制備金屬及金屬合金的方法與設備的制作方法

專利名稱：制備金屬及金屬合金的方法與設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制備熔融金屬(該術語包括金屬合金)的方法，特別是在包含熔池的冶金轉爐中，由諸如礦石、部分還原的礦石和含金屬的廢液等含有金屬的原料制備熔融金屬(盡管決不排除鐵合金)的方法。
本發明具體地涉及由含有金屬的原料制備熔融金屬的方法與設備，所述的設備基于下列裝置的組合(a)一種部分還原并至少部分熔化含金屬的原料的裝置；和(b)一種使熔融的已部分還原的原料完全還原的裝置。
預還原/熔化裝置的實例之一是旋風轉爐。
還原裝置的實例之一是包含熔池的轉爐。
Fassbinder等人的美國專利US4,849,015和Den Hartog等人的美國專利US5,800,592，公開了用上述的預還原/熔化裝置和還原裝置的結合，由鐵礦制備熔融鐵的具體方案。
本發明的一個目的是提供一種可供選擇的由鐵礦制備熔融鐵的方法/設備，該方法/設備以上述預還原/熔化裝置和還原裝置的結合為基礎。
本發明提供了由含金屬的原料制備金屬的方法，包括在預還原/熔化裝置中部分還原并至少部分熔化含金屬的原料，和在還原裝置中完全還原已部分還原的原料的步驟，所述的還原裝置包括一轉爐(vessel)，該轉爐包含一熔池(molten bath)，所述的熔池具有金屬層和位于金屬層之上的爐渣層，而且該方法的特征在于(a)將固體的含碳材料隨著載氣一起注入熔池的金屬富集區；(b)造成材料的濺射物、液滴和液流自金屬層向上運動，該運動(ⅰ)促進金屬層的材料在爐渣層的混合和爐渣層的材料在金屬層的混合；并且(ⅱ)延伸至熔池上面的空間形成過渡區；(c)將含氧氣體注入轉爐中并后燃燒一部分產生產生于熔池的反應氣體；(d)將至少一部分來自還原裝置的熱反應氣體傳送至預還原/熔化裝置作為還原氣體，并部分地還原含金屬的原料；和(e)將含氧氣體注入預還原/熔化裝置中并后燃燒一部分反應氣體，從而產生熱量，以至少部分地熔化已部分還原的含金屬的原料。
在本文中，術語“金屬富集區”應理解為具有高濃度金屬的熔池區域。舉例來說，金屬層就是一種金屬富集區。
在本文中，術語“金屬層”應理解為主要是金屬的熔池區。具體地講，該術語所涵蓋了包括金屬連續體相中分散了熔融爐渣的區域。
在本文中，術語“爐渣層”應理解為爐渣占優勢的熔池區。具體地講，該術語涵蓋了包括爐渣連續體相中分散了熔融金屬的區域。
在本文中，術語“過渡區”應理解為其中帶有熔融材料(至少主要是爐渣)的濺射物、液滴和液流的氣體連續體相。
為了自步驟(b)中的金屬層產生熔融材料的濺射物、液滴和液流的向上運動，一種選擇是通過一個或一個以上的噴管/風口，注入步驟(b)中的固體含碳材料和載氣，所述的噴管/風口向下朝金屬層延伸。
更優選該一個或一個以上的噴管/風口沿轉爐的側壁延伸，并以向內和向下的角度對著金屬層。
優選的是，向金屬層注入的固體含碳材料和載氣足以使熔融材料的濺射物、液滴和液流產生噴泉式的向上運動。
通過向下延伸的噴管/風口向金屬層注入固體含碳材料和載氣具有下列的效果(ⅰ)固體含碳材料和載氣的動量使其貫穿金屬層；(ⅱ)固體含碳材料，通常為煤，被氣脫揮發份，并因此在金屬層中產生氣體；(ⅲ)碳顯著地溶解于金屬中，并部分地保持為固體；(ⅳ)傳送至金屬層和通過脫揮發份而產生的氣體，產生有效的浮力使材料自金屬層浮起，從而導致材料的濺射物、液滴和液流的上述向上運動，而且這些濺射物、液滴和液流在通過爐渣層時，進一步帶走爐渣。
在(d)段中提到的材料，包括熔融的金屬(包括溶解的碳)和熔融的爐渣，所述的熔融爐渣，因固體/氣體的注入而由上述的金屬層被帶到金屬層。
產生材料濺射物、液滴和液流的上述向上運動的另一種選擇，盡管決不是唯一的其他選擇，是通過位于轉爐底部或與金屬層接觸的側壁中的一個或一個以上的風口，注入固體的含碳材料和載氣。
優選地，預還原/熔化裝置定位于還原裝置之上，并與還原裝置相通，以便使至少部分熔融、部分還原的含金屬的原料向下排放至還原裝置中，而且更優選排放至熔池中劇烈混合的爐渣層中心區。本申請人確信，這會導致預還原材料的更有效的熔煉。
優選借助這種布置，使在還原裝置中產生的熱還原氣體向上流入預還原/熔化裝置中。
如上所述，材料的濺射物、液滴和液流的自金屬層的向上運動，促進了金屬層的材料在爐渣層的混合和爐渣層的材料在金屬層的混合。優選混合的程度足以使爐渣層的成分和溫度大致均一化。
各層之間的材料混合，加速了溶解于金屬中存在的碳對熔池中的金屬氧化物的還原。在這種連接中，向金屬層注入固體的含碳材料，確保了金屬層中存在高含量的溶解碳(而且可能是固體碳)，從而確保了金屬層是強還原性的。
優選金屬中的溶解碳的含量大于3.5％重量。
本方法優選地包括，在向預還原/熔化裝置供料之前，對含金屬的原料進行預熱的步驟。
本方法優選地包括從預還原/熔化裝置排出作為廢氣的反應氣體，和用該熱的或冷的廢氣預熱含金屬的原料。
向轉爐和預還原/熔化裝置注入含氧氣體的步驟(c)和(e)，優選后燃燒產生于熔池的反應氣體至至少70％的后燃燒水平。
術語“后燃燒”的意思是[CO2]+[H2O][CO2]+[H2O]+[CO]+[H2]]]>其中[CO2]=反應氣體中CO2的體積百分數；[H2O]=反應氣體中H2O的體積百分數；[CO]=反應氣體中CO的體積百分數；和[H2]=反應氣體中H2的體積百分數。
更具體地，在轉爐中的后燃燒上下文中的術語“后燃燒”也指為其他目的而不添加任何補充性含碳材料的后燃燒。
在步驟(c)中，優選通過一個或一個以上的向下和向內延伸至轉爐中的噴管/風口，將含氧氣體注入轉爐中，并充分地后縮以避開由預還原/熔化裝置向下流入轉爐的材料。
過渡區是重要的，其原因有三首先，上升然后下降的材料濺射物、液滴和液流是將轉爐中的反應氣體后燃燒所產生的熱量傳遞給熔池的有效手段。
其次，過渡區的材料特別是熔融的爐渣是減小因轉爐側壁的輻射導致的熱損失的有效手段。
再次，過渡區的含碳灰塵降低了因輻射至轉爐側壁而導致的熱損失。
優選地，所述的轉爐包括(a)自轉爐排出熔融金屬和爐渣的排放孔；和(b)一個或一個以上的用于傳送反應氣體至預還原/熔化裝置的出口。
優選含氧氣體為氧氣。
本發明還提供實施上述方法的設備。
更具體地，本發明提供一種從含有金屬的原料制備金屬的設備，該設備包括部分還原并至少部分熔化所述含有金屬的原料的預還原/熔化裝置，和完全熔化并還原至少部分熔化并部分還原的原料的還原裝置；所述的還原裝置包括一轉爐，該轉爐包含一熔池，所述的熔池具有金屬層和位于該金屬層之上的爐渣層；所述的預還原/熔化裝置直接定位于轉爐的上方，并與轉爐相通，由此至少部分熔化并部分還原的原料向下流入轉爐的中心區域；而且該還原裝置進一步包括(a)一個或一個以上的向熔池的金屬富集區注入固體含碳材料和載氣的噴管/風口；(b)一個或一個以上的向轉爐中注入含氧氣體的噴管/風口，該轉爐后燃燒產生于轉爐中的反應氣體，所述的一個或一個以上的噴管/風口向下和向內延伸至轉爐中，并且如此定位，以便減少與已至少部分熔化并部分還原的原料接觸，該原料自預還原/熔化裝置向下流動；和(c)一個或一個以上的向預還原/熔化裝置注入含氧氣體的噴管/風口，
該預還原/熔化裝置后燃燒至少一部分來自轉爐的反應氣體。
進一步以實施例的方式參照附圖對本發明進行描述，在所述的附圖中

圖1是本發明的方法和設備的一優選實施方案的示意性流程圖；圖2是本發明的方法和設備的另一優選實施方案的示意性流程圖。
下面是參照由鐵礦生產熔融鐵來進行描述，而且應當理解，本發明并不限于這種應用，而是適用于任何適宜的含金屬的材料。
參照圖1，鐵礦由系列貯料箱3傳輸至呈旋風式轉爐5的方式的預還原/熔化裝置，并在旋風轉爐5中部分地還原(舉例來說，還原成FeO)且至少部分地熔化。
旋風轉爐5直接定位于還原裝置的上方，所述的還原裝置呈下列方式(a)冶金轉爐7，其包含具有金屬層和爐渣層的熔池15，并且具有適宜的排出熔融金屬和爐渣的裝置(未示出)和直接開口于旋風轉爐5的反應氣體的出口；和(b)用于向轉爐7中注入固體含碳材料和任選熔劑的噴管/風口11，和用于將含氧氣體注入轉爐7的噴管/風口13，所述的噴管/風口11和13通過轉爐側壁向下和向內延伸至轉爐中。
在申請人的國際申請PCT/AU99/00537和PCT/AU99/00538中，概括地描述了轉爐7和噴管/風口11與13的適宜形狀和在轉爐7中還原含金屬的原料的適宜的方法。這些專利申請的說明書中所公開的內容引作交叉參考。
圖1的工藝流程圖包括將固體材料和載氣通過噴管/風口11注入金屬層15。優選的工藝流程圖的一個具體特征是，所注入的固體材料被限定為固體的含碳材料(通常是煤)和任選的一種或一種以上的造渣劑(通常為石灰)。因固體含碳材料和載氣注入金屬層所產生的并且傳輸至金屬層的氣體，產生明顯的浮力，使熔融的金屬、固體碳以及熔融的爐渣(因固體/氣體的注入而被帶到金屬層)自金屬層上浮，這使得熔融材料和固體碳的濺射物、液滴和液流向上運動，而且當這些濺射物、液滴和液流通過爐渣層時會帶走爐渣。
熔融材料和固體碳的上升浮力造成金屬層和爐渣層的巨大攪動，結果使爐渣層的體積膨脹。攪動至如此程度，使金屬層的材料在爐渣層中強烈地混合和爐渣層的材料在金屬層強烈地混合。
此外，材料的濺射物、液滴和液流因熔融金屬、固體碳以及熔融爐渣的上升浮力造成了向上的運動，這種運動延伸至轉爐中熔融材料上方的氣體空間，并形成過渡區域。
與轉爐7相比，旋風轉爐5的直徑相對較小，且旋風轉爐5定位于轉爐7上方的正中央。因此，產生于旋風轉爐5的至少部分熔化并部分還原的鐵礦，向下流入熔池15的中央區，并在熔池15中完全還原。金屬層與爐渣層之間的材料混合，確保有效而經濟地實現完全的還原。
轉爐7的熔池15中發生的反應，產生了反應氣體(如CO和H2)，該氣體沿轉爐7向上移動。氧氣車間19產生的氧氣，通過噴管/風口13注入轉爐7中熔池15上方的氣體空間，并后燃燒過渡區和氣體空間的其他區中的一部分反應氣體。熱量傳遞給先上升然后下降的材料濺射物、液滴和液流，然后當金屬/爐渣返回金屬層時，熱量又傳遞給金屬層。為了避免因與來自旋風轉爐5的向下流動的材料接觸而損壞，噴管/風口5應后縮以避開向下流入轉爐的材料。
產生于轉爐7的經后燃燒的反應氣體，向上流入旋風轉爐5，并用作部分還原供給旋風轉爐5的鐵礦的還原氣體。
另外，產生于氧氣車間19的氧氣注入旋風轉爐5，并后燃燒旋風轉爐5中至少部分的反應氣體，產生熱量以熔化部分還原的鐵礦。
在轉爐7和旋風轉爐5中，后燃燒的總水平至少為70％。
廢氣通過排放管17從旋風轉爐5排出。排放管17包括水冷組件9，該水冷組件19最初通過水嵌板冷卻廢氣，其后使廢氣驟冷，并由此從廢氣中除去其所攜帶的固體，降低廢氣的水蒸氣含量。
驟冷過的廢氣通過管線27傳送，并用作燃氣或煙氣。
示于圖2中的工藝流程圖包括了該圖中所示流程的全部部件。
此外，在圖2所示的工藝流程中，在將鐵礦供給旋風轉爐5之前，先將鐵礦在預熱器組件29中預熱。預熱器組件29靠來自水冷部件9的一部分燃氣來運行，所述的燃氣通過管線31供給。使用預熱器組件29在生嚴率和運行成本方面有優勢，特別是在鐵礦具有高水平的點火損失的情況下(例如，結晶水)。而且，在鐵礦具有高水平的點火損失的情況下，預熱器組件29具有降低鐵礦顆粒在旋風轉爐5中暴露于高溫時的熱爆裂的優勢。
下表給出了規定操作條件下圖1和圖2工藝流程圖的熱平衡和質量平衡的計算。
鐵礦來源于南美，其以干基計算包含68.2％的鐵、0.6％的SiO2和0.95％的Al2O3。
煤的熱值為33.9MJ/kg，灰份為5.4％，揮發物含量為14％。其它特征包括90.0％的總碳、2.0％的H2O、1.3％的N2、3.2％的O2和4.0％的H2。
在不脫離本發明的構思和范圍的情況下，可對本發明的上述方法和設備的優選實施方案進行很多的修改。
作為實施例，本發明不限于使用旋風轉爐，而是可以擴展至任何適宜的預還原/熔化裝置。
而且，在上述實施方案包括將全部含碳材料注入轉爐7中的金屬層的同時，可以容易想到，本發明可延伸至部分固體含碳材料由頂部進料或以其它方式供給轉爐7的實施方案。
此外，在上述實施方案限于通過噴管/風口11將載氣、固體含碳材料和任選的造渣劑注入金屬層的同時，可以容易想到，本發明可延伸至將其它固體材料如含金屬的原料注入金屬層的實施方案。
權利要求
1．一種自含金屬的原料制備金屬的方法，所述的方法包括在預還原/熔化裝置中部分還原并至少部分熔化含金屬的原料和在還原裝置中完全還原已部分還原的原料的步驟；所述的預還原/熔化裝置直接定位于所述的還原裝置之上并與該還原裝置相通，以便至少部分熔化并部分還原的原料向下流入還原裝置中心區域，該還原裝置包括一轉爐，該轉爐包含一熔池，所述的熔池具有金屬層和位于該金屬層之上的爐渣層，而且該方法的特征在于(a)將固體的含碳材料隨著載氣一起注入熔池的金屬富集區；(b)造成材料的濺射物、液滴和液流自金屬層向上運動，該運動(ⅰ)促進金屬層的材料在爐渣層的混合和爐渣層的材料在金屬層的混合；并且(ⅱ)延伸至熔池上面的空間形成過渡區；(c)將含氧氣體注入轉爐并后燃燒部分產生于熔池的反應氣體；(d)將至少部分來自還原裝置的熱反應氣體傳送至預還原/熔化裝置作為還原氣體，并部分地還原含金屬的原料；和(e)將含氧氣體注入預還原/熔化裝置并后燃燒一部分反應氣體，從而產生熱量，該熱量至少部分地熔化已部分還原的含金屬的原料，由此步驟(c)和(e)后燃燒產生于熔池的反應氣體至至少70％的后燃燒水平。
2．權利要求1的方法，其中步驟(a)中的將固體含碳材料和載氣注入熔池金屬富集區，造成了步驟(b)中的材料濺射物、液滴和液流自金屬層的向上運動。
3．權利要求2的方法，其中所述的固體含碳材料和載氣是通過一個或一個以上的朝金屬層向下延伸的噴管/風口注入的。
4．權利要求2或3的方法，其中所述的固體含碳材料和氣體是通過一個或一個以上的風口注入的，所述的風口位于轉爐底部或與金屬層接觸的轉爐側壁上。
5．前述權利要求任一項的方法，其中產生于還原裝置的熱反應氣體向上流入預還原/熔化裝置。
6．前述權利要求任一項的方法，包括在所述含金屬的原料供給預還原/熔化裝置之前，對該含金屬的原料進行預熱的步驟。
7．權利要求6的方法，包括排放作為廢氣的來自預還原/熔化裝置的反應氣體，和用所述的廢氣預熱含金屬的材料。
8．前述權利要求任一項的方法，其中所述將含氧氣體注入轉爐中是通過一個或一個以上的噴管/風口注入轉爐的，所述的噴管/風口向下和向內延伸至轉爐中，并且充分地后縮以避開由預還原/熔化裝置向下流入轉爐的材料。
9．一種自含金屬的原料制備金屬的設備，包括預還原/熔化裝置和還原裝置，所述的預還原/熔化裝置部分還原并部分熔化所述的含金屬的原料，所述的還原裝置完全熔化并還原已至少部分熔化并且部分還原的原料；該還原裝置包括一轉爐，該轉爐包含一熔池，所述的熔池具有金屬層和位于該金屬層之上的爐渣層；該預還原/熔化裝置直接定位于轉爐之上，并與轉爐相通，由此，至少部分熔化并且部分還原的原料向下流入轉爐的中心區域；而且該還原裝置進一步包括(a)一個或一個以上的向熔池的金屬富集區注入固體含碳材料和載氣的噴管/風口；(b)一個或一個以上的向轉爐中注入含氧氣體的噴管/風口，所述的轉爐后燃燒轉爐中所產生的反應氣體，所述的一個或一個以上的噴管/風口向下和向內延伸至轉爐中，并且如此定位，以便減少與至少部分熔化并部分還原的原料的接觸，所述的原料自預還原/熔化裝置向下流動；和(c)一個或一個以上的向預還原/熔化裝置注入含氧氣體的噴管/風口，該預還原/熔化裝置至少后燃燒一部分來自轉爐的反應氣體。
全文摘要
本發明公開了一種自含金屬的原料制備金屬的方法。所述的方法包括在預還原/熔化裝置中部分還原并至少部分熔化含金屬的原料和在還原裝置中完全還原已部分還原的原料的步驟。所述的預還原/熔化裝置直接定位于所述的還原裝置之上并與該還原裝置相通,以便至少部分熔化、部分還原的原料向下流入還原裝置中心區域。該還原裝置包括一轉爐,該轉爐包含一熔池,所述的熔池具有金屬層和位于該金屬層之上的爐渣層。該方法包括將含氧氣體注入還原裝置并后燃燒產生于熔池的反應氣體,和將含氧氣體注入預還原/熔化裝置并后燃燒還原裝置排放的反應氣體。該方法進一步包括將固體的含碳材料隨著載氣一起注入熔池的金屬富集區,造成熔融材料的濺射物、液滴和液流的向上運動,形成一個過渡區。
文檔編號C21B13/14GK1323357SQ99812195
公開日2001年11月21日 申請日期1999年10月14日 優先權日1998年10月14日
發明者羅德尼·J·德賴 申請人:技術資源有限公司