一种圆形隧道式转底炉及炼铁方法

1.一种圆形隧道式转底炉，是由A.圆形隧道式炉体、B.移动接触装置、C.动车式水冷旋转炉底和D.多层料盘车4部分组成，其特征是：A.圆形隧道式炉体，是一个横断面为隧道式，俯视为正圆形的炉体，并按着工艺顺序分为如下4个阶段，A1.预热段，该段的进料口设有气幕装置，在炉膛顶部设有与还原段连通的列管式空气预热器(6)；A2.还原段，该段的两侧炉墙设置煤气烧嘴和煤粉烧嘴组群(33、34)，其中煤气烧嘴设于还原段初端，烧嘴的竖排数量与燃烧室层数相同，设置至少1排，横排数量是以还原时间和炉底转速为参照，并留有2～10个烧嘴余量，在炉膛顶部设有与预热段连通的列管式空气预热器(6)；
A3.冷却段，该段的出料口内端设有气幕装置和微正压冷煤气输入装置，在冷却段初端两侧炉墙的外部，设有热煤气风机；A4.排料装料段，该段设置于冷却段和预热段之间，并取消了旋转炉底上部的炉墙和炉盖；B.移动接触装置，是由如下4部分组成，B1.砂封槽，该砂封槽(26)与旋转炉底的砂封刀(27)配合，设置于两侧炉墙内侧中部；B2.水封槽，该水封槽(16)与旋转炉底的水封刀(15)配合，设置于砂封槽下部；B3.圆形钢轨，该圆形钢轨(7)与炉体同一圆心，铺设于炉体最底部；B4.环形电线，该环形电线(9)与动车设置的移动电源接触器(8)结合，组成移动供电装置，设置于水封槽底部；C.动车式水冷旋转炉底，是由两节以上首尾连接的动车组成，并与圆形炉墙和圆形钢轨同一圆心，所述动车是由如下6部分构成，C1.砂封刀，该砂封刀(27)采取相互连接的方式，围绕在动车两侧，并与砂封槽配合；C2.水封刀，该水封刀(15)采取相互连接的方式，围绕在动车两侧，并与水封槽配合；
C3.移动电源接触器，该接触器(8)位于轨道轮上部，并与环形电线配合；C4.隔热支撑装置，该装置位于水冷炉底(19)上部，是由支撑墙(23)、隔热填料(24)和承重板(25)构成；
C5.循环水冷却装置，该装置是由水冷炉底(19)、水冷式动车电机(10)、 配备水冷电机的水泵(17)和水封槽(16)构成；C6.驱动装置，该驱动装置安装于水冷炉底底部，是由动车电机(10)带动蜗轮减速机(11)、传动轴(13)和两端的轨道轮(14)，实现炉底传动，所有轨道轮与传动轴的中心线都与圆形钢轨的中心点相交；D.多层料盘车，该多层料盘车是用耐火材料制造，料盘的平面形状与动车承重板(25)的平面形状相同，其中一层料盘(28)的底部装有耐火辊轮(29)在料盘底部设有八字形料盘底孔(35)；上下料盘之间是由耐火支柱(32)支撑，所形成的空间为燃烧室，燃烧室与两侧炉墙设置的烧嘴相对应，构成至少2层料盘的多层料盘车。
2.根据权利要求1所述圆形隧道式转底炉，所述进料口和出料口设有气幕装置，其特征是：由风刀室围墙(36)、风刀室隔墙(37)和工艺门(38)构成两个风刀室，风刀(39)两个为一组，分别安装于两个风刀室中，该两组风刀，其中一组工作，另一组备用；上述风刀与多层料盘车侧面相对应，所喷射的高压气体横切炉膛断面，形成高压气幕；由导气室围墙(40)、导气室隔墙(41)、下隔板(42)和上隔板(43)构成导气室(44)；气幕尾气进入导气室后，经过高压风机(45)增压后，通过高压风管(46)向风刀(39)供气，形成气体循环；上述气体，是利用经过净化处理的还原炉尾气，该尾气是通过供气管(47)供应或补充，少量散落于外部的气幕气体，进入气幕室封盖(48)所形成的空间，并由排气管(49)排出。
3.根据权利要求1所述圆形隧道式转底炉的炼铁方法，是采用相同的转底炉运转工艺，选择不同的还原炉料、还原温度和还原时间，从而获得不同的产品，其特征是：a.转底炉运转工艺，是由炉料干燥预热、炉料高温还原、炉料冷却和炉料装卸工序组成；a1.炉料干燥预热，是采取湿球团或平铺粉料，直接进入还原炉的干燥预热段，并利用还原段输出的烟气热能，对炉料实施干燥预 热，空气预热器(6)内的空气也同时得到预热；a2.炉料高温还原，是采取以煤粉燃烧为主，煤气燃烧为辅的方法，为炉料还原提供所需热能；所述煤气是利用冷却炉料而获得高温的热煤气；煤粉和煤气燃烧所需空气，是由列管式空气预热器提供的高温空气；a3.炉料冷却，是利用冷却段末端输入的微正压冷煤气，对高温炉料实施冷却；a3.炉料装卸，是采取多层料盘车牵引到料场实施卸料和装料；b.含碳球团炉料，是利用一种免除造球粘结剂并包裹一层防氧化外壳的含碳球团为炉料，并采取免除球团干燥工序，将湿球团直接入炉还原的生产工艺；c.粉料平铺炉料，所述粉料平铺炉料是将重量比为90％～99％的煤粉或碳粉与0.1％～5％的白云石或石灰混合，制成具有脱硫功能的还原剂；还原剂平铺于料盘底部，压实厚度为30～60mm，形成还原剂层；采用69％以上品位的低硫磷铁精矿粉作为还原炉料，平铺于还原剂层上面，压实厚度为30～60mm，形成矿粉层；采用消石灰、粉煤灰、粘土和适量水混合成乳膏状，作为防氧化涂料，喷涂于矿粉层表面，形成0.5～3mm的防氧化层；d.渣铁分离法，是在其它工艺相同的基础上，完成直接还原铁所需温度和时间后，继续升温至1500～1550℃，并保持6～10分钟的渣铁分离时间，最终获得的产品，达到钢的标准。

一种圆形隧道式转底炉及炼铁方法\n技术领域\n[0001] 本发明所属冶金领域，涉及非高炉炼铁的一种圆形隧道式转底炉及炼铁方法。\n技术背景\n[0002] 铁矿石直接还原与熔融还原是非高炉炼铁方法的两大课题，其中直接还原铁具有化学成分稳定等诸多优点，是电炉冶炼优质钢及特种钢的理想原料，低成本高产能的直接还原铁生产工艺是“以煤代焦”钢铁生产的重大课题。现今我国生产直接还原铁是以煤基法为主，其主流工艺有隧道窑法、回转窑法、转底炉法和竖炉等方法。上述方法虽然能够生产出合格产品，但都因为产量低、投资大、成本高、能耗高和环境污染等问题，严重地阻碍着直接还原铁的应用和发展。\n[0003] 本发明是以破解已有直接还原铁窑炉产量低、成本高、能耗高和投资大等技术难题为目的，提供一种产量高、成本低、效率高、投资较少并节能环保的一种圆形隧道式转底炉及炼铁方法。\n发明内容\n[0004] 1.圆形隧道式转底炉。\n[0005] 所述圆形隧道式转底炉包括：圆形隧道式炉体、移动接触装置、动车式水冷旋转炉底和多层料盘车。\n[0006] 1.1圆形隧道式炉体。所述圆形隧道式炉体是由建筑材料、耐火材料、隔热保温材料和配套设备构成的一种横断面为隧道式，俯视为正圆形的炉体，并按着工艺要求将其划分为四个阶段。1.1.1预热段：所述预热段的进料口设有气幕装置，其作用是在保障炉料入炉畅通的前提下，阻断炉体内外气体流通；在该预热段炉膛顶部，设有与还原段连通的列管式空气预热器，其作用是利用该段的余热，对列管内的空气实施预热。1.1.2还原段：所述还原段两侧炉墙设有煤气烧嘴和煤粉烧嘴组群，其中煤气烧嘴位于还原段初端(靠预热段一侧)；所实施的煤粉燃烧是为炉料还原提供热能的主要措施，煤气燃烧起到辅助作用；烧嘴组群的竖排数量与燃烧室层数相同，至少设置1排，横排数量是以还原时间和炉底转速为参照，并留有2～10个余地，以便用于调节烧嘴的燃烧数量，适应不同的还原温度和还原时间；在该还原段炉膛顶部，设有与预热段连通的列管式空气预热器，其作用是进一步加热列管内的空气。1.1.3冷却段：所述冷却段的出料口设有气幕装置，其作用是在保障炉料排出畅通的前提下，阻断炉体内外气体流通；在冷却段末端(靠排料口一侧)两侧炉墙的中上部，设有冷煤气输入装置，其作用是向冷却段输入微正压冷煤气；在冷却段初端(靠还原段一侧)两侧炉墙外部，设有耐高温的煤气风机，并通过保温管道与煤气烧嘴连通，其作用是抽取完成冷却炉料的热煤气，供煤气烧嘴燃烧。1.1.4排料装料段：所述排料装料段位于冷却段和干燥预热段之间，该段取消了旋转炉底上部的炉墙和炉盖，使进入该段的多层料盘车处于裸露状态，以便于排料和装料。\n[0007] 1.2.移动接触装置。所述移动接触装置，是动车式水冷旋转炉底在炉膛内运转时，移动部件与固定部件相互接触的装置，该装置包括砂封槽、水封槽、圆形钢轨和移动接触供电装置。1.2.1砂封槽：该砂封槽设置于炉墙内侧中部，其作用是利用槽内装填的耐火沙粒与旋转炉底设置的砂封刀配合，起到在移动接触过程中，阻止火焰向下部传播的作用。\n1.2.2水封槽：该水封槽设在砂封槽下部，其作用是利用槽内的循环水与旋转炉底设置的水封刀配合，起到在移动接触过程中，阻止炉内气体外泄和向水冷系统供水的作用。1.2.3圆形钢轨：该圆形钢轨铺设于炉体最底部，与炉体同一圆心，其作用是为旋转炉底提供运行轨道。1.2.4移动接触供电装置：该移动接触供电装置设在一侧砂封槽底部，其电线围绕炉体架设，构成一组环形电线；设于动车上的移动电源接触器与环形电线移动接触，为旋转炉底提供动力电源。所述环形电线是由一台变频器控制，实现旋转炉底电机的变速。\n[0008] 1.3.动车式水冷旋转炉底。所述动车式水冷旋转炉底就位于炉膛底部的钢轨之上，其驱动原理与铁路客运“动车组”的驱动原理基本相同，是由2节以上动车组成一种首尾连接，并与圆形炉墙和圆形钢轨同一圆心的圆形旋转炉底，动车两侧装有相互连接的砂封刀和水封刀，每一节动车都装有独立的隔热支撑装置、循环水冷却装置、移动电源接触器和驱动装置。1.3.1砂封刀：位于动车上部的砂封刀，围绕动车两侧，插入炉体砂封槽的耐火砂粒中，起到阻止高温气体向下传播的作用。1.3.2水封刀：位于砂封刀下部的水封刀，围绕动车两侧，插入炉体水封槽的循环水中，起到封闭炉内气体的作用。1.3.3隔热支撑装置：该装置位于水冷炉底上部，是由支撑墙、隔热填料层和耐高温的承重板构成，起到隔热和承载料盘车的作用。1.3.4循环水冷却装置：为了防止电机和其它部件受炉底高温的影响，采用水冷炉底、水冷式电机、水泵和水封槽，构成循环水冷却系统，以便保障电机和相关部件在安全温度中连续运转。1.3.5移动电源接触器：安装于轨道轮上部的移动电源接触器，与围绕炉体一侧的环形电线移动接触，为旋转炉底提供动力电源。1.3.6驱动装置：\n安装于水冷炉底底部的水冷式动车电机，带动蜗轮减速机、传动轴和两端的轨道轮，实现炉底转动；由于所有轨道轮和轴的中心线都与圆形钢轨的中心点相交，从而实现水冷式旋转炉底沿着圆形轨道，平稳匀速循环运转，并在循环通过各个阶段的过程中，连续完成各个工序。\n[0009] 1.4多层料盘车。所述多层料盘车是用耐火材料制造，料盘的平面形状与动车承重板的平面形状相同，其中最下层料盘的底部装有耐高温辊轮，上下料盘之间由耐火柱支撑，其空间为燃烧室，燃烧室与炉墙两侧的烧嘴相对应，构成一种至少上下2层料盘的料盘车；\n装有炉料的料盘车由旋转炉底承载，并随同旋转炉底连续完成预热、还原、冷却和排料装料工序；在排料装料工序中，料盘车可利用其辊轮，脱离旋转炉底，到料场实施炉料装卸。\n[0010] 2.炼铁方法。所述炼铁方法是采用相同的转底炉运转工艺，而选择不同的还原炉料、还原温度和还原时间，从而得到不同的产品，其还原方法包括含碳球团还原法、渣铁分离法和粉料平铺还原法。\n[0011] 2.1转底炉运转工艺。2.1.1炉料的干燥和预热：装有湿球团或平铺粉料的多层料盘车，随着旋转炉底的转动，通过进料口和气幕，匀速通过预热段；由还原段产生的高温烟气，在排烟装置的引力下，与料盘车逆向运动，通过热交换效应，实现炉料的干燥并预热到\n400～700℃；在上述气体对炉料干燥和预热的同时，空气预热器中的空气也被逐渐加热；\n烟气携带的粉尘，绝大部分散落于料盘表面并随同炉料排出；由还原炉输出的最终尾气经过净化，部分作为气幕用气，剩余尾气通过烟囱排出。2.1.2焙烧还原：完成干燥和预热的炉料，随着旋转炉底的转动，匀速进入还原段；位于还原段初端两侧炉墙的煤气烧嘴，是由设于冷却段初端的煤气风机提供热煤气，由列管式空气预热器提供助燃的二次高温空气，向料盘之间形成的燃烧室喷射火炬实施燃烧，并将炉温控制在700℃以上，为煤粉燃烧做好铺垫；煤粉烧嘴是由磨煤喷粉机提供煤粉，由列管式空气预热器提供助燃的二次高温空气，向已被煤气加热到700℃以上的燃烧室喷射煤粉实施燃烧，使炉料达到还原所需要的温度，并保持相应的还原时间，即完成还原工序。所述还原时间，是采用调节横向烧嘴的燃烧数量和炉底转速实现。2.1.3还原炉料的冷却：完成还原工序的炙热炉料和煤粉燃烧产生的灰尘，随着旋转炉底的转动，匀速进入冷却段；位于排料口气幕内端的冷煤气输入装置，向冷却段连续输入微正压冷煤气，冷煤气与炙热炉料逆向运动并接触，实现热交换，最终由煤气风机引出并输送给煤气烧嘴燃烧，从而实现微正压煤气出入畅通、炉料余热回收与冷却和保障煤粉初燃所需炉温之目的。2.1.4还原炉料的排出与装盘：已还原炉料经过冷却段，温度降至70-50℃后，通过气幕进入排料装料段；处于裸露状态的多层料盘车，牵引至料场实施卸料和装盘，然后重新返回旋转炉底。卸出的还原炉料通过筛分，去除粉尘和残余物，即获得直接还原铁球团。\n[0012] 2.2含碳球团还原法。所述含碳球团还原法是采用65％以上的低硫磷铁精矿粉，利用已有造球技术，制造出一种具有免除造球粘结剂并包裹一层防氧化外壳的含碳球团”为炉料，采用免除球团干燥工序的湿球团直接入炉工艺，其还原温度为1100～1350℃；还原时间为10～20分钟，最终获得的直接还原铁球团质量，达到或超过国家一级标准。2.3渣铁分离法。所述渣铁分离法是在含碳球团还原法的基础上，继续加温至球团熔融而实现渣铁分离的工艺，其程序是：当防含碳球团温度达到1100～1350℃并保持10～20分钟的还原时间后，继续升温至1500～1550℃，并保持6～10分钟的分离时间，即实现炉渣和液态铁的分离，使最终得到的产品，达到钢的标准。\n[0013] 2.4粉料平铺还原法。所述粉料平铺还原法是将重量比为90％～99％煤粉或炭末和0.1％～5％白云石粉或石灰混合，制成具有脱硫功能的还原剂。还原剂平铺于料盘，压实厚度为20-60mm，形成还原料层；采用69％以上品位的低硫磷铁精矿粉作为还原炉料，平铺于还原料层上面，压实厚度为30-60mm，形成矿粉层；将消石灰、粉煤灰、粘土和适量水混合成乳膏状，为防氧化喷涂料；利用喷浆设备，将防氧化喷涂料喷涂于矿粉层表面，形成\n0.5-3mm的防氧化层，然后进入还原炉。该方法的还原温度与含碳球团法相同，还原时间则适当增加，最终经过分离得到的产品是高品位板块状直接还原铁，再经过深入加工，适用于粉末冶金领域。\n[0014] 本发明具有如下优点：\n[0015] 1、由于本发明多料层转底还原炉的技术方案，可设计出任意长度的炉体直径，能够为还原炉料在炉内连续完成干燥、预热、还原、冷却和余热回收工序，提供充足的空间和时间，从而实现湿球团连续入炉和还原球团连续出炉的快捷工艺，不但简化了工艺、减少了投资、而且适应大规模生产。2、本发明湿球团直接入炉工艺、空气预热器和微正压煤气与炙热球团的热交换工艺，节能减排效果显著。3、本发明采用的动车式水冷旋转炉底，将动力平均分配到每节动车，相对已有转底炉技术，不但减少了炉底旋转的阻力，而且保障了旋转炉底的平稳运行。4、本发明采用的多层料盘车和煤粉与煤气结合燃烧技术，与单料层燃气式转底炉比较，可数倍增加产能和大幅度降低生产成本。5、本发明的生产方法，可以生产出不同产品，有效地拓展了还原炉的用途。\n[0016] 附图说明及具体实施方案\n[0017] 附图1是本发明转底炉高温还原段的横向结构剖视图；\n[0018] 附图2是本发明转底炉进出料口气幕装置的横向结构剖视图；\n[0019] 附图3是本发明转底炉进料段气幕装置纵向结构的剖视图，和组合式料盘车入炉过程的俯视图。\n[0020] 附图序号名称：1耐火层、2保温层、3砌筑层、4拱形耐火层、5拱形保温层、6空气预热器、7圆形钢轨、8移动电源接触器、9环形电线、10动车电机、11蜗轮减速机、12动力输入轮、13主动轴、14轨道轮、15水封刀、16水封槽、17水泵、18吸水管、19水冷炉底、20出水管、21热水输出管、22冷水补充管、23支撑墙、24隔热填料、25承重板、26砂封槽、27砂封刀、28一层料盘、29辊轮、30二层料盘、31三层料盘、32支柱、33一层烧嘴、34二层烧嘴、35料盘底孔、36风刀室围墙、37风刀室隔墙、38工艺门、39风刀、40导气室围墙、41导气室隔墙、42下隔板、43上隔板、44导气室、45高压风机、46高压风管、47供气管道、48气幕室顶盖、49排气管、50a料盘车、51b料盘车、52c料盘车。\n[0021] 参见附图1\n[0022] 由耐火层1、保温层2、砌筑层3构成内外炉墙，由拱形耐火层4、拱形保温层5构成炉顶，由炉墙和炉顶构成圆形隧道式炉体。在炉膛顶部设有列管式空气预热器6，该空气预热器连通冷却段和还原段。动车式旋转炉底，就位于炉膛底部的圆形钢轨7上面，并沿着圆形钢轨路线循环运转。旋转炉底的驱动是由移动电源接触器8与环形线路9移动接触，向动车电机10提供动力电源。动车电机通过蜗轮减速机11的动力输入轮12，将动力传输给蜗轮，蜗轮再通过主动轴13，将动力传递给两侧的轨道轮14，从而实现动车沿着轨道循环运转。水封刀15插入水封槽16，实现炉内气体封闭。动车电机10和水泵17的电机都是采用水套冷却方式，其水套相互连通；1-2台循环水泵17在温控装置的自动控制下，通过各自的吸水管18从两侧的水封槽底部吸入冷水，增压后由动车电机10的水套底部输入，经电机水套顶部进入水冷炉底19；输入水冷炉底的循环水，通过插入水冷炉底顶部的出水管\n20，返回两侧水封槽16。水封槽内的循环水，是由温度控制器控制热水输出管21，将高温循环水排出炉外进行冷却；经过冷却的循环水，由冷水补充管22，返回水封槽。在水冷炉底顶部设有的耐高温支撑墙23，起到围阻隔热填料24和支撑耐高温承重板25的作用。用耐火材料制造的砂封槽26位于支撑墙23两侧，其内部装有流动性好的耐高温沙粒；位于承重板\n25底部两侧的砂封刀27，插入耐高温沙粒之中，起到封阻高温气体的作用。用耐火材料制造的多层料盘车就位于承重板25上面，一层料盘28的底部装有耐高温辊轮29；二层料盘\n30、三层料盘31或再增加料盘，都是由支撑柱32支撑。炉墙两侧的一层烧嘴33和二层烧嘴34或再增加的烧嘴层数，都与各层燃烧室相对应，并将燃料喷射于两层料盘之间形成的燃烧室燃烧。在二层以上料盘，都设有利于热传播的八字形料盘底孔35(渣铁分离法不设此孔)，各料盘装载的球团厚度为30～80毫米之间，其中二层料盘30，由于双面加热，所以装料厚度应高于顶层和底层料盘。\n[0023] 参见附图2，和附图3表示的进料段气幕装置。\n[0024] 所述进料段气幕装置和排料段气幕装置的结构和作用相同，是由风刀室围墙36、风刀室隔墙37和工艺门38构成两个风力室；风刀39两个为一组，分别安装于两个风刀室中，该两组风刀，其中一组工作，另一组备用。上述风刀与多层料盘车侧面相对应，所喷射的高压气体横切炉膛断面，形成高压气幕。由导气室围墙40、导气室隔墙41、下隔板42和上隔板43构成导气室44；气幕尾气进入导气室后，经过高压风机45增压后，通过高压风管46向风刀39供气，从而实现气体循环利用。上述气体是利用经过净化处理的还原炉尾气，该尾气通过供气管47供应或补充，少量散落于外部的气幕气体，进入气幕室顶盖48所形成的空间，并由排气管49排出。\n[0025] 参见图3\n[0026] 该图所表示的多层料盘车入炉过程是：a料盘车50是已经完成排料工序，并装满新球团，处于就位之前的状态；b料盘车51是已经就位于旋转炉底的状态；c料盘车52是通过气幕过程的状态。

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