專利名稱：增碳方法
技術領域：
本發(fā)明公開了一種鐵合金(諸如鋼鐵)增碳的方法。本發(fā)明方法發(fā)現(xiàn)了在大型煉鋼廠(通常包括煉鋼煉鐵爐和氧氣頂吹轉爐)和小型煉鋼廠(通常包括電弧爐(EAF))均使用的盛鋼桶或鋼包爐中鐵合金增碳的特殊應用。盡管本發(fā)明方法將主要在盛鋼桶(tapping ladles)或鋼包爐中進行增碳方面進行描述，但是應當理解，本發(fā)明方法不限于這類增碳。
背景技術：
對塑料和輪胎的處理存在越來越多的問題，塑料和輪胎的廢物利用僅占原料回收利用的很小一部分，而大部分塑料和輪胎的回收不是通過垃圾填埋就是通過垃圾焚化爐焚燒來處理。在垃圾填埋處理中，材料不易降解，而且也沒有任何材料可以濾去有毒元素后， 到達土壤和地下水，而傳統(tǒng)的焚燒方法常常生成有害排放如二惡英，并且還會增加溫室氣體排放。全世界的鋼鐵工業(yè)正面臨著通過提高能源和資源利用效率，特別是降低二氧化碳排放，將其對環(huán)境影響最小化的壓力。將廢塑料添加到電弧爐是已知技術，一些例子可以從US5，554，207和 JP2004-052002 中得知。本申請人的WO 2006/024069也公開了在電弧爐中添加廢塑料的技術，并進一步公開廢塑料能夠用作增碳劑，不過僅限于感應爐的環(huán)境，也沒有說明該方法如何具體實施。對已知技術文件的引用并不代表該文件構成澳大利亞或其他地方的本技術領域普通技術人員的公知常識的一部分。

發(fā)明內容
在本發(fā)明第一方面中，提供了一種在鋼水包或鋼包爐中對熔化的鐵合金增碳的方法，該方法包括向鋼水包或鋼包爐中加入含碳聚合物的步驟，其中含碳聚合物適于充當鐵合金的增碳劑。在本發(fā)明之前，人們沒有進行含碳聚合物在鐵合金生產(chǎn)過程中如何充當最好的增碳劑的研究(例如，含碳聚合物用來替代傳統(tǒng)的增碳劑諸如煤、焦炭和石墨，由此增加生產(chǎn)的鐵合金中的碳含量)?？梢赃x擇和調整含碳聚合物，使其能夠取代或降低昂貴的增碳劑如無煙煤和石墨的使用。在這方面，雖然WO 2006/024069披露了廢塑料充當增碳劑的可能應用，但沒有教導如何去實施，也沒有說明如何在盛鋼桶和鋼包爐進行鐵合金增碳中使用廢塑料。本發(fā)明使用術語“鐵合金”的用意是，使它包括鐵碳合金(包括各種鋼材)和其他形式的鐵碳合金和/或鐵基(iron-based)合金的寬廣范圍，包括鐵鉻合金，鐵鉻硅合金，鐵錳合金，硅錳鐵合金，鐵矽合金，鎂鐵矽合金，鐵鉬合金，鎳鐵合金，鈦鐵合金，鐵磷合金，鐵鎢合金，鐵反合金，鐵鋯合金等。在本發(fā)明方法的一種方式中，含碳聚合物在被加入之前，可以被特別調整，以適合鋼水包或鋼包爐，所以聚合物中的碳能夠優(yōu)先溶于鐵合金中，但不會燃燒至重大的或不利的程度。例如，最好地調整聚合物使其充當增碳劑的一種方式包括在添加之前，優(yōu)化聚合物大小(如形狀和/或尺寸)以適應給定的鋼水包或鋼包爐的步驟。該大小優(yōu)化被觀測到有助于碳分解，并且在聚合物與融化的鐵合金接觸時，使聚合物燃燒降到最小。在一個實施例中，聚合物大小優(yōu)選可以包括把諸多聚合物層捆綁在一起以形成塊。例如，對于包括廢橡膠的聚合物，可以用合適的鐵合金線把若干層輪胎胎面/輪胎壁或傳送帶捆綁在一起形成捆。在盛鋼桶內添加含碳聚合物的情況中，可以在熔融鐵合金出鋼之前，將含碳聚合物添加到鋼水包中。在鋼包爐添加含碳聚合物的情況中，可以把含碳聚合物與來自于盛鋼桶中的熔融鐵合金一起加到鋼包爐中，或加到該熔融鐵合金上。例如，含碳聚合物可以注射到鋼包爐中 (即注射到最上層，諸如渣層)。含碳聚合物的一種形式是廢塑料或橡膠。就此而言，廢塑料可以包括聚乙烯(如高密度聚乙烯)和其他塑料如聚丙烯，聚苯乙烯、聚丁二烯苯乙烯，ABS等，以及難于再生的塑料例如酚醛塑料(Bakelite)等。此外，廢橡膠可以來自舊輪胎或皮帶。皮帶可以是舊的或丟棄的橡膠運輸帶。廢塑料或橡膠添加到鋼水包或鋼包爐中提供了另一種處理廢棄物的有效方法，否則這些廢棄物將帶來環(huán)境保護的挑戰(zhàn)。盡管含碳聚合物通常包括C原子、H原子，和任意地的0原子，但是其他元素(如 N、S、P、Si、鹵素等)也可以存在于聚合物中。這些元素妨礙了鐵合金的生產(chǎn)，和/或產(chǎn)生污物、污染物，有毒有害氣體(如氫氣)等，因此應謹慎而明智的選擇和添加含碳聚合物應。 可以把某些助熔添加劑引入鋼水包或鋼包爐內，以消除或減輕有害氣體和其他有害副產(chǎn)物的形成。在一種方式中，制備的鐵合金是鋼或合金鋼。在本發(fā)明方法的一種變形中，除了含碳聚合物外，其他碳源也能夠加入到鋼水包或鋼包爐中，其他碳源是煤、焦炭、活性炭(carbon char)、木炭和/或石墨之一或者多種。在一種方式中，鋼水包或鋼包爐成為電弧爐煉鋼工藝的一部分，鋼水包從電弧爐接收熔融的鐵合金，以及鋼包爐從鋼水包接收熔融的鐵合金。在本發(fā)明第二方面中，提供了含碳聚合物作為鋼水包或鋼包爐中的鐵合金的增碳劑的應用。在本發(fā)明第二方面中，所述含碳聚合物可以是第一方面所定義的含碳聚合物。在本發(fā)明第三方面中，提供了一種融化鐵合金增碳的方法，所述方法包括使合金與可以充當增碳劑的含碳聚合物進行接觸，因而聚合物具有當它與熔化鐵合金接觸時有助于聚合物中的碳溶解到熔化鐵合金中的規(guī)格(format)。據(jù)觀察，優(yōu)化聚合物規(guī)格(即聚合物形狀和/或尺寸)，可以在聚合物與熔融鐵合金接觸時，使聚合物中的大量的碳溶解，而不是燃燒或氣化。這能夠增強聚合物的增碳功能。在本發(fā)明方法的第三方面中，聚合物規(guī)格包括形成所需尺寸的單元(或個體)，使得相對其面積，暴露的表面積最小。此外，可以把聚合物的尺寸優(yōu)化到給定鋼水包或鋼包爐的大小。這使得碳溶解最大化，并且使得聚合物中碳的燃燒或氣化達到最小。一個或多個這樣的單元(例如，一個或多個重量為10公斤的廢舊聚合物捆)可被用作鐵合金的增碳劑。在本發(fā)明方法的第三方面中，聚合物可以被添加到熔化合金中，或者熔化合金可以被添加到聚合物上，或者聚合物和熔化合金一起添加到鋼包或鋼包爐中。本發(fā)明第三方面的方法其他方面可以按第一方面定義。


其他具體實施方式
可落入發(fā)明內容部分定義的增碳鐵合金方法的范圍之內，下面將參照附圖并通過舉例說明所述方法的具體實施例。圖Ia顯示了實施例1實施例所述的原始冶金焦炭(通用增碳劑)的X射線衍射圖，圖Ib顯示了原始高密度聚乙烯(廢塑料制品增碳劑)的X射線衍射圖；圖加顯示了實施例1所述的原始高密度聚乙烯和冶金焦炭的X射線衍射圖，圖2b顯示了燃燒后的高密度聚乙烯和冶金焦炭的X射線衍射圖；圖3顯示了實施例1所述的為臥滴法設置的平管電阻爐的原理圖；圖如顯示了實施例2所述的實驗性生產(chǎn)的增提取(碳含量％)隨時間變化圖， 實驗性生產(chǎn)涉及100%冶金焦炭，圖4b顯示了實施例2所述的實驗性生產(chǎn)的增提取(碳含量％ )隨時間變化圖，實驗性生產(chǎn)涉及30%高密度聚乙烯與70%冶金焦炭的混合物；圖5顯示了實施例3所述的沉降爐的示意圖；圖6顯示了實施例3所述的為臥滴法設置的平管電阻爐的第二原理圖；圖7顯示了用于實施例3所述的實驗性生產(chǎn)的碳提取隨時間變化圖，該實驗性生產(chǎn)涉及100%冶金焦炭以及30%酚醛塑料與70%冶金焦炭的混合；圖8顯示了生產(chǎn)鐵合金如鋼的電弧處理的原理圖；圖9顯示了出鋼到鋼水包的電弧爐的示意性細節(jié)；圖10顯示了圖9的鋼水包的示意性細節(jié)；圖IlA和IlB分別顯示了適合于加到盛鋼桶一捆中輪胎面的側視圖和俯視圖；圖12A-12C分別顯示了塑料(廢橡膠)和標準增碳劑的碳提取(每10公斤樣本％)示意圖；圖12A涉及鐵水罐車中的增碳；圖12B涉及鋼包爐中的增碳；圖12C涉及標準數(shù)據(jù)。具體實施例方式假設含碳聚合物(如廢塑料或廢橡膠)可以在基本鐵合金形成后(例如，在煉鐵爐和氧氣頂吹轉爐中形成鋼之后，或者在EAF爐中形成鋼之后)的各個階段作為增碳劑引入鐵合金(例如鋼)生產(chǎn)(例如，調整合金中的碳含量)。就此而言，假設含碳聚合物在鐵水罐車和/或鋼包冶金爐中能起到增碳劑作用。在世界各地，目前有兩條主要的煉鋼工藝路線一是大型綜合煉鋼廠 (IntegratedMill)路線，從鐵礦石和焦炭生產(chǎn)出鐵，然后將鐵轉換成鋼；另一條是小型煉鋼廠(Mini-Mill)路線，從廢鋼中生產(chǎn)出鋼。這兩條路線的主要區(qū)別是用來煉鋼的爐子類型不同。然而，這兩條生產(chǎn)路線的共同之處是將熔融的鋼水轉送到鋼水包中，通過使用鋼包冶金爐(Ladle Metallurgy Furnace)來調整鋼水包中的鋼的溫度和成分，和通過使用連鑄機(Continuous Casting Machine)鑄造鋼。大型綜合煉鋼廠通過在鼓風爐(blast furnace)中裝入鐵礦石、焦炭、助熔劑和吹入熱空風來生產(chǎn)高碳熔化鐵。來自于煉鐵爐的鐵被轉送到一個或多個氧氣頂吹轉爐(BOF) 中，氧用來去除大部分碳，將鐵轉換成低碳鋼。高達25%的BOF裝料可以是固體廢重鋼。然后緊著接進行鋼的碳含量調整。小型煉鋼廠使用一個或多個電弧爐來熔化固體廢鋼，該固體廢鋼包括重廢鋼、輕廢鋼和(來自于鼓風爐的)生鐵。氧用來從熔化鋼中除去碳和其雜質如硅、鋁和錳，他們與氧進行化學反應生成二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)和氧化錳(MnO)。大量的鐵也與注射到爐內的氧進行化學反應生成鐵氧化物(FeO或!^e2O3)。將氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO)加入到電弧爐中，以便在鋼的上面形成渣層。渣層誘捕燃燒鋼產(chǎn)出的各種雜質氧化物和一部分鐵氧化物，并且使爐內的耐火材料免于雜質氧化物的化學攻擊，以及降低從拱部到爐頂和側壁的熱損失。一旦鋼材的化學成分和溫度達到要求，電爐就進行出鋼處理。這包括將鋼從爐內轉移到鋼水包中，這樣鋼就能以熔化狀態(tài)進入LMF內。電弧爐的煉鋼流程示意圖如圖5所示。圖6顯示了鋼水流入鋼水包中的細節(jié)，圖7顯示了鋼水包的細節(jié)，鋼調整的第一階段可以出現(xiàn)在該鋼水包中。在出鋼階段，較純形式的碳(增碳劑)(通常是冶金級碳)被加入到鋼上(稱之為 “增碳”)，以把它燒成預期規(guī)格。冶金級碳被研磨成顆粒，形成煉鋼過程中比較昂貴的部分。 各種鐵合金還被加入到鋼中以提高金屬的物理特性。因此，本發(fā)明研究的是可供選擇的碳替代物，而這些碳替代物迄今為止被認為不適于增碳。
實施例現(xiàn)在提供制備鐵合金方法的非限制性實施例。實施例1、2、3提供了實驗室得到的實驗數(shù)據(jù)，該實驗數(shù)據(jù)證明含碳聚合物(如廢塑料)中的碳能夠溶解到熔化金屬中，從而起到增碳劑的作用。實施例4提供了含碳聚合物(如廢橡膠)在鐵水罐車和鋼包爐中作為增碳劑的真實現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。實施例1-3的方法包括在檢測碳溶解之前去除揮發(fā)物(VM)，而實施例4 (現(xiàn)場實驗)的方法則不包括預先去除揮發(fā)物。這樣，實施例1-3的數(shù)據(jù)不能直接與實施例4的數(shù)據(jù)相比較。應該注意的是，所使用的冶金焦炭的類型和品質在實施例1、2、3中是不變化的， 正是這些變化帶來了碳溶解到液體鋼的不同的結果。因此，實施例1、2、3的試驗結果不能進行直接比較。進一步值得注意的是，焦炭特性和廢塑料特性可能對試驗效果產(chǎn)生影響，因此為了增加碳溶解于熔化于鋼水中的效果，可以優(yōu)化焦炭特性和廢塑料特性。實施例1-碳溶解/廢塑料增碳試驗用來研究將30%的高密度聚乙烯(HDPE)和70%的冶金焦炭混合物中的碳溶解到1550°C的液態(tài)鋼的情況，以查看在鋼水包和鋼包爐中使用的適用性。實驗提供了代表樣本特的數(shù)據(jù)，包括近似分析、X-射線衍射圖以及碳溶解試驗的細節(jié)和實驗。樣品特征通過在沉降爐(drop tube furnace)中燃燒，準備用來碳溶解研究的廢塑料和冶金焦炭混合物的碳質殘渣。人們發(fā)現(xiàn)從DTF收集的殘渣中含有一定級別揮發(fā)性物質。因此，還需要在平管爐中除去這些殘渣的揮發(fā)成份，如圖3所示。分別分析原料樣品和從沉降爐和平管爐中收集的碳質殘渣，得到其固定碳含量、灰分、揮發(fā)性物質(VM)和水份百分比，并采用X-射線衍射法分析其結構。組分分析樣品的組分分析數(shù)據(jù)如表1所示。以冶金焦炭為參考材料，原料樣品和經(jīng)沉降爐和平管爐燃燒后的樣品的固定碳含量幾乎恒定在64.5%。因此可以理解，在實驗條件下，沉降爐和平管爐中的冶金焦炭的燃燒并不改變其固定碳含量。當冶金焦炭與塑料混合時，在經(jīng)過管式沉降爐和平管爐中燃燒后，其固定碳含量增加，而揮發(fā)性物質卻顯著降低。表1高密度聚乙烯、冶金焦碳樣品的組分分析
權利要求
1.一種使在鋼水包或鋼包爐中對熔化鐵合金增碳的方法，包括將含碳聚合物添加到鋼水包或鋼包爐中的步驟，其中，所述聚合物適合于充當鐵合金的增碳劑。
2.如權利要求1所述的方法，其中，修改所述含碳聚合物規(guī)格，使其有助于聚合物中的碳溶解到熔化鐵合金中。
3.如權利要求2所述的方法，其中，能夠充當增碳劑的聚合物的規(guī)格修改包括優(yōu)化待加入到鋼水包或鋼包爐內的聚合物的形狀和構型，然后再裝料。
4.如上述任一項權利要求所述的方法，其中，所述含碳聚合物包括被捆在一起以形成塊狀的聚合物層。
5.如上述任一項權利要求所述的方法，其中，對于鋼水包，在熔化鐵合金出鋼之前，將含碳聚合物加入到鋼水包中；對于鋼包爐，含碳聚合物和來自鋼水包的熔化鐵合金一同加入到鋼包爐中或者加入到來自鋼水包的熔化鐵合金上。
6.如上述任一項權利要求所述的方法，其中，所述含碳聚合物是廢塑料或廢橡膠。
7.如上述任一項權利要求所述的方法，其中，所述的橡膠取自舊輪胎或舊皮帶。
8.如上述任一項權利要求所述的方法，其中，生產(chǎn)的鐵合金是鋼或鋼合金。
9.如上述任一項權利要求所述的方法，其中，除了所述含碳聚合物之外，其他碳源還被加入鋼水包或鋼包爐內中，所述其他碳源是煤、焦炭、活性炭、木炭、或石墨中的一種或多種。
10.如上述任一項權利要求所述的方法，其中，所述鋼水包或鋼包爐構成電弧煉鋼處理的部分。
11.一種含碳聚合物的用途，其中，所述含碳聚合物在鋼水包或鋼包爐中作為鐵合金的增碳劑。
12.如權利要求11所述的用途，其中，所述含碳聚合物是權利要求2、4、6或7任一項所定義的聚合物。
13.一種使熔融鐵合金增碳的方法，包括使合金與作為增碳劑的含碳聚合物接觸，其中，所述聚合物具有當其接觸熔化鐵合金時有助于該聚合物中的碳溶解于熔化鐵合金中的規(guī)格。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述聚合物規(guī)格包括切割成所需尺寸的單元，以便聚合物暴露的表面積相對于其質量最小。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述聚合物的尺寸被優(yōu)選為給定鋼包或鋼包爐的大小。
全文摘要
使鋼水包或鋼包爐中熔化鐵合金增碳的方法包括把含碳聚合物添加到鋼水包或鋼包爐中的步驟。該聚合物適于充當鐵合金的增碳劑。就此而言，聚合物具有當其接觸熔化鐵合金時有助于碳從聚合物中溶解到熔化鐵合金中的規(guī)格。
文檔編號C21C5/52GK102216473SQ200980139402
公開日2011年10月12日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權日2008年8月7日
發(fā)明者保羅·奧凱恩, 威那·薩哈瓦拉 申請人:紐索思創(chuàng)新有限公司