專利名稱：立式爐的操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種立式爐的原燃料裝料方法，該方法能以高的熱效率和低的材料和燃料供應(yīng)率連續(xù)熔化生鐵，可不管固體燃料的性能如何，而是以含鐵粉及/或廢鐵及/或有少量雜質(zhì)的還原鐵作為鐵源。本發(fā)明還涉及立式爐的操作方法。
各種以未還原礦石生產(chǎn)生鐵的方法被發(fā)展起來直到今天，目前主要應(yīng)用的是高爐(鼓風(fēng)爐)法。按照這種高爐法，從爐頂裝入的原料在下落時(shí)被從下往上流動的高溫氣體充分地預(yù)熱，從而氧化鐵被比率至少為60％的一氧化碳(CO)間接地還原。在高爐法中為了要達(dá)到這樣一個(gè)間接還原比率，在風(fēng)口前設(shè)有一圈燃燒空窩，并產(chǎn)生ηCO(＝CO2/(CO+CO2))＝0的還原氣體。為了提高用作上述高溫氣體的燃?xì)獾臏囟?，鼓風(fēng)溫度被設(shè)定為不低于1000℃。
但在采用鐵源如含鐵粉及/或廢鐵作為主要原料的熔爐中，在風(fēng)口部產(chǎn)生還原氣體就不這么需要，因此利用焦炭在風(fēng)口前燃燒作為取得熱源的手段以資加熱熔化鐵源的裝料可認(rèn)為是有效的。
又如在采用沖天爐的方法時(shí)，該方法主要用來熔化如廢鐵、廢鑄件、生鐵等那樣的鐵源，并不要求還原功能，原料和燃料一般混合裝入，鐵源的熔化一般是在ηCO(燃?xì)饫帽?＝40到50％的條件下進(jìn)行的。為了達(dá)到這種燃?xì)饨M成，沖天爐采用顆粒大小為100到150mm的鑄造焦炭，并在焦炭燃燒后防止發(fā)生分解損失反應(yīng)。因?yàn)榇髩K鑄造焦炭價(jià)格昂貴，人們確信采用較小顆粒的焦炭在減少燃料費(fèi)用上是有效的。但在這種情況下，分解損失反應(yīng)率作為吸熱反應(yīng)會增大，而焦炭的燃?xì)饫帽葧陆担虼巳刍療崃肯陆?，穩(wěn)定操作將難于進(jìn)行。
在另一方面，立式爐并沒有很多操作實(shí)例采用自還原的礦石塊和廢鐵作為主要原料，因此需要還原功能一直到熔化為止。與高爐不同，這種立式爐內(nèi)并沒有設(shè)置一圈燃燒空窩，操作是在把鼓風(fēng)溫度設(shè)定在不高于600℃的條件下進(jìn)行的。
Goksel等(美國鑄造師學(xué)會學(xué)報(bào)Val.85，AFS Des Plaines，III，(1977)，pp.327-332)曾報(bào)道過在熱鼓風(fēng)沖天爐上所作的實(shí)驗(yàn)，采用5％重量的含炭團(tuán)粒，鼓風(fēng)溫度為450℃，但在現(xiàn)有技術(shù)中尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)大量采用含炭團(tuán)粒操作正常溫度鼓風(fēng)的沖天爐或操作立式爐的參考資料。
日本未審專利公報(bào)1-501401號曾公開過一種生產(chǎn)生鐵的設(shè)備，該設(shè)備具有一個(gè)設(shè)有二次風(fēng)口的高爐，其爐膛直徑大于設(shè)有一次風(fēng)口的高爐的爐膛直徑。按照這種熔爐，只有鐵源是從爐頂裝入，而燃料則直接加在燃料床上，該燃料床位在高爐和爐膛的連結(jié)處。由于在高爐內(nèi)部為一礦石層，其中并不存在燃料，因此由于固體燃料而會發(fā)生的分解損失反應(yīng)就不會進(jìn)行，并且排氣組成具有高的CO2/(CO+CO2)值，操作可望取得高效。在這種熔爐中，作為主要原料的自還原礦石與爐膛上焦炭床內(nèi)的焦炭進(jìn)行反應(yīng)，發(fā)生熔化物還原的放熱反應(yīng)。但由于在二次風(fēng)口部發(fā)生再次由下式(2)表示的吸熱反應(yīng)，這個(gè)放出的熱被用來預(yù)熱加熱或熔化鐵源，這樣便能得出生鐵。
……(2)由于燃料不是從高爐的爐頂裝入而只是裝入礦石，當(dāng)連續(xù)操作在長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行時(shí)，隨著操作時(shí)間的逝去，焦炭床內(nèi)的焦炭就不合適地被消耗在鐵的碳化上。從Fe-C-O平衡圖上顯然可見，即使是在采用含碳的自還原礦石、燃?xì)饨M成具有ηCO≥30％的高氧化能力、并且溫度不低于1000℃的條件下，用燃?xì)鈱eO還原到Fe并不容易進(jìn)行。結(jié)果，在熔爐下部的熔化物還原成為不可避免，以致焦炭消耗數(shù)量增加，熔爐熱量降低，或者由于熔化液數(shù)量增加導(dǎo)致鼓風(fēng)壓力增加，這些事都會發(fā)展起來。另外，當(dāng)?shù)V石在高溫區(qū)被軟化和熔化后會與爐壁接觸而粘結(jié)在其上，從而形成所謂“棚架”的毛病。
除了上述問題外，還有熔爐形狀變得復(fù)雜和積垢的爐體的冷卻問題。因此積垢多的熔爐就難于使用。
在另一方面，上述日本未審專利公報(bào)1-501401號并沒有具體說清楚當(dāng)將燃料從熔爐和爐膛的接合部添加進(jìn)去時(shí)添加位置和一次風(fēng)口之間的相互關(guān)系。圖上示出的一次風(fēng)口設(shè)在相鄰的燃料添加位置之間。
在爐膛平均直徑D≥1.00m的熔爐內(nèi)，在一次風(fēng)口部燒掉的焦炭是由直接在其上的爐料補(bǔ)給的，如果如上所述，一次風(fēng)口處在相鄰燃料添加位置之間的中間位置上，那么從熔爐上部掉下的礦石就會接替燒掉的焦炭，添加的燃料便很難順利地滑下，這樣就很有可能使操作停止。
按照現(xiàn)有技術(shù)，在鐵源的熔爐操作中，不可避免地要采用昂貴的大塊焦炭。與此相反，日本未審專利公報(bào)1-501401號設(shè)計(jì)了一種具有復(fù)雜爐體結(jié)構(gòu)的熔爐，并提出一種技術(shù)，當(dāng)采用小塊焦炭和大量自還原的礦石塊時(shí)可達(dá)到高的燃?xì)饫帽圈荂O并降低燃料的供率。但所謂“棚架”容易在爐內(nèi)發(fā)生和爐下部的焦炭床被消耗的問題仍未得到解決，這些問題阻礙著熔爐的長期穩(wěn)定操作。另外，在積垢時(shí)的裝置問題也還存在著。
按照熔化自還原礦石塊廢鐵等的現(xiàn)有技術(shù)，當(dāng)采用大量小顆粒固體燃料被假定作為先決條件時(shí)要進(jìn)行低燃料供率的長期穩(wěn)定操作被認(rèn)為是很難做到的。
本發(fā)明的技術(shù)問題是當(dāng)采用比鑄造焦炭較小顆粒的固體燃料時(shí)設(shè)法有效地進(jìn)行熔爐操作而不降低固體燃料的燃?xì)饫帽圈荂O，同時(shí)避免發(fā)生所謂“棚架”的毛病。
在一種操作方法中，爐料包括從下述鐵源中選出的至少一種鐵源不需要還原作用的鐵源如礦石塊粉、自還原礦石塊(含C礦石塊)、具有低金屬化比的還原鐵(包括還原鐵粉)等；只需要熔化作用的鐵源如HBI、DRI、廢鐵、模鑄生鐵、回收廢鐵等；及固體燃料，將鐵源及燃料裝入到立式爐內(nèi)，從立式爐的壁面上所設(shè)的風(fēng)口用鼓風(fēng)送入溫度從正常溫度到不高于600℃溫度的含氧的氣體，進(jìn)行鐵源的還原和熔化，本發(fā)明能夠使用小顆粒的固體燃料，根據(jù)鐵源的種類控制作為反應(yīng)指標(biāo)的ηCO＝(CO2/(CO+CO2))和爐內(nèi)的熱效率，并以低的燃料供率有效地還原和熔化鐵源。
按照本發(fā)明的立式爐的操作方法，裝入立式爐內(nèi)的爐料包括從下述鐵源中選出的至少一種鐵源需要還原作用的鐵源如礦石塊粉、自還原礦石塊(含碳礦石塊)、具有低金屬化比的還原鐵(包括還原鐵粉)等；只需要熔化作用的鐵源如HBI(熱團(tuán)塊還原鐵)、DRI(直接還原產(chǎn)生的還原鐵)、廢鐵、模鑄生鐵、回收廢鐵等；及固體燃料。該方法具有下列要點(diǎn)作為控制爐內(nèi)燃?xì)饫帽圈荂O的方法，本發(fā)明采用下列步驟調(diào)節(jié)立式爐內(nèi)含有鐵源和固體燃料的爐料的裝料高度(料位)；根據(jù)固體燃料的顆粒大小調(diào)節(jié)下列各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)焦炭床的高度、鼓風(fēng)數(shù)量、風(fēng)口直徑和風(fēng)口伸入位置。
在熔爐的高度方向上設(shè)置兩級或多級風(fēng)口，并根據(jù)鐵源的平均金屬化比調(diào)節(jié)設(shè)置在高度方向上每一風(fēng)口的鼓風(fēng)比。
在裝料方法上，兩個(gè)或多個(gè)爐料構(gòu)成一個(gè)周期，改變每一周期內(nèi)每一爐料的鐵源/固體燃料重量比及/或鐵源的種類及/或固體燃料的顆粒大小，再在周期單元內(nèi)重復(fù)使用相同的爐料借以將ηCO值控制在對上述鐵源的還原/熔化最為合適的值。
當(dāng)鐵源和固體燃料從爐的上部裝入爐內(nèi)時(shí)，具有高金屬比的鐵源與固體燃料混合被裝入到立式爐的爐中心部分內(nèi)，而具有低金屬化比的鐵源與固體燃料混合被裝入到立式爐的爐周邊部分內(nèi)。在這種情況下，在立式爐下部的焦炭床的高度根據(jù)要在具有從風(fēng)口鼓風(fēng)的條件下裝入立式爐內(nèi)的含有焦炭的固體燃料的顆粒大小被調(diào)節(jié)到預(yù)定的高度。
另外，裝入立式爐的爐周邊部分內(nèi)的固體燃料的顆粒大小被限制為不超過60mm，而裝入爐中心部分內(nèi)的固體燃料的顆粒大小被設(shè)定為必須大于裝入到周邊部分內(nèi)爐料的顆粒大小，最好至少為60mm。另外，當(dāng)固體燃料與鐵源混合并被裝入到立式爐的爐中心部分內(nèi)時(shí)，在固體燃料內(nèi)所含的C與鐵源內(nèi)所含的Fe的重量比被限制為0.01到0.05。
再者，包括鐵源和固體燃料的爐料裝入立式爐的爐周邊部分內(nèi)的裝料高度相對于爐中心部分(料位)來說是可以根據(jù)鐵源的平均金屬化比改變的。
下面簡要說明附圖

圖1(a)示出反應(yīng)設(shè)備和裝料設(shè)備的一個(gè)例子，圖1(b)示出爐料被裝入到爐中心部分內(nèi)，圖1(c)示出爐料被裝入到爐周邊部分內(nèi)。
圖2(a)示出大的平均金屬化比的裝料方法，圖2(b)示出小的平均金屬化比的裝料方法，而圖2(c)為一說明圖示出圖2(a)中中心部和周邊部的關(guān)系。
圖3示出鐵源的平均金屬化比和ηCO水平的關(guān)系，在圖中所示的ηCO水平上鐵源的還原和熔化可沒有問題地進(jìn)行。
圖4(a)示出焦炭床高度與ηCO之間的關(guān)系，當(dāng)焦炭的顆粒大小為可變而爐內(nèi)的燃?xì)饬髀蕿?.35Nm/S時(shí)，圖4(b)示出相同的關(guān)系，當(dāng)焦炭的顆粒大小為30mm時(shí)，圖4(c)示出相同的關(guān)系，當(dāng)爐內(nèi)的燃?xì)饬髀蕿榭勺儠r(shí)。
圖5示出料位與ηCO之間的關(guān)系。
圖6(a)示出爐溫與ηCO之間的關(guān)系，當(dāng)含鐵粉(自還原礦石塊)與焦炭混合時(shí)，圖6(b)示出爐溫與取決于混合焦炭存在與否的還原程度之間的關(guān)系。
圖7(a)-(d)示出裝料方法的典型例子。
圖8示出操作數(shù)據(jù)的一個(gè)例子。
圖9示出操作數(shù)據(jù)的另一個(gè)例子。
現(xiàn)在首先就按照本發(fā)明的操作設(shè)備和方法進(jìn)行說明。
本發(fā)明的反應(yīng)設(shè)備在圖1(a)到1(c)中示出。圖1(b)和1(c)示出圖1(a)中裝料設(shè)備的頂部。裝料設(shè)備具有一個(gè)料斗1、一個(gè)鐘罩2、一個(gè)可動護(hù)罩3和一個(gè)裝料導(dǎo)管4，排氣管6設(shè)置在爐體5的頂部，而在底部設(shè)置有風(fēng)口。爐料可分開地裝入到中心部9和周邊部8內(nèi)。另外，在底部上可形成一個(gè)高度可調(diào)節(jié)的焦炭床。
反應(yīng)設(shè)備在高度的方向上具有至少為兩級的風(fēng)口，在熔爐頂部(見圖1)設(shè)有一臺裝料機(jī)，它能沿徑向分開裝料。鼓風(fēng)為正常溫度的鼓風(fēng)或溫度不高于600℃的熱鼓風(fēng)。至于風(fēng)口的直徑可這樣設(shè)定使在富含氧的不致產(chǎn)生一條車削通路(lathe Way)。二次風(fēng)口的伸入位置可根據(jù)所裝原料而改變。
原料主要為具有高金屬化比的鐵源如廢鐵、生鐵、廢鑄件、熱團(tuán)塊鐵(HBI)、還原鐵DRI等，和具有低金屬化比的鐵源如礦石塊粉、自還原礦石塊、氧化的還原鐵礦石塊、礦石粉等。燃料主要為固體燃料如焦炭、無煙煤等。
平常的裝料方法是將焦炭裝入以便形成焦炭床層，然后將原燃料裝入，或是全部或是成為混合物或是采用分層的形式。而新的裝料方法是沿徑向分開將原燃料裝入。
圖2(a)示出一種裝料法，其中只有各種鐵源在中心部16a熔化，焦炭和各種鐵粉被裝入在周邊部17a，而焦炭床10的高度在中心部16為13a，在周邊部為14a。圖2(b)示出一種裝料法，其中焦炭、鐵源和鐵粉被裝在中心部16內(nèi)，焦炭加各種鐵粉則被裝在周邊部17b內(nèi)，而焦炭床10的高度在中心部為13b，在周邊部為14b。在這兩圖中，氣體如氧氣分別由一級風(fēng)口11和二級風(fēng)口12供入，在爐內(nèi)形成燃?xì)饬?，并還原和熔化原料。
圖2(c)示出爐內(nèi)燃?xì)饫帽圈荂O與在圖2(a)中的中心部和周邊部從一級風(fēng)口起算的距離之間的關(guān)系。
新的裝料方法可大致劃分為兩種方法，一種方法瞄準(zhǔn)具有高反應(yīng)效率的操作，而另一種方法瞄準(zhǔn)采用大量細(xì)小顆粒的鐵源。前一種方法根據(jù)每一種裝入原料的金屬化比加權(quán)平均所得到的平均金屬化比將要裝入的原料分成兩部分，將具有高金屬化比的原料裝入到中心部內(nèi)，而將具有低金屬化比的原料與細(xì)小顆粒的焦炭混合，裝入到周邊部內(nèi)，以便得到具有高反應(yīng)效率的操作。這種方法在圖2(a)和2(b)中畫出。后一種方法將細(xì)小顆粒(5mm以下)的鐵源與細(xì)小顆粒的固體燃料混合并將這個(gè)混合物裝入到周邊部內(nèi)，而將大顆粒的鐵源裝入到中心部內(nèi)以便在燃?xì)饬鲃颖环€(wěn)定的條件下使用大量細(xì)小顆粒的鐵源。
反應(yīng)爐的操作可用下列手段來控制調(diào)節(jié)焦炭床的高度和料位的位置；采用分開裝料的方法，及根據(jù)所用原料和燃料的種類改變二級風(fēng)口伸入的位置。焦炭床的最佳高度是可變的，取決于該操作主要是要熔化鐵源還是還原鐵源，焦炭床的上端位置被設(shè)定在相應(yīng)于目標(biāo)ηCO的位置上。其時(shí)，焦炭的燃燒反應(yīng)和燃燒后的分解損失反應(yīng)均在焦炭床內(nèi)進(jìn)行。這兩反應(yīng)的反應(yīng)率可由固體燃料的顆粒大小、燃?xì)饬鲃拥乃俣群凸娘L(fēng)的溫度來調(diào)節(jié)。
料位位置與原燃料的溫度上升率有關(guān)，并且特別會影響固體燃料的分解損失反應(yīng)率。因此料位位置被用來作為不降低反應(yīng)效率的控制手段。至于在徑向上分開裝料的方法，反應(yīng)設(shè)備的內(nèi)部被劃分成為兩個(gè)部分，一個(gè)部分用于高金屬化比，另一個(gè)部用于低金屬化比，前者用于主要導(dǎo)向熔化操作，燃?xì)饫帽圈荂O的上限被瞄準(zhǔn)作為目標(biāo)。后者用于主要導(dǎo)向還原操作。按照原料的平均金屬化和碳含量，控制還原所必需的燃?xì)饫帽瓤蓮恼w上得到具有最高效率比的操作。二次風(fēng)口被有效地用于金屬化比高和熔化為首要的部分，二次燃燒比的上限是二次鼓風(fēng)瞄準(zhǔn)的目標(biāo)。在沿徑向分開裝料的方法中，當(dāng)熔化為首要的部分被設(shè)定在靠近中心側(cè)時(shí)將二級風(fēng)口的伸入位置設(shè)定在熔爐的中心和周邊之間的邊界位置上可得到最高的效率。
其次說明控制燃?xì)饫帽鹊姆椒ā０凑毡景l(fā)明的控制ηCO的方法的一個(gè)例子包括下列步驟①從要裝入的鐵源的組分和混合量(所用的數(shù)量確定平均金屬化比(平均M.Fe/T.Fe))。
當(dāng)要得到較有效的操作而采用這種裝料方法沿徑向分開裝料時(shí)，須分別計(jì)算出裝入中心部和周邊部的鐵源的平均金屬化比。
②適宜操作的ηCO水平的范圍是從要裝入的鐵源的平均金屬化比(平均M.Fe/T.Fe)和C含量按照公式(1)(圖3)規(guī)定的在采用分開裝料的方法時(shí)須分別在中心部和周邊部確定合適的ηCO。
1.5×C％≤ηCO-0.7×(平均M.Fe/T.Fe)≤3.0×C％……(1)其中C在鐵源中的C含量，0％≤C％≤20％，ηCO燃?xì)饫帽?％)(平均M.Fe/T.Fe)平均金屬化比(％)金屬化比在鐵源中的金屬化鐵(M.Fe)/在鐵源中的總鐵量(T.Fe)平均金屬化比將幾種鐵源加權(quán)平均所得到的金屬化比。
③由于爐內(nèi)的平均燃?xì)饬鲃铀俣?Nm/S)是由熔爐的操作條件(出鐵數(shù)量的判據(jù))決定的，從一次風(fēng)口起算的焦炭床的高度可按照圖4所示數(shù)據(jù)中所用固體燃料的顆粒大小來確定。
在采用分開的裝料法時(shí)在中心部和周邊部的合適的焦炭床高度須分別確定。
④連系到料位，相應(yīng)于目標(biāo)ηCO的料位(爐料表面在一次風(fēng)口以上的高度)H(m)可按照公式(3)(圖5)來規(guī)定并設(shè)定。
近似式(3)為用最小二乘法得出的近似線，估計(jì)可能在某些程度上隨鐵源的種類和金屬化比而變。但料位H(m)是以目標(biāo)ηCO為基礎(chǔ)而設(shè)定的。
H＝-0.02775ηCO+4.755……(3)在采用分開的裝料法時(shí)，在中心部和周邊部的料位最好分別確定。
⑤至于燃料比，除了作為熔爐特征的熱輻射(Kcal/hr)、目標(biāo)出鐵重量(t/d)和包括鐵源的種類質(zhì)量等在內(nèi)的操作條件被確定以外，一旦上述目標(biāo)ηCO被確定，燃料比(kg/t)水平便可從熱量與材料的平衡表中確定。也有可能，操作是和這種方式來進(jìn)行的，即通過二次鼓風(fēng)體積和料位的微調(diào)來達(dá)到目標(biāo)ηCO水平。
在采用分開的裝料法時(shí)須分別確定裝入中心部和周邊部的燃料比。
下面說明當(dāng)鐵源被還原和熔化時(shí)為什么必須按照鐵源內(nèi)所含鐵的平均金屬化比(M.Fe/T.Fe)來調(diào)節(jié)并控制爐內(nèi)的ηCO。
在熔化具有至少為90％的高金屬化比的鐵源如廢鐵、生鐵、廢鑄件、HBI、還原鐵DRI等時(shí)并不需要還原作有。因此最好采用具有高ηCO的條件以便完成低燃料供率的操作，這時(shí)ηCO＞80％是操作的目標(biāo)。
在另一方面，當(dāng)具有低金屬化比的鐵源如礦石塊粉、自還原礦石塊、部分氧化的還原鐵、還原鐵粉等被還原和熔化時(shí)，最好使固體與氣體反應(yīng)來還原，生產(chǎn)出大量的固體鐵，然后再使它熔化，為的是使操作穩(wěn)定并可提高生鐵的質(zhì)量。為了完成這個(gè)目的，必需在溫度范圍至少為1000℃時(shí)采用ηCO＜約30％的燃?xì)鈼l件，以此作為將純方鐵體(FeO)還原到鐵的熱力學(xué)條件(按平衡理論)。
需要這種條件的鐵源為具有金屬化比為0％的方鐵體、作為高爐爐料的燒結(jié)物、團(tuán)粒、礦石塊等。
在另一方面，曾經(jīng)確認(rèn)，在采用含C的礦石塊如本發(fā)明所用的含C自還原礦石塊或者例如采用含C的礦石塊粉時(shí)，由于在礦石塊內(nèi)有C存在，ηCO＜約30％的條件可在礦石塊內(nèi)建立起來，并且即使是在礦石塊外的燃?xì)夥諊鸀棣荂O＞約30％的條件下，還原到還原鐵的反應(yīng)也能進(jìn)行，而從FeO還原到鐵并不按照平衡理論的原理進(jìn)行。
例如在操作50％的含C12％的自還原礦石塊和50％的廢鐵時(shí)，即使在爐頂ηCO＝約50％的燃?xì)鈼l件下，操作也能順利進(jìn)行，這啟示著還原能在爐內(nèi)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行。
如上所述，在使用大量具有低金屬化比的鐵粉時(shí)并不希望有高的ηCO，因?yàn)樵谶@情況下，鐵源的還原過程是首要的，但在主要為熔化鐵源的廢鐵的熔化操作中或使用大量具有高金屬化比的鐵源的操作中或使用小量具有低金屬化比的鐵粉的操作中可考慮采用高ηCO的操作。
換句話說，最好按照鐵源的種類和M.Fe/T.Fe的比率，將ηCO水平安排并控制在還原反應(yīng)不會發(fā)生問題的范圍內(nèi)。
接下來說明控制ηCO的方法。
作為控制ηCO的方法，本發(fā)明建議①控制爐料的裝料高位(料位)，②控制焦炭床的高度，③采用多級的風(fēng)口，及④在徑向上分開進(jìn)行裝料。下面這些技術(shù)將按順序予以說明。
首先將說明在立式爐內(nèi)改變包括鐵源和固體燃料的爐料的裝料高度(料位)能有效地控制ηCO。
就料位言，在采用大塊鑄造焦炭熔化廢鐵、廢鑄件等的沖天爐操作中，從下面的風(fēng)口到料位的高度(H)對熔爐直徑(D)的比率一般被設(shè)定為4到5。而對使用小塊焦炭如高爐焦炭和需要還原作用如鐵粉還原的立式爐來說，以前尚未有過關(guān)于料位的考查結(jié)果。因此我們在使用大量廢鐵的條件下進(jìn)行了改變料位的試驗(yàn)，料位與排氣ηCO的關(guān)系被分類列出并在圖5中示出。
使用爐膛直徑為D＝1.4m的立式爐的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)H/D被設(shè)定為小比率即H/D＝2.0時(shí)，能使排氣ηCO保持在高值即ηCO＞70％，而提高料位時(shí)可降低排氣ηCO。
因?yàn)楫?dāng)料位被提高時(shí)，從燃?xì)獾皆虾腿剂系臒峤粨Q會進(jìn)行得更好，而固體燃料的預(yù)熱和溫度上升是從較高的部分開始的，因此公式(4)的分解損失反應(yīng)擴(kuò)展到熔爐的上部，結(jié)果碳的消耗數(shù)量便增大，而ηCO則下降。
……(4)如上所述，改變料位在控制爐內(nèi)原料和燃料的溫度上升率方面起到重要作用并被用作控制排氣ηCO的手段。
其次將說明為什么改變在立式爐下部的焦炭床高度、鼓風(fēng)體積、風(fēng)口直徑和風(fēng)口的伸入位置對控制ηCO是有效的。
圖4(a)-4(c)示出離線模擬器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該模擬器用來考查在改變焦炭顆粒大小和鼓風(fēng)體積(氣體流速度)的條件下焦炭床在風(fēng)口以上的高度和在那個(gè)部分ηCO的變化的關(guān)系。按照圖4(a)-4(c)，氧氣和富含氧的空氣從風(fēng)口被鼓入并與焦炭一起燃燒，形成CO2，并在O2消失的部分達(dá)到完全燃燒，過程按照下列公式(5)進(jìn)行……(5)在這部分燃?xì)鉁囟茸罡撸鳛槲鼰岱磻?yīng)的公式(5)的分解損失反應(yīng)是在這個(gè)部分之上進(jìn)行的，它使ηCO下降并使燃?xì)鉁囟认陆怠?br> 當(dāng)焦炭的顆粒大小變小時(shí)，公式(5)的燃燒速率會變快。因此，具有最高燃?xì)鉁囟鹊牟糠?O2＝0及ηCO＝100％)將更接近風(fēng)口。當(dāng)鼓風(fēng)體積增加和燃?xì)饬鲃铀俣忍岣邥r(shí)，從風(fēng)口鼓入到爐內(nèi)的氧氣的流動速度增加，致使它與風(fēng)口附近C的接觸時(shí)間縮短。結(jié)果，公式(5)的燃燒反應(yīng)便擴(kuò)展到爐的上部。因此，當(dāng)流動速度增加而焦炭顆粒大小不變時(shí)，就整體而言，爐內(nèi)的ηCO要比流動速度低時(shí)的ηCO高，這從圖4(a)-4(c)中可看到。當(dāng)將一次風(fēng)口安排得使它伸入到爐內(nèi)或縮小風(fēng)口的直徑時(shí)都可提高風(fēng)口內(nèi)的流動速度，相應(yīng)地縮短鼓入的氧與碳的接觸時(shí)間，從而可提供與提高爐內(nèi)流動速度相似的效果。由此，改變立式爐下部焦炭床的高度、改變鼓風(fēng)體積、風(fēng)口直徑和風(fēng)口伸入位置都是控制爐內(nèi)的ηCO的有效手段。
接下來要說明為什么在徑向上將爐料分開裝入的方法是控制ηCO而在使用小塊固體燃料時(shí)也不降低立式爐的燃燒效率的有效手段，還要說明為什么沿縱長方向在立式爐的井筒壁上設(shè)置多個(gè)多級風(fēng)口對控制ηCO較為有效。
固體燃料在一次風(fēng)口部按照反應(yīng)式(5)燃燒，然后由反應(yīng)式(4)所表出的分解損失反應(yīng)生成CO氣。在另一方面，從下面上升的CO氣又在比一次風(fēng)口部高的二次風(fēng)口部按反應(yīng)式(2)的反應(yīng)被燃燒。鐵源就是利用這個(gè)放熱反應(yīng)來預(yù)熱以資完成高的ηCO并降低燃料供率。按照實(shí)驗(yàn)，在二次鼓風(fēng)數(shù)量/一次鼓風(fēng)數(shù)量＝1/4的條件下，ηCO可以得到超過15％的提高，因此采用多級風(fēng)口來進(jìn)行上一層鼓風(fēng)可用作控制爐內(nèi)ηCO的手段。
但在二次風(fēng)口部也會發(fā)生反應(yīng)式(4)所表示的分解損失反應(yīng)，而在徑向采用爐料分解裝入法可最大程度地減少這個(gè)分解損失反應(yīng)的比率，并使立式爐在使用小顆粒固體燃料的條件下也能操作而不降低氣體利用比。
這種裝料法可使鐵源和固體燃料的裝入數(shù)量在爐的中心部和周邊部各不相同。該方法在熔爐的中心部增加鐵源/固體燃料的重量比，而在熔爐的周邊部減少鐵源/固體燃料的重量比，并將大量小顆粒固體燃料裝在周邊部內(nèi)，這樣燃?xì)饬鞅憧杀粚?dǎo)向中心部，因?yàn)樵谌蹱t周邊部使用的細(xì)顆粒焦炭對鼓風(fēng)具有強(qiáng)大的阻力，同時(shí)由于在爐體上噴灑冷卻水的影響，熔爐周邊部的溫度低于中心部的溫度，因此在熔爐的周邊部上，焦炭的分解損失反應(yīng)可被扼制。而在中心部的燃?xì)鈹?shù)量雖大，但由于裝入的焦炭數(shù)量很少，因此反應(yīng)式(4)的分解損失反應(yīng)也可比平常的混合裝料法或分層裝料法得到更多的扼制。由此在徑向上分開裝料的方法可作為控制ηCO而在使用小顆粒固體燃料時(shí)也不降低立式爐燃燒效率的有效手段。
接下來要說明在鐵源的還原/熔化方法中采用在徑向上分開裝料法可在低燃料供率的條件下有效地穩(wěn)定操作，并可不管鐵源的種類和顆粒大小，都可進(jìn)行有效的操作。
關(guān)于在徑向上分開裝料的方法，可根據(jù)鐵源的種類采用合適的裝料法。一種導(dǎo)向有效操作的分開裝料法取決于鐵源的M.Fe/T.Fe，另一種分開裝料法取決于鐵源的顆粒大小。
首先要說明為什么取決于鐵源的平均金屬化比(M.Fe/T.Fe)的分開裝料法能夠提供穩(wěn)定而有效的操作。
當(dāng)用于還原/熔化的鐵源為好幾種鐵源并能按比率M.Fe/T.Fe分類時(shí)，具有高金屬化比的鐵源如生鐵(模鑄生鐵)、廢鐵、廢鑄件、還原鐵、HBI、DRI等被裝入到爐中心部內(nèi)，而具有低金屬化比的鐵源(礦石塊粉、自還原礦石、部分氧化的還原鐵、團(tuán)粒等)被裝入到爐周邊部內(nèi)。這種方法對爐中心部提供熔化功能而對爐周邊部提供還原功能。其所以要把具有高金屬化比的鐵源裝到爐中心部內(nèi)而把具有低金屬化比的鐵源裝到爐周邊部內(nèi)是為了容易控制在爐中心部的焦炭床高度，以便獲得中心的燃?xì)饬鲃硬⑼瓿傻腿剂瞎┞实牟僮鳌?br> 當(dāng)希望進(jìn)行這樣的操作時(shí)，二次風(fēng)口具有這樣的結(jié)構(gòu)使其遠(yuǎn)端能從爐壁更深入到爐內(nèi)，將二次風(fēng)口遠(yuǎn)端的位置設(shè)置在爐中心部和爐周邊部之間的邊界線上是基本上合乎理想的。當(dāng)燃?xì)饬鲃訛橹行牡牧鲃佣b入爐周邊部內(nèi)的鐵源的還原作用至關(guān)重要時(shí)，在周邊部內(nèi)的固體燃料最好由小顆粒的燃料構(gòu)成，而在中心部內(nèi)的固體燃料最好由大顆粒的燃料構(gòu)成。
二次風(fēng)口之所以要設(shè)在熔爐中心部和周邊部之間的邊界上是為了防止二次鼓風(fēng)被用來燃燒在周邊部內(nèi)的固體燃料，使二次鼓風(fēng)被導(dǎo)向進(jìn)行反應(yīng)式(2)所表達(dá)的CO氣的燃燒。由于爐中心部的主要目標(biāo)為發(fā)揮其熔化功能，在爐中心導(dǎo)引ηCO＞90％的操作是最有效的，而在爐中心的固體燃料可按最低的燃料耗率減少到碳化用的含量。因此，焦炭床高度的急劇改變可受到限制，另外，由于保持著顆粒直徑的焦炭用作焦炭床，這樣，獲得氣體和液體滲透能力的低燃料供率的操作就能進(jìn)行。
在這種操作中，須根據(jù)焦炭床的高度確定一個(gè)合適的二次鼓風(fēng)量。如上所述，焦炭床的高度隨著焦炭顆粒大小和爐內(nèi)燃?xì)獾牧鲃铀俣鹊榷?，但?dāng)焦炭床的上端被設(shè)定到最佳位置(ηCO＞90％)上時(shí)，二次鼓風(fēng)就不再需要。當(dāng)焦炭床的上端位置不大于90％時(shí)，可用二次鼓風(fēng)設(shè)定ηCO＞90％，這樣，理想的操作就能在熔爐的中心部進(jìn)行。
至于在爐中心部的焦炭，從原理上言，只要把焦炭床的高度設(shè)定在一個(gè)比使用大塊焦炭時(shí)較低的水平上，或者調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量而不改變ηCO甚至還使用細(xì)顆粒焦炭，如圖4(a)-4(c)所示，也可期望得到有效的操作。
由于鐵源是在焦炭床的上端位置熔化的，在廢鐵等的熔化操作中，焦炭床高度的最佳位置最好被設(shè)定在燃?xì)鉁囟冗_(dá)到最高水平，即在O2＝0％，ηCO＝100％鄰近的位置上。
在立式爐的試驗(yàn)操作中，在二次鼓風(fēng)體積/一次鼓風(fēng)體積＝1/4時(shí)，如上所述，可用鼓風(fēng)使ηCO得到超過15％的提高。因此如果期望得到ηCO＞80％的操作，可把這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果考慮進(jìn)去，而把焦炭床的至少上端位置設(shè)定到能滿足ηCO＞65％的高度上。
在另一方面，具有低金屬化比的鐵源被裝入到周邊部內(nèi)，它們必須在高于焦炭床的上端部的位置上被還原，必需控制焦炭床上端部的ηCO，可將O2＝0，ηCO＝100％的那個(gè)部分設(shè)定為下限位置而根據(jù)鐵源的種類、M.Fe/T.Fe等將焦炭床的高度設(shè)定在一個(gè)較高的位置上。
在開始操作前，焦炭床的高度被預(yù)先設(shè)定到一個(gè)預(yù)定的位置上。在操作時(shí)，可從爐頂將相當(dāng)于焦炭消耗量的焦炭量裝入到爐內(nèi)來維持焦炭床的高度。
當(dāng)期望在焦炭床的上端部得到ηCO＞65％的操作而采用80mm的大塊焦炭同時(shí)爐內(nèi)的燃?xì)饬鲃铀俣葹?Nm/S時(shí)，合適的焦炭床的高度當(dāng)在從下一層風(fēng)口算起距離為60到90cm的范圍內(nèi)，如從圖4(a)-4(c)可以看到。當(dāng)期望在焦炭床的上端部得到ηCO＜30％的操作時(shí)，焦炭床的高度從下一層風(fēng)口算起，對80mm的大焦炭，距離當(dāng)大于130cm；對30mm的高爐焦炭，距離當(dāng)大于120cm。
其次要說明為什么當(dāng)將具有低金屬化比的鐵源裝入到爐周邊部內(nèi)時(shí)，該裝料法將鐵源與固體燃料混合的做法是有效的。
如果得到具有高ηCO的操作，那么才有可能進(jìn)行低燃料供率的操作。當(dāng)在ηCO＞30％的條件下對具有低金屬化比的鐵源進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn)時(shí)，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵源沒有與焦炭混合時(shí)，從鐵源內(nèi)的方鐵體還原成鐵的還原反應(yīng)沒有能進(jìn)行，而在高溫部卻發(fā)生熔化/還原各自施向不同的影響。與此相反，離線模擬器的考查結(jié)果顯示，即使鐵源具有低金屬化比，只要將它與焦炭混合并將混合物裝入，仍可得到至少20％的還原程度提高的效果，這是與鐵源沒有與焦炭混合的情況相比得出的結(jié)論，如圖6(b)所示。
上述事實(shí)指出，在具有低金屬化比的鐵源的裝料操作中，本裝料法將鐵源與固體燃料(焦炭)混合，可比鐵源沒有與固體燃料(焦炭)混合的操作法提供一個(gè)較高的還原鐵源的效果，并且作為成果，在熔化時(shí)爐渣的熔化數(shù)量亦可減少，這樣，所謂“棚架”毛病亦可避免發(fā)生。
當(dāng)將具有低金屬化比的鐵源裝入到爐周邊部內(nèi)時(shí)，作為一種促進(jìn)鐵源還原并在熔化前提高鐵源還原程度的有效方法可將C加入到含鐵粉內(nèi)以便增加C含量。被添加的C含量的上限約為20％，過此則會影響強(qiáng)度。
圖3示出考查結(jié)果的一個(gè)實(shí)例，考查對象是當(dāng)鐵源的還原/熔化能順利進(jìn)行時(shí)在鐵源的平均金屬化比與ηCO水平之間的關(guān)系。雖然ηCO水平多少會隨著加入到含鐵粉內(nèi)的C含量而變，但可操作的ηCO水平卻可從所裝鐵源的平均金屬化比中判斷出來。
一般使用焦炭作為固體燃料，但炭性物質(zhì)如無煙煤亦可使用。
其次，圖7(a)到(d)示出裝料方法的典型例子，可用來裝入礦石塊粉、自還原礦石塊、還原鐵塊(HBI、DRI)、廢鐵、廢鑄件、生鐵(模鑄生鐵)、礦石、團(tuán)粒、還原鐵粉等。圖7(a)和7(b)中的方法可用來裝入具有高金屬化比的鐵源，如生鐵、廢鐵和還原鐵塊，及準(zhǔn)備用來補(bǔ)充焦炭床和碳化的大顆粒焦炭，它們被裝入到爐中心部內(nèi)；并可裝入具有低金屬化比的鐵源(礦石塊粉、自還原礦石塊、部分氧化的還原鐵)，這些鐵源與小塊焦炭混合后被裝入到爐周邊部內(nèi)。它們的目的是要得到一個(gè)具有高燃燒效率、低燃料供率的最有效的操作。順便說一下，部分氧化的還原礦石塊可被裝入到爐中心部內(nèi)，這從圖7(c)也可看到。
當(dāng)要將顆粒大小在-5mm的大量還原鐵粉從爐頂裝入爐內(nèi)時(shí)，操作的方向是要在多少犧牲爐內(nèi)反應(yīng)效率的條件下提高鐵的生產(chǎn)比。例如，有可能使還原鐵粉與細(xì)顆粒固體燃料混合而將混合物裝入到爐周邊部內(nèi)，并將具有低金屬化比的鐵源如具有大顆粒的礦石塊粉、自還原礦石塊等裝入到爐中心部內(nèi)。在這種情況下，還原所必需的固體燃料必須裝入到爐中心部內(nèi)，雖然爐內(nèi)的反應(yīng)速率較差，但可以得到的好處是大量細(xì)顆粒的鐵源能被利用。
這樣，在采用沿徑向分開裝料法時(shí)就可根據(jù)鐵源的種類和性能進(jìn)行具有多種功能的操作。
其次要說明為什么在立式爐的徑向上根據(jù)所要裝入原料和燃料的裝料部改變裝料線是有效的。
例如，當(dāng)廢鐵、生鐵、廢鑄件等不需要還原的鐵源被裝入到爐中心部內(nèi)，ηCO最好能盡可能地高。當(dāng)ηCO＞至少70％為目標(biāo)時(shí)，合適的裝料水平為(在一次風(fēng)口以上的裝料高度H)/(爐膛直徑D)＜2.0。而當(dāng)?shù)V石塊粉、自還原礦石塊和還原鐵需要還原的鐵源被還原和熔化時(shí)，必需降低ηCO。如果ηCO＝50％為在這種情況下的目標(biāo)，又例如裝料水平可被設(shè)定為H/D＝約2.4。這樣，根據(jù)所裝入的鐵源，一個(gè)裝料水平的適當(dāng)?shù)闹稻痛嬖谠趶较蛏稀?br> 其次將說明保持焦炭床高度的控制方法。
控制焦炭床的高度是較難的，理由如下。第一，焦炭床位在熔爐的下中心部。除非焦炭的供率適當(dāng)，沒有還原的FeO含量將在熔爐的下部被熔化和還原，從而消耗掉焦炭床，因此會發(fā)生不正常的焦炭床消耗。當(dāng)這種不正常的焦炭消耗發(fā)生特別是在爐下中心部時(shí)，就會發(fā)生鐵源熔化的問題，這時(shí)由于爐渣的固化等原因有可能使操作停止。
因此，具有高金屬化比的鐵源如模鑄生鐵、廢鐵、廢鑄件等主要被裝入到爐中心部內(nèi)如上所述，使難于發(fā)生熔化/還原的操作在爐中心部內(nèi)進(jìn)行，這樣在爐中心部的焦炭床的不正常消耗就可被扼制。
為了盡可能多地減少焦炭的分解損失反應(yīng)，裝到爐中心部內(nèi)的固體燃料與裝到爐周邊部內(nèi)的固體燃料不同并且使用大塊焦炭。結(jié)果，在爐中心部的焦炭床的不正常消耗就可被扼制，而具有高燃?xì)饫帽圈荂O的操作可在爐下部進(jìn)行。
上層風(fēng)口的安裝位置可根據(jù)各種參數(shù)如焦炭顆粒大小、鼓風(fēng)體積等適當(dāng)?shù)剡x定。但基本卡尺是在二次風(fēng)口部的ηCO應(yīng)符合65％＜ηCO＜90％。
焦炭床的上端部位置隨所裝鐵源的種類而變，對于不需要還原作用的鐵源的裝料部，上端位置可控制在二次風(fēng)口之下以便盡可能多地減少焦炭的燃燒。在另一方面，對于需要還原作用的鐵源的裝料部，焦炭床的上端位置最好位在二次風(fēng)口之上。因?yàn)樵诮固看采隙宋恢玫摩荂O必需根據(jù)鐵源的M.Fe/T.Fe的比例加以控制。
控制或監(jiān)控焦炭床的一個(gè)簡單方法是用眼睛檢查二次風(fēng)口部或根據(jù)爐內(nèi)壓力損失值來判斷。檢查二次風(fēng)口部至少能判斷熔化部是在二次風(fēng)口之上還是在之下。焦炭床的上端位置可通過檢測一次風(fēng)口和二次風(fēng)口之間的壓力損失差來斷定。根據(jù)操作實(shí)例，當(dāng)焦炭床上端部位在二次風(fēng)口之下時(shí)，在一次風(fēng)口和二次風(fēng)口之間的壓力差可大大地被檢測出來。因?yàn)槿刍康拇嬖跁黾訅毫p失值。
焦炭床的高度可準(zhǔn)確地被測量出來，只要用一個(gè)垂直的探頭或一根鐵線從熔爐的上部插入，測量其下降行為即可。對于垂直的探頭來說，爐內(nèi)溫度急劇上升并可達(dá)到至少1200℃的那個(gè)部分就相當(dāng)于焦炭床的上端部。對于鐵線來說，下降速度停止的那個(gè)部分相當(dāng)于焦炭床的上端部。
其次要說明為什么在裝入具有低金屬化比的鐵源時(shí)要與固體燃料混合而將混合物裝入到爐周邊部內(nèi)；為什么要用小顆粒的焦炭作為焦炭而被裝入到爐周邊部內(nèi)；以及為什么在徑向上改變鐵源/固體燃料的比率可有效地防止所謂“棚架”現(xiàn)象。
一般地說，在采用大量含鐵粉時(shí)粘結(jié)物容易在爐壁上形成。例如，由于還原反應(yīng)變慢，結(jié)果會形成含有大量FeO的爐渣。爐渣然后在熔化/還原時(shí)被吸熱反應(yīng)冷卻并粘附在爐壁上。在另一種情況下，大量含有FeO的爐渣進(jìn)入到熔爐下部成為泛濫狀態(tài)被吹起并粘附在爐壁上。在還有另一種情況下，沒有還原的FeO在熔爐上部被上升的高溫燃?xì)馊刍?，與鄰近的鐵源連結(jié)或熔結(jié)并粘附在爐壁上。在所有這些情況下，大量爐渣熔化液產(chǎn)生在爐壁附近，粘附在爐壁上并成為粘結(jié)物，從而造成所謂“棚架”現(xiàn)象。
為了防止這種棚架發(fā)生，因此必需減少在爐周邊部形成的熔化物數(shù)量，并盡可能地防止它與鄰近的鐵源互相接觸。
為了減少在爐周邊部形成的熔化物數(shù)量，必須提高鐵源的還原程度，為此可有效地將要裝到爐周邊部內(nèi)的鐵源與固體燃料混合并將混合物裝入爐內(nèi)。這時(shí)固體燃料的顆粒大小最好用小的。因?yàn)椋绻b入相同重量的焦炭，那么具有小顆粒的固體燃料所裝顆粒數(shù)就較多，鐵源的互相接觸就可充分避免。順便說一下，這里所用“小顆粒固體燃料”的術(shù)語意為，例如高爐用的焦炭(顆粒大小不超過60mm)、和高爐用的小塊焦炭(顆粒大小約30mm)。
將比裝入到爐中心部內(nèi)的固體燃料重量多的固體燃料重量裝入到爐周邊部內(nèi)也是有效的方法。為了達(dá)到這個(gè)目的，鐵源/固體燃料的重量比被分成爐中心部用的和爐周邊部用的兩種，具有高金屬化比的鐵源被裝入到爐中心部內(nèi)以便減少裝入到中心部內(nèi)的焦炭數(shù)量，而裝入到爐周邊部內(nèi)的焦炭數(shù)量則盡可能地被增加。
裝入到爐周邊部內(nèi)的固體燃料的比率多少須隨著所裝鐵源，如礦石塊粉、自還原礦石塊、還原鐵等的金屬化比而變。在采用75％的含有12％碳的自還原礦石塊、15％的還原鐵和10％的廢鐵時(shí)通過試驗(yàn)操作，曾經(jīng)肯定，可以避免發(fā)生棚架的條件是，除了不需還原的廢鐵以外的其他鐵源對固體燃料的比率，即(自還原礦石塊+還原鐵)/固體燃料應(yīng)不大于5。
這個(gè)條件相當(dāng)于(所裝鐵源內(nèi)金屬M(fèi).Fe重)/固體燃料＜1.24的情況。
當(dāng)使用具有低金屬化比的鐵源時(shí)，裝入爐周邊部內(nèi)的固體燃料的數(shù)量必須進(jìn)一步增加。與此相反，當(dāng)使用具有高金屬化比的鐵源時(shí)，裝入爐周邊部內(nèi)的固體燃料則可減少。
其次，在將具有低金屬化比的鐵源如小顆粒固體燃料、還原鐵、自還原礦石塊、礦石塊粉等及固體燃料裝入到爐周邊部內(nèi)，而將具有高金屬化比的鐵源如廢鐵、廢鑄件、生鐵等及固體燃料裝入到爐中心部內(nèi)的情況下，為什么說將裝入爐中心部內(nèi)的固體燃料所含的C與鐵源內(nèi)所含的Fe的重量比設(shè)定為0.01≤C/Fe≤0.05是有效的原因在下面將要說明。
當(dāng)裝入到爐中心部內(nèi)的鐵源為廢鐵、廢鑄件或生鐵時(shí)，除了廢鐵以外，其他鐵源都含有C。因此，碳化所需的C含量只須補(bǔ)充給廢鐵，另外固體燃料也要補(bǔ)充，其量相當(dāng)于焦炭床燃燒部分消耗的量。在爐內(nèi)廢鐵的碳化量約為廢鐵重量的2到4％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在爐中心部的焦炭床的消耗量約為10kg/t(就比例言相當(dāng)于大約0.01)。
當(dāng)使用廢鐵作為鐵源裝入到爐中心部內(nèi)時(shí)，所需裝入的焦炭量最大。這時(shí)，由于C/Fe＝0.02到0.04必需用于碳化，并要考慮焦炭床的消耗，因此0.03≤C/Fe≤0.05。當(dāng)使用廢鑄件或生鐵但不使用廢鐵作為鐵源裝入到爐中心部內(nèi)時(shí)，所需裝入的焦炭量最小。這時(shí)不再需要有碳化用的焦炭，固體燃料可以按相當(dāng)于在爐中心部的焦炭床的消耗量即C/Fe＝0.01的比例裝入。因此，固體燃料和鐵源的裝料比可通過裝入到爐中心部內(nèi)的固體燃料所含C與F的重量比的設(shè)定來確定。0.01≤C/Fe≤0.05。
關(guān)于裝料方法，曾經(jīng)確認(rèn)，預(yù)定的裝料可在鐘罩式裝料設(shè)備上用一護(hù)罩來進(jìn)行。爐料可分為兩部分，每一部分的鐵源/固體燃料的重量比各不相同，可將第一種爐料裝入到爐中心部內(nèi)而將第二種爐料裝入到爐周邊部內(nèi)。與熔爐如沖天爐所用的、?？梢姷降臓t頂敞開式裝料設(shè)備相比，本發(fā)明所用的、如圖1(a)-(c)所示的裝料設(shè)備可有效地將爐料分開地裝入到爐中心部內(nèi)和爐周邊部內(nèi)。
不管鐵源的金屬化比如何，作為防止所謂“棚架”發(fā)生的方法，有一種方法是在將爐料裝入到爐周邊部內(nèi)時(shí)，在靠近爐壁處只裝入固體燃料，而在內(nèi)側(cè)裝入鐵源和固體燃料的混合物如圖7(d)所示，這樣裝料方法便多少有些復(fù)雜。具體地說，一個(gè)裝料周期要包括裝入三種爐料，在第一種爐料內(nèi)只將固體燃料裝入到爐周邊部的爐壁附近，在第二種爐料內(nèi)將廢鐵和固體燃料的混合物裝入到爐中心部內(nèi)，而在第三種爐料內(nèi)則將鐵源和固定燃料的混合物裝入。這樣，預(yù)定的裝料便可做到。
在本發(fā)明中爐中心部和爐周邊部之間的邊界位置多少要根據(jù)鐵源的金屬化比、焦炭的顆粒大小和采用含鐵粉的比例而在熔爐的徑向上移動。
一旦要裝入到每一部分內(nèi)的鐵源和固體燃料的數(shù)量都已確定，在爐中心部和爐周邊部之間的邊界位置ri便可由下式(6)來確定ri2=(Wm(c)/ρm(c)+Wc(c)/ρc(c)){(Wm(c)/ρm(c)+Wc(c)/ρc(c))+(Wm(p)/ρm(p)+Wc(p)/ρc(p))}]]>其中……(6)ri中心部和周邊部的無量綱邊界的半徑(-)Wm(c)裝入到中心部內(nèi)的鐵源的重量(kg/爐料)Wc(c)裝入到中心部內(nèi)的固體燃料的重量(kg/爐料)
Wm(p)裝入到周邊部內(nèi)的鐵源的重量(kg/爐料)Wc(p)裝入到周邊部內(nèi)的固體燃料的重量(kg/爐料)ρm(c)裝入到中心部內(nèi)的鐵源的散裝密度(kg/m3)ρc(c)裝入到中心部內(nèi)的固體燃料的散裝密度(kg/m3)ρm(p)裝入到周邊部內(nèi)的鐵源的散裝密度(kg/m3)ρc(p)裝入到周邊部內(nèi)的固體燃料的散裝密度(kg/m3)這樣，這個(gè)ri便可用無量綱的半徑表示，它代表爐料在下降到爐中心部和爐周邊部的速率恒定時(shí)的邊界位置。
本裝料方法可以有各種方法來調(diào)節(jié)由這個(gè)Ri值所表示的邊界位置。當(dāng)采用鐘罩式裝料設(shè)備時(shí)可用可動護(hù)罩來設(shè)定預(yù)定的邊界并交替而反復(fù)地將每一種爐料分別裝到爐中心部和爐周邊部內(nèi)，這時(shí)有一混合物層會部分形成。
下面將結(jié)合實(shí)例更具體地說明本發(fā)明的特點(diǎn)。
下面這些實(shí)例采用一臺爐頂敞開式立式爐，該爐有一可動層式兩級風(fēng)口的結(jié)構(gòu)，其中爐膛直徑為1.4m，一次風(fēng)口有6個(gè)，二次風(fēng)口也有6個(gè)，料位的上限位置位在一次風(fēng)口以上5.0m。裝料設(shè)備的型式使它能沿熔爐徑向區(qū)分裝料位置。
這樣，爐頂排氣組成便由下式限定ηCO(TOP)＝(CO2(TOP)/(CO(TOP)+CO2(TOP)))在操作尺度方面，鼓風(fēng)濕度被設(shè)定為15g/Nm3如同大氣濕度，從爐頂裝入的石灰石的原始單位被設(shè)定以爐渣堿度＝1.0作為目標(biāo)。
被裝入的鐵源為含C(4-20％)的自還原礦石塊(系將高爐的二次爐灰和焦炭粉混合到粒度不大于3mm的還原鐵粉內(nèi)制成，顆粒大小為40mm×20mm×30mm)，礦石塊粉(系將高爐的二次爐灰作為主要組分和軋鐵廠內(nèi)的鐵粉混合，并將該混合物與商業(yè)上可供的廢鐵和顆粒大小為3到5mm及5mm或更大的還原鐵粉一起壓制成塊制得)。
具有顆粒大小約為30mm的小塊高爐用焦炭被用作爐周邊部的固體燃料，而具有顆粒大小約為80mm的大塊焦炭被用在爐中心部供補(bǔ)充碳化之用。
表1示出考查結(jié)果的詳細(xì)情況。
例1(a)和1(b)和對比例1所代表的操作采用的鐵源為自還原礦石塊(T.Fe＝59.5％，M.Fe/T.Fe＝0.19，C4％)∶礦石塊粉(T.Fe＝50.81％，M.Fe/T.Fe＝0.057)∶車輛破碎機(jī)廢鐵(T.Fe＝90％，M.Fe/t.Fe＝0.99)∶還原鐵礦石塊(T.Fe＝87％，M.Fe/T.Fe＝0.80)＝50∶10∶30∶10按重量比裝入鐵源的平均金屬化比為56％。在例1(a)和1(b)中，自還原礦石塊、礦石塊粉、還原鐵礦石塊和小顆粒焦炭混合被裝入到周邊部內(nèi)，而車輛破碎機(jī)廢鐵和碳化用大塊焦炭被裝入到爐中心。在對比例1中，上述鐵源和固體燃料完全混合并被裝入爐內(nèi)，但在爐內(nèi)的燃?xì)饫帽忍幵讦荂O＝20％的低水平并且熱金屬溫度低，爐渣排放困難。與此相反，在例1(a)和1(b)中采用分開裝料法，爐內(nèi)的燃?xì)饫帽圈荂O高，熱金屬溫度上升到約1500℃，能夠進(jìn)行穩(wěn)定的操作。與例1(a)相比，例1(b)代表裝到中心部內(nèi)的大塊焦炭部分被小顆粒焦炭取代的情況，操作可以達(dá)到更高的效率，只要把焦炭床高度改變到燃?xì)馊紵郎囟冗_(dá)到最高的那個(gè)位置附近，即在下層風(fēng)口以上的40cm的位置上。
例2和對比例2代表的還原/熔化試驗(yàn)實(shí)例采用20重量％的礦石塊粉和80重量％的車輛破碎機(jī)廢鐵。在對比例2內(nèi)原燃料完全混合在一起并被裝入爐內(nèi)。在例2中料位曾被調(diào)節(jié)。例2(b)到2(d)代表20重量％的礦石塊粉和小顆粒焦炭混合并被裝入到周邊部內(nèi)，而80重量％的車輛破碎機(jī)廢鐵和碳化用大顆粒焦炭被裝入到中心部內(nèi)。在例2(b)的操作中，大塊焦炭部分被小顆粒焦炭取代。例2(c)代表的情況是，下層風(fēng)口被伸入到爐內(nèi)約20cm并且風(fēng)口直徑從50mm被改為40mm，而例2(d)代表的情況是鼓風(fēng)量被增加，從而使?fàn)t內(nèi)的燃?xì)饬鲃铀俣忍岣叩?.8m/sec。與對比例相比，本發(fā)明的這些實(shí)例能使用大量的小顆粒焦炭，并且操作能夠進(jìn)行得更有效率。這些實(shí)例還表明改變料位和風(fēng)口結(jié)構(gòu)及使?fàn)t內(nèi)的燃?xì)饬鲃铀俣葍?yōu)化都是有效的。
例3和對比例3代表的操作所采用的鐵源為自還原礦石塊(C12％)∶礦石塊粉(C4％)∶車輛破碎機(jī)廢鐵∶還原鐵粉(T.Fe＝87％，M.Fe/T.Fe＝0.80)＝50∶10∶30∶10。自還原礦石塊、礦石塊粉、還原鐵粉和小顆粒焦炭在混合后被裝入到周邊部內(nèi)，而車輛破碎機(jī)廢鐵和碳化用大塊焦炭被裝入到中心部內(nèi)，裝入的鐵源的平均金屬化比為56％，而裝入到周邊部分的鐵源平均金屬化比相當(dāng)于29.6％。
對比例3代表的情況是，料位處在正常操作狀態(tài)，即料位被設(shè)定在一次風(fēng)口以上4.2m的位置上。例3(a)代表的情況是，料位被設(shè)定為3.2m，為的是參考公式(1)和圖3要得到ηCO＝55％。例3(b)代表的情況是，參考公式(1)和圖3，料位按照在中心部和周邊部的金屬化比被改變。例3(c)代表的情況是，一次鼓風(fēng)溫度為200℃的熱鼓風(fēng)，氧的富含量為0％。例3(d)代表的情況是，鼓風(fēng)為只有一級的550℃的熱鼓風(fēng)，例3(e)代表的情況是，采用含C＝20％的鐵源作為自還原礦石塊并且改變了鼓風(fēng)條件，而例3(f)代表的情況是，當(dāng)所裝鐵源的種類改變時(shí)，參考公式(1)和圖3，ηCO也被改變。所有這些實(shí)例與對比例比較，都能操作得更為令人滿意，并且已經(jīng)弄清，根據(jù)鐵源在徑向上控制料位及改變鼓風(fēng)溫度能達(dá)到更高的操作效率。
例4和對比例4代表的情況是，80重量％的車輛破碎機(jī)廢鐵和20重量％的模鑄廢鐵與大塊焦炭一起被裝入到中心部內(nèi)，而小顆粒的焦炭被裝入到周邊部內(nèi)。對比例代表的情況是，料位被設(shè)定為4.2m，而本發(fā)明的例4代表的情況是改變料位可以達(dá)到更高的效率。
例5和對比例5代表的情況是，80重量％的車輛破碎機(jī)廢鐵和大塊焦炭被裝入到中心部內(nèi)，而20重量比的礦石塊粉和小顆粒焦炭被裝入到周邊部內(nèi)。在對比例5中料位被設(shè)定為4.2m而在例5中通過料位的改變可完成高效率的操作。
例6(b)代表的情況是，100重量％的車輛破碎機(jī)廢鐵和大塊焦炭被裝入到中心部內(nèi)，而小顆粒焦炭被裝入到周邊部內(nèi)。在例6(b)進(jìn)行之前，鐵源和焦炭先用一類似正常沖天爐操作的操作完全混合，然后將混合物裝入爐內(nèi)，如同正常操作那樣(對比例6)，將焦炭床高度設(shè)定在一次風(fēng)口以上約1m并將料位設(shè)定在4.2m，再進(jìn)行操作。與此不同，雖然也是將完全混合物裝入爐內(nèi)，但操作的進(jìn)行是將焦炭床高度設(shè)定在一次風(fēng)口以上60cm而將料位設(shè)定為3.0m，以便在爐內(nèi)平均燃?xì)饬鲃铀俣葹?.7m/s的條件下在焦炭床的上端位置得到ηCO＝80到90％(例6(a))。在對比例6中，操作只能在約為20％的低水平ηCO下進(jìn)行，焦比不可避免地要提高。另一方面，在例6(a)中，即使大量使用小顆粒的焦炭，操作也能在ηCO＝50％的情況下進(jìn)行。因此可以肯定控制焦炭床的高度和料位是有效的。在例6(b)A中，由于在徑向上分開裝料，可以達(dá)到較高的ηCO(＞90％)，曾經(jīng)肯定，這樣可用最高的效率進(jìn)行操作(見圖8)。
圖7代表的情況是，沒有使用廢鐵，而是大量使用細(xì)顆粒的還原鐵粉。
當(dāng)將50％的含C7％的礦石塊粉和50％的顆粒大小為3到5mm的還原鐵粉裝入爐內(nèi)作為鐵源時(shí)，為了得到燃?xì)庠跔t內(nèi)的滲透性，可將含C塊粉與細(xì)顆粒焦炭混合，然后裝到爐中心部內(nèi)，并將還原鐵粉與顆粒大小為30mm的焦炭混合，而將混合物裝入到周邊部內(nèi)。含C礦石塊粉和還原鐵粉都有一個(gè)60％的金屬化比(M.Fe/T.Fe)。為了使操作能夠在目標(biāo)ηCO＝50％的情況下進(jìn)行，焦炭床高度被設(shè)定在一次風(fēng)口以上1.0m的位置并且料位被設(shè)定在一次風(fēng)口以上3.0m的位置。
在例7開始之前，先將含C礦石塊粉和還原鐵粉完全混合，然后進(jìn)行操作而沒有調(diào)節(jié)焦炭床高度和料位就象對比例7那樣。在這個(gè)對比例7中，熔爐的內(nèi)部壓力超過2500mm水柱，操作難于繼續(xù)。另一方面，在例7中，熔爐的內(nèi)部壓力被轉(zhuǎn)移到約為1800mm水柱的水平，操作在初始目標(biāo)值ηCO＝約50％的情況下能夠穩(wěn)定地進(jìn)行(圖9)。
在使用含鐵粉及/或廢鐵作為主要原料的生鐵制造中可利用新的原燃料裝料方法來進(jìn)行操作。本發(fā)明所提出的操作方法具有較高的效率并且由于該方法的發(fā)展，使連續(xù)操作能夠進(jìn)行，燃燒效率可以進(jìn)一步提高，并且能夠使用小顆粒的經(jīng)濟(jì)的固體燃料。因此，操作能以較高的生產(chǎn)率和較低的燃料費(fèi)用進(jìn)行。
表1A在徑向上分開裝料 B混合裝料
表1(續(xù))A.在徑上分開裝料 B.混合裝料
表1(續(xù))A.在徑向上分開裝料 B混合裝料
表1(續(xù))A.在徑向上分開裝料 B.混合裝料
權(quán)利要求
1.一種立式爐的操作方法，該方法將鐵源和固體燃料裝入到立式爐內(nèi)，該鐵源包括那些不需要還原的鐵源-包括礦石塊粉、自還原礦石塊(含C礦石塊)、具有低金屬化比的還原鐵(包括還原鐵粉等)等，和那些只需要一次熔化的鐵源-包括下列鐵源中選出的至少一種鐵源HBI(熱團(tuán)塊還原鐵)、DRI(直接還原產(chǎn)生的還原鐵)、廢鐵、模鑄生鐵、回收廢鐵等，從設(shè)在所說立式爐的壁面上的風(fēng)口吹入含氧的氣體，其溫度從正常的溫度到不高于600℃，以此來還原并熔化所說鐵源，其特征為，根據(jù)所說鐵源的平均金屬化比(平均金屬化Fe/總Fe)，將所說立式爐的排氣的ηCO(利用比)值控制到一個(gè)對還原和熔化最優(yōu)的值來使所說鐵源還原并熔化。
2.按照權(quán)利要求1的立式爐的操作方法，其特征為，根據(jù)所說鐵源的平均金屬化比計(jì)算出對還原和熔化最優(yōu)的ηCO，并調(diào)節(jié)包括所說鐵源和所說固體燃料的爐料在所說立式爐內(nèi)的裝料高度，而控制所說ηCO。
3.按照權(quán)利要求1或2的立式爐的操作方法，其特征在于按下列方法控制所說ηCO根據(jù)所說鐵源的平均金屬化比和作為在所說鐵源內(nèi)以重量％計(jì)的C含量為變數(shù)的公式(1)計(jì)算出對還原和熔化最優(yōu)的ηCO，并調(diào)節(jié)包括所說鐵源和所說固體燃料的爐料在所說立式爐內(nèi)的裝料高度，1.5×C％≤ηCO-0.7×(平均M.Fe/T.Fe)≤3.0×C％……(1)其中C鐵源內(nèi)以百分比計(jì)的C含量，0％≤C％≤20％，ηCO燃?xì)饫帽?％)，(平均M.Fe/T.Fe)平均金屬化比(％)，金屬化比在鐵源內(nèi)的金屬化鐵(M.Fe)/在鐵源內(nèi)的總鐵(T.Fe)，平均金屬化比數(shù)種鐵源加權(quán)平均得到的金屬化比。
4.一種立式爐的操作方法，該方法將鐵源和固體燃料裝入到立式爐內(nèi)，鐵源包括那些不需要還原的鐵源-包括礦石塊粉、自還原礦石塊(含C礦石塊)、具有低金屬化比的還原鐵(包括還原鐵粉等)等，和那些只需要一次熔化的鐵源-包括下列鐵源中選出的至少一種鐵源HBI(熱團(tuán)塊還原鐵)DRI(直接還原產(chǎn)生的還原鐵)、廢鐵、模鑄生鐵、回收廢鐵等，從設(shè)在所說立式爐的壁面上的風(fēng)口吹入含氧的氣體，其溫度從正常的溫度到不高于600℃，以此來還原并熔化所說鐵源，其特征為，根據(jù)所說鐵源內(nèi)的平均金屬化比計(jì)算出最優(yōu)的ηCO，然后調(diào)節(jié)下列諸項(xiàng)中的至少一項(xiàng)焦炭床的高度、鼓風(fēng)體積、風(fēng)口直徑和風(fēng)口伸入位置，以控制所說ηCO。
5.按照權(quán)利要求4的立式爐的操作方法，其特征為，所說最優(yōu)ηCO是根據(jù)所說鐵源內(nèi)的平均金屬化比和所說公式(1)計(jì)算出來的，并且所說ηCO是由調(diào)節(jié)焦炭床高度、鼓風(fēng)體積、風(fēng)口直徑和風(fēng)口伸入位置中的至少一項(xiàng)來控制的。
6.按照權(quán)利要求4的立式爐操作方法，其特征為，焦炭床高度、鼓風(fēng)體積、風(fēng)口直徑和風(fēng)口伸入位置等項(xiàng)中至少有一項(xiàng)是根據(jù)所說固體燃料的顆粒大小來調(diào)節(jié)的。
7.按照權(quán)利要求2或4的立式爐操作方法，其特征為，在熔爐高度的方向上設(shè)有至少兩級風(fēng)口，而設(shè)在高度方向上的每一所說風(fēng)口的鼓風(fēng)比是根據(jù)所說固體燃料的顆粒大小和所說鐵源的平均金屬化比來調(diào)節(jié)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或4的立式爐的操作方法，其特征為，當(dāng)將所說鐵源和固體燃料裝入到立式爐內(nèi)時(shí)，其中至少兩種爐料構(gòu)成一個(gè)周期，并且在該周期單元內(nèi)，通過對每一次周期內(nèi)的每一次裝料調(diào)節(jié)下列諸項(xiàng)中的至少一項(xiàng)所說鐵源/所說固體燃料的重量比、所說鐵源的種類、所說固體燃料的種類、和所說固體燃料的顆粒大小，使相同的裝料被重復(fù)使用。
9.一種立式爐的操作方法，該方法將鐵源和固體燃料裝入到立式爐內(nèi)，鐵源包括那些不需要還原的鐵源-包括礦石塊粉、自還原礦石塊(含C礦石塊)、具有低金屬化比的還原鐵(包括還原鐵粉等)等，和那些只需要一次熔化的鐵源-包括下列鐵源中選出的至少一種鐵源HBI(熱團(tuán)塊還原鐵)、DRI(直接還原產(chǎn)生的還原鐵)、廢鐵、模鑄生鐵、回收廢鐵等，從設(shè)在所說立式爐的壁面上的風(fēng)口吹入含氧的氣體，其溫度從正常的溫度到不高于600℃，以此來還原并熔化所說鐵源，其特征為，具有高金屬化比的鐵源和所說固體燃料混合，所形成的混合物被裝入到所說立式爐的爐中心部內(nèi)，具有低金屬化比的鐵源和所說固體燃料混合，所形成的混合物被裝入到所說立式爐的爐周邊部內(nèi)。
10.按照權(quán)利要求9的立式爐的操作方法，當(dāng)具有高金屬化比的鐵源和所說固體燃料混合，所形成的混合物被裝入到所說立式爐的爐中心部內(nèi)，而具有低金屬化比的鐵源和所說固體燃料混合，所形成的混合物被裝入到所說立式爐的爐周邊部內(nèi)時(shí)，其中，所說最優(yōu)的ηCO根據(jù)所說鐵源的平均金屬化比被計(jì)算出來，并且所說ηCO由調(diào)節(jié)包括所說鐵源和所說固體燃料的爐料在所說立式爐內(nèi)的裝料高度來控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的立式爐的操作方法，其特征為，根據(jù)所說鐵源的平均金屬化比計(jì)算最優(yōu)ηCO時(shí)應(yīng)用所說公式(1)。
12.按照權(quán)利要求2或9的立式爐的操作方法，其特征為，在所說立式爐下部的所說焦炭床的高度根據(jù)包括焦炭的所說固體燃料的顆粒大小和從風(fēng)口吹入的鼓風(fēng)條件被調(diào)節(jié)到預(yù)定的高度。
13.按照權(quán)利要求9的立式爐的操作方法，其特征為，當(dāng)所說鐵源和所說固體燃料被混合和裝入到所說立式爐的爐周邊部內(nèi)時(shí)，所說固體燃料的顆粒大小不超過60mm。
14.按照權(quán)利要求9的立式爐的操作方法，其特征為，在與所說鐵源和固體燃料混合而被裝入到所說立式爐的爐中心部的爐料內(nèi)，所說固體燃料內(nèi)的C含量與所說鐵源內(nèi)的Fe含量的重量比為0.01到0.05。
15.按照權(quán)利要求9的立式爐的操作方法，其特征為，被裝入到所說立式爐內(nèi)的包括所說鐵源和固體燃料的爐料在爐周邊部上相對于在爐中心部上的高度是根據(jù)所說鐵源的平均金屬化比來調(diào)節(jié)的。
全文摘要
一種立式爐的操作方法,所裝的爐料包括具有低金屬化比需要還原的鐵源、具有高金屬化比只需熔化的鐵源和固體燃料。通過風(fēng)口將平常溫度或較高而不超過600℃的含氧氣體吹入到爐內(nèi)來使鐵源還原和熔化。根據(jù)鐵源的平均金屬化比確定ηCO(燃?xì)饫靡驍?shù))的最優(yōu)值,然后進(jìn)行控制使從爐內(nèi)排出的燃?xì)饩哂凶顑?yōu)的ηCO值?？刂剖峭ㄟ^調(diào)節(jié)裝料高度、調(diào)節(jié)焦炭床高度等、采用多級風(fēng)口和在徑向上分開裝料來完成的。這樣鐵源能以低燃料比有效地被還原并熔化。
文檔編號C21B13/02GK1178560SQ97190042
公開日1998年4月8日 申請日期1997年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月26日
發(fā)明者內(nèi)藤誠章, 今野乃光, 藤原保彥, 荒木恭一, 國分照彥, 小原直, 小原康司 申請人:新日本制鐵株式會社