本发明是关于氧化铁的还原，特别是有关在钢或铁的生产中把预先还原过的氧化铁供给熔炼炉的方法和设备。 从商业的观点来看，直接喷入矿石和还原剂的铁金属熔池熔炼的方法是有吸引力的。这是由于可以直接供入粉矿而免除了高炉所要求的必须块料供给所造成的。此外，可以使用蒸汽锅炉用煤作为还原剂而不用事先在焦炉中除去挥发物。
在这种装置中，还原剂（通常是煤）的消耗可能是过量的，然而，熔炼炉有效运行的关键是熔炼炉废气的后燃烧。这个概念的一个具体概括是，含氧气体进入到熔炼炉上部空间并且使存在的部分一氧化碳和氢氧化或二氧化碳和水。所释放的热量被输回到熔炼炉，这样减少了过程中所需的还原剂量。在澳大利亚专利说明书74409/81中对这样的装置作了描述，其内容结合在本文用来参改。
来自这一过程的熔炼废气含有大量的一氧化碳和氢，并且使主熔炼炉处于较高的温度（如1600℃）。为了在整个过程中进一步减少还原剂消耗量，在将废气送入熔炼炉之前用该废气将送入的铁矿石供料进行预还原是有利的。这样一种方案在澳大利亚专利说明书28044/84中已公开，其中预还原是在竖炉中进行。
在预还原条件下，颗粒地粘结性是一个潜在问题。当温度超过约1000℃时，颗粒开始粘着到表面，使设备运行产生严重困难。为了避免这点，必须将预还原温度保持在800-1000℃，以这样的方式来安排操作过程。当温度大大低于800℃时，预还原速率明显减低，并且需要更长的停留时间。
上述AU28044/84中的方案旨在通过在预调节室冷却废气避免这一困难，在该室中废气通过在气体和由上面可通过气体的特殊炉栅或栅状衬所产生的煤灰之间进行激烈的混合作用而进一步还原。然后，在将气体通入竖炉还原铁矿石之前，需要一个旋风收尘器以将煤灰与还原的，冷却废气分离。然而，要事先考虑到粘结颗粒的产生可能发生在特殊炉栅或栅状衬上以及预调节室其他表面上。
澳大利亚专利说明书69827/87提出了一种可选择方案，在此方案中，把最大粒度为0.1毫米的细矿石直接送入熔炼炉废气出口正下游处的热还原气体中。
本发明的目的是为了改善上述方案中的弊病，特别是有助于改变粒度范围的，熔炼炉废气中含颗粒氧化铁物料的部分还原。
根据本发明第一个方面，提供了把预还原过的氧化铁供给到熔炼炉中的一种方法，该方法包括把炉中热还原废气导入一个垂直立式管道，而基本上不冷却该废气，并将还原废气通过该立式管道向上传送，在立式管道的热还原废气中输送含颗粒氧化铁物料并由此将废气冷却，在由废气通过立式管道传送物料的同时将该物料部分还原，从废气中分离该部分还原后的物料并把至少一部分所述分离出的还原后物料送入熔炼炉中。
此外，根据本发明的第一方面，还提供了把预还原过的氧化铁供给到熔炼炉的设备，该设备包括一个带有熔炼炉的循环系统，一个来自炉中热还原废气的出口，一个用来传输废气而基本上没有阻碍的垂直立式管道，垂直立式管道被连接到废气出口处，以便接收基本上未冷却的热废气，将含颗粒氧化铁物料导入到垂直立式管道以冷却废气并在由废气通过铁管道传送该物料时同时部分还原该物料的装置，从废气中分离部分还原后物料的装置以及把至少一部分所述还原后物料输入到熔炼炉中的装置。
根据本发明的第一方面，提供了把预还原的氧化铁供给到熔炼炉的方法和设备。该系统包括把热熔炼废气（基本上不用事先冷却）输送到其中供入颗粒氧化铁物料的垂直立式管道。废气在管道中被冷却，同时发生氧化铁物料的预还原。当输送的固体最大尺寸不超过6-8毫米时，该管道内的气体速率可以很容易地维持在3-15米/秒，较好是使最大颗粒尺寸在0.1-6毫米范围。所输入的物料最好由铁矿石组成，但其他含氧化铁物料也可适用。
进入到垂直立式管道的热废气温度实际上就是熔炼炉的温度，例如在1300℃-1800℃范围，将颗粒物料，主要是含氧化铁物料，但也可能是一种或多种成渣剂如石灰石、抗粘剂和还原剂送入立式管道使之适应于将管道内的气体急冷却至800-1000℃，最好在900℃的范围内，以便解决粘结性问题。
在或邻近立式管道顶部的分离气体和固体的分离装置较适宜的是一个旋风器或旋风器的组合。从分离装置的气体中分离出来的部分还原后物料可被作为预还原产物直接供入熔炼炉中，或使之分离，一部分，最好是大部分，通过一个适当的返回管路返回到垂直立式管道的下部。为了能使连续不断地喷入到立式管道中，最新的型式需要一个能够传送抗压力梯度的热固体的装置。一个密封回路（如在循环流化床燃烧单元中所用的）是适用于此用途的一个装置。
把来自分离装置的固体再循环到立式管道下部范围的情况，相当于循环流化床（CFB）的预还原。这是一种最佳的运行方式，由于借助固体的再循环，就有可能在立式管道中保持更多固体存量，并且因此延长了在预还原环境下的固体停留时间。熔炼炉废气达到更有效的急冷从而颗粒的粘结性可以得到更有效地控制。CFB运行方式也具有在沿立式管道轴向上更大温度均匀性的优点，因此为预还原提供了一种更理想的化学作用力。
在CFB方式中，再循环物料的量可能远远大于供料量（并作为还原产物被分离）。在这些条件下，由于再循环装料的稀释效果，供料的确切位置和在立式一返回管路中的产物分离部位不是很严格的。
可能必须以某种形式从系统中分离热量。在一系列部位回收废热是可能的，一个实例是如在CFB系统中使用的膨胀密封回路里的蒸汽管。然而，能够将预还原设备作为废气冷却器（开始工作期间没有固体）操作是有用处的，为此，沿着主气体流动路经确定热回收表面的位置可能是合乎要求的。这可以包括在立式管道壁和/或在分离装置壁上提供冷却表面。作为一种可选择方案，把熔炼炉废气分解成两股气流是合乎要求的，并且仅允许满足对预还原过程热量要求所需的部分进入立式管道。在此情况下，对预还原装置中的内热回收表面是没有要求的。
如上述AU74409/81中所描述的，本发明第一方面的预还原装置有利地使用在进行后燃烧过程的熔炼炉，按照本发明的第二方面，提出了一种由氧化铁生产铁和/或铁合金的方法，该氧化铁利用熔炼炉废气被部分还原，该熔炼炉至少经受了部分后燃烧，部分还原过的氧化铁被供入熔炼炉通过与含碳燃料和含氧气体反应进行熔炼，其特征在于将基本上未冷却的至少部分后燃烧过废气的热送入垂直立式管道并通过此向上传送，在向上传送的热废气中输送颗粒氧化铁以进行所述的部分还原并同时使废气冷却。该预还原的化学作用通常不需要或不用考虑将作为含氧化铁物料所使用的待处理铁矿石金属化（即30%以上预还原）。
现仅通过参考附图举例的方法来说明按照本发明的方法和设备的两个具体实施方案，其中：
图1说明了通过一次操作系统将预还原物料供给到炉中的装置。
图2说明了通过再循环系统将预还原物料供给到炉中的装置。
图1所示是一个以耐火材料作为衬里的熔炼炉，该炉包括一个气体空间1及在1300-1800℃下含有已分解或正分解的碳的液态熔渣2和铁水3。将煤4，有选择地加入含氧气体，喷入到炉中熔体下面，并在液相中与氧反应，主要形成一氧化碳和氢。含氧气体5被喷入气体空间并与一氧化碳和氢产生局部燃烧。来自后燃烧步骤的热量被返回到熔体中，热、残余气流逸出温度为1300-1800℃的炉体，澳大利亚专利74409/81对此过程已作了详尽说明。
气体一旦离开主熔炼炉，进入二次熔炼室6。二次熔炼室6的作用是靠气体的膨胀把气体从熔渣和铁水中分离出来，并且重要的是，气体在二次熔炼室6中基本上没有被冷却。熔炼室6可以用一系列这样的多个熔炼室代替，并可用一个旋风收尘器尽可能多地提取熔渣和熔融物，或者将其一起除去。
将仍然接近主熔炼炉温度并充满液滴（和某些固体）的熔炼炉废气直接输送到垂直立式管道8的底部。最大粒度为6毫米的待处理含氧化铁物料，有选择地与少量成渣剂，抗粘剂和/或还原剂混合被送到入口7中。入口7直接通向立式管道8的节流颈口的下游，其作用是加速气体流动和增加颗粒物料和气体的混合。热气体的冷却和固体的预还原发生在立式管道8里，所设计的运行条件是使气体速率在3-15米/秒范围内，所给的平均悬浮体密度在每立方米2-50公斤之间。固体还原不超过方铁矿（FeO）。立式管道中的温度一般在800-1000℃之间，且冷却表面（未示出）设置在立式管道壁上，以分离所需的热量。冷却表面的设计是为了将气体通过管道的流动阻力减至最小。
在立式管道8的顶部，混合物进入旋风器9。固体从下游处11被收集并用适当的装置被送到主熔炼炉中。气流10可以被送入进一步废热回收和颗粒分离单元中（未示出）。
将部分还原后的物料从低压力下游处11传送到主熔炼炉的当前较佳的图中所示装置包括一个流态化密封回路12。部分还原物料的密封床通过经由一个安放在密封回路底部的分布器送入适当的诸如氮或不含大量氧的其他气体13保持在流态化状态。预还原后的固体直接溢入连接主熔炼炉的管道中。
由此可知，包括密封回路12的输送装置由于在从入口到主熔炼炉中形成颗粒可能不完全令人满意，因而有可能，把部分还原的物料喷入到熔炼炉中的一种装置（未示出）可能是有利的。
现参考图2，预还原系统的循环流化床运行型式仅在主要一点上不同于参照图1中所描述的非再循环对应型式：给予待处理含颗粒氧化铁物料在离开预还原环境以前具有多次通过立式管道8的机会。如图2所示，提供了循环导管14、15，这样便能多次通过立式管道8。这一导管是密封回路形式，类似于密封回路12，也靠所充气体13来保持流态化。导管15通到紧接着管道上节流颈口下游端的立式管道8。
供料固体可以在任何方便的位置被送入到CFB系统中（即8、9、11、14和15），较佳部位是通过入口16通向导管15的方式。再循环固体可以在700-900℃温度范围内。
在立式管道中的悬浮体密度要高于一次通过系统，其平均密度在每立方米10-300公斤范围。通过这种装置增加气体-固体的接触次数，达到更有效的颗粒粘结性控制。颗粒物料围绕CFB回路增加的气流使向外放出的温度均衡，这在预还原反应中导致了更强、更均匀的化学作用力。
实施例
非再循环的预还原
一中试厂的立式反应器，保持在最高温度为800℃，并以每小时44.6标准立方米的速率送入气体。气体组分（体积百分比）如下：
一氧化碳 18.2%
二氧化碳 16.4%
氢 3.9%
水 6.5%
氮 55.3%
在管道内气体的速率为6.2米/秒，并以每小时37公斤的速率供入最大尺寸为1毫米的铁矿石。达到的预还原程度为12%。
再循环的预还原
一个中试工厂的CFB预还原反应器，立式管道最高温度保持在900℃，并以每小时44.6标准立方米的速率供入气体。该气体组分如下：
一氧化碳 20.1%
二氧化碳 17.1%
氢 5.4%
水 5.2%
氮 52.2%
立式管道内的气体速率为6.2米/秒，并以每小时14.3公斤的速率供入最大尺寸为1毫米的铁矿石。固体的循环率保持在每小时1200公斤，在立式管道内的平均悬浮体密度为每立方米190公斤。
在立式管道内的固体平均停留时间是29分钟，所达到的预还原程度是24.1%。
添加石灰的再循环预还原
一中试工厂的CFB预还原反应器，立式管道最高温度保持在975℃，以每小时44.6标准立方米的速率送入气体。该气体组分如下。
一氧化碳 19.1%
二氧化碳 17.6%
氢 4.5%
水 5.6%
氮 53.1%
立式管道内的气体速率为6.1米/秒，且以每小时17.1公斤的速率供入最大尺寸为1毫米的铁矿石。除了铁矿石外以每小时0.9公斤的速率将石灰送入CFB反应器。固体的循环速率维持在每小时500公斤，在立式管道内的平均悬浮体密度为每立方米89公斤。
在立式管道内的固体平均停留时间为10分钟，所达到的预还原程度为23.7%。
现有技术的普通技术人员会理解到，此处所描述的发明除了特别说明以外，对于各种变化和改进都是可以容许的。应该理解到，本发明包括了所有这些变化和改进，它们都不超出本发明的精神和范围。本发明也包括了所有的步骤、特色、组合物和化合物，这些都可以在说明书中得到单独或综合性的参考和说明，以及包括所述步骤或特色的任意两种或多种的任何或全部组合。