專利名稱：豎爐煤基還原海綿鐵的方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鋼鐵冶金工藝方法及其專用設備，特別涉及一種在豎爐中，以煤為還原劑生產海綿鐵的方法及其專用的煤基還原豎爐。
現(xiàn)有的生產海綿鐵的方法按所用還原劑可分為兩大類一類為煤基直接還原，在回轉窯中進行。此種方法存在回轉窯填充率低，爐容利用系數(shù)低的問題，加之固體爐料和氣流各行其道，故熱效率低，由此造成回轉窯生產海綿鐵經濟效益很低。還有一種旋轉床還原爐也可作為煤基直接還原爐使用，但目前應用很少。另一類為氣基直接還原，使用裂化天然氣或煤氣作為還原劑。根據(jù)流程不同，主體設備可采用豎爐、反應罐或流態(tài)化床。氣基直接還原以豎爐應用最為廣泛，產出的海綿鐵是金屬化球團或壓塊。但此種方法必須有足夠的天然氣資源。
本發(fā)明的目的在于提供一種以煤為還原劑在豎爐中生產海綿鐵的工藝方法及其專用的煤基直接還原豎爐。
本發(fā)明的方法是在專用的煤基還原豎爐中以煤為還原劑，使球團礦經過預熱或氧化焙燒、還原、冷卻三個工藝階段而最終產出海綿鐵。
首先，通過加料裝置使爐料進入爐內預熱(或氧化焙燒)段，如采用強度較低的冷固球團為原料，為減少加料過程的破損，可采用斜坡式進料。球團礦、返煤及一部分大顆粒還原煤通過加料裝置進入還原豎爐預熱段。經過預熱的空氣自風口鼓入爐內，與上升煤氣中的CO、H2、CH4等物質進行燃燒反應，放出熱量。高溫煤氣繼續(xù)上升，將熱量傳遞給爐料，最后經煤氣出口排出爐外。出爐后的煤氣通入換熱器，預熱助燃風。球團礦在下降的過程中逐漸升溫，完成預熱和氧化焙燒過程，強度得到提高。如果使用氧化球團或塊礦，則此段完成礦石的預熱;如果使用生球團，則在此段完成氧化焙燒。爐料通過預熱段后繼續(xù)下降，進入還原段。生產中通過螺旋給料機在還原豎爐還原段第一層篦板下加入還原煤，還原煤加入后與球團礦混合，為保證爐內溫度滿足還原的需要，在加煤口的下方吹入一部分預熱空氣，燒掉一部分還原煤，使溫度達到還原所需要的溫度(約900～1200℃)。在第二層和第三層篦板下方也吹入少量預熱空氣，燒掉自由空間中流化狀態(tài)下的煤粉，以保持足夠的還原溫度。如有必要(視還原煤性質而定)可通過在這兩層篦板下加裝的油燒嘴或煤氣燒嘴噴油和助燃風，以補充熱量的不足。爐料在專用的還原豎爐的還原段下降過程中呈“之”字形運動，自邊沿向中心，自中心向邊沿不斷交換位置，使料柱變疏松。在篦板下方形成一個自由空間。爐料中的粉末，特別是煤粉，通過篦板落入這個自由空間形成流化床，從而使料柱透氣性得到改善。自還原段加入的還原煤也落入篦板下的自由空間。其中的大顆粒煤在下降過程中與球團礦混合，完成球團礦的還原。小粒度煤則與篦板漏下的煤粉及料柱吹出的煤粉一起在流化狀態(tài)下與吹入的助燃風進行燃燒反應，補充一部分熱量。生產中，幾層篦板下可同時加煤，也可一層篦板下加煤，另外幾層篦板下噴油和加助燃風。爐料經過還原段，球團礦的還原已基本進行完畢，繼續(xù)下降至冷卻段。在冷卻段上部除降溫外還可完成少量的還原過程，特別是燃燒區(qū)內形成的球團礦再氧化表面的還原。球團礦在冷卻段內隨著下降過程，逐步冷卻至出爐溫度800℃以下，產出的海綿鐵通過水冷螺旋給料機(或對輥卸料機等)排出豎爐，進入冷卻筒，進一步冷卻至100℃左右。冷卻后的海綿鐵通過篩分和磁選，與殘煤和粉末分離，即為最終產品。
下面以實施例說明本發(fā)明的工藝方法

圖1是系統(tǒng)配置及工藝流程示意圖。
本實施例使用氧化球團礦為原料，發(fā)熱值20000KJ的褐煤為燃料和還原劑。每噸海綿鐵消耗煤850kg。
褐煤根據(jù)粒度分為兩級。＜10mm的為粉煤，10～40mm為塊煤。＞40mm的部分需破碎。氧化球團礦粒度為10～20mm。
氧化球團及塊煤(包括返煤)自爐頂加入豎爐。在下降過程中，與上升的煤氣流接觸，溫度不斷升高。塊煤中的揮發(fā)分進入煤氣流。預熱段下沿鼓入的熱風與煤氣中的CO、H2和揮發(fā)分中的碳氫化合物反應，燃燒放熱，進一步加熱爐料。在預熱段中，爐料溫度可加熱至900～1000℃，并進入還原段。
在還原段上部，預熱爐料與加煤口排入的冷煤混合，溫度降低至700～800℃。加煤口下方吹入的熱風燃燒掉一部分揮發(fā)分和粉煤，使爐料溫度重新升高。在還原段中，爐料溫度保持在950～1100℃。熱量損耗由還原段中下部鼓入的少量熱風所引起的燃燒反應補充。在還原段中，球團礦金屬化率可達90～95%。
爐料進一步下降，進入冷卻段。在冷卻段的上方，球團礦還可完成少量還原反應，特別是經過燃燒帶時生成的再氧化表面的還原。同時溫度降低至900～950℃，并進入冷卻段下方。在冷卻段下方，由于爐壁的通水冷卻，爐料降溫速度加快。在冷卻段下沿，料溫可降至700～800℃。
爐料經對輥卸料機排入冷卻筒。冷卻筒外壁噴水冷卻。爐料在冷卻筒中進一步冷卻至100℃以下，并排出冷卻筒。
排出冷卻筒的冷爐料首先經振動篩篩分。＜3mm的部分可經磁選回收磁性粉，非磁性部分拋棄。＞3mm的部分進入磁選機。磁性物是成品海綿鐵、非磁性物作為返煤重新加入豎爐利用。
爐頂煤氣仍含有大量可燃成分。排出豎爐后首先經過一級旋風熱除塵。然后兌入助燃風燒掉可燃成分，使其溫度進一步升高，并進入換熱器。在換熱器中，高溫煤氣(900℃)與冷風(25℃)進行熱交換，使風溫提高至500～600℃，換熱器也具有一定的除塵作用。由換熱器排出的煤氣可直接(或經進一步清洗由排煙機)進入煙囪，排入大氣。由換熱器排出的熱風則作為助燃風供豎爐使用。
本發(fā)明的方法其填充率可達80-90%，且具有利用系數(shù)高、設備簡單、投資少，在豎爐中實現(xiàn)了以煤為還原劑生產海綿鐵等優(yōu)點。
實現(xiàn)本發(fā)明方法的專用設備為煤基直接還原豎爐。本發(fā)明方法專用的煤基直接還原豎爐包括加料裝置、爐體、篦板、出料裝置等四部分。圖2為煤基直接還原豎爐的結構示意圖?！?〕加料裝置，〔2〕爐體，〔3〕篦板，〔4〕出料裝置。圖3為圖2的A向剖面圖，加料裝置〔1〕可安裝在爐體〔2〕的側上方，整個爐體可分為上、中、下三段，上面為預熱或氧化焙燒段，在此段爐壁上部開有排氣口，下部爐身的四個面上對稱分布著助燃風口;爐體中部為還原段，還原段的爐壁上開有還原劑加入口和風口，在還原段爐體的內壁上裝有數(shù)層篦板〔3〕，豎爐還原段內壁上加裝篦板的主要作用是為了改善料柱的透氣性及還原的均勻性。裝篦板的層數(shù)視豎爐的高度而定，一般為2-5層，每層篦板最少分為2排，上、下交替安裝，篦板安裝的角度視爐料自然堆角和流動性而定，一般可選30°～60°，篦板的材質可選用碳化硅、耐熱鋼或其它耐高溫、耐氧化的材料。篦長的確定主要考慮滿足透氣性及對篦下空間的要求，并且要有足夠的強度。一般可使篦板遠離爐墻的一端處于豎爐中心線附近。如篦板過長，可分成兩段或多段安裝，篦板靠爐墻端置于爐墻的支承磚上，其余則放在水冷支承梁上。爐體的下部為冷卻段，冷卻段上部的爐壁結構與前兩段一樣，爐殼采用鋼結構，內襯耐火磚;而冷卻段的下部不襯耐火磚，且采用水冷。煤基直接還原豎爐的加料裝置〔1〕采用兩段式密封，一段為料封，另一段為料鐘。煤基直接還原豎爐的出料裝置〔4〕采用螺旋給料機或對輥卸料機等。下面是煤基直接還原豎爐的一個實施例。
圖4為年產3萬噸海綿鐵的豎爐本體結構。其中〔3〕是篦板〔5〕是雙料鐘式加料設備。氧化球團礦、返煤和＞10mm的塊煤自該設備加入爐內?！?〕是豎爐預熱段?！?〕是煤氣排出口?！?〕是螺旋給料機，＜10mm的粉煤通過它加入爐內?！?〕是熱風入口?！?0〕是豎爐還原段?！?1〕是豎爐冷卻段?！?2〕是對輥卸料機，還原完畢的球團礦連同返煤通過它排出豎爐進入冷卻筒?！?3〕是冷卻筒。
豎爐橫截面為2.5×2.5米。預熱段自大鐘處于下降位置的下沿起，至第一層熱風入口止，全高2.5米。還原段自第一層熱風入口起，至最下面一層篦板下沿止，共高6米。冷卻段自最下面一層篦板下沿起，至對輥卸料機止，共高4米。上面2米爐墻砌筑磚襯，能起到少量的還原作用。下面2米不砌磚襯，鋼殼采用雙層，并通水冷卻。橫截面逐漸縮小，與對輥卸料機相連結。
B-B截面圖示出了第一層熱風入口的布置，每面爐墻裝設2支熱風管。熱風管處于同一水平面。
C-C截面圖示出了螺旋給料機加煤口的布置。該布局與篦板的裝設相對應。本豎爐設四排篦板。其中兩排靠爐墻裝設，在這兩面爐墻上，每面在第一層篦板下方同一水平面處設兩個加煤口。另兩排篦板呈人字形裝于中間，兩端與爐墻接觸。在第一層篦板與爐墻的兩個接觸點的下方各設一個加煤口。這樣的布局是為了使加入的粉煤恰好落入篦板下的自由空間。加煤口直徑為200mm。在每個加煤口下方150mm處各設一熱風管。目的是燒掉一部分粉煤，使爐料溫度盡快地升至預定水平。熱風管直徑為30mm。
D-D截面圖示出了在第二層篦板下方與第一層相應的位置裝設熱風管。目的是鼓入少量空氣，燒掉少量煤粉，補充熱量。
第三層篦板下的裝置與第二層相同。
各熱風管的熱風流量可根據(jù)需要，分別進行控制。一般講，第三層篦板下的熱風可不用。
爐墻結構和篦板安裝方式見圖5。其中〔14〕是水冷支承梁，〔3〕是篦板，〔15〕是支承磚，〔16〕是鋼殼，〔17〕是珍珠巖絕熱層，〔18〕是加煤口，〔19〕是熱風管，〔20〕是粘土磚。
使用煤基直接還原豎爐的專用設備生產海綿鐵如以上方法所述的過程。
本發(fā)明的專用設備煤基直接還原豎爐其主要效果實現(xiàn)了長期以來在豎爐中不能以煤為還原劑生產海綿鐵，使海綿鐵的生產在以煤為還原劑的前提下不僅在回轉窯中能夠進行，且在豎爐中也能進行。
權利要求
1.一種包括預熱或氧化焙燒、還原、冷卻過程在內的豎爐還原生產海綿鐵的方法，其特征在于該方法是在專用的煤基直接還原豎爐中，以煤為還原劑，在900～1200℃的溫度條件下對球團礦進行直接還原。
2.如權利要求1所述的豎爐還原生產海綿鐵的方法，其特征在于該方法的還原過程是通過螺旋給料機在煤基還原豎爐還原段的第一層篦板下加入還原煤與球團礦混合，在加煤口的下方吹入一部分預熱空氣，燒掉一部分還原煤，在第二層和第三層篦板下方也吹入少量預熱空氣，燒掉自由空間中流化狀態(tài)下的粉煤。
3.如權利要求1、2所述的豎爐還原生產海綿鐵的方法，其特征在于為保證還原溫度，還可在第二、三層篦板下通過加裝的油燒嘴或煤氣燒嘴噴入油或煤氣及鼓入助燃風進行燃燒反應。
4.如權利要求1所述的豎爐還原生產海綿鐵的方法，其特征在于還原過程中可向幾層篦板下同時加煤，也可向一層篦板下加煤，另外幾層篦板下噴油和加助燃風。
5.一種包括有加料裝置、爐體、出料裝置的生產海綿鐵的豎爐，其特征在于該豎爐還原段的內壁上還裝有篦板。
6.如權利要求5所述的生產海綿鐵的豎爐，其特征在于該豎爐還原段內壁上的篦板有數(shù)層，每層篦板最少為2排，上、下交替安裝。
7.如權利要求5、6所述的生產海綿鐵的豎爐，其特征在于該豎爐還原段內壁上篦板安裝的角度取決于爐料的自然堆角和流動性，一般為30°-60°。
8.如權利要求5、7所述的生產海綿鐵的豎爐，其特征在于該豎爐還原段內壁上裝的篦板長度取決于對料柱透氣性及對篦板下空間的要求，而且要保證篦板具有足夠的強度，一般使篦板遠離爐墻的一端處于豎爐中心線附近，當篦板過長時，可分成兩段或多段安裝。
9.如權利要求8所述的生產海綿鐵的豎爐，其特征在于該豎爐還原段內壁上的篦板靠爐墻端是置于爐墻的支承磚上，其余則放在水冷支承梁上。
全文摘要
豎爐煤基直接還原海綿鐵的方法及設備，屬于鋼鐵冶金工藝方法及其專用設備。
文檔編號C21B13/02GK1080961SQ9211386
公開日1994年1月19日 申請日期1992年12月23日 優(yōu)先權日1992年12月23日
發(fā)明者李殷泰, 方覺, 董文獻 申請人:東北工學院