CN104087700B - 气基竖炉制备海绵铁的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气基竖炉制备海绵铁的方法，包括：(1)向气基竖炉内加入氧化球团，气基竖炉具有还原段和冷却段；(2)将第一还原气体进行提氢处理得到氢气和富一氧化碳气体；(3)将第二还原气体和氢气混合并进行加热处理得到热态还原气；(4)将热态还原气输送至还原段内，并与氧化球团发生还原反应得到海绵铁和炉顶气；(5)将富一氧化碳气体输送至冷却段内，以便使富一氧化碳气体与冷却段内的海绵铁进行热交换和渗碳反应后向上进入还原段；(6)将炉顶气依次分别进行洗涤冷却处理、压缩处理和脱硫脱碳处理得到未反应的还原气；(7)将未反应的还原气的与第二还原气体混合。利用该方法可以有效降低气基竖炉直接还原工艺的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体而言，本发明涉及气基竖炉制备海绵铁的方法。
背景技术
海绵铁是代替废钢并优于废钢的炼钢原料，可稀释废钢中杂质元素成分，为电炉炼钢提供必不可少的纯净铁原料，进而为高端装备制造企业生产重要产品提供优质坯铸件，是发展装备制造业的重要原材料。
目前，世界上75％以上的海绵铁采用气基竖炉法生产，其中典型的工艺为MIDREX工艺、HYLⅢ(Energiron)工艺和PERED工艺。海绵铁的出料方式有两种，即热出料生产热压块(HBI)和热态海绵铁(HDRI)，以及冷出料生产冷态海绵铁(CDRI)。热出料的产品只适合直接还原铁厂和电炉厂距离很近的大型综合钢铁企业，而绝大多数直接还原厂不具备这种条件，因此产品需要冷出料，避免海绵铁再氧化，以保证海绵铁的质量。这种方法采取在竖炉下部冷却段通入冷却气体，将海绵铁冷却至50℃以下再排出。同时在冷却段进行渗碳，以减轻熔分单元的能耗负担。
竖炉冷却段通过冷却洗涤塔和压缩机等设备实现海绵铁的冷却降温。室温的天然气和循环冷煤气混合，经压缩机加压后进入冷却段下部，在气体上升过程中与由上而下运动的海绵铁进行热交换，并进行渗碳反应。然后，吸收了海绵铁热量的冷却气由冷却段上部排除，经冷却洗涤塔后，与补充的天然气混合，经压缩机加压后再次进入冷却段下部，形成冷却气小循环。这种方法存在四个问题：(1)由于还原气体从还原段底部进入竖炉，而海绵铁的显热没有得到利用，因此还原气加热设备规模大、能耗高。(2)还原气体从还原段底部围管进入竖炉，还原气体很难到达竖炉中心，还原气流分布不均匀。(3)铁矿石中的硫元素容易进入竖炉炉顶气，循环利用竖炉炉顶气需要加设脱硫装置。(4)由于循环冷却气中H2/一氧化碳的值比较高，气体中一氧化碳含量比较低，海绵铁渗碳效果不是十分理想。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种气基竖炉制备海绵铁的方法。利用该方法和系统可以有效降低气基竖炉直接还原工艺的能耗，使还原气气流分布和温度分布均匀，减轻竖炉炉顶气脱硫设备的负担，增加海绵铁的渗碳量，降低熔分工艺的能耗等现有气基竖炉直接还原工艺中的几大主要问题。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种气基竖炉制备海绵铁的方法，包括：
(1)向所述气基竖炉内加入氧化球团，其中，所述气基竖炉具有还原段和冷却段，所述还原段位于所述冷却段的上方；
(2)将第一还原气体进行提氢处理，以便得到氢气和富一氧化碳气体；
(3)将第二还原气体和所述氢气混合并进行加热处理，以便得到热态还原气；
(4)将所述热态还原气从所述还原段送至所述气基竖炉内，使所述热态还原气与所述氧化球团发生还原反应，以便得到海绵铁和炉顶气；
(5)将所述富一氧化碳气体从所述冷却段输送至所述气基竖炉内，以便使所述富一氧化碳气体与所述冷却段内的所述海绵铁进行热交换和渗碳反应后向上进入所述还原段并进行所述还原反应；
(6)将所述炉顶气依次分别进行洗涤冷却处理、压缩处理和脱硫脱碳处理，以便得到未反应的还原气；
(7)在进行步骤(3)之前，将步骤(6)中得到的所述未反应的还原气的与所述第二还原气体混合。
因此，利用本发明上述实施例气基竖炉制备海绵铁的方法可以有效降低气基竖炉直接还原工艺的能耗，使还原气气流分布和温度分布均匀，减轻竖炉炉顶气脱硫设备的负担，增加海绵铁的渗碳量，降低熔分工艺的能耗等现有气基竖炉直接还原工艺中的几大主要问题。
另外，根据本发明上述实施例的气基竖炉制备海绵铁的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中得到的所述富一氧化碳气体中一氧化碳含量不小于70体积％。
在本发明的一些实施例中，步骤(5)中进入所述还原段的所述富一氧化碳气体的温度为850～900摄氏度。由此可以直接进入还原段进行还原反应，还可以提高还原段内的温度和气流分布均匀度，提高产品质量。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中得到的所述热态还原气的温度为900～1000摄氏度。由此较传统的需要将还原气加热至1050～1200摄氏度更加节省能耗。
在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中将所述富一氧化碳气体从所述冷却段的邻近底端输送至所述气基竖炉内。由此可以进一步提高与海绵铁的充分接触，以便充分进行热交换和渗碳反应。
根据本发明的另一方面，本发明还提出了一种气基竖炉制备海绵铁的系统，包括：
气基竖炉，所述气基竖炉具有进料口、排料口和炉顶气出口，所述气基竖炉具有还原腔室和位于所述还原腔室下方的冷却腔室，其中，所述还原腔室具有还原气进口、所述冷却腔室具有冷却气进口；
提氢装置，所述提氢装置具有进气口、氢气出口和富一氧化碳气体出口，所述富一氧化碳气体出口与所述冷却腔室的冷却气进口相连；
加热炉，所述加热炉设置在所述提氢装置与所述气基竖炉之间，且分别与所述氢气出口和所述还原腔室的还原气进口相连；
洗涤冷却装置，所述洗涤冷却装置与所述炉顶气出口相连；
压缩装置，所述压缩装置与所述洗涤冷却装置相连；以及
脱硫脱碳装置，所述脱硫脱碳装置分别与所述压缩装置和所述加热炉相连。
因此，利用本发明上述实施例气基竖炉制备海绵铁的系统可以有效降低气基竖炉直接还原工艺的能耗，使还原气气流分布和温度分布均匀，减轻竖炉炉顶气脱硫设备的负担，增加海绵铁的渗碳量，降低熔分工艺的能耗等现有气基竖炉直接还原工艺中的几大主要问题。同时还可以对炉顶气进行充分利用，减少还原气体的使用，降低能耗。
在本发明的一些实施例中，所述冷却气进口邻近所述冷却腔室的底端。由此可以充分对海绵铁进行冷却。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的气基竖炉制备海绵铁的方法的流程图。
图2是根据本发明一个实施例的气基竖炉制备海绵铁的系统的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考图1描述本发明实施例的气基竖炉制备海绵铁的方法。根据本发明的实施例的气基竖炉制备海绵铁的方法包括：
(1)向所述气基竖炉内加入氧化球团，其中，气基竖炉具有还原段和冷却段，还原段位于冷却段的上方；
(2)将第一还原气体进行提氢处理，以便得到氢气和富一氧化碳气体；
(3)将第二还原气体和氢气混合并进行加热处理，以便得到热态还原气；
(4)将热态还原气从还原段送至气基竖炉内，使热态还原气与氧化球团发生还原反应，以便得到海绵铁和炉顶气；
(5)将富一氧化碳气体从冷却段输送至气基竖炉内，以便使富一氧化碳气体与冷却段内的海绵铁进行热交换和渗碳反应后向上进入还原段并进行还原反应；
(6)将所述炉顶气依次分别进行洗涤冷却处理、压缩处理和脱硫脱碳处理，以便得到未反应的还原气；
(7)在进行步骤(3)之前，将步骤(6)中得到的所述未反应的还原气的与所述第二还原气体混合。
首先，本发明将对还原气体进行提氢处理得到的富一氧化碳气体作为冷却气体从冷却段的邻近底端输送至气基竖炉内，同时被预热的富一氧化碳气体进入还原段内用于还原反应。由于富一氧化碳气体中的一氧化碳含量较高，根据本发明的具体实施例，富一氧化碳气体中一氧化碳含量不小于70体积％，而一氧化碳的比热容是H2的十分之一，因此冷却效果更好，一氧化碳气体更容易被预热。另一方面，富一氧化碳气体在冷却段内进一步与海绵铁发生渗碳反应，一氧化碳的渗碳反应为放热反应，更加利于冷却气体的预热。因此，冷却气体在竖炉冷却段经热海绵铁预热后，温度可达850～900℃，充分利用了热态海绵铁的显热，为整个工艺流程节省能耗。由于冷却气体预热后的温度高，富氢还原气只需加热到900～1000℃，就可以在竖炉还原段形成氧化球团还原要求的温度场，进一步减少了整个工艺流程的能耗。再一方面，由于经过海绵铁预热的富一氧化碳气体的温度可以达到850～900℃，因此进入还原段后可直接进行还原反应。并且富一氧化碳气体是从直径小的冷却段进入还原段，可以到达热态还原气不易到达的还原段中心区域，由此可以使还原段内温度分布均匀，气流分布均匀，更加利于产品质量的控制。
其次，由于采用富一氧化碳气体作为冷却段的冷却气体，更加利于冷却段内海绵铁发生渗碳反应，因此可以显著提高海绵铁的碳含量，使其能够满足更高的含碳要求，从而降低后续的熔分处理负担，降低能耗。根据本发明的具体实施，在步骤(5)中将富一氧化碳气体从冷却段的邻近底端输送至所述气基竖炉内。由此可以充分地与海绵铁接触发生渗碳反应，同时降低海绵铁的问题，提高一氧化碳自身的温度。
第三，由于采用富一氧化碳气体作为冷却段的冷却气体，在提高海绵铁碳含量的同时，消耗了更多冷却气中的一氧化碳，进而可以降低整个气基竖炉内的还原气体的一氧化碳含量，同时还可以利用冷却段内金属铁的催化作用，催化裂解冷却气中的甲烷气体，进而对气体进行重整，进一步提高了还原段内的还原气体的H2/CO比值，最终提高还原反应效率。
因此，利用本发明上述实施例气基竖炉制备海绵铁的方法可以有效降低气基竖炉直接还原工艺的能耗，使还原气气流分布和温度分布均匀，减轻竖炉炉顶气脱硫设备的负担，增加海绵铁的渗碳量，降低熔分工艺的能耗等现有气基竖炉直接还原工艺中的几大主要问题。
根据本发明的具体实施例，上述步骤(2)和步骤(3)中的第一和第二还原气体可以为天然气、焦炉煤气或者煤层气的重整气以及煤制气，其中的H2和一氧化碳的总含量不低于90体积％。由此利用该还原气体可以进一步还原反应效率，以便进一步提高制备海绵体的效率和产率。根据本发明的具体实施例，进入还原段内首先进行还原反应的为加热后的含有第二还原气体和氢气的混合热态还原气，其中的氢气与一氧化碳比值较高，由此可以进一步提高还原反应效率。同时经过提氢处理得到的富一氧化碳气体首先进入冷却段后，与海绵铁发生渗碳反应会消耗部分一氧化碳，发生渗碳反应和预热后的高温一氧化碳会向上进入还原段内进而与含有第二还原气体和氢气的混合热态还原气再次混合并进行还原反应，由于渗碳反应消耗了一部分的一氧化碳，进而使得最终进入还原段内的总还原气中H2和一氧化碳的总含量在不低于90体积％的前提下，使得H2/CO比值也得到了提高，进而更加有助于提高还原反应效率。
根据本发明的具体实施例，在步骤(3)中，只需将第二还原气体和氢气混合并进行加热至900～1000摄氏度得到热态还原气，而传统的用于气基竖炉还原反应的还原气的温度需要达到1050～1200摄氏度甚至更高，因此本发明上述实施例的气基竖炉制备海绵铁的方法更加节省能耗。这是由于经过海绵铁预热的富一氧化碳气体的温度可以达到850～900℃，不仅进入还原段后可直接进行还原反应，并且富一氧化碳气体是从直径小的冷却段进入还原段，可以到达热态还原气不易到达的还原段中心区域，由此可以使还原段内温度分布均匀，气流分布均匀，还原反应更容易进行，因此还原段的热态还原气的温度无需过高，进而显著节省能耗。而传统的还原气是从气基竖炉还原段进入很难到达还原段的中心区域，容易导致反应不完全，产品质量不易控制，因此需要加热至1000摄氏度以上来提高还原反应程度。
如图1所示，根据本发明的具体实施例，上述气基竖炉制备海绵铁的方法中：
(6)将步骤(4)中得到的炉顶气依次分别进行洗涤冷却处理、压缩处理和脱硫脱碳处理，以便得到未反应的还原气。
(7)在进行步骤(3)之前，将步骤(6)中得到的未反应的还原气的与第二还原气体混合。
由此对炉顶气进行充分利用，避免浪费未反应的还原性气体。此外，通过对炉顶气脱碳环节的控制，使二氧化碳脱除率为85％～95％，可以避免竖炉冷却段大量析碳而导致的球团粉化问题，并且降低气体压力和吸收塔内填料的高度，降低了生产成本。
根据本发明的具体实施例，为了压缩机正常工作，炉顶气经洗涤冷却处理后的温度为50摄氏度以下。通常第一和第二还原气体温度也为50摄氏度以下。因此，进入冷却段的富一氧化碳气体温度也是50摄氏度以下，进而可以对冷却段内的高温海绵铁进行冷却。
根据本发明的具体实施例，还可以将上述炉顶气中得到的未反应的还原气用于气基竖炉制备海绵铁。具体地，可以将未反应的还原气补入还原段内或者冷却段内或者分别补入还原段和冷却段内。
根据本发明的另一方面，本发明提出了一种气基竖炉制备海绵铁的系统，下面参考图2描述本发明实施例的气基竖炉制备海绵铁的系统包括：气基竖炉100、提氢装置200、加热炉300、洗涤冷却装置400、压缩装置500和脱硫脱碳装置600。
根据本发明的具体实施例，气基竖炉100具有进料口101、排料口102和炉顶气出口103，气基竖炉100具有还原腔室110和位于还原腔室110下方的冷却腔室120，其中，还原腔室110具有还原气进口104、冷却腔室具有冷却气进口105；提氢装置200具有进气口201、氢气出口202和富一氧化碳气体出口203，富一氧化碳气体出口203与冷却腔室的冷却气进口105相连；以及加热炉300设置在提氢装置200与气基竖炉100之间，且分别与氢气出口202和还原腔室的还原气进口104相连。
首先，根据本发明的上述实施例的气基竖炉制备海绵铁的系统，可以首先利用提氢装置200将还原气体进行提氢处理得到的富一氧化碳气体和氢气，并将富一氧化碳气体作为冷却气体从气基竖炉冷却段的邻近底端输送至气基竖炉内，在冷却段内被预热的富一氧化碳气体进入还原段内继续用于还原反应。而提氢处理得到氢气则与还原气一同被加热后用于还原段内的还原反应。由于一氧化碳的比热容是H2的十分之一，因此采用提氢装置处理得到的富一氧化碳气体作为冷却气体的冷却效果更好，同时一氧化碳气体更容易被预热。另一方面，富一氧化碳气体在冷却段内还会进一步与海绵铁发生渗碳反应，一氧化碳的渗碳反应为放热反应，更加利于冷却气体的预热。因此，冷却气体在竖炉冷却段经热海绵铁预热后，温度可达850～900℃，充分利用了热态海绵铁的显热，为整个工艺流程节省能耗。由于冷却气体预热后的温度高，富氢还原气只需加热到900～1000℃，就可以在竖炉还原段形成氧化球团还原要求的温度场，进一步减少了整个工艺流程的能耗。再一方面，由于经过海绵铁预热的富一氧化碳气体的温度可以达到850～900℃，因此进入还原段后可直接进行还原反应。并且富一氧化碳气体是从直径小的冷却段进入还原段，可以到达热态还原气不易到达的还原段中心区域，由此可以使还原段内温度分布均匀，气流分布均匀，更加利于产品质量的控制。
其次，采用提氢装置处理得到的富一氧化碳气体作为冷却段的冷却气体，更加利于冷却段内海绵铁发生渗碳反应，因此可以显著提高海绵铁的碳含量，使其能够满足更高的含碳要求，从而降低后续的熔分处理负担，降低能耗。
第三，采用提氢装置处理得到的采用富一氧化碳气体作为冷却段的冷却气体，在提高海绵铁碳含量的同时，会消耗了更多冷却气中的一氧化碳，进而可以降低整个气基竖炉内的还原气体的一氧化碳含量，同时还可以利用冷却段内金属铁的催化作用，催化裂解冷却气中的甲烷气体，进而对气体进行重整，进一步提高了还原段内的还原气体的H2/CO比值，最终提高还原反应效率。
因此，利用本发明上述实施例气基竖炉制备海绵铁的系统可以有效降低气基竖炉直接还原工艺的能耗，使还原气气流分布和温度分布均匀，减轻竖炉炉顶气脱硫设备的负担，增加海绵铁的渗碳量，降低熔分工艺的能耗等现有气基竖炉直接还原工艺中的几大主要问题。
如图2所示，根据本发明上述实施例的气基竖炉制备海绵铁的系统中的洗涤冷却装置400与炉顶气出口103相连，压缩装置500洗涤冷却装置400相连，压缩装置500与脱硫脱碳装置600相连。由此可以分别对炉顶气进行洗涤冷却处理、压缩处理和脱硫脱碳处理，得到未反应的还原气。由此通过上述装置可以对从还原段110内排出的炉顶气进行净化和脱硫脱碳处理，进而得到未反应的还原气。根据本发明的具体实施例，还可以将脱硫脱碳装置排出的未反应的还原气用于气基竖炉制备海绵铁。
例如，根据本发明的具体实施例，脱硫脱碳装置600与加热炉300相连。进而可以将未反应的还原气输送至加热炉300内被加热后用于还原段内的还原反应。由此充分利用炉顶气中未反应的还原气可以节省部分还原气体，节省能耗，降低成本。
根据本发明的具体实施例，冷却气进口105邻近冷却腔室120的底端。由此可以将富一氧化碳气体作为冷却气从冷却腔室120的邻近底端进入，由此可以使得海绵铁能够充分地与一氧化碳接触，提高冷却效果和渗碳效果。
实施例
如图1和图2所示，将新鲜还原气体分为两部分，一部分经过气体提氢装置，将这部分气体分为氢气和富一氧化碳气体，将其中的氢气与新鲜还原气体的另一部分一同通入气体加热炉进行加热至900～1000摄氏度，然后从竖炉还原段底部的围管进入竖炉还原段内与从竖炉上部进入的氧化球团进行还原反应。富一氧化碳气体从通入竖炉冷却段底部，与热态海绵铁进行热交换，并且在竖炉冷却段内将海绵铁冷却到50℃以下，同时进行渗碳反应消耗一部分一氧化碳。这部分富一氧化碳气体在竖炉的冷却段内被加热至850～900摄氏度，并继续向上流动进入还原段，并在还原段内与围管进入的富氢热还原气混合，共同还原氧化球团，从冷却段进入还原段的富一氧化碳气体可以到达还原段的中心区域，进而可以使得还原段内的温度和气流分布均匀，还原反应容易进行。
还原段内产生的炉顶气从竖炉炉顶气出口排出。将排出的炉顶气进行洗涤冷却处理、压缩处理和脱硫脱碳处理后得到未反应的还原气，将未反应的还原气通入加热炉内，用于还原段内的还原反应。节省了部分新鲜还原气体。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (2)
1.一种气基竖炉制备海绵铁的方法，其特征在于，包括：
(1)向所述气基竖炉内加入氧化球团，其中，所述气基竖炉具有还原段和冷却段，所述还原段位于所述冷却段的上方；
(2)将第一还原气体进行提氢处理，以便得到氢气和富一氧化碳气体，其中，所述富一氧化碳气体中一氧化碳含量不小于70体积％；
(3)将第二还原气体和所述氢气混合并进行加热处理，以便得到热态还原气；
(4)将所述热态还原气从所述还原段送至所述气基竖炉内，使所述热态还原气与所述氧化球团发生还原反应，以便得到海绵铁和炉顶气；
(5)将所述富一氧化碳气体从所述冷却段输送至所述气基竖炉内，以便使所述富一氧化碳气体与所述冷却段内的所述海绵铁进行热交换和渗碳反应后向上进入所述还原段并进行所述还原反应；
(6)将所述炉顶气依次分别进行洗涤冷却处理、压缩处理和脱硫脱碳处理，以便得到未反应的还原气；
(7)在进行步骤(3)之前，将步骤(6)中得到的所述未反应的还原气与所述第二还原气体混合，
其中，步骤(5)中进入所述还原段的所述富一氧化碳气体的温度为850～900摄氏度，
步骤(3)中得到的所述热态还原气的温度为900～1000摄氏度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中将所述富一氧化碳气体从所述冷却段的邻近底端输送至所述气基竖炉内。
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