CN109642261A - 用于生产铸铁的方法和设备、根据所述方法生产的铸铁 - Google Patents

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Abstract

利用电弧炉EAF从预还原铁矿石DRI开始生产铸铁的方法，包括以下步骤：a.制备预还原铁矿石DRI的装料，其具有高于90％的金属化并含有超过2.8％重量的碳，其中至少80％的所述碳与铁结合形成碳化铁Fe3C，b.将预还原铁矿石DRI装入电弧炉EAF，c.熔化DRI装料以形成液态铸铁，其中所述液态铸铁具有预定的实际碳含量，所述铸铁的至少80％重量的实际碳含量来自预还原铁矿石DRI的装料中的碳，并且其中步骤c在还原气氛和电弧炉EAF的熔化室中进行，经受由步骤c中产生的还原反应产生的气体产生的正内压。

Description

用于生产铸铁的方法和设备、根据所述方法生产的铸铁
技术领域
本发明涉及根据相对封闭的独立权利要求的前序部分的用于生产铸铁的方法和设备。
因此，本发明涉及的技术领域是钢铁的生产，其中广泛使用诸如铸铁的铁材料。
背景技术
在参考领域中，术语“铸铁”表示通常在高炉中生产的各种含铁材料，含有至少92％(重量)的铁和2.1％(重量)的碳和痕量的其他元素；随着时间的推移，铸铁已经成为钢铁行业真正的“商品”，作为生产优质钢的金属铁来源。
铸铁实际上用于电弧炉(以下简称EAF)，用于提供用于平衡通常引入EAF中的钢屑中所含的不需要的元素所需的一定量的铁：铸铁实际上有助于稀释在废料中以微量存在的铜和锡等残余元素；铸铁也有助于最小化EAF中铁水的氮含量。
铸铁也用于代替其他金属铁材料，例如高级钢废料或预还原铁矿石(也称为DRI，直接还原铁)。
铸铁是一种含碳量高的黑色金属材料，通常铸造成200mm×100mm×50mm的铸锭或其他形式的铸锭。
铸铁通常在高炉中生产，但是已知其它方法用于生产具有高碳含量的铁水。
铸铁有三大类：
-用于炼钢的基本铸铁，
-用于生产铸件(也称为板层)的灰铸铁，
-用于生产高强度铸件的球墨(或球状)铸铁。
这些类别的铸铁主要在硅和磷含量方面不同。
上述铸铁类别的典型分析如下表1所示：
表1
基本 灰色 球墨
Si <1.5％ 1.5-3.5％ 0.5-1.5％
C 2.1-4.5％ 3.5-4.5％ 3.5-4.5％
Mn 0.4-1.0％ 0.4-1.0％ <0.05％
P <0.12％ <0.12％ <0.04％
S <0.05％ 0.05％ <0.02％
如上所述，生产铸铁的方法是在高炉中进行的方法；这里没有描述这方面的细节，因为在高炉中制造铸铁是本领域技术人员公知的方法。
众所周知，高炉有一定的限制，然而：它们需要焦炭，它们具有相对较长的生产周期，并且最重要的是产生高CO2排放，这需要仔细控制和专门生产的装置，以符合环境法规的限制，这些限制越来越严格。
此外，高炉铸铁的生产量极难调节：事实上，经常(如果不是总是)停止高炉，则必须完全更换其耐火材料，随之而来的是一切其它的更换；结果是生产有限量的铸铁是困难的或非常不经济的。
已经开发了各种解决方案来部分地解决这些缺点。
例如，美国专利1,686,075描述了一种通过在900°-1,200℃的温度范围内的还原方法生产合成铸铁的方法，生产所谓的海绵铁。通过磁力分离将海绵铁从其脉石中除去；加入含碳材料并在电炉中在酸性条件下在1,100℃至1,300℃的温度下熔化。将合适量的硅、锰和其他元素加入熔融浴中以获得所需的组成。该解决方案的限制与以下事实有关：需要进一步添加含碳材料的操作，结果增加了该方法中使用的能量。
在美国专利3,165,398中描述了另一种解决方案，该专利公开了一种熔化海绵铁的方法，其中通过加入粉末状含碳材料逐渐降低熔化温度。通过熔炉的旋转缓慢且连续地搅拌进料。因此，在这种情况下，在熔融相中向海绵铁中单独添加碳，具有与前述基本相同的限制；此外，在炉子中连续搅拌的存在产生了进一步的限制，这是因为必须提供特别适合于该目的的权宜之计。
美国专利4,661,150公开了一种在电炉中生产液态铸铁的方法和设备，电炉中加入了金属化率高于60％的预还原铁矿石(DRI)，与来自还原过程的残余碳一起加入。然而，该解决方案具有限制，因为加入熔化炉的大部分含碳材料被消耗以完成剩余氧化铁的还原。
现有技术的其它解决方案，例如美国专利5,810,905和欧洲专利0871781中描述的那些，公开了在埋弧炉中熔化预还原铁矿石(DRI)，这在投资和运营成本方面更加昂贵。然而，这种解决方案被证明是相对有利的，因为这些熔炉在熔体上方有一层厚的熔渣，这在一定程度上保护了碳不被氧化。然而，这些溶液使用具有总体低金属化和/或低碳含量的预还原铁矿石或使用废料作为铁源，这带来了在熔化步骤期间必须引入诸如碳】硅和锰的元素的缺点，结果铁合金的成本较高，熔炉的铸造周期较长。
因此，从上面的讨论中可以看出，需要一种方法(和相关设备)，用于从铁矿石开始有效地生产用于制造钢或铸造产品的铸铁。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供一种生产铸铁的方法和设备，它克服了现有技术的缺点。
本发明的另一个目的是提供相对经济和实用的所述方法和设备。
本发明的另一个目的是提供允许也以减少的量生产铸铁的所述方法和设备。
本发明的另一个目的是提供所述用于使用电弧电炉从含有DRI的碳开始生产铸铁的方法和设备。
本发明的另一个目的是提供相对于通常为此目的采用的方法和设备，减少二氧化碳排放方面的环境影响的所述方法和装置。
本发明的进一步目的对于本领域技术人员来说是显而易见的，或者在本发明的详细描述中将变得更加明显。
通过根据本发明的方法和设备实现这些和其他目的。
本发明背后的思想是通过具有优选以碳化铁的形式存在的高碳含量的预还原铁矿石(DRI)生产铸铁。
这是有利的，因为以这种形式组合的碳以能量有效的方式保留在铁浴中；应该考虑的是，将碳作为游离碳提供给熔体意味着其在铁基质中的溶液的高能量成本。
更具体地，本发明提供了一种在设备中使用具有高碳含量的DRI作为铁源和碳来生产铸铁的方法和设备，该设备包括用于生产具有所需碳含量的铸铁的电弧炉EAF，具有众多技术和经济优势。
因此，本发明的第一个目的涉及一种从预还原铁矿石或DRI开始生产铸铁的方法，其中铁的金属化含量高于90％(重量)，并含有高碳含量；DRI在电弧炉或EAF中熔化以形成液态铸铁，并且铸铁的碳含量的调节主要源自所述DRI中包含的碳。
该专利的第二个目的涉及一种实现所述方法的设备。
该专利的另一个目的涉及用所述方法生产的铸铁。
下面详细描述方法、设备和/或铸铁的特征，并在以下权利要求中要求保护这些方法、设备和/或铸铁，这些权利要求应被视为本说明书的组成部分。
本文中引用的文献(包括先前列出的专利)以及本文引用的文献中引用或指出的所有文献均引入本文作为参考。
结合在本文中作为参考的参考文献或其中的任何教导可以用于本发明的实践中。
附图说明
参考附图1，本发明的结构和功能特征及其相对于已知技术的优点将从以下描述中变得显而易见，参考所附的图1，图1是示出了本发明的非限制性实施方案的示意性框图，示出了该方法的主要操作。
发明详述
为了首先在其一般特征中描述该方法，这用于使用包括电弧炉(EAF)的设备从预还原铁矿石(DRI)开始生产铸铁。
术语“铸铁”在本文和以下权利要求中是指任何类型的铸铁。
本发明的方法特征在于包括以下步骤：
a.制备金属化率高于90％并含有超过2.8％(重量)碳的预还原铁矿石(DRI)，其中至少80％的所述碳与铁结合形成碳化铁Fe3C，
b.将预还原铁矿石(DRI)装入电弧炉(EAF)，
c.熔化DRI装料以形成液态铸铁，
其中所述液态铸铁具有预定的目标碳含量，至少80％重量的所述铸铁的目标碳含量来自预还原铁矿石(DRI)装料中的碳，其中步骤c在还原气氛条件下和电弧炉(EAF)的熔化室中进行受到由步骤c中产生的还原反应产生的气体产生的正内压的影响。
预还原铁矿石(DRI)装料的碳含量(重量)的上限优选为6.5重量％。
在预还原铁矿石(DRI)装料中，通常高于90％重量的碳的大百分比优选与碳化铁Fe3C形式的铁结合；这避免了石墨形式的碳大部分会在炉渣中损失。
特别地，该方法在实施该方法的设备中进行，并且包括配备有熔化室的电弧炉(EAF)，其中电极是活性的。
其中DRI装料熔化的设备的熔化室受到轻微的正压力以防止或在任何情况下限制来自外部的空气入口，从而避免金属浴中存在的碳的氧化。
根据有利的任选特征，步骤a提供将所述DRI装料加热至高于400℃的温度，完全有利于熔化过程中的节能。
根据其他变体，任选地提供另外的步骤，
b1-为了调节碳含量，向电弧炉(EAF)中的预还原铁矿石装料(DRI)中添加含碳材料，
所述步骤b1在步骤b和c之间进行，与步骤b同时进行或与步骤c同时或在其下游。
根据其他变体，任选地提供另外的步骤d，用于排出EAF炉的内容物-在步骤c下游(之后)-进入转移浇包或容器。
还任选地提供附加步骤
d1.向所述转移浇包中添加含碳材料。
步骤b1或d1的所述含碳材料通常选自煤、焦炭、石墨或其混合物的组。
然后根据以下替代步骤之一将液态铸铁从浇包固化：
e.液态铸铁的造粒
f.将液态铸铁铸造成铸锭。
由此获得的铸铁是基础铸铁，除了铁之外，还包含以下重量百分比的元素：
碳2.1-4.5％
硅<1.5％
锰0.5-1.0％
硫<0.05％
磷<0.12％
在其他优选的实施方案中，获得的铸铁是灰铸铁或球墨铸铁。
如此生产的灰铸铁甚至更优选地除了铁之外还包含以下重量百分比的元素：
碳3.5-4.5％
硅1.5-3.5％
锰0.5-1.0％
硫<0.05％
磷<0.12％
如此生产的球墨铸铁甚至更优选地除了铁之外还包含以下重量百分比的元素：
碳3.5-4.5％
锰<0.5％
硫<0.02％
磷<0.04％
现在参照图1，其示出了根据本发明的生产铸铁的方法的优选实施方案的简化方框图，10总体上表示预还原铁矿石(DRI)的供应。
后者含有高于2.8％(重量)的碳百分比，优选范围是3％-6％(重量)，更优选4％-5％。
预还原铁矿石(DRI)装料的金属化至少为90％(重量)，优选至少为94％(重量)。
将DRI装料送入根据本发明的设备20，该设备包括待熔化的电弧炉。
含有碳的DRI可以在室温至500℃或更高(优选高达700℃)的温度下装入设备20的熔化室中，熔化过程的能量消耗显然会随着DRI的装料温度增加而降低。
使用现有技术中已知的装置，例如通过重力，借助于气动输送系统，通过设有用于保持与热DRI接触的惰性气氛的装置的机械输送装置，或在隔热容器(未示出，因为它们是本领域已知的)来实现装料。
然后将DRI装料在EAF中在至少高于1350℃，优选1,400℃至1,550℃的温度下熔化。
一旦完成该过程，炉子的内容物将从EAF中排出(出铁)(见26)。
应注意，带电材料(DRI)中的碳含量已经接近待生产的铸铁的目标含量。
可任选地通过添加另外的含碳材料来调节碳含量。
在第一实施方案中，该含碳材料24与DRI直接在设备的熔化室中混合。
可以使用的含碳材料24例如但不限于碳、焦炭、石墨或其混合物。
在第二实施方案中，作为第一实施方案的替代或与第一实施方案组合，随后将含碳材料30与熔融DRI混合，例如在转移浇包28中。
可以使用的含碳材料30例如但不限于碳、焦炭、石墨或其混合物。
这些添加是任选的，并且仅在要生产的铸铁的目标碳含量超过DRI的碳含量时才是必需的。
DRI的碳含量优选等于待生产的铸铁的目标碳含量，因此该方法明确地排除了在熔化室中和随后的碳的添加。
根据本发明，DRI装料中的碳含量与铁结合，优选主要以碳化碳Fe3C的形式。结合碳在电弧炉(EAF)中相对于使用“自由”碳提供了许多优点，可以以烟灰、煤、焦炭、石墨的形式添加：实际上，烟灰很容易被夹带在DRI熔化阶段的热气体中，煤带来了大量的杂质，其中在铸铁的最终成分中必须控制和消除硫，焦炭成本高，石墨作为高纯度碳甚至更贵。
因此很明显，在DRI中使用碳含量作为碳化碳Fe3C对于生产诸如铸铁的商品在经济上是方便的。
由此获得的液态铸铁的出钢步骤26设定在一定的温度，使其具有一定程度的过热，优选在1,400℃至1,550℃的范围内，也与预计将生产出的炉渣的熔点相关。
以这种方式，在转移浇包28中可以有足够的时间来调节所需的最终组成，以满足铸铁的最终用途的预定化学分析。
铁合金或焦化剂30也可任选地引入含有液态铸铁的转移浇包28中。
所述铁合金或焦化剂在现有技术中是已知的，因此在此不再进一步参考。
然后将液态铸铁32从转移浇包28中排出并铸造成铸锭36形式的成形容器34，或者可以通过本领域已知的方法将其造粒，从而形成最终的铸铁。
因此，实现了本发明的目的。

Claims (12)

1.利用电弧炉EAF从预还原铁矿石DRI开始生产铸铁的方法，包括以下步骤：
a.制备预还原铁矿石DRI的装料，其具有高于90％的金属化并含有超过2.8％重量的碳，其中至少80％的所述碳与铁结合形成碳化铁Fe3C，
b.将预还原铁矿石DRI装入电弧炉EAF，
c.熔化DRI装料以形成液态铸铁，
其中所述液态铸铁具有预定的实际碳含量，所述铸铁的至少80％重量的实际碳含量来自预还原铁矿石DRI的装料中的碳，并且
其中步骤c在还原气氛和电弧炉EAF的熔化室中进行，经受由步骤c中产生的还原反应产生的气体产生的正内压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预还原铁矿石DRI的装料含有至多6.5％重量的碳。
3.根据前述权利要求中一项或多项的方法，其中预还原铁矿石DRI装料中基本上100％的所述碳与碳化铁Fe3C形式的铁结合。
4.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其中步骤a提出将所述DRI装料在高于400℃的温度下装入炉中。
5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中提供另外的步骤：
b1.在电弧炉EAF中向预还原铁矿石DRI中添加含碳材料来调节碳含量，
所述步骤b1在步骤b和c之间进行，或与步骤b同时进行，或步骤c的同时或在步骤c下游。
6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中提供了另外的步骤
d.将步骤c的下游的EAF炉的内容物排入转运浇包或容器。
7.根据权利要求3所述的方法，其中提供附加步骤
d1.向所述转移浇包中添加含碳材料。
8.根据权利要求5-7中一项或多项的方法，其中含碳材料选自煤、焦炭、石墨或其混合物。
9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中提供以下步骤
e.液态铸铁的造粒
或步骤
f.在铸锭中铸造液态铸铁。
10.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其中所述铸铁是灰铸铁或球墨铸铁。
11.根据前述权利要求中一项或多项的方法生产的铸铁。
12.用于生产铸铁的设备，其特征在于，其实施根据权利要求1至10中的一项或多项所述的方法。
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