本发明涉及直接还原适宜的原料而生产铁的方法。该方法具有直接还原低品位含铁原料，如铁砂的特殊用途，这种原料是目前尚未因此目的而被工业上所采用的。然而，该方法也具有还原较高品位的原料，如通常经受规熔炼作业的铁矿石的用途。该方法也可用于熔炼含铁废料。 用常规高炉炼铁的缺点是：为了保持每吨所产生的金属的低成本须进行投入大量资金的大规模经营。该方法需要块状焦炭来作燃料和还原剂。然而，生产焦炭是昂贵的而且产生由如硫化氧之类的气体散发及因形成含尘空气导致的环境问题。该方法还需要块状料，而流行的作法是将原料和熔剂烧结。烧结厂的作业也有大量资金和环境处理费用的问题。通常用高炉法制铁只有在年产铁超过百万吨的非常大的工厂中才可以考虑。
对于年产铁为20万-1百万吨的较小的工厂，电炉作业已经在发展，此电炉一般用予还原料和废铁进行作业，而且铁地化合物发生还原的量通常是该法的次要组成。为进行这种还原，该法要使用焦炭，因此也具有与高炉法相同的缺点。为了加热，该法还用电，而在大部分地区这对高温熔炼而言都是昂贵的能源。
许多直接熔炼工艺已经提出并已发展成实验厂的规模，这包括在铁熔池和渣熔池中，在部分燃烧还原的条件下用纯氧进行的煤的直接燃烧，或用较高富集程度的氧的喷入燃料的直接燃烧。这些方法一般都要用部分还原的铁矿石作原料，因此就造成需要提供予还原设备及作为该法的一个部分的予还原作业。这必然带来了较大的操作复杂性及较大的资金花费。
正在研究中的工艺一般采用底部喷咀将燃料、空气和含铁原料喷入金属熔池。这带来了昂贵的高压喷射问题及喷咀附近耐火材料的恶劣条件的问题。某些工艺已采用将燃料和空气顶吹喷入熔池顶部表面的方法，但这对熔池的热传递相当差，熔炼反应也相当地慢。
本发明旨在提供一种适用于低品位含铁原料生产铁及能在环境方面进行比常规采用的方法更有吸引力的作业的方法。
本发明的方法包括在一盛有渣池的反应器中熔化含铁原料，在其中通过喷入燃料/还原剂及通过至少一支顶部埋入式喷枪喷入含氧气体而在渣熔池的至少一个还原区产生加热和还原条件;该原料和附加的还原剂在，或邻近于至少一个还原区处一起加入该反应器以经受用煤作附加还原剂的熔炼还原;氧和燃料/还原剂的喷射速率被控制到达到所需的，充分还原条件的程度，方法是喷入的含氧约40%-约100%的气体使约40%-约50%的燃料/还原剂燃烧的程度;而其中的由熔炼作业产生的CO和H2以及被燃烧气体从熔池带出的碳粉尘则在反应器中进行二次燃烧。
埋入式顶吹最好产生强的还原条件。燃料和喷入的还原剂可包括细粒状的煤、燃料油、天然气、液化石油气或其它的适宜的含碳材料。在细粒煤的情况下，燃料借助载气被喷射，而此气体可至少部分地含燃料燃烧所需的氧。载气任选地可含一种惰性气体如氮，和空气、和富氧空气或和纯氧的混合物，或者它可仅是惰性气体。燃烧所需部分氧可以经流过喷枪的。与燃料/还原剂流分开的流喷入，而仅在该喷枪的下端和/或在渣熔池中这些分开的流才产生混合。其中至少一部分氧是以这种隔开的流进行喷射的，它可包括单独的氧、空气、富氧空气或这类气体与惰性气体，如氮混合的气体。
如已指出，氧和燃料/还原剂的喷射速率被控制到满足所需的还原条件，这些条件最好是强还原的。因此，被喷射的气体的氧含量为约40%-约100%，并足以使燃料/还原剂的燃烧程度为约40%-约50%。
附加的煤还原剂最好是块煤。它随含铁原料装入熔池，最好以该原料的约20-60%（重量）的比例装入。取决于原料的适宜的熔剂如石灰或硅石也随原料加入。在熔炼操作期间至少附加的煤还原剂和原料是连续加入的，而出渣和出铁金属则既可是连续地也可是分批地。
可采用不同形式的埋入式顶吹喷枪。然而，本发明的熔炼还原工艺需相当高的反应器温度，如约1350℃-约1500℃。因此，该喷枪或各个喷枪最好是适宜的合金钢，如不锈钢作的喷枪。所述合金钢最好是高质量的、耐蚀的、耐氧化的、在高温下不溶于渣的钢;而ASTM321，316或其它的高铬钢是适用的。还有，喷枪一般需要冷却，这是在熔炼操作过程中通过向其供以冷却剂流体而进行的，而且该喷枪可以是公开于我们于1990、9、26申请的国际申请PCT/AU90/00466（WO91/05214）中的形式的喷枪。最好，该喷枪是公开在我们于1991、9、20提交的澳大利亚待批专利申请RK8457（代理人委托号IRN22898）中的类型的喷枪。每份参考文献的公开内容已结合于本文中，并可视为本发明公开内容的一部分。
本发明的方法是伴随因熔炼作业而生产的CO和H2以及被燃烧气体带出熔池的碳尘的二次燃烧而进行的。对此而言，氧或含氧气体，如空气或富氧空气是被吹入渣池上部的反应器空间中。二次燃烧以靠近渣池表面为好，而最好是靠近该还原区或每个还原区，以达到高度的对渣池的传热。虽然为此采用的含氧气体可通过至少一支具有位于熔池表面上方的下排出端的喷枪供入，但该气体最好经一套管吹入反应器空间，而喷吹燃料/还原剂的顶吹埋入式喷枪则在该套管中延伸，该套管终止于熔池表面上方。PCT/AU90/00466的加套喷枪及公开在我们的待批的澳大利亚专利申请PK8457中的带套管的喷枪适用于此目的。
二次燃烧最好进行到氧化度达到超过0.2的程度，该氧化度是用（CO2+H2O）/（CO+H2+CO2+H2）的比率定义的。该氧化度最好不超过约0.95%，但最多可达1.0。按须序使用各种气体控制氧化以达到最大程度的对熔体的传热，同时不使熔池再氧化，出自反应器的气体可用于一般的加热目的，如产生蒸气，但作业的经济性不倾向用于原料的予还原。
含铁原料最好与熔剂，如煅烧石灰一起加入反应器。作为另一种还原剂的块煤可随原料加入。该原料可以是块状的，或是粉状的，但是，特别是在细原料的情况下，它最好与诸如熔剂和/或块煤一起造块，以防反应器的烟道气吹走该原料，造块可借助在拌和螺旋上或其它适宜的装置上加水而完成。
该原料及其它物料，如熔剂和另外的还原剂最好被加到至少一个还原区或加到邻近至少一个还原区，该还原区是由经适当定位的反应器加料口装置，在渣池上方的顶吹埋入喷射而造成的，然而该原料及熔剂为适宜的细粒尺寸时，可经顶吹埋入式喷枪或每个这类喷枪加至反应器。在这两种情况下，顶吹埋入喷射最好是能在还原区中产生强烈扰动的、一般带有显著熔池表面隆起的那种喷射。
该原料可含有或包括块状的或粉状的铁矿石。任选地，它可含有或包括球团、球团碎末、铁砂、铁残渣、铁磷、钢厂烟道粉尘、废铁及高铁渣。
为使本发明被较容易地理解，请参见附图，其中：
图1上适用于本发明的反应器的顶视图;
图2是沿图1和A-A线所取的纵剖面图;
图3是用于本发明的较佳喷枪的截面图;
图4是图3的喷枪的下端的放大的截面图。
图1和2的反应器10包括一个基本上封闭的，具有底座12、外墙14和顶16的容器。在一端，墙14和顶16的端部确定了废气开口18。反应器10最好有一衬有适宜耐火材料的金属外壳。在一端，反应器10有从渣池24之下的铁层22放出铁的出铁口20。在另一端，它有从熔池24的渣层出渣的出渣口26。
一般沿顶16的中心线，反应器有一系列喷枪孔30，其中每个孔都插有顶吹埋入式喷枪32。喷枪孔30的每一侧都有加含铁原料，熔剂及若需要加煤还原剂的进料口34。这种加料最好随喷枪32的顶吹埋入式喷射连续进行。
每支喷枪32可以是如公开于PCT/AU90/00466中的，或更好是如分开于上述待批澳大利亚专利申请PK8457中的那种喷枪。每支喷枪32都有一种中心导管36，（它最好具有至少二根基本上同心的管）及另一与导管36基本同心的套管38。在其上端，每根导管36可连接接到燃料/还原剂，如煤粉，以含氧气体的供入处（连接方式未示出）。导管36的下端有一排出端或喷咀，如图示，它被埋在熔池24的渣层28中。燃料/还原剂和含氧气体，以及还有喷射燃料/还原剂的载气（如果它不同于含氧气体的话）的喷射要达到如同产生还原区40的程度，而在该区的渣层28中形成隆起42。口30、34的相对定位要使料经口34装在隆起部42的上方。
在其上端，每根套管38可接至含氧气体源上（连接方式未示出）。此气体经管38的下端在其导管36下端的上方有一定间隔，以使经这种通道向下流通的气体从中经一段在熔池24上方的、超过每个隆起部42的短距离排入反应器的空间10a。从而从熔池24升起的CO和H2的后燃烧或二次燃烧可以发生，以便将大量生成的热能传至熔池24。
对所有材料均采用连续加料，而放出层22、28可以是连续的或分批的。喷枪32的顶吹埋入喷射在不氧化的条件下提供了热;而块煤或煤粉与经口34加入的含铁原料的还原是部分的。
图3和4的喷枪50有一导管52，它从喷枪50的上端部分50a延伸至下端排出端处的尾部54。
导管52包括同心的内外管56、58及一支同轴布置在管56、58之间的第三管60。尾部54密封地连接至每支管56、58的下端周边。然而，管60的下端止于尾部54的上方，以使管56、58间的体积被分成内、外环形通道61、62，它们在管60下端和尾部54之间的63处相通。
在上端部分50a处，通道61用管56、60的相配合的、彼此相连的法兰56a、60a封闭。类似地，通道62用管58的刚性环状壁58a封闭，它是沿管60周围被密封的。管60有一入口接头导管60b，通过它，导管52可与加压冷却流体如水源相连，以使冷却流体可供至通道61，还有，管58有一出口接头导管58b，通过它导管52可与排放来自通道62的冷却流体的排放管线相连。这样布置以使冷却导管52的冷却流体能通过导管60b供入，并环绕通道61朝下流过，然后环绕通道62朝上流过，并通过导管58b，排出。在这种流动中，冷却流体在63处流过尾部54的上端，以提供对尾端54的冷却。
管56限定孔腔64，通过它50a部分中管56的上端通至尾端54，而尾端54使孔腔64延续到喷枪50的下端。同心地在管56中有一燃烧供应管66，在一个实施例中，它从喷枪50的上端延伸至邻近于尾端54顶端的水平线处。管66的上端被纳入卡环67中，通过该卡环将它与供应管线68相连。后者可与燃料源及喷射燃料的载气源相连，以便借助管66经喷枪50喷吹燃料。
在管56、66之间有一经过孔腔64的环状气体通道70。管56的上端在56b处扩大，并装有进料接头导管56c，通过它通道70可与加压的氧或含氧气体的气源连接，以便能经喷枪50喷射这些气体。
尾部54有一内表面54a，它除形成一个连续孔腔64外，还是截头锥形，这样使管56中的孔腔64的横截面有向下向外斜度。表面54a的斜度的半锥角为10°～20°，其原因已如上所指出。表面54a和尾部54外面的园柱形表面54b一起确定出在喷枪50的出口处的尾部54的尖锐的下缘。
管66的下端可有多个环绕于四周的、分隔开的棒72，它们轴向地伸于尾端54之内。在尾端54内，装在棒72上的是锥形导流片74，其横截面朝喷枪50的下端增大。导流片74具有的半角，类似于尾端54的表面54a的半角，并使流自管66的燃料流向外散射入流自通道70的氧气流。导流片74以及尾端54的表面54a使渣进入尾端54达到最小的程度。
在通道70的下段中可有一螺旋旋流器76，以便使流自其中的氧产生园周运动。旋流器76有一二动锥形导流板，它装在管66上，该按间距朝尾端方向缩小。尾端54的表面54a和导流板74使燃料和氧在尾端中良好混合，并且此混合因旋流器76的作用而进一步增强。这种混合及旋流器76的作用还导致燃料和氧在渣中的良好分布，它们是通过顶吹埋入喷射从喷枪50中被喷入渣中的。
同心置于导管52上段的有套管78。在管58、78之间确定出套管通道80，而通道80在其上端被这些管的相应的法兰58d和78a所闭合。管78有一与通道80相通的入口导管78b，并且可与套管气体，如用于以后详述的在渣上方二次燃烧的含氧气体的加压源相连。套管气体可从通道80的开放的下端排出，从而排入熔池上方的炉子或反应器的气体中。
围绕至少管78的部分长度有一补充冷却系统82，虽然作为更好总体的考虑，它是任选的。这包括同心管84、86，每管在其上端闭合，而管86还在其下端闭合。每支管有接头导管84a、86a，它们能分别供入和排放另外的冷却流体，这基本上与关于在导管52中的这类流体所作的描述相同。系统82增强了对喷枪50的总体冷却，以及特别是对套管78的冷却，以抵御炉子或反应器的气体及二次燃烧热的影响。
用于顶吹埋入喷射的喷枪，应作为采用外冷却循环系统的，较佳是用水作冷却流体的喷枪来认识。这提供了长的喷枪运行寿命，而无需频繁修理。喷枪50被用于将燃料、空气和氧喷入渣熔池，以产生热，以及剧烈的搅动而完成迅速有效的反应。当它被用于喷射随氧和空气作为燃料和还剂的煤时，在高温下，如在熔化和从含铁原料中还原铁的所需的温度下提供强的还原条件有特殊的优点。
喷枪最好用不锈钢管构成，以防锈蚀及提供耐高温氧化的性能。尾端54也最好是不锈钢的，而且如已指出的，其10-20°的内锥半角起到防止固化的渣堵塞的作用。外水冷使喷枪保持低温，而在喷枪的附属组成系统中，最好有低压冷却流体断开装置及枪的提升机构。
该喷枪最好有最小的表面积，通过保持气体的燃料流高速度的能力可使其成为可能。一般气体和燃料流的速度可在0.05-1.0，最好是0.3-0.5马赫的范围内。类似地，高速冷却剂流可使喷枪的表面积减至最小，如用1-5米/秒的冷却水流即可如此。
在导管52外设置套管78，可使空气和其它套管气体被喷到熔池上方。这类套管气体提供了对喷枪50上段的冷却。此套管气体还可以为达成在埋入喷吹期间从熔池带出的一氧化碳、氢和碳尘充分二次燃烧中，为工艺原因所要求的熔池上方的反应供氧。要优选套管78的位置，以使来自这类反应的热最大限度地回收于熔池中，而同时又避免渣熔池和金属产物的再氧化。
在氧/空气管中设置旋流器76能在喷射材料进入熔池之前增强它们的混合，同时还提供了将气体喷入熔池的稳定的排出条件。
设置导流板74防止渣进入尾端及断流。
如果排出到渣池上方的套管气体的量未大到足以防止套管78达到可能引起氧化和被坏的程度，则冷却上部区域，围绕导管52的补充冷却水可能是有益的。根据所用的材料，补充冷却最好将套管78的下端保持有400～800℃的温度下。
本发明的主要目的在于：在喷枪只经受最小损耗及只需最小量的维修的条件下，将燃料、还原剂、空气和/或氧喷入渣池。而在设有套管78的场合下，另一好处在于能以适宜的对喷射点接近度将二次燃烧空气或氧喷入熔池上方的气体空间，以保证由二次燃烧放出的热有效地加热熔池，同时又防止熔池所容物的再氧化。后一目的特别适合于将含铁原料熔炼和还原而生成生铁态的或含碳量低于生铁的含铁的金属铁。
为进一步说明本发明，提供下列非限定性的实施例。
实施例1
进行一种实验厂操作，其中将分析为含46.6% Fe、7.00% TiO2、13.4% SiO2、4.5% Mgo、4.0% CaO、4.25% Al2O3、1600 ppm Cr 0.45% V2O5和0.29% P2O5的铁砂料，在与煅烧石灰和块煤混合，并在拌和螺旋上加湿至含19.5%H2O后通过加料口加入顶吹埋入式喷射炉中。用粉煤、氧和空气使顶吹埋入式喷枪发火在渣池中产生强还原熔炼条件。通过环绕该枪的套管吹入空气，以使就在熔池上方升起的气体中的CO、H2和碳二次燃烧。加料条件如下：
加料速率
铁砂 65Kg/小时
块煤 30Kg/小时
石灰 6.5Kg/小时
喷射速率
粉煤 150Kg/小时
氧 85Nm3/小时
载气 50-65Nm3/小时
套管空气 200Nm3/小时
熔炼温度范围为1400℃-1450℃。在熔炼时放出金属和渣。在总时间19.6小时后将炉中的内容物全部放出。
在枪尾燃烧率为43%的吹炼期间总共加入937.4Kg铁砂。喷射气体中的富氧度为60%。用套管空气所进行的二次燃烧程度为25%。
所生产的铁经分析为：94.8%Fe、2.74%C、o.11%S、0.05%V、0.5%P，而铁的回收率为87%。残留在放出的渣中的铁含量为4%。
实施例2
以80吨/小时的总熔炼速率在图1和2所示的炉中熔炼成份与实施例1相同的铁砂原料。分别以17300Kg/小时和8400Kg/小时的速率将块煤和煅烧石灰与铁砂和15%造块用水一起加入熔池中。
用三支喷枪将总数为29522Kg/小时的粉煤，15028Nm3/小时的氧和15413Nm3/小时的助燃烧空气喷入熔池，这相应于60%的富氧度和燃烧了45%的粉煤。用喷枪面上的套管供应248460Nm3/小时的二次燃烧空气，它对熔池提供了30%的二次燃烧热回收率。
含有大量热的废气，如果全部通过废热锅炉，将产生足以提供近40Mw电能的蒸汽。该熔炼厂为制氧最多消耗10Mw电能，因此如果全部废热都被利用则可提供过量的电能。可任选地按规模设置废热锅炉和汽轮机发电厂以产生熔炼所需的氧，并使该工厂的电气设备运行。此气体的其余部份经除尘后排入大气。
该厂以40.7吨/小时的产率生产分析值为95.8%Fe、4.0%C的铁，并以32.2吨/小时的产率生产组成为5%Fe、29.2%CaO、15.2%SiO2、9.1%MgO的渣，然后将渣粒化以便处理。在该法中铁的回收率为96.1%。
经此喷枪将粉煤、载体空气和氧喷入液体渣熔池。这种混合物的富氧度为60%，而燃烧度为45%。这种喷射提供了满足埋枪熔炼、熔池扰动以及熔池中还原条件对能量的需要。经喷枪套管喷吹空气使被上升气体带出熔池的CO、H2和碳充份燃烧。这种二次燃烧在熔池上方将能量提供到可大量回收进熔池的位置。块状或粉状的含铁原料与煅烧石灰熔剂、块煤还原剂、以及必要时的造块用水混合，然后经图1和2所示的加料口加入。最好将来自炉中的粉尘与添加的煅烧石灰一起再循环。
所产生的铁和低铁渣从炉子相对两端的各自的排放孔放出。该金属适于经另外的工厂用已知的方法加工直至成钢，或作为生铁出售，而渣则可粒化后使用或废弃。
炉中产生的废气含有大量的能，如果通过配备有蒸汽汽轮发电机的废热锅炉，则足以产生3-4倍于该工厂所需的电能。
最后，可以理解的是：在不违背本发明的精神和范围的情况下，各种更替，变换和/或增加都可纳入上述部份的构成和布局之中。