由碳化铁制造钢的方法和装置

发明领域

本发明涉及经两个紧密联系的阶段由碳化铁制造钢的装置和方 法，这两个阶段包括：在第一阶段的反应器中通过燃烧高能气体而产生 中等碳含量的铁碳合金，该高能气体除了包括在第一个反应器中产生的 高能气体之外，还包括来自第二阶段反应器的气体，这种铁碳合金被用 作原料装入第二阶段反应器中，在第二阶段反应器中生产具有最终要求 碳含量的钢。

相关现有技术的描述

Stellung等美国专利No.2,780,537公开了一种生产碳化铁的方 法，并声明该产品可在已知结构的炼钢炉中氧化成铁。

Kalling等美国专利No.2,978,318公开了将含有碳化铁的粉末原 料连续地装入“Kaldo”式回转炉以生产钢。该专利声明装入的原料提 供了反应所需的全部热量，但不会将硫引入该工艺中。

Raquin等美国专利No.3,486,882公开了一种钢的连续生产方 法，它包括将经过预先还原的成钢材料连续装入精炼炉内的熔池中，并 同时将生热材料和气态氧引入炉中。这种经预先还原的成钢材料是已还 原到40％-100％的铁矿石。该材料以升高的温度装入炉中，且可能 包括碳或足量的其它生热元素以提供反应过程所需的热量。

Rouanet美国专利No.3,527,598公开了一种利用碳化或未碳化的 预先还原球团矿在反应器中连续炼钢的方法。碳化的或未碳化的球团矿 的全部碳含量使得与氧反应可提供实现该过程所需的全部热量。

Stephens Reissue专利No.32,247公开了一种利用流化床方法从铁 矿中制造碳化铁的方法。碳化铁产物随后装入炼钢炉、例如炼钢用的 碱性氧气转炉或电炉中。

虽然Stephens的原始专利U.S.No.4,053,301描述的炉子为碱性氧气 转炉或电炉，但上述Stephens Reissue专利广泛地要求保护“炼钢炉”。 Stephens Reissue的专利实施情况也表明，该发明炼钢方法中应用的炉 子类型与该专利的主要新颖性无关。因此，Stephens Reissue专利的实 施情况表明，Stephens方法不限于具体的炼钢炉，而也可以包括其它现 有技术的炼钢炉，例如象反应器。

另外，Stephens Reissue专利中第2栏、第20-22行表明碳化铁 的生成和随后向钢的转变可以是“一个连续过程”。在第4栏、第16- 21行Stephens声明当热的碳化铁被直接加入炉中时，这一过程是“连 续的和自热的”。Stephens也声明，炉中产生的废气含有约90％的一 氧化碳，它可以被收集起来和氧一起燃烧而产生热能。

例如以铁矿石为原料连续炼钢的构思，由Queneau在金属杂志 (Jourual of Metals)，1989年12月，30-35页“用于铅的QSL 反应器及其用于镍、铜、铁的前景”(“The QSL Reactor for Lead and its Prospects for Ni，Cu，Fe”)中已讨论过，Worner在下列文献中 也讨论过：WORCRA(连续)炼钢、平炉论文集(WORCRA(Continous) Steelmaking，Open Hearth Proceedings，)1969，57-63页，以及矿物、金属 和材料协会Savard/Lee国际熔池熔炼研讨会论文集(Proceedings of the Savard/Lee International Symposium on Bath smelting，Minerals， Metal & materials Society，1992)，83-101页。

Queneau或Queneau-schuhmann的连续炼钢方法在本质上与所谓 “QSL”生产有色金属例如铅和镍的方法是相似的。参见例如美国专 利Nos.3,941,587、3,988,148和4,085,923及上面提到的Jounal of Metals的论文。后者公开了从氧化铁矿直接且连续炼钢的密闭反应器。 QSL反应器是一个密闭系统，它能限制大气和气态反应产品的进出。

WORCRA方法及类似方法、例如Rudziki等在平炉论文集(Open Hearth Proceedings)，1969，48-56页描述的方法，以顶吹氧气或顶低复 合吹氧来燃烧熔体上面产生的CO而为反应提供附加的热量。Rudziki 的方法用于碳饱和的液态生铁的脱碳。

在由A.Berthet等在钢铁科学技术国际会议(International Conference of Science and technology of lron and steel)东京，1970 年9月第60页及以后所描述的所谓“IRSID”方法中，热金属例如 生铁连续装入反应器中，在该反应器中氧气被顶吹至金属熔池上而导致 熔渣/金属/气体乳状液的生成，从而达到金属的快速精炼。精炼后的钢 随后移到分离槽(decanter vessel)进行熔渣/金属的分离和放出。进料 金属中的碳含量为4-5％，并且从反应器的入口到出口没有碳含量的梯 度变化。这种方法在法国专利2,244,822中也有描述。

盖氏(Geiger)美国专利5,139,568公开了一种接受固态矿物原料 的反应容器。矿物原料进入金属熔池中，该熔池包括较重的铁碳合金或 金属层和较轻的熔渣上层(6栏35-37行)。氧气通过浸入液面的喷嘴 喷入熔融金属并与碳化铁中的碳进行反应生成一氧化碳。一氧化碳进入 熔池上部的蒸汽空间(6栏51-55行)，在这里与喷入蒸汽空间的氧进 行反应，蒸汽空间中的一氧化碳燃烧产生的热量据说可提供反应器中连 续反应所需的约100％的热能(7栏11-22行)。

在盖氏′568专利中提到的结构中，经反应器底部喷入熔融金属的氧 气量是沿反应器的长度方向而变化的(9栏63-68行)。以这种方式， 沿反应器长度方向形成了碳含量梯度，并且在出料端形成低碳合金供出 料。若未形成碳含量梯度，则也不能在反应器的出料端形成足够低碳的 铁碳合金。

另外，在盖氏′568专利所描述的反应器中，一氧化碳反应产物进入 蒸汽空间，氧气也被喷入蒸汽空间以与一氧化碳燃烧。′568专利表明一 氧化碳的燃烧随喷入蒸汽空间的氧气而发生。来源于熔池的氧气对于一 氧化碳的燃烧是一种“高度不可能”的氧源。大量的一氧化碳和氧必须 在蒸汽空间反应以产生足够热量而使反应过程自行持续或自动生热。因 此，所有或基本上所有的一氧化碳反应产物必须进入蒸汽空间并在那里 燃烧以产生足够的热能，从而进一步推动反应并使反应过程自行持续或 自动生热。

尽管盖氏反应的总体热平衡对于其目的而言基本上是正确的，但是 采用单一容器和伴随的对碳浓度梯度的需求而产生的问题在于热平衡 并未反映出在该方法中何处存在能量不足和能量过剩、以及如何控制并 回收一氧化碳燃烧为二氧化碳造成的热量释放--这是在反应器中所 需位置处达到能量供给所必需的。

盖氏′568专利认为：为了连续操作这样一种单个反应器以达到所需 的低含碳量，碳浓度梯度必须从碳化铁装料端保持到反应器的放出端。 该专利表明，为了使反应过程自动生热，氧气必须被引入反应器的蒸汽 空间以燃烧金属熔池中产生的CO，从而产生热量和CO2。这样产生 的热量被视为基本上传递到金属熔池中，且这是保持自生热过程的必要 条件。但是公开内容显示出严重的缺陷。在反应器的碳化铁装料端，主 要的化学反应具有吸热性，因而为了使反应继续下去是需要外来热量 的。在同样的区域，气体析出量(gas evolution volume)较高，导致 金属熔池中紊流扩散的高速率，这将形成一个充分混合的反应区域。在 反应器的剩余部分，主要的化学反应是放热的(脱碳)并且伴随着产生 了可在燃烧成二氧化碳时提供高能燃料的一氧化碳。由于盖氏反应器的 长形几何形状，大量的一氧化碳被释放进入蒸气空间中并不接近能量缺 乏区域的位置，而碳化铁被装入反应器中的所述能量缺乏区域。因此， 在远离碳化铁装入区域的位置处通过燃烧一氧化碳所释放能量的大部 分都不能达到这一区域，因为在这一区域和反应器剩余表面之间的热辐 射传导率是低的。(在热传导技术中采用热辐射传导率来表征表面之间 以及气体与表面之间热辐射传导效率。)因此，从在缺乏能量的碳化铁 装入区中利用大部分一氧化碳能量的观点来看，在盖氏公开的方法中不 可能达到热的自生。盖氏专利的另一个问题是就来源于在反应器碳化铁 装入区直接生成的一氧化碳燃烧热量的利用率而言的。因为在盖氏方法 中，所有这些一氧化碳都是在反应器的蒸气空间内燃烧的，燃烧释放的 热量趋向于向熔池表面和形成蒸气空间的反应器圆顶耐火墙同样顺利 传导。以这种方式，反应器圆顶耐火墙会非常热，在实际中需要水冷。 但是因为园顶墙比熔池表面拥有更多的表面积，所以在反应器的园顶墙 会出现显著的热损失。这样，从直接产生的一氧化碳的燃烧而产生的到 达熔池的能量将只是所产生总能量的一部分。这一额外因素将进一步说 明盖氏专利中描述的方法无法使反应自热。

Sohn等在矿物、金属和材料协会的Savard/Lee国际熔池熔炼研讨 会论文集(Proceedings of the savard/Lee International Symposium on Bath Smelting，Minerals，Metals & Materials socioty)1992年 377-412页中提供了关于底吹连续精炼反应器的尺寸之间关系的信 息，以使返混作用最小。

发明概述

本发明的目的是提供对如上述Stephens专利提及的在炼钢炉中由 碳化铁炼钢方法的改进。与Stephens、Kalling、Queneau和Geiger 专利提及的单一步骤反应器不同，本发明提供了一种将碳化铁转化成 铁碳合金的两步骤方法。本发明的方法利用两个独立而又紧密联系的反 应器。

在本发明一个实施方案的第一阶段，可能含有一些残余氧化铁的已 加热的碳化铁和造渣材料一起被装入第一反应器的熔池。熔化的和溶解 的碳化铁在熔池中形成一层较低的熔融金属层。在溶池中熔融金属的上 面形成了一层单独的泡沫熔渣层。泡沫熔渣的特征在于，它是比较厚的 一层气状液体或泡沫。

氧气优选地通过设置在反应器底部的几个浸入式氧气风口而被注 入金属熔池。与盖氏’568专利描述的沿单一反应器的长度方向形成的碳 含量梯度不同的是，注入的气体与一氧化碳气体反应产物一起提供了高 搅拌能量以在本发明的第一阶段反应器中获得充分混合的、无梯度的熔 池。充分混匀的反应也受到容器几何形状的促进(例如金属熔池的宽高 度之比)。为产生泡沫熔渣所需的搅拌动作防止了在熔池中形成碳梯 度。

在第一个反应器中，至少一股氧气流被引入泡沫溶渣以燃烧一氧化 碳，所述一氧气化碳是在金属熔池中产生的并且已进入和产生了泡沫溶 渣。在熔池中产生的一氧化碳优选至少70％、更优选至少90％、最优 选尽可能接近100％在泡沫熔渣中燃烧。通过在泡沫熔渣中燃烧一氧化 碳，反应所产生的大部分热量得以保留在泡沫熔渣中并直接传递回金属 熔池中。不同于盖氏’568专利的反应器，第一阶段反应并不包括将氧气 注入反应器的蒸气空间，而是旨在阻止一氧化碳进入蒸气空间而燃烧。 然而，在发明的另一实施例中，氧气可以被顶吹到第一阶段反应器的液 态金属熔池上以助于液态金属的脱碳。

第一阶段反应器内产生的铁碳合金含有例如大约0.5-2％的碳，随后 用作第二阶段反应器的熔态原料。氧气通过第二阶段反应器底部的浸入 式风口注入金属熔池。第二阶段反应器中的反应是放热的，并且第二阶 段反应器的反应产物，即一氧化碳和二氧化碳的混合物被收集、冷却、 处理，然后返回到第一阶段反应器，在第一阶段反应器中被优选注入泡 沫熔渣层；一氧化碳在此与注入的氧气燃烧，这与在第一反应器的金属 熔池中产生的一氧化碳的燃烧相似，以促进从熔渣到金属熔池良好的热 量传递。(在本发明的一个实施方案中，氧气也可以注入第二阶段反应 器的蒸气空间，以燃烧掉一部分一氧化碳，以提供保持所期望熔池温度 所需的任何额外热量。)从而双反应器系统可保证基本上是自热的。第 二阶段反应器的产物是碳含量例如大约为0.01-0.5％的铁碳合金(钢)。

附图简述

图1是本发明的炼钢设备的立体图。

图2是铁碳系统的温度—成分图，表示对应于本发明中间产物铁 碳合金的温度和组成的液相区的铁碳合金的范围。

图3是第二阶段反应器的一部分的速度断面，表示在液面下风口区 域的高金属熔池速度。

图4是本发明第一阶段反应器的平面图。

图5是沿图4AA线的第一阶段反应器的侧视图。

图6是沿图4BB线的第一阶段反应器的端视图。

图7A是本发明第二阶段反应器的纵向剖面图。

图7B是本发明第二阶段反应器的截面平面图，以及

图8是第二阶段反应器中金属驻留时间和反应器中氧气风口数量的 关系图。

优选实施方案描述

在图1中，数字1总体表示有耐火衬的、长型的第一反应器，它有 装料端2和出料端3。具有例如91％Fe3C、5％Fe3O4、3％SiO2和 1％Fe组成的碳化铁装入料，在预热器6中加热到预热温度例如550℃ 后，通过管道4装入，并被氮或CO2的气流5直接带入包含在第一反应 器中的熔融金属9中，在第一反应器中碳化铁的熔化和溶解极大地推动 了该反应器中充分混匀的反应。造渣材料例如石灰石，通过适合的设备 在7被装入，可任选地在8装入废钢。金属熔池9被保持在反应器1中 并且被泡沫熔渣层11覆盖。燃烧器12安装在反应器1的装料端附近， 并通过管道13吹入氧气，通过管道14吹入诸如天然气之类的烃类燃料 等燃料。如果需要的话，燃烧器12可用于提供额外的热能以加热或熔 化废钢或者在开车时加热反应器1(或者为了启动反应，还可以从象钢 包或电弧炉一类的外部源引入液态金属。)脱碳剂氧通过集气管16吹 入多个风口17，风口被例如烃气体(例如甲烷)一类吸热分解性气体， 或者被例如二氧化碳、氩气、氮气或蒸汽一类的冷却气体所屏蔽。用于 脱碳的氧气风口可以安装在金属熔池管道之下或全属熔池管道之上，或 者两者结合起来。全部或一部分的脱碳剂氧可以供给到熔池之上的一个 或多个氧枪(未示出)，以产生高速度的喷气冲击金属熔池。后燃烧氧 气通过一条或多条管道18供入反应器壁中的氧枪，以在铁碳熔池上方 在泡沫熔渣中将产生的一氧化碳燃烧成二氧化碳。后燃烧氧枪可以有多 种不同的设计，例如图示的穿墙氧枪，或者是可以经反应器开口引入的 可移动氧枪。燃烧器19被安装在反应器1的一个端壁上，并通过管道 21供给氧气且通过管道22供给一氧化碳(含有少量的二氧化碳)。如 果需要，可以通过管道20给燃烧器19供应补充燃料气体。主要含有 CO2和一些水蒸气及CO(取决于后燃烧的程度)的废气通过排出口23 在例如约1700℃的温度除去。在泡沫熔渣中未被燃烧的任何多余的CO在外部被燃烧到0％CO，废气在后燃烧室/热交换器24中被冷却到例如 大约1100℃的温度，其中冷却水通过管道10引入到热交换器中并通 过管道15引出热交换器。经部分冷却的气体通过管道26输入预热器6， 并从这里通过管道27输出到集尘室28。净化后的富含CO2的废气然后 从集尘室通过管道29到风扇31和烟囱32(或者可以收集起来用作它 用或出售)。来自集尘室中的固体通过管道33返回到碳化铁装料管道 以重新装入第一反应器。

炉渣被例如连续地从出渣口34排出，如图所示，渣口可以位于第 一反应器的金属出口端。

第一反应器中脱渣后的铁碳产物被装入总体以数字36表示的有耐 火衬的长型第二反应器的装料端。或者，具有中等碳含量的铁碳合金可 以如在45处从第一阶段反应器排出并用适当的容器(未显示)收集起 来。

当第一反应器的铁碳产物被装入第二反应器中时，氧气从集气管37 供入多个气体屏蔽的浸入式风口38，主要含有例如80％或更多CO的 废气在例如大约1630℃的温度被收集起来，并且通过管道39送入间接 热交换器41，其中冷却水通过管道25送入该热交换器并通过管道30 送出该热交换器。待预热的氧气通过管道35引入交换器41，从这里通 过管道21进入第一反应器1中的燃烧器19。被冷却至大约300℃的温 度并处于约137.8Kpa(20psig)压力的一氧化碳通过管道22进入燃烧 器19。在第二反应器36中生成的烟尘大部分是细小的铁滴，它和气体 一起进入第一反应器。如果存在较大尺寸的颗粒，则可以利用例如热旋 风除尘器(未示出)将其除去。如果需要保持反应器36中的熔池温度， 氧气也可以通过氧枪(未示出)引入以燃烧一部分一氧化碳，从而为熔 池提供热量。最终的钢产物在如42处例如在大约1670℃的温度离开反 应器36，并被收集在钢包43中。

在用氧气燃料燃烧器操作之前，可以在例如40处预热第二阶段反 应器的内部，并在需要时将燃烧气体排到大气中。

在本发明中，已经以分段热平衡的观点分析了将固体碳化铁转化成 液体钢的方法，并且认定这种方法必须分为两个不同的阶段，这两个阶 段涉及两个如图1所示的上述独立但紧密联系的反应器。在第一阶段反 应器中，优选经过预热的碳化铁材料与氧气和足以与和碳化铁同时进入 的脉石材料形成泡沫熔渣的熔剂一起引入铁碳熔池，脉石材料主要含有 一些氧化铝和硅石。碳化铁材料优选地被连续地装入，当然也可以周期 性地装入，这样第一反应器中金属熔池的液面将随之上升或下降。碳化 铁材料一般具有表1中给定范围之内的分析数据，并经细分，一般的粒 度范围在0.01到2mm之间。

                  表1

          碳化铁材料的组成

  成分    材料的重量百分比

Fe3C      80-94

Fe3O4    4-15

Fe(金属的) 0-2.0

SiO2      1-6

A12O3    0.1-2.0

氧气的同时注入使得在金属熔池中将碳化铁中的碳氧化成一氧化 碳，提供了热量。通过化学计量地配合碳化铁和氧气流动，熔池中碳的 含量被保持在一个稳定水平。

第一反应器的产物优选的是连续的液态铁碳合金物流，它含有重量 占0.5-2％的碳，特别是大约1-2％的碳，并且一般处于1490℃的温度， 但总是高于铁碳相图中的液相，如图2所示的A区域。这种物流是第二 阶段反应器的输入物。

在第二阶段反应器中，液态金属的碳含量降至要制备的钢产品中 所期望的碳含量，例如从0.01％到0.5％的碳。这是通过将氧气优选地 注入金属液面以下，同时放热产生CO—CO2混合气体而实现的。这样 可在大约1670℃的温度出钢。

第二阶段反应器中金属熔池的轴向或纵向回混被尽可能减小，第二 阶段反应的碳梯度由一些权宜因素提供。首先，容器长度比另外两个尺 寸要大得多以产生活塞式流动。其次，从熔融金属中脱碳所需的氧气基 本上通过以一定间隔、例如均匀地沿着反应器的长度隔开的底风口供 入。注入的气体诱导在其上的熔融金属的垂直流动，这还起到阻止轴向 回混的作用。第三，池的深、宽度与氧风口间隔之间关系被建立起来， 以进一步减小回混。第四，第二阶段反应器的产量足够高使得金属熔池 具有足够的向前流向炉子出口的力以减少任何旋流和回流趋势。第二阶 段反应方法设计为每小时约50-150或200吨液态钢产出。对于较低的 产出吨位，可能会遇到与回混、较高的热损失等等相关的操作问题。

在第二阶段反应器中另一个潜在的问题是气体“吹透”现象，即熔 池深度不足以防止一些注入的气体穿过未经反应的熔融金属进入位于 金属熔池上方的气体中。本发明提供的熔池深度足以解决这一问题。

第二阶段反应器的CO以与钢相同的温度、例如大约1670℃离开 容器，并在作为燃料引入第一阶段反应器之前进行收集和净化，然后 与氧一起在第一阶段反应器容器的泡沫熔渣中燃烧生成CO2。在第二阶 段反应器产生的大部分还原气体CO是在反应器上游产生的。因此，排 气口优选设置在反应器金属出口端附近，以便于在整个熔池上方提供还 原气氛。来自第2阶段的CO在第1阶段反应器中燃烧，并且本发明使 得在泡沫熔渣中进行这种燃烧，即可使得第一阶段(及双反应器系统) 的能量平衡基本上是自热的，无需要额外的燃料，例如，碳化材料可在 注入前被加热到550℃，加热可以利用来自第一阶段的废气显热完成。 如果碳化物没有被高度转化，并例如含有15％的磁铁矿，这将导致第一 阶段的反应不能完全自热进行。在这种情况下，或者在少量冷废钢被加 到第一阶段反应器中时，一些额外能量的输入是需要的，例如以天然 气、石油或煤的形式在容器中燃烧以弥补能量的不足。这些所需的额外 能量的总量并不足以导致第一阶段反应器结构的显著变化。

表2、3、4、5中给出在不同条件下，第一阶段熔渣中后燃烧程 度为0.7时的分段热平衡的实例。后燃烧程度是指形成的或注入第一阶 段容器中的总CO中在熔渣中转化为CO2的CO的份额。表6-9与表2- 5的条件相同，但是第一阶段熔渣中的后燃烧程度为0.9。

            表2

 A                              B

熔化条件

碳化物中的Fe3O4％             5

铁碳中间产物中的C％             1.5

废钢％                          0.0

后燃烧程度(1)                  0.7

吨钢/小时                       50

钢中C百分比                     0.05

出钢温度，℃                    1630.00

废钢温度，℃                    25

碳化物温度，                    550

结果

阶段2

钢重             Kg/hr          50000

铁碳中间产物重   Kg/小时        51248.53

铁碳合金流量     m3/小时       7.11

烟尘(铁)重2      Kg/小时        504.80

CO重，2          Kg/小时        1388.29

CO2重，2        Kg/小时        545.40

CO体积，2        Nm3/小时      1110.63

CO2体积，2      Nm3/小时     277.66

出钢温度下的CO体积，2m3/小时   7741.89

出钢温度下的CO2体积，2m3/小时 1935.47

气体中间产物的总体积  m3/小时  9677.36

O2重，2   Kg/小时              1189.96

    阶段1

CaO重，1        Kg/小时           3426.03

废钢重，1       Kg/小时           0.00

碳化物重，1     Kg/小时           57100.09

渣重            Kg/小时           5525.86

CO重，1         Kg/小时           2351.73

CO2重，1       Kg/小时           9168.39

烟尘(铁)重      Kg/小时           1113.75

O2重，1，脱碳  Kg/小时           3165.94

O2重，1，PC，   Kg/小时           3186.11

O2重，燃料供给，Kg/小时          1515.01

CH4重，        Kg/小时           378.75

H2O重Kg/小时， out               852.19

CO2重，燃料供给Kg/小时           1041.57

阶段2剩余能量                3.636×106KJ/小时

                             (909千千卡/小时)

阶段1剩余能量                -1.27×1010KJ/小时

                             (-3172942千卡/小时)

补充燃料能量                 1.27×1010KJ/小时

                             (3172942千卡/小时)

合计

合计O2     Nm3/吨                141.71

合计烟尘    Kg/                    20.25

合计炉渣    Kg/吨                  111.34

合计熔剂    Kg/吨                  69.03

合计CH4    Nm3/吨                24.80

合计碳化物，Kg/吨                  1150.51

合计废钢，  Kg/吨                  0.00

(1)后燃烧程度是CO2与(CO＋CO2)的比率或者是(CO2＋H2O) 与(CO＋CO2＋H2＋H2O)的比率。

            表3

A                                 B

熔化条件 碳化物中的Fe3O4％                   10 铁碳中间产物中的C％                   1.5 废钢％                                0.0 在渣中的后燃烧程度                    0.7 吨钢/小时                             50 钢中C百分比                           0.05 出钢温度，℃                          1630. 废钢温度，℃                          25 碳化物温度，℃                        550

结果

阶段2 钢重              Kg/小时             50000.00 铁碳中间产物重    Kg/小时             51248.53 铁碳合金流量      m3/小时            7.11 烟尘(铁)重，2，   Kg/小时             504.80 CO重，2，         Kg/小时             1388.29 CO2重，2，       Kg/小时             545.40 CO体积，2，       Nm3/小时           1110.63 CO2体积，2，     Nm3/小时           277.66 出钢温度下的CO体积，2，     m3/小时  7741.89 出钢温度下的CO2体积，2，   m3/小时  1935.47 气体中间产物的总体积        m3/小时  9677.36 O2重，2                    Kg/小时   1189.96

阶段1 CaO重，1    Kg/小时                   3451.54 废钢重，1   Kg/小时                   0.00 碳化物重，  Kg/小时                   57525.25 渣重        Kg/小时                   5567.01 CO重，1     Kg/小时                   2233.23 CO2重，1   Kg/小时                   8733.92 烟尘(铁)重       Kg/小时             1113.77 O2重，1，脱碳   Kg/小时             2360.73 O2重，1，PC，    Kg/小时             3028.12 O2重，燃料供给，Kg/小时             3543.50 CH4重，         Kg/小时             885.88 H2O重Kg/小时，out                   1993.22 CO2重，燃料供给  Kg/小时            2436.16 阶段2剩余能量                   3.636×106KJ/小时

                           (909千卡/小时) 阶段1剩余能量                  -2.97×1010KJ/小时

                           (-7421287千卡/小时) 补充燃料能量                    2.97×1O10KJ/小时

                           (7421287千卡/小时) 合计 合计O2    Nm3/吨                   141.71 合计烟尘    Kg/吨                    20.25 合计炉渣    Kg/吨                    111.34 合计熔剂    Kg/吨                    69.03 合计CH4   Nm3/吨                   24.80 合计碳化物，Kg/吨                    1150.51 合计废钢，  Kg/吨                    0.00

                     表4

A                                B

熔化条件 碳化物中的Fe3O4％                 10 铁碳中间产物中的C％                 1.5 废钢％                              0.0 后燃烧程度                          0.7 吨钢/小时                           50 钢中C百分比                         0.05 出钢温度，℃                        1630 废钢温度，℃                        25 碳化物温度，℃                      25

结果

阶段2 钢重            Kg/小时             50000.00 铁碳中间产物重  Kg/小时             51248.53 铁碳合金流量    m3/小时             7.11 烟尘(铁)重   2，Kg/小时             504.80 CO重，2         Kg/小时             1388.29 CO2重，2       Kg/小时             545.40 CO体积，2       Nm3/小时           1110.63 CO2体积，2     Nm3/小时           277.66 出钢温度下的CO体积，2，    m3/小时 7741.89 出钢温度下的CO2体积，2，  m3/小时 1935.47 气体中间产物的总体积       m3/小时 9677.36 O2重2                     Kg/小时  118996

阶段1 CaO重，1     Kg/小时                3451.54 废钢重，1    Kg/小时                0.00 碳化物重，   Kg/小时                57525.25 渣重         Kg/小时                5567.01 CO重，1      Kg/小时                2233.23 CO2重，1        Kg/小时              8733.92 烟尘(铁)重       Kg/小时              1113.77 O2重，1，脱碳   Kg/小时              2360.73 WO2，1，PC，     Kg/小时              3028.12 O2重，燃料供给，Kg/小时              5892.30 CH4重，         Kg/小时              1473.08 H2O重Kg/小时，out                    3314.42 CO2重，燃料供给 Kg/小时              4050.96 阶段2剩余能量                     3.636×106KJ/小时

                              (909千卡/小时) 阶段1剩余能量                     -4.94×1010KJ/小时

                              (-12340464千卡/小时) 补充燃料能量                      4.94×1010KJ/小时

                              (12340464千卡/小时) 合计 合计O2     Nm3/吨                   174.60 合计烟尘    Kg/吨                     22.25 合计炉渣    Kg/吨                     111.34 合计熔剂    Kg/                       69.03 合计CH4    Nm3/吨                   41.25 合计碳化物，Kg/吨                     1150.51 合计废钢，  Kg/吨                     0.00

            表5

A                               B

熔化条件 碳化物中的Fe3O4％                 5 铁碳中间产物中的C％                 1.5 废钢％                              10.0 后燃烧程度                          0.7 吨钢/小时                           50 钢中C百分比                         0.05 出钢温度，℃                        1630 废钢温度，℃                        25 碳化物温度，℃                      550

结果

阶段2 钢重              Kg/小时           50000.00 铁碳中间产物重    Kg/小时           51248.53 铁碳合金流量      m3/小时           7.11 烟尘(铁)重，2，   Kg/小时           504.80 CO重，2           Kg/小时           1388.29 CO2重，2         Kg/小时           545.40 CO体积，2         Nm3/小时         1110.63 CO2体积，2       Nm3/小时         277.66 出钢温度下的CO体积，2  m3/小时     7741.89 出钢温度下的CO2体积，2m3/小时     1935.47 气体中间产物的总体积   m3/小时     9677.36 O2重，2               Kg/小时      1189.96

阶段1 CaO重，1      Kg/小时               3080.37 废钢重，1     Kg/小时               5133.00 碳化物重，    Kg/小时               51338.95 渣重          Kg/小时               4968.33 CO重，4       Kg/小时               2104.62 CO2重，1        Kg/小时             8262.34 烟尘(铁)重       Kg/小时             1001.37 O2重，1，脱碳   Kg/小时             2742.65 O2重，1，PC，    Kg/小时             2856.64 O2重，燃料供给，Kg/小时             2336.66 CH4重，         Kg/小时             584.16 H2O重Kg/小时，out                   1314.37 CO2重，燃料供给 Kg/小时，out        1606.45 阶段2剩余能量                      3.636×106KJ/小时

                               (909千卡/小时) 阶段1剩余能量                      -1.96×1010KJ/小时

                               (-4893745千卡/小时) 补充燃料能量                       1.96×1010KJ/小时

                               (4893745千卡/小时) 合计 合计O2     Nm3/吨                  127.76 合计烟尘    Kg/吨                    18.21 合计炉渣    Kg/吨                    99.37 合计熔剂    Kg/吨                    61、61 合计CH4    Nm3/吨                  16.36 合计碳化物，Kg/吨                    1026.78 合计废钢，  Kg/吨                    102.66

            表6

A                             B

熔化条件 碳化物中的Fe3O4％               5 铁碳中间产物中的C％               1.5 废钢％                            0.0 后燃烧程度                        0.9 吨钢/小时                         50 钢中C百分比                       0.05 出钢温度，                        1630 废钢温度，℃                      25 碳化物温度，                      550

结果

阶段2 钢重            Kg/小时           50000.00 铁碳中间产物重  Kg/小时           51248.53 铁碳合金流量    m3/小时          7.11 烟尘(铁)重，2， Kg/小时           504.80 CO重，2         Kg/小时           1388.29 CO2重，2       Kg/小时           545.40 CO体积，2       Nm3/小时         1110.63 CO2体积，2     Nm3/小时         277.66 出钢温度下的CO体积，2   m3/小时  7741.89 出钢温度下的CO2体积，2 m3/小时  1935.47 气体中间产物的总体积    m3/小时  9677.36 O2重，2                Kg/小时   1189.96

阶段1 CaO重，1     Kg/小时              3426.03 废钢重，1    Kg/小时              0.00 碳化物重，   Kg/小时              57100.09 渣重         Kg/小时              5525.86 CO重，1      Kg/小时              783.91 CO2重，1        Kg/小时             11632.11 烟尘(铁)重       Kg/小时             1113.75 O2重，1，脱碳   Kg/小时             3165.94 O2重，1，PC，    Kg/小时             4082.01 O2重，燃料供给，Kg/小时             0.00 CH4重，         Kg/小时             0.00 H2O重Kg/小时，out                   0.00 CO2重，燃料供给 Kg/小时             0.00 阶段2剩余能量                   3.636×106KJ/小时

                            (909千卡/小时) 阶段1剩余能量                   4.53×108KJ/小时

                            (113345千卡/小时) 补充燃料能量

千卡/小时                        0 合计 合计O2    Nm3/吨                   118.13 合计烟尘    Kg/吨                    20.25 合计炉渣    Kg/吨                    110.52 合计熔剂    Kg/吨                    68.52 合计CH4   Nm3/吨                   0.00 合计碳化物，Kg/吨                    1142.00 合计废钢，  Kg/吨                    0.00

            表7

A                               B

熔化条件 碳化物中的Fe3O4％                 10 铁碳中间产物中的C％                 1.5 废钢％                              0 后燃烧程度                          0.9 吨钢/小时                           50 钢中C百分比                         0.05 出钢温度，℃                        1630 废钢温度，℃                        25 碳化物温度，℃                      550

结果

阶段2 钢重              Kg/小时           50000.00 铁碳中间产物重    Kg/小时           51248.53 铁碳合金流量      m3/小时          7.11 烟尘(铁)重2，     Kg/小时           504.80 CO重，2           Kg/小时           1388.29 CO2重，2         Kg/小时           545.40 CO体积，2         Nm3/小时         1110.63 CO2体积，2       Nm3/小时         277.66 出钢温度下的CO体积，2   m3/小时    7741.89 出钢温度下的CO2体积，2 m3/小时    1935.47 气体中间产物的总体积    m3/小时    9677.36 O2重，2                Kg/小时     1189.96

阶段1 CaO重，1  Kg/小时                   3451.54 废钢重，1 Kg/小时                   0.00 碳化物重，Kg/小时                   57525.25 渣重      Kg/小时                   5567.01 CO重，1   Kg/小时                   744.41 CO2重，1        Kg/小时             11073.49 烟尘(铁)重       Kg/小时             1113.77 O2重，1，脱碳   Kg/小时             2360.73 O2重，1，PC，    Kg/小时             3878.88 O2重，燃料供给，Kg/小时             2053.44 CH4重，         Kg/小时             513.36 H2O重Kg/小时，out                   1155.06 CO2重，燃料供给 Kg/小时             1411.74 阶段2剩余能量                     3.636×106KJ/小时

                              (909千卡/小时) 阶段1剩余能量                     -1.72×1010KJ/小时

                              (-4300583千卡/小时) 补充燃料能量                      1.72×1010KJ/小时

                              (4300583千卡/小时) 合计 合计O2    Nm3/吨                   132.76 合计烟尘    Kg/吨                    20.25 合计炉渣    Kg/吨                    111.34 合计熔剂    Kg/吨                    69.03 合计CH4   Nm3/吨                   14.37 合计碳化物，Kg/吨                    1150.51 合计废钢，  Kg/吨                    0.00

         表 8

A                              B

熔化条件 碳化物中的Fe3O4％                10 铁碳中间产物中的C％                1.5 废钢％                             0 后燃烧程度                         0.9 吨钢/小时                          50 钢中C百分比                        0.05 出钢温度，℃                       1630 废钢温度，℃                       25 碳化物温度，℃                     25

结果

阶段2 钢重          Kg/小时              50000.00 铁碳中间产物重Kg/小时              51248.53 铁碳合金流量  m3/小时              7.11 烟尘(铁)重2， Kg/小时              504.80 CO重，2       Kg/小时              1388.29 CO2重，2     Kg/小时              545.4O CO体积，2     Nm3/小时            1110.63 CO2体积，2   Nm3/小时            277.66 出钢温度下的CO体积，2  m3/小时    7741.89 出钢温度下的CO2体积，2m3/小时    1935.47 气体中间产物的总体积   m3/小时    9677.36 O2重，2               Kg/小时     1189.96

阶段1  CaO重，1  Kg/小时                  3451.54 废钢重，1 Kg/小时                  0.00 碳化物重，Kg/小时                  57525.25 渣重      Kg/小时                  5567.01 CO重，1   Kg/小时                  744.41 CO2重，1        Kg/小时             11073.49 烟尘(铁)重       Kg/小时             1113.77 O2重，1，脱碳   Kg/小时             2360.73 O2重，1，PC，    Kg/小时             3878.88 O2重，燃料供给，Kg/小时             4402.24 CH4重，         Kg/小时             1100.56 H2O重Kg/小时，out                   2476.26 CO2重，燃料供给  Kg/小时            3026.54 阶段2剩余能量                   3.636×106KJ/小时

                            (909千卡/小时) 阶段1剩余能量                   -3.69×1010KJ/小时

                            (-9219759千卡/小时) 补充燃料能量                    3.69×1010KJ/小时

                            (9219759千卡/小时) 合计 合计O2    Nm3/吨                   165.65 合计烟尘    Kg/吨                    20.25 合计炉渣    Kg/吨                    111.34 合计熔剂    Kg/吨                    69.03 合计CH4   Nm3/吨                   30.82 合计碳化物，Kg/吨                    1150.51 合计废钢，  Kg/吨                    0.00

         表9

A                                  B

熔化条件 碳化物中的Fe3O4％                    10 铁碳中间产物中的C％                    1.5 废钢％                                 10.0 后燃烧程度                             0.9 吨钢/小时                              50 钢中C百分比                            0.05 出钢温度，℃                           1630 废钢温度，                             25 碳化物温度，℃                         500

结果

阶段2 钢重          Kg/小时                  50000.00 铁碳中间产物重Kg/小时                  51248.53 铁碳合金流量  m3/小时                  7.11 烟尘(铁)重2， Kg/小时                  504.80 CO重，2       Kg/小时                  1388.29 CO2重，2     Kg/小时                  545.40 CO体积，2     Nm3/小时                1110.63 CO2体积，2   Nm3/小时                277.66 出钢温度下的CO体积，2  m3/小时        7741.89 出钢温度下的CO2体积，2m3/小时        1935.47 气体中间产物的总体积   m3/小时        9677.36 O2重，2               Kg/小时         1189.96

阶段1 CaO重，1     Kg/小时                   3100.93 废钢重，1    Kg/小时                   5168.00 碳化物重，   Kg/小时                   51681.64 渣重         Kg/小时                   5001.49 CO重，1      Kg/小时                   665.49 CO2重，1        Kg/小时            9957.37 烟尘(铁)重       Kg/小时            1000.63 O2重，1，脱碳   Kg/小时            2016.36 O2重，1，PC，    Kg/小时            3473.01 O2重，燃料供给，Kg/小时            2832.59 CH4重，         Kg/小时            708.15 H2O重Kg/小时，out                  1593.33 CO2重，燃料供给 Kg/小时            1947.41 阶段2剩余能量                     3.636×106KJ/小时

                              (909千卡/小时) 阶段1剩余能量                     -2.37×1010KJ/小时

                              (-5932397千卡/小时) 补充燃料能量                      2.37×1010KJ/小时

                              (5932397千卡/小时) 合计 合计O2    Nm3/吨                  133.17 合计烟尘    Kg/吨                   18.19 合计炉渣    Kg/吨                   100.03 合计熔剂    Kg/吨                   62.02 合计CH4   Nm3/吨                 19.83 合计碳化物，Kg/吨                   1033.63 合计废钢，  Kg/吨                   103.36

表2-9中的计算所用的热损失是依据具有耐火衬的相似体积容器的 经验。

碳化物材料的预热是利用第一阶段反应器中完全燃烧后的废气在 间接加热的热交换器6中完成的、例如一个包括分别对流携带加热气体 和碳化物的平行槽缝(slot)的热交换器。碳化物散料垂直通过槽缝而 被流经相邻槽缝的热气体预热。碳化材料散料的导热性可保证2000kg/ 分钟，能够在体积大约为1.5×2×5米的热交换器中预热。

第一阶段利用在第一和第二阶段产生的CO燃烧热量的主要问题是 从气相到金属熔池的能量传导速度。从氧气顶吹转炉(直立的、可倾动 的、通常是圆柱形的转炉)的结论显而易见，在这类炉子的金属熔池里 从CO到CO2完全燃烧的潜在化学能一般只有大约11％被回收，这是 由于废气向上流动、水冷罩的散热效应以及金属-熔渣乳液与气体的紧 密结触，在这一过程绝大部分内该乳液的碳含量高(大于0.2％C)， 从而在鼓风循环的整个过程中不允许任何CO2在金属-熔渣乳液附近 存在。这使一般的氧气顶吹转炉，如果不是不可能的话，也是难于在炉 中由大量的碳化铁装料完成自热工序。在电弧炉中，从金属熔池中生成 的CO的后燃烧可发生，但是由于池的横截面积很大，所以用燃烧金属 熔池中产生的CO所需的氧气难渗透到电炉的中心或对侧，而且也难于 完全利用CO氧化成CO2而得到的潜在化学能。较大的熔池面积也使得 难于提供一个在其中完成后燃烧的深泡沫熔渣层。另外，电炉的侧壁和 顶壁是水冷的，这将很快地从炉中吸收能量。从而，从热传导效率而言， 无论是氧气顶吹转炉还是电炉都不是最优的。

用其它形式的炉子可以获得较高的热传导效率，从铁矿的熔炼还原 过程所获得的数据也证实了这一点，象DIOS和HIsmelt。这些熔炼过 程包括必须经后燃烧在熔炼炉中矿物还原和某的气化时产生的CO而产 生能量，并包括将燃烧热传递到金属熔池和熔渣中以便提供装料加热和 铁矿还原成金属铁的吸热反应所需的能量。那些数据提供了熔渣/金属熔 池系统的热传导能力的一种度量。在DIOS系统中获得8×109KJ/小时 /m2(2×109卡/小时/m2)或更高的热流，这可从《钢铁制造者》(Iron& Steelmakers)1990年12月17卷12期T.Ibaraki等的论文报告的数 据计算出。

在熔渣和金属之上的空间区域内，也可以实现气相燃烧的能量传 导，但它并不象从熔渣到金属的能量传导一样剧烈。表10比较了气相 中及熔渣和金属之间可能传导的能量流。

                     表10

               热传导需要量

结果              103KJ/小时(千卡/小时)

熔池中需要能量    4.0×107(9943494)

渣中可得到的能量

无补充能量        -3.45×107(-8634903)

有补充能量        -3.87×107(-9675074)

来自气体的需要能量

无补充能量        5.23×106(1308591)

有补充能量               1.07×106(268420)

可达到的热流，           103KJ/小时/m2(千卡/小时/m2)

由渣到池(熔炼过程数据)   8×106(2000000)

由气到渣(计算值)         6×105(150154)

热传导所需面积，m2

由渣到池                 4.97

从气到渣，无补充能量     8.71

从表10可以看出，从气体到熔渣的热流远低于从熔渣到熔池的热 流，这种从气体到熔渣的热传导的影响将导致需要很大的容器，从而为 获得合理体积的容器，有必要使从后燃烧反应直接到渣相的能量释放尽 可能最大。

正如上面提到，第一阶段反应器的金属熔池中没有必要保持任何化 学品浓度梯度。因为熔池中大量CO的生成以及碳化铁的熔化和溶解， 搅拌能量的强度是非常大的，并且熔池总是被充分混合的。表11给出 了在第一阶段反应器中典型的混合能量强度计算数值。

                      表11

               第一阶段反应器混合能量强度

    Fe3O4还原生成的CO Nm3/分钟     18.41

    吹入氧气生成的CO Nm3/分钟        89.63

    生成CO合计Nm3/分钟               108.4

    混合能量，瓦/吨                   35542

    基于Nakanishi等(1)的混合时间，秒 12

    基于kato等(2)的混合时间，秒      22

    CO喷吹速率，Nm3/吨-秒            3. (1)钢铁制造(Ironmaking & Steelmaking)，(1975)3卷， 193页 (2)Kato，Y，Nakanishi，K.，Saito，K.，Noxaki，T.，Suziki，K. and Emi， T.，Tetsu-to-Hagane，66，(1980)，11，S881

第一阶段反应器优选地以连续的方式操作，连续地装入碳化铁、 氧和燃料，连续地出金属和炉渣(然而，也可以以半连续的方式操作， 初始液体料最小，向其中连续加入碳化铁材料，稳定地增加容器中的金 属量，直到间歇地放出。这样的操作需要深一些的容器。)可以想到第 一阶段反应器拥有三个分区域：气体、炉渣和金属熔池。在稳态下，每 一区域都有必须满足的能量平衡。对于金属熔池而言，固体碳化铁被直 接喷入熔池而氧气通过浸没式风口吹入。尽管碳化铁中的碳被氧气连续 地氧化成CO，在金属相释放热能，但仍然没能释放出足够的热以提供 显热及熔化和溶解碳化物的溶解热。这样，热必须从熔渣相传送至金属 相。这种热必须来自通过后燃烧枪和燃烧器在熔渣相从CO到CO2的燃 烧。燃烧器优选地燃烧从第二阶段精炼容器中回收的CO，或利用象 天然气一类的另一种燃料。熔渣的组成优选容易泡沫化并使得在泡沫熔 渣中易发生燃烧，从而在熔渣相中保持燃烧热能，热能可以容易地从渣 相传送到金属相。第一阶段反应器蒸气空间中的氧气受到限制，并且在 泡沫熔渣中任何未燃烧的CO通常将在反应器外燃烧，例如在象上面解 释的后燃烧室/热交换器24中燃烧。针对不同操作条件的分区域，已做 出能量平衡的计算，并且也已计算出传导满足区间热平衡所需热能的区 域之间的面积。以这些面积为基础，达到给定产出率的容器的尺寸也得 到了。表10是这种计算的一个实例。

在第一阶段反应器中金属熔池中的碳浓度被保持在需要的水平以 保证放出并向第二阶段反应器传送。第二阶段反应器是一种管道型连续 精炼容器，具有一组浸入式氧风口，当金属从一个氧风口流向另一个氧 风口时，铁碳合金中的碳含量优选稳定地下降。或者，第二阶段反应器 也可以是一个充分混合的反应容器，氧气被连续地吹入金属熔池以在钢 产品中将碳含量一直保持在希望的水平。此外，第二阶段反应器可以是 半连续反应器，第一阶段产品和气态氧稳态装入该反应器，但并不放出 直到重量和碳含量等于所希望的钢批量和组成。在所有三种情况下， CO都被收集起来而未被空气稀释以在第一阶段用作燃料。

第二阶段放热反应是自热的，不必提供燃料，如果例如(1)从 第一阶段进入的铁碳液体中的碳含量大约为1.35％，进入温度大约为 1520℃，而最终钢的碳含量为约0.05％，钢的温度大约为1670℃；或 (2)进入的液体合金碳含量大约为1.0％，温度大约为1500℃，而钢 的含碳量为约0.05％，钢温度大约为1650℃。在表2的区域A示出的 从第一阶段进入的铁碳液体的温度和组成的一般限制范围内许多存在 的这类组合会导致自热的第二阶段。在其它情况下，如果需要补充热 能，后燃烧氧气可以被引入第二阶段反应器的蒸气空间内以燃烧一部分 CO。

富含CO的气体以钢的温度离开第二阶段反应器，因为它是在钢池 中产生的，并且优选地没有氧气加入到气相。如果利用连续流程的反 应器，氧气风口可间隔1.0-1.5米，金属流通过的通道必须有这样的横截 面积：使金属塞流的速度至少达到约0.5-1米/分钟，以防止回混。这种 容器某一部分的混合模型在图3中显示。正如图中显示的，标注的向 上的速率是指每个风口正上方的金属。围绕风口上上升的每个金属卷流 都有一个不同的循环图样，这样的图样具有由容积几何形状决定的金属 的充分向前流动，有效地减小反应器中的回混并在池中形成了碳的浓度 梯度。

第二阶段反应器是完全封闭的，从而从池中发散的CO就能被收集 而不会暴露在空气或其它氧气源中。象第一阶段反应器一样，第二阶段 反应器也是有耐火衬的，以使热量损失最小。

如果第二阶段反应器以半连续的方法操作，则必须设置间断地开关 金属放出口的装置。在这种情况下，没有必要从一端到另一端保持碳的 浓度梯度，容器可被作为一个充分混合的反应器来操作。

应用上面描述和举例的数据，可根据表2中的条件设计一个系统， 以用于从碳化铁中生产50,000kg/小时的钢。在图4、5和6示出这样的 一个示例性第一阶段反应器，该第一阶段反应器与相应的第二阶段反应 器相结合，能够以上述这样的速率生产含有约0.05％碳且温度约1630 ℃的钢。如图4所示，在平面图中第一阶段反应器通常是矩形的，并且 有一个象图6所示的圆底44。第一阶段反应器也可以例如如图6所示 是可倾动的，它可以跨在辊46上，利用电机49(图5)驱动、通过齿 轮箱48利用驱动轴47可以倾动该反应器。反应器的倾动动作有助于液 面下风口17的运行和维护以及炉衬的更换等等。

图4中装有耐火衬的反应器1在渣管道处有约2米的内宽和约5米 的内长。在稳定操作中，从底部最低点至金属熔池表面的距离约0.7米； 从底部最低点至渣顶的距离约2.5米(稳定操作时金属池之上的渣沫深 度优选不超过2.0米)，并且从底部的最低点到顶部内表面约4.0米。

通过一根单独的喷管、它可能是简单的钢管51，连续保持着碳化 铁(表1)的1000kg/分钟的稳定供给量。碳化铁喷吹具有这么高的速 率，以塞流操作第一阶段反应器是困难的或是不可能的。事实上，正如 上所述，在第一阶段反应器中，碳化铁供料直接喷吹进入金属熔体对于 在第一阶段反应器中充分混合反应起了很大的促进作用。也正如上所 述，这是盖氏专利5,139,568的另一个不足。喷枪51是可缩式的并浸入 到金属池中，例如在操作中至少在渣下30cm。碳化铁的致密相流动被 保持，并有45.4千克(100镑)碳化铁对0.454千克(1镑)载体气体的典型比 率。载体气体优选地为二氧化碳或氮气，稳态下池中金属的重量是32吨。

能够用氧气燃烧来自第二阶段反应的高达1200Nm3/小时一氧化碳 的燃烧器19被安装在反应器最靠近第二阶段反应器的端壁且在底部最 低点之上约2.3米，而且以约30度的角度向下倾斜。燃烧器19也装备 有一个天然气供应管道20，以使天然气能以约2×1010KJ/小时(5×106 千卡/小时)的最大总能量输入速率取代CO。

天然气/氧气燃烧器12以相似的方式安装在CO燃烧器的对侧端， 并能以O到2×1010KJ/小时(5×106千卡/小时)的速率输入能量。

4到8个浸入式气体屏蔽的风口17被安装在炉子底部，使得约 40.8-45Nm3/分钟的氧气被连续注射，氧气在这些风口之间均匀分配，一 起喷入的约6.8-8.0Nm3/分钟的天然气或10.2-11.2Nm3/分钟的CO2或N2作为氧枪冷却剂，也在各风口之间均匀分配。

4-8支后燃烧枪18使得约35Nm3/分钟的氧气被喷入，氧气可以在 氧枪间均匀分配，氧枪被放置在反应器1的侧壁上、例如在熔池之上约 1米，即在泡沫渣层内。这些氧枪以一个如约25～30度的角度朝下倾 斜，朝向金属熔池并深入渣层中。这样喷射入的氧气用于使第一阶段反 应中产生的CO在泡沫熔渣中后燃烧生成CO2。

金属从放出口52被连续放出，且金属熔池面在稳定操作期间保持 在约0.7米。

炉气、主要是CO2和烟尘通过滑动密封件53(图4和5)从第一 反应器中除去，该滑动密封件阻止空气的大量进入并与排出管23连接。

反应器被设计成能使得放出、气体注射和废气的去除在基本上没有 空气进入的情况下实现，从而降低废气处理的投资和氮氧化物形成。

从耐火衬修理简易考虑，反应器顶部的那一半可以做成可更换的。

中间物铁碳合金(一般具有1.0-1.5％C成分和1490-1540℃的温 度)在无渣和尽可能少的温度损失下从第一阶段反应器转移到第二阶段 反应器。为此目的，来自第一阶段的熔融金属被转移，例如通过一个可 倾动的分流槽或者中间贮存罐(未示出)。或者，熔融金属或其一部分 可以被取出并以生铁和微粒的形式被固化。第一阶段反应器的热平衡被 列入下面的表12中，其条件详述于表6中。

                  表12

             热平衡-第一阶段 热输入              103KJ/小时       热输出              103KJ/小时

                (千卡/小时)                           (千卡/小时) 废钢                    0 碳化物中的Fe3C      -1.69×107        CO2               2.24×107

                (-4221 205.88)                        (5603686.36) 碳化物中的Fe3O4    -1.26×1O6        CO                 1.48×106

                (-316767.64)                          (369827.96) 碳化物中的SiO2      -8.81×105     中间物Fe-C            6.31×107

                (-220231.96)                          (15782894.27) 来源于阶段2中        -6.25×104        渣                 8.55×106 CO2的少量热损失    (-15621.36)     (如2CaOSiO2)         (2138419.65) 来源于阶段2中       -2.50×105       灰尘                 1.75×106 CO的少量热损失      (-62453.86)                           (436281.24)

                                  反应式：              6.86×106

                             Fe3C＋Fe3O4＝15Fe＋4CO(1714063.08) 碳化物中的Fe        -7.82×104 (金属的)            (-19539.78) 反应式：            -6.85×107       反应式：             1.48×106 CO＋1/2O2＝CO2    (-17119880.14)     C(gr)＝C在熔液中    (370561.01) 造渣形成中的热      -3.14×106       热损失               1.31×107

                (-786938.43)                           (3283233.27) 反应式：            -2.27×107 Fe3C＋1/2O2＝3Fe＋CO(-5666999.29) 反应式：            -1.48×106 Fe3C＝3Fe＋CO      (-370270.60) 形成灰尘中的热      -3.60×106

                (-899057.91) 补充燃料所需能量     0.00 合计                -1.19×108                            1.19×108

               (-29698966.85)                         (29698966.85)

装有耐火衬的第二阶段反应器36是为了(1)通过气体屏蔽的底 部风口将氧气喷入熔融态金属流对来自第一阶段的液态铁碳合金进行 脱碳；(2)收集碳和氧反应生成的一氧化碳作为第一阶段的燃料以及 (3)将稳定的钢流放入收集钢包43中以为后续铸造进行温度和成分 调节。示例的第二阶段反应器更为详细的视图表示在图7A和7B，其中 容器的长度比其它两个方向的尺寸更长，底部氧气的吹入通过6个风口 38，这些风口限定了6个处理区域并且沿槽底部中心管道间隔开例如 1.06米。用Nm3/分钟表示的氧气流在几个风口区域可变化，优选地在各 个风口区在熔融金属内提供基本等量的搅拌能量，例如以如下氧气 流：区域1，4.04；区域2，2.18；区域3，1.39；区域4，1.74； 区域5，1.39；区域6，2.12。作为保护气体，0.15-0.23Nm3/分钟 的天然气或0.38-0.58Nm3/分钟的CO2，N2或Ar流向每个风口。在第 二阶段反应器中二氧化碳是优选的风口冷却剂，以防止未被化合的氢 气可能产生聚集并由此导致爆炸的危险，例如利用甲烷冷却剂可能发 生这种情况(第一阶段反应器则相反，那里吹入泡沫渣中的氧与氢化合 生成水)。在本实施例在第二阶段反应器中，这样的氧气风口的数量和 间隔是最优的，以达到预期的脱碳水平，并保持炉内金属溶液驻留时间 较短以防止回混和吹穿问题。图8示出金属驻留时间与第二阶段反应 器的风口数量的关系，这里引入第二阶段反应器中的中间物铁碳合金中 的碳含量是1.5％，而最终铁碳合金中的碳含量是0.01-0.5％(重量)。 正如所示，可利用六个风口使获得该最终碳含量的驻留时间尽可能短。 如上所示，到每个风口的氧气流可根据需要被分别控制以从反应器入口 到出口端保持一个所期望的碳梯度。在任何情况下，注入钢池中的全部 氧气必须处于基本上为化学计量的配比量以将池中碳含量降至期望的 水平。在最后两个风口进行例如大约0-1.5Nm3/分钟的氩气喷入。

示例的第二阶段反应器被显示在图7A和7B，它可以沿下游方向稍 稍倾斜(例如大约1％)以助于金属流动，并且邻近于反应器装料端具 有第一部分耐火通道60，该通道比邻近反应器出口端的第二部分通道 61更宽、更深。例如，第一部分通道60、区域1和2的内部尺寸确定 了该部分中金属熔池的尺寸：可为约1.02米宽、0.61米深并有2.77米 的长度。第二部分61、区域3-6可有一个约0.61米宽的通道、0.41 米的熔池深度和约4.11米长。这样的一个容器可调节沿反应器长度方向 的活塞式流动中的熔融铁碳合金连续流动。在第二个较窄部分61中的 活塞式流动速率约为0.5-0.6米/分，全部金属流大约是51000kg/小 时。这样的反应器结构也能够降低液态金属熔池的泼溅(液态金属表面 的共振波)。1450-1550℃、优选为约1520℃的温度进入第二阶段 反应器的金属以大约1630-1670℃的温度从反应器中出来。

上述实施例中第二阶段的分段热平衡依据表6示于下表13中。

                         表13

                    第二阶段热平衡

热输          103KJ/小时   热输入    103KJ/小时

              (Kcal/小时)             (Kcal/小时) Fe-C中间产物用    -6.31×107    钢       6.75×107 Kcal/Kg           (-15782894)             (16875560) 反应式：          -4.66×106   灰分      6.82×105 C(gr)＋O2＝CO2  (-1165818)              (170375) 反应式：          -5.24×106    CO       2.50×106 C(gr)＋1/2O2＝C  (-1309754)              (624526) C的溶化           -1.15×106    CO2     6.24×106 

              (-286808)               (156023)

                           热损失     2.87×106

                                      (718611) 合计              -7.42×107             7.42×107

              (-18545275)             (18545275)

如同第一阶段反应器的情况，第二阶段反应器被设计成得以防止空 气的进入，从而并不燃烧反应产生的CO。从而，象在第一阶段反应器 一样，熔融金属的进出通过浸入式放出口或虹吸管实现。

从第二阶段反应器36中出的气体处于熔融金属的温度，例如约 1630℃，它们在水冷却器41中冷却而可用于以例如约137.8KPa(20psig) 的压力提供给第一阶段CO燃烧器19。如上所示，来自第二阶段反应 的烟尘基本上是纯铁，它在细分的(例如大约1微米)状态时是自燃性 的，所以必须小心防止空气或其它来源的氧气接触这种材料，因为在氧 气存在的条件下，它将在大约100℃以上的温度下燃烧。

第二阶段工艺装入的原料是足够纯的，因此，如果需要助熔剂，也 是非常少的。在第二反应中形成的少量渣被周期性地从第二阶段反应器 通道的装料端放出。

金属流可以短时间停止以适应从一个收集器向另一个收集器的转 换，或者当从第一阶段的装料有一个延迟时。

在上述实施例中，钢包43能够容纳60000kg钢，并保持钢的温度 在约1600，为此目的，钢包43需要装备一个盖子(未示出)，通过 它可以插入一个燃烧器。

第二阶段反应器的紧急倒空可以利用分流放出槽(未示出)进行调 节。

可将来自第一阶段和第二阶段反应器中的废气取样以连续地分析 CO和CO2，流量计和控制器安装在所有的氧气和天然气管道上，并借 助程序逻辑控制器(PLC)提供从气体分析器到流量控制器的动态反 馈。

所述两阶段反应对于本发明从碳化物到钢工艺的有效操作是决定 性的。正如上述的特定实施例中描述的，第一阶段反应器是充分混合反 应器，没有必要并确实不可能沿着反应器长度方向保持成分梯度，从而 导致热平衡和工艺控制的简化。第二阶段也可以按一个充分混合反应来 进行操作，但优选保持塞流或层流，从反应器进口端到出口端有碳成分 梯度。将从该第二阶段反应中产生的至少大部分CO收集起来而在第一 阶段反应器中燃烧是必要的，优选地在泡沫熔渣层中燃烧，使得在第一 阶段反应器中从渣到熔融金属的热传导效率最高。用这种方法，从第二 阶段反应中生成的CO的最大能值被挖掘，并且第一阶段的反应也基本 上能够自热进行。

本发明方法的上述实施例中，相应的物料总平衡也根据表6显示。

                         表14

                      物料总平衡

         流量            数量

                       Kg/小时

    碳化铁供料              57100

    熔剂                    3426

    钢                      50000

    渣                      5525

    灰土                    1114

    脱碳氧气，阶段2         1190

    脱碳氧气，阶段1         3166

    后燃烧氧气，阶段1       4082

    废气，阶段1             12416

为用于实际商业生产，包括第一和第二反应器的单一单元的生产率 可为25-200、特别是50-150吨/小时，对于较大的生产率来说，若干这 样的单元可平行地安装。

第一阶段反应器的装料除了碳化铁材料之外还包括多达50％的成 分，象废钢、生铁和预还原矿。在这种情况下，如果非碳化物的装料部 分是主要的话，则通常需要一些补充能量的投入、例如燃烧天然气、油 或煤。

通过将本方法分为两个独立阶段并且在连续稳态操作期间消除在 第一阶段保持浓度梯度的需要，本方法的操作和反应器的结构是非常简 化的。施行一个充分混合方法要容易的多。这样划分工艺步骤也能导致 这样的事实，即在第二精炼阶段所释放的、第二阶段反应自热进行并不 需要的气体中的能量可以得到充分利用，以提供第一熔化阶段自热进行 所需的能量。这种从第二阶段回收CO而在第一阶段充分利用解决了现 有技术中的这样一个问题、即：在适当地方适当利用工艺过程产生的气 体。

同样，通过将工艺分为两个阶段，还可以依据具体钢厂的需求来决 定精炼阶段是连续的、半连续的或是间歇的，以适应钢包炉或连铸操 作。

通过完全封闭，本发明的系统基本上可以消除污染，从第一阶段产 生的灰尘可以被捕捉并返回到工艺过程，并且富含CO2的废气可以冷却 并收集用于其它用途或出售。

作为一个连续的工艺，年生产能力的吨钢资金成本可以降低。

作为一个基本上自热进行的工艺，运营成本可比其它炼钢方法低。

本工艺可以以尽可能少的所需附加燃料利用备好的废钢，而不会大 幅度提高成本。

背景

本申请是1994年12月20日提交的申请序号为No.08,359,601申请 的部分继续申请。