专利名称：从金属氧化物生产金属的直接冶炼方法
技术领域：
本发明涉及一种方法，该方法是在含有熔池的冶金转炉中，从金属供给物料如铁矿石、部分还原矿、和含有金属的废气／液来生产熔融金属(该术语包括金属合金)，特别是但决不仅仅是铁。
本发明特别涉及一种从金属供给物料生产熔融金属的金属熔池基直接冶炼方法。
生产熔融金属的最普遍的方法是基于使用高炉。将固体物料装入炉子顶部，从炉膛出熔融铁。该固体物料包括铁矿石(以烧结块、块矿或球团矿的形式)、焦炭和助熔剂，形成向下运动的渗透性炉料。将预热的空气(可以是富氧)喷入炉子底部，气体向上运动经过渗透性的床，通过焦碳的燃烧产生一氧化碳和热。这些反应的结果是生产出熔融铁和渣。
在所产生的铁的熔点以下还原铁矿石来生产铁的方法通常归类为“直接还原方法”，该产物指DRI。
FIOR(流体铁矿石还原)方法是直接还原方法的一个例子。当重力供给铁矿石细粉料经过一系列流化床反应器的每个反应器时，该方法将细粉料还原。该细粉料被压缩的还原气体还原，该压缩的还原气体进入到系列反应器中最低反应器的底部，与细粉料的向下运动相逆而流动。
其他的直接还原方法包括动态竖炉法、静态竖炉法、旋转炉膛法、回转窑法和反应罐法。
COREX法直接从煤生产熔融铁而没有高炉所需的焦炭。该方法包括2个操作阶段，其中(a)在竖炉中从渗透性铁矿石床(块矿或球团矿形式)、煤和助熔剂来生产DRI。
(b)然后将该DRI无需冷却装入到连接的熔融气化器中。
在熔融气化器流化床中的煤部分燃烧产生用于竖炉的还原气体。
另外一组已知生产熔融铁的方法是基于旋风转炉，其中在上部熔炼旋流器中通过燃烧氧气和还原气体熔炼铁矿石，并在含有熔融铁熔池的下部熔炼炉中冶炼铁矿石。下部的熔炼炉产生用于上部熔炼旋流器的还原气体。
直接从铁矿石生产熔融金属的方法通常指的是“直接冶炼方法”。
一组已知的直接熔融方法是基于使用电炉作为冶炼反应的主要能源。
另外一种已知的冶炼方法，通常指的是Romelt法，是基于使用大容积、高搅动渣池作为媒介，用于将顶装金属氧化物冶炼成金属，二次燃烧气体反应产物、和按照需要传递热来继续冶炼金属氧化物。该Romelt法包括将富氧空气或氧气通过下排喷嘴喷入渣中来搅动渣，和将氧气通过上排喷嘴喷入渣中来促进二次燃烧。在该Romelt法中金属层不是重要的反应媒介。
另外一组已知的渣基直接冶炼方法通常被描述成“深渣”法。这些方法如DIOS和AISI法，是基于形成带有3个区域的深渣层，即用喷射的氧二次燃烧反应气体的上部区域，用于将金属氧化物冶炼成金属的下部区域，和将上部和下部区域分开的中间区域。象Romelt法一样，在渣层下部的金属层不是重要的反应媒介。
另外一种已知的直接冶炼法是依靠熔融金属层作为反应媒介，它通常指的是HISMELT法，以申请人的名义公开于国际申请PCT／AU96／00197(WO96／31627)。
如国际申请中所述的HISMELT法包括(a)在转炉中形成熔融铁和渣的熔池；(b)喷射入熔池(ⅰ)金属供给物料，典型的是金属氧化物；和(ⅱ)固体碳材，典型的是煤，它起到金属氧化物还原剂和能源的作用；和(c)在金属层中将金属供给物料冶炼成为金属。
该HISMETL法还包括用含氧气体二次燃烧从熔池上部空间释放出来的反应气体例如CO和H2，将二次燃烧产生的热传递到熔池中，以提供冶炼金属供给物料所需的热能。
该HISMELT法还包括在熔池名义静止表面之上形成过渡区，其中存在上升的和其后下降的熔融金属和／或渣的液滴或溅沫或流束，为把二次燃烧熔池上部反应气体所产生的热能传递到熔池提供了有效的媒介。
国际申请所述的该HISMELT法特征是，把载气和金属供给物料和／或固体碳材和／或其他固态材料通过与熔池关联的转炉侧面部分和／或从熔池上部喷入熔池中，以便使载气和固体物料穿透熔池，引起熔融金属和／渣投射到熔池表面之上的空间，从而形成过渡区。
在国际中请中所述的Hismelt法是对早期的HIsmelt法的改进，早期的Hismelt法是通过将气体和／或碳材从底部吹入熔池，引起液滴和喷溅和流束和熔融金属和／或渣从熔池投射出来，从而形成过渡区。
本发明的一个目的是提供一种从金属氧化物(包括部分还原金属氧化物)生产金属的改进的直接冶炼方法。
按照本发明，提供了一种从金属氧化物(包括部分还原金属氧化物)生产金属的直接冶炼方法，该法包括的步骤有(a)在冶金转炉中形成具有金属层和在该金属层之上的渣层的熔池；(b)借助于一个或更多个氧枪／喷嘴将金属供给物料喷射入金属层中，在该金属层中将金属物料冶炼成金属；(c)借助于一个或更多个氧枪／喷嘴以充足的量将固体碳材喷射入金属层，使金属中溶解碳的含量基于整个碳和金属重量至少是3wt％。
(d)引起熔融物料的溅沫、液滴和流束自熔池的金属层向上运动，它(ⅰ)促进金属在熔池的渣层中强混，使渣层保持在强还原条件下使FeO含量基于渣层中渣总重小于8wt％；和(ⅱ)延伸到熔池名义静止表面之上的空间，从而形成过渡区；和(e)借助于一个或更多个氧枪／喷嘴将含氧气体喷入转炉中来二次燃烧从熔池中释放出来的反应气体，由此在过渡区中上升的和其后下降的熔融材料的溅沫、液滴和流束促进到熔池热传递，而且过渡区使通过与过渡区接触的侧壁从转炉损失的热最小。
典型的是，在来自金属层的熔融物料的溅沫、液滴和流束中，熔融金属是主要部分，而渣是熔融物料的剩余部分。典型的是熔融物料的溅沫、液滴和流束在向上运动时夹带更多的熔融物料，特别是渣。此外，熔融物料的溅沫、液滴和流束逐渐失去动量，向下落向金属层。从金属比渣密度高的观点来看，在溅沫、液滴和流束中的熔融物料中，相对金属量随着从金属层到某点的距离而降低，在该点过渡区可能包括，即使有的话少量金属。
熔融物材的溅沫、液滴和流束从金属层向上运动确保了金属在渣层中强混。将固体碳材喷射入金属层确保了在与渣层混合的金属中有高含量的溶解碳。作为在渣层的金属中溶解的碳和金属在渣层中强混的结果，渣层具有渣中需要的低含量FeO(小于8wt％)。
该术语“冶炼”在这里理解为指热加工，其中发生还原金属氧化物的化学反应从而生产液体金属。
该术语“金属层”在这里理解为指主要是金属的熔池区。特别的，该术语覆盖了包括金属连续容积中熔融熔渣分散液的区域或地带。
术语“渣层”是指主要为渣的熔池区。具体地说，该术语覆盖了包括渣连续容积中熔融金属分散液的区域或地带。
与熔池相关的术语“静止表面”在这里理解为指在工艺条件下的熔池表面，其中没有气体／固体喷射，因此没有熔池搅动。
在名义静止的熔池表面之上的空间在此后指“顶部空间”。
优选金属中溶解的碳含量大于4wt％。
优选渣层中FeO的浓度低于6wt％，更优选低于5wt％。
优选的是，该方法还包括选择喷入金属层的固体碳材量，使其大于用于冶炼金属供给物料和产生热所需的量，以维持反应速率，以便于在离开转炉的排放气体中夹带的粉尘含有至少某些过剩碳。
优选的是，在排放气体中粉尘产生速率为10—50g／Nm3时，转炉排放气体的粉尘中的固体碳浓度是排放气体中粉尘重量的5—90wt％(更优选20—50wt％)。
该方法优选的步骤(e)在高水平基本的二次燃烧(primary post—combustion)下运作。
该术语“基本的二次燃烧”指[CO2]+[H2O][CO2]+[H2O]+[CO]+[H2]]]>其中[CO2]=排放气体中CO2的体积％；[H2O]=排放气体中H2O的体积％；[CO]=排放气体中CO的体积％；和[H2]=排放气体中H2的体积％。特别的，该术语“基本的二次燃烧”也指在不添加用于其他目的的补充碳料的条件下，产生自冶炼工艺的二次燃烧。
在某些情况下，将补充的固态或气态碳材(如煤或天然气)来源喷入来自转炉的排放气体中，以便捕捉化学能形式的热能。
这种补充喷射碳材的一个实施例是喷入天然气，该天然气裂化、重整，冷却，排放气体同时富含其燃料值。
可以在排放气体离开转炉后，在转炉的上部区域或在排放气体管道中加入该补充的碳材。
加入补充的碳材可以用于降低基本二次燃烧，在某种意义上，这基本上与转炉中主要的冶炼工艺无关。
本发明的方法可以在基本的二次燃烧大于40％时操作。
优选该方法在基本的二次燃烧大于50％时操作。
更优选的是该方法在基本的二次燃烧大于60％时操作。
在上述步骤(d)(ⅱ)形成的过渡区是重要的，有三个原因。
首先，熔融物料的上升的和其后下降的溅沫、液滴和流束是一种把热传递到熔池的有效途径，该热是二次燃烧在熔池名义静止表面之上的顶部空间的反应气体所产生的。
其次，在过渡区的熔融物料，和特别是渣是一种减少由转炉侧壁辐射而损失的热的有效途径。
第三，在过渡区的含碳粉尘减少了由辐射到转炉侧壁而损失的热。
本发明方法和现有技术方法的基本不同是，在本发明的方法中主要的冶炼区域是金属层，而主要的气体氧化(即产生热)区域与金属层分开，更特别的是过渡区与这些区域在空间上良好的隔离，热传递借助于在两区域间熔融物料的物理运动。
优选的是，通过向下朝金属层延伸的一个或多个氧枪／喷嘴，喷射载气中的金属供给物料和／或碳材，由此，引起熔融物料特别是渣的溅沫、液滴和流束向上运动，形成过渡区。
更优选的是，如上面所指出的，一个或多个氧枪／喷嘴穿过转炉的侧壁延伸，向内并向下朝金属层倾斜。
朝金属层喷射固体碳材而后喷射进入到金属层，其结果如下(a)固材／载气的动量使固材和气体穿过金属层；(b)碳材，典型的是煤被脱除挥发份，由此在金属层中产生气体；
(c)碳主要溶解进入到金属中，部分仍然是固体。
(d)利用从上面(c)所述喷射碳得到的碳将金属物料冶炼成金属，和冶炼反应产生一氧化碳；和(e)输送至金属层、和除挥发份和冶炼所产生的气体使熔融材料和固体碳从金属层产生显著的浮升力，熔融物料即熔融金属(包括溶解的碳)和熔融渣(作为喷射固体／气体的结果，熔融渣从金属层上部被吸入金属层中)，这引起熔融物料的溅沫、液滴和流束向上运动，当这些溅沫、液滴和流束运动穿过该渣层时它们夹带更多的渣。
产生熔融物料的溅沫、液滴和流束的另外一个可选方法、但决不是仅有的其他方法，是借助于在与金属层接触的转炉的底部或侧壁的一个或多个喷嘴，喷入金属供给物料和碳材。
可以通过同一或单独的氧枪／喷嘴喷入金属供给物料和碳材。
优选的是，把载气和碳材和／或金属供给物料和／或其他固体物料喷射到熔池应足以使熔融物料的溅沫、液滴和流束以类似喷泉的形式喷射到熔池上部的空间。
优选的，冶金转炉包括(a)用于喷射含氧气体的上述氧枪／喷嘴和用于把固体材料如金属物料、碳材(典型的是煤)和助熔剂喷入到该转炉的氧枪／喷嘴；(b)用于从该转炉排放熔融金属和渣的排放孔；和(c)一个或多个排放气体出口。
金属供给物料可以是任何适合的形式。如，可以是铁矿石、部分还原的铁矿石、DRI(直接还原铁)、碳化铁、氧化铁皮、高炉粉尘、烧结碎屑、BOF粉尘或这些材料的混合物。
在部分还原铁矿石的情况下，预还原的程度可以从相对低的水平(如成为FeO)变化到相对高的水平(如70—95％金属化)。
就此而论，该方法还包括将金属供给物料部分还原，然后将部分还原的矿石喷入金属层。
该金属供给物料可以被预热。
该载气可以是任何适宜的载气。
优选该载气是一种缺氧的气体。
优选该载气包括氮。
含氧气体可以是氧、空气或包含达到40体积％氧气的富氧空气。
优选含氧气体是空气。
特别优选该空气被预热。
借助于实施例参照附图
进一步描述本发明，该附图是以图解形式说明本发明方法的冶金转炉纵剖面。
下面的描述是冶炼铁矿石生产熔融铁的情况，可以理解的是本发明不限于此应用，适用于任何适宜的金属矿石和／或浓缩物，包括部分还原的金属矿石和废料。
图中所示的转炉有基座3、通常形成一个柱状的圆筒的侧壁5，顶7、排放气体的上部出口9、和排放铁和渣的出口(未示出)。
基座3和侧壁5的下部8由耐火材料构成。
顶7和侧壁5的上部10由水冷板构成。该板在申请人的澳大利亚临时申请PP4426中被详细描述，该申请的公开内容结合于本文作为前后参照。
在使用中，该转炉含有铁和渣的熔池，该熔池含有熔融金属层15和在金属层15上的熔融渣层16。由数字17标识的箭头表示金属层15的名义静止表面的位置，由数字19标识的箭头表示渣层16的名义静止表面的位置。该术语“静止表面”理解为指在没有气体和固体喷入转炉时的表面。
该转炉还包括向下和向内延伸穿过侧壁5并进入到渣层16中的两个固体喷射氧枪／喷嘴11。选择氧枪／喷嘴11的位置使其下端在金属层15的静止表面17之上。
在使用中，通过氧枪／喷嘴11将在载气中夹带的铁矿石、固体碳材(典型的是煤)和助熔剂(典型的是石灰和菱镁矿)喷入金属层15中。固体物料／载气的动量使固体物料和气体穿过金属层15。在金属层15中煤被去除挥发份由此产生气体。碳部分溶入金属，部分仍然为固态碳。将铁矿石冶炼成金属，冶炼反应产生一氧化碳气体。输送到金属层15的气体、和除挥发份和冶炼所产生的气体使熔融金属(作为固体／气体喷射的结果，被拉入到金属层15)、固体碳和熔融渣从金属层15产生显著的浮升力，这样使熔融物料的溅沫、液滴和流束向上运动，当这些溅沫、液滴和流束运动经过渣层16时它们夹带渣。
熔融物料和固体碳的浮升力在金属层15和渣层16中引起显著的搅动，其结果是渣层16体积膨胀，具有由箭头30表示的表面。搅动的程度使金属层15和渣层16基本上彼此均匀，每个区域具有合理的均一温度，典型的为1450—1550℃，并且每个区域具有合理的均一组份。
此外，由熔融金属、固体碳和渣引起的熔融物料的溅沫、液滴和流束向上运动延伸到转炉中熔融物料之上的顶部空间31，而形成过渡区23。
一般来讲，渣层16是其中带有气泡和金属(典型的是以液滴的形式)的液态连续体，过渡区23是其中带有熔融材料(此阶段至少渣占优势)的溅沫、液滴和流束的气态连续体。
由上述的浮升力引起的金属层15和渣层16的显著搅动确保了金属在渣层16中的强混。将固体碳材故意喷入金属层15确保了与渣层混合的金属中有高含量的溶解碳。作为在渣层的金属中溶解的碳和金属在渣层中强混的结果，渣层具有渣中所需的低含量(典型的是低于8wt％)FeO。
转炉还包括喷射含氧气体的氧枪13，它位于中心，垂直向下延伸到转炉中。选择氧枪13的位置和经过氧枪13的气流速度，使含氧气体穿过过渡区23的中心区域，在氧枪13端的周围维持一个基本上无金属／渣的空间25。
通过氧枪13喷射含氧气体，在过渡区23和在氧枪13末端周围的自由空间25二次燃烧反应气体CO和H2，在气体空间产生2000℃数量级或更高的高温。将该热传递到在气体喷射区的上升的或下降的熔融物料的溅沫、液滴和流束，然后当金属／渣返回金属层15时，将该热部分传递到金属层15。
为了获得高水平的二次燃烧，即超过40％，自由空间25是重要的。因为它能够把在过渡区23之上空间的气体卷吸进氧枪13的末端区域，从而增加了可反应气体的曝露量以进行二次燃烧。
将氧枪13的位置、经过氧枪13的气体流速、和熔融物料的溅沫、液滴和流束的向上运动相结合的效果是，在氧枪13的下部区域周围形成过渡区23—通常由数字27标识。该形成的区域对辐射到侧壁5的热传递提供了部分障碍。
而且，熔融物料的上升的和下降的液滴、溅沫和流束是把热从过渡区23传递到熔池的有效途径，结果是在侧壁5区域的过渡区23其温度在1450—1550℃数量级。
本发明方法优选的实施方案包括，选择加入到熔池的固体碳材量，使其大于用于熔炼引入熔池的铁矿石所需的量，从而烟灰或木炭形式的固体碳传送经过熔池和过渡区23。结果是，碳大量存在于转炉排放气体的粉尘中。碳也可以少量存在于转炉排放渣中。
优选的是，喷射入金属层15的固体碳材足以维持(a)熔池金属中碳浓度至少3wt％；(b)在渣层16和过渡区23的渣中FeO浓度低于8wt％；和(c)在转炉排放气体夹带的粉尘中碳至少5％。
运用具有过量碳的本发明方法的优点有两个。
首先，如上所述，借助于混合金属—渣，高含量的碳溶解在熔池金属中和金属在渣层16的强混确保了使渣层保持在强还原条件下。这样得到的低FeO含量渣避免了与潜在地高FeO渣和富碳金属之间失控的迅速反应相关的操作问题。
第二，在溶解碳方面使熔池保持接近饱和，不需明确得控制金属的碳含量。从工厂操作的角度来看，金属的碳的损失是一个严重的问题，因为金属(对于铁碳系统)的液相线根据共晶体任一侧而显著改变。在熔池中存在过量碳意味着该系统可自动调整到某一程度，在工艺失调的情况下，操作者有更多的时间来进行调整。
借助于来自于转炉作为排放气体粉尘中的被运载的过量碳量，来有效控制转炉中得到的二次燃烧的程度。这产生了来自于转炉被运载的未使用的碳、它可以再循环到转炉中。
本发明者已经利用图中所示的、如上所述的和符合上述工艺条件的转炉进行了细致的实验工厂工作。
实验工厂工作在不同的宽范围条件下评价了转炉并调查研究工艺(a)供给的物料；(b)固体和气体喷入速率；(c)渣金属比率；(d)操作温度；和(e)装置安设。
下表1给出了在稳定的操作条件下一部分实验工厂工作的相关数据。
铁矿石作为常规的直接外运粉矿来源于Hameraley，按干物质计算，它含有64．6％铁、4．21％SiO2、和2．78％Al2O3。
使用无烟煤既作为还原剂使用、又作为进行燃烧和提供过程能源的碳源和氢源使用。该煤热量值是30．7MJ／Kg，灰含量10％，挥发性物质含量9．5％。其他特征包括79．82％总碳、1．8％H2O、1．59％N2、3．09％O2和3．09％H2。
操作该工艺，使用石灰和菱镁矿使渣碱度维持在1．3(CaO／SiO2比例)。该菱镁矿提供MgO，从而通过维持渣中适当的MgO含量，减少渣对耐材的腐蚀。
在稳定的操作条件下，记录下相对低的8MW热损。生产率是6．1t／h熔融金属。固体喷入率是9．7t／h矿石粉和6．1t／h煤以及1．4t／h助熔剂。获得了1000kg煤／t熔融金属的煤速率。在这些条件下的操作结果产生了25wt％碳粉尘含量、渣中4wt％FeO和4wt％熔池碳。
可以对上述本发明方法的优选实施方案进行许多修改而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1．一种从金属氧化物(包括部分还原的金属氧化物)生产金属的直接冶炼法，该法包括的步骤有(a)在冶金转炉中形成具有金属层和在该金属层之上的渣层的熔池；(b)借助于一个或更多个氧枪／喷嘴将金属供给物料喷射入金属层中，在该金属层中将金属物料冶炼成金属至少是占优势的；(c)借助于一个或更多个氧枪／喷嘴以充足的量将固体碳材喷射入金属层，使金属中溶解的碳含量基于整个碳和金属重量至少是3wt％；(d)引起熔融物料的溅沫、液滴和流束自熔池的金属层向上运动，它(ⅰ)促进金属在熔池的渣层中强混，使渣层保持强还原条件下使FeO含量基于渣层中渣总重小于8wt％；和(ⅱ)延伸到熔池名义静止表面之上的空间，从而形成过渡区；和(e)借助于一个或更多个氧枪／喷嘴将含氧气体喷入转炉中来二次燃烧从熔池中释放出来的反应气体，由此在过渡区中上升的和其后下降的熔融材料的溅沫、液滴和流束促进到熔池的热传递，而且过渡区使由与过渡区接触的侧壁从转炉损失的热最小。
2．权利要求1所述的方法，其中在金属中溶解的碳含量大于4wt％。
3．权利要求1或2所述的方法，其中在渣层的渣中FeO的浓度低于6wt％。
4．权利要求3所述的方法，其中FeO的浓度低于5wt％。
5．上述权利要求任一项所述的方法，包括选择喷入金属层的固体碳材量，使离开转炉的排放气体夹带的粉尘含有至少一些碳。
6．权利要求5所述的方法，其中在来自转炉排放气体的粉尘中固体碳的浓度基于排放气体粉尘重量是5—90wt％，这相应于在排放气体中10—50g／Nm3的粉尘产生速率。
7．上述权利要求任一项所述的方法，它包括在基本的二次燃烧水平大于40％时操作此方法。
8．权利要求7所述的方法，它包括在基本的二次燃烧水平大于50％时操作此方法。
9．上述权利要求任一项所述的方法，其中步骤(d)包括，通过向下朝金属层延伸的一个或多个氧枪／喷嘴，喷射载气中的金属供给物料和碳材，由此，引起熔融物料的溅沫、液滴和流束向上运动进入到名义静止表面之上，形成过渡区。
10．权利要求1至8任一项所述的方法，其中步骤(d)包括，借助于转炉底部或与金属层接触的转炉侧壁的一个或多个喷嘴，喷入金属供给物料和碳材，由此，引起熔融物料的溅沫、液滴和流束向上运动进入到名义静止表面之上，形成过渡区。
全文摘要
如在WO96/31627Al(PCT/AU96/00197)中公开的Hismelt法包括形成铁和渣熔池、把金属物料(氧化物)、固体碳材(煤和/或焦炭)和成渣剂喷入熔池和将金属物料冶炼成金属。该方法还包括二次燃烧未氧化的反应气体和将产生的热传递到熔池以利于冶炼。此外通过把炉料和载气一起喷入到熔池中,形成在二次燃烧区和静止金属区之间的过渡区,由此引起金属和渣投射到过渡区。本申请构成对上述申请的改进,改进在于,将氧枪/喷嘴深插入熔体中,来提供用于二次燃烧未氧化反应气体的氧气,此外将熔融金属的溅沫、液滴和流束投射到过渡区,它们又落回到熔池,由此有效地将热从二次燃烧区传递到熔池中。在熔池中溶解的碳含量维持在≥3%;优选大于4%。渣中FeO含量维持在<8%,优选<6%或<5%。作为部分炉料喷射的固体碳材的量使排放气体至少包含一些碳,优选碳为排放气体中粉尘重量的5－90%,这相应于10－50g/Nm
文档编号C21B13/04GK1278869SQ98810993
公开日2001年1月3日 申请日期1998年9月23日 优先权日1997年9月26日
发明者罗德尼·J·德赖 申请人:技术资源有限公司