CN1282752C - 生产金属和金属合金的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用电炉由含金属供料生产金属的方法。该方法包括的步骤是，在炉内的形成具有金属层和金属层上的熔渣层的熔融浴，向炉内提供电能，并将电能转变成热能，从而，向方法提供要求的热量输入。方法还包括通过一个或多个固体注入喷枪/风管将载气和固体碳质料注入到熔融浴中，使熔融物料以喷溅、熔滴和液流的形式从熔融浴喷射入熔融浴的标称静面上的空间中，并形成过渡区。方法还包括通过一个或乡个含氧气体注入喷枪/风管将含氧气体注入炉内，使由熔融浴释放出的反应气体进行后燃烧，从而进一步向方法提供所要求的热量。在该方法中，使过渡区内的熔融物料的喷溅。熔滴和液流先升后降，以便将热量传递到熔融浴中，过渡区通过与过渡区接触的侧壁减少炉内的热量损失。

Description

生产金属和金属合金的方法和装置

本发明是关于利用电能由含金属供料生产熔融金属(该术语包括金属合金)的方法和装置。

本发明尤其是关于，但也不排除，用电炉生产铁、钢和铁合金。

术语“电炉”应理解为包括任何全部或部分以电流加热含有金属的金属装料的炉子。

作为实例，术语“电炉”通常包括炼钢中通用的a/c和d/c电弧炉、生产铁合金和生铁中通用的埋弧炉、和熔融废钢铁中通用的感应电炉。

本发明的目的是提供一种用电炉从含金属供料生产熔融金属的改进方法和装置。

根据本发明提供的用电炉从含金属供料生产金属的方法，该方法包括如下步骤：

(a)在炉内形成具有金属层和金属层上的熔渣层的熔融浴；

(b)向炉子供电能，并使电能转变成热能，以此向方法提供必要的热量输入：

(c)通过一个或多个喷枪/风管向熔融浴中注入载气和固体碳质料；

(d)使熔融料以喷溅、熔滴和液流形式从熔融浴喷射到标称熔融浴静面上的空间内，并形成过渡区；和

(e)通过一个或多个喷枪/风管向炉内注入含氧气体，使从熔融浴释放出的反应气体后燃烧，由此再一次向方法提供必要的热量。

术语“金属层”应理解为是指以金属为主的浴液区域。

术语“熔渣层”应理解为是指以熔渣为主的浴液区域。

术语“过渡区”应理解为是指熔融浴的标称静面上的区域，在该区域内熔融物料的熔滴或喷溅，先上升然后降落。

与熔融浴有关的术语“静面”应理解为是指在工艺条件下熔融浴的表面，在该表面上没有气体/固体注入，因此没有熔浴液的搅动。

形成熔融浴的步骤(a)包括将含金属供料的原始固体装料供入到炉内，利用向炉子提供的电能所产生的热能，使装料至少部分熔融。

或者，步骤(a)包括以熔融形式将含金属供料供入炉内，并由此形成熔融浴。

在上两节中描述的任何一种情况下，该方法包括在方法中的后面步骤内可再向炉内加入含金属供料。

过渡区域对反应气体的后燃烧是一个有效的区域。此外，熔融物料的熔滴、喷溅和液流在浴液和过渡区之间的移动是将通过反应气体的后燃烧所产生的热量传递到熔融浴的有效方式。进而，过渡区内的熔融物料，尤其是熔渣是一种在与过渡区接触中通过炉壁辐射而减少热损失的有效方式。

过渡区与熔渣层完全不同。作为说明，在方法的稳定运行条件下，熔渣层包括液体连续容积中的气泡，而过渡区包括气体连续相的熔融物料的喷溅、熔滴和液流。尤其是，过渡区是一种无泡沫的熔渣环境，因此，与通常的电弧炉中产生的区域完全不同，在这些炉内由于碳沸腾并形成泡沫状的熔渣。

在电炉的情况下，包括伸入炉内的向炉内提供电能的电极，优选的方法包括在电极上形成熔融物料的防护层。

尤其是，最好在步骤(d)中，从熔融浴中喷射的熔融物料的喷溅、熔滴和液流，形成防护涂层。

从熔融浴释放出的反应气体可包括任何适宜燃烧的气体，如CO和H₂。

按照本发明，后燃反应气体，并把能量传递到浴液以对方法提供必要的热能，并从而减少炉子对电能的需求。

后燃的量至少为40％，优选是至少60％。后燃定义如下：

$\frac{\left[{\mathrm{CO}}_2\right]+\left[H_{2}O\right]}{\left[{\mathrm{CO}}_2\right]+\left[H_{2}O\right]}+\left[{\mathrm{CO}}_2\right]+\left[H_2\right]$

其中：

[CO₂]＝释放气体中CO₂的容积％，

[H₂O]＝释放气体中H₂O的容积％，

[CO]＝释放气体中CO的容积％，

[H₂]＝释放气体中H₂的容积％，

按照本发明将载气和固体碳料注入熔融浴中并将含氧气体注入炉内，这使在熔融浴中，在过渡区内和在熔融浴上的气体空间的其它部分内形成组成的混合，这样就促进方法所要求的化学反应。

根据方法所生产的最终产品，可以将其他固体物料和固体碳质料一起注入到熔融浴中。

作为实例，当方法涉及生产铁时，含金属原料是以铁矿石和/或部分还原铁矿石的形式，则成渣剂、和熔剂可与载气和固体碳质料一起注入熔融浴中。

作为另一实例，当方法涉及生产钢时，含金属原料是以废钢、生铁、钢厂废物、和其他含铁物源的形式，则成渣剂，和熔剂可与载气和固体碳料一起注入到熔融浴中。

作为特定实例，当方法涉及从铁矿石和/或部分还原铁矿石生产钢时，则方法的最后步骤可包括停止向熔融浴中注入固体碳质料，以便调整熔融浴中的碳浓度，以满足钢组分的要求。

载气和固体碳质料和其他任选固体物料，优选注入到熔融浴的金属层中。

通过一个或多个喷枪/风管将载气和固体碳质料和其他任选固体物料注入熔融浴时所形成的过渡区，优选位于熔融浴的金属之上，并向其下方扩展。

一个或多个喷枪/风管，优选是对垂直形成10-70°的角度设置。

更好是以20-60°的角度。

喷枪/风管，最好是可伸缩的。

最好的是，将载气、固体碳质料和任选的其他固体物料注入熔融浴中，要足以使熔融物料以喷泉方式喷射到浴液上的空间内。

含金属原料可以是以任何适宜的形式，像块状颗粒，和细料。

含金属原料可以予热。

载气可以是任何适宜的载气。

载气优选是缺氧气体。

载气优选含有氮。

含氧气体可以是任何适宜的气体。

作为实例，当方法涉及从铁矿石和/或部分还原铁矿石生产铁时，含氧气体可以是空气或富氧空气。

在这种情况下，空气最好预热。

注入含氧气体的一个或多个喷枪/风管的位置和运行参数，优选要选择其控制过渡区，致使：

(a)含氧气体向过渡区注入，并渗透到过渡区内；

(b)含氧气体流使熔融物料的喷溅、熔滴、和液流偏转，以致事实上：

(i)使过渡区围绕着一个或多个喷枪/风管的较低部分向上扩展；和

(ii)围绕着一个或多个喷枪/风管的端部形成以“自由空间”描述的气体连续空间。

自由空间的形成是一个很重要的特征，因为它可以使炉子顶部空间中的反应气体向下进入到一个或多个喷枪/风管端部区域内，并在该区域内进行后燃烧。在本文中，术语“自由空间”应理解为是指实际上不含有金属和熔渣的空间。

根据本发明还提供一种由含金属供料生产金属和金属合金的电炉，该炉包括：

(a)一种装置，该装置可从熔融浴上方和/或通过炉子的侧壁部分，将载气和固体碳质料注入炉中的金属和熔渣的熔融浴中，与熔融浴接触，并使固体物料渗透到熔融浴中，由此，使熔融物料(包括金属和/或熔渣)直接或间接地喷射到熔融浴的静面上的空间中，形成过渡区；和

(b)一种装置，该装置使含氧气体注入到熔融浴面上的空间并使从熔融浴释放的反应气体进行后燃烧。

作为实例，参照附图进一步描述本发明，该附图是垂直剖视图，是根据本发明为实施本发明的优选实施方案的本发明的电炉的优选实施例。

如下描述涉及到熔炼铁矿石以生产熔融铁。但应理解到，本发明不受这一应用的限制，从含金属供料生产金属和金属合金，如钢和铁合金，一般都是适用的。

图中所示的炉子是一个A/C直接电弧炉，它具有3个向下伸入炉内的电极12。电极12与交流电源连接(未示出)。

在工序开始时，将铁矿石和/或部分还原铁矿石的原始装料、固体碳质料，如煤、成渣剂、和熔剂供入炉内。选择装料的量和电极12的位置，要使电极12的端部浸没在装料中。起动电炉，以便在电极12和装料之间产生电弧。装料的最上部分可含有适宜的高导电性物料，以便放电和建立稳定的电弧。

如图中所示，电弧主要是产生热能，该热能熔化装料，生成熔融浴9，并以后维持熔融浴9。熔融浴包括金属层(未示出)，和金属层上的熔渣层(未示出)。

装料中的铁矿石，和以后加到炉内的铁矿石，逐渐熔化并产生熔融铁，形成部分熔融浴。定时地将熔融铁从炉内排出。

金属装料中的碳质料、和以后加到炉3内的碳质料，作为还原剂和能源而起作用。

炉子还包括金属外壳和耐火材料的炉衬，和水冷却板，它适用于维持金属装料-包括熔融浴。炉子包括基座4、圆筒状侧壁6、炉顶20、和排气口8。水冷却板可以是任何适宜的形状。例如，水冷却板可以是申请人的国际申请PCT/AU 99/00537中描述的形状。

炉子还包括一个单独的喷枪/风管5，它通过侧壁6伸入炉内，到这样一个位置，即，使用中，使喷枪/风管5的开口端离熔融浴9中金属层的标称静面上的距离最短。该喷枪/风管5朝熔融浴9的面向下对垂直形成10-70°的角度。

炉子还包括通过炉顶20垂直伸入炉内的可伸缩的喷枪/风管10。

在使用中，方法起动步骤已建立熔融浴9后、需要继续工序的碳质料和铁矿石和/或部分还原铁矿石，夹带在氮气(或任何其他适宜的载气)中，并通过喷枪/风管5注入到熔融浴9的金属层中。固体物料/载气的冲力，使固体物料和气体渗透到金属层内，煤是脱挥发成分的。由此，在金属层内产生气体。部分碳溶入金属中，部分则仍以固体碳保留。铁矿石被熔化成金属，熔化反应产生一氧化碳气体。进入到金属层内的气体和通过脱挥发成分产生的气体和熔化，使熔融金属、固体碳、和熔渣(由于固/气注入而排入金属层内的)从金属层产生明显的向上浮动，这就使熔融金属和熔渣的喷溅、熔滴和液流产生向上移动。这些喷溅、熔滴和液流在它们移动通过熔融浴的熔渣层时夹带熔渣。

熔融金属、固体碳和熔渣的向上浮动，在金属层和熔渣层内产生搅拌，结果产生熔渣层容积的膨胀。搅拌的程度是要使在这些区域内形成一个相当均匀的温度，通常为1450-1550℃，在各区域内的温度变化约为30°。

此外，由熔融金属、固体碳、和熔渣的向上浮动所引起熔融金属和熔渣的喷溅、熔滴和液流向上移动扩展到熔融浴9上的顶部空间14内，并形成过渡区26。

在一般的术语中，熔渣层是液体连续容积，其内具有气泡，而过渡区是气体连续容积，其中具有熔融金属和熔渣的喷溅、熔滴和液流。

适宜的含氧气体，如热空气或富氧空气，通过顶部的喷枪/风管10而注入炉内。选择喷枪/风管10的位置和通过喷枪/风管10的气体流速，以使含氧气体渗入到过渡区26的中心区域内，并且在喷枪10的端部周围基本上保持一种金属/熔渣自由空间25。

通过喷枪/风管10注入的含氧气体在过渡区26和喷枪10端部周围的自由空间25中，进行后燃烧反应气体CO和H₂，并在气体空间内产生约2000℃或更高的高温，这些热量传递到气体注入区中的熔融物料升降的喷溅、熔滴和液流中，当金属/熔渣返回到金属层时，部分热量又传递到金属层。

自由空间25对于获得高水平的后燃烧(即大于40％)是很重要的，因为它能够使过渡区26上空间中的夹带气体进入到喷枪/风管10的端部区域内，由此增加存在反应气体的接触以进行后燃烧。

喷枪/风管10的位置、通过喷枪/风管10的气体流速和熔融金属和熔渣的喷溅、熔滴和液流的向上移动，其综合效果是在喷枪/风管10的较低区域周围形成一定形状的过渡区26。这种一定形状的区域，通过对侧壁6的辐射，对热传递形成一种局部屏障。

然而，金属和熔渣的熔滴、喷溅和液流的升降，对于从过渡区26向熔融浴传递热量，是一种有效的方式，其结果使在侧壁6区域中的过渡区26的温度和浴液温度同一量级。

通过喷枪/风管10注入含氧气体的目的是使从熔融浴9释放出进入空间14的反应气体，如CO和H₂，进行后燃烧。否则通过气体出口8从炉内排放到大于40％的初始后燃烧。

由后燃烧反应产生的热能传递到过渡区26中的熔融物料，而后，当熔融浴料的喷溅、液流和熔滴返回到熔融浴9中时，又传递到熔融浴9。

由于反应气体的后燃烧，热能传递到熔融浴中，从而降低方法的电能需求。

以上所描述的本发明方法和装置的优选实施方案，在不偏离本发明的宗旨和范围内，可以进行许多改进。

作为实例，虽然优选实施方案包括通过炉顶20垂直伸入的喷枪/风管10，但本发明并不仅限于如此，为了注入含氧气体，也可以通过炉子侧壁6伸入一个或多个喷枪/风管。

作为另一实例，虽然描述的优选实施方案是关于熔化铁矿石生产熔融铁的，但本发明并不仅限于这种应用，生产金属和金属合金，如钢和铁合金，一般都可应用。

作为特定的实例，当本发明的方法涉及到从高的铁含量供料，如HBI，生产钢时，则开始工序最好包括将含金属供料的固体装料供入炉内，利用电极12和固体装料之间的电弧产生的热能使部分装料熔化，由此形成熔融浴。随后，在确定熔融浴达到足够量后，方法包括通过喷枪/风管5将载气和固体碳质料注入熔融浴中，产生过渡区，并通过喷枪/风管10将含氧气体注入炉内，将从熔融浴中释放出的反应气体进行后燃烧。由电能和后燃烧产生热量的综合效果是将剩余的固体装料熔化。在剩余固体装料熔化后，方法包括停止注入固体碳质料，而后向熔融浴中注入含氧物料(如铁矿石，部分还原铁矿石或含氧气体)，以将碳的水平降低到钢组分所要求的水平。

Claims (8)

1.一种利用电炉从含金属供料生产金属的方法，特征是，该方法包括如下步骤：

(a)在炉内形成具有金属层和金属层上的熔渣层的熔融浴，

(b)向炉内提供电能，并把电能转变成热能，从而向方法提供必要的热量输入，

(c)通过一个或多个固体注入喷枪/风管，将缺氧载气和固体碳质料注入熔融浴的金属层中，

(d)使熔融物料，从熔融浴以喷溅、熔滴、和液流的形式喷注入熔融浴的标称静面上的气体连续空间内，并形成过渡区；和

(e)通过一个或多个含氧气体注入喷枪/风管将含氧气体注入炉内，并将该一个或多个喷枪/风管进行定位，以使：

(I)含氧气体向过渡区注入，并渗透进过渡区内，

(II)含氧气体流使熔融物料的喷溅、熔滴和液流偏离以致实际上，

(i)使过渡区围绕着一个或多个喷枪/风管周围向上扩展，和

(ii)在一个或多个喷枪/风管端部的周围形成以“自由空间”描述的气体连续空间，

并使从熔融浴中释放出的反应气体进行后燃烧，由此进一步对方法提供要求的热量，随着熔融物料在过渡区内的喷溅、熔滴和液流的先升后降，易于使热量传递到熔融浴中，并且过渡区通过与过渡区接触的侧壁减少炉内热量的损失。

2.根据权利要求1的方法，特征是，形成熔融浴的步骤(a)包括向炉内供入含金属供料的原始固体装料，并借助于提供给炉内的电能所产生的热能，至少部分熔化装料。

3.根据权利要求1的方法，特征是，步骤(a)包括以熔融形式向炉内提供含金属供料，由此形成熔融浴。

4.根据权利要求2或3的方法，特征是，包括在方法的后面阶段向炉内添加含金属供料。

5.根据权利要求4的方法，特征是，权利要求1的步骤(c)包括通过一个或多个固体注入喷枪/风管将载气和固体碳质料注入到熔融浴中，由此产生熔融物料的喷溅、熔滴和液流向上移动，并由此形成权利要求1的步骤(d)中限定的过渡区。

6.根据权利要求5的方法，特征是，包括通过一个或多个固体注入喷枪/风管将另外的固体物料注入到熔融浴中。

7.根据权利要求6的方法，特征是，另外的固体物料包括含金属供料。

8.根据权利要求1-3任一项的方法，特征是，当运行以从铁矿石或部分还原铁矿石生产钢时，包括在方法的后面阶段中停止或至少基本限制注入碳质料，以便将熔融浴的碳浓度调整到钢组分所要求的碳浓度。