CN101443465A - 利用对环境有益的可再生或可再循环的还原剂生产铁 - Google Patents

Abstract

要从铁矿石生产金属铁，一种组合物包括由铁矿石微粒和还原剂微粒组成的混合物形成的一团物质，所述还原剂是生物质粒子和塑料树脂物质粒子。还原剂也可以是生物质和塑料树脂物质以任何比例混合而成的混合物。该团物质包含至少一种坯体，其形状适合熔炼，例如小球、煤饼、碎片或块状。小球的粘结力足以维持它们已经成型的形状。本发明还提供一种从铁矿石生产金属铁的新颖方法，所述方法包括把铁矿石细分成选定尺寸的微粒，把细分后的铁矿石微粒与生物质粒子和塑料树脂物质粒子或其混合物混合，形成一团物质，该团物质的坯体形状适合在熔炉内熔炼，以及把所述坯体放在熔炉内并对其充分加热，使所述坯体内的铁到达炉内的炼铁温度，从而从铁矿石直接生产金属铁。

Description

利用对环境有益的可再生或可再循环的还原剂生产铁

相关申请

本专利申请要求2006年3月13日提交的具有相同发明名称的美国临时专利申请第60/781,796号的优先权，上述临时专利申请公开的内容纳入本申请作为参考。

技术领域

本发明涉及熔炼铁矿，更具体地，涉及从铁矿生产金属铁的组合物和方法。

发明背景

自古以来，都是利用含有游离碳的燃料如煤或木炭等产生热量和还原铁矿石所需的还原气体从铁矿石提炼铁。与煤(12,000-15,000BTU/lb)和焦炭(约12,000-15,000BTU/lb)相比，木材本身产生的热量很少，只有约6,000-8,000BTU/lb。早期使用的小型熔炉和简单的吹气设备，温度不足以形成碳化铁，故而最初以此方式形成的铁使用价值不高，而且制铁业者必须要等到炉火熄灭才能够取出“铁坯”，即含有小量碳的25-50磅的物质，用来铸造武器。直到大约1860年才开始使用木炭，之后由煤生产得到的焦炭成为冶炼铁的标准燃料。煤主要由游离碳组成。硬煤含有约6％挥发性物质，软煤含有稍微多一些的挥发性物质。焦炭具有更多游离碳，在大约1000℃至1300℃的温度下用有限的氧气燃烧煤，裂解大分子可得到焦炭，除去挥发性物质后剩下的焦炭具有更高的机械强度并含有约85-90％游离碳，这种焦炭提供冶炼铁所要求的高温。在现代熔炉中，铁矿石、石灰石和焦炭各层交替地放置在熔炉内。焦炭提供所需的热量以及把铁矿石转化为金属铁所需要的还原气体，因此，在一个典型熔炉内，2,000吨铁矿石(Fe₃O₄)、500吨焦炭和400吨石灰石每日可以生产1,000吨生铁、500吨矿渣和大量的可燃烧气体。

过去几年已经研究了一些方法来直接生产铁；也称从铁矿中生产铁块，例如可参照以下期刊文章：

Kobayashi L，Tanigahi Y.and Uragami A，A New Process to produce Iron DirectlyFrom Fine Ore and Coal，Ironand Steelmaker，Vol.28，No.9，2001，pp.19-22；

Negami T.，2001，ITMK3 Premium Ironmaking Process for the New Millenium，Direct from Midrex l^st Quarter 2001；

Tsuge O.，Kikukuchi S.，and Tokuda K.，Successful Iron Nugget Production atITmk3 Pilot Plant，61^st Iron making Proceedings，Nashville，Tennessee，2002；

Anameric B.and Kawatra S.K.，Laboratory Study Related to the Production andProperties of Pig Iron Nuggets，Minerals and Metallurgical Processing，Vol.23，No1，February 2006(a)，pp.52-56；

Anameric B.，Rundman K.B.and Kawatra S.K.，Carburization Effects on Pig IronNugget Making，Minerals and Metallurgical Processing，Vol.23，No 3，March 2006，pp.139-151；

Anameric B.and Kawatra S.K.，Pig Iron Nuggets Versus Blast Furnace Pig Iron，Presented at TMS Fall Extraction and Processing Meeting，Proceedings of the SohnInternational Symposium，San Diego，California，Vol.5，2006(b)，pp.136-156；

Anameric B.and Kawatra S.K.，Conditions for Making Direct Reduced Iron，Transition Direct Reduced Iron and Pig Iron Nuggets in a Laboratory Furnace-Temperature Time Transformations，Submitted for publication in Minerals andMetallurgical Processing，May 2006(c)，Preprint no MMP-06-027；

Anameric B.and Kawatra S.K.，Microstructural Investigation of the Pig IronNuggets Produced at Laboratory Conditions，ISIJ International，NoI，January 2007(a)；

Anameric B.and Kawatra S.K.，Laboratory Scale Investigations on the Formation ofPig Iron Nuggets，Submitted for publications in ISIJ International，January 2007(b)；

Anameric B.and Kawatra S.K.，Transformation Mechanisms of Self ReducingFluxing Dried Greenballs into Pig Iron Nuggets，Presented at 2007 SME Annual Meeting，2007(c)。

在这些直接炼铁法中，煤被用作金属氧化物的还原剂。直至本发明之前，商业上的直接炼铁法依赖煤作为还原剂。常规炼铁技术中，为了产生所需要的热，鼓风炉要求有焦炭或者直接还原铁需要有天然气。作为化石燃料，煤和天然气无法长期持续稳定地供应，而且导致增加大气中的二氧化碳水平。所以，在本发明之前，普遍认为只有能量含量至少与煤一样多的燃料才可以产生足够的热和把氧化铁还原为金属铁块的还原气体。因此，迄今为止，只有含有大量游离炭的物质，例如煤或焦炭，才可以应用在炼铁法中。不过，煤除了是有限的非再生资源之外，燃烧煤也把重金属如汞排放到环境中以及产生已被广泛认为不利于大气的温室气体，从而引致环境问题。

基于现有技术中这些及其他缺点，本发明的一个目的是提供一种从铁矿生产金属铁的新颖组合物和方法，不需要木炭、煤或焦炭，但仍能够从铁矿直接生产金属铁，以致于可以例如在非常接近铁矿现场的地方生产金属铁产物，这样，金属铁可以直接售卖给各个废铁再熔炉和其他炼钢厂，无需使用常规炼铁的鼓风炉过程。

本发明另一个目的是采用可再生或可再循环的物质从铁矿生产金属铁，不需要对可再生物质进行预处理，例如制造木炭。

本发明再一个目的是提供一种从铁矿直接生产铁的方法，该方法对环保持续有利。

本发明更具体的目的是提供一种直接炼铁的新颖组合物和方法，其中还原剂本身可作为把物质结合在一起的粘结剂，不需要任何添加剂。

本发明再一个目的是提供一种从铁矿生产铁的新颖组合物和方法，得到的成品中污染物含量少，而且炉渣的数量比较少。

本发明又一个目的是提供一种上面提及的那种方法，其中炉渣容易与产生的金属铁分离。

本发明又一个目的是提供一种改进的生产金属铁的方法和组合物，所生产的金属铁耐腐蚀、容易运送、适合作为电炉中再熔化炼钢的原料或者替换氧气顶吹转炉中的铁屑，也能够使用各种各样容易获得的原料。其他优点和好处将在以下描述中更加明显。

本发明的这些和其他更详细和具体的目的参照所附权利要求书和附图会更加清楚，但这些权利要求书和附图只以落在所附权利要求书限定的范围内的几种方式举例实现本发明。

发明内容

本发明一方面涉及使用一种组合物从铁矿生产金属铁，所述组合物包括由铁矿石微粒和还原剂微粒的混合物形成的一团物质，其中所述还原剂是颗粒状生物质或者颗粒状塑料树脂物质。还原剂也可以是这两种物质以任何比例混合的混合物。所用的物质可以是任何尺寸的物质块，较佳地铁和还原剂都是颗粒状。这团物质较好是粘结物质以形成具有选定形状的坯体，选定的形状适合冶炼铁，如小球、碎片或者团块，所述组合物具有足够的粘结力以保持该团物质已经成型的形状。术语“粘结物质”指的是一团物质的粘结力至少足以维持它自身的形状，即维持它的整体。

本发明另一方面是提供一种从铁矿炼铁的新颖方法，所述方法包括把铁矿石细分成选定尺寸的微粒，把细分后的铁矿石微粒与生物质微粒或者塑料树脂物质微粒或者它们的混合物一起混合，使混合物形成适合熔炉冶炼的预定形状，把成型后的该团混合物放入熔炉内并使其与足够的热接触，升高混合物的温度至其内含的铁到达熔炼温度，从而直接从铁矿生产金属铁。可通过任何方便的方式产生热，例如电加热、辐射、或者在炉内燃烧气体、液体或固体燃料。虽然放置在混合物中的还原剂实质上不含有游离碳，但本发明的方法对熔炼铁矿石来生产金属铁体非常有效，无需用到在本发明之前商业炼铁法中使用的煤、焦炭、木炭或者任何常规高能燃料来产生所要求的高温和炼铁所需要的还原气体。本发明的其他特征将结合附图和以下举例说明本发明的说明书作更详细描述。

附图说明

图1是根据本发明还原铁矿石的熔炉的垂直剖视示意图。

图2是图1所示坩埚垂直剖视放大图，其中坩埚内的铁矿石物质为在熔炉内熔炼前的样子。

图3是熔炼后典型小球的外观，显示金属铁体与炉渣分离。

图4是本发明以工业规模使用的一个实施例的纵向剖视示意图。

具体实施方式

以氧化铁矿石为起始材料，一般采用铁燧石、赤铁矿石或者褐铁矿石，它们可以是商业上可提供的任何合适的颗粒，优选为细颗粒。当使用的颗粒直径是0.25英寸或以上，处理时间会不必要地延长，而且粒子不会形成粘结团块。所以，使用细粒子是较佳的，最好是把粒子研磨得很细。术语“研磨得很细”指的是这样的粒子，它们至少有90％能够通过75μm筛网，最好有90％能够通过50μm筛网。若使用的矿石粒子有90％能够通过25μm筛网，得出来的结果非常好。也可以使用市售各种粒径的其他氧化铁矿石微粒。已经发现，使用研磨得很细的粒子，得率和处理时间可能是最佳的，铁矿石也能够很好地形成粘结物质，如小球、煤饼或块状，下文将作详细描述。例如，铁燧石可以通过商业途径从精矿厂得到，其中精矿厂把铁矿石变成粒子，使其中90％通过25μm筛网，它们由95％ Fe₃O₄和5％二氧化硅组成。一般而言，粒子越细，它们越容易形成粘结物质，处理时间也越快。使用粘结剂对成功实施本发明不是绝对必要的，这是因为可以使用任何方法把粒子压实成压缩团。

本发明的方法在开始时，把氧化铁微粒与基本上不含游离碳的还原剂混合。合适的还原剂可以是生物质或者塑料树脂物质，例如合成树脂尤其是颗粒状可循环或可再生的塑料树脂物质或其任何比例的混合物。术语“生物质(biomass)”在McGrawHill Chemical Encyclopedia of Science and Technology 2005中被定义为“由工厂产生的有机物质，例如树叶、根、种子和茎”。在某些情况下，也认为微生物和动物的代谢废物是生物质。术语生物质指的是不会直接变成食品或商品，但有其他替换的工业用途的物质。生物质通常来自：1.)农业废料，如玉米茎、稻草和壳或肥料等等；2.)木质材料、木材或树皮、锯屑和研磨废料；3.)市政废弃物，如废水、草、落叶和院子修剪下来的植物；4.)能源作物，例如白杨、柳树、柳枝稷、紫花苜蓿、草原须芒草、玉米淀粉和大豆油。

但是，本文所用的术语“生物质”所涵覆的范围比上述定义宽，指的是任何有机物质，特别是含有有机聚合物并且没有或者基本上没有游离碳的植物和动物物质。除了生物质之外，本发明还可使用合成聚合物作为还原剂，所述合成聚合物不含有或者基本上不含有游离碳，例如预先沉积在垃圾堆填区的可循环或可再生的塑料。生物质与常规炼铁法以及上述提到的直接炼铁法中采用的煤、木炭或焦炭截然不同，这是因为后者包括高能燃料，它们大部分或者几乎全部都是游离碳。相反，本发明使用的生物质如果有的话，也含有极少的游离碳。碳存在于有机聚合物分子中，例如对于木材，碳存在于多糖、纤维素、淀粉和木素中。木材由70％-80％纤维(一种有机多糖聚合物)和20％-30％木素(一种非多糖有机聚合物)组成。除了木屑或木浆、锯屑外，本发明还使用各种各样非木质的生物质，例如草、谷物、茎等等，它们主要由纤维素和其他糖类聚合物组成。

如上面已经作了简要说明，以前依赖煤、焦炭或木炭来产生所需要的还原气体。以前，也一般相信只有高热值燃料才是有效的。例如，木材的热值仅是煤的热值的一半，不到焦炭热值的一半。所以，过去在炼铁之前，要用另外的方法把木材转化为木炭。所以，现有的商业做法不会教导人们使用生物质作为熔炼氧化铁的还原剂。本发明可以使用的生物质包括碳水化合物和其他有机聚合物以及除煤、焦炭或木炭之外的碳氢化合物。例如，本发明的生物质包括纸、纸浆、纤维纸厂废污泥、磨木浆、小麦粉、玉米粉、干甜菜废浆、修剪下来的草、树叶和茎、剁碎稻草、玉米杆、锯木厂废弃物、干消费后有机废物、干污泥、泥炭、淀粉、麸质、木素、生产酒精得到的干蒸酒谷物和其他固体残余物、糖蜜(液体)、柳枝稷以及其他生物质农作物。也可以使用可循环或可再生的塑料树脂，最好是非氯化塑料树脂。

在铁矿石微粒和还原剂混合后，它们形成一团粘结物质。该团物质可包括任何所希望的尺寸的碎片或结块，最有用的是小球、煤饼或其他聚合团块，其中微粒由粘结剂粘结在一起，所述粘结剂可包括还原剂本身或加入在该团物质的一种粘结剂。虽然粘结或结合可通过很多不同的方式实现，这对本领域技术人员是显而易见的，但最方便的做法是向氧化铁和还原剂混合物加水以形成浆泥，特别是当有机物质来自生物质，或者通过熔化有机塑料树脂物质并使其热塑进入氧化铁粒子。如果还原剂开始就有粘结性质，就不需要加水。正常情况下，生物质本身作为粘结剂可以提供粘结力，把氧化铁和生物质的混合物保持在粘结物质内，即粘结成聚合团块以对物质作进一步处理。富含淀粉如面粉的生物质是很好的粘结剂。如果使用的主要生物质具有相对小的粘结能力，如磨木浆，可以加入小量谷物面粉作为粘结剂，也能有很好的粘结力。已经发现，加入的谷物淀粉量占铁矿石重量约1％-2％，增加湿度后得到的粘结剂可获得突出的效果。木素、麸质和其他具有粘结性质的有机物质也适合用作还原剂，它们的天然粘结性质使得它们能够用作粘结剂。

虽然铁矿石和还原剂的物质团可以是任何合适的尺寸，但最好提供一个个尺寸足够小的小球或煤饼，使得热量能够很快到达每个小球或煤饼的内部，最有用的尺寸是直径小于4至8cm，较佳是直径约0.25cm至约4cm，最好的直径为约1/2cm至2.5cm。利用任何公知的方式可以很方便地把粘结物质形成大致圆的小球，例如利用造粒机，其配置了旋转表面以支持混合物，向该混合物喷射水，形成薄雾，或者可利用本领域技术人员公知的任何其他合适的造粒机。如果形成的碎块或小球是潮湿的，它们最好干燥至小球能够至少自己维持成球体，但最好是干燥至小球足够结实，使得它们被放置在约6英寸深的床层上也不会崩解。

在铁矿石和还原剂称重后，把它们放在市售的任何合适的搅拌机(如高速混合机(kneader-mixer))中彻底地混合。继续搅拌，同时稍稍弄湿混合物，直到该混合物开始聚合成团块。在一个优选实施方法中，使聚合团块滚动并加压，形成各含有例如约25克精铁矿石和7.5克还原剂的球体或小球。再把它们在例如约105℃的间歇式或连续式干燥机中干燥。这时，形成的粘结物质是坚实的，并具有足够硬度可以自我维持并可以放在工业熔炉内约6-8英寸深的小球或块、煤饼床层上。不过，床层的深度不是关键的。测试目的的小批量可包括一个或任何数目的小球或碎片。

可用任何公知的方式对熔炉进行加热，与放置在熔炉内的物质装料量无关，例如加热的方式可以是燃烧固体或液体燃料如天然气、丙烷、燃油，或者熔炉可使用电阻加热器以电加热方式进行加热。一个用于实验试运转的合适熔炉是Thermolyne型号F46128CM高温电加热熔炉。可使用各种工业规模熔炉中的任何一种。

现在参看附图，附图以举例说明方式阐明本发明。图1所示是用于实验目的的一个电加热熔炉的垂直剖视图。熔炉10包括耐火炉体12，所述炉体具有炉腔14、由耐火材料制成的炉底座板16和坩埚18。由两套电加热组件20和22供热。23是热电偶。坩埚18由粘土和石墨制成，含有耐火支撑床24，所述支撑床24不进入化学反应或冶铁过程，但用来把铁矿石小球26适当地承托在熔炉内并且接收产生的金属铁。本文所用的术语“耐火”指的是当承受熔炉高温时仍能保持自身物理形状和化学特性，并且不会通过化学反应进入铁矿石还原过程的物质。加热过程可能在20分钟内完成，在此期间，包含在小球26内组成还原剂的有机物质分解，正是有机物质的分解产物把氧化铁还原为金属铁。金属铁熔化，而杂质以炉渣产物的形式从铁熔化物排出，留下一或多个小滴28和30，这些小滴冷却后固化成金属铁块，适合用来炼钢。在炼铁过程中，金属铁吸收来自有机物质的过量碳，这些碳与铁结合，这样铁可以在较低温度(约1200℃)下熔化，比纯铁的熔化温度1539℃低。

其他物质如氧化钙或碳酸钙也可以作为熔剂被加入以改善熔化过程和炉渣与金属铁的分离。把得到的成品聚合团块或其他粘结物质团放在任何公知的市售分离器内作进一步处理，以分离和收集金属铁。

从上文可见，本发明的优点是使用可再生和可再循环的有机物作为还原剂，而且不必首先处理有机物以制备木炭或者要为炼铁过程做准备工作。因此，有机物未经加工就可以使用，因为它们大多数都是剩余下来的或者被认为是废弃物，所以本发明的炼铁法成本很低。此外，从可再生的有机物生产铁对炼铁成为持续的环保工业是很重要的。本发明的另一个优点是生物质或其他有机物用作粘结剂，把小球粘结在一起直到反应完成。这样，就不需要使用额外粘结剂如膨润土。不使用额外粘结剂的好处是对产品的污染少，炉渣数量少，以及简化对炉渣性质的控制。

产生的铁块28和30的尺寸是这样控制的：把小球支撑在耐火床上，所述耐火床最好由不会被熔化金属弄湿的微粒组成，以致于小滴与耐火支撑介质不同并能与耐火支撑介质分离。图3所示是熔炼后的铁块。已经发现，把铁矿石和还原剂26的粘结物质支撑在由耐火微粒24组成的床上，所述微粒24适宜是不会被熔化铁块28和30弄湿的精细微粒，可以控制产生的铁块尺寸。当小球26或其他坯体被转化为金属铁块28和30，液态铁熔化并流至小球下面的耐火床凹处被收集。一些液态铁小滴合并，但大部分仍然是分离的小滴28和30，这些小滴冷却后形成各个金属体或金属块。可以使用各种耐火材料。例如，合适的耐火材料包括氧化铝(AI₂O₃)与氮化硼的混合物或者莫来石(硅线石)(2SiO₂:3Al₂O₃)与氧化锆(ZrO₂)的混合物。另一种可用的合适耐火材料是石墨粉末或碳粒如石油焦炭。在生产如图所示的样品量金属铁时，可使用包括磨细石油焦炭床的耐火材料，这些耐火材料大部分装填在坩埚内。耐火材料不会损耗，只用来当聚合团块熔化形成游离金属铁时支撑这些团块，而小球26或者铁矿石与生物质的其他聚合团块留在耐火材料24的活动床上。

现在参看图4，图4示意地示出了本发明工业熔炉的熔炼运作，该工业熔炉的炼铁是商业规模。图中所示的熔炉装设了传输带。不过，本发明可应用于各种熔炉，包括转底炉、竖炉或浴炼炉。以附图标记32表示的熔炉主要由耐火材料制成，包括具有入口36的炉腔34以及具有传送带的输送机，图4仅示出输送机其中一部分，包括铁矿石承载器38，所述承载器38在操作过程中经入口36进入熔炉32的加热炉内部34。当承载器38进入熔炉时，它们装满了一层含有上述铁矿石和还原剂的预制坯体26，这些预制坯体可被堆积成任何所希望的深度，或者放置成单层，其单层高度等于一个预制坯体的高度，这样，每一个预制坯体被支撑在承载器38朝向上的耐火表面上，所述承载器可以是固体耐火材料或者包括由任何合适的市售耐火粉末形成的活动微粒。待熔炉32内的熔炼过程完成后，卸下承载器38的物质，金属铁与剩余的炉渣分离。得到的铁片或铁块容易运送，耐腐蚀，并且可用作氧气顶吹转炉中铁屑的替换物或电炉中再熔化炼钢的替换物。

已经发现，使用本发明可使熔炼过程在相对低的温度下进行。使用生物质作为还原剂生产铁块的温度为1350℃-1450℃，处理时间为约20至40分钟。熔炉使用的最高温度只受熔炉生产能力的限制。有可能的是，允许额外时间使包含在生物质或合成树脂的碳扩散进入金属，从而降低金属的熔化温度，因此利用本发明生产金属铁的温度可能比1350℃稍低，例如1300℃。在工业运作中，如上所述，能够到达所希望温度的任何热源都是合适的，包括电加热、天然气、燃烧煤或者燃烧任何其他经济的高温燃料。本发明能够获得很高的得率。常规鼓风炉中每2,000吨赤铁矿(Fe₂O₃)生产得到只有1,000吨生铁，得率为71.4％，与之相比，本发明已经取得的得率可以高达84.5％，这是非常好的效果。

熔炼过程完成后，对粘结在一起的聚合团块进行冷却，发现多孔低密度炉渣含有大部分杂质，容易与生产得到的金属铁块分离。虽然用还原铁所需的理论化学量可生产金属铁，但实际上为确保有足够的还原剂，实际使用的有机物质数量比理论上还原铁的所需量要多。铁矿石较好地含有约60％-90％(重量)有机物质，最好含有约65％-85％(重量)有机物质。用本发明可成功地生产铁块，使用的生物质附加材料约是小球或其他聚合团块物质的氧化铁的20％-30％(重量)，基本上可把氧化铁全部还原为铁。磁铁矿(Fe₃O₄)和赤铁矿(Fe₂O₃)都可通过本发明来成功地还原为金属铁。得到的金属铁的含碳量在约2％至约4％的范围内；生铁产物的含铁量高达约4％(重量)。常规方法生产的生铁含铁量平均为约92％-94％，其余为碳和其他杂质。本发明生产的生铁耐腐蚀，容易运送，是炼钢的良好原料，可以在电炉再熔化或者替换了氧气顶吹转炉中的铁屑。

本发明也可以用任何一种熔炉以工业规模生产生铁块，所述熔炉包括转底炉、竖炉或浴炼炉。除了电热阻炉之外，也可以使用其他类型的熔炉，例如感应加热炉，它是利用了导电物质的交变磁通量来产生热，或者通过电弧炉等其他方式。如上文已经提到，熔炼所需要的热由转化过程作为还原剂的物质另外提供，而把氧化铁转化为游离金属铁的还原能力由碳氢化合物或碳水化合物聚合物提供，这些碳氢化合物或碳水化合物聚合物是组成小球、煤饼或其他聚合团块的粘结物质的一部分。

在本发明之前，炼铁工业不能够利用大量的生物质和可循环的有机物质(例如可循环的合成塑料树脂)来熔炼铁矿石，而这些物质现在被本发明充分利用。

本发明有许多优点和好处。因为还原剂来自于可再生资源，所以本发明的方法长期而言都不会纯增加大气的二氧化碳。还原剂也可以在炼铁设备附近的当地产生，不需要长途运输。此外，还原剂的含氢量有助于还原金属氧化物。本发明的氢气不与大气氧反应而消耗，本发明的氢气是用来还原金属氧化物的。本发明的还原剂不是主要热源。如上所述，可通过任何方便的形式提供外热。这使得选择还原剂完全基于它们作为还原剂的性能而不用考虑它们的热值成为可能。另外，热源也可以优化，选择热源时只需基于它们的热效率而不用考虑它们是否能够把氧化铁还原为金属铁。这使得本发明的方法比现在使用煤、焦炭、木炭为还原剂和加热燃料的方法更有效率。

另一个好处是许多生物质具有粘结性质，这些生物质用作粘结剂把铁矿石和还原剂粘结在一起，成为一团粘结物质再作处理。因此，不必使用无机粘结剂，例如膨润土，这些无机粘结剂会污染铁矿石并导致炉渣量增加。此外，大部分生物质中无机化合物含量低，所以产生的炉渣量比含有较多无机物质的还原剂如煤或焦炭要少。

本文引用的全部文献纳入作为参考，以致于它们在本发明的上下文内可以再现。

本发明结合以下实施例会更容易理解。

实施例1

把精铁矿石与磨细的木材混合，其中所述精矿石包含来自Ishpeming MI的帝国矿山(Empire mine)的磁铁矿石(Fe₃O₄)，由90％通过25μm筛网的微粒组成，并含有5％二氧化硅，所述木材包括

木屑，长度平均约1英寸，厚度约1/8英寸，湿度约5％，由Carbontec，Energy Corporation of Bismarck ND提供。木屑在杆磨机干燥研磨，通过4.75mm筛。因为磨细的木材没有足够的粘结力以形成粘结物质，所以加入小量小麦粉作为粘结剂。分别称重磁铁矿石、磨细的木材和小麦粉，在高速搅拌机内搅拌在一起，搅拌机加湿以产生薄薄的湿气，直至混合物开始结集成团块。然后，混合物形成小球，含有约25g精铁矿石和约7.5g磨细的木屑和小麦粉，结果还原剂重量约是磁铁矿石的30％(重量)。形成聚合团块的小球直径平均约2

cm，在105℃干燥，放置在图1和图2所示的粘土石墨坩埚内，该坩埚含有由石油焦炭组成的耐火支持座，用于支承小球但其本身不会消耗，也不进入反应。形成聚合团块的小球在约1475℃的温度下加热25分钟。冷却后，产生的金属铁很容易与有粘结性的炉渣分离。

实施例2

在4个实验中用磁铁矿石生产金属铁，其过程与实施例1基本一样，但加热温度下降到1425℃和1400℃。进料混合物由大约100g磁铁矿石、30g磨细的木材和2g小麦粉组成。把组合后的混合物分成4份，形成各含25g磁铁矿石、7.5g磨细的木材和0.5g小麦粉的聚合团块。当加热时间至少有20分钟，可得到良好的金属铁产物。

实施例3

在第三次运行中，进料混合物由大约100g磁铁矿石、20g磨细的木材和2g小麦粉组成。把组合后的混合物分成4份，形成各含25g磁铁矿石、5g磨细的木材和0.5g小麦粉的聚合团块。然后，在1375℃至1425℃的温度范围内加热各个小球。在熔炉加热后，得到良好的金属铁块产物。

实施例2和3得到的结果列于下表1中。

表1

“初始小球重量”一栏是包括磁铁矿石还原剂和粘结剂在内的各个小球的总重量。估计的铁回收率百分比是基于产生的原金属铁的重量，不包括炉渣所含的小金属珠的重量。结论是，在所采用的熔炉条件下，最小需要20分钟完成还原过程以及把金属铁与炉渣成功地分离。

用较少量磨细木材生产铁块，其铁回收率与用较多量木材生产铁块的铁回收率相比稍微有所下降，这表示20％的木材含量不足以把熔炉内的全部氧化铁还原为金属铁。也发现，温度低至1375℃也能成功地生产金属铁。生产得到的铁块的平均表观密度为7.3g/cm³，比目前用煤粉和铁微粒的混合物生产的直接还原铁的密度大，与鼓风炉生产的生铁差不多。碳的含量约4％。

实施例4

在另一次运行中，包含小球的聚合团块组成如下：50g磁铁矿石和20g聚丙烯树脂。混合后，把混合物放在微波炉内加热以使聚丙烯熔化，然后彻底地混合，分成两半，压制成2团紧密的物质，每团的直径约2cm，接着冷却，硬化。在第二次试运行中，用20g小麦粉和小量水代替聚丙烯，制成足够硬的料团。揉捏该混合物并使其形成2个直径约2cm的小球，然后加热至100℃，直至干燥。

对两种组成的小球作如下处理：粘土石墨坩埚设有由焦炭粒(碳)组成的耐火支持座，以适当地支承料团，如图2所示。坩埚放在已被加热至1475℃的电加热箱形炉内(图1)。载有形成聚合团块的小球的坩埚留在炉内20分钟，然后取出，自然冷却至室温。产生的金属铁产物是高密度金属铁体28，含有大部分原本存在于氧化铁有机聚合块中的铁，多孔低密度炉渣含有大部分杂质，容易从产生的金属铁体表面分裂出来。

实施例5

按照实施例2的方式还原铁矿石，除了在另外的产品运行中使用以下还原剂代替磨细的木材：纸粒、纸浆、纤维纸厂废污泥、磨木浆、干甜菜废浆、修剪下来的草、可循环和可再生的塑料树脂、小麦粉、玉米粉、剁碎稻草、玉米杆、锯木厂废弃物、干消费后有机废物、干污泥、泥炭、淀粉、麸质、木素、生产酒精得到的固体残余物、糖蜜和柳枝稷。

本文提到的所有数量是按份给出或者以重量百分比计。

一旦理解了上述原则，对本发明作许多落在所附权利要求书范围内的变型对本领域技术人员是显易而见的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用单一热处理步骤从氧化态铁直接生产金属铁产物的方法，所述方法包括如下步骤：

提供氧化态铁微粒来源，

提供还原剂，所述还原剂包括至少一种选自生物质、塑料树脂物质及其混合物微粒的物质，所述物质是未碳化状态，

把所述还原剂与所述氧化态铁放在一起，形成一团组合物质，

把所述组合物质放置在还原熔炉内，所述生物质或塑料树脂物质保持未碳化状态，

对放在所述还原熔炉内的所述组合物质进行充分加热，使得通过从所述被加热的还原剂释放出来的组分的直接作用，所述还原剂还原氧化态铁，

从而在所述熔炉内生产金属铁产物体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供至少一种铁矿石作为至少部分所述氧化态铁的步骤，所述铁矿石选自磁铁矿石、赤铁矿石或褐铁矿石。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物质和所述塑料树脂物质被放置在熔炉内，它们基本上不含有游离碳，所述组合物质在所述还原熔炉内被充分加热至足以使所述还原熔炉内的所述生物质和所述塑料树脂物质释放出氢和游离碳，以此通过所述还原剂的直接作用还原所述氧化态氧化铁。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组合物质被放置在所述还原熔炉之前形成分离的坯体，所述坯体选自小球、煤饼、碎片、团块及其组合。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在对所述组合物质加热之前，把所述组合物质与粘结剂混合以使所述微粒相互粘结在一起。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述塑料树脂物质是基本上不含氯的塑料树脂。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组合物质被分成分离的坯体，所述坯体在所述还原熔炉内被充分加热，形成金属铁体和炉渣，所述方法包括把所述炉渣与所述金属铁体分离开来。

8.一种通过权利要求1所述的方法生产的生铁。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

使所述组合物质形成分离的坯体，所述坯体选自小球、煤饼、碎片或团块或其组合，

提供作为所述氧化态铁的铁矿石微粒，

所述组合物质包括铁矿石微粒和还原剂，在所述还原熔炉内加热，得到生铁产物体，以及

从所述熔炉取出所述生铁产物体，并与炉渣分离。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

所述氧化态铁包括铁矿石微粒，

所述组合物质形成至少一种选定的坯体形式，

所述至少一种坯体被支撑在所述熔炉内包括耐火材料的耐火床上；

所述至少一种坯体在所述熔炉内被加热到至少约1300℃的温度，在所述还原熔炉内直接形成金属铁产物体，把所述金属铁产物体从所述熔炉取出后不必作进一步热处理。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择的所述生物质具有粘结性质而用作粘结剂，使所述组合物质粘结在一起，形成分离的坯体。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组合物质包括熔炼熔剂，改善炉渣和金属的熔化性质。

Claims (24)

1.一种从铁矿石生产金属铁的组合物，包括由铁矿石微粒和还原剂微粒组成的混合物形成的一团物质，所述还原剂选自生物质和塑料树脂物质粒子或其混合物，该团物质的选定形状适合在熔炉内被熔炼以生产金属铁。

2.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，该团物质是包括小球、煤饼、碎片或团块的粘结物质。

3.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述还原剂粒子的粘性较差，在该团物质中存在粘结剂以把各微粒相互粘结在一起。

4.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，该团物质包括约60％至约90％(重量)铁矿石。

5.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述铁矿石选自磁铁矿石、赤铁矿石或褐铁矿石。

6.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述塑料树脂物质是基本上不含氯的塑料树脂。

7.要从铁矿石生产金属铁，把铁矿石微粒与还原剂微粒混合形成一团粘结物质，其中所述还原剂选自基本上不含游离碳的生物质和塑料树脂粒子或其混合物，该团物质形成坯体，在熔炉内被熔炼以生产金属铁。

8.如权利要求7所述的组合物，其特征在于，该团物质是包括小球、煤饼、碎片或团块的粘结物质。

9.如权利要求7所述的组合物，其特征在于，所述还原剂粒子的粘性较差，在该团物质中存在粘结剂以把各微粒相互粘结在一起。

10.如权利要求7所述的组合物，其特征在于，该团物质包括约60％至约90％(重量)铁矿石。

11.如权利要求7所述的组合物，其特征在于，所述铁矿石选自磁铁矿石、赤铁矿石或褐铁矿石，并包括约65％至约85％(重量)该团物质。

12.一种从铁矿石生产金属铁的方法，所述方法包括如下步骤：

提供铁矿石微粒，

提供还原剂微粒或还原剂流体，把所述还原剂与所述铁矿石微粒混合，形成一团物质，所述还原剂选自生物质和塑料树脂粒子或其混合物，

把熔炉内的该团物质加热至一温度，所述温度足以把所述铁矿石还原为金属铁并使铁熔化，由此铁形成至少一种金属铁体和炉渣。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述炉渣随后与所述金属铁体分离。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该团物质被加热到至少约1300℃的温度。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该团物质是形成聚合团块的粘结物质，所述聚合团块包含直径约1/2至4cm的小球。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述还原剂和所述铁矿石与粘结剂混合，把该团物质内的微粒相互粘结在一起。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该团物质是形成直径约1/2至约21/2cm的坯体的粘结物质。

18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供磨细的磁铁矿石、赤铁矿石或褐铁矿石微粒作为所述铁矿石微粒的步骤。

19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该团物质是由形成聚合坯体的微粒组成的粘结物质，所述坯体放在熔炉内支持所述坯体的耐火材料上。

20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供一种物质作为所述生物质的步骤，所述物质选自纸、纸浆、纤维纸厂废污泥、磨木浆、小麦粉、玉米粉、干甜菜废浆、修剪下来的草、剁碎稻草、玉米杆、锯木厂废弃物、干消费后有机废物、干污泥、泥炭、淀粉、麸质、木素、生产酒精得到的干蒸酒谷物和固体残余物、糖蜜、柳枝稷、以及包括碳氢化合物的塑料树脂物质，其中所述碳氢化合物包括聚丙烯塑料树脂、聚乙烯塑料树脂、聚氯乙烯塑料树脂或其混合物。

21.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述生物质是以下物质：纸、纸浆、纤维纸厂废污泥、磨木浆、小麦粉、玉米粉、于甜菜废浆、修剪下来的草、剁碎稻草、玉米杆、锯木厂废弃物、干消费后有机废物、干污泥、泥炭、淀粉、麸质、木素、生产酒精得到的干蒸酒谷物和固体残余物、糖蜜、柳枝稷，所述塑料树脂物质选自聚丙烯塑料树脂、聚乙烯塑料树脂、聚氯乙烯塑料树脂。

22.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括把该团物质放置在耐火材料支撑床上。

23.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括把该团物质放置在耐火材料支撑床上，所述支撑床包括粒状耐火材料形成的活动粒子。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，该团物质被放置在耐火材料上，所述耐火材料包括氧化铝和氮化硼、莫来石和氧化锆、碳粒或石墨。

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