耐火材料壁、包括这种壁的冶金炉及使用这种壁的方法

摘要

一种耐火材料壁结构,适合于在含有高FeO含量的熔渣的相当高的热负荷及高磨损的环境条件下用在冶金炉中用来以熔化还原法连续生产粗铁,所述的壁结构从外到里包括:(1)一钢套;(2)一铜的水冷壁;(3)多个铜的水冷凸耳,朝着内部延伸;(4)一耐火材料炉衬,座放在凸耳上。

说明书

本发明涉及耐火材料壁结构，特别适合用在有高FeO含量的熔渣的相当高的热负荷及高磨损环境的条件下用熔化还原法连续生产粗铁的冶金炉中。本发明也涉及冶金炉及连续生产粗铁的方法，特别是在旋风式转炉熔化还原法中的最终还原的方法。

按照现有技术，粗铁在高炉中生产。在该方法中铁矿石借助焦炭来还原。已经开发出不同的直接还原铁矿石的方法，但还没有工业应用。最有希望的是所谓的熔池中熔化还原法。这个方法的“细脖子”问题是进行还原成粗铁的冶金炉的耐火材料壁结构的寿命问题。这是由在约1700℃温度下有FeO存在的相当高的热负荷和高的磨损环境所决定的。在高炉中有同样的但不那么严峻的条件，其中热负荷为300,000W/m²，耐火材料壁结构在工作条件最恶劣的部位从外到里包括护板和耐火砖炉衬，例如由冷却元件冷却的含SiC的耐火砖。现有技术的冷却元件是可移动地移进炉衬中的所谓的冷却板，或者是构成护板及炉衬之间的水冷壁的所谓的狭板。现时，用该结构寿命可达到10年。采用熔化还原法，热负荷更高，局部甚至可到2,000,000W/m²。因此用已知的高炉的炉壁结构，不能得到可接受的寿命。

本发明的目的是提供一种具有可接受的使用寿命的用于直接还原法的炉壁结构。

为实现本发明的目的，本发明的壁结构从外到里包括：(1)钢套，(2)铜的水冷壁；(3)向里延伸的铜的水冷凸耳；(4)座放在凸耳上的耐火材料炉衬。

采用这种基本结构，由于最大的热接触在炉衬和铜的水冷壁及凸耳之间，因此可以得到有低热阻的耐火材料壁结构。因此，甚至在高的热负荷下，有好的稳定的残余炉衬厚度，因而有长的使用寿命。冶金炉中发生铁矿石还原的条件最恶劣的区域是浮在粗铁熔池上的含高的FeO含量的熔渣层。在该处炉衬磨损到平衡的残余厚度，其上凝固着一层渣，该渣层起到磨损及隔热层的作用。该凝固渣层阻止炉衬被侵蚀，该结构可阻挡进一步的侵蚀。凸耳的冷却改善了耐火材料结构的使用寿命。

最好，凸耳是可垂直移动的。这一特点的优点在于冷装配时，耐火材料壁结构可在其自身的重量下沿垂直方向固定，使得水平的连接尽可能闭合。

最好，凸耳在顶部向上斜向向里延伸，在底部向下斜向向里延伸，凸耳在壁的高度上分布。这一特点的优点在于炉衬相对于铜的水冷壁固定。

最好，铜的水冷壁包括板，这便于铜的水冷壁的制造及装配。

最好，在宽度或圆周方向上，在高度上凸耳错开排列。这带来使冷却水进出水管的通道在钢套上均匀分布和避免它们聚在一起。

最好，炉衬不用耐火泥浆支承在凸耳上，和炉衬不用耐火泥浆支靠在水冷壁上。这样避免了由于充填耐火泥浆的连接引起的高热阻，而可允许高的热负荷。

最好，炉衬包括热传导系数为60-150W/m·°K的石墨块和/或热传导系数为30-60W/m·°K的半石墨块。由于有高的热传导系数，热阻小，因此可以允许高的热负荷。

在一个替换的实施例中，炉衬最好包括耐火砖，更优选地为炼钢转炉或电炉用的耐火砖，最优选地为镁砂-碳砖。这些炼钢用的砖具有高的耐磨性。

最好，从外到里，炉衬包括支靠对着铜壁的石墨层及一耐火砖层。采用这个实施例，一当平衡厚度建立，炉衬包括一层耐磨的耐火砖和一层低热阻的石墨层。

最好，壁从底部到顶部往后倾斜。这改善了炉衬的稳定性。另外，这一增宽的形状的效果使在冶金炉中渣层水平变化很小。

最好，铜壁和/或铜凸耳由含≥99％Cu和热传导系数为250-300W/m·°K的紫铜制成。这一点使得这些元件有可接受的低的热阻。

最好，钢套构成有压力的冶金炉的一部分并且铜的水冷壁和水冷凸耳的冷却水进出水管穿过钢套的通道在装配壁时被密封。这使熔炼过程可在过压下进行。

最好，壁耐300,000W/m²以上的热负荷，及耐约1700℃下含有约10％重量的FeO的渣的侵蚀，壁的连续使用寿命至少为六个月。这使得炉壁可在高磨损环境下高的热负荷条件下工作而有可接受的使用寿命。

在另一方面，本发明具体体现为一个包括本发明的耐火材料壁结构的冶金炉，特别是用于旋风式转炉熔化还原法的最终还原。

在另一方面，本发明具体体现为一个使用本发明的耐火材料壁结构的，连续生产粗铁的方法，特别用于在冶金炉中进行旋风式转炉熔化还原法的最终还原。

下面参照非限制性的附图说明本发明，附图中：

图1示出耐火材料壁结构组件的垂直纵剖面；

图2示出按照图1中箭头I方向看的耐火材料壁的视图；

图3示出未装配状态下的水冷铜壁板和水冷铜凸耳的亚组件；

图4示出装配状态下的水冷铜壁板和水冷铜凸耳的亚组件；

图5示出在钢套中冷水进出水管通道的密封的细节。

附图示出了本发明的一个实施例，其用于一个冶金炉，其中借助旋风式转炉熔化还原法把矿石还原成粗铁。但是，本发明不限于这一应用，而也适合其它在有FeO而有高的热负荷和/或高磨损的情形下还原铁矿的方法。

图1示出一个按照本发明的耐火材料壁结构1，该结构构成冶金炉的一部分。图中标号2表示在冶金炉中浮在粗铁熔池3上的渣层的水平，而标号4，5分别表示渣层的最低及最高的水平。

耐火材料壁结构包括一钢套6、一个铜的水冷壁7、水冷凸耳8及炉衬9，在图1的情形下，炉衬9由石墨块10和耐火砖11组成。

图1中示出耐火材料壁结构相对铅直面V从底部到顶部往后倾斜。沿高度方向，铜的水冷壁7包括两块板12和13。各板设有四个凸耳8。在每两个凸耳之间放六个石墨块。在各情形下，在石墨块前面放有相等数量的耐火砖。钢套6继续到耐火材料壁结构的上下方，在冶金炉中，它还设有耐火材料结构14、15，该结构的特性与本申请无关。耐火材料壁结构1的重量至少部分为处在其下方的耐火材料结构15所承受。板12、13内部设有带接头17、18的水冷管16用来供入及排出冷却水，冷却水穿过钢套6传送到冶金炉的外面。凸耳8也在内部设有水冷管19，带着管接头20，朝向冶金炉的外面。凸耳8在顶部向上斜向里面，在底部向下斜向里面。与高炉的壁结构不一样，在高炉中耐火砖炉衬用耐火泥浆粘结起来，而在本发明中，炉衬9不用耐火泥浆放在凸耳8上，并且不用耐火泥浆靠在水冷壁7上。水冷壁7及凸耳8用含≥99％Cu的紫铜制成。石墨块10的热传导系数为60-150W/m·°K。耐火砖11是镁砂-碳砖。

图2示出耐火材料壁结构的圆周的一部分，其中炉衬9省略了。该部分包括四块板12A、12B、13A和13B，各板为约2.4m高及1m宽。在圆周方向上，在高度上凸耳8相互错开排列。

水冷进出水管17、18的数目在图3示出板21有四根内部的水冷管。为了放凸耳8的冷却水进出水管20，在冷却板21中设有凹槽22，图3中只示出了一套(图1中示出每板有四个凸耳8)。

图4示出在装配状态下的冷却板21和凸耳8。

图5示出凸耳8的冷却水管20穿过板21和钢套6的通道，其中在耐火材料壁结构的冷装配后，借助板24焊到管20和钢套6上，可产生密封。混凝土衬里23可放在板21和钢套6之间。在管20和板21之间及管20和混凝土衬里23及钢套6之间的松间隙中留下的空间25充填耐火泥浆或毡。

本发明的耐火材料壁结构能抗高于300,000W/m²的热负载，及抗1700℃下含约10％FeO的渣的侵蚀，寿命至少为六个月。

本发明的效果是冶金炉(或至少其渣区)不需要频繁地更换及修理，并且有可与现代高炉可比较的寿命。