铁矿石气体还原直接炼钢工艺.pdf

本发明公开了一种铁矿石气体还原直接炼钢工艺，先将铁矿石或预还原矿粉加入渣铁浴中，铁矿石或预还原矿粉溶解入渣，向渣层吹入还原性气体，还原性气体还原含FeO渣，得到碳含量小于1.3％的钢水。还原反应产生的CO主要用于二次燃烧，以补偿还原反应所需的热量，废气用于预热和预还原(铁矿物在很弱的还原性气氛下即可发生预还原)。本发明充分利用了还原性气体不会向钢液渗碳、渗硅的特点，仅用一座直接炼钢炉实现由含铁矿物生产钢水，本发明的生产率高，吨钢能耗低，设备和基建投资节省，物流得到充分简化，而且避免了铁水在运输

1.  一种直接炼钢工艺，包括下列步骤：
1)直接炼钢炉内预先形成一个铁熔池，或者是渣铁混合的熔池，温度在1400℃以上；
2)含铁物料和熔剂被装入到直接炼钢炉内，加入的含铁物料很快溶解进入渣中，向渣层吹入还原性气体，还原性气体还原含FeO渣，得到碳含量小于1.3％的钢水；
3)向直接炼钢炉渣层上方的空间内吹入氧气或500～1200℃的热空气以燃烧还原反应产生的CO；产生高温废气；
4)钢水和炉渣从直接炼钢炉内的虹吸出钢口和出渣口直接流出。

2.  一种如权利要求1所述的直接炼钢工艺，其特征是，步骤2)所述含铁物料选自含铁粉矿、含铁块矿、含铁球团矿、经过细磨预还原的铁矿粉、氧化铁皮、和/或含铁尘泥中的一种或几种；步骤2)所述熔剂为生石灰和白云石。

3.  一种如权利要求1所述的直接炼钢工艺，其特征是，步骤2)所述含铁物料和熔剂可以用皮带上料机加入、用螺旋给料器加入、或用N₂作载气的喷枪喷入。

4.  一种如权利要求1所述的直接炼钢工艺，其特征是，步骤2)所述还原性气体为天然气、焦炉煤气或天然气与焦炉煤气的混合物。

5.  一种如权利要求1所述的直接炼钢工艺，其特征是，步骤3)中从直接炼钢炉的底部吹入N₂气搅拌熔池。

6.  一种如权利要求1所述的直接炼钢工艺，其特征是，将铁矿粉进行细磨预热预还原后加入到直接炼钢炉中进行直接炼钢，铁矿粉和石灰石混合细磨至40微米以下，在输送床设备中用直接炼钢炉的改质后的废气预热预还原。

7.  一种直接炼钢设备，包括：粉矿输送床(1)、上料装置(2)、还原性气体喷枪(3)、气相区二次燃烧氧枪(4)、直接炼钢炉(5)、直接炼钢炉出渣口(6)、直接炼钢炉出钢口(7)；
直接炼钢炉(5)是桶形炉子，包括渣区和铁水区。在直接炼钢炉的上方有输送床设备(1)，输送床设备(1)通过上料装置(2)与直接炼钢炉(5)相连；还原性气体喷枪(3)插入渣区，气相区二次燃烧氧枪(4)插入到直接炼钢炉上方的气相空间，直接炼钢炉出渣口(6)位于直接炼钢炉外侧炉墙中部，在直接炼钢炉外侧炉墙上开有直接炼钢炉出钢口(7)。

8.  一种如权利要求7所述的直接炼钢设备，其特征是，所述的直接炼钢炉还包括底吹搅拌气体透气砖(8)；底吹搅拌气体透气砖(8)位于直接炼钢炉炉底。

9.  一种如权利要求7所述的直接炼钢设备，其特征是，直接炼钢炉(5)包括耐材系统，水冷系统，废气处理和余热回收系统。

10.  一种如权利要求7所述的直接炼钢设备，其特征是，所述上料装置(2)选自：用N₂作为载气的喷枪、螺旋给料器或皮带上料机。

铁矿石气体还原直接炼钢工艺
技术领域
本发明涉及钢的生产工艺，尤其涉及一种铁矿石气体还原直接生产钢水的工艺。
背景技术
当前最重要的钢铁生产流程(长流程)从铁矿石得到钢水，需经烧结(或球团)、炼焦、高炉炼铁、转炉炼钢四个主要工艺环节，还有众多的辅助工艺环节。高炉炼铁中铁矿石的还原70％以上是间接还原，属气固反应，要求高炉保持良好的透气性，因此贫矿选矿后获得的铁精矿粉和富矿块矿粉末都必须经过造块才能供高炉使用，即经过烧结(或球团)工艺过程。烧结(或球团)的物料处理量约占钢铁联合企业的第二位(仅次于炼铁生产)，能耗仅次于炼铁和轧钢而居第三位。焦炭在高炉内的用途，一方面是作为提供冶炼所需热量的燃料和铁氧化物还原剂，现在这个作用已部分被喷煤取代，焦炭更重要的作用是在矿石软化熔融后，作为支撑高达数十米的料柱的骨架，同时又是煤气通路。焦煤在原煤中的比例较少，储量有限，这势必给依赖炼焦煤的长流程的发展带来危机感。传统长流程已发展到顶峰，但高炉炼铁的特点，决定了传统长流程规模庞大，投资高，生产周期长，吨钢能耗高，环境污染严重。
直接还原-电炉流程也可以从铁矿石得到钢水，不需要焦炭，但直接还原铁大部分用竖炉生产，仍然需要铁矿粉造块工序，而且需要丰富的天然气资源，煤基回转窑法生产效率低，转底炉法由于料层较薄规模难以扩大。因此直接还原-电炉流程仍难于和传统长流程竞争，在全世界范围内的钢产量份额仅占5％，我国则很少。
熔融还原-转炉流程改变了传统长流程对焦炭的依赖程度，例如COREX熔融还原炼铁-转炉流程仅需要少量的焦炭，原理上它仅将高炉的功能一分为二，先气态间接还原后熔化分离，缺点也是显而易见的：耗氧量大(500m³/t)，投资比传统长流程高10％～20％，发展速度缓慢。熔融还原-转炉流程只是对传统长流程铁前工序的变革。
也有一些专利提出直接炼钢或一步炼钢，CN87101210A发明者在转炉上用碳同时作还原剂和燃料，产生的大量CO仅作预热用，回收其物理热，这是不经济的，理论上也是与炼铁原理违背，不可能得到实现。他提到的用中频炉或电弧炉直接炼钢，同样不利用产生的大量CO，电耗将很大，不可能用于生产。专利CN1116240A与专利CN87101210A，作者为同一人，技术原理基本一致，内容上稍微增添和细化。
专利CN1087951A获得海绵铁的技术，理论上相当于煤基竖炉工艺，炼铁界公认该工艺不成熟，生产成本偏高。该专利一个致命的缺点是当高温还原气体通过海绵铁溜槽底部的气孔进入上部容室上行，将矿石预热还原时，溜槽气孔容易堵死，如改为侧吹还原气体则容易实现。该专利也未提到铁矿石必须造块。粉矿是不能通过竖炉还原的。专利CN1348013A使用的原料是球团矿，获得海绵铁的技术原理也相当于煤基竖炉工艺，与传统流程相比经济上不可行。
专利CN1223301A用隧道窑、推料杆和铧板的复杂机构来生产海绵铁，其反应机理类似于煤基回转窑工艺，专利CN1818082A反应机理也类似于煤基回转窑工艺，生产效率不可能高。
专利CN1850997A提出用感应炉直接炼钢，在同一感应炉内先加入铁矿粉、煤、熔剂得到铁水，然后向铁水中吹氧和加入熔剂得到钢水，在技术原理上是可行的，但是感应炉规模小，电耗大，不经济，不可能大规模生产。
专利CN1851000A提出用铁矿粉和无烟煤粉的混合料块利用转炉直接炼钢，该方法往混合料块中同时顶底吹氧。底吹氧只会将还原出来的Fe不断的氧化，该反应的实质就是煤不断的氧化。正确的方法应当是在渣区用煤还原，也可以在渣区吹少量的一次氧以增加反应的热量，通过控制氧的吹入量来实现煤还原铁矿物，在气相区吹氧二次燃烧，二次燃烧的热量提供给渣区还原反应吸热，但决不可以再底吹氧氧化铁液。因此该专利提出的方法煤耗高，而生产率不一定高，大生产上很难实现。
专利CN1073212A提出的炼铁方法，原理上和1988年荷兰的霍戈文钢铁公司、英国钢铁公司和意大利的伊瓦尔公司开发的旋风炉式熔融还原流程一致。旋风炉式熔融还原只进行了中间试验，至今没有任何进展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种铁矿石气体还原直接炼钢工艺。
本发明提供一种铁矿石气体还原直接炼钢工艺，包括下列步骤：
1)直接炼钢炉内预先形成一个铁熔池、或者是渣铁混合的熔池，温度在1400℃以上；
2)含铁物料和熔剂被装入到直接炼钢炉内，加入的含铁物料很快溶解进入渣中，向渣层吹入还原性气体，该还原性气体还原含FeO渣，得到碳含量小于1.3％的钢水；
3)向直接炼钢炉渣层上方的空间内吹入氧气或500～1200℃的热空气以燃烧还原反应产生的CO，产生高温废气；
4)钢水和炉渣从直接炼钢炉内的虹吸出钢口和出渣口直接流出。
优选的，步骤2)所述含铁物料选自铁精矿粉、含铁粉矿、含铁块矿、含铁球团矿、经过细磨预还原的铁矿粉、氧化铁皮、和/或含铁尘泥中的一种或几种；
优选的，步骤2)所述熔剂为生石灰和白云石。
优选的，步骤2)所述含铁物料和熔剂可以用皮带上料机加入、用螺旋给料器加入、或用N₂作载气的喷枪喷入。
优选的，步骤2)所述还原性气体为天然气、焦炉煤气或天然气与焦炉煤气的混合物。天然气与焦炉煤气的混合物可以以任意比例混合，优选的，天然气与焦炉煤气的体积比为1∶100～100∶1；更优选的，天然气与焦炉煤气的体积比为1∶50～50∶1。
优选的，步骤3)中从直接炼钢炉的底部吹入N₂气搅拌熔池。
优选的，直接炼钢炉的高温废气可以用余热锅炉冷却回收显热来发电。
优选的，将铁矿粉进行细磨预热预还原后加入到直接炼钢炉中进行直接炼钢，铁矿粉和石灰石混合细磨至40微米以下，在输送床设备中用直接炼钢炉的改质后的废气预热预还原。
本发明还提供一种直接炼钢设备，包括：粉矿输送床(1)、上料装置(2)、还原性气体喷枪(3)、气相区二次燃烧氧枪(4)、直接炼钢炉(5)、直接炼钢炉出渣口(6)、直接炼钢炉出钢口(7)；直接炼钢炉(5)是桶形炉子，包括渣区和铁水区。在直接炼钢炉的上方有输送床设备(1)，输送床设备(1)通过上料装置(2)与直接炼钢炉(5)相连；还原性气体喷枪(3)插入渣区，气相区二次燃烧氧枪(4)插入到直接炼钢炉上方的气相空间，直接炼钢炉出渣口(6)位于直接炼钢炉外侧炉墙中部，在直接炼钢炉外侧炉墙上开有直接炼钢炉出钢口(7)。
所述直接炼钢炉出钢口为虹吸出钢口。
优选的，所述的直接炼钢炉还包括底吹搅拌气体透气砖(8)；底吹搅拌气体透气砖(8)位于直接炼钢炉炉底。
优选的，所述上料装置(2)选自：用N₂作为载气的喷枪、螺旋给料器或皮带上料机。
用N₂作载气的喷枪可以使用水冷喷枪，也可以使用其它形式的喷枪。气相区二次燃烧氧枪(4)可以使用水冷氧枪，也可以使用其它形式的喷枪。
优选的，直接炼钢炉(5)包括耐材系统，水冷系统，废气处理和余热回收系统。
本发明从铁矿石直接得到钢水的具体工艺路线是：含铁物料(含铁粉矿、含铁块矿、含铁球团矿、经过细磨预还原的铁矿粉、氧化铁皮、含铁尘泥中的一种或几种)和熔剂(包括生石灰、白云石)被装入到直接炼钢炉内，直接炼钢炉内预先已形成了一个铁熔池，或者是渣铁混合的熔池，温度在1400℃以上。含铁物料和熔剂可以用皮带上料机加入，也可以用螺旋给料器加入，或用N₂作载气的喷枪喷入。加入的含铁物料很快溶解进入渣中。向渣层吹入还原性气体，该还原性气体还原含FeO渣，得到碳含量小于1.3％的钢水；向直接炼钢炉渣层上方的空间内吹入氧气或500～1200℃的热空气以燃烧还原反应产生的CO，给大量吸热的铁氧化物直接还原反应提供热量。还可以从直接炼钢炉的底部吹入N₂搅拌熔池，也可以不吹入底搅拌N₂。钢水从直接炼钢炉内的虹吸口直接流出。直接炼钢炉的高温废气可以用余热锅炉冷却回收显热来发电。本发明还包括将铁矿粉进行细磨预热预还原后加入到直接炼钢炉中进行直接炼钢，矿粉和熔剂(指石灰石、生石灰、白云石中的一种或几种)混合细磨至40微米以下，在专用的输送床设备中用直接炼钢炉的改质后的废气预热预还原。
本发明的优势体现在：
(1)现有所有的生产粗钢的工艺，遵循从矿石或含铁氧化物→铁水或直接还原铁→钢水的工艺路线，是一个先增碳后脱碳(直接还原铁中还含有脉石，需要熔化精炼)的过程。本发明的直接炼钢工艺只有一座炉子，非常紧凑，使炼钢生产流程得到本质上的简化。
(2)本发明通过对渣铁熔池渣区喷吹还原性气体，将铁的氧化物还原。由于不使用煤和焦炭，而且还原性气体仅吹到熔渣表面，生成的钢液渗碳少，得到成品钢液时无需脱碳。
(3)由于铁液碳活度低而溶解氧活度高，脉石中的Si不会被还原到钢液中，得到成品钢液时无需脱Si，因此可以从铁矿石或含铁氧化物一步得到钢水，没有中间产品如铁水或直接还原铁。
(4)本发明在一座直接炼钢炉内实现了从矿石生产钢水，与现有的炼钢流程相比，设备和基建投资大量节省，保守的计算，可以节省50％以上的设备和基建投资；物流得到充分简化，吨钢能耗低；在传统的钢铁厂，各个工艺环节的物流非常繁忙，含铁物流历经数次的升温降温，损失大量的物理热，新的直接炼钢工艺只有一座炉子，非常紧凑，物流简单有序，而且避免了铁水在运输过程中的温度损失，易于实现生产的直接化和自动控制，是新一代智能钢铁厂，采用本发明后，钢铁厂的面貌发生重大改变。
附图说明
本发明的装置简示流程图见附图1。1是粉矿输送床，在这里粉矿被预热预还原。2是上料装置。3是还原性气体喷枪。4是气相区二次燃烧氧枪。5是直接炼钢炉。6是直接炼钢炉出渣口。7是直接炼钢炉出钢口。8是底吹搅拌气体透气砖。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明并不局限于此。
实施例1：
本发明的直接炼钢设备，包括：粉矿输送床(1)、上料装置(2)、还原性气体喷枪(3)、气相区二次燃烧氧枪(4)、直接炼钢炉(5)、直接炼钢炉出渣口(6)、直接炼钢炉出钢口(7)；直接炼钢炉(5)是桶形炉子，纵剖面如图1所示。直接炼钢炉(5)包括耐材系统，水冷系统，废气处理和余热回收系统。
在直接炼钢炉的上方有输送床设备(1)，输送床设备(1)通过上料装置(2)与直接炼钢炉(5)相连；还原性气体喷枪(3)插入渣区，气相区二次燃烧氧枪(4)插入到直接炼钢炉上方的气相空间，直接炼钢炉出渣口(6)位于直接炼钢炉外侧炉墙中部，在直接炼钢炉外侧炉墙上开有直接炼钢炉虹吸出钢口(7)。
所述的直接炼钢炉还包括底吹搅拌气体透气砖(8)；底吹搅拌气体透气砖(8)位于直接炼钢炉炉底。
将铁精矿粉和石灰石、白云石混合在一起，它们的配比根据这几种物料在冶炼过程中渣的成分并通过物料衡算来确定，一般取渣的碱度为1～1.5，Al₂O₃ 5％～18％，MgO 5％～10％，FeO 10％以下。用球磨机细磨得到小于40μm的微粉，将该微粉在输送床1内用直接炼钢炉的改质后的废气预热预还原，该微粉预热后的温度是300～600℃，预还原率是10～30％。
将预热预还原后的铁精矿粉用N₂作为载气通过水冷喷枪2喷入到直接炼钢炉内渣铁浴中，直接炼钢炉内的预先已形成一个渣铁熔池，渣层厚度在约10～1000mm，铁水熔池厚度约10～2000mm，铁精矿粉和熔剂的混合物加入后，很快溶解进入渣中(不到一分钟时间)，同时用天然气喷枪3向渣层吹入天然气，天然气高温下裂解生成氢气和碳，氢气和碳还原含FeO渣，得到碳含量小于1.3％的钢水。
直接还原反应产生了大量的CO气体，在渣中形成泡沫渣，同时充满了直接炼钢炉的上部空间。用水冷氧枪4向直接炼钢炉的上部空间吹入氧气，以燃烧还原反应产生的CO，产生高温废气；二次燃烧产生的热量以辐射和热传导的方式传递给反应区。在渣铁浴中由于物料喷吹溅起的渣铁滴吸收了二次燃烧的热量，在落回熔池后即将二次燃烧热量带回熔池。
直接炼钢炉5内的废气先冷却回收物理热，用于发电，然后用于铁矿微粉的预热预还原。直接炼钢炉5有出渣口6和出钢口7，生产的钢水和渣分别直接流出。得到的粗钢水成分C 0.1～0.8％，Si、Mn＜0.05％，S、P＜0.04％，经过后续的炉外精炼和脱氧合金化工序即可得到合格的钢水。
实施例2：
将铁精矿粉和部分含铁块矿以及石灰石、白云石混合在一起，它们的配比根据这几种物料在冶炼过程中渣的成分并通过物料衡算来确定，一般取渣的碱度为1～1.5，Al₂O₃ 5％～18％，MgO 5％～10％，FeO 10％以下。然后将混合物料通过螺旋给料器2装入直接炼钢炉5内。直接炼钢炉5内预先留有厚度为100～800mm的铁水熔池，铁精矿粉与熔剂很快形成液态混合物渣层，同时用焦炉煤气喷枪3向渣层吹入焦炉煤气，焦炉煤气还原含FeO渣，得到碳含量小于1.3％的钢水。
在直接炼钢炉的上部空间，还原反应产生了大量CO，用水冷氧枪4吹氧，CO二次燃烧为厚渣层的还原反应提供了部分热量。在直接炼钢炉5中通过底吹搅拌气体透气砖8底吹N₂搅拌熔池，为铁水中C还原渣中铁氧化物创造动力学条件。
钢水从虹吸出钢口不断流出，产生的渣通过出渣口不断流出。得到的粗钢水成分C0.15～0.7％，Si、Mn＜0.05％，S、P＜0.04％，经过后续的炉外精炼和脱氧合金化工序即可得到合格的钢水。直接炼钢炉内的废气经冷却回收物理热，用于发电。
实施例3
将经过细磨预还原的铁矿粉和石灰石、白云石混合在一起，它们的配比根据这几种物料在冶炼过程中渣的成分并通过物料衡算来确定，一般取渣的碱度为1～1.5，Al₂O₃ 5％～18％，MgO 5％～10％，FeO 10％以下。其它同实施例2。
实施例4
含铁球团矿和含铁尘泥，和石灰石、白云石混合在一起，它们的配比根据这几种物料在冶炼过程中渣的成分并通过物料衡算来确定，一般取渣的碱度为1～1.5，Al₂O₃ 5％～18％，MgO 5％～10％，FeO 10％以下。然后将混合物料通过上料装置2装入直接炼钢炉5内。直接炼钢炉5内预先留有厚度为100～800mm的铁水熔池，铁精矿粉与熔剂很快形成液态混合物渣层，同时用还原性气体喷枪3向渣层吹入天然气与焦炉煤气的混合物，天然气与焦炉煤气的混合物还原含FeO渣，得到碳含量小于1.3％的钢水。其它同实施例2。