TW579391B - Process for the production of liquid smelting iron in an electric furnace - Google Patents

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579391 A7 五、發明說明（I ) 本發明係有關於一種於電爐中生產液態熔煉鐵的方法 0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在過去多年來已花費相當多的努力在發展還原/冶煉的 方法，以取代鼓風爐來生產液態熔煉鐵，特別是對於少量 產能的機構，並避免材料的製備，換言之，直接使用粉礦 和木炭。此類型的方法引人注目，因爲在基本上’相關之 昂貴設備的投資，如生產焦炭之設備及使礦石結塊的設備 均可省略。 直接還原方法（不需經由液態）使用木炭爲還原劑是 最經濟的，特別是對於沒有天然氣源的國家。然而，這些 方法的缺點是它們所生產的預還原鐵礦具有高的硫含量（ 0.3-0.6 wt·%硫）。 -線· 在這些方法中，那些使用微粒狀礦石（流體床或多重 爐床爐子技術）特別令人感興趣，因爲它們包含最少麻煩 的礦石形式。顆粒狀的預還原鐵礦亦可以粉狀的型態獲得 ’毫無困難的用於電子爐來生產鋼，使用冷或低溫（<3〇〇 °C )鼓風注入製程。 但大量使用此類型的預還原鐵礦顆粒以電爐來生產鋼 有兩個問題：一爲其引進大量的硫，且於電爐生產鋼之氧 化冶金環境下無法被消除；另一爲降低電爐的產率，因爲 它們從冷的環境下還原-冶煉，較從最初的原料（廢鐵^ 消耗更多的能量。這導致能源的過度耗損，其結果就曰 率的降低。 ， Ρ ’、疋產 這些缺點可用生產熔煉鐵取代鋼來加以避免。 畢*貫上 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 579391 A7 __ B7 _____ 五、發明說明（>) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，在大約1000°C下藉由從還原爐將預還原鐵礦顆粒（預還 原粉末）直接導入電爐來生產熔煉鐵，可將硫除去。且預 還原鐵礦顆粒於lOOOt下導入爐內可大量降低冶煉所需之 能量。熔煉鐵的生產需要還原介質來降低硫的含量將近90 %。藉由製造適合的礦渣，可獲得硫含量爲0.03-0.06%的 熔煉鐵，其爲達到標準等級的熔煉鐵，可使用於所有熔煉 鐵之傳統用途，特別是可用於當作以電爐生產純鐵之用。 所有的缺點都是正確的，特別是浪費在粉礦型式的還 原處理上，其總是使得預還原鐵礦含有很高的硫含量。在 後續的敘述中，“金屬粉礦”意謂著所有含部份氧化金屬 鐵之型式的產物。金屬粉礦代表鐵礦顆粒、所有型式之含 有部份氧化鐵之廢棄顆粒及特別是鼓風爐和電爐過濾器中 之粉狀顆粒、硏磨成片狀或顆粒狀（再加熱或滾軋所形成 之氧化鐵）、滾軋或機械加工的屑等等。 -線. 本型式用來生產熔煉鐵的細金屬顆粒之冶煉是在傳統 的電阻加熱熔渣爐中完成，其亦被誤稱爲潛弧爐（SAF) 。通常將粉礦藉由重力來導入此種型式的冷電爐。，然而 此種型式的電爐有功率上的限制。事實上，潛弧爐（SAF )之功率密度（表示爲MW/m2)較非電弧爐低約五分之一 。爲了獲得相當的產能水準，必須使用具有較一座電弧爐 的直徑大兩倍的潛弧爐。 除此之外，在電弧爐中，非噴射細分材料的冶煉導致 形成堆積，通常稱爲內襯（linings)或狹道（berms),並 粘附在爐壁上。本現象亦會發生在細的磨碎廢料、車製、 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） " - 579391 A7 ----—----- B7 _ 五、發明說明（巧） 碾磨上等等。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 過度使用這些材料會阻塞部份容器（vessel)的容積， 將阻礙正確的導引廢金屬，且操作者必須定期的將爐子適 當地過度加熱來完成清除熔煉鐵，此即爲能量產量損失的 原因°因此’若以重力方式將預還原金屬粉礦導入電爐， 而不需採取任何預防措施，則無可避免的將加速形成內襯 〇 丨線· 在正常操作電弧爐的情況下，使用泡沬化的熔渣。在 傳統廢金屬的冶煉中，泡沬化的熔渣的獲得是同時將碳及 氧氣以鼓風吹入’以於熔渣中形成一氧化碳氣體。當使用 的預還原材料富含碳（>2%碳）時，泡沬化的熔渣將自發 的形成’因爲預還原鐵礦同時提供氧氣及碳。而泡沬化的 熔渣具有低密度及隔絕熱的特性，其變成一種防止預還原 粉礦溶解的障礙物。預還原粉礦掉入熔渣中並快速聚集， 形成一個固體塊，因爲它不很緻密，並使內襯於牆壁形成 ，造成冶煉難以進行。 爲生產熔煉鐵，必需使用碳。碳可單獨投入，但較佳 的方法（以較經濟的方式）爲製造含有過量碳的預還原鐵 礦。過量的碳可以低的比率與鐵結合。然而，當生產含有 5-10%碳之預還原粉礦來製造熔煉鐵時，此碳將與自由碳 的顆粒相一致。不幸地，自由碳很難導入金屬中，除非它 被注射入熔融液中。事實上，無電弧爐（不像潛弧爐，其 實際的功能並非電弧，而是電阻加熱）在一個主要爲氧化 的氣氛中操作，其中碳的氧化將非常快速。若無採用特別 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚^ "〜 579391 A7 __B7_____ 五、發明說明（(|> ) 的預防措施，該未注射入的碳大部份將於瓦斯中消失，那 麼金屬將變得缺乏碳，而因此得到鋼。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一個最佳化方法的優點在於從顆粒狀之預還原金屬粉 礦直接於電爐中生產熔煉鐵。 本發明的目的在於提出一個生產熔煉鐵的最佳化方法 Ο 依據本發明，該目的的達成是於電弧爐中生產液態熔 煉鐵，該電弧爐包括電極、配備一個爐床及包含一個由非 泡沫化之液態熔渣所覆蓋之底部（HEEL)。本方法包含下 列階段： a) 還原金屬粉礦，以形成包含過量自由碳之預還原金 屬粉礦。 b) 在惰性氣體的保護下，將預還原金屬粉礦之熱轉換 導入含有底部之電弧爐中。 _線· c) 以氣體攪動底部，此種方法可避免於表面形成硬殻 〇 d) 於電弧爐中將預還原金屬粉礦予以熔煉，以獲得液 態熔煉鐵。 該方法若用於非電弧爐則變爲一種很特殊的方法，包 括導入熱的預還原金屬粉礦（較佳爲直接在還原爐出口， 換言之，在溫度大於500°C下，及在一個特別的較佳實施 例中，其溫度介於800和1000°C之間），及在熔煉鐵的底 部覆蓋一層非泡沬狀的液態熔渣下實施。底部可以經由爐 床，以一個或多個長矛（lances)注入中性氣體（如氮氣、 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 579391 A7 ____B7_____— 一 f 五、發明說明（f ) 氬氣）及/或藉由注入含有氧氣的氣體來攪動。 很激烈的攪動可使金屬+熔渣熔液的溫度分布均勻’ 及更新熔渣層的表面，因此使其保持過熱並全部液化，並 有能力吸收預還原金屬粉礦而不會有固體化和形成不具滲 透性的硬殼層。 在本案例中，底部以中性或惰性氣體經由電弧爐爐床 予以攪拌，在已提出之方法中，惰性氣體流速較佳爲介於 50公升/分鐘公噸（升每分鐘每公噸於熔煉液中之液態金屬 )及150公升/分鐘公噸之間。在本發明之一特別較佳具體 實施例中，攪動速率爲介於80及120公升/分鐘公噸之間 。這些速率必須視底部的高度及注入點的數量與位置來調 整。在使用電弧爐的正常慣例中不需高的攪動速率。事實 上，以電弧爐生產鋼的傳統方法其範圍位於1至10公升/ 分鐘公噸，其僅用來使熔融液均質化及使冶金的結果及溫 度均勻。 爲保証攪動的最佳效能，金屬的底部必需有某一最小 高度，較佳的高度爲至少0.3公尺，以確保金屬熔融液活 潑的攪動。顯然地，底部最小的高度是隨著電弧爐的構造 及氣體注入裝置的位置（較佳爲多孔磚或偶數的噴嘴數） 而改變。 在本發明一特別的較佳具體實施例中，使用來注入攪 動氣體的裝置，安裝於近電弧爐爐床外側邊緣，換句話說 ，相對於熔融液底部的橫向位置。以如此的方式配置，殘 留或有向爐壁集結傾向之預還原金屬粉礦顆粒將被帶往最 _____8___ 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一aj- i線 579391 A7 __B7 _ 五、發明說明（k ) 熱、位於電極之間的中心位置。 底部的攪動以經由電弧爐爐床注入惰性氣體，或藉由 一個或多個注入口來注入含有氧氣的氣體來達成均可。使 用一種穿透的噴嘴將含有氧氣的氣體注入底部（在此之後 稱爲“主要的氧氣” （primary oxygen))，與含於熔煉鐵 中的碳反應而形成一氧化碳氣體氣泡。一氧化碳於液態金 屬中釋出而形成擾流，使得底部與熔渣的攪動更激烈。 當預還原金屬粉礦掉入爐內時，爲保護預還原金屬粉 礦，以惰性氣體的簾幕將其包覆，較適當氣體爲氮氣或氬 氣。惰性氣體的簾幕較佳爲具有環狀的形狀，其可在粉礦 到達熔渣層與底部之前，將分別被爐子進氣橫向衝走之顆 粒及預還原金屬粉礦的再氧化之可能性降至最低。較常用 來形成保護簾幕的氮氣較佳流量大約爲50 Nm3/h至200 Nm3/h，在60至100%之水準下用來保護傳輸速率大約爲 10至60 t/h之含有大約50%金屬化鐵之預還原金屬粉礦。 由這些値得到適當的成果決定於幾個因素，如爐子的構形 、粉礦掉入的高度及電弧爐中的擾流等等。 預還原金屬粉礦之較佳傳輸是在電弧爐位於電極之間 之中心區域完成。 依本發明之較佳實施例，木炭的較佳直徑爲2至20公 厘，在投入電弧爐之前，與完全還原之金屬粉礦混合。木 炭量的使用決定於預還原金屬粉礦中碳的含量。過剩的量 介於7至15%之間，較佳大約爲10%碳。以此方法，可獲 得含有3-3.5%碳、0.01-0.05%矽及0.03-0.06%硫的熔煉鐵 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨裝 -線· 579391 A7 --___Β7__ _ 五、發明說明) ，其決定於木炭中之硫含量。 依據本發明其它較佳具體實施例，階段a)包含下列 步驟： al)金屬粉礦導入一個多重爐床的爐子，其包含數個 重疊的爐床，將其置於多重爐床之上面爐床， a2)金屬粉礦漸漸地導入較低之爐床， a3)將足夠量之碳還原劑導入一個或多個較低之爐床 來還原金屬粉礦，並保証有過量的自由碳。 a4)當加入之金屬粉礦與碳還原劑接觸後，將多重爐 床之爐子加熱以還原金屬粉礦，並藉由碳還原劑在適當的 溫度下產生氣體。 a5)藉由碳還原劑所產生之過量氣體在多重爐床中燃 燒，而產生的熱用來乾燥或預熱金屬粉礦。。 依據本發明另一較佳具體實施例，熔渣形成劑在階段 a)及/或階段b)時同時加入。這些較佳的熔渣形成劑是從 包含石灰、助熔石及氧化鎂的群組中選擇，與其之混合物 相同。 在階段a)後期之過量碳的含量介於7%至15%間是 有益的，較佳大約爲10%。 固體的碳還原劑係選自於木炭或液態或固態石油產物 。包含於碳還原劑之揮發性部份及部份的硫於多重爐床之 爐子內部時均會被消除。 部份的過量碳在階段d)期間會被消耗。 除此之外，過量自由碳於還原反應終止時可用來使熔 10 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂·· ;線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 579391 A7 ___B7_ 五、發明說明（^) 煉鐵滲碳。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 依據本發明其它觀點，假如電弧能量由電弧電壓所限 制，係由於可獲得之“浸入”電弧的長度的緣故，電弧爐 的產能則可增加。 以自發性的方式輸入空氣進入電弧爐中，取代讓其“ 無用的燃燒”，並冒著金屬粉礦固體化並形成一個無法穿 透的硬殼的風險，從預還原金屬粉礦中使用過量的碳來得 到最大的能量效益，以增加電弧爐的產能是有益的。 明顯地，若某人欲增加電弧爐每小時熔煉鐵之產能， 就必須增加金屬粉礦導入電弧爐中之流動速率。而增加金 屬粉礦之流動速率亦同時增加形成硬殼的風險。 -線. 本目的是要藉由一種於上述電弧爐中生產液態熔煉鐵 方法來達到，其中包含一個或多個後燃燒矛（post-combustion lances)，其可附加一個或多個主要的氧氣注入 口-由燃燒器和及的上電弧的能源所組成。這些注射器傳 送後燃燒氣體噴出物，在一特別較佳具體實施例中，較佳 介於電極圓（circle of electrodes)上之（“電極節圓”） (“electrode pitch circle”)電弧之間。 以如此的方式配置後燃燒氣體噴出物的好處是，可將 熔渣推向電弧爐介於電極間的中心部份。其可以明顯的方 式來強化熔渣的攪動，並可使得過熱熔渣於接收金屬粉礦 的區域長久地維持劇烈攪動。在此區域過熱熔渣的高擾流 使得金屬粉礦的流動速率增加，而不會冒著形成硬殼的危 險。事實上，沒有後燃燒氣體的噴入，熔渣擾動的產生直 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ' 579391 A7 ____B7___ 五、發明說明) 接由藉由中性氣體經由電弧爐的爐床噴入底部，及或經由 一個或數個注射器將主要的氧氣噴入底部來造成擾動。事 實上將後燃燒氣體直接噴入熔渣層中，使得熔渣在電弧爐 中移動更易控制及定位，加速金屬粉礦的熔融，並使得未 熔融金屬粉礦黏附在爐壁上的危險降至最低。 本方法的另一個優點是兩個反應器操作的最適化。事 實上，包含過量自由碳之預還原熔融鐵的生產增加還原速 率及增加金屬化的水準。 爲了獲得過量自由碳，必需於還原階段添加適量的碳 還原劑。 過量自由碳在預還原鐵礦的另一優點在於還原反應器 的還原爐床中，其溫度非常高，因此，碳還原劑（碰巧是 木炭）被除去大部份的揮發性物質及硫。其証明在冶煉期 間，去除揮發物質的木炭比未去除揮發木炭更容易溶解於 鐵熔融液中。除此之外，當碳還原劑在還原反應器內部處 於高溫狀態時，硫的含量可大量降低。顯然在預還原鐵礦 顆粒熔融的期間，可用焦碳取代木炭以獲得較佳之碳溶解 度。然而，使用焦碳取代木炭將增加生產成本，而且無法 解決硫的問題。焦碳不包含揮發物質；然而，其包含大約 與木炭使用於生產時等量的硫。 過量的碳在融煉爐燒光，於顆粒熔煉期間可節省電能 0 碳還原劑僅可添加於多爐床爐子的上爐床，使得可使 用氣體殘餘的熱來烘乾及預熱顆粒或鐵礦，並完全燃燒一 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨裝 訂· -線· 579391 A7 ____B7___ 五、發明說明（p) 氧化碳。並不需要一個分離的後燃燒階段，而且這些上爐 床的溫度愈高，則可降低自由碳中更多的硫。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於本發明中未預期的優點，並未置於並列的兩個已知 方法’而是兩個方法的相互影響。 本發明其它特殊觀點及特性從下列具體實施例的優點 描述中將變得更爲淸晰，例如，在參考附錄中的略圖。其 顯不： 圖1 :依據本發明第一具體實施例生產液態熔融鐵之 電弧爐之剖面圖。 圖2:依據本發明第二具體實施例生產液態熔融鐵之 電弧爐之剖面圖。 圖3 :圖2電弧爐之平面。 圖1顯示依據本發明之第一具體實施例生產液態熔融 鐵之電弧爐之剖面示意圖。 其顯示一個電弧爐（10)包括一個容器（12)，以（ 14)覆蓋，穿過三個電極（16)。這些電極（16)，可產 生大約二十公分長的電弧及每一個功率大約爲4 MW。於 三個電極的中間（16)安裝一個裝置（18)，用來輸入預 還原金屬粉礦。該裝置（18) —方面包括一個導槽，將金 屬粉礦導入爐子（12)，另一方面，一個噴入噴嘴形成氮 氣簾幕（20)，當預還原金屬粉礦掉入爐子中時包覆在其 周圍。 預還原金屬粉礦的衝擊點(impact point)介於三個電極 (16)之間，換言之，在電弧爐（12)的最熱點。在衝擊 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 579391 A7 ____B7 _ 五、發明說明q1 ) 非泡沬化熔渣（22)的瞬間浮在液態熔融液上，預還原粉 礦立刻聚集並快速熔化。 容器（12)的爐床（26)裝配數塊多孔性的磚塊（28 )，高速流動的攪動氣體（30)由此通過。藉由氣體（30 )的噴入製造擾流，穿透液態熔融液（24)，防止預還原 金屬粉礦結塊或形成硬殼。 圖2顯示依據本發明之第二具體實施例生產液態熔融 鐵之電弧爐之剖面圖。圖三爲該電弧爐之平面。 配有中心重力添料之本電弧爐（10’）安裝有三個後燃 燒矛（32)，附加三個主要的氧氣噴嘴（32，），介於電弧 (33)間，在電極圓上（“電極節圓”）組成一個具有功 率相當於電弧的燃燒器。來自於噴射器（32’）之主要氧氣 的噴出（34)是穿透噴流’且位於底部（24)。當氧氣穿 MS、液態金屬，氧氣和包含於熔融液中之碳反應，並釋放 碳氣體。一氧化碳的釋放於底部及漂浮之熔渣層產 生相當大的擾流。 胃/個後燃燒矛（32)噴出後燃燒氧氣的噴流（36) ，或二次氧氣進入熔渣層（22)。這些二次氧氣的噴流（ 36)較弱並且要的氧氣^賁流（34) &穿透力弱’丨吏得1 $自@部（24)之一氧化碳隨著主要的氧氣的注入而燃燒 。彳匕碳因此於熔渣層（22)的內部燃燒。其造成熔渣 。後燃燒氧氣的噴流（36)以如此的方式安裝（ «孤的相反方向）以便於將推動力傳輸予熔渣，以加 弓虽;的攪動，並把熔渣向後推向電弧爐的中心位置。熔 14 b氏¥_尺度適用準（CNS)A4規格（21() x 297公爱) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t· •線· 579391 A7 _B7 五、發明說明（li) 渣的移動一方面因電弧（33)，另一方面因後燃燒氧氣噴 流所導致，以箭頭（38)表示於圖3。如此可加速預還原 粉礦的熔融，並因此防止這些粉礦結塊及推向爐壁，而黏 附於電弧爐之爐壁。 實施例1 : 已知電能，例如限制爲12MW，使用添加的自由碳及 氣體使得其= -熔融的速率至少爲金屬粉礦流動或（DRI)的速率 的兩倍； -或導入金屬化的金屬粉礦或（DRI)進入爐子，並 因此增加還原爐的產能，諸如此類技術的使用。 在多爐床爐子的案例中，每小時54或57噸DRI 60% 金屬化程度的產量，可確保爐子具有每小時50噸DRI90% 金屬化程度之生產力50%之生產力。 此外，表1最後一行顯示，添加額外自由碳形式的過 量碳於DRI中。 表1 :熔融的DRI導入l〇〇〇°C的爐子，進入含有3%碳的 熔融鐵中，隨著加熱至1500°C : DRI鐵的程 度（％) 金屬化的量 (%) DR1自由碳 (%) DRI流速（ t/h) 熔融鐵流速(_ 電能 (MW) 氧氣流速 (Nm3/h) 添加碳流速 (t/h) 80 90 8 50 40 12 0 0 80 90 8 125 100 12 3000 2.4 74 60 8 54 40 12 3600 2.6 71 60 12 57 40 12 3600 0 參考目錄 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------裝--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 線- 579391 A7 五、發明說明（Γγ) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 32， 33 34 36 38 電弧爐 容器 拱頂 電極 傳輸裝置 氮氣簾幕 熔渣層 液態金屬熔融液 爐床 多孔磚 惰性氣體 後燃燒矛 主要的氧氣噴射器 電弧 主要的氧氣噴流 後燃燒氧氣噴流 熔渣移動 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 579391 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 7·如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法’其中 階段a)包含下列步驟： al)將金屬粉礦導入一個具有數個重疊的爐床之多重爐 床的爐子中，並沉澱在多重爐床之上爐床之上； a2)金屬粉礦漸漸地導入較低之爐床； a3)將足夠的量之碳還原劑導入至一個或多個較低之爐 床，來還原金屬粉礦，並確保有過量的自由碳； a4)將多重爐床之爐子加熱、與碳速原劑接觸後之金屬 粉礦被還原、且藉由碳還原劑在適當的溫度下產生氣體； a5)藉由碳還原劑所產生之過量氣體被燃燒，而產生的 熱則被用來乾燥或預熱金屬粉礦。 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中於步驟a)或步 驟b)期間均添加熔渣形成劑。 9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中熔渣形成劑係 選自於包含石灰、助熔石及氧化鎂的群組中及其混合物。 10·如申請專利範圍第7項之方法，其中過量的碳介於 7%至15%之間，較佳大約爲10%。 11. 如申請專利範菌第10項之方法 爲木炭。 12. 如申請專利範圍第11項之方法 於步驟a)中去除了揮發性物質。 13. 如申請專利範圍第12項之方法 步驟d)中耗盡。 14. 如申請專利範圍第13項之方法 其中碳的還原齊|| 其中碳的還原齊[J 其中過量的碳於^ 其中過量的碳的 ——— — — — — — — — — — —111 — — — — — — — I · I I I I a (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 訂 線 579391 韻 C8 D8 六、申請專利範圍 消耗是藉由通過一個或數個矛注入含有氧氣的後燃燒氣體 噴流進入熔渣中。 15如申請專利範圍第14項之方法，其中後燃燒氣體 的噴流以如同使得熔渣向電弧爐的電極移動的方式被安置 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐）