專利名稱：生產(chǎn)還原鐵的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)還原鐵的方法，用含碳還原劑如焦碳將氧化鐵如鐵礦石熱-還原得到固態(tài)還原鐵，或進一步將其加熱，從而從金屬鐵中分離造渣成分如爐渣而得到粒狀金屬鐵。
眾所周知，在類似本發(fā)明的生產(chǎn)還原鐵的方法中，將含有如鐵礦石的氧化鐵源和焦碳的原料粉末制成小球，并將未干燥狀態(tài)的原料附聚物裝入使生球加熱-還原的熱還原爐，繼而進行干燥及熱還原來生產(chǎn)還原鐵。雖然該方法具有的優(yōu)點是可省略干燥原料附聚物所需的設備或時間，但它在熱還原區(qū)域之前需要預熱區(qū)來用作干燥區(qū)，這必然使整個爐子擴大。它還需要準備屏蔽構件如幕墻，以便阻隔高溫氣流從熱還原區(qū)流向預熱區(qū)，從而使爐子的結構復雜化，導致增加設備成本的問題。
眾所周知，將裝入爐膛的原料層做成脊形延伸的形狀，可擴充原料層的表面積而提高加熱效率。然而在該方法中，即使原料小球具有10～20mm的中等到大的顆粒大小，傳向小球的燃燒熱或輻射熱的傳熱速度是低的，全部形成脊形的小球僅堆疊數(shù)層，仍不能一定得到充分的傳熱效果。此外還了解在熱還原中間脊形上開槽可提高加熱效率。然而，在顆粒尺寸大的小球的中間疊層部分開槽引起小球的破損，而導致還原鐵產(chǎn)量的降低。
此外還建議將原料粉末形成不規(guī)則形送入爐膛。然而與使用附聚物比較，此方法的傳熱性或還原反應性相當差，這是由于原料的最大堆積厚度大，且原料粉末中氧化鐵源和含碳原料僅是混合在一起，沒有緊密地相互接觸。
在這些方法中，原料混合物通常被造型成具有直徑大約10mm或10mm以上的附聚物，再將附聚物送入熱還原爐的爐膛并加熱-還原。為了有效地進行還原反應，具有如此大直徑的原料附聚物被暴露于大約1300℃或1300℃以上的高溫，在其中包含的濕氣或揮發(fā)性成分影響下，這些原料附聚物往往破裂。因此，在大部分情況下是將原料附聚物預熱，并然后裝入熱還原爐。
此外，通常不容易制成尺寸大的原料附聚物小球，因為這不僅導致制球設備或干燥設備所需的成本增加，而且增加生產(chǎn)成本。為了在干燥后穩(wěn)定地保持形狀可使用粘合劑。然而，粘合劑混合量過多往往阻礙附聚物中氧化鐵源和含碳原料的均勻分散，還引起影響熱還原反應效率的顧慮。也有建議省去干燥及將附聚物以生球狀態(tài)供入熱還原爐。然而不能說這種方法可在工業(yè)規(guī)模上實際應用，因為生球強度低，而且往往由于小球的相互粘附而引起堵塞，或粘附在進料器的進料斗上使其操作性能變差。
上述方法得到的還原鐵具有的Fe純度低，因為其中包含大量的爐渣成分，爐渣成分來自原料鐵礦石中包含的脈石成分，及需要在后面的精煉處理過程中處理除去此爐渣成分。另外，這些方法得到的還原鐵在貿(mào)易中缺乏作為鐵源的可操作性，因為它是海綿狀的并容易破裂。為了改進這些缺點，這種海綿狀還原鐵必須被處理成類似煤磚的壓坯，這需要額外的設備。
因此，建議在還原鐵熱還原后接著將所生產(chǎn)的金屬鐵熔融，并使熔融的金屬鐵凝結，同時分離副產(chǎn)物爐渣成分，而得到粒狀金屬鐵。然而在該方法中，對考慮到原料附聚物的尺寸等，如何有效地生產(chǎn)粒狀金屬鐵未能進行必要地充分的試驗。
本發(fā)明的一個目標是提供一種方法，該方法能夠穩(wěn)定及有效地進行原料的附聚、干燥和熱還原，及進一步熔融和凝結，特別是通過適當?shù)卦O定原料小附聚物的尺寸或?qū)訑?shù)，由含有氧化鐵源和含碳還原劑的原料生產(chǎn)固態(tài)還原鐵(粒狀金屬鐵、含有爐渣的還原鐵)。
換言之，根據(jù)本發(fā)明的一種生產(chǎn)還原鐵的方法包括將含有含碳還原劑和含氧化鐵原料的原料混合物附聚成小附聚物，將該小附聚物裝入還原爐，并在還原爐中使小附聚物加熱，從而固態(tài)還原小附聚物中的氧化鐵，生產(chǎn)固態(tài)還原鐵。
在上述生產(chǎn)還原鐵的方法中，小附聚物主要地由那些具有顆粒大小小于6mm、或顆粒大小為3mm或大于3mm及小于6mm的的顆粒組成，并且該小附聚物裝入的高度為2～5層。
在上述生產(chǎn)還原鐵的方法中，小附聚物主要地由那些具有顆粒大小小于3mm的顆粒組成，及該小附聚物裝入還原爐爐膛的高度為3層或大于3層。
在上述生產(chǎn)還原鐵的方法中，該小附聚物主要地由那些具有顆粒大小為3～7mm的顆粒組成，及該小附聚物相互交迭地裝入還原爐爐膛，其厚度為10～30mm。
在上述生產(chǎn)還原鐵的方法中，該小附聚物水平地裝入，并具有3～5層的高度。
在上述生產(chǎn)還原鐵的方法中，小附聚物未經(jīng)干燥裝入還原爐；小附聚物至少在其表面干燥之后裝入爐膛；裝入還原爐爐膛的小質(zhì)量層(small mass layer)的表面形成高峰部分和低谷部分；在還原爐爐膛中放置粉狀含碳原料之后裝入小附聚物；或者小附聚物與粘附于其表面的含碳原料一起裝入爐膛。
根據(jù)這些，將小附聚物用作原料，由此可穩(wěn)定有效地完成原料的附聚、干燥和熱還原及進一步的熔融。優(yōu)選顆粒大小為3～7mm或小于6mm，但更優(yōu)選小附聚物的顆粒大小設定為3mm或大于3mm及小于6mm。在這種情況下，小附聚物裝入爐膛的厚度為10～30mm或高度為2～5層，優(yōu)選高度為3～5層，由此可充分提高產(chǎn)品還原鐵的生產(chǎn)率。更進一步，此顆粒大小可小于3mm。在這種情況下，希望小附聚物裝入的高度為3層或3層以上，以便改進生產(chǎn)率。當使用如此小顆粒大小的小附聚物時，其穩(wěn)定的可操作性能有效地進行還原鐵的生產(chǎn)，即使小附聚物在沒有干燥的未干燥狀態(tài)或半-干燥狀態(tài)下裝入熱還原爐，也不引起小附聚物的破裂或壓碎。
小附聚物與粘附于其表面的含碳粉末一起裝入熱還原爐，由此可抑制熔化的爐渣對爐膛耐火材料的侵蝕，此熔化的爐渣是在還原過程中由原料中脈石成分衍生而產(chǎn)生的；還可優(yōu)選地預防還原鐵在還原最后階段再次氧化。此外，與大尺寸附聚物比較，使用具有高抗碎強度的小尺寸原料附聚物時，可將小尺寸附聚物放入爐膛使其有例如3～5層的高度，且不停地被加熱-還原，由此可更加提高生產(chǎn)率。這時，在裝入爐膛的小質(zhì)量層的表面不規(guī)則地形成高峰部分和低谷部分(如凸起的和凹下去的)，由于小質(zhì)量層有效傳熱表面積的擴大，由此來自上方的熱度可更有效地傳遞到各小質(zhì)量，還可促進向更低層部分小附聚物的傳熱以進一步提高生產(chǎn)率。
建議采用至少在其表面干燥之后將小附聚物裝入爐膛的方法，因為可進一步預防小附聚物裝入爐子時小附聚物在進料斗部分相互粘附造成的供料故障或預防進料之后堆疊裝載壓碎附聚物。
本發(fā)明進一步包括一種生產(chǎn)還原鐵的方法，該方法包括附聚顆粒大小為10mm或10mm以下的小附聚物，小附聚物含有含碳還原劑和含氧化鐵的原料，將小附聚物裝入還原爐，裝入的層數(shù)例如滿足下面關系式的層數(shù)(H)由運轉(zhuǎn)條件決定，及在還原爐中加熱小附聚物，從而固態(tài)還原小附聚物中的氧化鐵，生產(chǎn)固態(tài)還原鐵H＝Z×[X×(G/P)]/[A×LOAD÷T]其中H是小附聚物的層數(shù)，X是熱還原爐的生產(chǎn)率(kg/min)，Z是0.7～1.3范圍的正數(shù)，LOAD是每單位面積爐膛裝入一層小附聚物的質(zhì)量(kg/m2)，G/P是小附聚物裝料量與排出的還原鐵的質(zhì)量比，及A是小附聚物裝料的爐子基底面積(m2)，T表示在生產(chǎn)率X中的生產(chǎn)時間(min)。
在上述生產(chǎn)還原鐵的方法中，小附聚物的顆粒大小是6～10mm，小附聚物裝入還原爐爐膛的高度為1～3層，小附聚物的顆粒大小均化到±3mm的范圍內(nèi)，及小附聚物裝入還原爐之后在總還原時間1/3的時間范圍內(nèi)表面溫度上升到1200℃或1200℃以上。
根據(jù)這一點，當原料附聚物顆粒大小的上限被設定為10mm，則以滿足上文表達的關系式來指定裝入爐膛的原料附聚物的層數(shù)H。與過去比較，即使原料附聚物的顆粒大小在6～10mm范圍，在滿足此相關表達式的范圍內(nèi)可明顯提高還原鐵的生產(chǎn)率。希望原料附聚物具有狹窄的顆粒大小分布，及優(yōu)選使用具有顆粒大小在±3mm范圍，更優(yōu)選在±2mm范圍內(nèi)的那些附聚物，由此可進一步提高運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和還原鐵生產(chǎn)率。此外優(yōu)選在裝入加熱還原爐之后總還原時間1/3的時間內(nèi)，將原料附聚物的表面溫度上升到1200℃或1200℃以上，由此可在短時間內(nèi)有效地進行還原。
在根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)還原鐵的方法中，優(yōu)選組成小附聚物的主要顆粒大小為3mm或大于3mm及小于6mm、或3～7mm。在使用如此小附聚物作原料的熱還原中，優(yōu)選裝入還原熔融爐爐膛的小附聚物相互交迭的厚度為10～30mm(大約3～10層)，由此可進一步提高粒狀金屬鐵的生產(chǎn)率。此外，優(yōu)選在不規(guī)則地裝入爐膛的小附聚物的小質(zhì)量層表面形成高峰部分和低谷部分，to通過擴大有效傳熱表面積可提高加熱效率，還可提高堆疊在更低層部分的小附聚物的加熱速度，以便更有效地實現(xiàn)整個還原和熔融。
更進一步地，采用了在爐膛上放入粉狀含碳原料之后裝入小附聚物，或在小附聚物表面上粘附含碳粉末之后將其裝入爐膛的方法，含碳原料給還原生產(chǎn)的金屬鐵滲碳以降低其熔點，使得不僅可更有效地進行金屬鐵的熔融，還可抑制熔融產(chǎn)生的熔化金屬鐵粘附到爐膛表面，通過凝結促進熔化金屬鐵的成粒作用。此外，還可抑制熔化的富含F(xiàn)eO的爐渣侵蝕爐膛耐火材料，這種爐渣很容易在裝入爐膛的堆疊底層部分的小附聚物還原不充分時產(chǎn)生。


圖1是表示用于本發(fā)明的熱還原設備的實例的視圖；圖2是表示原料附聚物顆粒大小和制球生產(chǎn)率之間關系的曲線圖；圖3是表示各種顆粒大小的原料附聚物裝料層數(shù)對生產(chǎn)率的影響的曲線圖；圖4是圖3在6mm或小于6mm的小顆粒尺寸部分的放大圖；圖5是表示根據(jù)原料附聚物顆粒大小的最佳層數(shù)關系的曲線圖；圖6是表示用于本發(fā)明的還原熔融設備的實例的視圖；圖7是圖6沿著A-A線取的剖面視圖；圖8是表示圖6的還原熔融設備在旋轉(zhuǎn)爐膛旋轉(zhuǎn)方向展開的剖面視圖；和圖9是表示本發(fā)明得到的粒狀金屬鐵的表觀密度平均值和具有顆粒大小為3mm或3mm以上的粒狀金屬鐵Fe產(chǎn)量的圖表。
將進一步詳細說明根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)還原鐵的方法。
在本發(fā)明中，將原料附聚為小附聚物，原料含有氧化鐵源(下文經(jīng)常稱作鐵礦石等)如鐵礦石、氧化鐵或其部分還原產(chǎn)品和含碳還原劑(下文經(jīng)常稱作含碳原料)，并將小附聚物裝入還原爐(下文經(jīng)常稱作熱還原爐或還原熔融爐)，接著熱還原來生產(chǎn)固態(tài)還原鐵；或者進一步加熱固態(tài)還原鐵，使固態(tài)還原鐵中生成的金屬鐵熔化，以及使熔化的金屬鐵凝結，同時分離固態(tài)還原鐵中包含的爐渣成分來生產(chǎn)粒狀金屬鐵；在上述生產(chǎn)中特別用作小附聚物(下文經(jīng)常稱作原料附聚物或小尺寸附聚物)的是具有顆粒大小為小于6mm、或者10mm或10mm以下的小附聚物，由此可使制球更容易而降低制球設備的成本，及可獲得小球產(chǎn)量的改進或縮短制球時間。更進一步地，小附聚物的使用可擁有下文所述的各種優(yōu)點。下文中，還原鐵的意思是粒狀金屬鐵或含有爐渣的固態(tài)還原鐵。
由于可提高內(nèi)部的傳熱性質(zhì)，就可在較短時間有效地進行還原和熔融，提高了還原鐵的生產(chǎn)率。小質(zhì)量的使用使得粘合劑混合量降低，由此可促進小附聚物中氧化鐵源和含碳原料的均勻分散，也有效地改進了還原效率和熔融速度。與大尺寸附聚物比較，小附聚物的使用還使得單個的抗碎強度增加，及由于明顯地抑制了附聚物在還原中被毀壞或變成粉末，可改進還原鐵的生產(chǎn)產(chǎn)量。
更進一步地，可增加爐膛部分堆疊裝料的厚度，這樣有助于改進生產(chǎn)率。
為了有效地顯示使用小尺寸附聚物的效果，最好是將附聚物顆粒大小設定為10mm或10mm以下、7mm或7mm以下、優(yōu)選6mm或6mm以下、及更優(yōu)選小于小于6mm。顆粒大小超過它的大尺寸附聚物幾乎不能明顯顯示上述效果。然而，顆粒大小小于2mm、特別是1mm或1mm以下的細小附聚物不僅在使用篩子過篩時往往堵塞使操作性能惡化，而且也引起最終得到的還原鐵的直徑細小這樣的問題，而使后面的操作復雜化。因此，最好將顆粒大小設定為優(yōu)選2mm、更優(yōu)選3mm或3mm以上、或4mm或4mm以上。在實施本發(fā)明時，不必所有的附聚物都在上述優(yōu)選范圍內(nèi)，只要顆粒大小適合上述范圍的那些附聚物占整個的60質(zhì)量％或60質(zhì)量％以上、優(yōu)選大約70質(zhì)量％或70質(zhì)量％以上，即使包含少量(優(yōu)選根據(jù)質(zhì)量比大約40％或40％以下、更優(yōu)選大約20％或20％以下)稍微超出上述范圍的細小附聚物，仍可有效地顯示上述效果。
在本發(fā)明中涉及的小尺寸附聚物(直徑小的壓坯)一般稱作混合物的附聚物、小球、壓坯等，所述混合物含有氧化鐵源和含碳還原劑，不管其名稱如何，它不僅可以是單一本體的形式，也可以是混合物的形式，或包含少量的在轉(zhuǎn)移過程中破碎的碎片或粉末。生產(chǎn)小尺寸附聚物沒有特別的限制，可采用一般使用的盆式制球機、盤式制球機，鼓式制球機等附聚方法。
構成附聚物原料的氧化鐵源除了鐵礦石外，還包括軋制鐵鱗、淤渣等，及它可包括例如高爐灰、電爐灰、軋機灰等。含碳還原劑(含碳原料)的種類沒有特別的限制，除了多數(shù)一般的煤粉和焦碳粉末外，木炭粉末也是有用的。在需要場合混入的粘合劑的實例包括膨潤土、淀粉等，但當然不受這些實例的限制。更進一步地，原料混合物中優(yōu)選包括適當數(shù)量的CaO源(生石灰，熟石灰，碳酸鈣等)來調(diào)節(jié)造渣成分的堿度，它起著一種脫硫劑的作用，將原料混合物中包含的S作為CaS固定成為爐渣部分，這樣可得到S含量低的粒狀金屬鐵。
當使用如此小尺寸附聚物時，不僅可有效地實施單層狀態(tài)裝入熱還原爐爐膛的附聚物的還原，而且可利用它優(yōu)良的抗碎強度特性，將附聚物以多層狀態(tài)裝入爐膛來提高每單位爐膛的生產(chǎn)率。這時，層厚度按照小附聚物層數(shù)優(yōu)選設定在3～10層的范圍內(nèi)，或按厚度優(yōu)選設定在10～30mm范圍內(nèi)。如果小于3層，則通過堆疊裝料改進生產(chǎn)率的效果不太充分，如果堆疊裝料厚度過分增加到超過10層，小附聚物在較低層堆疊部分往往得不到充分的加熱，而使還原和熔融凝結的效率變差。顆粒大小為3mm或3mm以上及小于6mm的小附聚物以2～5層裝入，顆粒大小小于3mm的以3層或多于3層裝入，可提高每單位爐膛面積的生產(chǎn)率。然而，由于堆疊裝料厚度的過分增加，引起小尺寸附聚物較低層堆疊部分加熱不充分的傾向，而使還原和熔融凝結的效率變差，因此當顆粒大小小于3mm時，層數(shù)最好控制在大約10層(按厚度大約為100mm)或10層以下。
可采用例如由進料斗、振動進料器、鼓式進料器等分割，接著使用導槽或?qū)Ч?、傾斜板等供料的方法將小尺寸附聚物供入爐膛表面。
當小尺寸附聚物以多層狀態(tài)裝入時，最好在疊層表面縱向(在爐膛縱向)或橫向(在爐膛橫向)不規(guī)則地形成(如凸起的和凹下去的)任意形式的高峰部分和低谷部分，使傳熱的有效表面積擴大，由此可提高來自上方的燃燒熱或輻射熱的加熱效率。疊層表面如此不規(guī)則的排列可有效地提高疊層更低層部分的小尺寸附聚物的傳熱效率。雖然因為該不規(guī)則性的變化取決于疊層厚度，不能對它不加選擇地進行調(diào)節(jié)，但它優(yōu)選的形式、尺寸或間距是設定在5～200mm、優(yōu)選10～100mm或5～30mm、及更優(yōu)選10～30mm高(由峰項到谷底的空間)的范圍內(nèi)。優(yōu)選的間距(相鄰峰頂部分之間的寬度)是設定在優(yōu)選10～100mm、更優(yōu)選10～70mm的范圍內(nèi)。例如可通過多個供料口在爐膛橫向方向裝入附聚物，同時改變裝料量來形成不規(guī)則性；或在爐膛橫向方向通過不規(guī)則進料斗提供補充裝料，同時改變裝料量來形成不規(guī)則性；或者在充分水平裝料之后跟蹤具有不規(guī)則性的表面成形構件的表面來形成不規(guī)則性；這些方法可任意選擇。
如前所述，由于用于本發(fā)明的小尺寸附聚物的直徑小，單個抗碎強度相對高，小尺寸附聚物可在其未干燥的狀態(tài)供入爐膛，即使堆疊裝料也幾乎不被堆疊壓力壓碎，并由于其高的傳熱速度，可在初始加熱下很快干燥。然而，為了更穩(wěn)妥地防止在裝料或堆疊裝載中被擠壓而破損，優(yōu)選至少在小尺寸附聚物的表面層部分預先干燥之后進行裝料，由此還可預防因小尺寸附聚物粘附而堵塞裝料進料斗。
在本發(fā)明實施中，如果采用在爐膛放置粉狀含碳原料之后裝入小附聚物、或采用小附聚物在其表面粘附含碳粉末之后裝料的方法，可防止明顯侵蝕爐膛耐火材料的含F(xiàn)eO的熔化爐渣的產(chǎn)生，延長爐膛壽命，這是因為含碳粉末提高了小尺寸附聚物附近周圍氣體的還原程度，更有效地促進了還原，補償了往往在小尺寸附聚物堆疊裝料時出現(xiàn)的更低層部分的不充分還原，而提高了整個還原速度，并作用于往往在更低層部分不充分還原產(chǎn)生的FeO，將其很快還原。更進一步地，對于小尺寸附聚物在未干燥狀態(tài)裝料，將含碳粉末潑灑粘附到小尺寸附聚物的表面是特別有效的，因為可預防附聚物相互粘附或粘附于裝料進料斗。更可取的是含碳原料對固態(tài)還原金屬鐵滲碳而降低其熔點，促進熔融和凝結，及使熔化的金屬鐵成粒，同時抑制對爐膛表面的粘附。
作為用于本發(fā)明的含碳粉末，可任選使用煤粉、焦碳粉末、木炭粉末等。小尺寸附聚物表面粘附含碳粉末可通過潑灑、使含碳粉末在分散介質(zhì)如水中分散接著噴灑等進行。為了更有效地顯示上述效果，放置在爐膛表面的粉狀含碳原料所具有的顆粒大小按平均顆粒大小優(yōu)選為2mm或2mm以下，更優(yōu)選1.5mm或1.5mm以下。粘附于小附聚物表面的含碳原料的平均顆粒大小設定為優(yōu)選1mm或1mm以下，更優(yōu)選大約0.3mm或0.3mm以下。
在本發(fā)明中，使用顆粒大小10mm或10mm以下、特別是6～10mm的小尺寸附聚物所加的基本要求是原料附聚物以層裝料的最佳層數(shù)(H)，它是考慮所使用熱還原爐的運轉(zhuǎn)條件之后決定的。決定這一點的理由如下對于還原鐵的生產(chǎn)，下面的表達式表示每單位時間熱還原爐的生產(chǎn)率(Xkg/min)(每單位時間從爐子中排出的還原鐵數(shù)量，或還原鐵從還原部分供入熔融部分的數(shù)量)，爐膛面積(由進料部分到還原部分的終端裝入小附聚物的爐膛面積，或裝入原料附聚物部分的爐膛面積m2)是(A)，每單位時間和單位面積原料附聚物的裝料量(kg/min·m2)是(B)。
X＝A×B然而，通過熱還原將原料附聚物中的氧化鐵還原為Fe，含碳原料被分解了，揮發(fā)性成分如Zn或Pb揮發(fā)及進一步粉化分散。因此加上所裝入的原料附聚物的質(zhì)量比(G/P)來校正上述表達式。
X＝A×B/(G/P)原料附聚物的裝料量(B)可用下面的表達式表示每單位面積爐膛裝入一層原料附聚物的質(zhì)量(kg/m2)是(LOAD)，層高度的數(shù)值是(H)，生產(chǎn)率(X)中的生產(chǎn)時間(min)(在爐子中的保留時間，或還原部分的保留時間)是(T)。這是上述等式的替代。
B＝LOAD×H÷TX＝[A×LOAD](H÷T)/(G/P)然后將上述表達式改為計算層數(shù)(H)的表達式。
H＝[X×(G/P)]/[A×LOAD÷T]由于每單位面積理想裝料量與每單位面積裝入一層原料附聚物的重量相對應，且(G/P)是質(zhì)量比(G原料附聚物/P還原鐵產(chǎn)品[由爐子排出的還原鐵，或由還原部分供入熔融部分的還原鐵])，可由這些數(shù)值決定理想層數(shù)(H)。然而考慮實際爐子的生產(chǎn)條件，校正是需要的，因為加熱條件或還原氣氛條件取決于熱還原爐的特性，實際是相當分散的。作為確認實際爐子中(H)分散的結果，偏差(Z)在±30％的范圍內(nèi)或在0.7～1.3范圍內(nèi)，這樣確認建立了下面的如前所述的表達式。
H＝Z×[X×(G/P)]/[A×LOAD÷T]參考小尺寸附聚物作為原料被固態(tài)還原生產(chǎn)還原鐵的具體設備，簡單說明根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)還原鐵的方法。
圖1是表示本發(fā)明適用的一個活動爐膛型(在此實例中是旋轉(zhuǎn)爐膛型)還原爐的實例的平面示意圖，圖中省略了覆蓋爐體的蓋子部分。1表示圓環(huán)形狀的旋轉(zhuǎn)爐膛，2是原料裝料部分，3是表面成形構件，4是冷卻部分，5是還原鐵出料設備，及6是加熱燃燒器。
使用這個設備生產(chǎn)還原鐵時，含有氧化鐵源和含碳原料的原料附聚物通過原料裝料部分2被裝入旋轉(zhuǎn)爐膛1，使其具有適當?shù)暮穸?層數(shù))。原料附聚物的裝料是，例如，通過用進料斗、振動進料器、鼓式進料器等分割原料附聚物，并使用導管或傾斜板控制裝料量進行的。原料裝料層的表面由表面成形構件3平穩(wěn)地拉平，表面成形構件3正好在原料裝料部分2的下方。這時如前所述，優(yōu)選由表面成形構件3在原料裝料層表面上形成有適當高度和間距的不規(guī)則性，由此可提高燃燒熱和輻射熱向原料附聚物層的傳熱效率。
所裝入的原料附聚物通過爐子壁部分提供的燃燒器6的燃燒熱和輻射熱加熱，同時旋轉(zhuǎn)爐膛1按箭頭方向X旋轉(zhuǎn)移動進行還原。此加熱可采用使用重油、煤粉或廢塑料作燃料的燃燒器加熱；有效地利用爐子中還原產(chǎn)生的可燃氣體(CO或H2)并通過供入空氣或氧氣使其燃燒的燃燒型加熱；還有集熱型加熱；它們可單獨或適當組合使用。還原產(chǎn)生的CO2或燃燒廢氣通過圖中未表示的排氣口抽出。
還原完成之后(金屬化比率大約90％或90％以上)，將實際上就是產(chǎn)品的還原產(chǎn)物(固態(tài)還原鐵)排出，使它在冷卻部分4(例如通過使用在爐膛更低部分提供的水冷卻夾套或通過噴灑冷卻氣體)冷卻，及接著通過任意出料設備5從爐子中取出。出料設備的結構沒有特別限制，可任選地采用一種使用螺桿或刮刀的方法，通過氣體噴霧或抽吸進行出料的方法等。
如果熱還原(固態(tài)還原)中溫度太高，更具體地，當環(huán)境溫度高于由原料中脈石成分、未還原氧化鐵等組成的爐渣混合物的熔點時，低熔點的爐渣熔化并與組成活動爐膛的耐火材料反應而將其腐蝕，這樣爐膛不能保持光滑。當在還原周期中應用了高于氧化鐵還原所需的熱度時，小尺寸附聚物中的氧化鐵FeO在其被還原之前熔化，并迅速進行所謂的熔融還原(它與固態(tài)還原不同，是在熔化狀態(tài)進行還原的現(xiàn)象)，熔融還原是熔化的FeO與含碳原料中的碳(C)反應。雖然熔融還原也生產(chǎn)金屬鐵，但實際爐子的連續(xù)運轉(zhuǎn)是困難的，因為當出現(xiàn)熔融還原時，具有高流動性的含F(xiàn)eO-的爐渣明顯地侵蝕爐膛耐火材料。
雖然這種現(xiàn)象依賴于組成小尺寸附聚物的鐵礦石或含碳原料、或者粘合劑中包含的造渣成分的組成而變化，但當還原的環(huán)境溫度超過大約1500℃時，不論何種原料鐵礦石，都進行上述不需要的熔融還原反應，而明顯地侵蝕爐膛耐火材料。因此，還原溫度最好控制在1500℃或1500℃以下，更優(yōu)選大約為1450℃或1450℃以下。由于加熱溫度太低時會抑制還原的進行，加熱溫度最好設定為優(yōu)選1200℃或1200℃以上，更優(yōu)選1300℃或1300℃以上。
為了使裝入爐子的原料附聚物在有效的還原速度下進行還原，而不引起任何附聚物包含的爐渣成分的部分熔融，保持爐子溫度在1200～1500℃范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1250～1450℃，及更優(yōu)選地，在總還原必需時間的大約1/3時間里，爐子中溫度最好上升到1200℃來進行還原。一般根據(jù)如此設定的條件，通過大約8分鐘～13分鐘的加熱可充分完成還原。
在用于實施本發(fā)明的熱還原爐中，通常采用燃燒器加熱來加熱原料附聚物。在這種情況下，在還原的初始階段，由于裝入爐子的原料附聚物中氧化鐵源和含碳原料的反應，產(chǎn)生大量的CO氣體，通過它本身釋放的CO氣體的屏蔽效果，在原料附聚物鄰近區(qū)域保持了高度的還原氣氛。
然而，因為從還原后半時到其最后階段上述CO氣體的產(chǎn)生迅速減少，其自身-屏蔽效果變差，原料附聚物往往被燃燒器加熱產(chǎn)生的燃燒廢氣(CO2或H2O)影響，使得盡力還原成的還原鐵很容易被再氧化。例如如前所述，作為有效地進行還原同時盡可能抑制再次氧化的優(yōu)選方法，提出了在原料附聚物表面預先粘附含碳粉末的方法。即當含碳粉末以這種方式粘附于原料附聚物表面時，它立即與燃燒器燃燒產(chǎn)生的氧化氣體(CO2或H2O)反應，將這些氣體轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原氣體如CO或H2。因此，經(jīng)受了還原的還原產(chǎn)品的鄰近區(qū)域可保持在高度還原氣氛中，盡可能預防還原鐵的再次氧化。為了更有效地顯示這種預防再氧化的效果，需要粘附的含碳粉末優(yōu)選2mm或2mm以下，特別優(yōu)選1.0mm或1.0mm以下的細小含碳粉末。粘附該含碳粉末可通過例如潑灑、或通過使用分散介質(zhì)(如水)噴灑到置于未干燥狀態(tài)的原料附聚物的表面上。當然，粘附方法不為這些方法所限制。原料附聚物表面粘附含碳粉末產(chǎn)生了其他更好的附加效果，即防止原料附聚物在未干燥狀態(tài)裝入時附聚物的相互粘附、或其粘附到裝入原料的進料斗部分，以及原料能平穩(wěn)地裝料。
可參考具體的設備簡要地說明根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)還原鐵的方法，這種還原鐵是粒狀金屬鐵(下文經(jīng)常稱作粒狀金屬鐵或金屬鐵)，它是使用小附聚物作原料進行還原接著熔融和凝結來生產(chǎn)的。
圖6～8表示本發(fā)明者研制的本發(fā)明適用的活動床型還原熔融爐子實例的示意視圖，這個爐子具有圓頂結構，該結構具有圓環(huán)-形狀的旋轉(zhuǎn)活動床。圖6是透視示意圖，圖7是沿著圖6中A-A線取的剖面視圖，及便于理解圖8是圖6中活動床在旋轉(zhuǎn)方向展開的還原熔融爐子的剖面示意視圖。圖中，1代表旋轉(zhuǎn)爐膛，7是覆蓋旋轉(zhuǎn)爐膛的爐體，及建成的旋轉(zhuǎn)爐子1可由未顯示的驅(qū)動單元使其以適當速度旋轉(zhuǎn)。
爐體7在爐壁表面適當位置有多個燃燒器6，燃燒器6的燃燒熱及其輻射熱傳遞到在旋轉(zhuǎn)爐膛1的小附聚物，由此進行小附聚物的熱還原。在圖中顯示的一個優(yōu)選實例的爐體7中，爐體7的內(nèi)部被一個分割墻K分割成一個還原熔融區(qū)域Z1和一個冷卻區(qū)域Z2，原料和輔助-原料裝料工具2是安裝在與旋轉(zhuǎn)爐膛1相反的爐體7旋轉(zhuǎn)方向的最高流線一側(cè)，及出料工具5是提供在旋轉(zhuǎn)方向的最低流線一側(cè)(由于旋轉(zhuǎn)結構，也正好在裝料工具2的上游一側(cè))。
熱還原熔融爐的熱源包括使用氣體、重油、煤粉或廢塑料作燃料的燃燒器加熱；和有效利用爐子產(chǎn)生的可燃氣體并通過供入空氣或氧氣使其燃燒的燃燒類型；集熱型爐子也是可利用的。生產(chǎn)的粒狀金屬鐵可使用任意出料設備如螺桿或刮刀排出，或籍助于氣體噴霧或抽吸排出。
在還原熔融爐運轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)爐膛1以指定的速度旋轉(zhuǎn)，使用裝料設備2或振動進料器8供入主要原料的小附聚物，使其具有適當?shù)暮穸取Ｔ谘b料中，小附聚物可以單層裝入，但如前所述，優(yōu)選的是以優(yōu)選3～10層、更優(yōu)選3～6層或以厚度10～30mm、更優(yōu)選20～30mm裝入爐膛，由此可增加每單位爐膛面積的原料裝料量而提高生產(chǎn)率。
以疊層狀態(tài)裝入小附聚物時，優(yōu)選在疊層體表面形成任意尺寸的不規(guī)則性，由此可擴充疊層表面的有效傳熱面積而更加提高所裝入小附聚物的加熱效率，及還可提高對更低層堆疊部分小附聚物的加熱效率。如前所述，可通過在爐膛橫向方向多個供料口裝入小附聚物同時改變裝料量來形成不規(guī)則性；通過不規(guī)則進料斗在爐膛橫向方向提供補充進料同時改變裝料厚度來形成不規(guī)則性；或充分水平地裝入小附聚物及跟蹤具有不規(guī)則性的表面成形構件的表面來形成不規(guī)則性。
在還原熔融區(qū)域Z1移動過程中，裝入爐膛1的小附聚物通過燃燒器6的燃燒熱和輻射熱加熱，氧化鐵被一氧化碳還原，一氧化碳是小附聚物中包含的氧化鐵和含碳還原劑相互反應產(chǎn)生的，所生產(chǎn)的金屬鐵在富碳氣氛下進一步加熱，由此使金屬鐵滲碳、熔化和凝結，同時從副產(chǎn)物爐渣中分離，形成粒狀熔融金屬鐵，然后它被冷卻區(qū)域Z2的任意冷卻工具C冷卻并固化，接著由下方提供的出料工具5耙出。這時，副產(chǎn)物爐渣也排出。通過一個料斗H之后由任意分離工具(篩選或磁選設備)將它們分離成粒狀金屬和爐渣，粒狀金屬鐵的鐵純度為大約95％或95％以上，更優(yōu)選為大約98％或98％以上，及最終可提供爐渣含量非常小的粒狀金屬鐵。
在上述還原和熔融過程中，當還原(固態(tài)還原)的環(huán)境溫度太高時，更具體地，在還原過程的某些時期，當環(huán)境溫度高于由原料中脈石成分和未還原氧化鐵等組成的爐渣混合物的熔點時，低熔點爐渣熔化并與構成活動爐膛的耐火材料反應而將其腐蝕，使得爐膛不能再保持光滑。當用于還原周期的熱度高于氧化鐵還原所需的熱度時，小附聚物中的氧化鐵FeO在它被還原之前熔化，并迅速進行所謂的熔融還原(還原在熔化狀態(tài)進行的現(xiàn)象，它與固態(tài)還原是不同的)，即熔化的FeO與含碳原料中碳(C)的反應。雖然熔融還原也產(chǎn)生金屬鐵，但實際上爐子的連續(xù)運轉(zhuǎn)是困難的，因為當熔融還原出現(xiàn)時，具有高流動性性質(zhì)的含F(xiàn)eO的爐渣明顯侵蝕爐膛耐火材料。
這種現(xiàn)象依賴于組成小附聚物的鐵礦石或含碳原料而變化，或進一步依賴于粘合劑中包含的造渣成分的組成而變化。然而當還原時環(huán)境溫度超過大約1400℃時，上述低熔點爐渣泄漏而腐蝕爐膛耐火材料，而當環(huán)境溫度超過大約1500℃時，不管何種原料牌號的鐵礦石都進行上述不需要的熔融還原反應，使得爐膛的耐火材料明顯地受到侵蝕。因此還原周期的溫度最好控制在1500℃或1500℃以下，更優(yōu)選大約1450℃或1450℃以下。由于當還原周期的溫度太低時幾乎不能有效地進行還原，溫度最好設定為優(yōu)選1200℃或1200℃以上，更優(yōu)選1300℃或1300℃以上。
還原之后，環(huán)境溫度優(yōu)選繼續(xù)上升大約50～200℃，并設定為1350～1500℃，使還原所生產(chǎn)的金屬鐵熔化，并凝結熔融的金屬鐵。這時，由于熔融金屬鐵的凝結，同時在其相互凝結和粗加工期間除去了熔化的爐渣副產(chǎn)物，凝結的金屬鐵具有高的Fe純度，及幾乎不含爐渣。通過此冷卻和固化、及由篩選或磁選分離出粒狀金屬鐵和爐渣，由此可得到具有高Fe純度的粒狀金屬鐵。
通過提高環(huán)境溫度使其高于金屬鐵的熔點來進行由還原產(chǎn)生的金屬鐵的熔融。在熔融開始時，優(yōu)選使在金屬鐵的鄰近區(qū)域存在C或CO，由此讓金屬鐵滲碳而導致熔點下降，使得可在更低溫度下在較短時間內(nèi)進行金屬鐵的熔融。即為了迅速進行熔融，優(yōu)選在還原之后顆粒中留下數(shù)量足以滲碳的碳。剩余的碳量可在原料小附聚物的生產(chǎn)中根據(jù)鐵礦石對含碳原料的混合比例來調(diào)節(jié)。在本發(fā)明者實驗的基礎上，確認設定初始含碳原料的混合量，使得在最終還原程度達到大約100％、或金屬化程度達到100％的狀態(tài)下，固態(tài)還原產(chǎn)品中剩余的碳量(過量的碳量)為1.5％或1.5％以上，由此還原鐵可被迅速滲碳而使熔點降低，及在1300～1500℃的溫度范圍內(nèi)很快熔化。如果剩余碳量小于1.5％，則不能充分地降低還原鐵的熔點，因為滲碳用的碳量不足，加熱和熔融的溫度必須提高到1500℃或1500℃以上。
當滲碳為零或在高于純鐵的熔融溫度1537℃的溫度下加熱熔化還原鐵時，運轉(zhuǎn)溫度最好控制得盡可能低，以便降低加到實際爐子中爐膛耐火材料上的熱負載?？紤]到副產(chǎn)物爐渣的熔點，運轉(zhuǎn)溫度最好控制在大約1500℃或1500℃以下。
為了使裝入爐子的原料附聚物以有效的的還原速度進行還原，且不引起原料小附聚物所含的爐渣成分的任何部分熔融而同時保持固體狀態(tài)，需要采用兩步加熱進行還原，在一段時間保持爐子溫度在1200～1500℃、更優(yōu)選1200～1400℃的范圍內(nèi)，并接著提高爐子溫度到1350～1500℃，還原剩余的部分氧化鐵，并熔化及凝結所產(chǎn)生的金屬鐵。根據(jù)所設定的這種條件，可穩(wěn)定有效地生產(chǎn)粒狀金屬鐵，氧化鐵的還原和熔融凝結通?？稍诖蠹s10分鐘～13分鐘完成。
在用于實施本發(fā)明的還原熔融爐子中，通常采用燃燒器加熱使原料小附聚物加熱。在這種情況下，由于裝入爐子的小附聚物中氧化鐵源和含碳原料在還原周期反應產(chǎn)生大量的CO氣體，通過本身釋放的CO氣體的屏蔽效果，原料附聚物的鄰近區(qū)域保持在充分的還原氣氛中。
然而因為快速還原，后來從還原周期的一半到其最后階段，產(chǎn)生上述CO氣體的自身-屏蔽效果變差，小附聚物往往被燃燒器加熱產(chǎn)生的燃燒廢氣(氧化氣體如CO2或H2O)所影響，使得還原得到的金屬鐵易于再氧化。還原結束之后，小附聚物中剩余的碳使還原鐵滲碳，引起熔點下降來進行還原鐵的熔融凝結。然而，即使在這個階段，還原鐵由于自身-屏蔽效果差，也易于被再氧化。
因此，為了還原之后有效地進行熔融凝結同時盡可能抑制這種再次氧化，需要適當?shù)乜刂迫廴趨^(qū)域周圍氣體的組成。為此作為優(yōu)選的方法，如前所述，可在爐膛裝入小附聚物之前先將粉狀含碳原料裝入爐膛，或可預先將含碳粉末粘附于小附聚物的表面。即當粉狀含碳原料預先裝入爐膛表面，或含碳原料預先粘附于小附聚物的表面時，該含碳原料立即與燃燒器燃燒產(chǎn)生的氧化氣體(CO2或H2O)反應，在熔融開始階段將此氣體改變?yōu)檫€原氣體如CO或H2。因此，經(jīng)受還原的附聚物的鄰近區(qū)域可保持在高度還原氣氛中，以盡可能防止金屬鐵的再次氧化。含碳還原劑可進一步顯示對所生產(chǎn)的金屬鐵起滲碳來源作用的效果，以進一步縮短滲碳及熔融金屬鐵所需的時間。
為了有效地顯示上述含碳原料的效果，對于預先裝入爐膛的粉狀含碳原料，使用細小的具有顆粒大小為優(yōu)選3mm或3mm以下、更優(yōu)選2mm或2mm以下、特別優(yōu)選0.3～1.5mm的物質(zhì)作為粉狀含碳原料預先裝入爐膛，及優(yōu)選地裝入的厚度為優(yōu)選大約2～7mm、更優(yōu)選3～6mm。對小附聚物而言，粘附于小附聚物表面的粘附量最好設定為1～10質(zhì)量％、更優(yōu)選3～7質(zhì)量％。
由于根據(jù)上述方法得到的粒狀金屬鐵幾乎不含爐渣成分，及由于在除去副產(chǎn)物爐渣同時進行凝結，該粒狀金屬鐵具有特別高的Fe純度。此金屬鐵送入演示煉鋼設備如電爐或轉(zhuǎn)爐用作鐵源。作為煉鋼原料使用時，硫(S)含量最好盡可能降低。因此，作為在上述金屬鐵生產(chǎn)過程中通過除去鐵礦石或含碳原料所含的S-成分來提供低S金屬鐵的研究結果，考慮到造渣成分是例如鐵礦石包含的脈石成分，確認在鐵礦石混入含碳原料來生產(chǎn)小質(zhì)量附聚物的過程中，確定地在原料中混入CaO源(除了生石灰之外還包括熟石灰和碳酸鈣)，以調(diào)節(jié)小質(zhì)量原料的組成，使其包含的總造渣成分的堿度(或CaO/SiO2比例)為0.6～1.8、更優(yōu)選0.9～1.5，由此所得金屬鐵的最終S含量可降低到0.10％或0.10％以下，進一步降低到大約0.05％或0.05％以下。
最普遍用作含碳還原劑的焦碳或煤通常包含大約0.2～1.0％的S，及多數(shù)S進入金屬鐵。另一方面，在多數(shù)情況下，未實際加入CaO源進行堿度調(diào)節(jié)時，由原料塊(mass)包含的造渣成分計算的堿度是0.3或0.3以下，雖然堿度依賴于鐵礦石的牌號不同而有些變化。在爐渣如此低堿度下，在后面的熔融和凝結過程中金屬鐵含S(硫化)是不可避免的，及原料質(zhì)量中所含總S的大約85％將進入金屬鐵。從而，金屬鐵中S的數(shù)量高達0.1～0.2％，會損害粒狀金屬鐵的質(zhì)量。
然而，如上所述在原料塊的生產(chǎn)過程中，通過實際加入CaO源調(diào)節(jié)造渣成分的組成，使其具有的堿度在0.6～1.8的范圍內(nèi)，由此S被固定到還原及滲碳、熔融和凝結的副產(chǎn)物爐渣中，從而在粒狀金屬鐵中S的數(shù)量可明顯地降低到例如0.05～0.08％的水平。降低S的機理令人信服地是原料塊中包含的S與CaO反應()并以CaS固定。實施例1用兩種混合物作原料，使用盆式制球機將各混合物制成顆粒大小不同的數(shù)種附聚物小球，對各自的情況相互比較在計劃顆粒大小±10％范圍內(nèi)的小球的生產(chǎn)率。結果由圖2表示。原料1氧化鐵源(鐵礦石)組成T.Fe68.8％；SiO22.1％；Al2O30.6％；顆粒大小75ìm或75ìm以下。
含碳原料(煤粉)組成固定碳72.2％；揮發(fā)物含量18.4％；灰分含量9.4％；顆粒大小75ìm或75ìm以下。
鐵礦石/煤粉/粘合劑的混合比例78.3％/20％/1.7％。原料2氧化鐵源和含碳原料(高爐灰)組成T.Fe38.02％；SiO22.51％；Al2O31.03％；固定碳14.57％；顆粒大小75ìm或75ìm以下。
高爐灰/粘合劑的混合比例98％/2％。
由圖2看出，制球生產(chǎn)率的絕對值依賴于原料種類而有相當?shù)淖兓?。在兩種情況下，計劃中小球顆粒尺寸越大的，制球生產(chǎn)率越低。當計劃中的顆粒尺寸超過10mm時，制球生產(chǎn)率特別明顯地變差。當計劃中的顆粒尺寸為10mm或10mm以下，特別是小于6mm時，可提供穩(wěn)定的高制球生產(chǎn)率。即與過去通常使用的大尺寸附聚物比較，在本發(fā)明中控制的顆粒尺寸為10mm或10mm以下、更優(yōu)選小于6mm的小尺寸附聚物中可得到高的生產(chǎn)率，在原料附聚物的生產(chǎn)過程中有效地顯示了這個優(yōu)點。實施例2使用與實施例1原料1相同的原料生產(chǎn)顆粒中尺寸為5mm和18mm的兩種附聚物，分別制備未干燥球體和干燥球體。各裝入實驗爐，溫度以升溫速度1350℃/min上升到1350℃，來比較破裂的出現(xiàn)。對于判斷破裂，當附聚物在爐子中加熱時部分地破裂并未能保持一半或一半以上的球形，就判定存在破裂。
結果如下。顆粒大小為5mm和18mm的兩個附聚物在干燥球體形式時沒有破裂，但在未干燥球體形式時明顯出現(xiàn)顆粒大小的差別與5mm的附聚物沒有破裂相反，90％的18mm大尺寸附聚物破裂，且明顯地具有不好的還原效果。附聚物顆粒大小5mm
干燥附聚物(破裂數(shù)量/被檢驗數(shù)量)0/10未干燥附聚物(破裂數(shù)量/被檢驗數(shù)量)0/10附聚物顆粒大小18mm干燥附聚物(破裂數(shù)量/被檢驗數(shù)量)0/10未干燥附聚物(破裂數(shù)量/被檢驗數(shù)量)9/10實施例3上述實施例中用作原料2的高爐灰被用于生產(chǎn)各種顆粒大小的附聚物。對每一種附聚物使用實驗爐(箱式電爐)進行還原實驗(附聚物樣品裝入制成的耐火平盤中)，檢查附聚物顆粒大小及爐子中的層數(shù)(1～5層)對生產(chǎn)率的影響。根據(jù)各樣品附聚物的還原比率達到90％時所需的還原時間來判斷生產(chǎn)率。對該實驗的所有情況，采用的還原條件是氮氣氣氛及溫度大約1300℃。
結果由圖3和圖4表示。具有顆粒大小超過6mm的附聚物的層厚度對生產(chǎn)率的影響被分為兩組，一組具有層厚度為1或2層，及一組具有層厚度為3～5層。由于在1或2層厚度時附聚物充分地吸收輻射熱迅速使整個層加熱，各附聚物顆粒尺寸較大時生產(chǎn)率改進較大。與此相反，在整個厚度為3層厚或更厚時，由于延遲了輻射熱傳熱到更低層部分附聚物，該生產(chǎn)率是被限制的狀態(tài)。即雖然在原料附聚物顆粒大小為6mm或6mm以上、特別超過10mm時，由于多層裝料使得不充分傳熱到更低層部分的影響明顯出現(xiàn)，從而妨礙了生產(chǎn)率的改進，原料附聚物的顆粒大小仍控制在10mm或10mm以下，由此通過增加原料附聚物重量伴隨增加層數(shù)(圖3)可明顯提高生產(chǎn)率。
當使用特別具有顆粒大小小于6mm的附聚物時(圖4)，與具有層厚度為1～2層的組相比，具有3～5層的較大層厚度這組明顯地顯示了較高的生產(chǎn)率。即由此可確認設定附聚物顆粒大小為小于6mm是非常有效的，可通過增加層數(shù)從而增加原料附聚物重量來更有效地提高生產(chǎn)率。這一點的原因令人信服地是附聚物較小的顆粒大小引起原料裝料層裝料密度的增加，從而補償了傳熱速度的差別，使得更低層部分溫度可迅速上升。因此，當使用小尺寸附聚物時，每單位爐膛面積的裝料量可通過增加層數(shù)而增加，以提高生產(chǎn)率。
更進一步地，與上述方法相同，將顆粒大小不同的附聚物疊層成1～5層，進行熱還原試驗來測量從加熱開始到各附聚物的金屬化比例達到90％時必需的時間，由此檢測依據(jù)附聚物顆粒大小的最佳層厚度。繼而確定附聚物的顆粒大小為10mm時，最佳厚度為1.1層；顆粒大小為8mm時為2.0層；顆粒大小為6mm時為1.7層；顆粒大小為4mm時為2.7層；顆粒大小為3mm時為3.2層及顆粒大小為2mm時為4.3層。
圖5出示了上述實驗結果的曲線圖。由于實際爐子的特征離散或生產(chǎn)率，根據(jù)附聚物顆粒大小的最佳層數(shù)設定在圖5斜線表示的范圍內(nèi)，由此可有效地提高每單位爐膛面積的生產(chǎn)率。也可明顯地從曲線圖看出，當附聚物顆粒大小設定在10mm或10mm以下、更優(yōu)選小于6mm、特別在2～5mm范圍時，可增加最佳層數(shù)來有效地提高每單位爐膛面積的生產(chǎn)率。
當LOAD(kg/m2)表達的含義如前所述、附聚物顆粒大小為D(m)時，可得到下面的表達式LOAD(kg/m2)＝表觀密度(kg/m3)(3/4·(D/2)2(m3)÷D2由于LOAD是基本上根據(jù)附聚物顆粒大小(D)決定的，如圖5所示，可根據(jù)原料附聚物的顆粒大小(D)決定適當?shù)膶訑?shù)(H)。當原料附聚物顆粒大小充分均勻時，顆粒大小采用直徑表達，當顆粒大小不均勻或形狀也參差不齊時(如壓坯)，可采用重量平均值或轉(zhuǎn)變?yōu)榍蝮w的平均直徑表達。
此外，可增加最佳層數(shù)來有效地提高每單位爐膛面積通過熔融和凝結生產(chǎn)粒狀金屬鐵的生產(chǎn)率。實施例4使用鐵礦石(基本成分T.Fe69.2％；Al2O30.51％；SiO21.81％)作鐵源，煤粉(基本成分固定碳71.6％；灰分含量8.8％；揮發(fā)性物質(zhì)含量19.6％)作為含碳還原劑，及生石灰作粘合劑，將這些以質(zhì)量比78.54∶20.46∶1.00均勻地混合，并在噴灑水的同時使用混合器攪拌大約15分鐘，由此得到準粒狀小附聚物(水含量12.9％)。干燥這些小附聚物，使其具有濕氣含量為大約6％，通過篩分按顆粒大小分成四組1.0mm或1.0mm以下、1.0～3.35mm、3.35～5.6mm、及5.6～6.7mm。
將準粒狀含碳顆粒緊密地放置在耐火平盤的底表面，并按層裝入各篩分的小附聚物，使其具有的高度為大約12mm。將此放入小電爐子，在1440℃加熱12分鐘(如使用具有顆粒尺寸小于1mm的附聚物時，加熱15分鐘)，同時輸送100％氮氣將其還原和熔化，由此得到實驗室生產(chǎn)的粒狀金屬鐵。圖9給出了所生成粒狀金屬鐵的表觀密度平均值和具有顆粒大小為3mm或3mm以上的粒狀金屬鐵的Fe產(chǎn)率。為了比較，除了附聚物平均顆粒大小指定為18.5mm及加熱條件改變?yōu)?430℃×12分鐘外，用上述同樣的方法進行粒狀金屬鐵的生產(chǎn)。結果也在相同的圖中給出。
將含有氧化鐵源和含碳還原劑的附聚物加熱及還原生產(chǎn)粒狀金屬鐵時，通常認為原料附聚物尺寸較大可得到較大的粒狀金屬鐵。在上述實驗中也認識到增加原料附聚物顆粒大小，所生成的粒狀金屬鐵的顆粒大小往往相關地增加。然而，這個傾向是微小的，即使使用優(yōu)選用于本發(fā)明的具有顆粒大小大約3～7mm的小附聚物作原料，所生成的粒狀鐵的顆粒大小，與使用具有大約18mm的常規(guī)顆粒大小的附聚物得到的粒狀鐵的顆粒大小比較，幾乎沒有區(qū)別。這樣根據(jù)本發(fā)明，可有效地利用上述使用小附聚物的優(yōu)點，而幾乎不會引起粒狀金屬鐵質(zhì)量變差。
在上述實驗中，由于在爐膛上放置焦碳粉末，所生產(chǎn)的粒狀金屬鐵全部凝結在焦碳粉末的表面，在盤子底表面上幾乎觀察不到腐蝕現(xiàn)象，僅在盤子側(cè)壁表面上稍微觀察到腐蝕現(xiàn)象。
除了使用未經(jīng)附聚處理的干燥粉末外，.使用上述同樣組成的氧化鐵源和含碳還原劑作原料，及在上述同樣條件下進行熱還原。根據(jù)結果，可確認即使加熱溫度上升到1480℃，都沒有產(chǎn)生熔化的金屬鐵。對這一點令人信服的原因是因為氧化鐵源和含碳還原劑沒有緊密地相互接觸，還原幾乎不進行，以及氧化鐵不能在1440℃的溫度被還原成金屬鐵。實施例5使用鐵礦石(與實施例4中相同)作鐵源及焦碳粉末(與實施例4中相同)作含碳還原劑，二者均勻地以79.3％∶20.7％(質(zhì)量％)的比例混合，然后向其中另外加入10％的水，使用盆式制球機進行制球，由此生產(chǎn)具有顆粒大小3～5mm的小附聚物。將小附聚物未經(jīng)干燥裝入耐火平盤，裝料厚度為大約30mm，在表面上形成三個脊形，脊形高度為20mm或30mm，寬度間距為大約30mm，所得到的盤子裝入箱式電爐，并在1425℃加熱12分鐘，由此進行還原和熔融及凝結。作為粒狀金屬鐵生產(chǎn)狀態(tài)比較的結果(直徑為3.35mm或3.35mm以上的粒狀金屬鐵的產(chǎn)量)，脊形高度20mm時直徑3.35mm或3.35mm以上的粒狀金屬鐵的產(chǎn)率是93.0％，脊形高度30mm時是94.7％。
還原之后，通過視孔觀察上述實驗中加熱生產(chǎn)的熔化金屬鐵的流動態(tài)，觀察到脊形頂部產(chǎn)生的熔化金屬鐵沿著山谷流下，并在谷底部分凝結及成粒的現(xiàn)象。可以確認脊形高度較大時，所生成的粒狀金屬鐵的顆粒尺寸也較大。然而，如果脊形距離太寬時，幾乎不可能有效地顯示上述凝結效果?？梢源_認脊形距離設定為大約10mm時，可有效地生產(chǎn)具有顆粒大小大約3mm或3mm以上的粒狀金屬鐵。
權利要求
1.一種生產(chǎn)還原鐵的方法，它包括將含有含碳還原劑和含氧化鐵原料的原料混合物附聚成小附聚物；將小附聚物裝入還原爐；及在還原爐中加熱小附聚物，從而固態(tài)還原小附聚物中的氧化鐵來生產(chǎn)固態(tài)還原鐵。
2.根據(jù)權利要求1的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，它進一步包括在還原爐內(nèi)加熱固態(tài)還原鐵；熔融在固態(tài)還原鐵中生產(chǎn)的金屬鐵；及將熔化的金屬鐵凝結，同時分離小附聚物中所含的爐渣成分，提供粒狀金屬鐵。
3.根據(jù)權利要求1～2的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物主要地由那些具有顆粒大小小于6mm的顆粒組成。
4.根據(jù)權利要求3的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物的組成中那些具有顆粒大小小于6mm的顆粒占60質(zhì)量％及60質(zhì)量％以上。
5.根據(jù)權利要求1～2的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物主要地由那些具有顆粒大小為3mm或大于3mm及小于6mm的顆粒組成。
6.根據(jù)權利要求5的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物的組成中那些具有顆粒大小為3mm或大于3mm及小于6mm的顆粒占60質(zhì)量％及60質(zhì)量％以上。
7.根據(jù)權利要求1～2的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物主要地由那些具有顆粒大小小于3mm的顆粒組成。
8.根據(jù)權利要求7的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物的組成中那些具有顆粒大小小于3mm的顆粒占60質(zhì)量％及60質(zhì)量％以上。
9.根據(jù)權利要求1～2的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物主要地由那些具有顆粒大小為3～7mm的顆粒組成。
10.根據(jù)權利要求9的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物的組成中那些具有顆粒大小為3～7mm的顆粒占60質(zhì)量％及60質(zhì)量％以上。
11.根據(jù)權利要求5～6的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物以2～5層裝入還原爐爐膛。
12.根據(jù)權利要求7～8的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物以3層或多于3層裝入還原爐爐膛。
13.根據(jù)權利要求9～10的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物相互交迭地裝入還原爐爐膛，其厚度為10～30mm。
14.根據(jù)權利要求1～13中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物平鋪在還原爐爐膛上，使其層數(shù)為3～5層。
15.根據(jù)權利要求1～14中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物是未經(jīng)干燥裝入還原爐的。
16.根據(jù)權利要求1～15中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物至少在其表面干燥之后裝入爐膛。
17.根據(jù)權利要求1～16中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中在裝入還原爐爐膛的小附聚物層上形成高峰部分和低谷部分。
18.根據(jù)權利要求1～17中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物是在還原爐爐膛上放置粉狀含碳原料之后裝入的。
19.根據(jù)權利要求1～18中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物是帶著粘附于其表面的含碳粉末被裝入爐膛的。
20.根據(jù)權利要求1～19中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中還原爐是爐膛旋轉(zhuǎn)的爐子。
21.根據(jù)權利要求1～20中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物被裝入還原爐，然后在總還原時間的1/3時間內(nèi)將表面溫度上升到1200℃或1200℃以上。
22.一種生產(chǎn)還原鐵的方法，它包括附聚顆粒大小為10mm或10mm以下的小附聚物，它含有含碳還原劑和含氧化鐵原料；將小附聚物裝入還原爐，使其具有由運轉(zhuǎn)條件獲得的層數(shù)；及在還原爐內(nèi)加熱小附聚物，從而固態(tài)還原小附聚物中的氧化鐵，生產(chǎn)固態(tài)還原鐵。
23.根據(jù)權利要求22的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，它進一步包括在還原爐內(nèi)加熱固態(tài)還原鐵；熔融在固態(tài)還原鐵中所生產(chǎn)的金屬鐵；及將熔化的金屬鐵凝結，同時分離小附聚物中包含的爐渣成分，以提供粒狀金屬鐵。
24.根據(jù)權利要求22或23中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中運轉(zhuǎn)條件至少包括小附聚物裝料的還原爐爐膛面積和小附聚物的裝料量。
25.根據(jù)權利要求22～24中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中運轉(zhuǎn)條件至少包括小附聚物裝料的還原爐爐膛面積、小附聚物的裝料量、及所裝入的小附聚物與還原后固態(tài)還原鐵的質(zhì)量比。
26.根據(jù)權利要求22～25中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中運轉(zhuǎn)條件至少包括小附聚物裝料的還原爐爐膛面積、小附聚物的裝料量、所裝入的小附聚物與還原后固態(tài)還原鐵的質(zhì)量比、及還原爐每單位面積爐膛裝入一層小附聚物的質(zhì)量。
27.根據(jù)權利要求22～26中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中運轉(zhuǎn)條件至少包括小附聚物裝料的還原爐爐膛面積、小附聚物的裝料量、所裝入的小附聚物與還原后固態(tài)還原鐵的質(zhì)量比、還原爐每單位面積爐膛裝入一層小附聚物的質(zhì)量、還原爐的生產(chǎn)率、及其生產(chǎn)時間。
28.根據(jù)權利要求22～27中任意一項的一種還原還原鐵的方法，其中層數(shù)(H)根據(jù)上述運轉(zhuǎn)條件由下列表達式確定H＝Z×[X×(G/P)]/[A×LOAD÷T]，其中H是裝入小附聚物的層數(shù)；X是熱還原爐的生產(chǎn)率(kg/min)；Z是0.7～1.3范圍內(nèi)的正數(shù)；A是小附聚物裝料的爐膛面積(m2)；LOAD是每單位面積爐膛裝入一層小附聚物的質(zhì)量(kg/m2)；G/P是小附聚物裝料量與排出的還原鐵的質(zhì)量比；及T是生產(chǎn)率(X)中的生產(chǎn)時間(min)。
29.根據(jù)權利要求22～28中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物的顆粒大小為6～10mm，及小附聚物以1～3層裝入還原爐爐膛。
30.根據(jù)權利要求22～28中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物平鋪在還原爐爐膛，使其層數(shù)是3～5層。
31.根據(jù)權利要求22～30中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物的顆粒大小被均化到±3mm的范圍。
32.根據(jù)權利要求22～31中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中小附聚物被裝入還原爐，然后在總還原時間的1/3時間內(nèi)將表面溫度上升到1200℃或1200℃以上。
33.根據(jù)權利要求22～32中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中在裝入還原爐爐膛的小附聚物層上形成高峰部分和低谷部分。
34.根據(jù)權利要求22～33中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中被裝入爐膛的小附聚物帶有粘附于其表面的含碳粉末。
35.根據(jù)權利要求22～34中任意一項的一種生產(chǎn)還原鐵的方法，其中還原爐是爐膛旋轉(zhuǎn)的爐子。
36.一種生產(chǎn)還原鐵的方法，是將含有含碳還原劑和含氧化鐵原料的原料混合物附聚、使附聚物在加熱還原爐內(nèi)加熱、從而固態(tài)還原附聚物中的氧化鐵來生產(chǎn)固態(tài)還原鐵，該方法的特征是使用具有顆粒大小小于6mm的附聚物作為原料附聚物。
37.一種生產(chǎn)還原鐵的方法，是將含有含碳還原劑和含氧化鐵原料的原料混合物附聚、使附聚物在加熱還原爐內(nèi)加熱、從而固態(tài)還原附聚物中的氧化鐵來生產(chǎn)固態(tài)還原鐵，該方法的特征是使用具有顆粒大小為10mm或10mm以下的附聚物作為原料附聚物，以及裝入加熱還原爐爐膛的附聚物具有的層數(shù)(H)滿足下列表達式H＝Z×[X×(G/P)]/[A×LOAD÷T]其中H是附聚物裝入的層數(shù)；X是熱還原爐的生產(chǎn)率(kg/min)；Z是0.7～1.3范圍內(nèi)的正數(shù)；A是原料附聚物裝料的爐膛面積(m2)；LOAD是每單位面積爐膛裝入一層原料附聚物的質(zhì)量(kg/m2)；G/P是原料附聚物裝料量與排出的還原鐵的質(zhì)量比；及T是生產(chǎn)率(X)中的生產(chǎn)時間(mm)。
38.一種生產(chǎn)粒狀金屬鐵的方法，它包括將含有含碳還原劑和含氧化鐵原料的原料混合物附聚成小附聚物、在還原熔融爐中加熱小附聚物使小附聚物中的氧化鐵固態(tài)還原、熔融通過還原生產(chǎn)的金屬鐵、以及凝結熔化的金屬鐵同時分離小附聚物所含的爐渣成分，來提供粒狀金屬鐵。
全文摘要
一種生產(chǎn)還原鐵的方法,它包括將原料混合物附聚成小附聚物,所述原料混合物含有含碳還原劑和含氧化鐵的原料;在熱還原爐中加熱該附聚物,從而固態(tài)還原附聚物中的氧化鐵,以生產(chǎn)固態(tài)還原鐵;或進一步加熱固態(tài)還原鐵,將還原生產(chǎn)的金屬鐵熔融,及將熔化的金屬鐵凝結同時分離小附聚物中包含的爐渣成分,以提供粒狀金屬鐵。該方法的特征是使用具有顆粒大小為10mm或10mm以下、或3～7mm、優(yōu)選小于6mm、更優(yōu)選3mm或3mm以上及6mm以下的附聚物作為小附聚物。
文檔編號C21B13/00GK1365396SQ01800700
公開日2002年8月21日 申請日期2001年4月10日 優(yōu)先權日2000年4月10日
發(fā)明者藤孝司朗, 田中英年, 菊池晶一, 北島貴哉, 土屋脩 申請人:株式會社神戶制鋼所, 米德雷克斯國際公司蘇黎世分公司