启动一种熔炼工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种启动用于熔炼含金属的材料的工艺的方法。
[0002]术语“含金属的材料”在此应理解为包括固体进料和熔融进料。该术语在其范围内还包括部分地还原的含金属的材料。
[0003]本发明更具体地，虽然决不排他地，涉及一种启动基于熔浴的熔炼工艺的方法，该熔炼工艺用于在具有由熔浴中的气体析出而产生的强浴/熔渣喷泉的熔炼容器中从含金属的进料生产熔融金属，其中气体析出至少部分地是含碳材料进入熔浴的脱挥发的结果。
[0004]本发明具体地，虽然决不排他地，涉及一种启动用于熔炼含铁材料，如铁矿石，并生产熔融铁的工艺的方法。
[0005]本发明具体地，虽然决不排他地，涉及一种在熔炼容器中启动熔炼工艺的方法，该熔炼容器包括一个用于熔炼含金属的材料的熔炼腔室。
【背景技术】
[0006]一种已知的基于熔浴的熔炼工艺通常被称为HIsmelt工艺，其以申请人的名义在相当多的专利和专利申请中进行了描述。
[0007]另一种基于熔浴的熔炼工艺在下文中被称为为“Hisarna”工艺。HIsarna工艺和设备以申请人的名义在国际申请PCT/AU99/00884(W0 00/022176)中进行了描述。
[0008]该HIsmelt和HIsarna工艺与由铁矿石或另一种含铁材料生产恪融铁特别相关联。
[0009]在生产熔融铁的背景下，该HIsmelt工艺包括以下步骤:
[0010](a)在熔炼容器的熔炼腔室内形成熔融铁和熔渣的熔浴；
[0011](b)向该熔浴中注入:(i)铁矿石，典型地处于细粉的形式；和(ii) 一种固体含碳材料，典型地为煤，该固体含碳材料用作铁矿石进料的还原剂和能量的来源；以及
[0012](c)在该熔浴中将铁矿石熔炼成铁。
[0013]术语“熔炼”在此理解为热处理，其中发生还原金属氧化物的化学反应以产生熔融金属。
[0014]在该HIsmelt工艺中，处于含金属的材料形式的固体进料和固体含碳材料用载气通过多个喷枪注入熔浴中，这些喷枪与竖直方向倾斜以便向下并向内延伸通过熔炼容器的侧壁并进入容器的下部区域，从而将固体进料的至少一部分递送到熔炼腔室底部的金属层中。固体进料和载气渗入熔浴并引起熔融金属和/或熔渣被投射到熔浴表面上方的空间内并形成过渡区。将一股含氧气体(典型地富氧空气或纯氧)通过向下延伸的喷枪注入容器的熔炼腔室的上部区域以引起从熔浴中释放的反应气体在容器的上部区域中的后燃烧。在过渡区中有适量的上升并随后下降的熔融金属和/或熔渣的熔滴或飞溅物或液流，它们提供了一种有效的介质以便将通过在熔浴之上后燃烧反应气体所生成的热能传给熔浴。
[0015]典型地，在生产熔融铁的情况下，当使用富氧空气时，它是在1200°C的量级的温度下进料并在热鼓风炉中生成。如果使用工业纯冷氧气，它典型地是在环境温度或接近环境温度下进料。
[0016]该熔炼容器中反应气体的后燃烧所产生的废气通过废气管从熔炼容器的上部区域排出。
[0017]该熔炼容器包括在下部炉缸中的耐火材料衬里的部分和在容器的侧壁和顶壁中的水冷板，并且水在连续的回路中连续循环通过这些板。
[0018]该HIsmelt工艺能够通过在单个紧凑容器中熔炼来生产大量的熔融铁，典型地至少 0.5Mt/a。
[0019]该HIsarna工艺是在一种熔炼设备中进行的，该设备包括(a) —种熔炼容器，该熔炼容器包括一个熔炼腔室和用于将固体进料和含氧气体注入该熔炼腔室的多个喷枪并适配为容纳熔融金属和熔渣的熔浴，和(b) —种用于预处理含金属进料的熔炼旋流器，该熔炼旋流器被放置在该熔炼容器上方并与该熔炼容器直接连通。
[0020]术语“熔炼旋流器”在此理解为是指通常限定一个竖直的圆柱形腔室的容器并且该容器被构建为使得供给到该腔室的进料沿着围绕该腔室的竖直中心轴的一条路径移动，并且该容器能够承受足以至少部分熔化含金属进料的高操作温度。
[0021]在HIsarna工艺的一种形式中，将含碳进料(典型地为煤)和任选地助熔剂(典型地为煅烧石灰石)注入在熔炼容器的熔炼腔室中的熔浴中。提供含碳材料作为还原剂的来源和能量的来源。在熔炼旋流器中将含金属进料，如铁矿石，任选地与助熔剂共混，注入并加热并部分熔化并部分还原。此熔融的、部分还原的含金属材料从熔炼旋流器向下流动进入在熔炼容器中的熔浴中并在该熔浴中熔炼成熔融金属。在熔浴中产生的热的反应气体(典型地为C0、C02、H2、以及H2O)由含氧气体(典型地为工业级氧气)在熔炼腔室的上部中部分燃烧。通过后燃烧产生的热量被传递到位于上部部分中的落回熔浴的熔融液滴以保持浴的温度。热的、部分燃烧的反应气体从熔炼腔室向上流动并进入熔炼旋流器的底部。将含氧气体(典型地为工业级氧气)经由鼓风口(tuyeres)注入熔炼旋流器中，这些鼓风口以这样一种方式安排，以在水平面中，即围绕熔炼旋流器的腔室的竖直中心轴，产生旋流式的漩涡图案。该含氧气体的注入引起熔炼容器气体的进一步燃烧，产生非常热的(旋流式的)火焰。进入的含金属进料，典型地处于细粉的形式，在熔炼旋流器中经由鼓风口气动地注入这些火焰中，导致快速的加热以及伴随有部分还原(大概10%-20%的还原)的部分熔化。还原是由于赤铁矿的热分解和来自熔炼腔室的反应气体中CO/^的还原作用这两者。热的、部分熔融的含金属进料由于旋流式漩涡作用被向外抛出到熔炼旋流器的壁上并且，如上所述，向下流动进入下面的熔炼容器中用于在该容器的熔炼腔室中熔炼。
[0022]该HIsarna工艺的上述形式的净效果是一种两步逆流工艺。含金属进料通过从恪炼容器出来的反应气体(添加含氧气体)被加热并部分还原，并且向下流动进入熔炼容器并在熔炼容器的熔炼腔室中被熔炼为熔融铁。在一般意义上，这种逆流安排提高了生产率和能源效率。
[0023]HIsmelt和HIsarna工艺包括通过水冷固体喷枪将固体注入熔炼容器中的熔浴中。
[0024]此外，这两种工艺的一个重要特征是这些工艺在这样的熔炼容器中操作:这些熔炼容器包括一个用于熔炼含金属材料的熔炼腔室和一个经由前炉连接而连接到熔炼腔室的前炉，这允许从容器中流出连续的金属产品。前炉作为熔融金属填充的虹吸密封物操作，当进行生产时，从熔炼容器中自然地“溢出(spilling)”过量的熔融金属。这允许在该熔炼容器的熔炼腔室中的熔融金属液位是已知的并控制在一个小的公差内一这对于工厂安全是至关重要的。熔融金属液位必须(始终)保持在水冷的元件(如延伸进入熔炼腔室中的固体喷枪)之下一个安全距离，否则蒸汽爆炸变得可能。正是由于这个原因，该前炉被认为是用于HIsmelt和Hisarna工艺的熔炼容器的固有部分。
[0025]在此的术语“前炉”应理解为是指熔炼容器的一个腔室，该腔室向大气敞开并经由一个通道(在此被称为“前炉连接”)连接至该熔炼容器的熔炼腔室并且，在标准操作条件下，在该腔室中含有熔融金属，其中该前炉连接用熔融金属完全填充。
[0026]对于HIsmelt和Hisarna工艺两者，在熔炼容器中的正常启动包括以下步骤:
[0027]1.预热(标称为空的)熔炼容器(包括前炉腔室和前炉连接)的下部部分的耐火材料。
[0028]2.将外部制备的热金属经由前炉倾倒进入该熔炼容器中，以这样的量使得该金属液位在该前炉连接的顶部之上至少约100mm。
[0029]3.任选地将燃料气体(如天然气或LPG)和含氧气体注入金属浴上方的气体空间持续一段时间以在熔炼腔室中产生热量。
[0030]4.开始并且此后继续注入煤(优选伴有助熔剂添加)和含氧气体，为了加热金属装料和开始熔渣形成并增加熔渣量的目的。
[0031]5.任选地注入粉碎的熔渣和/或造渣剂如硅砂/铝土矿加石灰/白云石助熔剂以进一步加速熔渣形成。
[0032]6.开始注入含铁材料如铁矿石(与煤和助熔剂一起)以开始正常的熔炼操作。
[0033]本申请人的实践经验已经表明，上述启动程序(如果不仔细控制的话)可以很容易地导致在该熔炼容器的下部部分的水冷的元件(如水冷板)上过高的热通量-典型地大于500kW/m2的热通量。
[0034]为了此讨论的目的，术语“下部部件”应理解为是指当该设备是“小型”工业规模(例如HIsmelt 6m容器)时熔炼容器内的所有水冷的元件的底部2-2.5m(竖直方向)中暴露的水冷的元件(当设备在操作时通常涂覆有一层凝固的熔渣)。对于更小的设备(例如HIsarna 2.5m试验设备)此距离将按比例缩小，并且可以是大约1-1.5m。相反地，对于非常大的