CN115558816B - 一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法与系统 - Google Patents
一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法和系统，涉及冶炼镍铬合金领域，本方法包括：预热处理：将矿热炉烟气引入装有废钢和高铬合金的预热窑，点燃燃烧矿热炉烟气，对废钢和高铬合金利用烟气进行预热处理；热熔化处理：将预热后的废钢和高铬合金运输到矿热炉，利用矿热炉炉渣显热对废钢和高铬合金进行热熔化；本发明能够利用矿热炉烟气化学能，减少能耗成本。
Description
技术领域
本发明属于冶炼镍铬合金领域，具体为一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法和系统。
背景技术
钢铁生产是现代工业的重要组成部分，每年需消耗大量能源，随着我国全社会资源循环利用体系的逐步完善和“双碳”工作的深入进行，废钢在钢铁冶炼行业使用比例逐年攀升，低耗、绿色及低成本的利用废钢资源冶炼不锈钢，有利于节约资源，促进资源可持续发展。矿热炉为钢铁冶炼提供母液，矿热炉烟气为还原性气体，烟气中的CO含量高达90％，具有较高的化学能，可将矿热炉烟气回收利用。
目前矿热炉烟气回收利用的主流技术为：矿热炉烟气通过风机经热风管道送至立磨车间与干燥窑车间，通过热交换的方式利用其显热干燥煤粉与红土镍矿，然后通过除尘与脱硫后排空。这种矿热炉烟气回收利用主要是利用烟气的高温，通过热交换的方式回收矿热炉烟气的显热，而未对其化学能有较好的利用，使得矿热炉烟气余热回收效率低，效果不佳。
在利用废钢进行冶炼前，一般先对废钢进行预热，进行预热的方法主要分为两类：利用电弧炉烟气显热以热交换的方式加热，使用燃料(如煤粉)通过燃烧产生化学能加热。废钢预热采用电弧炉烟气高温以热交换的方式加热废钢存在预热温度低、料层预热均匀性较差、料层上下区域温差大等缺点，进入电弧炉熔化期，电弧炉炉内热容有限，电耗成本控制难度大；而使用燃料加热则会增加能耗成本，同时喷吹燃料燃烧时又产生大量的废气，增加热量的损失和尾气处理的难度。
发明内容
针对上述问题，本发明首先提出了利用矿热炉烟气与炉渣显热预热的镍铬合金的冶炼方法，该方法能够利用矿热炉烟气化学能，减少能耗成本。
本发明还提出一种应用于上述冶炼方法的冶炼系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法，所述方法包括：
预热处理：将矿热炉烟气引入装有废钢和高铬合金的预热窑，点燃燃烧矿热炉烟气，对废钢和高铬合金利用烟气进行预热处理；
热熔化处理：将预热后的废钢和高铬合金运输到矿热炉，利用矿热炉炉渣显热对废钢和高铬合金进行热熔化。
充分利用矿热炉烟气的余热及其化学能，可以将废钢和高铬合金的温度，在进入矿热炉前加热到700～800摄氏度，以及预热后烟气密闭回流，防止二噁英的产生。
优选地，所述热熔化处理的矿热炉内还包括冶炼红土镍矿得到的铁水。
优选地，所述红土镍矿在进入矿热炉需进行干燥处理和焙烧预还原处理；
干燥处理和焙烧预还原处理有助于红土镍矿冶炼得到铁水，减少其他因素的影响。
优选地，所述预热处理前还包括对废钢和高铬合金进行破碎处理，废钢和高铬合金破碎粒度＜400mm；
有助于缩短废钢和高铬合金预热时间，还可以改善矿热炉炉料透气性。
优选地，所述预热处理中矿热炉烟气释放的热量为Q烟热，矿热炉烟气燃烧释放的热量为Q燃热，废钢和高铬合金预热吸收的热量为Q钢预热；所述热熔化处理中炉渣显热释放的热量为Q炉渣，废钢和高铬合金熔化吸收的热量为Q钢熔化；所述热量之间的关系符合：Q烟热+Q燃热+Q炉渣>Q钢预热+Q钢熔化。
优选地，所述矿热炉烟气为红土镍矿在矿热炉内冶炼产生的烟气；所述矿热炉烟气温度为900℃～1000℃；所述矿热炉烟气中85％～95％为CO。
优选地，所述废钢和高铬合金利用矿热炉烟气进行预热处理的温度为 700℃～800℃，预热时间为25min～30min。
优选地，所述炉渣由红土镍矿冶炼产生，所述炉渣含量占红土镍矿的65％～80％；所述炉渣温度为1550℃～1590℃。
一种应用于上述冶炼方法的冶炼系统，所述系统包括亚高速烧嘴和燃烧器，所述亚高速烧嘴和燃烧器安装在预热窑内，所述亚高速烧嘴向窑内喷吹矿热炉烟气；所述燃烧器燃烧预热窑内的矿热炉烟气。
亚高速烧嘴，有助于提高烟气中CO氧化效率，烟气与废钢的对流传热系数和增强矿热炉烟气余热回收效率。
优选地，所述系统还包括破碎机、上料输送单元、预热窑和矿热炉，所述上料输送单元包括第一上料输送单元和第二上料输送单元，第一上料输送单元连接破碎机和预热窑，第二上料输送单元连接预热窑和矿热炉。
综上所述，由于采用了上述技术方案，相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.在本发明中，充分利用矿热炉烟气的余热及其化学能，可以将废钢和高铬合金的温度，在进入矿热炉前加热到700～800摄氏度，减少能耗成本，以及预热后烟气密闭回流，防止二噁英的产生。
2.在本发明中，红土镍矿冶炼产生的炉渣温度1550～1590摄氏度，大量渣液热容把预热后废钢和高铬合金快速熔化，矿热炉炉渣的显热得以利用，减少能耗成本。
附图说明
图1是利用矿热炉烟气与炉渣显热预热的镍铬合金的冶炼方法的步骤图；
图2是利用矿热炉烟气与炉渣显热预热的镍铬合金的冶炼方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示中，本发明一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法，该方法包括：
红土镍矿在进入矿热炉进行干燥处理和焙烧预还原处理，干燥处理和焙烧预还原处理有助于红土镍矿冶炼得到铁水，减少其他因素的影响；
将进入预热窑之前的废钢和高铬合金进行破碎处理，废钢和高铬合金破碎粒度＜400mm；有助于缩短废钢和高铬合金预热时间，还可以改善矿热炉炉料透气性；
将红土镍矿在矿热炉冶炼产生的烟气引入装有废钢和高铬合金的预热窑，点燃燃烧矿热炉烟气，对废钢和高铬合金利用烟气进行预热处理；充分利用矿热炉烟气的余热及其化学能，可以将废钢和高铬合金的温度，在进入矿热炉前加热到 700～800摄氏度，减少能耗成本，以及预热后烟气密闭回流，防止二噁英的产生；
将预热后的废钢和高铬合金运输到矿热炉，利用矿热炉炉渣显热对废钢和高铬合金进行热熔化；红土镍矿冶炼产生的炉渣温度1550～1590摄氏度，大量渣液热容把预热后废钢和高铬合金快速熔化，矿热炉炉渣的显热得以利用，减少能耗成本。
将红土镍矿在矿热炉内冶炼得到的铁水与废钢和高铬合金热熔化液混合形成镍铬合金。
本发明中，矿热炉内冶炼产生的烟气温度为900℃～1000℃，例如可以是 900℃、920℃、940℃、960℃、980℃或1000℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；矿热炉烟气中85％～95％为CO，例如可以是85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％或95％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，废钢和高铬合金预热后的温度为700℃～800℃，例如可以是 700℃、720℃、740℃、760℃、780℃或800℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；预热时间为25min～30min，例如可以是25min、26min、27min、28min、29min或30min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，炉渣由红土镍矿冶炼产生，炉渣含量占红土镍矿的65％～80％，例如可以是65％、70％、75％或80％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；矿热炉内的炉渣温度为1550℃～1590℃，例如可以是1550℃、1560℃、1570℃、1580℃或1590℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，预热处理中矿热炉烟气释放的热量为Q烟热，矿热炉烟气燃烧释放的热量为Q燃热，废钢和高铬合金预热吸收的热量为Q钢预热；热熔化处理中炉渣显热释放的热量为Q炉渣，废钢和高铬合金熔化吸收的热量为Q钢熔化；热量之间的关系符合：Q烟热+Q燃热+Q炉渣>Q钢预热+Q钢熔化；
Q烟热＝V烟气×C烟气×(T烟气-T烟后)，式中V烟气为烟气的体积，C烟气为烟气比热容，T烟气为烟气温度，T烟后为烟气热交换后的温度；
Q燃热＝M烟气×ΔQCO，式中M烟气为烟气摩尔质量，ΔQCO为单位摩尔的烟气释放的热量；
Q炉渣＝M炉渣×C炉渣×ΔT炉温差，式中M炉渣为炉渣的质量，C炉渣为炉渣的比热容，ΔT炉温差为炉渣释放热量前后的温差；
Q钢预热＝M废钢×C废钢×(T钢预热-T钢常温)，式中M废钢为废钢和高铬合金的质量，C废钢为废钢和高铬合金的比热容，T钢预热为废钢和高铬合金预热后的温度， T钢常温为废钢和高铬合金常温下的温度；
Q钢熔化＝M废钢×[C废钢×(T钢熔化-T钢预热)+ΔQ废钢]，式中T钢熔化为废钢和高铬合金熔化的温度。
实施例1
红土镍矿冶炼1吨铁水，产生烟气的体积V烟气为1000m3，烟气比热容C烟气为1.42kJ/(m3·℃)，烟气温度T烟气取值为900℃，烟气热交换后的温度T烟后为 300℃，则Q烟气＝1000m3×1.42kJ/(m3·℃)×(900-300)℃＝852000kJ；
烟气中CO含量取值为85％，则烟气摩尔质量M烟气为8831mol，单位摩尔的烟气释放的热量ΔQCO为180.75J/mol，则Q燃热＝8831mol×180.75J/mol＝ 1596203kJ；
红土镍矿冶炼一吨铁水，产生炉渣的质量M炉渣为9t，炉渣的比热容C炉渣为 1.34kJ/(kg·℃)，炉渣释放热量前后的温差ΔT炉温差为50℃，则Q炉渣＝9t×1.34kJ/ (kg·℃)×50℃＝603000kJ；
废钢和高铬合金的质量M废钢为1t，废钢和高铬合金的比热容C废钢为0.45kJ/ (kg·℃)，废钢和高铬合金预热后的温度T钢预热取值为700℃，废钢和高铬合金常温下的温度T钢常温为25℃，则Q钢预热＝1t×0.45kJ/(kg·℃)×(700-25)℃＝ 303750kJ；
废钢和高铬合金熔化的温度T钢熔化为1450℃，则废钢和高铬合金的熔化热ΔQ废钢为269.55kJ/kg；废钢和高铬合金熔化吸收的热量Q钢熔化＝1t×[0.45kJ/ (kg·℃)×(1450-700)℃+269.55kJ/kg]＝607050kJ；
热量收入支出比较：
Q烟热+Q燃热+Q炉渣＝852000kJ+1596203kJ+603000kJ＝3051203kJ；
Q钢预热+Q钢熔化＝303750kJ+607050kJ＝910800kJ；
3051203kJ>910800kJ；
实施例2
红土镍矿冶炼1吨铁水，产生烟气的体积V烟气为1000m3，烟气比热容C烟气为1.42kJ/(m3·℃)，烟气温度T烟气取值为920℃，烟气热交换后的温度T烟后为 300℃，则Q烟气＝1000m3×1.42kJ/(m3·℃)×(920-300)℃＝880400kJ；
烟气中CO含量取值为86％，则烟气摩尔质量M烟气为8935mol，单位摩尔的烟气释放的热量ΔQCO为180.75J/mol，则Q燃热＝8935mol×180.75J/mol＝ 1615001kJ；
红土镍矿冶炼一吨铁水，产生炉渣的质量M炉渣为9t，炉渣的比热容C炉渣为 1.34kJ/(kg·℃)，炉渣释放热量前后的温差ΔT炉温差为50℃，则Q炉渣＝9t×1.34kJ/ (kg·℃)×50℃＝603000kJ；
废钢和高铬合金的质量M废钢为1t，废钢和高铬合金的比热容C废钢为0.45kJ/ (kg·℃)，废钢和高铬合金预热后的温度T钢预热取值为720℃，废钢和高铬合金常温下的温度T钢常温为25℃，则Q钢预热＝1t×0.45kJ/(kg·℃)×(720-25)℃＝ 312750kJ；
废钢和高铬合金熔化的温度T钢熔化为1450℃，则Q钢熔化＝1t×[0.45kJ/ (kg·℃)×(1450-720)℃+269.55kJ/kg]＝598050kJ；
热量收入支出比较：
Q烟热+Q燃热+Q炉渣＝880400kJ+1615001kJ+603000kJ＝3098401kJ；
Q钢预热+Q钢熔化＝312750kJ+598050kJ＝910800kJ；
3098401kJ>910800kJ
实施例3
红土镍矿冶炼1吨铁水，产生烟气的体积V烟气为1000m3，烟气比热容C烟气为1.42kJ/(m3·℃)，烟气温度T烟气取值为940℃，烟气热交换后的温度T烟后为 300℃，则Q烟气＝1000m3×1.42kJ/(m3·℃)×(940-300)℃＝908800kJ；
烟气的体积V烟气为1000m3，烟气中CO含量取值为87％，则烟气摩尔质量 M烟气为9039mol，单位摩尔的烟气释放的热量ΔQCO为180.75J/mol，则Q燃热＝ 9039mol×180.75J/mol＝1633799kJ；
红土镍矿冶炼一吨铁水，产生炉渣的质量M炉渣为9t，炉渣的比热容C炉渣为 1.34kJ/(kg·℃)，炉渣释放热量前后的温差ΔT炉温差为50℃，则Q炉渣＝9t×1.34kJ/ (kg·℃)×50℃＝603000kJ；
废钢和高铬合金的质量M废钢为1t，废钢和高铬合金的比热容C废钢为0.45kJ/ (kg·℃)，废钢和高铬合金预热后的温度T钢预热取值为740℃，废钢和高铬合金常温下的温度T钢常温为25℃，则Q钢预热＝1t×0.45kJ/(kg·℃)×(740-25)℃＝ 321750kJ；
废钢和高铬合金熔化的温度T钢熔化为1450℃，则Q钢熔化＝1t×[0.45kJ/ (kg·℃)×(1450-740)℃+269.55kJ/kg]＝589050kJ；
热量收入支出比较：
Q烟热+Q燃热+Q炉渣＝908800kJ+1633799kJ+603000kJ＝3145599kJ；
Q钢预热+Q钢熔化＝321750kJ+589050kJ＝910800kJ；
3145599kJ>910800kJ
实施例4
红土镍矿冶炼1吨铁水，产生烟气的体积V烟气为1000m3，烟气比热容C烟气为1.42kJ/(m3·℃)，烟气温度T烟气取值为980℃，烟气热交换后的温度T烟后为 300℃，则Q烟气＝1000m3×1.42kJ/(m3·℃)×(980-300)℃＝965600kJ；
烟气的体积V烟气为1000m3，烟气中CO含量取值为94％，则烟气摩尔质量 M烟气为9766mol，单位摩尔的烟气释放的热量ΔQCO为180.75J/mol，则Q燃热＝ 9766mol×180.75J/mol＝1765204kJ；
红土镍矿冶炼一吨铁水，产生炉渣的质量M炉渣为9t，炉渣的比热容C炉渣为 1.34kJ/(kg·℃)，炉渣释放热量前后的温差ΔT炉温差为50℃，则Q炉渣＝9t×1.34kJ/ (kg·℃)×50℃＝603000kJ；
废钢和高铬合金的质量M废钢为1t，废钢和高铬合金的比热容C废钢为0.45kJ/ (kg·℃)，废钢和高铬合金预热后的温度T钢预热取值为780℃，废钢和高铬合金常温下的温度T钢常温为25℃，则Q钢预热＝1t×0.45kJ/(kg·℃)×(780-25)℃＝ 339750kJ；
废钢和高铬合金熔化的温度T钢熔化为1450℃，则Q钢熔化＝1t×[0.45kJ/ (kg·℃)×(1450-780)℃+269.55kJ/kg]＝571050kJ；
热量收入支出比较：
Q烟热+Q燃热+Q炉渣＝965600kJ+1765204kJ+603000kJ＝3333804kJ；
Q钢预热+Q钢熔化＝339750kJ+571050kJ＝910800kJ；
3333804kJ>910800kJ
实施例5
红土镍矿冶炼1吨铁水，产生烟气的体积V烟气为1000m3，烟气比热容C烟气为1.42kJ/(m3·℃)，烟气温度T烟气取值为1000℃，烟气热交换后的温度T烟后为 300℃，则Q烟气＝1000m3×1.42kJ/(m3·℃)×(1000-300)℃＝994000kJ；
烟气的体积V烟气为1000m3，烟气中CO含量取值为95％，则烟气摩尔质量 M烟气为9870mol，单位摩尔的烟气释放的热量ΔQCO为180.75J/mol，则Q燃热＝ 9870mol×180.75J/mol＝1784002kJ；
红土镍矿冶炼一吨铁水，产生炉渣的质量M炉渣为9t，炉渣的比热容C炉渣为 1.34kJ/(kg·℃)，炉渣释放热量前后的温差ΔT炉温差为50℃，则Q炉渣＝9t×1.34kJ/ (kg·℃)×50℃＝603000kJ；
废钢和高铬合金的质量M废钢为1t，废钢和高铬合金的比热容C废钢为0.45kJ/ (kg·℃)，废钢和高铬合金预热后的温度T钢预热取值为800℃，废钢和高铬合金常温下的温度T钢常温为25℃，则Q钢预热＝1t×0.45kJ/(kg·℃)×(800-25)℃＝ 348750kJ；
废钢和高铬合金熔化的温度T钢熔化为1450℃，则Q钢熔化＝1t×[0.45kJ/ (kg·℃)×(1450-800)℃+269.55kJ/kg]＝562050kJ；
热量收入支出比较：
Q烟热+Q燃热+Q炉渣＝994000kJ+1784002kJ+603000kJ＝3381002kJ；
Q钢预热+Q钢熔化＝348750kJ+562050kJ＝910800kJ；
3381002kJ>910800kJ
实施例1至实施例5的数据列表1所示：
表1
结合实施例1至实施例5所述，冶炼一吨铁水产生的烟气总放热量与产生的炉渣放热量的和，均大于一吨废钢预热及熔化需要吸收的热量，故在不额外增加能耗的情况下，利用红土镍矿冶炼产生的烟气及炉渣热量加热熔化废钢是可行的，充分利用矿热炉烟气和矿热炉炉渣能减少能耗成本。
本发明中还提出一种应用于上述冶炼方法的冶炼系统，该系统包括亚高速烧嘴和燃烧器，亚高速烧嘴和燃烧器安装在预热窑内，亚高速烧嘴向窑内喷吹矿热炉烟气；燃烧器燃烧预热窑内的矿热炉烟气；亚高速烧嘴，有助于提高烟气中 CO氧化效率，烟气与废钢的对流传热系数和增强矿热炉烟气余热回收效率；系统还包括破碎机、上料输送单元、预热窑和矿热炉，上料输送单元包括第一上料输送单元和第二上料输送单元，第一上料输送单元连接破碎机和预热窑，第二上料输送单元连接预热窑和矿热炉。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法，其特征在于：所述方法包括：
预热处理：将矿热炉烟气引入装有废钢和高铬合金的预热窑，点燃燃烧矿热炉烟气，对废钢和高铬合金利用烟气进行预热处理；
所述矿热炉烟气为红土镍矿在矿热炉内冶炼产生的烟气；所述矿热炉烟气温度为900℃～1000℃；所述矿热炉烟气中85％～95％为CO；
热熔化处理：将预热后的废钢和高铬合金运输到矿热炉，利用矿热炉炉渣显热对废钢和高铬合金进行热熔化；
所述热熔化处理的矿热炉内还包括冶炼红土镍矿得到的铁水；
所述废钢和高铬合金利用矿热炉烟气进行预热处理的温度为700℃～800℃，预热时间为25min～30min；
所述炉渣由红土镍矿冶炼产生，所述炉渣含量占红土镍矿的65％～80％；所述炉渣温度为1550℃～1590℃；
所述预热处理中矿热炉烟气释放的热量为Q烟热，矿热炉烟气燃烧释放的热量为Q燃热，废钢和高铬合金预热吸收的热量为Q钢预热；所述热熔化处理中炉渣显热释放的热量为Q炉渣，废钢和高铬合金熔化吸收的热量为Q钢熔化；所述热量之间的关系符合：Q烟热+Q燃热+Q炉渣>Q钢预热+Q钢熔化。
2.根据权利要求1所述的一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法，其特征在于：所述红土镍矿在进入矿热炉需进行干燥处理和焙烧预还原处理。
3.根据权利要求1所述的一种利用矿热炉烟气与炉渣显热的镍铬合金的冶炼方法，其特征在于：所述预热处理前还包括对废钢和高铬合金进行破碎处理；废钢和高铬合金破碎粒度＜400mm。
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