熔融金屬鐵的生產方法

專利名稱：熔融金屬鐵的生產方法
技術領域：
本發明涉及通過碳質還原劑如焦碳加熱和還原氧化鐵例如鐵礦以得到熔融金屬鐵的技術的改進，還涉及通過簡單加工有效地將氧化鐵還原成為金屬鐵，并有效地利用金屬鐵的絕大多數余熱廉價、高生產率地生產熔融金屬鐵的改進方法。
例如，有這樣一種方法，其包括采用具有固體碳質材料作為內部還原劑的細粉狀氧化鐵粒的原料，在轉底型還原爐中將其加熱進行預還原，將從還原爐中得到的預還原的物質加入溫度不低于1000℃的精煉爐中進行精煉，進一步進行還原以生產熔融金屬鐵。該方法包括將包括粉末狀氧化鐵和固體碳質材料的原料混合物壓成粒狀物質或塊狀物質，在經過干燥或未經干燥后，將該物質在1100-1350℃的相對低溫下加熱10-50分鐘，以還原至約50-90％的還原比，隨后進行精煉和最終還原。但是，在該方法中，由于還原時的加熱溫度較低，需要很長的加熱和還原時間，為了實現規模生產，需要大規模的設備。此外，用于還原的能耗也較高。
還有另外一種方法，其包括在內部將帶有碳質還原劑的氧化鐵壓成粒狀或塊狀物質，加熱并還原該壓制的物質，同時將其沿水平方向在移動爐膛上移動，生成并生長的金屬鐵殼從而繼續還原直至其中不存在氧化鐵，在金屬鐵的殼內附聚生成的爐渣，將其從移動爐膛中卸出，并將其進一步加熱以使金屬鐵的殼熔融，并將其分為熔融爐渣和熔融金屬離子。根據該方法，由于加熱和還原是在不低于1300℃的高溫下進行的，還原時間得以顯著降低，但是由于金屬鐵殼已經形成后應當繼續進行還原直至其中基本上不存在氧化鐵，它需要相當長的時間才能終止還原，因此，水平移動距離很長，設備尺寸變大，能耗較高。此外，在該方法中，由于加熱還原所需的能量和精煉還原和熔融所需的能量是不平衡的，熱能被浪費掉了。
還有一種生鐵的生產方法是采用處于部分還原態的包含氧化鐵和碳質還原劑的坯塊作為原料。該方法中使用的處于部分還原態的坯塊是具有雙層結構的坯塊，其中包含一個主要由金屬鐵組成的殼層和主要由金屬鐵、氧化鐵和單體碳組成的內核。經部分還原的坯塊用作原材料，其鐵的總質量％不低于70％，金屬鐵含量為20-50％，單體碳含量不低于5％，坯塊的體積不低于20cm3，將其裝入豎式爐中并加熱以得到熔融金屬鐵。經部分還原的坯塊具有如上所述在其中混合的金屬鐵、單體碳和氧化鐵。但是，單體碳的量為5-10％，這對于將處于部分還原狀態的氧化鐵還原和有效熔融必需的滲碳來說是不夠的，因此應當分別在最后滲碳和下一步的熔融步驟中加入碳。此外，在該方法中，在鼓風爐中將經部分還原的坯塊熔融并還原以生產生鐵，但是為了提高鼓風爐中加工效率必須將爐中的透氣性維持在較高水平，為了該目的，原料坯塊應當具有較大的直徑(為確保球形狀態下體積不低于20cm3，直徑應不低于約3.4cm)，所述的大直徑球粒或塊的生產相當復雜，所以不僅需要專用成塊設備，而且產率低，欠缺原料加工的靈活性。
本發明的目的是提供一種方法，該方法包括將含有碳質還原劑和含氧化鐵的物質的原料壓實物質還原以生產金屬鐵，有效地繼續還原，不會對預壓制原料帶來過度負擔，以得到部分還原的物質；在短時間內有效地繼續進行還原并在維持經部分還原的物質的溫度以能夠以優異的生產率生產高純度熔融鐵。
根據本發明的生產方法的主題包括將含有碳質還原劑和含有氧化鐵的物質的原料壓實物質裝入移動爐膛型還原爐；在還原爐內將原料壓實物質還原到還原率為30-80％，從而形成金屬鐵殼層；或通過金屬鐵以網絡方式伸向四周形成其中碳質物質保持空隙的狀態，附聚其中含有FeO的生成的爐渣，將處于維持高溫狀態中的經還原和壓實的物質(部分還原的物質)從還原爐中取出，以將其裝入電弧加熱型熔融爐或鐵浴爐中；進行最終還原、滲碳和熔融以得到熔融金屬鐵。
上述方法可以體現為，經還原的原料壓實物質中保持的氧化鐵在熔融爐內進一步還原，碳質還原劑對生成的已還原的鐵進行滲碳。但是，優選地，如果被壓實的物質中含有相對于將氧化鐵還原所需的理論平衡量過量3-6％質量％的碳質還原劑，當生產原料壓實物質時，可充分地進行加熱和還原，而無需另外加入碳質還原劑，其后可以有效地進行滲碳。
如果在其中進行還原的還原爐的內溫被控制在1350-1450℃的范圍內，或將裝入還原爐中的原料壓實物質進一步在2分鐘內快速升溫到不低于800℃的溫度，還原可以在短期內有效地進行。如果以上述方式控制溫度，原料壓實物質的前述還原可以在極短時間即3-5分鐘內進行。此外，為了更積極地獲得通過所述溫度控制得到的還原速率提高效果，使用直徑為3-25mm的粒狀或塊狀原料壓實物質最為有效。


圖1給出了當在基礎實驗中進行原料壓實物質的還原和熔融時，環境溫度、原料壓實物質的溫度、還原比率、和CO、CO2的生成量變化。
圖2是說明本發明步驟的流程圖；圖3是說明本發明一種移動爐膛還原爐和熔融爐的示意性截面解釋性視圖。
圖4是說明本發明另一種移動爐膛還原爐和熔融爐的示意性截面解釋性視圖。
圖5是說明本發明另外一種旋轉床還原爐的示意性平面圖；和圖6是說明處于金屬鐵以網絡方式伸向四周的狀態下的經部分還原的物質的照片。
本發明中采用了一種熔融金屬鐵的生產方法，其中旋轉床型加熱和還原爐用作移動爐膛型加熱和還原爐，固體狀態下的還原比設定為30-80％的范圍，將此時制得的部分還原的物質供應到處于高溫狀態下的熔融爐，并進行最終還原和熔融以生產熔融金屬鐵。
此處所稱的部分還原的物質是一種鐘形部分還原的物質，其具有其中金屬鐵的殼的內部產生的爐渣被附聚的結構，或者是一種處于金屬鐵以網絡方式伸向四周的狀態的部分還原的物質和保持其空隙中的碳質還原物質(見后面描述的圖6)。如果將所述部分還原的物質用作原料，由于還原和熔融是在爐渣中的FeO被限制在金屬鐵的殼內或以網絡方式構成的金屬鐵的核內的狀態下進行的，由FeO導致的加工爐中耐火材料的熔融損失(滲透和腐蝕)可以被盡可能少地抑制，尤其是在熔融步驟中；原因可能是，由于流出來的某些FeO被保留在部分還原物質中的碳質還原劑快速還原，加工爐中耐火材料的熔融損失可以被抑制到最小的限度。
本發明中提及的還原比為通過下面方程式得到的值還原比＝[還原過程中除去的氧量/原料壓實物質中含有的氧化鐵中的氧]*100(％)下面，將更清楚地解釋將還原時原料壓實物質的還原比確定為30-80％的范圍的理由。圖1給出了基礎實驗得到的結果。該實施例給出了，當采用鐵礦作為氧化鐵源和煤作為碳質還原劑的原料壓實物質被裝入環境溫度控制到約1300℃的爐中進行固體還原直至還原比(原料壓實物質中氧化鐵中的氧的除去比)達到約100％，環境溫度被進一步升高到1425℃以進一步將還原的鐵加熱并熔融來生產熔融金屬鐵時，原料顆粒的內溫和環境溫度，還原比的變化，以及該時期內生成的CO和CO2氣體量的變化。
從圖中顯然可見，原料壓實物質中氧化鐵的還原比隨加熱時間的延續迅速增大，但是該時期內氧化鐵的還原實質上取決于通過原料壓實物質含有的碳質還原劑進行的氧化鐵的還原和由此生成的還原性CO氣體，隨著CO氣體的生成量的增加，還原比迅速增大。當CO氣體生成量達到最大值時，還原比的曲線也到達最大值，隨后隨著CO氣體生成量的下降，還原比曲線變鈍。
可以認為這種現象是由于以下原因造成的金屬鐵的殼通過固體還原形成于原料壓實物質的表面層上，或者形成了其中金屬鐵以網絡方式伸向四周的結構的殼層，由其中存在的碳質還原劑和氧化鐵之間的反應生成的CO氣體被限制在金屬的殼層，由于內部還原潛力快速增大，還原比快速增大。據信，當還原比達到一定水平時，其中保持的氧化鐵和碳質還原劑的量降低，因此CO的生成量也降低，結果，隨后還原比的上升速度變鈍。
從圖中可以確信，將還原比穩定以顯示原料壓實物質的還原比快速增大的高上升速度的環境位于直至還原比達到80％，隨后還原比的上升趨勢變鈍的區域。從所述趨勢看，當固體還原期間殼層形成引起的內部還原潛力增加時，可以最好的效率在短期內有效地進行固體還原。隨后，隨著CO氣體生成量的減少，還原比的增加變鈍。因此，即使固體還原繼續以該狀態進行，也不能指望單位時間內還原比快速增加，這對縮短還原時間是相當不利的。
由上可見，本發明采用了一種方法，其中所述程序被停止在部分還原的狀態，直至固體還原進行最有效的“還原比80％”，將獲得的部分還原的物質裝入連續得到高加熱效率的熔融爐中，在短時間內有效地進行保持部分還原狀態的氧化物的加熱和還原、以及滲碳和熔融。通過實施所述的此類方法，從固體還原和滲碳以及熔融算起進一步還原所需的總時間可以顯著縮短，從而能夠顯著提高熔融金屬鐵的生產率。
固體還原期內的還原比的下限定為30％，這是因為當要裝入熔融爐例如電弧加熱型熔融爐和鐵浴爐中的部分還原的物質的還原比低于30％時，不僅金屬殼的形成是不充分的，而且在滲碳和熔融的同時，處于非還原態的氧化鐵部分也是熔融的，并且混入生成的爐渣中，從而導致加工爐所襯的耐火材料引起很大的熔融損失。但是，如果固體還原步驟中還原比達到至少30％，非還原態氧化鐵假定為其被保持在于固體還原期中形成的金屬鐵的殼內或金屬鐵的網狀殼內的狀態，從而在熔融爐內快速接受熱量，在殼內快速進行還原和滲碳以抑制作為熔融氧化鐵向外部的流動，幾乎不發生內襯的耐火材料的損失。
由上述理由可見，本發明中，固體還原末期的還原比的下限確定為不低于30％，但是為了更好地防止由于熔融氧化鐵外流造成的內襯耐火材料的熔融損失，優選，將固體還原期中的還原比提高到不低于40％，更優選地，不低于50％。
此外，為了提高固體還原期的還原比，優選地，將固體還原期的環境溫度控制在1350-1450℃，低于1350℃時，固體還原速度太慢以致于難以形成金屬鐵殼層，不能充分利用縮短加工時間的目的。此外，當在超過1450℃的高溫下進行固體還原時，在固體還原的同時發生氧化鐵的熔融，這樣金屬鐵殼層不易形成，由于從熔融態原料壓實物質流失的氧化鐵增加，還原爐的爐膛耐火材料損壞嚴重，這在進行連續操作時是嚴重缺陷。從這一點考慮，固體還原期的更優選的溫度范圍為1380-1430℃，優選地，為了在較短時間內進行還原，于2分鐘內將溫度快速提高到不低于800℃，更優選地，不低于1000℃。當在提高到所述高溫的溫度下進行固體還原時，將還原比提高至30-80％所需的時間可以縮短到約3-5分鐘。
為了進一步平穩地進行固體還原，隨后進一步用熔融爐還原、滲碳和熔融，相對于將壓實物質中的氧化鐵還原和原料壓實物質生產過程中它的滲碳處理所需的理論當量，含有過量的包含在壓實物質中的碳質還原劑是必須的。這是因為，當將部分還原的物質裝入熔融爐中進行最終還原和滲碳以及熔融時，無需額外加入碳質還原劑。因此，碳質還原劑的過量程度是確保壓實物質中氧化鐵的還原和滲碳所需的量。滲碳量一般為2-3.5％，但是根據溫度條件和滲碳以及熔融時的環境氣體有所變化。還原時通過燃燒器加熱生成的氧化性氣體(CO2或H2O)也消耗碳質還原劑，為了確保殘留氧化鐵的還原和考慮到還原鐵的滲碳所需的碳還原劑的量，相對于將原料壓實物質中的氧化鐵還原所需的理論當量，優選應當過量不低于3％。但是，從經濟角度看，含量過大導致浪費，優選地，應當將過量限制到6％。
另外，為了在固體還原時迅速提高原料壓實物質的溫度，優選地，將壓實物質壓縮到直徑不超過25mm。當壓實物質的尺寸變得太大時，由燃燒器加熱和輻射熱引起的原料壓實物質的溫度提高速度變慢，本發明希望達到的固體還原時間的縮短效果可能會受到影響。但是，當壓實物質太小時，要形成金屬鐵殼層和網狀金屬鐵殼層是困難的，由于內部還原潛力的提高受到損害，出現了進行快速還原的趨勢，因此，優選地，將尺寸調整到直徑不低于約3mm。此處的“直徑”是指壓實物質并不限定為球形，而是可以為各種形狀，例如橢圓形、蛋形、短棒形(粒狀)和塊狀等。簡言之，如果使用具有直徑尺寸的原料壓實物質，有可能有效地表現出由于由此引起的內部還原潛力的提高導致的金屬鐵殼層形成和還原速度提高的效果。
根據本發明，固體還原期的還原比限定為30-80％，以最有效地進行固體還原，然后將得到的部分還原的物質裝入處于維持高溫狀態下的熔融爐中以將其快速加熱，通過碳質還原劑的作用將保持在部分還原的物質中的氧化鐵進一步還原并快速滲碳，從而能夠在短期內極其有效地生產熔融金屬鐵。
下面將參照附圖更具體地描述本發明。當然，本發明不限于這些描述，可以根據需要適當地變化，這些變化包括在本發明的技術范圍內。
圖2是一個流程圖，給出了根據本發明的熔融金屬鐵的生產實例。氧化鐵源(例如鐵礦)和碳質還原劑(例如焦碳、煤粉等)均勻混合，如果需要，將其與粘合劑例如斑脫土和淀粉混合，以生產原料壓實物質。在原料壓實物質的生產中，如上所述，相對于將氧化鐵還原所需的理論當量含量過量3-6％的碳質還原劑與原料中的氧化鐵源復合，將其緊湊尺寸調整到直徑變化為3-25mm，更優選地，6-20mm的范圍。最通常地，壓實物質的形狀約為球形，但是形狀例如橢圓形、蛋形和短棒形可以適當地采用。也可使用粒狀、餅狀或塊狀。在生產原料壓實物質過程中，可以含有合適量的具有脫硫功能的石灰石或氫氧化鈣。
得到的原料壓實物質裝入移動爐膛型還原爐中，通過將其加熱在爐膛上進行固體還原。通過在2分鐘內將溫度提高到，優選，不低于800℃，更優選地，不低于1000℃，并在1300-1450℃的大氣溫度下加熱來進行固體還原。通過采用這樣的溫度條件，將原料壓實物質從表面還原以在表面上形成金屬鐵殼層，或形成金屬鐵以網絡方式伸向四周的狀態(參見下文所述的圖6)，在金屬鐵殼層內或網絡結構內形成高還原潛力氣氛，從而在其中快速地進行還原。但是，本發明中，在固體還原步驟中將還原比限制到30-80％的范圍，并充分還原以得到部分還原的鐵。此時，需要的時間很短，固體還原在約3-5分鐘內終止。
獲得的部分還原的鐵是用其表面上的金屬鐵的殼層或用其中金屬鐵以網絡方式伸向四周的殼層(見圖6)形成的，其中它含有非還原態的氧化鐵，未反應的碳質還原劑和生成的爐渣，溫度處于1350-1450℃的高溫狀態，將部分還原的鐵裝入高溫狀態下的熔融爐中。所用的熔融爐包括，例如，電弧加熱型熔融爐和鐵浴爐(包括轉爐)，由于在前面裝料過程中得到的高溫熔融鐵被保存在其中(只在第一次，通過電弧加熱等進行部分還原鐵的加熱和熔融)，通過熔融爐內的熔融金屬鐵的熱量將殘留的氧化鐵迅速進行還原，通過過量存在的碳質還原劑對生成的金屬鐵進行滲碳，并將其迅速熔融以與熔融爐內的熔融金屬鐵合并。此時生成的爐渣浮在熔融爐的表面上，可以通過適當方式將其從表面移出。
得到的熔融金屬鐵被留在熔融爐中或一次送入精煉爐中以對其進行加工例如脫碳、脫硫、脫磷等，從而得到熔融鋼，或者向其中加入適量的合金元素以生產合金熔融鋼。
即，根據本發明，將還原停止在30-60％的還原比的范圍內，在該范圍得到固體還原期中的最高還原速度，將生成的部分還原鐵送入處于高溫狀態的熔融爐中以進行進一步還原和滲碳、熔融。實際上可以有效地利用部分還原的鐵的余熱，通過留在熔融爐中的高溫熔融金屬鐵迅速加熱經部分還原的鐵以進行最終還原和滲碳以及熔融，因此顯著縮短了整體加工時間。而且，即使如上所述加上升溫時間，固體還原所需的時間也僅在10分鐘以內，并且其后通過熔融爐進行的最終還原和滲碳以及熔融也將在短期內(10分鐘以內)完成，這樣就能夠維持這兩步之間的時間和熱能平衡，并且能夠顯著簡化一系列的步驟管理。此外，根據固體還原爐的規模，可以通過設計熔融爐的能力對生產速度進行適當調節。
圖3是說明具有應用于本發明的還原爐和熔融爐的設備的示意性剖面圖。旋轉爐膛型還原爐1用作移動爐膛型還原爐，在靠近爐1的安裝位置安裝電弧加熱型熔融爐2，還原爐1中連續生產的高溫部分還原鐵A立即送入電弧加熱型熔融爐2以進行進一步還原和滲碳以及熔融。生成的熔融鐵Fe和生成的爐渣可以連續或間歇地從熔融爐2中取出。
圖4是給出應用于本發明的另一個例子的示意性剖面圖。類似于上面提到的旋轉爐膛型還原爐1用作移動爐膛型還原爐，在靠近爐1的安裝位置安裝鐵浴爐(轉爐)，還原爐1中連續生產的高溫部分還原鐵A立即送入鐵浴爐3以進行進一步還原和滲碳和熔融，通過頂部吹管或底部鼓風口吹入氧氣(或空氣)進行脫碳精煉以得到熔融金屬鐵，分離浮在表面上的生成的爐渣。如果部分還原的鐵中S、P、Si等含量過高，吹氣前先進行脫硫、脫磷和脫硅，隨后，如果需要加入適量的合金元素以得到合金鋼。
如同用于本發明的移動爐膛型還原爐一樣，只要它們具有能夠通過燃燒器加熱等在連續移動的爐膛上連續加熱原料壓實物質，可以使用任何還原爐如旋轉爐膛型、帶式焙燒機型等。此外，上述說明的同時，還給出了其中部分還原物質從旋轉爐膛型還原爐的一個地方取出并送入熔融爐的實施例，應當指出，例如，如圖5所示，可以將部分還原物質從旋轉爐膛型還原爐的多個地方(圖中示出兩個地方)取出并送入熔融爐。另外，只要它們具有能夠在其中加熱和熔融金屬鐵的構造，可以使用任何熔融爐，可以使用電弧加熱型爐和鐵浴爐(包括轉爐)。
在如上所述組成的本發明中，使用移動爐膛型還原爐進行的固體還原的還原比限制到30-80％的范圍，將得到的部分還原的物質送入處于維持高溫狀態的熔融爐中，進行最終還原和滲碳和熔融以盡可能地抑制還原爐和熔融爐的耐火材料的熔融損失，以在短時間內高效地生產熔融金屬鐵。此外，本發明中，通過固體還原得到部分還原的物質所需的時間與將部分還原的物質裝入熔融爐進行進一步還原和滲碳及熔融所需的時間區別不大，但是可以很好地保持兩個步驟間的時間和能量平衡，從而能夠有效地利用高溫部分還原的物質作為熔融爐用的熱源并且能夠將整體設備的能耗降低到最小限度。
權利要求
1.一種熔融金屬鐵的生產方法，包含將含有碳質還原劑和含氧化鐵的物質的原料壓實物質壓實；將所述原料壓實物質裝入移動爐膛型還原爐以在所述還原爐內將所述原料壓實物質還原至還原比為30-80％，從而形成這樣的狀態金屬鐵形成殼層或金屬鐵以網絡方式伸向四周，并且碳質還原劑保留在其間的空隙中；附聚生成的含FeO的爐渣；將所述經還原的壓實物質裝入維持高溫狀態的熔融爐中，并進行最終還原和熔融。
2.根據權利要求1的方法，其中將所述原料壓實物質用碳質還原劑壓實，所述碳質還原劑相對于還原其中含有的所述壓實物質中的氧化鐵所需的理論當量過量3-6質量％。
3.根據權利要求1或2的方法，其中所述熔融爐為電弧加熱型熔融爐或鐵浴爐，將保留在所述原料壓實物質中的氧化鐵還原，通過碳質還原劑對還原鐵進行滲碳以將氧化鐵熔融。
4.根據權利要求1-3中任一項的方法，其中發生還原時所述還原爐的內溫為1350-1450℃。
5.根據權利要求1-4中任一項的方法，其中所述還原爐中原料壓實物質的還原進行3-5分鐘。
6.根據權利要求1-5中任一項的方法，其中所述原料壓實物質被壓制為直徑為3-25mm的粒狀或塊狀。
7.根據權利要求1-6中任一項的方法，其中在2分鐘內將裝入所述還原爐中的原料壓實物質升溫到不低于800℃的溫度。
8.一種熔融金屬鐵的生產方法，包含將含有碳質還原劑和含氧化鐵的物質的原料壓實物質裝入移動爐膛型還原爐；在所述還原爐內將所述原料壓實物質還原至還原比為30-80％，從而形成由金屬鐵形成的殼層或形成這樣一種狀態金屬鐵形成殼層或金屬鐵以網絡方式伸向四周，并且碳質還原劑保留在其間的空隙中；附聚生成的含FeO的爐渣；將所述經還原的壓實物質裝入維持高溫狀態的熔融爐中，并進行最終還原和熔融。
全文摘要
一種方法,包含:將含有碳質還原劑和含氧化鐵的物質的原料壓實物質裝入移動爐膛型還原爐;在所述還原爐內將所述原料壓實物質還原至還原比為30－80%,從而形成由金屬鐵形成的殼層或形成這樣一種狀態:金屬鐵形成殼層,或金屬鐵以網絡方式伸向四周,并且碳質還原劑保留在其間的空隙中;附聚生成的含FeO的爐渣;將所述經還原的壓實物質裝入維持高溫狀態的熔融爐中,并進行最終還原和熔融,以得到熔融金屬鐵。
文檔編號C21B13/00GK1366554SQ01800691
公開日2002年8月28日 申請日期2001年3月28日 優先權日2000年3月30日
發明者谷垣恭廣, 浦上昭 申請人:米德雷克斯國際公司蘇黎世分公司