CN103814142A - 用于将液态热金属例如液态高炉铁脱磷的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将液态热金属例如液态高炉铁或具有等价于高炉铁组成的液态金属脱磷的方法，其中热金属的浇注流从含有热金属的容器排放到精炼设备中，其中在精炼设备中将一个或多个用于形成熔渣的添加剂流和一个或多个用于将热金属的浇注流破碎成熔融金属液滴的气态流引导到浇注流中，其中一个或多个气态流和／或一个或多个添加剂流包含气体形式或化合物形式的氧，以允许在将熔融液滴收集到位于精炼设备下面的接收容器之前的下落期间该金属液滴、氧和熔渣之间的脱磷反应，本发明还涉及进行该方法的装置。

Description

用于将液态热金属例如液态高炉铁脱磷的方法和装置

本发明涉及用于将液态热金属，例如液态高炉铁或具有等价于高炉铁组成的液态金属(以下简称为热金属)脱磷的方法和装置。

高级的低磷矿石可能随着日益受限的可获得性而变得明显更加昂贵，且在这些情况下，钢铁企业将需要依赖更充裕的更高磷的矿石。为了满足现在和将来对于钢中低磷水平产品的复合要求，将需要通过改变目前的炼钢操作工艺从而适应由较高的磷载量(load)导致的较高的热金属磷水平。

先前的热金属磷预处理生产工艺包括在高炉浇道中的硅去除，之后在鱼雷式桶中通过粉末化的和气态的脱磷试剂的喷射脱磷。这一工序导致硅从热金属(化学能)的去除，连同鱼雷式桶中温度的显著下降(热能)，且因此导致装料中高的热金属比率(例如＞90％)的要求。对于设计成在它们的输入材料中使用大量的废料(scrape)、且因此具有装料中70％～85％的典型的热金属比率的工厂来说，例如大多数的欧洲钢铁厂，这种方法不是实际可行的。

或者，可将“备用”BOS转炉用于热金属的磷预处理，由此通常或多或少地将热金属(无废料)吹入“脱磷”转炉，用石灰或预熔渣料处理很短的时间(例如少于8分钟)。一般地，这对于将很大一部分磷载量转移至渣料是充足的时间。然后通常将该经脱磷的金属转入桶，且随后连同废料一起载入除碳转炉。但是，当没有“备用”BOS转炉时，这个工序不是一种选择。此外，当将这个工序改装到现有的钢铁厂时，其带来后勤挑战，会要求重大的操作变化，导致钢铁厂操作中可能的不灵活。在“未开发场所”，由于适应吹氧管行程所需要的高顶板高度，“脱磷”转炉选项将要求非常高的资金支出。

本发明的目的是提供允许使用较高磷的矿石的方法。

另一个目的是提供可以容易地集成到当前的炼钢操作工艺中的方法。

本发明的另一个目的是提供用于实施本发明的方法的装置。

这些目的的一个或多个通过如独立权利要求1中所述的将液态热金属例如液态高炉铁或具有等价于高炉铁组成的液态金属脱磷的方法实现，在该方法中热金属的浇注流从含有热金属的容器排放到精炼设备(又名精炼容器)中，其中在精炼设备中，将一个或多个用于形成熔渣的添加剂流和一个或多个用于将热金属的浇注流破碎成熔融金属液滴的气态流引导到浇注流中，其中一个或多个气态流和／或一个或多个添加剂流包含气态形式或化合物形式的氧，以在将熔融液滴收集到位于精炼设备下面的接收容器之前的下落期间允许该金属液滴、氧和熔渣之间的脱磷反应。

在从属权利要求2至10中描述了根据本发明的方法的优选实施方案。

这些目的的一个或多个通过用于实施前述权利要求中任一项的方法的装置实现，其中该装置包含用于容纳液态热金属例如液态高炉铁或具有等价于高炉铁组成的液态金属的容器，该热金属优选已经脱硫，该容器包括：用于将热金属的浇注流排放到精炼设备中的装置，该精炼设备具有单一反应室，其中该精炼设备具有至少一个第一喷射装置，用于向热金属的浇注流喷射气态流以将浇注流破碎成熔融金属液滴，且具有至少一个第二喷射装置，用于将添加剂流喷射到浇注流和／或熔融液滴中，且具有用于工艺废气的出口，和允许将熔融液滴收集到接收容器中的出口。

浇注流优选沿基本垂直的方向离开容纳液态热金属的容器，并在被来自至少一个第一喷射装置的气态流破碎成熔融金属液滴之前也沿基本垂直的方向进入精炼设备。

在从属权利要求12至16中描述了根据本发明的装置的优选实施方案。

本发明还包含一种装置，其中将至少一个用于喷射气态流的喷射装置和／或至少一个用于将添加剂流喷射到浇注流中的第二喷射装置安装在与浇注流成0°(平行于浇注流)～75°的角α上，其中优选该角为至少10°和／或最多60°。优选的最大值为45°。意图使气态流和添加剂流以其各自的喷射装置相对于垂直方向安装的角度接触浇注流。作出α的选择以实现彻底将浇注流破碎成具有用于优化的脱磷性能所需的平均直径和尺寸范围的金属液滴。该条件应是将该流破碎至所需的液滴尺寸，并在可控的、最低水平的脱碳和铁产量损失下实现最大程度的脱磷所需的氧化水平和渣料碱度。优选地，在脱磷期间可以改变第一和／或第二喷射装置的角度，优选的是独立地进行改变，以使浇注流的破碎和／或添加剂流向浇注流中的喷射的优化成为可能。

优选将从容器排放到精炼设备中的热金属在根据本发明的脱磷前脱硫。

一个或多个气态流可包含气态氧或含有氧的气态化合物。一个或多个添加剂流可包含化合物形式例如氧化物或碳酸盐形式的氧。

优选地将根据本发明的热金属脱磷的方法设置在热金属脱硫装置和BOS转炉之间的炼钢工艺路线中。含有热金属(优选经脱硫的，优选未扒渣的)的容器例如通过底部浇注，向精炼设备提供了热金属的浇注流。虽然可以用别的方式例如通过倾斜容器并从侧壁中的出铁口浇注、或者甚至通过像水桶那样将其浇注来进行浇注，但底部浇注在粘稠度和稳定性方面给出了稳定的浇注流的最佳条件，以及用于保护浇注流免受周围大气的影响的最佳条件。精炼设备优选装备有几个单独的多功能燃烧器模块或含有一个或多个喷射部件的喷嘴，用于喷射从不连续的位置或圆环直接指向浇注流的一种或多种气态化合物如氧、氮、天然气、或其它气体、或固态化合物例如石灰粉末、熔剂粉末或其它粉末，使得浇注流完全破碎成具有优化的脱磷性能所需的平均直径和尺寸范围的金属液滴。可以使用粒料代替石灰、熔剂或其它粉末。喷嘴提供气态和／或固态化合物的超声速或亚声速射流。液滴尺寸优选至多20毫米，并且优选至少1微米。额外的单独的多功能燃烧器模块或上述类型和用于上述目的的喷嘴可以根据需要放置在精炼设备中的其它位置处。至精炼过程的氧输入速率和石灰粉末／熔剂粉末／其它粉末的输入速率与热金属浇注速率和所产生的渣料的所需氧化状态和化学组成／性质(chemistry)相匹配。渣料中总铁优选为10％～40％，而渣料碱度(CaO／SiO₂)优选为1.0～4.0。磷以至少50％的高效率水平从金属液滴转移到渣料，因为该方法的设计确保了非常高的反应表面；相对低的温度(与在常规BOS转炉工艺的排出口处的1600℃～1700℃相比，为1200℃～1500℃)，在用于磷的氧化的优化条件或接近该优化条件下的高氧化状态；以及在高磷容量的优化条件或接近该优化条件下的渣料组成。

在容器和精炼设备之间可提供下文中称之为中间包的较小的密闭容器，以允许精炼设备中的脱磷过程可以不直接连接到含有热金属的容器，并且在该含有热金属的容器被清空并被满的容器代替的同时继续。当使用中间包时，可以通过将所述中间包中的液态金属维持在恒定高度而使该热金属的铁水静压头保持恒定。以这种方式，可以有效地保持浇注流的流动条件。当使用中间包时，则待破碎成熔融金属液滴的热金属流从中间包而不是直接从容器排放到精炼设备中。

在精炼设备中，分散的金属液滴暴露于氧化性和碱性渣料环境中，确保非常快的硅和磷去除，连同铁的氧化与温度的显著上升。同时，也可以减少分散的热金属液滴的碳含量，尽管只减少可变的量并且依赖于它们的平均直径和尺寸范围。当分散的金属液滴的平均直径低且尺寸范围宽时，可能会出现来自废气的烟和FeO和渣料中的金属丸的高产量损失。因此，金属液滴的尺寸优选为1微米～20毫米。合适的最小液滴尺寸为100微米。合适的最大液滴尺寸为3000微米。

金属浇注流的几何形状和数目、流动条件、喷嘴几何形状以及来自喷嘴的亚声速流或超声速流的相对方向，是平均液滴直径和尺寸范围确定的主要因素。因此，喷嘴的数目优选为至少1个且最多8个，更优选为至少2个。合适的最大值为四个喷嘴。浇注流的形状可以是不规则的，或者可以是圆形或矩形，或两者的组合；一个或多个流体的超声速芯长度可以大于，等于或小于喷嘴到流体的距离；添加剂流或气态流与浇注流的相对方向可以是0°(平行于浇注流)～75°。优选该角度(α，见图2)是至少10°和／或最多60°。更优选的最大角度是45°。在角度α是90°的情况下，将添加剂流或气态流垂直地引导到浇注流；在角度在0°和90°之间的情况下，将添加剂流或气态流向下倾斜到浇注流。作出α的选择以实现完全将浇注流破碎成具有用于优化脱磷性能所需的平均直径和尺寸范围的金属液滴。该条件应是将所述流破碎为所需的液滴尺寸，并在可控的、最低水平的脱碳和铁产量损失下实现最大程度的脱磷所需的氧化水平和渣料碱度。优选地，可以在脱磷期间改变第一和／或第二喷射装置的角度，优选的是独立地进行改变，以使浇注流的破碎和／或添加剂向液滴流中的喷射的优化成为可能。

在一个实施方案中，在精炼设备和用于收集经脱磷的金属的接收容器之间提供装置，其使精炼设备的连续使用成为可能，而不必当它满了时必须停工以更换接收容器。这些装置可以由缓冲容器或缓冲中间包组成，所述缓冲容器或缓冲中间包能够在用空的接收容器更换满的接收容器时收集经脱磷的金属。

根据本发明的方法的优点是，其可通过在规定的氧化和碱性环境下受控的热金属液滴的产生，采用相对低的资金和运行成本；最小的后勤影响；高生产率；以及简单而有效的快速精炼的概念，特别是单位时间内具有相对小体积的热金属而实施。

在一个实施方案中，喷射的添加剂可以是已经被适当加工成可喷射级别的回收的脱碳转炉渣料。因此，将石灰熔剂预先熔融并因此容易熔化。

在一个实施方案中，喷射的添加剂可以是合金或铁合金精粉(fine)。因此，可另外变更环境条件的化学组成。这些合金或铁合金精粉可以是回收的合金或铁合金精粉。

现在将通过下面的示意性和非限制性的附图来进一步说明本发明。

图1显示了用于实施根据本发明的方法的装置的示意图。图3显示了用于实施根据本发明的方法的装置更真实的图。

图2显示了浇注流(PS)相对于喷嘴(n)的夹角α。

图1显示了根据本发明的装置，具有在含有热金属的容器和精炼设备(图1中采用精炼容器表示)之间的中间包。在图1中用氧喷射和石灰喷射表示的入口是本发明的上下文中的气态流和添加剂流。在炼钢工艺路线中，将该装置联机(in-line)放置在热金属脱硫设备和BOS转炉之间。包含于底部浇注容器中的热金属(未经扒渣的)，且优选已经被脱硫，经底部浇注入中间包中，然后从中间包作为浇注流经底部浇注入精炼设备中。可以通过测力传感器监测和控制浇注流进入精炼设备的流量。将一个或多个超声速或亚声速气体射流作为来自氧／氮／其他气体／石灰粉末／熔剂粉末／其它粉末／天然气燃烧器模块或喷嘴的输出(可组合成单一的多功能模块或喷嘴)，或作为单独的喷射器直接指向来自不连续的位置或来自圆环的浇注流。

可以根据需要将额外的单个多功能燃烧器模块或喷嘴放置在精炼设备的顶部或侧壁中的其它位置处，所述额外的单个多功能燃烧器模块或喷嘴含有一个或多个喷射部件，用于喷射超声速或亚声速氧、氮、其它气体、石灰粉末、熔剂粉末或其它粉末或天然气。到精炼过程的氧输入速率和石灰粉末／熔剂粉末／其它粉末的输入速率与浇注流的浇注速率是匹配的。

在精炼设备内，金属液滴、氧和熔融渣料将在金属液滴在重力下落入接收容器中所花费的时间期间发生化学反应。硅和磷的精炼将伴随铁的氧化和温度的迅速上升。进一步的精炼反应也将在接收桶中的渣料和金属之间发生。可对其进行气体搅拌，以保证渣料和金属接近化学平衡。也可以预期一些碳氧化，这可能导致接收桶中明显的熔渣起泡。因此，接收容器将需要适当大的空间(freeboard)以容纳它。

在分批精炼过程的完成后，移开接收桶(现在是转移桶或装料桶)，并采用扒渣器装置或其它除渣设备去除渣料。渣料可能需要在扒渣或除渣前进行预处理(pre-conditioning)，以减少金属铁的产量损失。在采样和温度测量以后，然后将一般具有约1250℃～1500℃的温度的经脱磷和部分脱碳的热金属转移和装入已包含其所需的废料装料的脱碳转炉。在转炉脱碳过程期间，氧气流量可以比目前的工艺显著更高，且具有至多1500Nm³／分钟的值。因此，预期该转炉的加工时间会比目前的工艺显著更短，导致生产率的显著提高。

来自接收桶(现在其是用于脱碳过程的装料桶)的经扒渣(即去除)的渣料中的磷含量很可能高得足以确保这些渣料可以用作肥料产品的主要成分。

该控制系统优选包括如下的一个、多个或全部的灵活和独立控制：喷射剂输入、浇注流速率、金属和渣料组成采样和控制、温度测量和／或废气分析监测。

温度通过影响渣料的磷容量和金属液滴尺寸来影响性能。过高的温度可能导致脱磷反应减慢、停止或逆转。另一方面，需要适当地预热反应容器，以确保低水平的温度损失。热金属温度的变化可受化学热(硅和Fe(+碳、锰)的氧化)、化学热(天然气燃烧器)和传导、对流和辐射热损失的组合影响。

因为在将转炉装料时的磷载量比常规操作中显著较低，且热金属硅含量将可以忽略不计，所以可通过利用高吹氧速率来降低在BOS转炉中的脱碳时间。这将有助于提高转炉生产率。可以使用较低侵蚀性的渣料，其将降低溅渣和耐火材料维护的需要，进而将降低转炉的热损失。可将高流量氧喷头用于该转炉。

可将脱碳渣料回收到脱磷反应器，在该反应器中它可作为预熔熔剂添加剂而喷射。

Claims (16)

1.用于将液态热金属例如液态高炉铁或具有等价于高炉铁组成的液态金属脱磷的方法，其中热金属的浇注流从含有热金属的容器排放到精炼设备中，其中在精炼设备中将一个或多个用于形成熔渣的添加剂流和一个或多个用于将热金属的浇注流破碎成熔融金属液滴的气态流引导到浇注流中，其中一个或多个气态流和／或一个或多个添加剂流包含气态形式或化合物形式的氧，以在将熔融液滴收集到位于精炼设备下面的接收容器之前的下落期间允许所述金属液滴、氧和熔渣之间的脱磷反应。

2.根据权利要求1的方法，其中将所述的液态热金属在根据权利要求1的脱磷之前脱硫。

3.根据权利要求1或2的方法，其中一个或多个添加剂流和／或一个或多个气态流通过一个或多个含有一个或多个喷射部件的喷嘴或单独的多功能燃烧器模块提供，其用于喷射氧、氮、天然气、其它气体、石灰粉末或粒料、熔剂粉末或粒料、其它粉末或粒料中的一种或多种。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在相对于热金属流为α的角度下，向下引导所述一个或多个气态流。

5.根据权利要求4的方法，其中所述角度α为向浇注流的0°～90°，且更优选10°～45°。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述一个或多个添加剂流包含石灰、预熔渣料、熔剂、铁合金或合金粉末或粒料中的一种或多种。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述金属液滴具有1微米～20毫米，且更优选100微米～3000微米的直径。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中接收容器是气体搅拌的。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中该添加剂包含回收的脱碳转炉渣料，或由回收的脱碳转炉渣料组成。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中随后使该接收容器中的热金属在装入转炉并在转炉中进行脱碳操作之前经受扒渣或除渣操作，以从热金属去除渣料。

11.用于实施前述权利要求中的任一项的方法的装置，其中该装置包含用于容纳液态热金属例如液态高炉铁或具有等价于高炉铁组成的液态金属的容器，优选已将该热金属脱硫，该容器包括：用于将热金属的浇注流排放到精炼设备中的装置，该精炼设备具有单独的反应室，其中该精炼设备提供有至少一个第一喷射装置，用于向热金属的浇注流喷射气态流，以将浇注流破碎成熔融金属液滴，和至少一个第二喷射装置，用于向浇注流和／或熔融液滴喷射添加剂流，以及用于工艺废气的出口，和用于将熔融液滴收集到接收容器中的出口。

12.根据权利要求11的装置，其中将至少一个用于喷射气态流的喷射装置和／或至少一个用于将添加剂流到喷射浇注流中的第二喷射装置安装在与浇注流成0°(平行于浇注流)～60°的角度α上，其中优选该角度为至少10°和／或最多45°。

13.根据权利要求11或12的装置，其中一个、多个或所有的喷射装置是超声速射流器。

14.根据权利要求11至13的装置，其中沿着精炼设备的顶部或侧壁提供额外的喷射装置。

15.根据权利要求11至143中任一项的装置，其中接收容器是气体搅拌的，优选底部搅拌的。

16.根据权利要求11至15中的任一项所述的装置，其中在使用时含有热金属的容器和精炼设备之间提供中间包，以允许连续生产和稳定且恒定的铁水静压头，且其中中间包提供有开口，用于将热金属流排放到精炼设备中。

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