[发明专利]三步法金属还原的方法

摘要

本发明涉及一种三步法金属还原的方法，将金属氧化物与一定量的碳，粘结剂、CaO和水制成成型物，置入还原装置，第一步是成型物在隔绝空气，隔绝氧气的状态下进行预还原；第二步是收集第一步还原炉进行还原过程中产生的析出气体，并对析出气体进行冷却、净化处理和加压。第三步是：使用析出气体与被换热过的空气或富氧气体混合燃烧，也可使析出气体与纯氧混合燃烧在终还原炉内对还原炉产品进行终还原并熔化，除渣，产生铁水或直接还原钢水。本发明工艺流程合理，适应性强，操作灵活，节省能源，产品质量好，用于生产金属铁，也可用于其他含氧物质的还原。

主权项

1、一种三步法金属铁还原的方法，其过程包括：(1)、将铁矿石制成成型物；(2)、成型物在还原炉中还原；(3)、收集步骤(4)还原过程中产生的析出气体，并对析出气体进行冷却、净化、必要的改质处理、加压处理；(4)、利用析出气体和助燃剂在终还原炉燃烧，进行终还原反应并且使被还原物熔化、除渣、产生铁水或直接还原成钢水；(5)、收集步骤(6)燃烧产生的高温烟气和未完全被终还原炉所使用的析出气体，换热后提供给步骤(4)用于还原炉中放置的成型物加热。其中：①成型物：指铁的金属氧化物(如Fe2O3、Fe3O4等)与下列物质以某种比例的形式混合；i.含碳物质如煤、半焦、焦碳、焦油、浓缩植物油等；ii.类似于CaO的溶剂；iii.粘结剂，如沥青、高粘重油、纸浆废液、膨润土等；iv.水。混合后成型，成型方式可以是压制，轧制，滚球，压块，模具自然成型，也可以是其它成型方式下的成型。成型后的这些混合物料称为成型物。成型物可以是蜂窝状的圆柱体，中间带透气孔的长方状及圆柱状，球状，块状等。可以加含碳物质，也可以不加含碳物质，同样可以加水，类似于CaO的溶剂和某些粘结剂，也可根据要求不加上述物质的全部或某一种。一个成型单位的成型物各个部分的组成成分可以相同，也可不同。外表碳物质浓度可以高于或低于内部碳物质浓度。在某一个还原炉中，某一个部位物料可以是一个上述物质的混合比例，在还原炉的另外一个部分可以是其它另外的一个比例。成型物应有容易被均匀加热的形状，符合要求的低温强度和高温强度，能够经受气流的冲刷、振动和叠压负荷且有满足工艺要求的物料混合比例。成型物还包括类似上述成型物的组成成份，按照还原炉内部形状装添的物料，这个物料可以是成型的也可以是散料。②析出气体：在还原炉中，从成型物中析生的气体总称。又分为先前析出气体和还原后析出气体。其中还原后析出气体是指含碳较高的成型物经加热排出先前析出气体到还原炉内，对还原炉内不含碳或少含碳成型物进行还原，先前析出气体作为还原剂，还原后产生的析出气体为还原后析出气体。析出气体可以全部由先前析出气体组成，也可以全部或大部分由还原后析出气体组成，如果是后者，则需要从系统外输入部分或全部类似先前析出气体成份的气体。③高温换热装置：从终还原炉收集来的高温烟气通过高温换热器将析出气体加热到高温或通过隔绝空气的蓄热式装置。而蓄热式装置很可能需要使用析出气体燃烧加热，将要进入还原炉的析出气体加热到高温，这两种换热装置可以组合使用构成高温换热装置并且可能全部或一部分装在高温管道内及附加装置(如石灰炉)内并可能附助有电加热装置，以便使析出气体温度增高。④熔池加热炉：放置有熔化的铁水的炉体，其底部或侧墙装有喷嘴或透气耐火材料，熔池加热炉与还原炉密封相连，析出气体从喷嘴或透气耐火材料进入铁水熔池内被加热到高温排出熔池后进入到还原炉内，可作为热载体、保护气体或还原剂。熔池加热炉与还原炉相连处要求隔绝空气，隔绝氧气。熔池加热炉根据需要可以采用类似于电弧炉，感应炉，电渣炉或等离子火炉等方式进行辅助加热并起搅拌作用。熔池加热炉的工作原理(如图5)：在铁水从终还原炉中通过阀门(25-5)进入熔池加热炉，形成熔池(25-11)，此时(25-12)空间是析出气体气氛，打开(25-1)阀门，(25-3)阀门，关闭(25-2)阀门使析出气体通过喷嘴(25-10或透气耐火材料进入到熔池(25-11)，析出气体被加热到高温，从熔池上部排出进入(25-12)空间，因熔池加热炉与还原炉密封相连，高温析出气体立即进入还原炉。与此同时，将在熔池(25-9)被降温的铁水放出到一定位置，这个位置使析出气体不易从(25-7)排出，从(25-7)倒出的铁水进入调节熔炼炉，在打开(25-7)的同时，打开(25-6)阀门将从终还原炉来的铁水在隔绝空气隔绝氧气的情况下进入(25-9)熔池到一定位置，关闭(25-6)阀门和(25-7)阀门，关闭(25-3)阀门，打开(25-2)阀门，将析出气体通过(25-8)喷嘴或透气耐火材料进入熔池(25-9)，使已经被预热的析出气体在其中加热到高温进入空间(25-12)，从而进入与熔池加热炉紧密相联的还原炉对已经被预热了的成型物进行加热，与此同时打开(25-4)阀门和(25-5)阀门，将熔池(25-11)的已被析出气体降温的铁水在排出进入调节熔炼炉，同时将终还原炉来的铁水在隔绝空气、隔绝氧气的情况下从(25-5)阀门进入熔池(25-11)。被预热的析出气体通过熔池，不仅使熔池中铁水降温，而且使铁水的成份产生一定变化，因此从熔池加热炉中排出的铁水进入调节熔炼炉，通过与终还原炉类似的调节熔炼炉对铁水的成份进行调整。⑤直接还原钢：在终还原炉中对还原炉产品进行加热，完成终还原并熔化然后除渣，得到含碳量类似于钢的钢水，钢水中铁氧化物和其它金属氧化物含量很小，其它杂质元素和夹杂物可能达不到特定钢牌号要求，可能需要在终还原炉中或其它炉型中精炼以得到符合要求的钢水。⑥还原炉产品：成型物在还原炉中经过某些温度区间加热后，从成型物中产生了一定数量的析出气体后，大部分铁的氧化物都被还原成金属铁，因此还原炉产品是金属铁、某种数量某种形式存在的碳元素、铁氧化物及其它金属氧化物以及杂质元素等物质的混合物。还原炉产品出还原炉时的温度可能保持着与某还原温度区间基本相同的温度，然后进入终还原炉。也可能在还原炉的冷却室内冷却到室温作为直接还原铁成为其他工序流程的原辅料，如转炉，电炉炼钢的添加物或原料。另外如终还原炉内还原炉产品只进行高温加热完成终还原并不熔化，经保护气体冷却后也可得到直接还原铁。⑦外热式加热还原炉：指从终还原炉来的高温烟气进入外热式加热还原炉，对其中的隔离容器在一定温度下进行加热，而容器内装有成型物，对隔离容器加热可以使成型物中的铁氧化物还原并产生析出气体。隔离容器可以为单个容器，也可以为多个容器由管道进行某种排列下的连接，使外热式加热还原炉，析出气体和还原炉产品得到合理的排布，从而使排出还原炉的烟气和排出还原炉中的析出气体温度较低。隔离容器采用的是耐热金属及导热性较好的非金属材料。在外热式加热还原炉炉壁上可以装有自动烧嘴，使析出气体和被预热后的空气进行混合后燃烧，对隔离容器进行加热，在终还原炉来的高温烟气不能满足对容器进行加热从而使容器中的成型物保持在一定温度时，对容器进行补充加热。隔离容器内可以装有对流机械装置如高温风扇，对容器中析出气体进行搅拌对流，使更快地将容器壁的热量带入成型物内。⑧终还原炉：还原炉产品进入终还原炉，用析出气体与被蓄热器或换热器换热过的空气混合并燃烧加热还原炉产品，使还原炉产品完成终还原或使还原炉产品完成终还原并熔化产生铁水或直接还原钢水。终还原炉有炉衬，炉体钢结构，高温烟气收集罩，燃烧及喷煤系统及溶剂加料系统等组成，根据还原炉产品的特性，可以加入煤粉等碳物质参与终还原及熔化过程，也可不加入煤粉等碳物质而仅仅依靠还原炉产品内剩余的碳物质完成终还原过程。根据成型物的组成不同，析出气体的热值也不同，有可能不能完全将还原炉产品转变为铁水或直接还原钢，因此有可能在终还原炉加类似于电弧炉，感应炉，电渣炉或等离子炉等形式的电加热装置，以对终还原炉需要的全部和部分热量进行补充并对熔融物进行有效搅拌和对流等过程。当终还原炉只利用电加热作为能源的周期内，可以根据需要采取下步骤：1、使高温烟气收集罩与终还炉体进行紧密密封隔绝空气。2、用氮气排除空气后，使用析出气体进入高温烟气收集罩和还原炉体内部之间空间将氮气置换出去，从而进行气体保护熔化和气体保护终还原。3、做为保护气体排出终还原炉的析出气体进入高温换热装置加热后进入还原炉。4、熔炼阶段结束通入氮气置换析出气体。终还原炉采用电加热为能源时，可根据需要与还原炉密封相连，还原炉产品直接由还原炉进入终还原炉，这时终还原炉是隔离空气、隔离氧气状态，在终还原炉里完成终还原、熔化和除渣，得到铁水或直接还原钢水，这过程可以加入煤粉，也可加少量煤粉或不加入煤粉只凭还原炉产品剩余碳物质完成终还原。终还原炉也可采用熔池加热炉那样的形式，即在炉底和炉侧加入喷嘴或透气耐火材料，使被高温换热装置预热过的析出气体进入终还原炉加热到高温，直接进入还原炉用于成型物加热及预热使用。⑨空气换热装置：空气和富氧气体经过换热器或蓄热室与从终还炉来的高温废气进行换热带走高温烟气的部分热量进入终还原炉助燃，高温烟气在进入空气换热装置前很可能已经先进入了高温换热装置，而空气换热装置有可能与其它需加热的流程相结合，如石灰石煅烧可能也利用高温烟气进行加热。被预热的空气和富氧气体也可以被纯氧代替进入终还原炉进行助燃。⑩气体处理装置：从还原炉来的析出气体经引风机或不经引风机进入气体处理装置，气体处理装置由两部分组成：第一部分使析出气体降温、除尘、除焦油、除硫、脱氮氧化物、二恶英等有害物质，脱水，干燥，加压。第二部分是析出气体改质装置，可以与气体处理装置第一部分并联或串联，使析出气体经气体处理装置，气体组成更改后更有利于还原炉流程及终还原加热，系统效率更高。选择合理的成型物和工艺流程，第二部分有可能被省略。