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CN111801431A - 用于钢铁生产的熔炼装置 - Google Patents

用于钢铁生产的熔炼装置 Download PDF

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CN111801431A
CN111801431A CN201980016940.0A CN201980016940A CN111801431A CN 111801431 A CN111801431 A CN 111801431A CN 201980016940 A CN201980016940 A CN 201980016940A CN 111801431 A CN111801431 A CN 111801431A
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安德烈亚斯·舒林
托马斯·汉高
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Abstract

本发明涉及一种改进的用于钢铁生产的装置，其具有下部熔炉(炉床部分)以及环形的、水冷的、内衬为耐火材料的圆柱形上部熔炉，在上部熔炉上能够放置具有开口的向上封闭的锥形帽。熔炼装置(11)被设计成用于不利用熔化功率的操作模式和利用熔化功率的操作模式，并且为此在锥形炉盖(帽)(2)中设置有至少一个开口(12)，能够通过开口将至少一个顶部喷枪(1)引入到上部熔炉(3)中，并且多个侧壁喷射器(4)径向地、以环绕的方式布置在圆柱形上部熔炉(3)中，使得在工作位置，上部喷枪(1)和侧壁喷射器(4)与位于用于精炼的下部熔炉(炉床部分)(5)中的熔融体的熔融液面(13)对准。

Description

用于钢铁生产的熔炼装置
技术领域
本发明涉及改进的用于钢铁生产的熔炼装置，该熔炼装置具有炉床部分以及环形的、水冷的、内衬为耐火材料的圆柱形上部熔炉，在该上部熔炉上可以放置锥形帽，所述锥形帽在顶部封闭并且具有用于排气管道的开口。
背景技术
使用高炉-BOF转炉流程的钢铁制造厂面临着对低排放钢铁生产日益严格的要求。已经尝试通过昂贵的废气清洁和谨慎地选择主要原料来应对增加的环境要求。此外，对于主要原料的需求也越来越少，因此专用的转炉路径有时未被充分利用，这进而对制造成本产生了负面影响。
废钢是一种循环材料，其可以一次又一次地用于制造钢。废钢的价格波动很大。在此，除了化学纯度和预加工程度以外，本地可利用性对于相应的价格也具有决定性作用。
钢(转炉钢和电炉钢)的制造占全球人为空气污染的7％。如果把矿石开采和矿石运输计算在内，则可能为10％。
在工业化国家中，CO2排放证书的价格一直在上涨。但在新工业化国家和发展中国家，也明显加强了对排放的要求。钢制造厂被要求大幅地减少其CO2排放量。
从中期来看，有必要减少矿石开采和铁矿石冶炼。在未来，大部分钢应通过回收利用(电弧炉(EAF))制造。与BOF相比，EAF的排放量降低了约75％。
从长期来看，将减少铁矿石的开采和生铁的制造，并将增加钢制造中回收利用的比例。此外，使用更少环境污染的还原剂替代碳载体已成为铁生产商的议事日程。
WO 2017/000935 A1公开了一种用于EAF炉的改建系统，以便将其改建为BOF转炉。尽管该改建系统已证明是有用的，但是由于这种改建的炉作为转炉进行操作且改建既昂贵又费时，因此该系统具有仅限于液态原料的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种熔炼装置，该熔炼装置能够灵活地处理甚至处于固态和/或液态的聚集体状态的各种原料，并且在考虑到使用不同原料的不同钢材质量的情况下在减少CO2的同时减少了冶炼周期时间(Tap-to-Tap Zeiten)。
该目的通过权利要求1中说明的特征实现，特别是通过如下方式实现：熔炼装置被设计成既用于不利用熔化功率(即，电能输入)的操作模式也用于利用熔化功率的操作模式，并且可以通过更换炉盖来改变熔炼装置的操作模式，其中，针对不利用熔化功率的操作模式，锥形炉盖具有至少一个开口，可以通过该开口将至少一个用于吹入过程气体的顶部喷枪引入到上部熔炉中，并且针对利用熔化功率的操作模式，锥形炉盖具有至少一个开口，可以通过该开口将至少一个石墨电极引入到上部熔炉中，并且多个侧壁喷射器径向地、以环绕的方式布置在圆柱形上部熔炉中，使得在工作位置，顶部喷枪和侧壁喷射器可以与位于用于精炼的炉床部分中的熔融体的熔融液面对准。
根据本发明的熔炼装置可以在一定时间内中断以熔融金属为原料的对环境有害的过程，将其逐级减少至零，并最终能够在相同的熔炼厂的情况下使高炉关闭。废钢和固态原料的代替生铁的使用对钢的质量和钢的纯度提出很高的要求。在根据本发明的熔炼装置中，将BOF转炉和电弧炉的成熟技术彼此结合，以便最有效和最灵活地使用不同的能量形式。同时，根据本发明的熔炼装置能够以较短的装调时间灵活地改变用于熔炉系统的材料。
根据本发明的熔炼装置的一有利实施例，顶部喷枪和侧壁喷射器可以同时地并且以彼此协调的体积流量协调地操作，以便抑制强烈的熔渣飞溅，并从而避免在熔炼装置上并且尤其在熔炼装置的上部熔炉中结瘤。
在熔炼装置中存在不同金属进料混合物的情况下，可以针对利用熔化功率的操作模式更换炉盖，使得可以将至少一个石墨电极引入到熔炼装置的炉床部分中。
在根据本发明的熔炼装置的一特别实施例中，对于利用熔化功率的操作模式，可以通过熔炼装置的炉盖中的开口引入至少一个石墨电极且最多三个石墨电极。
此外，在侧壁喷射器和顶部喷枪的最佳使用的情况下，精炼所需气体的10％至50％可以通过侧壁喷射器且所述气体的90％至50％可以通过顶部喷枪同时地且相互协调地吹入熔炼装置中的熔融体。通过顶部喷枪和侧壁喷射器之间的最佳混合比例，可以减少熔融体飞溅和炉渣飞溅，从而预防了容器的结瘤。
在这种情况下，在根据本发明的熔炼装置中用于生产碳钢的金属原料可划分为以下几组：
I.液态生铁(也被称为铁水)、生铁锭或颗粒状生铁(GPI：Granulated Pig Iron)形式的固态生铁
II.冷装填或热装填的海绵铁(直接还原铁(DRI：direct reduced iron))
III.热压铁(HBI：hot bricketted iron)、冷压铁(CBI：cold bricketted iron)
IV.高度预加工的废钢(破碎、双粉碎、包装)
V.具有低预加工度的受污染废钢(HMS 1、HMS 2)
VI.废钢(来自垃圾焚烧厂的废钢、金属屑)
VII.在钢制造过程中用作铁梁或冷却剂的特殊材料(合成铁、碳化铁)
组I-IV代表不包含任何不期望的钢伴随成分(例如，Cu、Cr和Ni)的所谓的原始原料。对于一系列钢而言，必须使用一定比例的这些原始原料，以确保最终产品的质量。制造这些原料非常耗能，并因此对环境造成重大负担。
组V-VII代表不同质量和不同加工程度的碳钢废钢。废钢为回收材料。更高的预加工程度和更低的化学污染导致这种废钢的价格更高。
组VIII代表所有用作钢制造原料的特殊材料。
根据制造方法或预加工方法的不同，金属原料的价格差异很大。
对于组I和II的原料，铁矿石(铁矿石球团)和焦炭的价格对于生铁制造成本起决定性作用。铁矿石市场由少数生产商控制。没有自己矿山的冶炼厂将受到市场规定价格的影响。
对于组III和IV的原料，对于铁矿石(主要是矿石球团)的质量的要求甚至比对于高炉工艺的要求还高。这种球团的可用性是受限的。这影响了球团的价格。对于矿石的干式还原，使用还原气体。最终，可用性决定了当地价格。DRI含有5-10％的脉石(一些FeO)，并且比生铁具有更低的碳含量(能量！)。熔炼这些原料比熔炼生铁需要更多的能量。与组I和II相比，在此列出的原料更便宜。
利用根据本发明的熔炼装置，由于其能够以类似于BOF的方式进行操作，因此可以灵活地使用所有原料。在此，废钢(冷却废钢)或其它冷却剂的比例可以降低到15％左右。通过侧壁喷枪和顶部喷枪引入氧气。通过改变炉子的几何形状以及侧壁喷射器和顶部喷枪的组合，在根据本发明的熔炼装置中避免了在单一喷射器操作中使用常规EAF时(即，在没有电能输入时)熔炉容器的结瘤问题。
如果在熔炼装置的操作期间暂时或永久地未提供足够数量的液态生铁，或者如果停止液态生铁的生产，则熔炼装置可以像常规EAF一样操作。EAF操作模式的改建并不复杂，并且可以在两个冶期之间进行。
因此，可以针对不利用熔化功率的操作模式(即，没有电能输入)和利用熔化功率的操作模式不同地设计熔炼装置。
当根据本发明的熔炼装置在不利用熔化功率的情况下操作时，流程如下：
a.出钢终结。检查熔炉。
b.竖直放置熔炉，打开炉盖，收起起重机架锁定机构，向外摆动起重机架，装填废钢，向内摆动起重机架，锁定起重机架，降低炉盖，锁定倾斜平台(作为顺序)
c.开始装填液态生铁
d.向内摆动，降低并点燃氧气顶部喷枪
e.一个接一个地开启侧壁喷射器
f.当装填所有生铁之后，完成装炉量
g.温度控制
h.升高顶部喷枪，解锁熔炉
i.出钢
如果根据本发明的熔炼装置仅部分地使用液态生铁进行操作，则顺序如下：
a.出钢终结。检查熔炉。
b.竖直放置熔炉，打开炉盖，收起起重机架锁定机构，向外摆动起重机架，装填废钢/铁梁，向内摆动起起重机架，锁定起重机架，降低炉盖，锁定倾斜平台。向内摆动，降低并点燃电极-支撑装置(作为顺序)。
c.开启作为燃烧器的侧壁喷射器
d.开始装填液态生铁
e.喷射器从燃烧器切换到喷枪操作
f.当装填所有生铁之后，完成装炉量
g.温度控制
h.升高电极，解锁熔炉
i.出钢
如果未装填任何液态生铁，则取消d.和f.。对于双篮装填(Zweikorb-chargen)，将重复b.、c.和f.。
就此明确的是，根据本发明的熔炼装置可以被普遍使用。当在不利用熔化功率的情况下进行钢铁生产时，该熔炼装置将BOF和EAF的许多优点组合。尽管鼓风速率低于BOF，但由于根据本发明的熔炼装置的非生产时间比BOF短，因此可以实现非常高的生产率。
另外，当使用具有高P含量的液态生铁时，可以实现非常好的脱磷。与BOF不同的是，可以连续地排出含磷炉渣。
顶部喷枪和侧壁喷射器的同时操作(平衡鼓风)可抑制强烈喷射，并从而避免了容器结瘤。这通过炉盖区域的设计获得支持，使得也防止了弯头区域(Krümmerbereiches)的结瘤。精炼所需气体(氧气或适合的代替物)的10％至50％应当通过侧壁喷射器且所需气体的90％至50％应当通过顶部喷枪吹入位于熔炼装置中的熔融体中。
如果根据本发明的熔炼装置在利用熔化功率的情况下(也就是说，在不同金属原料混合物的情况下)进行操作，则更换容器的炉盖，并且熔炉现在可以利用电极操作。此外，熔炉通过侧壁喷射器具有较高效率。
如果不再提供生铁，则可以通过相应地使用电能来确保较高的生产率。为了生产高质量的钢，与BOF的不同的是仅必须随后设置必要的原始原料的比例。以此方式，可以减少其制造对环境造成巨大负担的铁梁的使用。
附图说明
下面将参考示例性实施例更详细地说明本发明。
图1示出了根据本发明的熔炼装置的示意性局部剖视图，其中显示了具有BOF组件和EAF组件的混合结构。
图2示出了根据图1的图，区别在于顶部喷枪(Toplanze)通过至少一个电极支臂(Elektrodentragarm)而不是通过石墨电极插入熔炼装置。
具体实施方式
如图1和图2所示，熔炼装置11由彼此形状配合地连接的下部容器5(炉床部分)和上部容器3构成。下部容器5的内衬为耐火材料，并且下部容器用于容纳熔融体。上部容器3具有有水冷系统3a。上部容器3可以由帽/盖2覆盖。帽/盖2具有至少一个开口12，特别为石墨电极10(在该实施例中为三个石墨电极)的熔融电极或者至少一个顶部喷枪1通过所述开口引入到熔炼装置11中。与上部容器3相同地，帽/盖2是水冷的。
在此，石墨电极10和顶部喷枪1通过电极支柱7和与电极支柱连接的电极臂6进行控制，以便能够根据需要将它们移入和移出熔炼装置11。
上部熔炉3具有基本上圆形/圆柱形的侧壁3a。侧壁3a在径向外部具有沿周向的开口。可以通过侧壁3a中的开口引入侧壁喷射器4，然后可以将侧壁喷射器与将要在下部熔炉5中处理的熔融体14对准。在此，在工作位置，顶部喷枪1和侧壁喷射器4与位于用于精炼的下部容器/炉床部分5中的熔融体14的熔融液面13对准。
如图2所示，可以通过阀门站(氧气阀门站)8向顶部喷枪1供氧。在此，顶部喷枪1由氧气阀门站8控制并根据相关规范进行操作。
为了以EAF的方式进行熔炼操作，如图1所示，通过变压器9为石墨电极10提供相应的电能。
侧壁喷射器4(侧部喷枪)和顶部喷枪1(可以设置多个顶部喷枪)一起操作，或者可以同时吹入气体(通常为氧气)。在这种构造中，上部容器3中的侧壁喷射器4(或圆柱形侧壁3a中的侧壁喷射器)应始终与一个或多个顶部喷枪1一起移动。这种操作模式应以经由侧壁喷射器的10％至50％与经由顶部喷枪1(或多个顶部喷枪)的90％至50％之间的最佳混合比进行。通过该操作模式，在较小的熔炼装置11中，每单位时间可将明显更多的气体(氧气)吹入较小的熔融体14中，而不会出现明显更多的飞溅。
附图标记列表
1 顶部喷枪(氧气)
2 水冷炉盖/帽(护罩)
3 水冷上部容器/上部熔炉
3a 上部容器的侧壁
4 侧壁喷射器
5 具有耐火内衬的下部熔炉(炉床部分)
6 电极臂
7 电极支柱
8 阀门站(氧气阀门站)
9 变压器
10 熔融电极/石墨电极
11 熔炼装置
12 一个或多个盖开口
13 熔融液面
14 熔融体

Claims (7)

1.一种用于钢铁生产的熔炼装置(11)，其具有内衬为耐火材料的下部熔炉/炉床部分(5)以及基本圆柱形的、水冷的上部熔炉(3)，所述下部熔炉/炉床部分在底部出钢，在所述上部熔炉上能够放置向上封闭的锥形炉盖(2)，所述锥形盖具有专门设计的排气接口，
其特征在于，所述熔炼装置(11)被设计为既用于不利用熔化功率的操作模式(即，没有电能输入)并且还用于利用熔化功率的操作模式，并且通过更换所述炉盖(2)能够改变所述熔炼装置(11)的操作模式，
其中，针对所述不利用熔化功率的操作模式，所述锥形炉盖(2)具有至少一个开口(12)，能够通过该开口将至少一个用于吹入过程气体的顶部喷枪(1)引入到所述上部熔炉(3)中，并且针对所述利用熔化功率的操作模式，所述锥形炉盖(2)具有至少一个开口(12)，能够通过该开口将至少一个石墨电极(10)引入到所述上部熔炉(3)中，并且多个侧壁喷射器(4)径向地、以环绕的方式布置在所述圆柱形上部熔炉(3)中，使得在工作位置，所述顶部喷枪(1)和所述侧壁喷射器(4)能够与位于用于精炼的所述下部熔炉/炉床部分(5)中的熔融体(14)的熔融液面(13)对准。
2.根据权利要求1所述的用于钢铁生产的熔炼装置，其特征在于，所述顶部喷枪(1)和所述侧壁喷射器(4)能够同时地且以彼此协调的体积流量协调地操作，以抑制强烈的熔渣飞溅，并因而避免在所述熔炼装置(11)上并且尤其在所述上部熔炉(3)中结瘤。
3.根据权利要求1所述的用于钢铁生产的熔炼装置，其特征在于，针对其中在所述熔炼装置(11)中存在不同的金属原料混合物的所述利用熔化功率的操作模式，能够更换所述炉盖(2)，以便能够将至少一个所述石墨电极(10)引入到所述炉床部分(5)中。
4.根据权利要求3所述的用于钢铁生产的熔炼装置，其特征在于，针对所述利用熔化功率的操作模式，能够通过所述炉盖(2)的所述开口(12)引入至少一个所述石墨电极(10)且能够引入最多三个所述石墨电极(10)。
5.根据权利要求1或2所述的用于钢铁生产的熔炼装置，其特征在于，在所述侧壁喷射器(4)和所述顶部喷枪(1)的最佳使用的情况下，精炼所需气体的10％至50％能够通过所述侧壁喷射器(4)且所述气体的90％至50％能够通过所述顶部喷枪(1)同时地且彼此协调地吹入位于所述熔炼装置(11)中的所述熔融体(14)中。
6.根据权利要求5所述的用于钢铁生产的熔炼装置，其特征在于，所述顶部喷枪(1)和所述侧壁喷射器(4)之间的最佳混合比能够减少熔融体飞溅和炉渣飞溅，并因而能够减少所述上部容器(3)的结瘤。
7.根据前述权利要求1和6中任一项或任多项所述的用于钢铁生产的熔炼装置，其特征在于，所述炉盖(2)被指定有特定地成形的且倾斜地设计的熔炉弯头，所述熔炉弯头的横截面适配于过程条件，使得在精炼期间产生的废气的最大流速不能超过50m/s。
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