一种有氧冶炼矿热炉及其有氧冶炼方法

摘要

本发明公开一种有氧冶炼矿热炉及其有氧冶炼方法。该炉包括炉体（1）、供料系统（2）、电极装置（3）、出料口、烟气除尘与煤气回收系统（5）、以及包括位于炉体（1）中部偏下的氧气分配器（41）的氧气分配系统（4）。该方法包括：将包含预还原矿和碳质还原剂的混合物料加入该矿热炉，电极装置（3）通电发热，一旦该矿热炉内有熔化的铁水或一旦炉内预定位置处物料的温度超过温度阈值在炉体（1）中部偏下处通入氧气，待铁水积累到预定量时，打开出料口排出铁水和熔渣。本发明通过向矿热炉内通入氧气，碳质还原剂与氧气的化合反应放热加热、熔化预还原矿中的金属化铁，既节省电能又加快反应速度，降低了预还原矿在矿热炉中补充还原的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种炼铁生产装置和生产工艺，尤其涉及一种有氧冶炼矿热 炉及其有氧冶炼方法。

背景技术

矿热炉冶炼方法是钢铁与有色金属冶炼的一种工艺方法，矿热炉技术的 核心是在密闭的炉体内采用碳素电极加热、碳质还原剂还原，矿热炉以炉盖 与炉体是否密闭分为密闭和半密闭矿热炉。矿热炉还原能力高于传统高炉炼 铁技术，同时生产成本也高于传统高炉炼铁技术，矿热炉生产产品是还原活 性介于高炉炼铁技术以上、金属硅以下的产品，比如各类铁合金：铬铁、钼 铁、锰铁、镍铁；各类含硅合金：硅铁、硅锰、硅铬、硅铝铁等；金属硅； 以及电石。

目前，矿热炉只有在特定条件下才作为生产铁水的设备使用，例如本申 请人在2012年1月5日提交的公开号为CN102559981A、名称为《气基熔融 还原炼铁方法和装置》的专利申请中，采用矿热炉作为气基还原的补充还原 设备。具体方案为TFe含量大于或等于62%的球团矿或块矿通过竖炉气基还 原后，得到还原度在85%左右的预还原球团矿或块矿，得到的原料采用常规 矿热炉还原方法进行补充还原，由于金属化铁含量高，补充还原的数量少， 需要消耗大量的电能用于已经金属化的铁的熔化，增加了冶炼成本。因为电 能作为熔化金属化铁的热能其成本远高于碳质还原剂氧化产生的化学能，即 效率远低于碳质还原剂氧化产生的化学能，所以这种气基熔融还原炼铁方法 和装置生产高还原度球团矿或块矿的方案不够合理。

发明内容

克服现有的矿热炉冶炼技术中碳质还原剂还原过程需要的热能全部来 源于碳素电极的发热，本发明要解决的技术问题是提供一种向矿热炉通入少 量氧气与系统过量的碳质还原剂反应释放的化学能替代电极的部分发热量 的有氧冶炼矿热炉及其有氧冶炼方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种有氧冶炼矿热炉包括炉体、从炉体外通到炉体内部的供料 系统、通过炉体上方的开口插入炉体内部用于加热的电极装置、用于排出铁 水与冶炼渣的出料口、用于排出烟气的烟气除尘与煤气回收系统、以及氧气 分配系统。其中，氧气分配系统包括位于炉体中部偏下处的氧气分配器。

对于上述有氧冶炼矿热炉，氧气分配器到炉底的距离是炉体内物料高度 的2/5-2.4/5。

对于上述有氧冶炼矿热炉，氧气分配器到炉底的距离为炉体内物料高度 的2.2/5。

对于上述有氧冶炼矿热炉，氧气分配系统还包括用于检测炉内预定位置 处物料温度的温度传感器、用于检测炉内是否有熔化的铁水出现的铁水检测 器、用于检测出料口开关状态的出料口状态传感器、以及分别与氧气分配器、 温度传感器、铁水检测器和出料口状态传感器相连的氧气分配控制器。

对于上述有氧冶炼矿热炉，氧气分配控制器用于在温度传感器发来的炉 内物料高度二分之一处的物料温度超过900℃或者得知铁水检测器检测到炉 内出现熔化的铁水时，启动氧气分配器向炉内通氧气。

对于上述有氧冶炼矿热炉，氧气分配器包括与矿热炉的竖直轴垂直的管 道、分布在管道上的多个出气口、以及分别设在各个出气口处的各个流量控 制喷嘴。

对于上述有氧冶炼矿热炉，供料系统包括按照进料顺序依次相连的料仓 组、仓下称量计量装置、胶带输送机、混合料仓、给料量控制装置、以及溜 管组。其中，溜管组设有闭锁装置。

另一方面，一种矿热炉的有氧冶炼方法包括：将包含预还原矿和碳质还 原剂的混合物料加入该矿热炉，该矿热炉的电极装置通电发热，当该矿热炉 内有熔化的铁水或者炉内物料高度二分之一处的物料温度超过900℃时在炉 体中部偏下处通入氧气，随还原反应的进行铁水积累到预定量时，打开出料 口排出铁水和熔渣。

对于上述有氧冶炼方法，氧气通入位置到炉底的距离是炉体内物料高度 的2/5-2.4/5。

对于上述有氧冶炼方法，氧气通入位置到炉底的距离为炉体内物料高度 的2.2/5。

对于上述有氧冶炼方法，包含预还原矿和碳质还原剂的混合物料还包含 石灰。

对于上述有氧冶炼方法，预还原矿与碳质还原剂及石灰按重量比1： 0.10-0.15：0.05-0.15混合均匀。

对于上述有氧冶炼方法，预还原矿与碳质还原剂及石灰按重量比为1： 0.13：0.1混合均匀。

对于上述有氧冶炼方法，氧气通入量为碳质还原剂加入量的五分之一到 四分之一化学当量。

对于上述有氧冶炼方法，预还原矿是TFe含量大于或等于62%的球团矿 或块矿通过竖炉气基还原后，还原度在85%左右的球团矿或块矿。

对于上述有氧冶炼方法，预还原矿在矿热炉中停留时间为1.5至2.5小 时。

对于上述有氧冶炼方法，预还原矿在矿热炉中停留时间为2小时。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

1.本发明针对竖炉气基还原产物——预还原矿在矿热炉中的补充还原 工艺做了改进，由于预还原矿中铁的氧化物含量低，补充还原反应和预还原 矿中金属化铁的熔化都主要依靠电极发热导致生产成本增加，本发明通过向 矿热炉内通入氧气，依靠碳质还原剂与氧气的化合反应放热加热、熔化预还 原矿中的金属化铁，既减少了电能消耗，又加快了反应速度，降低了预还原 矿在矿热炉中补充还原的成本，提高了现有矿热炉的实用性；

2.采用TFe含量大于或等于62%的球团矿或块矿通过竖炉气基还原后， 还原度在85%左右的预还原球团矿或块矿，该原料易得，且成本低廉。

附图说明

图1是本发明一个实施例所述的有氧冶炼矿热炉的组成结构示意图。

附图标记说明：

1——炉体；

2——供料系统；

21——料仓组；

22——仓下称量计量装置；

23——胶带输送机；

24——混合料仓；

25——给料量控制装置；

26——溜管组；

3——电极装置；

4——氧气分配系统；

41——氧气分配器

5——烟气除尘与煤气回收系统

51——烟气导出管

52——烟气导出孔

具体实施方式

图1是本发明一个实施例所述的有氧冶炼矿热炉的组成结构示意图。该 实施例的有氧冶炼矿热炉为密闭式还原电炉，包括炉体1、从炉体外通到炉 体内部的供料系统2、通过炉体上方的开口插入炉体内部用于加热的电极装 置3、用于排出铁水与冶炼渣的出料口、用于排出烟气的烟气除尘与煤气回 收系统5、以及氧气分配系统4。其中，氧气分配系统4包括位于炉体1中 部偏下处的氧气分配器41、用于检测炉内预定位置处物料温度的温度传感 器、用于检测炉内是否有熔化的铁水出现的铁水检测器、用于检测出料口开 关状态的出料口状态传感器、以及分别与氧气分配器41、温度传感器、铁水 检测器和出料口状态传感器相连的氧气分配控制器。

炉体1优选为圆柱形，内砌隔热材料和耐火材料，形成用于盛装炉料和 进行冶炼合金的炉膛，在炉膛底部与炉底平齐处设有出料口。

供料系统2的作用是盛装车间外送来的炉料，包括按照进料顺序依次相 连的料仓组21、仓下称量计量装置22、胶带输送机23、混合料仓24、给料 量控制装置25、以及溜管组26。料仓组21中各料仓内的物料分别通过相应 的仓下称量计量装置22称量后，经胶带输送机23给料至混合料仓24，再经 给料量控制装置25给至溜管组26，通过溜管组26将混合料加到炉体1内。 其中，仓下称量计量装置22是给料量的显示装置，比如电子称；给料量控 制装置25调节给料量，在仓下称量计量装置22显示调节结果，该调节结果 间接反映给料量的多少，并将物料给出，仓下称量计量装置22的称量精度 要求在3%以内。溜管组26具有自动分配给料和切换功能，及时准确地将所 需物料加入矿热炉内相应位置。溜管组26上设有闭锁装置，用于进一步提 高炉子的密封性，在非给料状态，溜管组26上的闭锁装置闭锁，防止冶炼 尾气溢出。

电极装置3的作用是将来自变压器的电流送到炉料内产生电热，为冶炼 提供必要的热量。电极装置3包括碳素电极、电极压放装置、升降装置以及 把持装置。其中，电极装置3优选包括三个碳素电极。电极装置3通过短网 母线连接到变压器上，来自变压器的电流输送到电极装置3上。短网母线包 括铜管和挠性电缆。

烟气除尘与煤气回收系统5包括烟气导出孔52和安装在烟气导出孔中 的烟气导出管51。烟气导出管51的作用是将矿热炉内产生的烟气排到炉外， 优选为圆柱形水冷结构。

氧气分配器41设在炉体1中部偏下处，优选为氧气分配器4到炉底的 距离是炉体1内物料高度的2/5～2.4/5，更优选的是氧气分配器4到炉底的距 离为炉体1内物料高度的2.2/5。氧气分配器41包括与炉体1的竖直轴垂直 的管道、分布在管道上的多个出气口、以及分别设在各个出气口处的各个流 量控制喷嘴。氧气分配控制器接收温度传感器检测到的炉内预定位置处物料 的温度数据并与预定的温度阈值作比较，而且不断检测是否有来自铁水检测 器发现铁水的通知信号，同时接收出料口状态检测器检测到的出料口状态数 据。优选地，该预定的温度阈值为900℃，一旦温度传感器发来的炉内物料 高度二分之一处的物料温度超过900℃或者一旦得知铁水检测器检测到炉内 出现熔化的铁水，氧气分配控制器就启动氧气分配器41向炉内通氧气。当 检测到的出料口状态为打开时氧气分配控制器关闭氧气分配器41。流量控制 喷嘴在氧气分配控制器的控制下实时在线控制氧气加入量。

该实施例的有氧冶炼矿热炉还包括用于封闭炉体1上方的开口的炉盖， 炉盖的作用是收集冶炼产生的烟气。炉盖优选为截锥形，下端口与炉体1连 接，上部用钢结构盖板封顶。优选地，炉盖上设有三个电极孔、两个烟气导 出孔及若干防爆孔。

该实施例的有氧冶炼矿热炉还包括用于驱动电极装置3所包括的电极压 放装置、升降装置以及把持装置移动的液压系统，是电极压放、电极升降、 电极把持的动力源。该液压系统包括泵站、阀站和管路。

该实施例的有氧冶炼矿热炉还包括冷却部件以及将冷水总管的冷却水 分配到冷却部件并汇集来自冷却部件的回水的冷却介质循环系统。该冷却介 质循环系统包括分水器、回水槽和管路。

本发明的有氧冶炼矿热炉的冶炼原理是通过电热加热并熔化炉料，预还 原矿（直接还原铁）和碳质还原剂通过供料系统2形成混合料并输送至矿热 炉的炉体1内。这时矿热炉的电极装置3通电发热，用碳质还原剂还原矿中 的金属氧化物，待矿热炉内出现熔化的铁水或者炉内物料高度二分之一处的 物料温度超过900℃时经氧气分配器41通入氧气。形成的液态金属和炉渣由 于比重不同自然分层，随着冶炼过程的进行，液态金属在炉底聚集，炉渣浮 在金属层上面。当金属在炉内聚集到一定量时，打开出料口，液态金属和炉 渣排出炉外。利用碳质还原剂氧化释放的化学能替代电极装置3的部分发热 量，减少电能消耗，加快反应速度。

下面，描述本发明一个实施例所述的矿热炉有氧冶炼方法的工艺流程。 该矿热炉有氧冶炼方法主要包括如下步骤：

步骤1，原料准备：准备预还原矿、碳质还原剂及冶炼所需的其他原料；

步骤2，启动与有氧冶炼：将上述各种原料按计量加入矿热炉，启动矿 热炉的烟气除尘与煤气回收系统5使炉内保持微负压状态，电极装置3通电 发热，待矿热炉内出现熔化的铁水或者炉内物料高度二分之一处的物料温度 超过900℃时通入氧气；

步骤3，出铁与排渣：随还原反应的进行，间隔一定时间待铁水积累预 定量，打开出料口排出铁水和熔渣。

优选地，在步骤2中，所述预还原矿进行还原之前，应与碳质还原剂、 石灰混合均匀。其中，预还原矿优选为TFe含量大于或等于62%的球团矿或 块矿通过竖炉气基还原后，还原度在85%左右的预还原球团矿或块矿，预还 原球团矿或块矿的典型成分为金属铁69.56%、氧化铁（以Fe₂O₃计）17.55%、 以及脉石等12.89%，TFe表示总铁量，即金属铁与氧化铁中铁的合量。碳质 还原剂优选为兰炭或焦粉。石灰有助于熔渣的形成。在矿热炉内，按照重量 比计算，所述预还原矿（直接还原铁）与碳质还原剂及石灰的加入比例为1： 0.10-0.15：0.05-0.15，优选为1：0.13：0.1。

氧气通入位置在矿热炉炉体1的中部偏下，优选为氧气通入位置到炉底 的距离是炉体1内物料高度的2/5-2.4/5，更优选的是氧气通入位置到炉底的 距离为炉体1物料高度的2.2/5。通过密闭管道在矿热炉炉体1的中部偏下位 置通入的氧气与该位置以上的混合料反应放出大量热能，这些热能提高了炉 料温度促进金属化铁的熔化，生成的气体（一氧化碳与二氧化碳）从矿热炉 顶部的烟气除尘与煤气回收系统5排出，熔化的铁向下流动在矿热炉下部形 成熔池，预还原矿中留存的铁氧化物的一部分在矿热炉上部通过气相还原完 成还原反应，大部分是在矿热炉下部通过在熔池的熔融还原完成还原反应。 因为氧气只与通入位置以上的炉料、下部产生的一氧化碳发生反应，所以避 免了氧气与熔化的铁水接触引起铁的氧化。严格控制氧气多点小流量方式通 入，避免氧气反应区反应激烈引起的急剧发热不能快速扩散的危险。小流量 多点通入密闭矿热炉的氧气与矿热炉内已经受热且温度达到900℃以上的碳 质还原剂迅速反应放出大量热，减少对电极装置3发热的需求。通入的氧气 可以是工业氧气，也可以是富氧空气或空气，优选工业氧气。氧气的通入量 约为碳质还原剂加入量的五分之一到四分之一化学当量（以生成一氧化碳 计）。

预还原矿在矿热炉内自上而下运动，在矿热炉炉底的出料口排出铁水和 熔渣。还原过程产生的副产煤气在矿热炉中自下而上运动，成为还原尾气， 从矿热炉顶部的烟气除尘与煤气回收系统5排出，该还原尾气经过净化除尘 等处理后送其他用户使用。矿热炉内的电极通电发热，以及氧气与混合料反 应放出的热能，熔化上述混合物炉料中的金属化铁，熔化的铁向下流动在矿 热炉下部形成熔池，碳质还原剂还原剩余的氧化铁，形成的液态金属和炉渣 由于比重不同自然分层。随着冶炼过程的进行，液态金属在炉底聚集，炉渣 浮在金属层上面。上述还原过程产生的液态金属和液态金属上悬浮的炉渣在 炉内聚集到一定量时，打开出料口，液态金属和炉渣一并排出矿热炉。在矿 热炉外用钢水包接收排出的铁水和熔渣，接收至满时关闭出料口，继续冶炼， 同时采用常规扒渣除渣方法处理后得到的铁水送入下一道工序，例如送电炉 （或转炉）炼钢。

该实施例的矿热炉有氧冶炼方法，所述预还原矿在矿热炉中停留时间为 1.5至2.5小时，优选2小时。

通过下面的实例进一步说明本发明的有氧冶炼矿热炉及其有氧冶炼方 法的具体方案和实际生产时所具有的优势。

实例1

本实施例所用原料为预还原球团矿，其化学成分如表1所示

表1：预还原球团矿的化学成分（表中数值的单位均为重量百分比）

名称 TFe 金属铁 Fe₂O₃脉石 含量/% 81.85 69.56 17.55 12.89

本实例所用氧气为普通工业氧气，气体纯度为99%。

矿热炉有氧冶炼的工艺条件如下：

配成的混合料包括预还原球团矿（kg）：兰碳（kg）：活性石灰（kg） =1：0.10-0.15：0.05-0.15，优选为1：0.13：0.1；

矿热炉选取27000kVA矿热炉生产线；矿热炉炉型为直径12000mm、 高度5500mm；混合料加入速度250吨/小时至300吨/小时，优选275吨/小 时；氧气通入量为2500m³/小时至3500m³/小时，优选3000m³/小时；氧气通 入位置距炉底2000mm至2400mm，优选为2200mm。

将上述混合料加入矿热炉，至料位高度达到3.3米以上时通电加热，并 继续加入物料至物料加满，停止加料继续通电加热，大约通电8小时后，有 液相金属铁生成，此时通入氧气，氧气流量3000m³/小时，还原过程和液相 金属铁生成过程加速。液态金属和液态金属上悬浮的炉渣在炉内聚集到一定 量时，打开出料口，同时关闭氧气，液态金属和炉渣一并排出矿热炉外，炉 面物料下降。关闭出料口之后，恢复物料加入至常态即混合料加入速度250 吨至300吨/小时，优选275吨/小时。当液态金属和液态金属上悬浮的炉渣 在炉内聚集到一定量时，再次打开出料口，液态金属和炉渣一并排出矿热炉 外。在炉外用扒渣除渣后得铁水。所得铁水送电炉（或转炉）炼钢。此后进 入常态冶炼，如果炉内温度过高，可以采用间断通电的方式控制炉内温度。 在相同的生产条件下，生产相同重量钢水的情况下，本发明的矿热炉与现有 的电热炉相比耗电量大大减少。