工艺所得的铁水的磷含量。
经过不同种类的原料和燃烧及不同工艺参数下的大量试验表明，本工艺与国内外类似专利相比，效果更好，反应器寿命长，顶枪寿命可达200小时以上，底枪的寿命也大于炉令(指炉衬寿命)。
最佳实例实例一、D100kg级热模型上装入炉料熔化，装入量为其容量的1/3，熔化过程中保持底枪有适量N2通入，以防底枪堵塞。炉料熔化后，开始底喷煤氧，并降低顶枪进行顶吹二次氧，当炉温达到1500℃以上时，停止二次氧，并进行顶喷煤氧矿，当底喷吹参数碳氧比C/O为1.5，顶喷参数煤矿比为1.0、碳氧(主氧流道的氧)原子比1.0，矿粉为金属化率32%的流化床预还原矿粉，煤粉为大同烟煤，渣碱度控制在2.0左右，在顶枪喷头距熔池表面约400mm，试验过程中每5min取气样分析的技术参数条件下，在煤-氧-矿复合喷吹造气与熔炼过程中，在80min的试验时间内，制备的煤气成分分析结果为68-76%CO，15-20%H2，1-3%CO2，5-7%N2，85%-96%(CO+H2);铁水成分C4.5-5.0%，Mn0.27-0.31%，P0.14-0.15%，Si0.3-0.4%，SO0.02-0.15%，铁浴对熔融铁氧化物的还原能力强，渣中氧化铁总量可控制在5%以下。
煤-氧-矿复合喷射造气与终还原之后，即当熔池高度涨到规定容量时，提起顶枪并停止喷吹，切换底枪喷煤氧为喷吹CaO-CaF2粉，进行脱硫精炼，当脱硫剂喷吹量为20公斤/吨铁。在20min的时间内，熔铁中的硫由0.15%降低到了0.006%，脱硫率在95%以上。停止底喷脱硫剂，并适当维持底枪有一定的N2流量以防堵塞，摇炉溢渣、出铁2/3。然后开始下一个炉役的操作。
从试验开始到试验结束(约4小时)，铁水中的磷含量略有增加。
实例二、通过控制枪位和氧流量可得到不同(CO+H2)含量的煤气。例如在实例一参数的基础上，增加副氧流量至主氧量的1/3，则可得到58-64%(CO+H2)，28-31%(CO2+H2O)的煤气，既满足了流化床对铁矿预还原度的要求，又在铁浴内有效地利用了煤的化学能。经过数十次的试验表明，煤氧顶枪寿命可达数百小时以上。
实例三、将实例一的底喷参数碳/氧比值改为1.0可炼得碳含量2.0-2.5%的半钢。
权利要求
1.一种熔融还原炼铁(或半钢)，造气的工艺流程，其特征在于在同一个反应器中(转炉型炉体)，设计安装了水冷多流道(包括双流道)的顶枪，双流道底枪，进行复合喷吹煤-氧-预还原矿-熔剂；调整顶枪喷吹参数碳和氧的原子比为C/O=0.8-1.6，煤矿重量比为煤/矿=1-2，熔池温度为1500-1650℃，控制炉渣的碱度R=1-3，(R=CaO+MgO+MnO/SiO2+0.55Al2O3+1.18P2O5)，调整底枪喷吹参数碳氧原子比C/O=1-2，可获得不同成分的煤气；终还原结束后，溢渣，由底枪以氮气作载体喷入氧化钙基多元渣系直接精炼脱硫。
2.按权利要求1所述方法，最佳渣碱度R＝1.5-2.0
3.按权利要求1所述方法的设备，A为三流道顶枪，其结构特征为中心管(4)为煤粉和矿粉的流道，中间管(5)为主氧流道，外层管(6)为二次燃烧副氧流道，外层环管(7)为冷却水流道，喷头铸造而成，与枪身螺纹连接。
4.按权利要求3所述的喷枪设备，顶枪可由四流道组成;与中心管相邻的环隙(8)为水蒸气流道。
5.按权利要求3所述的喷枪，B为双流道顶枪，其结构特征在于包括中心管(9)，内喷嘴(13)，内喷管(12)、喷枪头(14)、中隔管(15)、外套管(17)等部分;中心管(9)为矿和煤流道，中间环缝(10)为氧流道，外层环管(11)为冷却水流道;内喷嘴(13)与内喷管(12)用螺纹连接，氧气喷管(16)与喷枪头(14)用螺纹连接，外套管(17)与喷枪头(14)靠焊接相连。
全文摘要
本发明属于化工冶金领域，熔融还原炼铁的一种新工艺流程。其特征为在同一个铁浴反应器中，借助多流道底枪和顶枪复合喷吹煤-氧-矿-熔剂，进行铁矿石的终还原。在造气与熔融还原过程中，改变各个喷吹参数(碳/氧原子比，顶枪高低，副氧流量等)时，得到不同成分的煤气，既满足了矿石预还原的要求，又提高了煤的化学能的利用。终还原结束时，直接在铁浴反应器中喷吹脱硫剂脱硫，获得合格的铁水或半钢。
文档编号C21B11/00GK1095108SQ93104740
公开日1994年11月16日 申请日期1993年5月12日 优先权日1993年5月12日
发明者王大光, 谢裕生, 郭占成, 艾菁, 刘天中, 杨学民, 孙月海, 于宪溥 申请人:中国科学院化工冶金研究所