專利名稱：一種用粉礦和煤氧直接煉鋼工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鋼的生產工藝，尤其涉及一種用粉礦和煤氧直接生產鋼水的工藝。
背景技術：
當前最重要的鋼鐵生產流程(長流程)從鐵礦石得到鋼水，需經燒結(或球團)、 煉焦、高爐煉鐵、轉爐煉鋼四個主要工藝環(huán)節(jié)，還有眾多的輔助工藝環(huán)節(jié)。高爐煉鐵中鐵礦 石的還原70%以上是間接還原，屬氣固反應，要求高爐保持良好的透氣性，因此貧礦選礦后 獲得的鐵精礦粉和富礦塊礦粉末都必須經過造塊才能供高爐使用，即經過燒結(或球團) 工藝過程。燒結(或球團)的物料處理量約占鋼鐵聯合企業(yè)的第二位(僅次于煉鐵生產)， 能耗僅次于煉鐵和軋鋼而居第三位。焦炭在高爐內的用途，一方面是作為提供冶煉所需熱 量的燃料和鐵氧化物還原劑，現在這個作用已部分被噴煤取代，焦炭更重要的作用是在礦 石軟化熔融后，作為支撐高達數十米的料柱的骨架，同時又是煤氣通路。焦煤在原煤中的比 例較少，儲量有限，這勢必給依賴煉焦煤的長流程的發(fā)展帶來危機感。傳統(tǒng)長流程已發(fā)展到 頂峰，但高爐煉鐵的特點，決定了傳統(tǒng)長流程規(guī)模龐大，投資高，生產周期長，噸鋼能耗高， 環(huán)境污染嚴重。直接還原一電爐流程也可以從鐵礦石得到鋼水，不需要焦炭，但直接還原鐵大部 分用豎爐生產，仍然需要鐵礦粉造塊工序，而且需要豐富的天然氣資源，煤基回轉窯法生產 效率低，轉底爐法由于料層較薄規(guī)模難以擴大。因此直接還原一電爐流程仍難于和傳統(tǒng)長 流程競爭，在全世界范圍內的鋼產量份額僅占5 %，我國則很少。熔融還原一轉爐流程改變了傳統(tǒng)長流程對焦炭的依賴程度，例如COREX熔融還 原煉鐵-轉爐流程僅需要少量的焦炭，原理上它僅將高爐的功能一分為二，先氣態(tài)間接還 原后熔化分離，缺點也是顯而易見的耗氧量大(500m3/t)，投資比傳統(tǒng)長流程高10% 20%，發(fā)展速度緩慢。熔融還原一轉爐流程只是對傳統(tǒng)長流程鐵前工序的變革。也有一些專利提出直接煉鋼或一步煉鋼，CN87101210A發(fā)明者在轉爐上用碳同時 作還原劑和燃料，產生的大量CO僅作預熱用，回收其物理熱，這是不經濟的，理論上也是與 煉鐵原理違背，不可能得到實現。他提到的用中頻爐或電弧爐直接煉鋼，同樣不利用產生的 大量⑶，電耗將很大，不可能用于生產。專利CN1116240A與專利CN87101210A，作者為同一 人，技術原理基本一致，內容上稍微增添和細化。專利CN1087951A獲得海綿鐵的技術，理論上相當于煤基豎爐工藝，煉鐵界公認該 工藝不成熟，生產成本偏高。該專利一個致命的缺點是當高溫還原氣體通過海綿鐵溜槽 底部的氣孔進入上部容室上行，將礦石預熱還原時，溜槽氣孔容易堵死，如改為側吹還原 氣體則容易實現。該專利也未提到鐵礦石必須造塊。粉礦是不能通過豎爐還原的。專利 CN1348013A使用的原料是球團礦，獲得海綿鐵的技術原理也相當于煤基豎爐工藝，與傳統(tǒng) 流程相比經濟上不可行。專利CN1223301A用隧道窯、推料桿和鏵板的復雜機構來生產海綿鐵，其反應機理 類似于煤基回轉窯工藝，專利CN1818082A反應機理也類似于煤基回轉窯工藝，生產效率不可能高。專利CN1850997A提出用感應爐直接煉鋼，在同一感應爐內先加入鐵礦粉、煤、熔 劑得到鐵水，然后向鐵水中吹氧和加入熔劑得到鋼水，在技術原理上是可行的，但是感應爐 規(guī)模小，電耗大，不經濟，不可能大規(guī)模生產。專利CN1851000A提出用鐵礦粉和無煙煤粉的混合料塊利用轉爐直接煉鋼，該方 法往混合料塊中同時頂底吹氧。底吹氧只會將還原出來的Fe不斷的氧化，該反應的實質就 是煤不斷的氧化。正確的方法應當是在渣區(qū)用煤還原，也可以在渣區(qū)吹少量的一次氧以增 加反應的熱量，通過控制氧的吹入量來實現煤還原鐵礦物，在氣相區(qū)吹氧二次燃燒，二次燃 燒的熱量提供給渣區(qū)還原反應吸熱，但決不可以再底吹氧氧化鐵液。因此該專利提出的方 法煤耗高，而生產率不一定高，大生產上很難實現。專利CN1073212A提出的煉鐵方法，原理上和1988年荷蘭的霍戈文鋼鐵公司、英國 鋼鐵公司和意大利的伊瓦爾公司開發(fā)的旋風爐式熔融還原流程一致。旋風爐式熔融還原只 進行了中間試驗，至今沒有任何進展。

發(fā)明內容
針對現有技術的不足，本發(fā)明提供一種用粉礦和煤氧直接煉鋼工藝。本發(fā)明提供一種直接煉鋼工藝，包括下列步驟1)直接煉鋼爐內預先形成一個鋼水熔池，或者是鋼渣混合的熔池，溫度在1600°C 以上；2)向直接煉鋼爐內吹入煤粉和氧氣及熔劑，產生CCHH2含量為85% 100% (體 積比)的還原氣；還原氣與礦粉的流動方向相反；還原氣依次通過終還原循環(huán)流化床、預還原循環(huán) 流化床、多級旋風預熱器，與相反方向流動的礦粉換熱；還原氣經換熱后降溫至770°C 850 0C ；出旋風預熱器的尾氣需要脫除其中的CO2和水蒸汽，再與出直接煉鋼爐的高溫還 原氣換熱，升溫至770V 850°C，然后再通入循環(huán)流化床；3)將鐵礦細磨至100目 325目，得鐵礦微粉；將該鐵礦微粉用粉礦提升設備提 升至多級旋風預熱器的進料口，順次流過多級旋風預熱器和預還原循環(huán)流化床、終還原循 環(huán)流化床；在流化床中鐵礦微粉被還原氣預熱和還原，得到金屬化率80% 100%的鐵礦 粉；4)向直接煉鋼爐內吹入經過預熱和還原后金屬化率80% 100%的鐵礦粉，同時 繼續(xù)向直接煉鋼爐內吹入煤粉和氧氣及熔劑，通過調整鐵礦粉、煤粉、氧氣、熔劑的比率，得 到鋼水的含碳量保持在0% 0. 4%，同時脫除大部分的磷和少量的硫得到P < 0. 05%，S < 0. 的鋼水，熔池里鋼水和爐渣不斷增加，通過虹吸出鋼口和出渣口流出。優(yōu)選的，步驟2)中煤粉、氧氣、熔劑的比例為100 100 130 5 20。優(yōu)選的，步驟2)和4)所述熔劑為石灰、白云石或二者的混合物，用N2作載氣通過 噴槍吹入。石灰和白云石可以以任意比例混合。優(yōu)選的，步驟2)所述的煤粉和氧氣用套管式的煤氧槍吹入，氧氣通過內管，煤粉 通過外管，用N2作載氣。
優(yōu)選的，步驟2)中的尾氣，溫度為300 400°C。優(yōu)選的，步驟3)所述的鐵礦微粉在磨礦階段或循環(huán)流化床還原過程中要摻入 1 % 5 % 的 MgO 或 CaO 或 MgC03。優(yōu)選的，步驟4)所述的鐵礦粉、煤粉、氧氣、熔劑的比率為100 20 50 24 70 5 10，重量比。優(yōu)選的，可以用余熱鍋爐冷卻回收直接煉鋼爐還原氣、各級循環(huán)流化床的出口氣 體及旋風預熱器出口氣體的顯熱來發(fā)電。本發(fā)明還提供一種直接煉鋼設備，依次包括多級旋風預熱器(3)，預還原循環(huán)流 化床(4)，終還原循環(huán)流化床(5)，直接煉鋼爐(6)；直接煉鋼爐(6)是桶形爐子，自下而上 包括鋼水區(qū)(C)、渣區(qū)(B)和氣相區(qū)(A)；直接煉鋼爐(6)上帶有粉礦噴吹設備(7)、底吹或 側吹煤氧槍(8)、直接煉鋼爐出鋼口(9)和直接煉鋼爐出渣口(10)；終還原循環(huán)流化床(5) 通過粉礦噴吹設備(7)與直接煉鋼爐(6)相連，粉礦噴吹設備(7)插入到直接煉鋼爐(6) 的鋼水區(qū)中；直接煉鋼爐底吹或側吹煤氧槍(8)插入到直接煉鋼爐(6)的底部或側面的鋼 水區(qū)中，直接煉鋼爐出渣口(10)位于直接煉鋼爐外側爐墻中部，在直接煉鋼爐外側爐墻上 開有直接煉鋼爐出鋼口(9)。優(yōu)選的，所述的直接煉鋼設備還包括磨礦粉設備(1)，粉礦提升設備(2)，磨礦粉 設備(1)經粉礦提升設備(2)與多級旋風預熱器(3)相連。優(yōu)選的，所述的直接煉鋼設備還包括氣體換熱器，氣體增壓設備(12)，氣體凈化設 備(15)，氣體脫除CO2和H2O設備(17)，位置在換熱器和直接煉鋼爐氣體出口之間。直接煉鋼爐產生的還原氣依次流過終還原循環(huán)流化床(5)、預還原循環(huán)流化床 (4)、旋風預熱器(3)；然后依次經過氣體凈化設備(15)、氣體換熱器(16)和氣體脫除0)2和 H2O設備(17)和直接煉鋼爐出來的氣體混合做還原氣，進入終還原循環(huán)流化床。所述直接煉鋼爐出鋼口為虹吸出鋼口(9)。優(yōu)選的，直接煉鋼爐(6)包括耐材系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)，廢氣凈化處理和余熱回收系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)勢體現在(1)本發(fā)明用煤粉和氧氣吹入高溫熔體造還原氣體，利用細粒鐵礦粉氣相懸浮預 熱和氣相還原速度快、效率高的優(yōu)勢，在旋風預熱器和循環(huán)流化床中分別將鐵礦粉預熱、還 原，將得到的90%以上金屬化率的預還原鐵礦粉吹入高溫熔體中得到鋼水。由于在較低的 溫度下還原(與高爐煉鐵直接還原相比)，生成的預還原鐵粉滲碳少，得到成品鋼液時脫碳 少；現有主流的生產粗鋼的高爐一轉爐工藝，遵循從鐵礦石一鐵水一鋼水的工藝路線，是一 個先增碳后脫碳的過程。本發(fā)明使煉鋼生產流程得到本質上的簡化。(2)本發(fā)明實現了從粉礦、煤、氧直接生產鋼水，不用粉礦造塊、煉焦，也不用轉爐 脫碳，與現有的煉鋼流程相比，設備和基建投資大量節(jié)省，保守的計算，可以節(jié)省30%以上 的設備和基建投資；物流得到充分簡化，在傳統(tǒng)的鋼鐵廠，各個工藝環(huán)節(jié)的物流非常繁忙， 含鐵物流歷經數次的升溫降溫，損失大量的物理熱，新的直接煉鋼工藝非常緊湊，物流簡單 有序，而且避免了鐵水在運輸過程中的溫度損失，易于實現生產的直接化和自動控制，是新 一代智能鋼鐵廠，采用本發(fā)明后，鋼鐵廠的面貌發(fā)生重大改變。


本發(fā)明的裝置簡示流程圖見附圖1。1是磨礦粉設備。2是粉礦提升設備。3是多 級旋風預熱器。4是預還原循環(huán)流化床。5是終還原循環(huán)流化床。6是直接煉鋼爐。在6 中，A代表的區(qū)域是氣相區(qū)，B代表的區(qū)域是渣區(qū)，C代表的區(qū)域是鋼水區(qū)。7是粉礦噴吹設 備，8是底吹煤氧槍，9是直接煉鋼爐出鋼口。10是直接煉鋼爐出渣口。11、13、14、16是氣 體換熱器，12是氣體增壓設備，15是氣體凈化設備，17是氣體脫除CO2和H2O設備。帶有箭 頭的線D代表礦粉流向，E代表氣體流向，F代表煤粉流向，G代表氧氣流向。
具體實施例方式以下實施例是對本發(fā)明的進一步說明，但本發(fā)明并不局限于此。實施例1 本發(fā)明的直接煉鋼設備，包括磨礦粉設備(1)，粉礦提升設備(2)，多級旋風預熱 器(3)，預還原循環(huán)流化床(4)，終還原循環(huán)流化床(5)，直接煉鋼爐(6)，粉礦噴吹設備(7)， 底吹或側吹煤氧槍(8)，直接煉鋼爐出鋼口(9)，直接煉鋼爐出渣口(10)，氣體換熱器(11)、 (13)、(14)、(16)，氣體增壓設備(12)，氣體凈化設備(15)，氣體脫除CO2和H2O設備(17)。直接煉鋼爐(6)是桶形爐子，包括渣區(qū)B、鋼水區(qū)C和氣相區(qū)A，縱剖面如圖1所示。終還原循環(huán)流化床(5)通過粉礦噴吹設備(7)與直接煉鋼爐(6)相連，粉礦噴吹 設備(7)插入到直接煉鋼爐(6)的鋼水熔池中；直接煉鋼爐底吹或側吹煤氧槍⑶插入到 直接煉鋼爐(6)的底部或側面的鋼水熔池中，直接煉鋼爐產生的還原氣依次流過終還原循 環(huán)流化床(5)、預還原循環(huán)流化床(4)、旋風預熱器(3)。直接煉鋼爐出渣口(10)位于直接 煉鋼爐外側爐墻中部，在直接煉鋼爐外側爐墻上開有直接煉鋼爐出鋼口(9)。所述直接煉鋼爐出鋼口為虹吸出鋼口(9)。直接煉鋼爐(6)還設有耐材系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)，廢氣凈化處理和余熱回收系統(tǒng)。在直接煉鋼爐內預先形成一個鋼水熔池，或者是鋼渣混合的熔池，溫度在1600°C ； 向直接煉鋼爐內吹入煤粉和氧氣及CaO，煤粉、氧氣、CaO的比例為100 100 5，產生 C0+H285% 100%的還原氣；將鐵礦細磨至100目以下325目以上，將該微粉用粉礦提升設 備提升至多級旋風預熱器的進料口，順次流過多級旋風預熱器和2級循環(huán)流化床。在循環(huán) 流化床的入口向礦粉流中摻入1 %的MgO。直接煉鋼爐產生的高溫還原氣與脫除CO2的循環(huán) 尾氣及各級循環(huán)流化床出口氣體換熱后降溫至770°C 850°C，還原氣與礦粉的流動方向 相反，通過2級循環(huán)流化床和多級旋風預熱器。每級循環(huán)流化床出口的還原氣溫度已降低， 因此需要和出直接煉鋼爐的高溫還原氣進行換熱以提高溫度。出旋風預熱器的循環(huán)尾氣需 要脫除其中的CO2和水蒸汽，再與出直接煉鋼爐的高溫還原氣換熱，升溫至850°C，然后通入 循環(huán)流化床；出最后一級循環(huán)流化床的鐵礦粉的金屬化率達到90%以上；向直接煉鋼爐內用氮氣吹入經過預熱和還原后金屬化率90%以上的鐵礦粉， 同時繼續(xù)向直接煉鋼爐內吹入煤粉和氧氣及CaO，鐵礦粉、煤粉、氧氣、CaO的重量比 100 20 24 5，可以使得鋼水的含碳量保持在0.4%以下，同時磷0 0.03%和硫 0. 1%,熔池里鋼水和爐渣不斷增加，通過虹吸出鋼口和出渣口流出。得到的粗鋼水成分C 0. 8%，Si,Mn :0 0. 05%，經過后續(xù)的爐外精煉和脫氧合金 化工序即可得到合格的鋼水。
實施例2 將鐵礦和5%的CaO混合在一起，進入球磨機研磨，其它設備同實施例1。在直接煉鋼爐內預先形成一個鋼水熔池，或者是鋼渣混合的熔池，溫度在1600°C ； 向直接煉鋼爐內吹入煤粉和氧氣及CaO，煤粉、氧氣、CaO的比例為100 130 20，產生 C0+H285% 100%的還原氣；將鐵礦細磨至100目以下325目以上，將該微粉用粉礦提升 設備提升至多級旋風預熱器的進料口，順次流過多級旋風預熱器和2級循環(huán)流化床。直接 煉鋼爐產生的高溫還原氣與脫除CO2的循環(huán)尾氣及各級循環(huán)流化床出口氣體換熱后降溫至 770°C 850°C，還原氣與礦粉的流動方向相反，通過2級循環(huán)流化床和多級旋風預熱器。每 級循環(huán)流化床出口的還原氣溫度已降低，因此需要和出直接煉鋼爐的高溫還原氣進行換熱 以提高溫度。出旋風預熱器的循環(huán)尾氣需要脫除其中的CO2和水蒸汽，再與出直接煉鋼爐 的高溫還原氣換熱，升溫至850°C，然后通入循環(huán)流化床；出最后一級循環(huán)流化床的鐵礦粉 的金屬化率達到90%以上；向直接煉鋼爐內用氮氣吹入經過預熱和還原后金屬化率90%以上的鐵礦 粉，同時繼續(xù)向直接煉鋼爐內吹入煤粉和氧氣、CaO，鐵礦粉、煤粉、氧氣、CaO的重量比 100 50 70 10，可以使得鋼水的含碳量保持在0.4%以下，同時磷0 0.03%和硫 0. 1%,熔池里鋼水和爐渣不斷增加，通過虹吸出鋼口和出渣口流出。得到的粗鋼水成分C 0. 1 %，Si、Mn 0 0. 04%，經過后續(xù)的爐外精煉和脫氧合金 化工序即可得到合格的鋼水。實施例3將出旋風預熱器的尾氣的余熱用于發(fā)電。其它同實施例1。
權利要求
一種直接煉鋼工藝，包括下列步驟1)直接煉鋼爐內預先形成一個鋼水熔池，或者是鋼渣混合的熔池，溫度在1600℃以上；2)向直接煉鋼爐內吹入煤粉和氧氣及熔劑，產生CO+H2含量為85％～100％(體積比)的還原氣；還原氣與礦粉的流動方向相反；還原氣依次通過終還原循環(huán)流化床、預還原循環(huán)流化床、多級旋風預熱器，與相反方向流動的礦粉換熱；還原氣經換熱后降溫至770℃～850℃；出旋風預熱器的尾氣需要脫除其中的CO2和水蒸汽，再與出直接煉鋼爐的高溫還原氣換熱，升溫至770℃～850℃，然后再通入循環(huán)流化床；3)將鐵礦細磨至100目～325目，得鐵礦微粉；將該鐵礦微粉用粉礦提升設備提升至多級旋風預熱器的進料口，順次流過多級旋風預熱器和預還原循環(huán)流化床、終還原循環(huán)流化床；在流化床中鐵礦微粉被還原氣預熱和還原，得到金屬化率80％～100％的鐵礦粉；4)向直接煉鋼爐內吹入經過預熱和還原后金屬化率80％～100％的鐵礦粉，同時繼續(xù)向直接煉鋼爐內吹入煤粉和氧氣及熔劑，通過調整鐵礦粉、煤粉、氧氣、熔劑的比率，得到鋼水的含碳量保持在0％～0.4％，同時脫除大部分的磷和少量的硫得到P＜0.05％，S＜0.1％的鋼水，熔池里鋼水和爐渣不斷增加，通過虹吸出鋼口和出渣口流出。
2.如權利要求1所述的直接煉鋼工藝，其特征在于，步驟2)中煤粉、氧氣、熔劑的比例 為 100 100 130 5 20。
3.如權利要求1所述的直接煉鋼工藝，其特征在于，步驟2)和4)所述熔劑為石灰、白 云石或二者的混合物，用N2作載氣通過噴槍吹入，石灰和白云石可以以任意比例混合。
4.如權利要求1所述的直接煉鋼工藝，其特征在于，步驟2)所述的煤粉和氧氣用套管 式的煤氧槍吹入，氧氣通過內管，煤粉通過外管，用N2作載氣。
5.如權利要求1所述的直接煉鋼工藝，其特征在于，步驟3)所述的鐵礦微粉在磨礦階 段或循環(huán)流化床還原過程中要摻入1 % 5%的MgO或CaO或MgC03。
6.如權利要求1所述的直接煉鋼工藝，其特征在于，步驟4)所述的鐵礦粉、煤粉、氧氣、 熔劑的比率為100 20 50 24 70 5 10，重量比。
7.一種直接煉鋼設備，依次包括多級旋風預熱器(3)，預還原循環(huán)流化床(4)，終還原 循環(huán)流化床(5)，直接煉鋼爐(6)；直接煉鋼爐(6)是桶形爐子，自下而上包括鋼水區(qū)(C)、 渣區(qū)(B)和氣相區(qū)(A)；直接煉鋼爐(6)上帶有粉礦噴吹設備(7)、底吹或側吹煤氧槍(8)、 直接煉鋼爐出鋼口(9)和直接煉鋼爐出渣口(10)；終還原循環(huán)流化床(5)通過粉礦噴吹設 備(7)與直接煉鋼爐(6)相連，粉礦噴吹設備(7)插入到直接煉鋼爐(6)的鋼水區(qū)中；直接 煉鋼爐底吹或側吹煤氧槍(8)插入到直接煉鋼爐(6)的底部或側面的鋼水區(qū)中，直接煉鋼 爐出渣口(10)位于直接煉鋼爐外側爐墻中部，在直接煉鋼爐外側爐墻上開有直接煉鋼爐 出鋼口(9)。
8.如權利要求7所述的直接煉鋼設備，其特征在于，所述的直接煉鋼設備還包括磨礦 粉設備(1)，粉礦提升設備(2)，磨礦粉設備(1)經粉礦提升設備(2)與多級旋風預熱器(3) 相連。
9.如權利要求7所述的直接煉鋼設備，其特征在于，所述的直接煉鋼設備還包括氣體 換熱器，氣體增壓設備(12)，氣體凈化設備(15)，氣體脫除CO2和H2O設備(17)，位置在換熱器和直接煉鋼爐氣體出口之間。直接煉鋼爐產生的還原氣依次流過終還原循環(huán)流化床(5)、預還原循環(huán)流化床(4)、旋 風預熱器(3)；然后依次經過氣體凈化設備(15)、氣體換熱器(16)和氣體脫除CO2和H2O設 備(17)和直接煉鋼爐出來的氣體混合做還原氣，進入終還原循環(huán)流化床。
10.如權利要求7所述的直接煉鋼設備，其特征在于，所述直接煉鋼爐出鋼口為虹吸出 鋼口(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用鐵礦石和煤、氧直接煉鋼工藝，本發(fā)明用煤粉和氧氣吹入高溫熔體造還原氣體，利用細粒鐵礦粉氣相懸浮預熱和氣相還原速度快、效率高的優(yōu)勢，在旋風預熱器和循環(huán)流化床中分別將鐵礦粉預熱、還原，將得到的90％以上金屬化率的預還原鐵礦粉吹入高溫熔體中得到鋼水。由于在較低的溫度下還原，生成的預還原鐵粉滲碳少，得到成品鋼液時脫碳少，本發(fā)明使煉鋼生產流程得到本質上的簡化。本發(fā)明的生產率高，噸鋼能耗低，設備和基建投資節(jié)省，物流得到充分簡化，而且避免了鐵水在運輸過程中的溫度損失，易于實現生產的連續(xù)化和自動控制。
文檔編號C21B13/14GK101906501SQ20101024293
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權日2010年8月3日
發(fā)明者周勇, 董杰 申請人:萊蕪鋼鐵集團有限公司