專利名稱：制備金屬團塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備金屬團塊的方法。具體而言，本發(fā)明涉及一種制備高純度金屬團塊如鐵團塊的改進方法，該金屬團塊具有大的直徑和優(yōu)良的運輸和使用性能，該方法包括對含有金屬氧化物的物質(zhì)和含碳還原劑進行加熱以還原金屬氧化物，其中向原料中加入用于增加副產(chǎn)物熔融爐渣的流動性和促進其凝聚的輔助原料。該改進方法達到了高的產(chǎn)量和高的生產(chǎn)率。
本說明書主要描述制備本發(fā)明最有效應(yīng)用的鐵團塊的方法。但是，本發(fā)明不局限于制備鐵團塊的方法。本發(fā)明也可以有效地適用于例如通過加熱和還原含鉻的礦石或含鎳的礦石而制備鉻鐵合金或鐵鎳合金。在本發(fā)明中，術(shù)語“團塊”不是必須地指球形的那些，也包含具有橢圓形狀，卵形形狀及其稍微變形的那些。
背景技術(shù)：
通過加熱和還原氧化鐵源制備金屬鐵的已知方法的實例是通過使用含碳原料或還原氣體直接還原鐵礦石或氧化鐵球丸而得到還原鐵的直接煉鐵的方法。具體而言，本領(lǐng)域已知豎式爐工藝如Midrex工藝。在直接煉鐵的方法中，將由天然氣產(chǎn)生的還原氣等從位于豎式爐下部的鼓風口鼓入，以便通過使用還原氣的還原力還原氧化鐵而得到還原鐵。
最近，使用含碳原料如煤作為還原劑代替天然氣制備還原鐵的方法引起大量的注意。例如，已經(jīng)實現(xiàn)一種在旋轉(zhuǎn)窯中用煤灰加熱和還原燒結(jié)的鐵礦石等的球丸的所謂的SL/RN方法。
USP 3,443,931的出版物公開了再一種制備還原鐵的方法，該方法包括由含碳原料和氧化鐵粉末的混合物制備塊體，并且在旋轉(zhuǎn)的爐床上加熱和還原塊體。在此方法中，還原是在高溫氣氛下通過加熱含碳原料和粉末狀鐵礦石的混合物的塊體進行的。
由上面所述的方法制備的還原鐵可以直接用作電爐的鐵源，或者可以在其用作鐵源前進行壓坯等。由于近來傾向于對鐵屑進行重復(fù)利用，通過上述方法制備的還原鐵作為降低在鐵屑中的金屬雜質(zhì)的比率的試劑引起大量的關(guān)注，原因在于所得到的還原鐵除鐵外的金屬含量低。
一種還原熔化物的方法，如直接鐵礦石熔融(DIOS)還原方法，該方法用于通過直接加熱和還原鐵礦石而制備還原鐵在本領(lǐng)域中也是已知的。在此方法中，將鐵礦石預(yù)還原至金屬鐵的大約50質(zhì)量百分比(以下表示為“％”)或更少，然后在鐵浴中使預(yù)還原的鐵與碳直接反應(yīng)，以制備還原的金屬鐵。但是，由于此方法要求兩個階段，即預(yù)還原和在鐵浴中的最終還原，所以此操作復(fù)雜。此外，由于存在于鐵浴中的熔融氧化鐵(FeO)直接接觸到耐火原料，耐火原料經(jīng)受明顯的磨損，這是個問題。這是因為在熔融狀態(tài)的氧化鐵顯著地腐蝕耐火原料如氧化鋁或氧化鎂。
USP 6,036,744的出版物，日本未審查的專利申請公開09-256017，2000-144224和11-131119等公開了制備高純度金屬鐵的團塊或塊體的方法，該方法包含在旋轉(zhuǎn)爐床上對含碳還原劑和氧化鐵粉末的混合物進行加熱和還原以制備還原鐵，并且對得到的還原鐵進行進一步加熱，以利用比重差將還原鐵從副產(chǎn)物爐渣中分開。如果需要，在旋轉(zhuǎn)爐床上將其加熱之前，可以將此混合物預(yù)成型為塊體。
根據(jù)此方法，主要通過加熱固相還原而制備還原鐵，并且通過還原鐵的滲碳作用降低還原鐵的熔點，以便促進熔融。如此，可以提高金屬鐵的生產(chǎn)率，同時避免由熔融氧化鐵(FeO)引起耐火原料的明顯磨損的問題。
但是，當按照此方法從具有高脈石含量的物質(zhì)如鐵礦石制備高純度的鐵團塊時，副產(chǎn)物爐渣的量增加，由此降低所得到的金屬鐵的凝聚性能并且降低其純度和產(chǎn)量。此外，當向原料中加入一種含CaO的物質(zhì)(例如CaCO3)以調(diào)節(jié)SiO2含量高的原料的堿度或者對含有硫含量高的含碳還原劑的原料進行脫硫時，副產(chǎn)物爐渣的量進一步增加，因此進一步降低副產(chǎn)物爐渣的凝聚性能。
當降低了副產(chǎn)物爐渣的凝聚性能時，難以從副產(chǎn)物爐渣中分離通過還原制備的金屬鐵，抑制了金屬鐵的團塊或塊體的形成，并且產(chǎn)生了包圍爐渣的金屬鐵。此外，產(chǎn)生了大量細小的金屬鐵的團塊并且阻止了從副產(chǎn)物爐渣中的分離。由此，降低了具有尺寸在適宜范圍內(nèi)的產(chǎn)品的產(chǎn)率。
此外，即使氧化鐵源的脈石含量低，其取決于氧化鐵源的類型、爐渣組分的類型和爐渣的組成，副產(chǎn)物爐渣的凝聚性能的降低也常常發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人進行研究以克服這些問題，并且發(fā)現(xiàn)當在方法中使用具有高固定碳含量的含碳還原劑時，可以制備相對大尺寸的鐵團塊，該方法包含通過在爐子中還原熔融的方法，對包含含碳還原劑和含氧化鐵的物質(zhì)的原料中含有的金屬氧化物以固體狀態(tài)進行還原的步驟，和對得到的金屬鐵進行進一步加熱的步驟，以便熔融金屬鐵，同時使金屬鐵從副產(chǎn)物爐渣中分離，并且通過凝聚進行團塊?；诖税l(fā)現(xiàn)，提交了專利申請。
這里，證實了通過控制在含碳還原劑中的固定碳的含量為73％或更高，在原料中揮發(fā)物含量為3.9％或更低，并且在原料中含碳還原劑的量為在原料中氧化鐵的量的45％或更低，并且通過調(diào)節(jié)用于在爐子熔化由固態(tài)還原制備的金屬鐵的溫度至1,400℃或更高，可以在高產(chǎn)率下制備相對大的鐵團塊。
上面所述的方法是有價值的，因為它檢驗了含碳還原劑在金屬鐵凝聚性能方面的作用，作為以高產(chǎn)率制備相對大的金屬鐵團塊的一個因素。但是，對于可應(yīng)用的含碳還原劑的類型強加了大量的限制。
此外，為了調(diào)節(jié)爐渣的堿度，在下列情況可以向原料中加入CaCO3在原料中特別是在氧化鐵源中脈石的含量高時，在原料中SiO2含量高時，或由于硫含量高的含碳還原劑而要求脫硫時。在這些情況下，副產(chǎn)物爐渣的量增加，并且不可避免地降低爐渣的凝聚性能，這是個問題。
此外，即使在原料中的脈石含量低時，其取決于氧化鐵源的類型、爐渣組分的類型和爐渣的組成，副產(chǎn)物爐渣的凝聚性能也可以降低。對此點的改進也是所期望的。
本發(fā)明是基于上面所述的認識做出的。本發(fā)明的一個目的是建立一種制備高純度鐵團塊的方法，該方法包含對含有金屬氧化物如氧化鐵和含碳還原劑如焦炭的原料進行加熱和還原，并且進一步加熱以便熔化金屬并且允許副產(chǎn)物爐渣進行凝聚，同時將爐渣與金屬分離，可以提高在熔融爐渣凝聚和分離期間產(chǎn)生的副產(chǎn)物爐渣的凝聚性能的該方法增加了由加熱和還原而制備的所得到的粒狀金屬的純度，該方法制備具有均勻尺寸的大金屬團塊，并且不管根據(jù)金屬氧化源的類型而改變的脈石組分的類型和量，確實地增加金屬團塊最終產(chǎn)品的產(chǎn)率。
根據(jù)本發(fā)明的制備金屬團塊的方法克服了這些問題。該方法包括對包含含有金屬氧化物的物質(zhì)和含碳還原劑的原料進行加熱，以還原在原料中的金屬氧化物，隨后進一步加熱所產(chǎn)生的金屬以熔化金屬，同時允許金屬從副產(chǎn)物爐渣中分離并且形成粒狀鐵，并且其特征在于在上面所述的原料中混合用于副產(chǎn)物爐渣的凝聚促進劑。
在實施本發(fā)明的方法中，優(yōu)選凝聚促進劑在原料中的含量在0.2至2.5質(zhì)量％的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在0.4至2.0質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
優(yōu)選上面所述的原料是含有金屬氧化物的物質(zhì)，含碳還原劑和凝聚促進劑的粉末混合物。優(yōu)選將要使用的混合物是均勻的。更優(yōu)選形成為球丸，坯塊或類似物的混合物，或者優(yōu)選使用擠壓成型為壓坯的混合物。
優(yōu)選將氟化鈣(CaF2)，氧化硼(B2O5)，碳酸鈉(Na2CO3)或氧化鈉(Na2O)用作凝聚促進劑?？梢詥为毷褂盟鼈?，或者如果需要組合使用。在這些成分中，綜合考慮成本和凝聚促進效果，特別優(yōu)選含有CaF2作為主要組分的氟石作為凝聚促進劑。
在實施本發(fā)明的方法中，優(yōu)選使用移動床爐或旋轉(zhuǎn)床爐連續(xù)地將原料進行加熱和還原。在此方法期間，可以預(yù)先在爐床放置一層含碳原料，然后可以加入原料，以在爐床上進行加熱和還原。如此，可以將在爐床上鄰近原料的氣氛始終保持于高的還原電位，由此可以確實地防止由于源自用來加熱爐子的燃燒器中的氧化性廢氣(如碳酸氣和蒸汽)所導(dǎo)致的還原鐵的再氧化。
在此方法中，通過下面的方法可以制備金屬團塊使用氧化鐵作為金屬氧化物并且有效地使用鐵礦石、煉鋼塵，煉鋼廢料和金屬廢料的至少一種作為含有金屬氧化物的物質(zhì)。這里，優(yōu)選將在不銹鋼錠生產(chǎn)期間產(chǎn)生的塵，以下稱作“不銹鋼塵”與氧化鐵源如鐵礦石和鐵鱗一起用作煉鋼塵。如此，可以由鐵團塊捕獲在塵中含有的貴重金屬如Ni，Cr和MO，由此有效地回收它們。
附圖簡述

圖1包括顯示根據(jù)實施例和比較例的還原熔化物之后即時狀態(tài)的產(chǎn)品的照片。圖2包括顯示由實施例和比較例制備的金屬鐵團塊的外觀照片。
圖3包括顯示根據(jù)另一個實施例和另一個比較例的還原熔化物之后即時狀態(tài)的產(chǎn)品的照片。圖4包括顯示由又一個實施例和又一個比較例制備的金屬鐵團塊的外觀照片。圖5所示為由實施例和比較例制備的金屬團塊按大小計的累積質(zhì)量分布圖。
實施本發(fā)明的最佳方式如上所述，在本發(fā)明中，向原料中加入一種在加熱和還原金屬氧化物源的步驟期間促進所產(chǎn)生的副產(chǎn)物熔融爐渣凝聚的組分，并且在還原后將得到的混合物進一步加熱，以促進副產(chǎn)物爐渣從熔融金屬中分離，以便在高生產(chǎn)率和高回收率下，形成具有均勻尺寸和高純度的相對大的金屬團塊。下面使用從金屬氧化物代表性實例的氧化鐵制備金屬鐵團塊的方法作為示例描述本發(fā)明。
本發(fā)明使用在出版物如USP 6,036,744和日本未審查專利申請公開09-256017，2000-144224和11-131119中所公開的制備高純度金屬鐵團塊或塊體的相同方法，該方法包含制備含碳還原劑和含氧化鐵物質(zhì)的粉末混合物，如果需要將混合物形成塊體，在旋轉(zhuǎn)爐床上加熱和還原混合物，并且進一步加熱混合物，以利用其比重差將熔融金屬鐵從副產(chǎn)物爐渣中分離。本發(fā)明是根據(jù)這些方法的改進方法。
特別是，在上面所述的已知方法中，如果需要，向基本上包含含鐵氧化物的物質(zhì)和含碳還原劑的粉末的原料中加入CaCO3或類似物，以調(diào)節(jié)堿度或進行脫硫。當原料需要形成壓坯時，向原料中進一步加入適當量的粘合劑。本發(fā)明的特征在于優(yōu)選向原料中加入含有氟化鈣(CaF2)，氧化硼(B2O5)，碳酸鈉(Na2CO3)和氧化鈉(Na2O)中至少一種的凝聚促進劑，以促進熔融爐渣的凝聚。
可以將上面所述的含有凝聚促進劑的粉末原料混合物直接供應(yīng)給如旋轉(zhuǎn)床爐的爐子。優(yōu)選在將其供應(yīng)給爐子之前，使用盤式或鼓式等的造粒設(shè)備將粉末原料形成為球丸，擠壓成為坯塊，或輕微擠壓成型為壓坯，以有效地提高熱傳導(dǎo)并且促進在原料混合物內(nèi)部的還原反應(yīng)。
為了有效地在爐子中進行固態(tài)還原，同時保持含有凝聚促進劑的原料混合物處于固態(tài)，而沒有引起原料中氧化鐵組分的部分熔化，優(yōu)選進行兩段加熱工藝。兩段加熱工藝包含當保持爐子的溫度在1,200至1,500℃并且更優(yōu)選在1,200至1,400℃的溫度范圍內(nèi)時，主要依靠固態(tài)還原的方法還原原料；然后在1,400至1,500℃范圍內(nèi)，于提高的爐子溫度還原剩余的氧化鐵，同時使所產(chǎn)生的金屬鐵(還原鐵)熔化并且形成粒狀鐵。在這些條件下，可以以高產(chǎn)率可靠地制備鐵團塊。完成此過程的時間通常為約8至13分鐘。可以在如此短的時間內(nèi)完成氧化鐵的固態(tài)還原、熔融和凝聚。
在此過程期間，熔融的金屬鐵形成粒狀鐵并且長得更大。由于粒狀鐵生長而排除副產(chǎn)物熔融爐渣，因此得到的熔融鐵團塊基本上不含有爐渣，由此顯示高的Fe純度。當將這些熔融鐵團塊冷卻，固化，并且使用篩子或通過磁力分離從爐渣中分離時，可以得到顯示高Fe純度的金屬鐵團塊。
可以提高副產(chǎn)物爐渣的凝聚，并且通過向含有金屬氧化物源和含碳還原劑的物質(zhì)中加入凝聚促進劑，即使在下面的情況下也可以避免對在還原之后熔融步驟期間產(chǎn)生的熔融金屬鐵的凝聚進行抑制的問題1)當將天生具有不良凝聚性能的氧化鐵用作金屬氧化物源時；2)當使用高脈石含量的低鐵等級的原料時；3)當為了調(diào)節(jié)高SiO2含量的原料的堿度而使用大量的輔助原料時；和4)當為了脫硫，向含有高硫含量的含碳還原劑(例如低等級煤粉)的原料中加入CaCO3或類似物時。因而，即使當在原料中使用天生顯示不良凝聚性能的氧化鐵時或者當由于添加CaCO3而增加副產(chǎn)物爐渣的量時，鐵團塊的質(zhì)量及由此的生產(chǎn)成本也未受到負面影響。促進熔融爐渣凝聚的作用導(dǎo)致促進熔融金屬鐵的凝聚和分離。由此，可以以高產(chǎn)率得到金屬鐵團塊，并且可以因此降低生產(chǎn)成本。
使用為本發(fā)明的特征的凝聚促進劑的作用如下。
當向原料中加入凝聚促進劑時，在熔融階段產(chǎn)生的副產(chǎn)物爐渣的熔點降低，同時爐渣的流動性顯著地提高。作為結(jié)果，當熔融金屬鐵形成鐵團塊時，熔融爐渣沒有抑制或阻止分散的熔融金屬鐵的凝聚。熔融金屬鐵可以在排除副產(chǎn)物爐渣下有效進行凝聚，由此形成相對大的團塊。此作用否定下面的因素抑制熔融金屬鐵的凝聚而不管副產(chǎn)物爐渣的量，原因在于凝聚抑制劑的加入降低了副產(chǎn)物爐渣的熔點并且增加了副產(chǎn)物爐渣的流動性和凝聚性能。因而，即使當使用具有低凝聚性能的氧化鐵源時或者當使用低級含鐵氧化物的原料或低級含碳還原劑時，也可以提高熔融金屬鐵的凝聚性能，并且可以有效制備具有高鐵純度，大直徑和改善的運輸和處理性能的鐵團塊，同時達到高的產(chǎn)率。
使用凝聚促進劑的另一個作用如下。
由于如上所述提高了熔融金屬鐵的凝聚性能，大的金屬鐵團塊在所得到的金屬鐵團塊中的比率增加?？梢员M可能可行地防止難以分離的金屬鐵微粒的產(chǎn)生，并且防止不能分離的包圍爐渣的金屬鐵團塊的產(chǎn)生，其是當熔融金屬鐵未能從副產(chǎn)物爐渣中充分地分離時，由熔融的金屬鐵的凝聚所產(chǎn)生的。因而，當將金屬鐵團塊和副產(chǎn)物爐渣從還原熔融爐如旋轉(zhuǎn)床爐中排放時，經(jīng)過排出裝置的空隙如螺桿或刮板和爐床表面的微小金屬鐵顆粒，爐渣，和金屬鐵團塊與爐渣的混合物不再返回爐子的加熱區(qū)。此外，可以防止將微小金屬鐵顆粒，爐渣，和金屬鐵團塊與爐渣的混合物擠壓進入爐床的保護層，爐床的耐火材料或在爐床上的鋪底層。這些作用防止如由微小的金屬鐵顆粒，爐渣，和金屬鐵團塊與爐渣的混合物對爐床耐火材料的滲透和侵蝕，防止由劇烈的熱循環(huán)所導(dǎo)致的爐床耐火材料的惡化和擴大。因而，可以延長爐床耐火材料的壽命，可以解決產(chǎn)品排放部分堵塞的問題，并且可以可靠地進行長期連續(xù)操作。
當通過使用凝聚促進劑而改善副產(chǎn)物爐渣的流動性時，促進了金屬鐵在加熱和還原階段期間的滲碳反應(yīng)，由此也促進了副產(chǎn)物爐渣的熔化，并且縮短了用于還原和熔化原料的時間。由于提高了副產(chǎn)物爐渣的流動性，熔融金屬鐵和熔融爐渣生長成為鐵團塊的速率也增加了。作為結(jié)果，除了縮短了上面所述的還原熔融所需要的時間外，可以縮短從開始熔化通過固態(tài)還原制備的金屬鐵至完成形成熔融的金屬鐵團塊的時間。由此，可以顯著地提高生產(chǎn)率同時保持高純度、大的金屬鐵團塊的高產(chǎn)率。
在本發(fā)明中可以適宜地使用任何類型的凝聚促進劑，只要可以達到上面所述的作用和益處即可。但是，應(yīng)當避免進入還原的金屬并且降低例如還原鐵的純度的凝聚促進劑。優(yōu)選選擇與爐渣組分結(jié)合并且容易與金屬鐵分離的凝聚促進劑。凝聚促進劑的優(yōu)選實例包含氟化鈣(CaF2)，氧化硼(B2O5)，碳酸鈉(Na2CO3)和氧化鈉(Na2O)?？梢詥为毷褂眠@些成分，或如果需要可以組合使用。在這些當中，考慮成本和凝聚促進效果，特別優(yōu)選CaF2，并且更特別優(yōu)選含有CaF2作為主要組分的氟石。
在這些成分中，當將煤粉或粉焦用作含碳還原劑時，優(yōu)選碳酸鈉(Na2CO3)和氧化鈉(Na2O)，原因在于碳酸鈉和氧化鈉捕獲來自這些含碳還原劑的硫成分。作為結(jié)果，可以減少硫在所得到的金屬團塊中的含量。
對于凝聚促進劑的量沒有加以限制。當凝聚促進劑的量不足夠時，凝聚促進劑不顯示足夠的作用。在過量的凝聚促進劑條件下，促進凝聚的作用飽和。由此，過量的凝聚促進劑是不經(jīng)濟的，并且增加對于增加量的副產(chǎn)物爐渣的處理費用?？紤]到上述，優(yōu)選凝聚促進劑的含量在原料的0.2至2.5％，并且更優(yōu)選在0.4至2.0％的范圍內(nèi)。基于在原料中的爐渣組分，優(yōu)選凝聚促進劑的含量在1至11％，并且更優(yōu)選在3至8％的范圍內(nèi)。
對于可以適用于本發(fā)明的裝置，沒有強加限制。換言之，對于還原熔化爐的結(jié)構(gòu)，沒有強加限制。例如，本發(fā)明可以采用在如USP 6,036,744和日本未審查專利申請公開09-256017，2000-144224和11-131119的出版物中所公開的各種類型的還原熔化設(shè)備。特別優(yōu)選使用移動床爐或旋轉(zhuǎn)床爐，原因在于可以使用這些爐子連續(xù)并且有效地進行下列過程加熱和還原原料，熔融還原的金屬，形成粒狀鐵并且從金屬鐵中分離副產(chǎn)物爐渣。
在本發(fā)明中，對于用作金屬源的金屬氧化物的類型沒有強加限制。例如，可以使用含鎳的礦石，含鉻的礦石或含鎳或鉻的回爐廢金屬等。當制備鐵團塊時，最常用的氧化鐵源是鐵礦石，但也可以將在煉鐵裝置煉鐵期間產(chǎn)生的煉鋼碎料和廢料如煉鋼塵和回爐廢金屬用作鐵源。這些原料既可以單獨使用，或如果需要也可以混合使用。例如，在電爐或類似裝置中煉不銹鋼錠時產(chǎn)生的不銹鋼塵含有大量的有色貴重金屬如Ni、Cr和Mo。通過使用不銹鋼塵，不管是單獨或與鐵源如鐵礦石或鐵鱗混合使用作為金屬氧化物源，可以捕獲并且有效地回收在鐵團塊內(nèi)部的Ni、Cr、Mo等。
當使用含有大量爐渣成分的金屬源如煉鋼爐渣時，產(chǎn)生相對于金屬團塊過量的副產(chǎn)物爐渣并且抑制金屬的凝聚，由此降低大的金屬團塊的回收率。因而，為了防止副產(chǎn)物爐渣量的增加并且為了提高大的金屬團塊的回收率，在原料混合物中爐渣組分的含量應(yīng)當盡可能地低。特別是，優(yōu)選控制爐渣組分在原料混合物中的含量，以便限制每噸金屬團塊的爐渣量為約500千克。
在實施本發(fā)明中，為了盡可能地通過固態(tài)還原的方法還原金屬氧化物，并且為了防止顯著腐蝕爐床耐火材料的熔融金屬氧化物的產(chǎn)生，如下面實施例所示，可以向原料中加入調(diào)節(jié)副產(chǎn)物爐渣堿度的CaO或CaCO3，其取決于含金屬氧化物的物質(zhì)類型和在含碳還原劑中含有的爐渣組分的組成。在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)，在操作期間使用CaO或CaCO3。
實施例下面通過實施例的方式描述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，作用和益處。這些實施例不限制本發(fā)明的范圍。在這里所描述的本發(fā)明的精神范圍內(nèi)，各種修改是可以的。本發(fā)明的技術(shù)范圍包含這些修改。
實施例1在此實施例中，將具有高脈石含量，并且更明確地為5.0％或更高的高SiO2含量的磁鐵礦鐵礦石用作氧化鐵源。礦石的化學組成示于表1中。
表1高SiO2含量的原料鐵礦石的化學組成(質(zhì)量％)

如表2所示，調(diào)節(jié)在原料球丸中的高SiO2的鐵礦石，含碳還原劑，粘合劑(小麥粉)，CaCO3(堿度調(diào)節(jié)劑)和CaF2(凝聚促進劑)的設(shè)計組成。
表2原料球丸的設(shè)計組成(質(zhì)量％)

在情形A中，未調(diào)節(jié)堿度。在情形B和C中，使用適當量的CaCO3以調(diào)節(jié)爐渣的堿度(CaO/SiO2)為約1.15。在情形D中，使用適當量的CaCO3以調(diào)節(jié)爐渣的堿度(CaO/SiO2)為1.3或更高。情形C和D是實施本發(fā)明的實施例，并且含有少量的氟石(CaF2)以增強副產(chǎn)物爐渣的流動性。在情況A中，爐渣的設(shè)計量為127.8千克/噸(鐵團塊)，在情況B中為215.7千克/噸(鐵團塊)，在情況C中為212.7千克/噸(鐵團塊)，和在情況D中為233.8千克/噸(鐵團塊)。
在情形A和B中，調(diào)節(jié)組成以檢驗副產(chǎn)物爐渣對鐵團塊凝聚性能的作用，在情形B，C和D中，調(diào)節(jié)組成以檢驗加入少量凝聚促進劑(CaF2)對鐵團塊凝聚性能改善的作用。加入少量凝聚促進劑是本發(fā)明的特征。原料球丸基本上是球形的，并且直徑為約16至20mm。
對于每一種情形，將在氧化鋁泡沫板的整個表面上提供的含碳墊底料(粉焦)上放置250至265克上面所述的原料球丸裝入箱式爐中，并且在100％的氮氣氣氛下，于氣體溫度為1,430至1,450℃加熱12至14分鐘。上面所述情形的金屬鐵團塊的回收率示于表3。
金屬鐵團塊的回收率是實際產(chǎn)生的所得到的金屬鐵團塊的質(zhì)量與基于在原料球丸中總Fe含量的分析值而計算出來的金屬鐵團塊的理論質(zhì)量的比率。在下面的描述中，從兩個方面評估金屬鐵團塊對于在原料球丸中含有的鐵的質(zhì)量的回收率(1)每個團塊質(zhì)量為約0.2克或更多的金屬鐵團塊的質(zhì)量比率；和(2)每個團塊的質(zhì)量為約1.0克或更多的金屬鐵團塊的質(zhì)量比率。
表3金屬鐵團塊的回收率(質(zhì)量％)

情形A與情形B進行比較。情形B，其中由于加入8％的CaCO3而增加了副產(chǎn)物爐渣的量，清楚地表明傾向于增加具有小直徑的金屬鐵團塊的生產(chǎn)率。(1)0.2克或更多和(2)1.0克或更多的金屬鐵團塊的回收率明顯地低。特別是質(zhì)量為1克或更多的金屬鐵團塊的回收率減少12％或更多。應(yīng)當注意的是在情形B中，大量微小的金屬鐵的顆粒粘附在副產(chǎn)物爐渣的表面上，并且這些已經(jīng)從爐渣分離的金屬鐵團塊包圍爐渣顆粒。由此，難以從爐渣中分離金屬鐵團塊。
另一方面，當情形B與情形C比較時，盡管在情形B和情形C中副產(chǎn)物爐渣的量都增加了，但情形C表明通過加入CaF2可以顯著地提高熔融金屬鐵的凝聚。特別是，顯著地提高了每個團塊的質(zhì)量為0.2克或更多的金屬鐵團塊和每個團塊的質(zhì)量為1.0克或更多的金屬鐵團塊的產(chǎn)率。在情形C中，回收率比情形B提高了20至26％，實現(xiàn)的回收率超過100％。回收率超過100％是因為在計算回收率時將輸入原料的總鐵含量用作分母，并且將部分含有回收的碳、硅或類似物的粗鐵的量包含在分子中。
在情形D中，CaCO3的含量增加至8.5％，并且爐渣量的增加導(dǎo)致產(chǎn)率傾向于減少。但是，質(zhì)量為0.2克或更多的金屬鐵團塊的回收率為約100％，仍然達到高產(chǎn)率。在與副產(chǎn)物爐渣量少的情形A進行比較時，改善效果是明顯的。即使金屬團塊的回收率差別1％，在實際操作中對于費用也產(chǎn)生相當大的影響，其表明本發(fā)明的區(qū)別特征。
圖1所示為顯示在情形B和C中的金屬鐵團塊和爐渣的外觀照片。圖2所示為顯示在情形B和C中的金屬鐵團塊的尺寸分布的照片。注意，顯示金屬鐵團塊和爐渣外觀的照片表明所制備的金屬鐵團塊和爐渣在還原熔化后在托盤中的狀態(tài)。
如從圖1中清楚地表明，其中使用了8％的CaCO3的情形B清楚地表明傾向于增加產(chǎn)生直徑小的金屬鐵團塊的比率。特別是，如從圖中清楚地表明，大量微小的金屬鐵顆粒粘附在所得到的爐渣的表面上，并且這些已經(jīng)與爐渣分離的金屬鐵團塊包圍爐渣顆粒，并穩(wěn)固地與這些爐渣顆粒結(jié)合。由此，難以從爐渣中分離金屬鐵團塊。
與情形B不同，在其中加入CaF2作為凝聚促進劑的情形C中，小的金屬鐵團塊的產(chǎn)率沒有降低，并且?guī)缀跞渴谴蟮慕饘勹F團塊。發(fā)現(xiàn)基本上沒有在爐渣塊表面上粘附以在那里穩(wěn)固地結(jié)合的小的金屬鐵顆粒。在情形B中，產(chǎn)生的爐渣是玻璃狀的并且是帶黑的綠色。由于爐渣的基本單位增加，所以產(chǎn)生的爐渣的外形尺寸增加。但是，除其中加入CaF2的情形C和D外，向爐渣表面上粘附的小的金屬鐵顆粒的量也增加。
下表4和5所示為所制備的金屬鐵團塊和爐渣的化學分析結(jié)果。由于除在礦石中的主要脈石成分如SiO2外，金屬鐵團塊基本上不含有重金屬，所以在這些表中只顯示5種主要成分。
表4金屬鐵團塊的化學分析結(jié)果(質(zhì)量％)

表5爐渣的化學分析結(jié)果(質(zhì)量％)

如從表4和5明顯地表明，其中使用7.0至8.5％的CaCO3和1.0％的CaF2作為凝聚促進劑的情形C和D保持了金屬鐵團塊的高回收率，同時達到在金屬鐵團塊中低的硫含量。特別地，在情形D中，得到為0.033％的特別低硫含量的優(yōu)質(zhì)金屬鐵團塊。
實施例2在此實施例中，在原料中使用凝聚性能差的鐵礦石即赤鐵礦石，以證實加入約1.0％的CaF2作為凝聚促進劑的作用。與上面所述的實施例1一樣進行還原熔化的實驗。
表6所示為在實驗中使用的赤鐵礦礦石的主要化學組成。圖3和圖4包括這樣的照片，其顯示在情形F中，產(chǎn)品在還原熔化(圖3)后立即在鋁板托盤中的狀態(tài)外觀和所得到的回收金屬鐵團塊(圖4)的狀態(tài)外觀，情形F是實施本發(fā)明并且使用CaF2作為凝聚促進劑的情形。圖3和圖4也包括這樣的照片，其顯示在情形E中，產(chǎn)品在還原熔化(圖3)后立即在鋁板托盤中的狀態(tài)外觀和所得到的回收金屬鐵團塊(圖4)的狀態(tài)外觀，情形E是不使用CaF2的比較例的情形。
表6赤鐵礦礦石的化學組成(質(zhì)量％)

如實施例1，當使用CaF2時，觀察到小的金屬鐵團塊的產(chǎn)量沒有增加。幾乎全部是大的金屬鐵團塊。加入凝聚促進劑的改善效果是明顯的。
實施例3在此實施例中，將Na2CO3代替CaF2用作凝聚促進劑。實驗條件與上面所述的實施例1基本相同，并且原料的組成示于下表7中。表7也描述了比較例的原料組成。
表7設(shè)計的原料球丸的混合比率

圖5所示為在上面的實施例3和比較例中所得到的金屬鐵團塊的累積質(zhì)量分布。在確定累積質(zhì)量分布中，用篩子將回收的金屬鐵團塊分類，并且從具有最大尺寸的那些數(shù)字加至具有最小尺寸的那些數(shù)字。此圖也顯示質(zhì)量為0.2g或更多和1.0g或更多的金屬鐵團塊的累積質(zhì)量百分比。
如從此圖明顯地看出，當比較質(zhì)量為1.0g或更多的相對大的金屬鐵團塊的累積質(zhì)量比率時，比較例的累積質(zhì)量比率為54.34質(zhì)量％，而實施例3的為顯著高的95.74質(zhì)量％。至于0.2g或更多的金屬鐵團塊的累積質(zhì)量比率，比較例的為58.34質(zhì)量％。這表明盡管此比率稍微高于1.0g或更多的金屬鐵團塊的54.34質(zhì)量％，但是基本上沒有改善，其清楚地指出在比較例中微小的金屬鐵顆粒的產(chǎn)率有多大。在實施例3中，質(zhì)量為0.2g或更多的金屬鐵團塊的累積質(zhì)量比率為95.9質(zhì)量％，這是相當高的。這表明在實施例3中可以以高產(chǎn)率得到使用性能優(yōu)異的大的金屬鐵團塊。
實施例4將具有下面所述組成的不銹鋼塵和鐵鱗用作氧化鐵源。向此氧化鐵源中加入表8所示混合比率的含碳還原劑(煤灰)和粘合劑(小麥粉)的粉末混合物，和含碳還原劑、粘合劑和CaF2即凝聚促進劑的粉末混合物，以使顆粒的直徑為約16至22mm。
不銹鋼塵的主要成分按質(zhì)量％計如下T.Fe25.7％，M.Fe1.54％，SiO26.0％，Al2O30.54％，CaO3.66％，MgO1.3％，M.Ni0.27％，NiO7.91％，M.Cr0.15％，Cr2O316.07％，M.Mn0.23％，MnO6.44％，MoO6.44％，ZnO5.53％和C0.56％。
鐵鱗的主要成分按質(zhì)量％計如下T.Fe72.2％，M.Fe12.6％，SiO21.95％，Al2O30.42％，CaO1.5％，MgO0.1％，，MnO0.9％。
表8原料球丸的組成

與上面的實施例1一樣，使用每種原料球丸350克(約40)進行使用箱式爐的還原熔化實驗。然后比較具有質(zhì)量為6.0g或更多的金屬鐵團塊的回收率。
結(jié)果表明在沒有使用CaF2的比較例中，產(chǎn)生大量質(zhì)量小于0.6g的小的鐵團塊，質(zhì)量為0.6g或更多的大的鐵團塊的回收率為約62％。相反，在使用CaF2作為凝聚促進劑的發(fā)明實施例中，產(chǎn)生的小金屬鐵團塊的量明顯少，并且質(zhì)量為0.6g或更多的大的鐵團塊的回收率明顯高，即98.3％。
當使用具有上述組成的原料時，每噸金屬鐵團塊產(chǎn)生300至400千克的爐渣，并且顯著地影響還原鐵的熔融和凝聚。在上面的比較例中，爐渣的流動性差，由此爐渣妨礙通過熱還原而產(chǎn)生的還原鐵微小顆粒的凝聚。作為結(jié)果，產(chǎn)生了大量的金屬鐵的微小顆粒。相反，在使用1.5％的CaF2作為凝聚促進劑的發(fā)明實施例中，副產(chǎn)物爐渣的流動性提高，由此促進還原鐵微小顆粒的凝聚，并且?guī)缀跛挟a(chǎn)生的還原鐵通過凝聚合并成為大金屬鐵團塊。
實施例5將在使用電爐制備不銹鋼錠時產(chǎn)生的不銹鋼塵和鐵鱗以下表9所示的混合比率用作氧化鐵源。向此氧化鐵源中加入含碳還原劑(煤粉)，粘合劑(小麥粉)和作為凝聚促進劑的1.5質(zhì)量％的CaF2，以制備粉末混合物。將粉末混合物形成為直徑為約16至20mm的球丸。與上面的實施例4一樣，使用每種原料顆粒350克(約40)在箱式爐中進行還原熔化實驗。檢驗作為副產(chǎn)物產(chǎn)生的爐渣量以及鐵團塊和副產(chǎn)物爐渣的狀態(tài)。注意在此實驗中，對于所有情形，都將1.5質(zhì)量％的CaF2用作凝聚促進劑。
實驗的目的是檢驗作為鐵源的電爐塵的混合比率對于副產(chǎn)物爐渣量的影響。換言之，當使用含碳球丸，使用電爐塵(不銹鋼塵)作為鐵源進行還原熔化時，爐渣的量對過程的穩(wěn)定操作具有巨大的影響。為了更具體，副產(chǎn)物爐渣的量隨著電爐塵在原料中的混合比率增加而增加。作為結(jié)果，爐渣可以完全覆蓋鐵團塊并且妨礙微小鐵顆粒的凝聚。此外，由增加的熔融爐渣的量可以進一步促進爐床耐火材料的溶解。在此實驗中，分別將電爐塵的比率改變?yōu)樵谇樾?，2，3和4中的約25質(zhì)量％，30質(zhì)量％，40質(zhì)量％和50質(zhì)量％，以便檢驗由還原熔化所產(chǎn)生的鐵團塊和副產(chǎn)物爐渣的狀態(tài)。這些情形中的每一種的爐渣量也示于表9中。
不銹鋼塵的主要成分按質(zhì)量％計如下T.Fe23.5％，M.Fe15.7％，SiO28.2％，A12O32.7％，CaO14.2％，MgO3.6％，M.Ni0.8％，NiO3.9％，M.Cr0.3％，Cr2O310.8％，M.Mn0.6％，MnO3.2％，MoO1.1％，ZnO9.6％和C0.9％。
鐵鱗的主要成分按質(zhì)量％計如下T.Fe75.1％，M.Fe0.07％，SiO20.01％，Al2O30.07％，CaO0.02％，MgO0.01％，MnO0.29％。
表9原料球丸的組成(質(zhì)量％)

如從表9中明顯地看出，副產(chǎn)物爐渣的量隨著不銹鋼塵量增加而明顯增加。在情形1和2中，相對于鐵團塊的量，副產(chǎn)物爐渣的量不是明顯地大，并且鐵團塊在熱還原后在氧化鋁托盤上從副產(chǎn)物爐渣中是可明顯區(qū)辨的。鐵團塊從副產(chǎn)物爐渣中的分離也是容易的。但是，在情形4中，相對于產(chǎn)生的鐵團塊，副產(chǎn)物爐渣的量顯著地大，并且基本上所有的鐵團塊都被副產(chǎn)物爐渣所覆蓋。此外，它證實鐵團塊集中于氧化鋁托盤的下側(cè)。在這種狀態(tài)下，存在爐床耐火材料與熔融的金屬鐵直接接觸的危險，由此促進爐床材料的溶解。
在情形3中，將比率為50∶50的的不銹鋼塵和鐵鱗用作氧化鐵源。基本上認為此比率是允許鐵團塊從副產(chǎn)物爐渣中分離同時防止爐床耐火材料惡化的比率限制。在此情形下，相對于所產(chǎn)生的一噸鐵團塊的量，副產(chǎn)物爐渣的量為約500千克。此結(jié)果表明當將具有高爐渣成分的鐵源如不銹鋼塵用作鐵源時，優(yōu)選調(diào)節(jié)組成以便生產(chǎn)每噸鐵團塊不超過約500千克的副產(chǎn)物爐渣的量。
在此實施例的情形1至4中，檢驗在不銹鋼塵中的Cr，Ni和Mo的回收率。結(jié)果示于表10中。這些結(jié)果也表明通過在原料準備階段盡可能地限制副產(chǎn)物爐渣的量，還可以提高除鐵外貴重金屬的回收率。
表10在不銹鋼塵中貴重金屬的回收率(質(zhì)量％)

工業(yè)適用性根據(jù)具有上面所述特征的本發(fā)明，通過向原料中加入凝聚促進劑如氟石(CaF2)作為輔助原料，可以促進通過還原熔化而制備的熔融金屬從副產(chǎn)物爐渣中的分離，該凝聚促進劑具有改善副產(chǎn)物熔融爐渣的流動性的作用。作為結(jié)果，可以以高產(chǎn)率和高生產(chǎn)率制備大尺寸優(yōu)質(zhì)的金屬團塊，其含有高純度的金屬如鐵，并具有優(yōu)異的運輸和加工性能。
權(quán)利要求
1.一種制備金屬團塊的方法，該方法包含對包含含金屬氧化物的物質(zhì)和含碳還原劑的原料進行加熱，以還原在原料中含有的金屬氧化物，并且進一步加熱生成物，以便熔化金屬，同時允許金屬從副產(chǎn)物爐渣組分中分離，并且允許副產(chǎn)物爐渣組分進行凝聚，其中將凝聚促進劑混合在原料中，以促進副產(chǎn)物爐渣的凝聚。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中凝聚促進劑在原料中的含量按質(zhì)量計為0.2至2.5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2之一所述的方法，其中所述的原料是含金屬氧化物的物質(zhì)、含碳還原劑和凝聚促進劑的粉末混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中將所述的混合物形成為球丸或坯塊或擠壓成型為壓坯，并且用作所述的原料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其中所述的凝聚促進劑包含氟化鈣、氧化硼、碳酸鈉和氧化鈉中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中將氟石用作所述的凝聚促進劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其中使用移動床爐來加熱和還原所述的原料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其中使用旋轉(zhuǎn)床爐來加熱和還原所述的原料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7和8之一所述的方法，其中預(yù)先在爐床上放置一層含碳原料，然后供應(yīng)所述的原料以在爐床上進行加熱和還原。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的方法，其中將氧化鐵用作金屬氧化物。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的方法，其中所述的含金屬氧化物的物質(zhì)包含鐵礦石、煉鋼塵、煉鋼廢料和金屬廢料中的至少一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中將在生產(chǎn)不銹鋼期間產(chǎn)生的塵用作煉鋼塵，以便回收含在所述塵中含有的貴重金屬。
全文摘要
一種制備金屬團塊的方法，其中將包含含金屬氧化物的物質(zhì)和含碳還原劑的原料加熱以還原在原料中的金屬氧化物，并進一步加熱熔融所形成的金屬，然后凝聚，同時將其從副產(chǎn)物爐渣中分離，其特征在于其還包含用于副產(chǎn)物爐渣的凝聚促進劑。該方法可以以高產(chǎn)率和高生產(chǎn)率生產(chǎn)金屬純度高、顆粒直徑大和運輸和加工性能優(yōu)良的金屬團塊。
文檔編號C22B1/14GK1516744SQ0281219
公開日2004年7月28日 申請日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月18日
發(fā)明者伊東修三, 津下修 申請人:株式會社神戶制鋼所