专利名称：制备金属及金属合金的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制备熔融金属(该术语包括金属合金)的方法，特别是在包含熔池的冶金转炉中，由诸如矿石、部分还原的矿石和含金属的废液等含有金属的原料制备熔融金属(尽管决不排除铁合金)的方法。
本发明具体地涉及由含有金属的原料制备熔融金属的方法与设备，所述的设备基于下列装置的组合(a)一种部分还原并至少部分熔化含金属的原料的装置；和(b)一种使熔融的已部分还原的原料完全还原的装置。
预还原/熔化装置的实例之一是旋风转炉。
还原装置的实例之一是包含熔池的转炉。
Fassbinder等人的美国专利US4,849,015和Den Hartog等人的美国专利US5,800,592，公开了用上述的预还原/熔化装置和还原装置的结合，由铁矿制备熔融铁的具体方案。
本发明的一个目的是提供一种可供选择的由铁矿制备熔融铁的方法/设备，该方法/设备以上述预还原/熔化装置和还原装置的结合为基础。
本发明提供了由含金属的原料制备金属的方法，包括在预还原/熔化装置中部分还原并至少部分熔化含金属的原料，和在还原装置中完全还原已部分还原的原料的步骤，所述的还原装置包括一转炉(vessel)，该转炉包含一熔池(molten bath)，所述的熔池具有金属层和位于金属层之上的炉渣层，而且该方法的特征在于(a)将固体的含碳材料随着载气一起注入熔池的金属富集区；(b)造成材料的溅射物、液滴和液流自金属层向上运动，该运动(ⅰ)促进金属层的材料在炉渣层的混合和炉渣层的材料在金属层的混合；并且(ⅱ)延伸至熔池上面的空间形成过渡区；(c)将含氧气体注入转炉中并后燃烧一部分产生产生于熔池的反应气体；(d)将至少一部分来自还原装置的热反应气体传送至预还原/熔化装置作为还原气体，并部分地还原含金属的原料；和(e)将含氧气体注入预还原/熔化装置中并后燃烧一部分反应气体，从而产生热量，以至少部分地熔化已部分还原的含金属的原料。
在本文中，术语“金属富集区”应理解为具有高浓度金属的熔池区域。举例来说，金属层就是一种金属富集区。
在本文中，术语“金属层”应理解为主要是金属的熔池区。具体地讲，该术语所涵盖了包括金属连续体相中分散了熔融炉渣的区域。
在本文中，术语“炉渣层”应理解为炉渣占优势的熔池区。具体地讲，该术语涵盖了包括炉渣连续体相中分散了熔融金属的区域。
在本文中，术语“过渡区”应理解为其中带有熔融材料(至少主要是炉渣)的溅射物、液滴和液流的气体连续体相。
为了自步骤(b)中的金属层产生熔融材料的溅射物、液滴和液流的向上运动，一种选择是通过一个或一个以上的喷管/风口，注入步骤(b)中的固体含碳材料和载气，所述的喷管/风口向下朝金属层延伸。
更优选该一个或一个以上的喷管/风口沿转炉的侧壁延伸，并以向内和向下的角度对着金属层。
优选的是，向金属层注入的固体含碳材料和载气足以使熔融材料的溅射物、液滴和液流产生喷泉式的向上运动。
通过向下延伸的喷管/风口向金属层注入固体含碳材料和载气具有下列的效果(ⅰ)固体含碳材料和载气的动量使其贯穿金属层；(ⅱ)固体含碳材料，通常为煤，被气脱挥发份，并因此在金属层中产生气体；(ⅲ)碳显著地溶解于金属中，并部分地保持为固体；(ⅳ)传送至金属层和通过脱挥发份而产生的气体，产生有效的浮力使材料自金属层浮起，从而导致材料的溅射物、液滴和液流的上述向上运动，而且这些溅射物、液滴和液流在通过炉渣层时，进一步带走炉渣。
在(d)段中提到的材料，包括熔融的金属(包括溶解的碳)和熔融的炉渣，所述的熔融炉渣，因固体/气体的注入而由上述的金属层被带到金属层。
产生材料溅射物、液滴和液流的上述向上运动的另一种选择，尽管决不是唯一的其他选择，是通过位于转炉底部或与金属层接触的侧壁中的一个或一个以上的风口，注入固体的含碳材料和载气。
优选地，预还原/熔化装置定位于还原装置之上，并与还原装置相通，以便使至少部分熔融、部分还原的含金属的原料向下排放至还原装置中，而且更优选排放至熔池中剧烈混合的炉渣层中心区。本申请人确信，这会导致预还原材料的更有效的熔炼。
优选借助这种布置，使在还原装置中产生的热还原气体向上流入预还原/熔化装置中。
如上所述，材料的溅射物、液滴和液流的自金属层的向上运动，促进了金属层的材料在炉渣层的混合和炉渣层的材料在金属层的混合。优选混合的程度足以使炉渣层的成分和温度大致均一化。
各层之间的材料混合，加速了溶解于金属中存在的碳对熔池中的金属氧化物的还原。在这种连接中，向金属层注入固体的含碳材料，确保了金属层中存在高含量的溶解碳(而且可能是固体碳)，从而确保了金属层是强还原性的。
优选金属中的溶解碳的含量大于3.5％重量。
本方法优选地包括，在向预还原/熔化装置供料之前，对含金属的原料进行预热的步骤。
本方法优选地包括从预还原/熔化装置排出作为废气的反应气体，和用该热的或冷的废气预热含金属的原料。
向转炉和预还原/熔化装置注入含氧气体的步骤(c)和(e)，优选后燃烧产生于熔池的反应气体至至少70％的后燃烧水平。
术语“后燃烧”的意思是[CO2]+[H2O][CO2]+[H2O]+[CO]+[H2]]]>其中[CO2]=反应气体中CO2的体积百分数；[H2O]=反应气体中H2O的体积百分数；[CO]=反应气体中CO的体积百分数；和[H2]=反应气体中H2的体积百分数。
更具体地，在转炉中的后燃烧上下文中的术语“后燃烧”也指为其他目的而不添加任何补充性含碳材料的后燃烧。
在步骤(c)中，优选通过一个或一个以上的向下和向内延伸至转炉中的喷管/风口，将含氧气体注入转炉中，并充分地后缩以避开由预还原/熔化装置向下流入转炉的材料。
过渡区是重要的，其原因有三首先，上升然后下降的材料溅射物、液滴和液流是将转炉中的反应气体后燃烧所产生的热量传递给熔池的有效手段。
其次，过渡区的材料特别是熔融的炉渣是减小因转炉侧壁的辐射导致的热损失的有效手段。
再次，过渡区的含碳灰尘降低了因辐射至转炉侧壁而导致的热损失。
优选地，所述的转炉包括(a)自转炉排出熔融金属和炉渣的排放孔；和(b)一个或一个以上的用于传送反应气体至预还原/熔化装置的出口。
优选含氧气体为氧气。
本发明还提供实施上述方法的设备。
更具体地，本发明提供一种从含有金属的原料制备金属的设备，该设备包括部分还原并至少部分熔化所述含有金属的原料的预还原/熔化装置，和完全熔化并还原至少部分熔化并部分还原的原料的还原装置；所述的还原装置包括一转炉，该转炉包含一熔池，所述的熔池具有金属层和位于该金属层之上的炉渣层；所述的预还原/熔化装置直接定位于转炉的上方，并与转炉相通，由此至少部分熔化并部分还原的原料向下流入转炉的中心区域；而且该还原装置进一步包括(a)一个或一个以上的向熔池的金属富集区注入固体含碳材料和载气的喷管/风口；(b)一个或一个以上的向转炉中注入含氧气体的喷管/风口，该转炉后燃烧产生于转炉中的反应气体，所述的一个或一个以上的喷管/风口向下和向内延伸至转炉中，并且如此定位，以便减少与已至少部分熔化并部分还原的原料接触，该原料自预还原/熔化装置向下流动；和(c)一个或一个以上的向预还原/熔化装置注入含氧气体的喷管/风口，
该预还原/熔化装置后燃烧至少一部分来自转炉的反应气体。
进一步以实施例的方式参照附图对本发明进行描述，在所述的附图中
图1是本发明的方法和设备的一优选实施方案的示意性流程图；图2是本发明的方法和设备的另一优选实施方案的示意性流程图。
下面是参照由铁矿生产熔融铁来进行描述，而且应当理解，本发明并不限于这种应用，而是适用于任何适宜的含金属的材料。
参照图1，铁矿由系列贮料箱3传输至呈旋风式转炉5的方式的预还原/熔化装置，并在旋风转炉5中部分地还原(举例来说，还原成FeO)且至少部分地熔化。
旋风转炉5直接定位于还原装置的上方，所述的还原装置呈下列方式(a)冶金转炉7，其包含具有金属层和炉渣层的熔池15，并且具有适宜的排出熔融金属和炉渣的装置(未示出)和直接开口于旋风转炉5的反应气体的出口；和(b)用于向转炉7中注入固体含碳材料和任选熔剂的喷管/风口11，和用于将含氧气体注入转炉7的喷管/风口13，所述的喷管/风口11和13通过转炉侧壁向下和向内延伸至转炉中。
在申请人的国际申请PCT/AU99/00537和PCT/AU99/00538中，概括地描述了转炉7和喷管/风口11与13的适宜形状和在转炉7中还原含金属的原料的适宜的方法。这些专利申请的说明书中所公开的内容引作交叉参考。
图1的工艺流程图包括将固体材料和载气通过喷管/风口11注入金属层15。优选的工艺流程图的一个具体特征是，所注入的固体材料被限定为固体的含碳材料(通常是煤)和任选的一种或一种以上的造渣剂(通常为石灰)。因固体含碳材料和载气注入金属层所产生的并且传输至金属层的气体，产生明显的浮力，使熔融的金属、固体碳以及熔融的炉渣(因固体/气体的注入而被带到金属层)自金属层上浮，这使得熔融材料和固体碳的溅射物、液滴和液流向上运动，而且当这些溅射物、液滴和液流通过炉渣层时会带走炉渣。
熔融材料和固体碳的上升浮力造成金属层和炉渣层的巨大搅动，结果使炉渣层的体积膨胀。搅动至如此程度，使金属层的材料在炉渣层中强烈地混合和炉渣层的材料在金属层强烈地混合。
此外，材料的溅射物、液滴和液流因熔融金属、固体碳以及熔融炉渣的上升浮力造成了向上的运动，这种运动延伸至转炉中熔融材料上方的气体空间，并形成过渡区域。
与转炉7相比，旋风转炉5的直径相对较小，且旋风转炉5定位于转炉7上方的正中央。因此，产生于旋风转炉5的至少部分熔化并部分还原的铁矿，向下流入熔池15的中央区，并在熔池15中完全还原。金属层与炉渣层之间的材料混合，确保有效而经济地实现完全的还原。
转炉7的熔池15中发生的反应，产生了反应气体(如CO和H2)，该气体沿转炉7向上移动。氧气车间19产生的氧气，通过喷管/风口13注入转炉7中熔池15上方的气体空间，并后燃烧过渡区和气体空间的其他区中的一部分反应气体。热量传递给先上升然后下降的材料溅射物、液滴和液流，然后当金属/炉渣返回金属层时，热量又传递给金属层。为了避免因与来自旋风转炉5的向下流动的材料接触而损坏，喷管/风口5应后缩以避开向下流入转炉的材料。
产生于转炉7的经后燃烧的反应气体，向上流入旋风转炉5，并用作部分还原供给旋风转炉5的铁矿的还原气体。
另外，产生于氧气车间19的氧气注入旋风转炉5，并后燃烧旋风转炉5中至少部分的反应气体，产生热量以熔化部分还原的铁矿。
在转炉7和旋风转炉5中，后燃烧的总水平至少为70％。
废气通过排放管17从旋风转炉5排出。排放管17包括水冷组件9，该水冷组件19最初通过水嵌板冷却废气，其后使废气骤冷，并由此从废气中除去其所携带的固体，降低废气的水蒸气含量。
骤冷过的废气通过管线27传送，并用作燃气或烟气。
示于图2中的工艺流程图包括了该图中所示流程的全部部件。
此外，在图2所示的工艺流程中，在将铁矿供给旋风转炉5之前，先将铁矿在预热器组件29中预热。预热器组件29靠来自水冷部件9的一部分燃气来运行，所述的燃气通过管线31供给。使用预热器组件29在生严率和运行成本方面有优势，特别是在铁矿具有高水平的点火损失的情况下(例如，结晶水)。而且，在铁矿具有高水平的点火损失的情况下，预热器组件29具有降低铁矿颗粒在旋风转炉5中暴露于高温时的热爆裂的优势。
下表给出了规定操作条件下图1和图2工艺流程图的热平衡和质量平衡的计算。
铁矿来源于南美，其以干基计算包含68.2％的铁、0.6％的SiO2和0.95％的Al2O3。
煤的热值为33.9MJ/kg，灰份为5.4％，挥发物含量为14％。其它特征包括90.0％的总碳、2.0％的H2O、1.3％的N2、3.2％的O2和4.0％的H2。
在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可对本发明的上述方法和设备的优选实施方案进行很多的修改。
作为实施例，本发明不限于使用旋风转炉，而是可以扩展至任何适宜的预还原/熔化装置。
而且，在上述实施方案包括将全部含碳材料注入转炉7中的金属层的同时，可以容易想到，本发明可延伸至部分固体含碳材料由顶部进料或以其它方式供给转炉7的实施方案。
此外，在上述实施方案限于通过喷管/风口11将载气、固体含碳材料和任选的造渣剂注入金属层的同时，可以容易想到，本发明可延伸至将其它固体材料如含金属的原料注入金属层的实施方案。
权利要求
1．一种自含金属的原料制备金属的方法，所述的方法包括在预还原/熔化装置中部分还原并至少部分熔化含金属的原料和在还原装置中完全还原已部分还原的原料的步骤；所述的预还原/熔化装置直接定位于所述的还原装置之上并与该还原装置相通，以便至少部分熔化并部分还原的原料向下流入还原装置中心区域，该还原装置包括一转炉，该转炉包含一熔池，所述的熔池具有金属层和位于该金属层之上的炉渣层，而且该方法的特征在于(a)将固体的含碳材料随着载气一起注入熔池的金属富集区；(b)造成材料的溅射物、液滴和液流自金属层向上运动，该运动(ⅰ)促进金属层的材料在炉渣层的混合和炉渣层的材料在金属层的混合；并且(ⅱ)延伸至熔池上面的空间形成过渡区；(c)将含氧气体注入转炉并后燃烧部分产生于熔池的反应气体；(d)将至少部分来自还原装置的热反应气体传送至预还原/熔化装置作为还原气体，并部分地还原含金属的原料；和(e)将含氧气体注入预还原/熔化装置并后燃烧一部分反应气体，从而产生热量，该热量至少部分地熔化已部分还原的含金属的原料，由此步骤(c)和(e)后燃烧产生于熔池的反应气体至至少70％的后燃烧水平。
2．权利要求1的方法，其中步骤(a)中的将固体含碳材料和载气注入熔池金属富集区，造成了步骤(b)中的材料溅射物、液滴和液流自金属层的向上运动。
3．权利要求2的方法，其中所述的固体含碳材料和载气是通过一个或一个以上的朝金属层向下延伸的喷管/风口注入的。
4．权利要求2或3的方法，其中所述的固体含碳材料和气体是通过一个或一个以上的风口注入的，所述的风口位于转炉底部或与金属层接触的转炉侧壁上。
5．前述权利要求任一项的方法，其中产生于还原装置的热反应气体向上流入预还原/熔化装置。
6．前述权利要求任一项的方法，包括在所述含金属的原料供给预还原/熔化装置之前，对该含金属的原料进行预热的步骤。
7．权利要求6的方法，包括排放作为废气的来自预还原/熔化装置的反应气体，和用所述的废气预热含金属的材料。
8．前述权利要求任一项的方法，其中所述将含氧气体注入转炉中是通过一个或一个以上的喷管/风口注入转炉的，所述的喷管/风口向下和向内延伸至转炉中，并且充分地后缩以避开由预还原/熔化装置向下流入转炉的材料。
9．一种自含金属的原料制备金属的设备，包括预还原/熔化装置和还原装置，所述的预还原/熔化装置部分还原并部分熔化所述的含金属的原料，所述的还原装置完全熔化并还原已至少部分熔化并且部分还原的原料；该还原装置包括一转炉，该转炉包含一熔池，所述的熔池具有金属层和位于该金属层之上的炉渣层；该预还原/熔化装置直接定位于转炉之上，并与转炉相通，由此，至少部分熔化并且部分还原的原料向下流入转炉的中心区域；而且该还原装置进一步包括(a)一个或一个以上的向熔池的金属富集区注入固体含碳材料和载气的喷管/风口；(b)一个或一个以上的向转炉中注入含氧气体的喷管/风口，所述的转炉后燃烧转炉中所产生的反应气体，所述的一个或一个以上的喷管/风口向下和向内延伸至转炉中，并且如此定位，以便减少与至少部分熔化并部分还原的原料的接触，所述的原料自预还原/熔化装置向下流动；和(c)一个或一个以上的向预还原/熔化装置注入含氧气体的喷管/风口，该预还原/熔化装置至少后燃烧一部分来自转炉的反应气体。
全文摘要
本发明公开了一种自含金属的原料制备金属的方法。所述的方法包括在预还原/熔化装置中部分还原并至少部分熔化含金属的原料和在还原装置中完全还原已部分还原的原料的步骤。所述的预还原/熔化装置直接定位于所述的还原装置之上并与该还原装置相通,以便至少部分熔化、部分还原的原料向下流入还原装置中心区域。该还原装置包括一转炉,该转炉包含一熔池,所述的熔池具有金属层和位于该金属层之上的炉渣层。该方法包括将含氧气体注入还原装置并后燃烧产生于熔池的反应气体,和将含氧气体注入预还原/熔化装置并后燃烧还原装置排放的反应气体。该方法进一步包括将固体的含碳材料随着载气一起注入熔池的金属富集区,造成熔融材料的溅射物、液滴和液流的向上运动,形成一个过渡区。
文档编号C21B13/14GK1323357SQ99812195
公开日2001年11月21日 申请日期1999年10月14日 优先权日1998年10月14日
发明者罗德尼·J·德赖 申请人:技术资源有限公司