CN113631726A - 通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品的方法 - Google Patents

Abstract

通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品的方法。

Description

通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品的方法

技术领域

这里描述的实施例涉及一种通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品的方法，以及在该方法中使用聚合物材料。

背景技术

众所周知，钢铁方法通过熔化消费后的铁质材料来生产金属产品。

这些方法通常提供由三个宏观步骤组成的热循环：

-预热铁质材料；

-熔化铁质材料，得到熔融金属材料的熔池；

-精炼金属材料，得到最终的熔融金属产品。

在这些步骤的上游和下游，通常分别提供铁质材料的供应和熔融金属产品的铸造。

众所周知，铁质材料从固态到液态的转变发生在高温下，根据所使用的铁质材料的类型而有所不同，通常在数百到数千度的数量级摄氏。

在这些方法中已知使用电弧炉来提供热量并因此提供引起这种转变所需的热能。

例如，电弧炉包括坩埚和电极，坩埚中装有待熔化的铁质材料，电极可以是可变类型的，例如石墨，可以按照炉子的不同配置以可变的方式布置。

例如，坩埚炉的功能是基于坩埚内部电极之间的电弧的点燃，通过不同的机制与铁质材料相互作用。

电弧可以达到数千度的极高温度，例如甚至可以达到11000℃，为铁质材料提供必要的热能，使其转变为液态并重新定义其化学性质-物理特性。

根据配置和运行机制，已知有不同类型的电弧炉，例如包括单相炉、三相炉、直接电弧炉、间接电弧炉、电阻电弧炉。

也已知使用电弧炉坩埚内的燃烧器来触发燃烧过程，为铁质材料提供额外的能量和热量，促进相转变为液态。

在这些情况下，在预热和熔化铁质材料的步骤中，电弧和燃烧器的共同作用产生热量。通常，燃烧器可配置为喷枪，将氧气和燃料的组合流直接引入坩埚，例如油衍生物、焦炭衍生物、焦炭粉尘、氢气、天然气、合成气。

众所周知，这些钢铁工艺中的一个关键参数是最终金属产品的钢种。

特别是已知在合金金属材料的精炼中，提供了碳源的使用，适合于产生能够还原存在于合金金属材料熔池中氧化铁的还原剂。

通常，碳源可以包括传统化石资源、无烟煤、MET-焦、PCI(煤粉注入)、GPC(绿色石油焦)。

举例来说，碳源可以与氧反应生成碳氧化物，包括一氧化碳。

然后一氧化碳可以与氧化铁反应，将它们还原，从而获得金属铁。

这些反应可以以不同的方式发生，并根据发生的条件涉及不同的化学物质。

例如，在900-1100℃之间的温度范围内，可以发生FeO还原为金属Fe，而在较低温度下，可以发生具有高氧化数的铁氧化物(例如Fe₃O₄和Fe₂O₃)的还原反应，产生氧化数较低的氧化铁(例如FeO)。

众所周知，在某些情况下，根据需要，碳源也可以作为预热和熔化步骤的燃料。

因此，这些方法的第一个缺点是产生还原剂以及预热和熔化步骤中的燃烧需要使用化石燃料的衍生物，从而产生缺点。

例如，虽然焦炭是一种很好的燃料，具有大约26MJ/Kg的热值，但它具有与提取过程和加工厂(例如焦化厂)的成本和环境影响相关的缺点。

众所周知，这些化石燃料通常含有硫或氮化合物，它们在燃烧后会将污染物质释放到大气中。

如果将天然气和/或甲烷用作燃料和/或碳源，也存在缺点。

事实上，天然气虽然具有出色的热值，高于30MJ/m³，并且硫基污染物的存在减少，但其提取成本高，并且在运输方面存在缺陷。

例如，这些缺点可能与天然气管道的可用性和/或将气体液化以在LNG运输船中运输并随后对其进行再气化的需要有关。

替代碳源的使用也是已知的，因此可以减少引入过程中的化石源的量。这些替代来源可以减少处理的碳量，但也有明显的缺点，具体取决于所用材料的类型。

例如，从文件US-B-5,322,544中，已知使用ELT(报废轮胎)，即去除了纺织/钢纤维制成部分的碎轮胎，作为无烟煤的替代品，并根据尺寸进行吹气。它的热值与无烟煤不同，碳含量较低，有利于氢的百分比。但是，由于硫是硫化橡胶，因此存在与硫的存在相关的各种问题。鉴于与硫化合物(如SO₂)或三元酸(如H₂SO₄)的形成有关的问题，这限制了使用这种碳源的可能性。

从文件US-A-2019/0046992中还已知使用ASR(汽车碎屑)作为化石来源的替代品。ASR是所谓的ELV(报废车辆)在去除可回收部分(例如安全气囊、电池、车轮、安全带)后粉碎的一小部分。它的大小不一，粉碎或压成块状，可用于代替无烟煤，但这种做法有明显的缺点。特别是，它的热值低于无烟煤(15-25MJ/kg)，它的灰渣含量(10-25％)、重金属和化学成分都非常高，而且不是恒定不变的。以下是具有相同ASR大小的多个样品的化学成分变化的示例：

所讨论的分析的强烈可变性使ASR在炼钢过程中的性能无效，因为不稳定的化学成分不能保证炉内性能的恒定。特别是，一些参数，例如灰渣的高含量存在，会对熔化过程的能源效率产生负面影响，因为它们会增加它们的特定消耗。此外，ASR的气化和挥发反应剧烈且快速，因此它们无法有效管理炉内的化学物质摄入量，并且无法通过烟气/面板的温度曲线达到由热量引起的未被熔池/废料吸收的峰值。此外，氯的百分比是不受控制的，因为目前没有已知的技术可以准确选择ASR中存在的每种元素，而且每种碎屑因车辆和典型的内饰而异。此外，鉴于与钢铁生产循环中二恶英/盐/盐酸的形成相关的重要性，氯的非恒定和/或受控存在限制了ASR的使用。这些影响损害了其作为传统化石资源替代源的优势，并意味着与焦炭相比，需要增加通过天然气和氧气进入熔池的能量输入，从而增加传统消耗。使用可能与MET焦炭混合的HDPE也可以从V.Sahajwalla等人的文件中得知，“在EAF炼钢中回收废塑料：HDPE焦炭混合物的碳/渣相互作用”，钢铁研究国际，VerlagStahleisenGmbh,杜塞尔多夫,DE,vol.80，no.8,2009年8月1日。该解决方案的缺点是HDPE的残留灰渣在27％到30％之间。因此，虽然使用HDPE可以为矿渣的发泡带来好处，但这种做法受到低热值和大量燃烧残渣(灰渣)的限制，在这种情况下，也增加了能源消耗熔炉。

文献CN-A-106350635描述了ELT和通用塑料废物的组合使用，粉碎并以组合方式使用，但是使用379kg/篮的通用塑料废物，406kg/篮的ELT和462kg/篮的焦炭具有技术/应用限制。由于ELT-塑料废料混合物的化学限制，这种混合物的使用也仅限于炉渣的唯一发泡效果。特别是，使用ELT的一个问题在于硫的百分比，按重量计甚至高于1％。

US-A-2011/0239822描述了在铁合金生产过程中使用碳源和含碳聚合物，后者包含一种或多种类型的橡胶(合成或天然)和其他聚合物，例如PP、PS、聚丁二烯苯乙烯和APS，使炉渣膨胀。源自这种做法的技术限制在于，发泡效果没有其他额外的好处，并且不可能用超过60％的碳源和含碳聚合物代替所用的焦炭/无烟煤混合物。

因此，需要完善使用电弧炉的钢铁工艺，从而提供一种通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品的方法，可以克服至少一个现有技术的缺点。

特别地，本发明的一个目的是提供一种方法，该方法消除或至少减少在使用电弧炉的钢铁工艺中供应来自化石源材料的需要。

本发明的另一个目的还在于提供一种降低与化石资源的生产、加工和燃烧相关的能源成本的方法。

本发明的另一个目的是降低与燃料和/或使用电弧炉的钢铁工艺中的燃料源供应相关的成本。

本发明的另一个目的是减少使用铁炉的炼钢工艺对环境的影响。

本发明的另一个目的是增加适用于使用电弧炉的钢铁工艺中的燃料和/或碳源的可用性。

本发明的另一个目的是提供燃料和/或碳源，其具有受控的化学组成，具有低比例的污染物质，例如基于硫和氯，减少上述实践中典型的污染排放。

本发明的另一个目的是提供一种燃料和/或碳源，该燃料和/或碳源的密度和形态特征适合通过燃烧器和/或引入喷枪引入本发明的电弧炉中。

本发明的另一个目的是提供一种聚合物产品，其可以甚至完全替代所使用的传统碳源，例如无烟煤。

本发明的另一个目的是提供一种具有恒定特性的受控碳和氢源，旨在稳定钢铁工艺并克服由于使用化石源替代品而产生的现有技术状态的限制。

申请人已经设计、测试和实施本发明以克服现有技术的缺点并获得这些、其他目的和优点。

发明内容

本发明在独立权利要求中阐述和表征。从属权利要求描述了本发明或主要发明构思变体的其他特征。

根据上述目的，本发明的实施例涉及一种从铁质材料开始，通过电弧炉生产金属产品的方法，包括：

-通过所述电弧炉的电弧和燃料燃烧的联合作用预热和熔化所述铁质材料，其中，所述铁质材料转变为熔融金属材料；

-精炼所述熔融金属材料，通过由碳源产生的还原剂的作用将其转化为熔融金属产品；

其中，聚合物材料至少部分地用于替代用于所述预热和所述熔化的所述燃料和/或用于所述精炼的所述碳源，本发明也设计聚合物材料在通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品中的应用，包括：

-通过所述电弧炉的电弧和燃料燃烧的联合作用预热和熔化所述铁质材料，其中，所述铁质材料转变为熔融金属材料；

-精炼所述熔融金属材料，通过由碳源产生的还原剂的作用将其转化为熔融金属产品；

其中，聚合物材料至少部分地用于替代用于所述预热和所述熔化的所述燃料和/或用于所述精炼的所述碳源，

根据一些实施例，上述聚合物材料是来自垃圾或回收的废物，特别是来自家庭、城市和/或工业废物。

根据一些实施例，上述聚合物材料包括以下两种或更多种：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚合物对塑料(PET)、高聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)或它们的组合。

根据一些实施例，对于在105℃下干燥4小时后的干燥样品，上述聚合物材料具有不低于30MJ/Kg的热值。

根据一些实施例，上述聚合物材料包含至少大于干样品重量50％的聚合物部分。

根据一些实施例，根据CNR IRSA 2Q64 Vol.1 2 1984方法或其他等效的公认国际标准评估，所述聚合物材料在550℃下具有低于8％的灰渣残留物上述聚合物材料在550℃下具有低于8％，特别是低于7％，更特别是低于6％，甚至更特别是低于5％的灰渣残留物。例如，灰渣残留物的含量可以在2.5％至8％之间，特别是2.5％至7％之间，更特别地2.5％至6％之间，更特别地2.5％至5％之间。

根据一些实施例，对于在105℃下干燥4小时后的干燥样品，上述聚合物材料包含不高于2％的氯含量。

根据一些实施例，根据DIN 51724-3(2012-07)方法或其他等效的公认国际标准，上述聚合物材料包含不高于5000mg/kg的硫含量。

因此，申请人开发了一种与现有技术显著不同的聚合物材料，特别是用于冶金炉，例如电弧炉。

特别地，为了获得这里使用的聚合物材料，选择的聚合物流可以例如由以下两种或多种形成：含量大于50％的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)或它们的组合,首先经过去除污染物的过程，如包括氯/重金属的外来馏分和聚合物(例如PVC)不适用于钢铁工艺，例如通过光学读取器的作用或在空气/水中浮选。这可以克服高百分比的硫、氯和灰渣导致的技术限制。由于上述聚合物基质的选择，还可以从根本上增加热值，使其不低于30MJ/Kg，有利地甚至远高于35MJ/kg。再者，通过上述选择制成聚合物材料，使其化学成分保持恒定，保证了EAF炉性能的连续性。

因此，通过使用如上所述有利地选择的聚合物流来获得这里描述的聚合物材料，有可能有利地获得低百分比的氯、硫、残留物(灰渣)、高低热值和恒定的化学成分，以及此处描述的相应优点。

有利地，在一些实施例中，在此描述的实施例中使用的聚合物材料被致密化，即，它受到致密化。此处，在本说明书和权利要求中，术语致密化是指可归因于附聚、聚集、挤出、造粒、均化和拉伸的任何体积减少过程，从而获得具有可追溯到煤球、附聚物、薄片、球团、聚结物、致密产品。致密化允许获得已均质化的致密聚合物材料。致密化允许消除气态夹杂物，从而减少在电弧炉的后续处理步骤中有害的气态物质的排放，降低湿度，并增加聚合物材料的密度和分层。特别是聚合物材料的致密化操作的结果，可以使CO和H₂逐渐可控地挥发，从而使聚合物材料在电弧炉中的停留时间更长，防止熔化周期早期的剧烈气化.一个直接的后果是热能的逐渐释放，可以由EAF处理，而不是在面板/烟雾上消散；这可以提高流程的效率。

与提供HDPE和焦炭或ELT的混合物的其他做法不同，塑料和焦炭或塑料和ELT的混合物，如此致密的聚合物材料允许替代，甚至完全替代通常使用的焦炭/无烟煤，因此具有替代比率甚至可以达到1:1。此外，致密化后，CO-H₂的持续和逐渐释放，除了使炉渣发泡外，还可以获得两个同样重要的效果：一是熔池的保护作用，二是铁合金的置换作用。通常，事实上，在现有技术中，CO-H₂的猛烈释放和熔池中的低持久性，不允许在熔炼循环期间对熔池中钢的确定元素百分比进行均匀保护，例如，取决于生产的钢的类型，Cr、Fe、Si。这种特性是现有技术中使用的非致密和/或粉化产品的典型特征，其用途仅限于矿渣的发泡，仍然需要使用装入篮中和/或注入的无烟煤；因此，在现有技术中，实际上不可能完全替代焦炭。相反，在本发明中，由于致密的物理形式，致密的聚合物材料长时间保留并逐渐释放CO-H₂，防止待保存在熔池中的典型元素氧化，从而达到保护作用。因此，由于不再需要对炉渣中被氧化的元素进行脱氧，从而可以减少铁合金的使用，因此聚合物材料实际上可以替代它们。

因此，与现有技术相比，电弧炉中熔化过程的效率提高成为可能，这要归功于这里描述的聚合物材料的使用。使用此处描述的聚合物材料与现有技术的区别总结如下：

-降低硫和氯的百分比；

-热值增加；

-降低灰渣百分比；

-化学成分的稳定性；

-以致密形式使用聚合物材料，其中致密确保在熔池中逐渐挥发；

-铁合金的保护作用和替代作用；

-能量转移到废料的效率；

-完全更换无烟煤和通常使用的注射粉的可能性，从而能够达到甚至1:1的更换比。

申请人还发现使用根据本发明的聚合物材料作为通过电弧炉从铁质材料出发生产金属产品方法的稳定剂，特别是注意到一些通过使用此处描述的聚合物材料，钢材的关键性能指标(KPI)具有降低的可变性。

附图说明

本发明的这些和其他方面、特征和优点将通过参考附图作为非限制性示例给出的一些实施例的以下描述而变得显而易见，其中：

图1为本发明实施例聚合物材料样品的热值分析结果；

图2为本发明实施例聚合物材料样品中氯含量的分析结果；

图3为本发明实施例聚合物材料样品中硫含量的分析结果；

图4通过框图示出了本发明方法的示例性实施例。

为了便于理解，在可能的情况下使用了相同的附图标记来标识图中相同的共同元件。应当理解，一个实施例的原件和特征可以方便地结合到其他实施例中而无需进一步说明。

具体实施方式

我们现在将详细参考本发明的各种实施例，其中一个或多个示例在附图中示出。每个实施例都是通过说明本发明的方式提供的，不应被理解为对本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可以用于其他实施例或与其他实施例相关联以产生另一实施例。应当理解，本发明应包括所有此类修改和变体。

在描述这些实施例之前，我们还必须澄清，这里使用的措辞和术语仅用于描述的目的，并且不能被认为是限制性的。

除非另有定义，本文和下文中使用的所有技术和科学术语与具有本发明所属领域的普通经验的人通常理解的含义相同。即使在本发明的实践和试验中可以使用与这里描述的方法和材料类似或等效的方法和材料，以下方法和材料作为示例进行描述。在发生冲突时，以本申请为准，包括其定义。材料、方法和实施例仅具有说明性目的，不应被限制性地理解。

除非另有说明，所有指示的百分比和比例均指总组合物的重量(w/w)。

除非另有说明，此处显示的所有百分比范围均假设总组成的总和为100％。

除非另有说明，此处报告的所有间隔应理解为包括极端值，包括报告两个极端值“之间”间隔的值。

除非另有说明，本描述还包括源自联合或重叠所描述的两个或更多个区间的区间。

除非另有说明，本说明书还包括可以从在不同点取的两个或更多个值的组合导出的区间。

申请人开发了一种聚合物材料，用于铁和钢的方法中，该方法通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品。

在一些实施例中，申请人开发的聚合物材料包括异质塑料材料的混合物。

在一些实施例中，异质塑料材料可源自废料、源自垃圾或源自回收，或源自原始材料，即并非源自回收、废物或垃圾。

例如，可以使用的异质塑料材料可以包括废物或回收的塑料材料，例如来自生活、城市和/或工业垃圾的异质类型并且可能具有高塑料含量。

废塑料材料可以包括，例如，生活材料的废物或回收、工业废物、包装、一次性塑料物品、一般塑料垃圾。

在一些实施例中，异质塑料材料还可以源自这些废塑料材料的回收方法。

特别地，作为非限制性示例，废塑料材料可以在特殊的处理或选择工厂中收集，并且可能被送到特殊的回收工厂，该工厂配备有进一步选择塑料的各种成分。

举例来说，在这些工厂中发生的典型分离是将可重复使用的废塑料材料(例如因为它们易于再次熔化并加工成新产品)和不可重复使用的废塑料材料，例如，因为如果经受新的热处理或化学处理，它们可以降解并可能碳化。

来自回收利用且适合新用途的塑料材料通常被称为再生塑料材料。

塑料材料、垃圾和/或二次原材料，通常包括多种化学结构可变的异质聚合物。

在一些实施例中，由申请人开发的聚合物材料因此包括所有形式的塑料和聚合物，作为非限制性示例，包括原材料、次级原材料、副产品、垃圾、或其组合。

在一些实施例中，聚合物材料可以包括至少一种热塑性聚合物，例如热塑性聚烯烃，或者热塑性聚合物的混合物，例如热塑性聚烯烃。

在一些实施例中，聚合物材料可以包括聚合物基回收塑料材料的混合物。

在一些实施例中，聚合物材料可以包括任何塑料聚合物，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对塑料聚合物(PET)、高聚乙烯聚合物(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)或它们的组合，有利地是，上述聚合物中的两种或更多种，或它们的组合。

在一些实施例中，聚合物材料包括聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的二元混合物。

除了这些塑料聚合物中的至少一种之外，聚合物材料还可能包括一种或多种弹性体，例如丁苯橡胶(SBR)和/或天然橡胶(NR)。

在一些实施例中，本发明的聚合物材料因此可包括聚合物部分，在一些实施例中，对于干样品和非聚合物部分，其百分比与聚合物部分基本互补，其可以按重量计高于50％、优选高于65％、甚至更优选高于80％的百分比存在。

有利地，聚合物材料的非聚合物部分可以包括异质材料，例如惰性材料，或适合为聚合物材料提供附加特性的材料，以保证其广泛的用途。

特别地，在需要特定特性或功能的钢铁操作中，在任何情况下在上述范围内使用具有低聚合物部分百分比的聚合物材料可能是有利的，这可以通过以下方式提供：包含在非聚合物部分中的材料。

另一方面，在需要高碳含量和/或高热值的钢铁操作中，在上述范围内的任何情况下使用具有高百分比聚合物部分的聚合物材料可能是有利的。

在这里和本说明书中，当提到热值时，我们总是指所谓的低热值(LCV)，通常通过从高热值(HCV)中减去燃烧过程中形成的水的汽化潜热来确定)。

事实上，在这些情况下，高含量的异质聚合物确保了聚合物材料中高比例的碳和氢。

由于碳和氢的这种高比例，聚合物材料适合用作燃烧反应中的燃料，在燃烧反应中，聚合物中所含的碳被转化为，例如，一氧化碳和/或二氧化碳。

在一些实施例中，包含碳和氢的高聚合物部分可与高热值相关联。

有利地，通过改变聚合物和非聚合物部分的百分比，可以调节聚合物材料的碳含量和热值。

在一些实施例中，根据UNI EN 15400规定或其他公认的等效国际标准，在105℃干燥4小时后的干燥样品，聚合物材料可以具有不低于30MJ/Kg的热值。

例如，图1显示了对聚合物材料五个不同样品进行五个热值分析的结果，其中可以观察到热值始终高于30MJ/Kg。

在一些实施例中，来自废塑料材料和/或来自垃圾的一些潜在不需要的物质也可能存在于聚合物材料的非聚合物部分中。

然而，申请人发现这些物质，即使存在，也构成聚合物材料的最小和可忽略的部分，并且不超过适用于钢铁工业产品的现行技术标准和法规。

例如，在一些实施例中，根据法规UNI EN 15408或其他公认的等效国际标准，对于在105℃下干燥4小时后的干燥样品，聚合物材料可以包含不高于2％的氯含量。

图2显示了旨在量化五个聚合物材料样品中所含氯比例的各种分析程序的结果。

可以观察到，在这些示例中，记录的氯比例的最大值约为13000mg/Kg，相当于1.3％的重量。该值低于立法规定的在钢铁工艺中使用材料的2％限制阈值。此外，图3显示了对五个聚合物材料样品进行的硫含量定量分析结果。

可以观察到聚合物材料如何包含非常低的硫含量，甚至为零。

例如，图4中的条形4显示了略高于1000mg/Kg的硫值，这对应于钢铁用途的硫含量限值的约五分之一。

一般来说，所有情况下的硫含量都低于5000mg/kg，这对应于钢铁用材料中硫含量的限值。

因此，在一些实施例中，聚合物材料可包含不高于5000mg/kg的硫含量，根据DIN51724-3(2012-07)方法或其他等效认可的国际标准，其对应于按重量计0.5％。

在一些实施例中，通过适当地选择聚合物材料，使其有利地包括以下两种或更多种：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE))或其组合，可以获得更有利的热值、氯含量和硫含量值，如下表所示，对上述选定聚合物材料的五个样品进行分析(所使用的分析方法)同上)：

因此，在一些实施例中，可以获得高于35MJ/kg的热值。

在其他实施例中，可以获得低于1％，有利地，低于0.6％的氯含量值。

在其他实施例中，可以获得低于1％，有利地，低于0.6％的硫含量值。

此外，在一些实施例中，如果需要，可以控制和调整本发明聚合物材料中存在的残余湿度的百分比。

有利地，可以根据需要改变残余湿度的百分比，从而使本发明的聚合物材料具有多功能性。

在一些实施例中，聚合物材料可以具有重量不高于10％，优选重量不高于2％的残余湿度。

聚合物材料还可以根据需要以可变的形状和尺寸进行整合。

例如，在一些实施例中，它可以成形为不同直径的球体、丸粒或颗粒，或薄片、致密的或甚至圆柱形、盘状或细长形状。

在一些实施例中，聚合物材料还可以被精细地切碎或粉碎，以例如通过高压或高速下的空气和/或气体流被拾取和移动。

例如，在一些实施例中，聚合物材料可以制成直径在0.1mm和10mm之间变化的颗粒，而在其他实施例中，这个范围也可以更宽，例如在0.1mm和300mm之间。

在一些实施例中，聚合物材料被致密化，即它经过了致密化操作，其中对碎片化的材料进行处理以获得致密化的材料，以改善其物理性能。

术语“致密化”是指由于附聚、聚集、挤出、造粒、均化、拉伸和塑化或其衍生物，例如“增稠剂”、“致密化”、“增塑剂”或“增塑”、“联合体”或“聚合物”等。这些过程中的每一个都可以理解为“致密化”，即一种过程，通过该过程，主要非均相混合物的聚合物部分，甚至是其中的一部分，达到熔点，从而使其增稠和均质化，例如由于热效应和摩擦产生的摩擦效应。在此和在以下描述中，也可以等效地使用术语“致密化”或其派生词，例如“致密化剂”或“致密化”，或术语“附聚”或其派生词，例如“附聚”和“凝聚剂”作为“增塑”或其衍生物的替代，如“增塑剂”或“增塑”。

在一些实施例中，可以使用挤出机，可能是双螺杆挤出机来进行塑化操作。

在一些实施例中，该操作可以例如通过将碎片聚合物材料通过料斗送入增塑剂中来进行，例如进入可以在可变温度范围内工作的挤出机，适合于熔化构成碎片化材料的材料。

冷却后，致密的聚合物材料可以在增塑剂出口处直接切割或切片到一定尺寸，例如通过剪刀，根据增塑剂出口截面和切割节奏，获得不同形状和尺寸的致密材料。

在一些实施例中，在冷却之后，致密的聚合物材料可以在特殊的破碎装置中进行破碎。例如，破碎可以是研磨，其通常可以通过磨机进行。

然后可以将致密的聚合物材料破碎成所需的尺寸，以获得所需碎片形式的聚合物材料，例如颗粒(granules)、颗粒(grains)、颗粒(particles)或类似的碎片形式，以下为简单起见称为颗粒。

在一些实施例中，致密聚合物材料的颗粒可具有介于0.01mm和300mm之间的尺寸。在可能的实施方式中，致密聚合物材料的颗粒可具有介于0.01mm和3mm之间的尺寸。在其他可能的实施方式中，聚合物产品的颗粒可具有介于3mm和10mm之间的尺寸。在其他可能的实施方式中，聚合物产品的颗粒可具有介于10mm和300mm之间的尺寸。

在一些实施例中，可以对致密化和碎片化的聚合物材料进行筛选以获得尺寸均匀的聚合物材料。

申请人根据本发明实施例所描述的聚合物材料的特点，将本发明的聚合物材料用于通过电弧炉将铁质材料转化为金属制品的方法中。

本发明方法的实施例通过图4所示的框图来描述。

该方法最初提供铁质材料A的供应。

铁质材料可以包括任何含有合适量金属的任何材料，适合在电弧炉中熔化，例如金属废料或产品、铁基体材料、废料，特别是铁废料。

例如，铁质材料可以储存在仓库或废料场，或储存在仓库中。

将铁质材料以已知方式装入钢厂的电弧炉中，通过电弧炉生产以铁质材料为原料的金属制品。

铁质材料可以例如由装载设备装载，借助于一个或多个装料筐和/或借助于传送线，例如设置有传送带。

该方法还可以提供燃料B和/或聚合物材料的供应。

本身已知的燃料可包括天然气、甲烷和/或其他烃、油衍生物、焦炭衍生物、焦炭粉尘、各种尺寸的无烟煤、氢气、甲烷和/或合成气。

在一些实施例中，聚合物材料可用于至少部分替代燃料。

有利地，聚合物材料的高热值和低灰渣的特性允许其在燃料之外的有利用途，或至少部分替代燃料。

举例来说，通常使用的气态燃料(天然气)通常在3Nm³/吨到6Nm³/吨装载的废料(电弧炉中的金属装料)之间变化，而固体燃料通常用于现有技术例如，装料无烟煤、焦炭粉尘可以在装载废料重量的0.2％到2％之间变化。例如，可以引入0.2％至1.5％重量的固体燃料，特别是0.4％至1.3％之间。

此处，在本说明书和权利要求中，表述“替换比”或“质量替换比”或“重量替换比”是指可以去除的通用燃料和/或碳源的量从生产金属的过程中，用此处描述的聚合物材料代替它，与通常使用的固体燃料和/或碳源的总量相关。例如，在通常使用的燃料(例如无烟煤)总量等于1000kg的过程中，可以将其完全去除并使用根据这里描述的实施例的聚合物材料，然后替换比例为1:1。否则，如果只能去除250kg，则替换比例为0.25。换句话说，我们因此指的是移除化石源数量/之前使用的化石源数量之间的比率，其中数量通常以千克表示，而化石源我们指的是通用燃料或碳源，具体取决于具体情况。

在一些实施例中，基于聚合物材料中存在的聚合物部分的百分比和所用燃料的类型、其物理形式、动力学用途及其在使用它的热力学系统中的反应性，通用燃料聚合物材料之间的替换比可以是可变。为了本说明书的目的，下文提供的定义适用于术语“替换比”。

在一些实施例中，在此描述的通用燃料和聚合物材料之间的质量替换比可以包括在0.2和1之间，优选地在0.5和0.99之间。

将聚合物材料引入到材料电弧炉的方式可以有所不同，例如根据所使用的电弧炉类型、聚合物材料的尺寸和更换的通用燃料。

在一些实施例中，聚合物材料可以与铁质材料一起直接引入到炉灶中。

在一些实施例中，聚合物材料可以通过机械运输方式直接加载到炉子中。

例如，机械运输方式可以包括传送带，可能与连续进料技术相结合，通过坩埚中的孔将聚合物材料直接送入电弧炉。

其他实施例可以规定聚合物材料与金属材料一起装入篮中。

在这些实施例中，聚合物材料的尺寸可以是可变的，优选地减小以促进混合。

在一些实施例中，可通过位于例如坩埚底部的引入枪将聚合物材料引入坩埚中。

在这些实施例中，聚合物材料可以制成合适的尺寸，以便气动运输和注射，例如适合在高压和高速下通过空气流或气体流移动。

可能地，聚合物材料可以通过允许具有氧气、聚合物材料和/或燃料，例如天然气和/或其他类型的化石燃料混合流的喷枪引入。

因此，本发明的方法提供了铁质材料的预热C，旨在通过燃料和/或聚合物材料的燃烧来提高铁质材料的温度。

在预热C期间，热量由电弧提供，例如甚至达到11000℃的峰值，以及通过燃烧氧气、燃料和/或复合材料的混合流的特殊燃烧器，或者也通过预热烟雾的方式。

提供热量可去除铁质材料中的湿气和挥发性组分。

有利地，在燃烧过程中使用聚合物材料可以获得与，例如，从天然气燃烧获得的热量相当或更高的热量，但具有明显更有利的生产成本、运输成本和可用产品的可用性，以及作为优化的能源性能。

有利地，包括在聚合物材料中的低残留湿气比例在铁质材料预热过程中促进湿气和挥发性成分的去除。

有利地，聚合物材料中所含硫和氯的低比例将燃烧后污染物排放到大气中的水平保持在低水平，例如二氧化硫和/或二恶英。

有利地，与化石燃料(特别是焦炭、无烟煤)相关的排放以及与传统燃料的替代源相比，与化石燃料的燃烧相关的硫和氯基污染物排放到大气中例如ELT和ASR。

铁质材料预热C后，提供铁质材料熔化D，在电炉坩埚内形成熔融金属材料熔池。

在熔化D中，铁质材料因此从固态转变为液态。

同样在熔化D中，至于预热，热量可以通过加热炉C的电弧和特殊燃烧器产生，这些燃烧器燃烧氧气、燃料和/或聚合物材料的混合流。

因此，与熔化D相关的操作细节以及与聚合物材料在此步骤中的使用、特性和使用模式相关的操作细节类似于上面关于预热C的描述。

在一些实施例中，考虑到相似性，预热C和熔化D可以形成旨在熔化的单个加热步骤，其中使用这里描述的聚合物材料。

在一些实施例中，铁质材料的供应A、燃料的供应B、预热C和熔化D可以循环进行。

例如，当铁质材料体积较大，完全填满电弧炉的坩埚时，可以将其部分熔化以减少体积，然后进行新的铁质材料的引入，直接进入熔池。

根据本发明，还提供了精炼E，其中将熔池的熔融金属材料转化为最终的金属产品。

精炼E通过合适的还原剂例如CO和H ₂的作用提供给钢所需的钢等级，还原剂可以由一种或多种合适的碳源产生。

在一些实施例中，由于碳和氢含量高，聚合物材料可用于至少部分替代碳源。

在图4描述的实施例中，与改进E平行，还提供了本发明的碳源F和/或本发明聚合物材料的供应。

典型的传统碳源可以包括，例如，无烟煤、MET-焦、煤粉注入(PCI)、GPC(绿色石油焦)或其他类型的化石碳源。

显然，参照供应燃料B的步骤所描述的操作细节和引入方式，在一些实施例中，也可以参照供应碳源F的步骤使用，在每种情况下可以采用不同的方式，根据到特定的需要。

在一些实施例中，在供应碳源F的步骤中，优选将聚合物材料注入炉渣下方，促进存在的氧化物的还原。在其他实施例中，通过机械运输方式将其与铁质材料一起装入筐中，和/或直接装入电弧炉。

例如，还原剂是通过碳源和/或聚合物材料在适当的动力学和热力学条件下与氧反应产生的。

通常，还原剂可包括一氧化碳和/或氢气。

在一些实施例中，一氧化碳可以由二氧化碳产生，或者由碳源和/或聚合物材料带来的碳产生。

例如，申请人已经证实，至少聚合物材料的聚合物部分，在高温炉的工作条件下，可以进行反应，由此产生一氧化碳和氢气。

如此产生的一氧化碳和氢气然后参与还原反应机制，例如氧化铁的还原反应机制，由此产生金属铁。

通常，用于生产中碳钢的碳源流在0.2％至1.5％之间，优选在0.5％至1.3％之间。

在一些实施例中，碳源和聚合物材料之间的质量替换比可以在0.1和1之间的范围内变化，例如在0.1和0.99之间，优选在0.5和0.75之间。

此外，在一些实施例中，在精炼E期间，熔池内的气体流，例如一氧化碳，允许降低氧化铁含量。

这种促进CO和H₂生成的操作与其他操作相结合，可能导致炉渣膨胀(发泡实践)，这是正确优化工艺所必需的。

熔池中存在的熔融金属材料，一旦达到所需的组成，就成为熔融金属产品。

随后，可以从熔炉中卸载或出钢G熔融金属产品。

举例来说，卸载或出钢G可以通过倾斜电弧炉的坩埚来实现，电弧炉的坩埚通常水平枢转，以允许熔融金属产品流出，例如流入钢包中。

申请人进一步进行了实验对比测试，一方面使用本说明书所述的聚合物材料，另一方面使用ASR(Automotive Shredded Residues)作为通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品中化石资源的替代品。

从下表中所示的实验数据，申请人惊奇地发现，这里描述的聚合物材料有利地作为通过电弧炉从铁质材料开始的金属产品的生产过程的稳定剂。

特别是，申请人发现，对于相同的边界条件，例如废料类型、电气和化学输入，在熔化和精炼周期结束时，钢的一些关键性能指标(KPI)似乎具有，使用这里描述的聚合物材料，减少了可变性。在对使用ASR进行铸件和其他铸件进行的分析下游，通过与此处描述的聚合物材料进行比较，下表中显示的数据是针对出钢时的碳含量(％C)和获得的检测温度(℃)。

因此，很明显，与使用ASR的工艺性能相比，聚合物产品的使用降低了钢的重要KPI的可变性，特别是出钢时的碳含量(％C)和检测温度(℃)参数。这些参数是基本的，因为在钢铁工业中，它们通常表明该过程是否有效，因此有限的或小的可变性被认为是非常有利的。

很明显，在不脱离本发明的领域和范围的情况下，可以对如前所述的方法进行修改和/或添加步骤。

还清楚的是，虽然本发明已经结合一些具体的例子进行了描述，但是本领域技术人员当然能够实现许多其他等效形式的方法，具有权利要求和权利要求所述的特征。因此，所有这些都属于由此定义的保护范围。

在以下权利要求中，括号中的参考文献的唯一目的是为了便于阅读：它们不得被视为对具体权利要求中要求保护范围的限制因素。

Claims (16)

1.通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品的方法，包括：

-通过所述电弧炉的电弧和燃料燃烧的联合作用预热(C)和熔化(D)所述铁质材料，其中，所述铁质材料转变为熔融金属材料；

-精炼(E)所述熔融金属材料，通过由碳源产生的还原剂的作用将其转化为熔融金属产品；

其中，聚合物材料至少部分地用于替代用于所述预热(C)和所述熔化(D)的所述燃料和/或用于所述精炼(E)的所述碳源，

其中，所述聚合物材料源自废物、垃圾或回收利用，特别是家庭、城市和/或工业废物，包括以下两种或更多种：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)或它们的组合，

其中，对于在105℃干燥4小时后的干样品，所述聚合物材料具有不低于30MJ/Kg的热值，

其中，所述聚合物材料包括大于干样品重量50％的聚合物部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中,所述聚合物材料源自或包括二次原塑料材料。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物材料包括至少一种热塑性聚合物，特别是，热塑性聚烯烃，或热塑性聚合物的混合物，特别是，热塑性聚烯烃的混合物。

4.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括供应燃料(B)的步骤和供应碳源(F)的步骤，其中，供应所述聚合物材料以至少部分替代所述燃料和/或所述碳源。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述碳源(F)的供应和/或所述燃料(B)的供应使得所述聚合物材料被精细地切碎或粉碎，以便被拾取和移动。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述碳源(F)的供应和/或所述燃料(B)的供应使得所述聚合物材料通过机械运输方式与所述金属材料一起装载到电弧炉中。

7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述碳源和所述聚合物材料之间的质量替换比在0.1和1之间的范围内，优选地，在0.1和0.99之间，甚至更优选地，在0.5和0.75之间。

8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述燃料和所述聚合物材料之间的质量替换比在0.2和1之间，优选地，在0.5和0.99之间。

9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述聚合物材料包括重量大于65％、优选重量大于80％的聚合物部分。

10.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，对于在105℃干燥4小时后的干燥样品，所述聚合物材料包括不高于2％的氯含量。

11.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述聚合物材料还包括一种或多种弹性体，特别是，丁苯橡胶和/或天然橡胶。

12.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，根据DIN 51724-3(2012-07)方法，所述聚合物材料包括不高于5000mg/kg的硫含量。

13.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述聚合物材料被致密化。

14.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，根据CNR IRSA 2Q64 Vol.1 2 1984方法评估，所述聚合物材料在550℃下具有低于8％的灰渣残留物。

15.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述铁质材料的预热(C)和熔化(D)构成所述方法的单个操作步骤。

16.聚合物材料在通过电弧炉从铁质材料开始生产金属产品中的应用，包括：

-通过所述电弧炉的电弧和燃料燃烧的联合作用预热(C)和熔化(D)所述铁质材料，其中，所述铁质材料转变为熔融金属材料；

-精炼(E)所述熔融金属材料，通过由碳源产生的还原剂的作用将其转化为熔融金属产品；

其中，聚合物材料至少部分地用于替代用于所述预热(C)和所述熔化(D)的所述燃料和/或用于所述精炼(E)的所述碳源，

其中，所述聚合物材料源自废物、垃圾或回收利用，特别是家庭、城市和/或工业废物，包括以下两种或更多种：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)或它们的组合，

其中，对于在105℃干燥4小时后的干样品，所述聚合物材料具有不低于30MJ/Kg的热值，

其中，所述聚合物材料包括大于干样品重量50％的聚合物部分。

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