生产热海绵铁的方法

专利名称:生产热海绵铁的方法
本发明涉及的是用气体直接还原铁矿石，以生产海绵铁的方法。更具体地说，是关于生产有预定渗碳度的，在仍处于相当高温时作团压用的海绵铁，和/或供直接热装到精炼炉、或熔炉、或诸如此类装置中用的热海绵铁的改良的方法。
美国专利3，765，872、3，770，421、3，779，741和3，816，102号公开了，把高炉和几个铁矿石移动床还原炉结合成的，典型的气体还原装置。在这些装置中，铁矿石的还原一般通过主要由一氧化碳和氢气组成的还原气的作用而完成，而此还原气是对天然气和水蒸汽的混合气进行催化转化而获得的。这些装置一般包括立式反应炉，其上部有还原区，下部有冷却区。把要还原的矿石进料到该反应炉的顶部，而且向下流动，先通过该还原区，在还原区内矿石与热的还原气接触，然后通过冷却区，在它在反应炉底部被排出之前，在此冷却区内，用气体冷却剂冷却矿石。由还原区排出的气体，经冷却而除去其中的水分，绝大多数情况下，大部分经冷却的排出气再次被加热，并使之再循环到该还原区。同样，从冷却区排出的冷却气中，一般至少有一部分冷却气被冷却，并再循环到该冷却区，使海绵铁冷却到，或接近于环境温度。在反应炉的底端，装有诸如旋转排出阀，振动斜槽，传送带或其它同类的装置，用以控制已冷却的海绵铁从反应炉排出。
用于炼钢的海绵铁，较理想的是需含1%到4%的碳，其形态最好是碳化铁，而不是如炭黑一类的元素碳。虽然在上述类型的反应炉的还原区中发生了一定量的渗碳作用，但是大部分所需要的渗碳作用却是予先已在冷却区内完成。例如，当采用美国专利4，370，162号所示类型的非化学计量的烃水蒸汽转化器作为补充还原气源时，在还原区内海绵铁的渗碳量大概不会大于0.5%左右。另外的渗碳量，可以藉引入甲烷(它可以以天然气形式)到经过该反应炉冷却区的循环冷却气中，以使海绵铁的含碳量升至例如2%的需要量。
通常都希望于高温时排出海绵铁，以便直接输送到炼钢炉，或者，当不能立即使用热海绵时，便把它输送到熔炉，或输送到把这种反应炉产生的热海绵铁进行团压的机器中。经直接还原的铁，其团块形状比多孔、易碎和较小的海绵铁颗粒状更容易操作和输送。海绵铁的团块也可减少贮藏时因与大气空气接触而导致再氧化的可能性。然而，如上所述，常规反应炉是在环境温度，或接近环境温度下排出海绵铁。在这样低的温度下，靠团压使产品致密是难以达到的，它需要高的压力，这势必会产生易碎的产品和高比例的，不符合需要的细屑。实际上，为了生产具有满意物理性能的团块，海绵铁的温度应该比较接近于烧结温度。
更具体来说，海绵铁的团压应该最好在大约700℃以上进行。对于大多数类型的海绵铁而言，低于此温度时，一般所需的压力太大，而且团压设备的磨损会很严重。此外，要使海绵铁相当致密也非常困难。为了操作方便和钝化作用，而要求团块具有至少5克/厘米3的密度。致密的团块具有较少的暴露表面，较低的孔隙度，而且产生碎片和细屑的倾向较小。
在适于热团压的温度下(一般为600℃至800℃)生产海绵铁，不仅仅是常规反应炉的冷却区需在较高温度下操作的问题。如上所述，反应炉的冷却区需完成冷却作用和渗碳作用，因此必须使冷却气体的流量、成分和温度保持适当的平衡，以达到这两种功效。在以前采用的反应炉操作条件下，不可能生产出既具有最佳热团压温度，又有符合需要渗碳度的海绵铁。
因此，本发明的一个目的是提供一种生产具有予定度的渗碳化和金属化的热海绵铁的改进方法。
本发明的另一个目的是提供一种生产合乎热团压要求性能的海绵铁的方法。
本发明的又一个目的是提供一种生产团压海绵铁的改进的方法。
本发明的其它一些目的可由以下分部分地指出而一部分一部分地明白。
本发明是基于诸申请人的下述发现当采用普通的非化学计量的烃水蒸汽转化器作为补充气的气源时，通过添加予定流量的甲烷气(它可以是天然气形态)到还原气(该还原气流过还原区中矿石的移动床层)中，就可能在还原区内，使海绵铁完成所有需要量的渗碳作用。在实施本发明方法时，把粒状铁矿石加料到直立配置的，移动床反应炉中，炉内有普通的还原区，此还原区成为还原气回路的一部分，还原气则通过此回路而循环。还原气在进入还原区之前需先加热，而在离开还原区以后，则需冷却和脱水。由合适的气源，例如由烃水蒸汽催化转化器产生的，主要由一氧化碳和氢气组成的补充气流被输送到该还原气回路中。按照本发明，将甲烷气或天然气的单一气流加入还原气回路，藉此可增加还原区内发生的渗碳量。甲烷气可以与补充气混合，而且供给气体回路的该混合气，或甲烷气都可单独加入该回路。
他们还进一步发现，海绵铁中的渗碳度直接随添加的甲烷量而变化，因此，按照本发明，可以调节甲烷气的流量，以达到海绵铁产品中所需要的渗碳度。由于在还原区内可完成所有需要量的渗碳作用，所以海绵铁可以在它离开反应区时的温度下使用，或者可在冷却到任意可控制的温度下使用，这取决于海绵铁的情况，例如，它是否要直接装料到精炼炉或熔炉，或者是否进行团压，用于中间贮存。若使用本发明方法时，典型的海绵铁产品温度大约为600℃至900℃。
将甲烷气输入还原装置，用于铁矿石的直接气体还原的粗略的概念虽然已公开于先有技术中，但是添加可调节流量的甲烷到还原气体的回路中，以使所有需要量的渗碳作用都能在还原区内完成，并使已充分渗碳的，高温的海绵铁从反应炉排出的概念似乎是新的。例如，美国专利4，054，444号公开了一种反应炉装置，其中，甲烷气或甲烷和已冷却的炉顶气的混合气被引入还原区下面的缓冲区，而且和由冷却区向上流动的气体混合。所添加的甲烷在缓冲区通过一个反应而转化为一氧化碳和氢气，该反应，按该，乃吸热反应，因此而使海绵铁冷却。所以此先有技术的方法并不能生产出充分渗碳的热海绵铁，而本发明诸申请人的方法却能够制取它们。
美国专利4，439，233号公开了一种还原系统，它有一个还原气回路，可将甲烷气和予先制成的补充气都添加到该回路中。然而，在该系统中，该回路包括有一台化学计量的烃水蒸汽转化器，将甲烷加入该转化器的原料气中，估计就在此中被转化。因此，并没有甲烷气流以可控制的流量，被加到气体回路中，以调节还原区内的渗碳量。此外，在此专利中也没有渗碳控制的讲述。
在本发明的说明书和附图中，诸申请人已显示并叙述了，有关其发明的几个最佳实施方案，同时又提出了各种比较方案和改进。但是必须明白，这些都不可认为是无遗漏的，而且在本发明的范围内可作很多变更和改进。在此为了说明的目的而选用和包括的一些建议，是为了使本技术领域：
中的其它熟练人员可更好地理解本发明及其原理，从而使他们能够按照最适合于实际应用的条件的各种方式，来改进和实施本发明。
附图概略地说明了可以用来实施本发明(此处用于热团压)的最佳方案的装置，其中，把可调节的天然气流引入还原气回路中，以产生海绵铁产品所需要的渗碳量。
参照附图，数字10通常表示立式反应炉，其中上部有还原区12。要还原的矿石通过接头14进入该反应炉的顶部，同时在还原区12内，用热还原气体将它还原成海绵铁。该海绵铁产品，在它仍然热的状态下，即通过普通的排出阀16(适于高温使用)，离开反应炉。而且用普通的团压装置18压制成块。
参看附图的左边部分，还原矿石的还原气的产生是按已知方法，在烃水蒸汽转化装置20中，通过水蒸汽和天然气(主要是甲烷)的混合气的催化转化，而成为主要由一氧化碳和氢气组成的还原气。该转化器包括装满催化剂的一组列管22，它位于连通烟道26的加热室24内。用由燃烧咀28产生的，并通过烟道26离开转化器的热燃烧产物，从外部加热催化剂列管。
形成水蒸汽/甲烷混合气的水蒸汽通过管道30，进入烃水蒸汽转化系统，同时流过热交换器32，和催化剂管的出口气进行热交换，从那里通过管道34，进入烟道26中的蛇管36，在蛇管中得到进一步加热。水蒸汽一离开烟道26，就与通过管道38进入该转化系统的甲烷气混合。此水蒸汽/甲烷混合气在位于烟道26内的蛇管40中被加热，而且通过管道42，流到催化剂列管22，在列管中转化成如上所述的一氧化碳和氢气。天然气中含有的其它碳氢化合物也于此同时被转化。由此形成的还原气便将其部分热量传给热交换器32的进口的水蒸汽，然后在冷却器44中，通过急冷而脱水，由此通过流量控制器46，流到补充气的供气管48，由它再引到下面即将叙述的右附图的还原气回路中。
此处示出的通用型的矿石还原系统中，通常使通过反应炉还原区的大量还原气再循环。离开还原区12的余气，便流进回路，通过管道50到达急冷器52进行冷却和脱水，然后通过管道54，进入压缩机56。一部分再循环气，通过装有回压调节器60的管道58，从该回路中排出，同时被输送到合适的贮存点，或当作燃料等用，或排放到大气中。调节器60的作用是使反应炉10和辅助设备保持于所需的压力。部分循环气的排出可防止氮气或过量的其它不需要气体在还原气回路中的积聚。
再循环气由鼓风机56送出后，依次通过管道62、二氧化碳脱除装置64、管道66、加热器70中的蛇管68(最好把气体加热到大约900℃至950℃)、以及管道72，将热的还原气导入还原区12的底部，从而完成还原气的回路。如图所示，来自烃水蒸汽转化器20的新鲜还原气通过管道48，流到管道66，在此与再循环气混合，此种再循环气与新鲜气的混合气，在导入反应炉还原区12之前，先在加热器70加热。
按照本发明，需将甲烷气或含甲烷的气体的单一气流导入还原气回路。因此，将流过管道38的部分天然气转方向，使它通过管道74(此管路中装有调节阀76)，并输送到管道48。所添加的甲烷气，与烃水蒸汽转化器20发生的补充气混合后，又与再循环气混合于管道66，所产生的混合气，在流经管道72送入还原区12之前，先于加热器70的蛇管68中加热。对于直接还原工艺来说，所用还原气的进气温度，一般是例如850℃至950℃。
如上所述，已发现海绵铁产品的渗碳量直接随所添加甲烷量的变化而改变。但是，又发现，不可能精确地确定上述关系，因为它并非严格地成比例关系，而且它亦随所处理矿石的性质和反应炉中的操作条件等因素而变化。为了说明用本发明可以获得的一些结果，下面给出已生产出具有不同渗碳度海绵铁产品的一组条件的实例。
实例1一种具有92.1%金属化、0.63%含碳量(以碳化铁形式)、93.4%总铁含量、以及出料温度750℃的海绵铁产品，是在还原气进气温度775℃、出气温度450℃的反应炉中生产的。下面表1给出了标记为F1至F7的七种气流的流量和成分。这七种气流的位置标于附图中。
表中给出的气体流量是指生产每公吨海绵铁所需的标准立方米气流。气体成分则以克分子百分数给出。
表ⅠF1F2F3F4F5F6F7流量6672415194318796417480.0H274.7 72.9 67.5 67.5 67.5 72.4 0.0CO12.510.18.58.58.59.10.0CO29.2 2.6 6.8 6.8 6.8 0.0 0.0CH41.9 10.6 12.9 12.9 12.9 13.9 0.0C2H60.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0N20.2 2.1 2.6 2.6 2.6 2.8 0.0H2O 1.5 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 0.0实例2在还原气进气温度为775℃，出气温度为440℃的反应炉中，生产具有93.1%金属化、2.31%碳含量、92.6%总铁含量和出料温度750℃的海绵铁产品。F1至F7七种气流的流量与成分给出于下。
表ⅡF1F2F3F4F5F6F7流量65024101919186059174019H274.4 72.3 67.8 67.8 67.8 72.4 0.0CO12.69.27.57.57.58.00.0CO29.5 2.5 6.2 6.2 6.2 0.0 0.8CH41.7 11.7 13.6 13.6 13.6 14.5 91.8C2H60.0 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 6.3C3H80.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.4N20.3 2.7 3.4 3.4 3.4 3.6 0.7H2O 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 0.0
实例3在具有925℃进气温度和430℃出气温度的反应炉中，生产碳含量1.8%和出料温度800℃的海绵铁产品。F1至F7气流的流量和气流的确定成分给出于下。
表ⅢF1F2F3F4F5F6F7流量50022002305178490164060H270.70 71.68 55.69 68.56 68.56 74.58 0.07CO17.0611.507.649.409.4010.230.00CO23.70 2.47 7.09 8.71 8.71 0.70 7.23CH43.24 12.54 9.66 11.89 11.89 12.93 79.36C2H60.00 0.24 0.00 0.00 0.00 0.00 8.58C3H80.00 0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 3.62C4H100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.87C5H120.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.20H2O 1.28 1.26 19.74 1.23 1.23 1.33 0.00N20.02 0.18 0.18 0.21 0.21 0.23 0.07从以上的叙述可知，本发明提供了一个高效率且可行的生产海绵铁方法，该海绵铁在适合于团压的温度时，具有予定要求的渗碳度。本发明也可用来生产一种，在900℃左右的温度时，有合适渗碳量的海绵铁，为直接供料给炼钢炉、熔炉、或类似装置用。从本发明较广泛的一个方面看，除了甲烷气或天然气以外，还可以采用气化器气、反应气(processgas)、磨成粉状的木炭、低级烃气等一类的其它渗碳源以取代甲烷或天然气。
将来自管道74的起渗碳作用的气体，经过混合或未经混合，适当地引入CO2脱除装置64与加热器70之间的第一气流的回路中。可以粗略地认为，此进料气可以是在CO2脱除装置(因为F1至F7气流中存在有CO2)之前，加到已冷却的第一气流中。然而，这将会增加CO2脱除装置的大小和费用，却不能从少量额外CO2的排除中得到足够的经费上的收益。
权利要求
1.一种在高温下，在直立配置的，移动床反应炉内，由粒状铁矿石生产海绵铁的方法，该反应炉具有一个还原区，该还原区成为还原气体回路的一个部分，还原气体通过该回路而循环，该方法包括把要还原的矿石加到所说还原区的顶部，使主要由一氧化碳和氢气组成的第一气流经过该回路进行循环，在第一气流进入所说的还原区以前，加热该第一气流，同时在它离开该还原区以后，冷却之并使之脱水，加入第二气流，以补充所说回路，该回路包括主要由一氧化碳和氢气组成的补充气，该方法的特征在于加入主要由甲烷组成的第三气流，以补充所说回路，并使该甲烷在所说还原区对海绵铁渗碳，而且调节流向所说回路的甲烷流量，以保持所说海绵铁中予定的渗碳度，此外，将已渗碳的热的海绵铁从所说反应炉排出。
2.按照权利要求
1所述的方法，其中所述的第二和第三气流，是在加入所说的已冷却的第一气流之前先进行混合。
3.按照权利要求
1的方法，其中所说的第二和第三气流分别加到所说已冷却的第一气流中。
4.按照权利要求
1的方法，其中所说的第三气流是天然气。
5.按照权利要求
1的方法，其中所说的第三气流是以一流量加入所说回路，以产生渗碳量0.5%至4%的海绵铁。
6.按照权利要求
1的方法，其中把由反应炉排出的热海绵铁进行团压。
7.按照权利要求
1的方法，其中所说第一气流的气温，在加到反应炉时，是850℃到950℃。
8.按照权利要求
1的方法，它还包括从所说的已冷却的第一气流中脱除二氧化碳。
9.按照权利要求
7的方法，它进一步包括，从所说的已冷却的第一气流中脱除二氧化碳，其中所说的第三气流是天然气，将它加入脱除二氧化碳之后的所述已冷却的第一气流中，而且是以一流量加入，以产生渗碳量0.5%至4%的海绵铁。
专利摘要
本发明涉及的是一种，在适合于团压的高温时，将铁矿石用气体直接还原成海绵铁的方法和装置，其中，使热的还原气通过正在降落的铁矿石体向上循环，同时把补充的还原气流加到该循环气流中。将调节好的天然气流或含甲烷的其它气流，添加到所述的补充气流或所述的循环气流中，藉此可得到具有预定要求的，0.5％到4％渗碳度的海绵铁产品。
文档编号C21B13/02GK87102213SQ87102213
公开日1988年3月16日 申请日期1987年3月20日
发明者豪尔赫·奥克塔维奥·贝塞拉-诺沃亚 申请人:伊尔萨公司