專利名稱:生產(chǎn)熱海綿鐵的方法
本發(fā)明涉及的是用氣體直接還原鐵礦石，以生產(chǎn)海綿鐵的方法。更具體地說，是關(guān)于生產(chǎn)有預(yù)定滲碳度的，在仍處于相當(dāng)高溫時(shí)作團(tuán)壓用的海綿鐵，和/或供直接熱裝到精煉爐、或熔爐、或諸如此類裝置中用的熱海綿鐵的改良的方法。
美國(guó)專利3，765，872、3，770，421、3，779，741和3，816，102號(hào)公開了，把高爐和幾個(gè)鐵礦石移動(dòng)床還原爐結(jié)合成的，典型的氣體還原裝置。在這些裝置中，鐵礦石的還原一般通過主要由一氧化碳和氫氣組成的還原氣的作用而完成，而此還原氣是對(duì)天然氣和水蒸汽的混合氣進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化而獲得的。這些裝置一般包括立式反應(yīng)爐，其上部有還原區(qū)，下部有冷卻區(qū)。把要還原的礦石進(jìn)料到該反應(yīng)爐的頂部，而且向下流動(dòng)，先通過該還原區(qū)，在還原區(qū)內(nèi)礦石與熱的還原氣接觸，然后通過冷卻區(qū)，在它在反應(yīng)爐底部被排出之前，在此冷卻區(qū)內(nèi)，用氣體冷卻劑冷卻礦石。由還原區(qū)排出的氣體，經(jīng)冷卻而除去其中的水分，絕大多數(shù)情況下，大部分經(jīng)冷卻的排出氣再次被加熱，并使之再循環(huán)到該還原區(qū)。同樣，從冷卻區(qū)排出的冷卻氣中，一般至少有一部分冷卻氣被冷卻，并再循環(huán)到該冷卻區(qū)，使海綿鐵冷卻到，或接近于環(huán)境溫度。在反應(yīng)爐的底端，裝有諸如旋轉(zhuǎn)排出閥，振動(dòng)斜槽，傳送帶或其它同類的裝置，用以控制已冷卻的海綿鐵從反應(yīng)爐排出。
用于煉鋼的海綿鐵，較理想的是需含1%到4%的碳，其形態(tài)最好是碳化鐵，而不是如炭黑一類的元素碳。雖然在上述類型的反應(yīng)爐的還原區(qū)中發(fā)生了一定量的滲碳作用，但是大部分所需要的滲碳作用卻是予先已在冷卻區(qū)內(nèi)完成。例如，當(dāng)采用美國(guó)專利4，370，162號(hào)所示類型的非化學(xué)計(jì)量的烴水蒸汽轉(zhuǎn)化器作為補(bǔ)充還原氣源時(shí)，在還原區(qū)內(nèi)海綿鐵的滲碳量大概不會(huì)大于0.5%左右。另外的滲碳量，可以藉引入甲烷(它可以以天然氣形式)到經(jīng)過該反應(yīng)爐冷卻區(qū)的循環(huán)冷卻氣中，以使海綿鐵的含碳量升至例如2%的需要量。
通常都希望于高溫時(shí)排出海綿鐵，以便直接輸送到煉鋼爐，或者，當(dāng)不能立即使用熱海綿時(shí)，便把它輸送到熔爐，或輸送到把這種反應(yīng)爐產(chǎn)生的熱海綿鐵進(jìn)行團(tuán)壓的機(jī)器中。經(jīng)直接還原的鐵，其團(tuán)塊形狀比多孔、易碎和較小的海綿鐵顆粒狀更容易操作和輸送。海綿鐵的團(tuán)塊也可減少貯藏時(shí)因與大氣空氣接觸而導(dǎo)致再氧化的可能性。然而，如上所述，常規(guī)反應(yīng)爐是在環(huán)境溫度，或接近環(huán)境溫度下排出海綿鐵。在這樣低的溫度下，靠團(tuán)壓使產(chǎn)品致密是難以達(dá)到的，它需要高的壓力，這勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生易碎的產(chǎn)品和高比例的，不符合需要的細(xì)屑。實(shí)際上，為了生產(chǎn)具有滿意物理性能的團(tuán)塊，海綿鐵的溫度應(yīng)該比較接近于燒結(jié)溫度。
更具體來說，海綿鐵的團(tuán)壓應(yīng)該最好在大約700℃以上進(jìn)行。對(duì)于大多數(shù)類型的海綿鐵而言，低于此溫度時(shí)，一般所需的壓力太大，而且團(tuán)壓設(shè)備的磨損會(huì)很嚴(yán)重。此外，要使海綿鐵相當(dāng)致密也非常困難。為了操作方便和鈍化作用，而要求團(tuán)塊具有至少5克/厘米3的密度。致密的團(tuán)塊具有較少的暴露表面，較低的孔隙度，而且產(chǎn)生碎片和細(xì)屑的傾向較小。
在適于熱團(tuán)壓的溫度下(一般為600℃至800℃)生產(chǎn)海綿鐵，不僅僅是常規(guī)反應(yīng)爐的冷卻區(qū)需在較高溫度下操作的問題。如上所述，反應(yīng)爐的冷卻區(qū)需完成冷卻作用和滲碳作用，因此必須使冷卻氣體的流量、成分和溫度保持適當(dāng)?shù)钠胶?，以達(dá)到這兩種功效。在以前采用的反應(yīng)爐操作條件下，不可能生產(chǎn)出既具有最佳熱團(tuán)壓溫度，又有符合需要滲碳度的海綿鐵。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種生產(chǎn)具有予定度的滲碳化和金屬化的熱海綿鐵的改進(jìn)方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種生產(chǎn)合乎熱團(tuán)壓要求性能的海綿鐵的方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種生產(chǎn)團(tuán)壓海綿鐵的改進(jìn)的方法。
本發(fā)明的其它一些目的可由以下分部分地指出而一部分一部分地明白。
本發(fā)明是基于諸申請(qǐng)人的下述發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用普通的非化學(xué)計(jì)量的烴水蒸汽轉(zhuǎn)化器作為補(bǔ)充氣的氣源時(shí)，通過添加予定流量的甲烷氣(它可以是天然氣形態(tài))到還原氣(該還原氣流過還原區(qū)中礦石的移動(dòng)床層)中，就可能在還原區(qū)內(nèi)，使海綿鐵完成所有需要量的滲碳作用。在實(shí)施本發(fā)明方法時(shí)，把粒狀鐵礦石加料到直立配置的，移動(dòng)床反應(yīng)爐中，爐內(nèi)有普通的還原區(qū)，此還原區(qū)成為還原氣回路的一部分，還原氣則通過此回路而循環(huán)。還原氣在進(jìn)入還原區(qū)之前需先加熱，而在離開還原區(qū)以后，則需冷卻和脫水。由合適的氣源，例如由烴水蒸汽催化轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生的，主要由一氧化碳和氫氣組成的補(bǔ)充氣流被輸送到該還原氣回路中。按照本發(fā)明，將甲烷氣或天然氣的單一氣流加入還原氣回路，藉此可增加還原區(qū)內(nèi)發(fā)生的滲碳量。甲烷氣可以與補(bǔ)充氣混合，而且供給氣體回路的該混合氣，或甲烷氣都可單獨(dú)加入該回路。
他們還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，海綿鐵中的滲碳度直接隨添加的甲烷量而變化，因此，按照本發(fā)明，可以調(diào)節(jié)甲烷氣的流量，以達(dá)到海綿鐵產(chǎn)品中所需要的滲碳度。由于在還原區(qū)內(nèi)可完成所有需要量的滲碳作用，所以海綿鐵可以在它離開反應(yīng)區(qū)時(shí)的溫度下使用，或者可在冷卻到任意可控制的溫度下使用，這取決于海綿鐵的情況，例如，它是否要直接裝料到精煉爐或熔爐，或者是否進(jìn)行團(tuán)壓，用于中間貯存。若使用本發(fā)明方法時(shí)，典型的海綿鐵產(chǎn)品溫度大約為600℃至900℃。
將甲烷氣輸入還原裝置，用于鐵礦石的直接氣體還原的粗略的概念雖然已公開于先有技術(shù)中，但是添加可調(diào)節(jié)流量的甲烷到還原氣體的回路中，以使所有需要量的滲碳作用都能在還原區(qū)內(nèi)完成，并使已充分滲碳的，高溫的海綿鐵從反應(yīng)爐排出的概念似乎是新的。例如，美國(guó)專利4，054，444號(hào)公開了一種反應(yīng)爐裝置，其中，甲烷氣或甲烷和已冷卻的爐頂氣的混合氣被引入還原區(qū)下面的緩沖區(qū)，而且和由冷卻區(qū)向上流動(dòng)的氣體混合。所添加的甲烷在緩沖區(qū)通過一個(gè)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣，該反應(yīng)，按該，乃吸熱反應(yīng)，因此而使海綿鐵冷卻。所以此先有技術(shù)的方法并不能生產(chǎn)出充分滲碳的熱海綿鐵，而本發(fā)明諸申請(qǐng)人的方法卻能夠制取它們。
美國(guó)專利4，439，233號(hào)公開了一種還原系統(tǒng)，它有一個(gè)還原氣回路，可將甲烷氣和予先制成的補(bǔ)充氣都添加到該回路中。然而，在該系統(tǒng)中，該回路包括有一臺(tái)化學(xué)計(jì)量的烴水蒸汽轉(zhuǎn)化器，將甲烷加入該轉(zhuǎn)化器的原料氣中，估計(jì)就在此中被轉(zhuǎn)化。因此，并沒有甲烷氣流以可控制的流量，被加到氣體回路中，以調(diào)節(jié)還原區(qū)內(nèi)的滲碳量。此外，在此專利中也沒有滲碳控制的講述。
在本發(fā)明的說明書和附圖中，諸申請(qǐng)人已顯示并敘述了，有關(guān)其發(fā)明的幾個(gè)最佳實(shí)施方案，同時(shí)又提出了各種比較方案和改進(jìn)。但是必須明白，這些都不可認(rèn)為是無遺漏的，而且在本發(fā)明的范圍內(nèi)可作很多變更和改進(jìn)。在此為了說明的目的而選用和包括的一些建議，是為了使本技術(shù)領(lǐng)域：
中的其它熟練人員可更好地理解本發(fā)明及其原理，從而使他們能夠按照最適合于實(shí)際應(yīng)用的條件的各種方式，來改進(jìn)和實(shí)施本發(fā)明。
附圖概略地說明了可以用來實(shí)施本發(fā)明(此處用于熱團(tuán)壓)的最佳方案的裝置，其中，把可調(diào)節(jié)的天然氣流引入還原氣回路中，以產(chǎn)生海綿鐵產(chǎn)品所需要的滲碳量。
參照附圖，數(shù)字10通常表示立式反應(yīng)爐，其中上部有還原區(qū)12。要還原的礦石通過接頭14進(jìn)入該反應(yīng)爐的頂部，同時(shí)在還原區(qū)12內(nèi)，用熱還原氣體將它還原成海綿鐵。該海綿鐵產(chǎn)品，在它仍然熱的狀態(tài)下，即通過普通的排出閥16(適于高溫使用)，離開反應(yīng)爐。而且用普通的團(tuán)壓裝置18壓制成塊。
參看附圖的左邊部分，還原礦石的還原氣的產(chǎn)生是按已知方法，在烴水蒸汽轉(zhuǎn)化裝置20中，通過水蒸汽和天然氣(主要是甲烷)的混合氣的催化轉(zhuǎn)化，而成為主要由一氧化碳和氫氣組成的還原氣。該轉(zhuǎn)化器包括裝滿催化劑的一組列管22，它位于連通煙道26的加熱室24內(nèi)。用由燃燒咀28產(chǎn)生的，并通過煙道26離開轉(zhuǎn)化器的熱燃燒產(chǎn)物，從外部加熱催化劑列管。
形成水蒸汽/甲烷混合氣的水蒸汽通過管道30，進(jìn)入烴水蒸汽轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，同時(shí)流過熱交換器32，和催化劑管的出口氣進(jìn)行熱交換，從那里通過管道34，進(jìn)入煙道26中的蛇管36，在蛇管中得到進(jìn)一步加熱。水蒸汽一離開煙道26，就與通過管道38進(jìn)入該轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的甲烷氣混合。此水蒸汽/甲烷混合氣在位于煙道26內(nèi)的蛇管40中被加熱，而且通過管道42，流到催化劑列管22，在列管中轉(zhuǎn)化成如上所述的一氧化碳和氫氣。天然氣中含有的其它碳?xì)浠衔镆灿诖送瑫r(shí)被轉(zhuǎn)化。由此形成的還原氣便將其部分熱量傳給熱交換器32的進(jìn)口的水蒸汽，然后在冷卻器44中，通過急冷而脫水，由此通過流量控制器46，流到補(bǔ)充氣的供氣管48，由它再引到下面即將敘述的右附圖的還原氣回路中。
此處示出的通用型的礦石還原系統(tǒng)中，通常使通過反應(yīng)爐還原區(qū)的大量還原氣再循環(huán)。離開還原區(qū)12的余氣，便流進(jìn)回路，通過管道50到達(dá)急冷器52進(jìn)行冷卻和脫水，然后通過管道54，進(jìn)入壓縮機(jī)56。一部分再循環(huán)氣，通過裝有回壓調(diào)節(jié)器60的管道58，從該回路中排出，同時(shí)被輸送到合適的貯存點(diǎn)，或當(dāng)作燃料等用，或排放到大氣中。調(diào)節(jié)器60的作用是使反應(yīng)爐10和輔助設(shè)備保持于所需的壓力。部分循環(huán)氣的排出可防止氮?dú)饣蜻^量的其它不需要?dú)怏w在還原氣回路中的積聚。
再循環(huán)氣由鼓風(fēng)機(jī)56送出后，依次通過管道62、二氧化碳脫除裝置64、管道66、加熱器70中的蛇管68(最好把氣體加熱到大約900℃至950℃)、以及管道72，將熱的還原氣導(dǎo)入還原區(qū)12的底部，從而完成還原氣的回路。如圖所示，來自烴水蒸汽轉(zhuǎn)化器20的新鮮還原氣通過管道48，流到管道66，在此與再循環(huán)氣混合，此種再循環(huán)氣與新鮮氣的混合氣，在導(dǎo)入反應(yīng)爐還原區(qū)12之前，先在加熱器70加熱。
按照本發(fā)明，需將甲烷氣或含甲烷的氣體的單一氣流導(dǎo)入還原氣回路。因此，將流過管道38的部分天然氣轉(zhuǎn)方向，使它通過管道74(此管路中裝有調(diào)節(jié)閥76)，并輸送到管道48。所添加的甲烷氣，與烴水蒸汽轉(zhuǎn)化器20發(fā)生的補(bǔ)充氣混合后，又與再循環(huán)氣混合于管道66，所產(chǎn)生的混合氣，在流經(jīng)管道72送入還原區(qū)12之前，先于加熱器70的蛇管68中加熱。對(duì)于直接還原工藝來說，所用還原氣的進(jìn)氣溫度，一般是例如850℃至950℃。
如上所述，已發(fā)現(xiàn)海綿鐵產(chǎn)品的滲碳量直接隨所添加甲烷量的變化而改變。但是，又發(fā)現(xiàn)，不可能精確地確定上述關(guān)系，因?yàn)樗⒎菄?yán)格地成比例關(guān)系，而且它亦隨所處理礦石的性質(zhì)和反應(yīng)爐中的操作條件等因素而變化。為了說明用本發(fā)明可以獲得的一些結(jié)果，下面給出已生產(chǎn)出具有不同滲碳度海綿鐵產(chǎn)品的一組條件的實(shí)例。
實(shí)例1一種具有92.1%金屬化、0.63%含碳量(以碳化鐵形式)、93.4%總鐵含量、以及出料溫度750℃的海綿鐵產(chǎn)品，是在還原氣進(jìn)氣溫度775℃、出氣溫度450℃的反應(yīng)爐中生產(chǎn)的。下面表1給出了標(biāo)記為F1至F7的七種氣流的流量和成分。這七種氣流的位置標(biāo)于附圖中。
表中給出的氣體流量是指生產(chǎn)每公噸海綿鐵所需的標(biāo)準(zhǔn)立方米氣流。氣體成分則以克分子百分?jǐn)?shù)給出。
表ⅠF1 F2 F3 F4 F5 F6 F7流量 667 2415 1943 1879 64 1748 0.0H274.7 72.9 67.5 67.5 67.5 72.4 0.0CO 12.5 10.1 8.5 8.5 8.5 9.1 0.0CO29.2 2.6 6.8 6.8 6.8 0.0 0.0CH41.9 10.6 12.9 12.9 12.9 13.9 0.0C2H60.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0N20.2 2.1 2.6 2.6 2.6 2.8 0.0H2O 1.5 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 0.0實(shí)例2在還原氣進(jìn)氣溫度為775℃，出氣溫度為440℃的反應(yīng)爐中，生產(chǎn)具有93.1%金屬化、2.31%碳含量、92.6%總鐵含量和出料溫度750℃的海綿鐵產(chǎn)品。F1至F7七種氣流的流量與成分給出于下。
表ⅡF1 F2 F3 F4 F5 F6 F7流量 650 2410 1919 1860 59 1740 19H274.4 72.3 67.8 67.8 67.8 72.4 0.0CO 12.6 9.2 7.5 7.5 7.5 8.0 0.0CO29.5 2.5 6.2 6.2 6.2 0.0 0.8CH41.7 11.7 13.6 13.6 13.6 14.5 91.8C2H60.0 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 6.3C3H80.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.4N20.3 2.7 3.4 3.4 3.4 3.6 0.7H2O 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 0.0
實(shí)例3在具有925℃進(jìn)氣溫度和430℃出氣溫度的反應(yīng)爐中，生產(chǎn)碳含量1.8%和出料溫度800℃的海綿鐵產(chǎn)品。F1至F7氣流的流量和氣流的確定成分給出于下。
表ⅢF1 F2 F3 F4 F5 F6 F7流量 500 2200 2305 1784 90 1640 60H270.70 71.68 55.69 68.56 68.56 74.58 0.07CO 17.06 11.50 7.64 9.40 9.40 10.23 0.00CO23.70 2.47 7.09 8.71 8.71 0.70 7.23CH43.24 12.54 9.66 11.89 11.89 12.93 79.36C2H60.00 0.24 0.00 0.00 0.00 0.00 8.58C3H80.00 0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 3.62C4H100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.87C5H120.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.20H2O 1.28 1.26 19.74 1.23 1.23 1.33 0.00N20.02 0.18 0.18 0.21 0.21 0.23 0.07從以上的敘述可知，本發(fā)明提供了一個(gè)高效率且可行的生產(chǎn)海綿鐵方法，該海綿鐵在適合于團(tuán)壓的溫度時(shí)，具有予定要求的滲碳度。本發(fā)明也可用來生產(chǎn)一種，在900℃左右的溫度時(shí)，有合適滲碳量的海綿鐵，為直接供料給煉鋼爐、熔爐、或類似裝置用。從本發(fā)明較廣泛的一個(gè)方面看，除了甲烷氣或天然氣以外，還可以采用氣化器氣、反應(yīng)氣(process gas)、磨成粉狀的木炭、低級(jí)烴氣等一類的其它滲碳源以取代甲烷或天然氣。
將來自管道74的起滲碳作用的氣體，經(jīng)過混合或未經(jīng)混合，適當(dāng)?shù)匾隒O2脫除裝置64與加熱器70之間的第一氣流的回路中?？梢源致缘卣J(rèn)為，此進(jìn)料氣可以是在CO2脫除裝置(因?yàn)镕1至F7氣流中存在有CO2)之前，加到已冷卻的第一氣流中。然而，這將會(huì)增加CO2脫除裝置的大小和費(fèi)用，卻不能從少量額外CO2的排除中得到足夠的經(jīng)費(fèi)上的收益。
權(quán)利要求
1.一種在高溫下，在直立配置的，移動(dòng)床反應(yīng)爐內(nèi)，由粒狀鐵礦石生產(chǎn)海綿鐵的方法，該反應(yīng)爐具有一個(gè)還原區(qū)，該還原區(qū)成為還原氣體回路的一個(gè)部分，還原氣體通過該回路而循環(huán)，該方法包括把要還原的礦石加到所說還原區(qū)的頂部，使主要由一氧化碳和氫氣組成的第一氣流經(jīng)過該回路進(jìn)行循環(huán)，在第一氣流進(jìn)入所說的還原區(qū)以前，加熱該第一氣流，同時(shí)在它離開該還原區(qū)以后，冷卻之并使之脫水，加入第二氣流，以補(bǔ)充所說回路，該回路包括主要由一氧化碳和氫氣組成的補(bǔ)充氣，該方法的特征在于加入主要由甲烷組成的第三氣流，以補(bǔ)充所說回路，并使該甲烷在所說還原區(qū)對(duì)海綿鐵滲碳，而且調(diào)節(jié)流向所說回路的甲烷流量，以保持所說海綿鐵中予定的滲碳度，此外，將已滲碳的熱的海綿鐵從所說反應(yīng)爐排出。
2.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的第二和第三氣流，是在加入所說的已冷卻的第一氣流之前先進(jìn)行混合。
3.按照權(quán)利要求
1的方法，其中所說的第二和第三氣流分別加到所說已冷卻的第一氣流中。
4.按照權(quán)利要求
1的方法，其中所說的第三氣流是天然氣。
5.按照權(quán)利要求
1的方法，其中所說的第三氣流是以一流量加入所說回路，以產(chǎn)生滲碳量0.5%至4%的海綿鐵。
6.按照權(quán)利要求
1的方法，其中把由反應(yīng)爐排出的熱海綿鐵進(jìn)行團(tuán)壓。
7.按照權(quán)利要求
1的方法，其中所說第一氣流的氣溫，在加到反應(yīng)爐時(shí)，是850℃到950℃。
8.按照權(quán)利要求
1的方法，它還包括從所說的已冷卻的第一氣流中脫除二氧化碳。
9.按照權(quán)利要求
7的方法，它進(jìn)一步包括，從所說的已冷卻的第一氣流中脫除二氧化碳，其中所說的第三氣流是天然氣，將它加入脫除二氧化碳之后的所述已冷卻的第一氣流中，而且是以一流量加入，以產(chǎn)生滲碳量0.5%至4%的海綿鐵。
專利摘要
本發(fā)明涉及的是一種，在適合于團(tuán)壓的高溫時(shí)，將鐵礦石用氣體直接還原成海綿鐵的方法和裝置，其中，使熱的還原氣通過正在降落的鐵礦石體向上循環(huán)，同時(shí)把補(bǔ)充的還原氣流加到該循環(huán)氣流中。將調(diào)節(jié)好的天然氣流或含甲烷的其它氣流，添加到所述的補(bǔ)充氣流或所述的循環(huán)氣流中，藉此可得到具有預(yù)定要求的，0.5％到4％滲碳度的海綿鐵產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C21B13/02GK87102213SQ87102213
公開日1988年3月16日 申請(qǐng)日期1987年3月20日
發(fā)明者豪爾赫·奧克塔維奧·貝塞拉-諾沃亞 申請(qǐng)人:伊爾薩公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan