CN114096688A - 用铬铁矿制备低碳铬铁的方法和系统以及所制备的低碳铬铁 - Google Patents

Abstract

一种用铬铁矿制备高产量低碳铬铁的方法和系统以及采用该方法制备的低碳铬铁。在等离子电弧炉中加入给料化学计量混合物，包括废铝颗粒、石灰、硅砂、铬铁矿。废铝颗粒采用废弃铝制饮料容器制备。加热给料，铝颗粒中的铝发生放热反应将铬铁矿中的氧化铬和氧化铁还原，生成表面浮有熔渣的熔融低碳铬铁。提取熔融低碳铬铁，固化并制粒得到低碳铬铁颗粒。提取熔渣，固化并制粒得到渣颗粒。

Description

用铬铁矿制备低碳铬铁的方法和系统以及所制备的低碳铬铁

相关申请的交叉引用

本PCT申请根据《美国法典》第35卷第120条的规定要求获得2019年6月27日提交的美国第16/454,283号专利申请“用铬铁矿制备低碳铬铁的方法和系统以及所制备的低碳铬铁”的权利。上述专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

一般而言，本发明涉及合金形成，尤其涉及用铬铁矿制备低碳铬铁的方法和系统以及所制备的低碳铬铁。

说明书

背景技术

低碳铬铁(LC FeCr)是一种具有多种用途的细分产品。最常见的用途是在不能从高碳铬铁中引入碳的情况下“微调”钢包精炼炉中的高铬钢。低碳铬铁来源于铬铁矿，分为各种等级，其中碳、硅、氮含量各不相同。用铬铁矿制备低碳铬铁的工艺有多种，比如波伦法和双联法，用硅作还原剂以形成硅铬铁。用铝代替碳作还原剂，这样生产的低碳铬铁金属合金约含有70％的铬。但是，现有技术中用铬铁矿制备低碳铬铁的系统和方法在经济和环保方面还有很多有待改进之处。

因此，亟需一种经济、环保的用铬铁矿制备低碳铬铁的方法。而本发明的目的就是解决这一需求。

发明内容

一方面，本发明提供了一种用铬铁矿制备低碳铬铁的方法或工艺。所述方法/工艺主要是将废铝颗粒、煅石灰、硅砂、铬铁矿的给料混合物加入等离子电弧炉中。废铝颗粒来源于废弃的铝制饮料容器(以下简称“UBC”)。铬铁矿含有氧化铬和氧化铁。给料按化学计量比例提供，通过还原氧化铬和氧化铁形成低碳铬铁。给料在等离子电弧炉中被加热至大约1,650～1,850℃，铝颗粒中的铝作为还原剂产生放热反应，将铬铁矿中的氧化铬和氧化铁还原，生成表面浮有熔渣的熔融低碳铬铁。然后在等离子电弧炉中提取熔融低碳铬铁。

根据本发明方法的一个优选方面，所述方法还包括将等离子电弧炉中提取的熔融低碳铬铁粒化，形成低碳铬铁干颗粒。

根据本发明方法的另一优选方面，先将熔融低碳铬铁铸锭，然后粉碎，得到低碳铬铁干颗粒。

根据本发明方法的另一优选方面，所述方法还包括从等离子电弧炉中提取熔渣，然后粒化该熔渣，形成干渣颗粒。

根据本发明方法的另一优选方面，使用旋转圆盘制粒机粉碎提取的熔渣得到熔渣液滴，采用鼓风机进行低温、高容量鼓风冷却，将液滴淬火，使其凝结形成干渣颗粒。

根据本发明方法的另一优选方面，冷却气体为空气，所述方法还包括回收空气中的热用于干燥至少一种给料。

根据本发明方法的另一优选方面，冷却气体为氮气，所述方法还包括回收氮气中的热用于预热加入等离子电弧炉中的给料。

根据本发明方法的另一优选方面，向等离子电弧炉提供的氮气压力高于大气压力，以防止氧气进入等离子电弧炉。

根据本发明方法的另一优选方面，氮气经过加热，压力至少高于大气压力0.5英寸水柱表压。

根据本发明方法的另一优选方面，所述等离子电弧炉至少包括一个转移弧电极。

根据本发明方法的另一优选方面，所述方法是连续的。

根据本发明方法的另一优选方面，给料混合物是受控加入的。

根据本发明方法的另一优选方面，废铝颗粒的制备是通过将整包UBC打散然后粉碎，得到无铝固体和液体物质。分离出无铝固体物质，得到UBC碎片残渣。清洁UBC碎片残渣，得到干净的UBC碎片残渣。去除干净的UBC碎片残渣的涂层，得到无涂层的干净UBC碎片残渣。将无涂层的干净UBC碎片残渣加入熔炉或熔化器，制得熔融废铝。熔融废铝经固化并粒化形成废铝颗粒或拉成丝。将废铝颗粒或丝粉碎或切碎至适合在等离子电弧炉中还原氧化铬和氧化铁的最佳尺寸。

根据本发明方法的另一优选方面，分离和清洁由以下步骤完成：将UBC通过磁选机去除磁性颗粒，通过涡流分离器去除有色金属、木屑和其他垃圾，过筛去除污物、液体和水，然后通过气刀去除残留水分、塑料和纸屑。

根据本发明方法的另一优选方面，通过在去涂层炉中对干净的UBC碎片残渣加热，去除油墨、喷漆和其他涂层，完成去除涂层。

根据本发明方法的另一优选方面，UBC在炉中熔融形成液态铝，然后经过固化、切碎，得到预定尺寸范围的废铝颗粒。

根据本发明方法的另一优选方面，所述预定尺寸范围约为0.1mm～2.0mm。

根据本发明方法的另一优选方面，给料混合物中铝颗粒的含量大约相当于与给料混合物中铬铁矿发生反应所需铝的化学计量的105％～120％。

根据本发明方法的另一优选方面，废铝颗粒由镁含量最高约2％的废弃饮料容器的铝金属合金制得，利用镁与铬铁矿的放热反应补充铝的放热反应。

根据本发明方法的另一优选方面，所述方法还包括从等离子电弧炉出渣口提取熔渣。

根据本发明方法的另一优选方面，从出渣口提取熔渣是连续进行的。

根据本发明方法的另一优选方面，所述方法还包括通过构成出渣口一部分的碳化硅管从等离子电弧炉中连续提取熔渣，并向出渣口管内的熔渣提供补充热。

根据本发明的另一方面，出渣口呈朝上的锐角，这样如果炉渣中存在熔融低碳铬铁，由于低碳铬铁的密度高于炉渣，熔融低碳铬铁将滴回或沿着出渣口流回等离子电弧炉中。

本发明的另一方面是采用本发明方法制备低碳铬铁。

本发明的另一方面是采用等离子电弧炉腔室内的给料制备一种金属或金属合金的方法。所述方法需要在炉中腔室内的给料上方布置三个单独的、绝缘的、垂直的直流电弧石墨电极。然后向各绝缘的直流电弧石墨电极提供受控且可控的恒定直流输出电流，从而使各自产生等离子电弧以加热腔室内的给料，在腔室中形成熔融物槽。各直流石墨阴极电极的电弧相对于给料的高度都是单独确定的，达到腔室中熔融物槽所需的电压，电压随着熔融物槽上方等离子电弧的电阻和熔融物槽中等离子电弧的电阻之和变化。熔融物槽发生搅动，这是由于电流流过熔融物槽产生焦耳热，外加电流流过熔融物槽的磁效应，因此在熔融物槽中形成局部波纹效应或发生搅动。

根据本发明方法的另一优选方面，通过给等离子电源通电产生等离子电弧，将直流石墨阴极电极下放至炉内，使其接触覆盖向上伸入熔融物槽的返回阳极电极的一层金属或金属合金。选择初始电流适用于恒电流源，产生电流的流动，使直流电弧石墨阴极电极上升，直到产生所需电压。

根据本发明方法的另一优选方面，通过给等离子电源通电产生等离子电弧。初始电流的选择适用于恒电流源，产生开路电压，而无电流流动。下放直流电弧石墨阴极电极，接触覆盖向上伸入熔融物槽的返回阳极电极的一层金属或金属合金。当电流流动时，直流电弧石墨阴极电极上升，直到产生所需电压。

根据本发明方法的另一优选方面，向熔融物槽所在的腔室内提供若干金属或金属合金块，形成与阳极返回电极接触的金属或金属合金的熔层。

根据本发明方法的另一优选方面，所述方法还包括将直流电弧石墨电极维持在固定高度，在给定电流范围内，以正弦波或矩形波的方式改变各等离子电源的直流输出电流以促进搅动，同时保持熔融物槽的温度。

根据本发明方法的另一优选方面，所述方法还包括控制各电源的直流输出电流，以便其获得120度电角度的及时补偿，将局部作用分散至整个熔融物槽。

根据本发明方法的另一优选方面，所述金属或金属合金包括低碳铬铁。

根据本发明方法的另一优选方面，向熔融物槽所在的腔室内放入若干低碳铬铁块，形成与阳极返回电极接触的低碳铬铁的熔层。

本发明的另一方面是采用本发明方法制备金属或金属合金。

本发明的另一方面是采用本发明方法制备低碳铬铁。

附图说明

图1是实施本发明方法系统的示例性实施例的示意图。所述方法为利用铬铁矿和其他含铝和镁的给料(本发明中为UBC)制备低碳铬铁和可回收渣料；

图2是本发明系统和方法使用的一种给料(即铬铁矿)的生产系统局部示意图；

图3类似于图2，是所述系统和方法使用的另一种给料(即采用本系统和方法制备可回收渣料中的煅石灰)的生产系统另一局部示意图；

图4类似于图2–3，是所述系统和方法使用的另一种给料(即采用本系统和方法制备可回收渣料中的砂)的生产系统另一局部示意图；

图5类似于图2–4，是所述系统和方法使用的另一种给料(即采用系统和方法制备可回收渣料中的回收固体)的生产系统另一局部示意图；

图6类似于图2–5，是所述系统和方法使用的最后一种给料(即UBC)的生产系统另一局部示意图；

图7是本发明系统中等离子电弧炉示例的局部放大垂直剖面图。该系统适用于本发明的方法。所示局部为炉内所生产渣料的出口或“出渣口”；

图8是图1所示电弧炉的放大垂直剖面图；

图9是沿图8中线9–9剖开的放大剖面图；

图10是图8所示电弧炉内熔融物槽搅动期间的三维示意图。

具体实施方式

参考各附图，其中相同的参考符号表示相同的部件。如图1所示，系统20根据本发明建立，用于实施本发明方法或工艺，制备低碳铬铁颗粒(以下简称“铬铁产品颗粒”)和渣颗粒(以下简称“渣产品颗粒”)。铬铁产品颗粒适用于多种用途，如“微调”钢包精炼炉中的高铬钢。渣产品颗粒也具有多种用途，如制造水泥和混凝土。

系统20主要由搅拌器22、进料斗24、选配加热器26、等离子电弧炉28、袋滤器30、带有热金属流道34的倾斜钢包32、铸造装置36、破碎机装置38、筛网40、回收箱42、低碳铬铁颗粒收集箱44、干渣制粒机46、渣颗粒收集箱48组成。搅拌器用于接收给料制备铬铁产品颗粒和渣产品颗粒。所述给料为铬铁矿50、石灰(如煅石灰石)52、砂54、回收材料56以及铝颗粒58。铝颗粒由废弃或未使用的铝制饮料容器或罐制得，但出于经济考虑，优选全部采用UBC或部分UBC和部分未使用过的铝制饮料罐。

在任何情况下，给料都是从各给料箱以所需的比例加入搅拌器22。为此，各给料供应箱配备有常规料位指示器(图中未标示)以及常规可控气动传送称量斗(图中未标示)，向搅拌器22提供所需量的给料。

搅拌器为常规设备(如，可从Kelly Duplex Mill&Manufacturing Co.公司购买)，用于混合给料，然后将混合后的给料输送给进料斗24。向搅拌器提供氮气，以置换给料夹带空气中的氧气。进料斗为常规设备(如，可从Coperion K-Tron公司购买)，用于储存材料并以一定速度将材料加入等离子电弧炉28中，使UBC中的铝与铬铁矿符合化学计量比。为此，进料斗需配合秤一起使用，使进入炉内的给料量可由控制器(图中未标示)控制。当给料进入炉内，且炉开始工作时，UBC中的铝作为还原剂，进行放热反应，将铬铁矿中氧化铬和氧化铁中的氧还原，生成表面浮有熔渣的熔融低碳铬铁。铝与铬铁矿发生放热反应生成的熔渣使氧化铝存在于渣中，而非低碳铬铁中。

还应注意，UBC通常最多含有大约百分之二的镁(例如通常含有大约1.9％的镁)。饮料罐的拉环含有更多镁，能够提高罐的强度。在任何情况下，UBC中的镁还将与铬铁矿发生放热反应，以补充炉内铝和铬铁矿的放热反应。采用镁来补充放热反应，使氧化镁存在于渣中，而非低碳铬铁中。

根据本发明的一个优选方面，所述工艺是连续的，控制器控制反应物的供给速度和等离子电弧炉28中的等离子电极的功率输入，确保在给料供给速度改变导致放热反应速度改变的情况下熔融相不会过度冷却。

在如图1所示的系统20的示例性实施例中，等离子炉为电弧炉。图8是根据本发明建立的炉28示例性实施例的简化垂直剖面图。炉28包括腔室28A，给料供给其中并发生放热反应，使铝制UBC中的铝和镁还原铬铁矿中的氧化铬和氧化铁。腔室28A充满惰性气体(如氮气，压力为至少高于大气压力0.5英寸水柱表压的正压)，以排出炉内的氧气。腔室内发生的放热反应导致在腔室28A底部槽内生成表面浮有熔渣12的熔融低碳铬铁10。等离子“火焰”的作用是将炉和渣的温度控制在所需范围内(如1,650℃～1850℃)，保持渣层的高流动性，反应物可进入其中并进行反应。炉内维持的氮气氛可确保铝反应物在进入渣层之前不与气态氧发生反应，且炉内任何烟气中的氧化铬都不会被氧化成铬VI形态。

腔室28A包括一个下出口或出渣口28B，打开时熔融低碳铬铁10从中流出；一个上出口或出渣口28C，打开时熔渣12从中流出。等离子电弧炉还有一个出口28D，炉运行期间炉内产生的氮气和尾气粉尘粒子经过从此出口排出。粉尘由袋滤器30收集，然后运送至回收箱42并收集在其中。

根据本发明系统的一个优选方面，如图8和9所示，电弧炉28包括三个石墨等离子转移弧阴极电极28E和六个阳极电极28F(但较少的阳极电极被使用)。阴极电极穿过炉顶28N伸入腔室28A。阴极电极28E以120°间距等距间隔布置成圆形阵列。各阴极电极28E由单独控制的直流电源PS供电。电极28E可以是带有螺纹接头的圆柱形石墨棒，当石墨棒的端部由于等离子电火焰温度过高出现磨损时可将其与额外电极棒连接。用于冷却炉壳和炉顶的冷却水由炉水冷却装置提供，如空冷换热器或冷却塔(图中未标示)。阳极电极28F垂直穿过炉底部的砖块28P，伸入腔室28A底部构成槽，在其中生成熔融低碳铬铁10和熔渣12的融化物。阳极电极28F也布置成圆形阵列，以60°间距等距排列。操作电极28E和28F对熔融低碳铬铁和熔渣进行有效搅动，下文将进行详述。

众所周知，含有腐蚀性成分的炉渣会对电弧炉的耐火材料产生严重的不利影响。即使是在“静态”炉渣的情况下，腐蚀性也很高，很快会造成严重故障。腐蚀性炉渣以及其经过炉出口(出渣口)的运动对耐火材料构成了极大挑战。通常采用可更换的出渣口组块或优选采用水冷渣耐火内衬排料口可解决这一问题。但水冷排料口有两个缺点。首先，即使液态炉渣“压头”较大也难以使炉渣流动。其次，由于炉渣“压头”变小，难以维持炉渣适当流动。

本发明的一个优选方面包括通过构成出渣口一部分的碳化硅管从等离子电弧炉中连续提取熔渣，并向出渣口28C管内的熔渣提供补充热。为此，炉28含有出渣口组件28G，如图7所示。特别地，图7是等离子电弧炉上出口或圆柱形出渣口28C的局部放大垂直剖面图，熔渣12通过此出口排出炉体。出渣口组件28G使炉渣12连续流出炉体，以维持炉内固定渣深。

出渣口组件28G主要包括钢制容器箱28H、耐火内衬28I、水冷感应线圈28J、碳化硅管28K以及终端接头(图中未标示)，分别为水冷感应线圈28J供应冷却水和高频电。高频电由电源(图中未标示)提供。水冷感应线圈是由铜等导电材料形成的管式螺旋构件，冷却水通过此线圈。感应线圈28J包裹着碳化硅管28K。碳化硅管28K充当高频电源所提供高频电流产生的电磁场的“感应体”。众所周知，“感应体”一词如果用于感应加热领域，是指感应加热线圈和待加热材料(本发明中是指炉渣12)之间的导电材料。使用感应体能够对熔渣等非导电材料进行高效加热。感应体由感应线圈产生的电磁场加热，因此，炉渣主要由受热感应体管产生的辐射和传导进行加热。感应体管的碳化硅材料能够很好地抵御熔渣(熔点2,730℃、分解温度高于2,000℃)造成的化学腐蚀和磨损。感应体管28K可由氮化物结合氮化硅等工艺生产。铜制线圈28J大体上沿着出渣口28C的整个长度嵌入可铸耐火材料。通过连接水冷铜制电感线圈28J的高频交流电源为管内的炉渣提供补充热。通过改变相应电源的频率来控制为感应加热线圈供电的电能。流经感应线圈的交流电形成磁场，在感应体管内产生热量，炉渣通过感应体管从炉体排出至流槽(图中未标示)，流槽将熔渣送至干渣制粒机46。

提供给感应加热感应体管中所排出炉渣的补充热是可以调节的，以此控制等离子炉中连续流出的炉渣的温度及粘度，确保炉渣在出渣口内不会凝结。在停止给炉进料或等离子炉功率损失的情况下，也可以向出渣口中凝结的熔渣提供补充热。

出渣口组件包括钢制容器箱、耐火内衬、水冷铜制感应线圈、碳化硅感应体管，以及为铜制感应线圈供应冷却水和高频电的终端接头。如果所述组件的任何部件出现故障，可从炉壳上将整个装置拆下并更换类似的出渣口组件。为此，钢制容器箱28H及其内部部件通过连接炉壳28M的法兰28L可拆卸地连接或安装在炉体出渣口28C上。

等离子电弧炉28的另一个重要特点是炉渣经过出渣口组件28G的通道(即出渣口28C)呈约25°锐角上伸，如图7所示。以一定角度上伸的出渣口28C起着重要作用。特别地，如果炉渣中存在熔融低碳铬铁，当炉渣沿着出渣口28C向上流动排出出渣口时，由于熔融低碳铬铁(金属)的密度是炉渣的两倍多，其将滴回或沿着有角度的出渣口流回炉中。因此，熔融低碳铬铁将从出渣口28C回到炉内，最终将从出渣口28B排出，炉渣将从出渣口28C流出炉体。

如上所述，等离子电弧炉28采用三个阴极电极28E和最多六个阳极电极28F。根据本发明方法的另一方面设置并操作这些电极，对炉内熔融物槽进行有利搅动。搅动作用使得炉槽整个表面形成并维持一层均匀的高流动性渣层，给料能够迅速被熔层吸收，在熔层中与铬铁矿发生铝热和镁热还原反应。通过在无氧气氛下操作炉体，铝和镁在进入熔渣层之前不发生反应。铝和镁在渣层中与铬铁矿发生的放热反应对渣层和金属层进行加热。等离子加热的目的是升高并维持由铬铁矿尖晶石中的氧化物渣和给料混合物中添加的石灰和硅助熔剂形成的渣层的温度。等离子加热的另一个目的是升高并维持渣层的温度以降低炉渣粘度，使炉渣能够轻易连续地流过出渣口28C。等离子电弧的热量还可以补偿构成等离子炉一部分的耐火砖和水冷系统的热损失。

必须指出，炉电极及其相关电子部件的构造以及为了进行有利搅动而采用的运行模式均不限于等离子电弧炉中低碳铬铁的生产。因此，为了在等离子电弧炉中搅动渣层和金属层而设置的电极构造及其使用方法可用于在等离子电弧炉中制备其他种类的金属和合金。

参照图8和图9可见，三个单独的、绝缘的的直流转移弧石墨电极28E垂直穿过等离子炉28的炉顶28N。各电极28E配备独立的高度控制器，因此熔融物槽上方各电极棒的位置可以得到控制。为此，等离子炉设有三个单独的垂直支撑柱28O，并各自配备一个活动水平臂，各水平臂包括一个绝缘夹持机构，用于夹持阴极电极28E和为阴极电极供电的连接夹具以及改变其垂直位置。各阴极电极分别由独立控制的直流等离子电弧电源PS供电。各支撑柱28O的水平臂、电极夹持机构和供电夹具在垂直方向上移动，可升降相关阴极电极，调整电弧长度，并确定从电极末端到熔体的电弧对石墨的烧蚀和侵蚀量。如前所述，电极棒端部经加工具有内外螺纹，因此当石墨棒的端部由于等离子电弧焰的高温出现磨损时可与额外石墨棒连接。这样可以维持电极的连续工作。额外石墨棒可采用活动臂吊连接至电极。

三个阴极电极28E的三个直流等离子电弧电源PS各自提供受控、可控的恒流电源，电压可根据“电弧”电阻而改变。“电弧”电阻是开弧电阻和熔槽中到阳极返回电极的电阻之和。电源PS作为单个正极公共点连接到返回电极(阳极)28F。返回阳极电极可由耐热钢制成，其安装确保可垂直向上伸入炉体的耐火材料基底与槽中的金属层(即熔融铬铁)接触，从而形成槽中的金属层和渣层到三个石墨阴极电极28E的电路。返回阳极电极连接点进行水冷处理，防止过热。

根据本发明的方法，等离子电弧至少可通过两种方式产生。两种方式的初始阶段相似，即接通电源PS后将阴极电极28E下放至炉内，使之与接触或覆盖返回阳极电极28F的低碳铬铁金属层10形成的炉膛返回电极接触。为确保接触或覆盖返回阳极电极28F的低碳铬铁金属层确实存在，在初次启动前，可将多个低碳铬铁块放置在炉体底部，通过等离子电弧形成熔融金属层与阳极电极28F的顶部相接触。产生等离子电弧的一种方法需要在等离子电源PS上选择“初始电流”设置以及“等离子开启”设置。电弧点火(通过显示的电流判断)之后升高电极，直到达到所需电压。产生等离子电弧的另一种方法是在等离子电源上选择“初始电流”设置以及“等离子开启”设置，以此达到“开路电压”但无电流，然后将电极下放到炉内与炉膛返回电极或金属覆盖层相接触。电弧点火(通过显示的电流判断)之后升高电极，直到达到所需电压。在任何一种情况下，当观察到炉膛内形成液池时，应开始搅动步骤。

在各等离子阴极电极电弧的直接冲击区域内，经过熔融物槽的等离子电弧的电流提供从炉渣电阻到通过熔渣层的电流的“焦耳热”。焦耳热导致的升温改变局部区域炉渣的粘度。这一作用结合感应磁场的“螺旋”作用，使得电流流过电阻炉渣层产生的电弧直接冲击区域内低粘度炉渣的体积呈螺旋变化。所述不断变化的炉渣层含有不断发生反应的被还原的铝和铬铁金属颗粒。此外，局部“螺旋”磁场搅动作用也发生在熔槽层。如图9所示，三个阴极电极补偿六个阳极电极，强化搅动作用，在整个熔融物槽内形成局部“波纹”效应或发生搅动。

本发明采用三个阴极电极28E在整个槽内达到上述效果。特别地，将电极维持在固定高度的同时，在给定电流范围内以正弦波或矩形波的方式改变各等离子电源的直流输出电流，以促进炉渣和金属的局部搅动作用，同时保持槽内整体温度高于1,750℃。电弧电压将随槽上氮气气氛下的电弧长度所构成电路的电阻、渣层电阻以及金属槽层电阻的总和而变化。各电源的输出电流能够以120度电角度进行及时补偿，将各电极周围的局部搅动作用分散至整个熔融物槽，促进给料进入熔渣层时发生搅动、加热和混合。搅动作用见原理图10所示。应该指出，渣层也通过出渣口28C流进和流出炉体，形成渣的持续移动。

给料通过炉体的给料口28Q加入炉体腔室28A。优选地(非强制要求)，采用选配预热器26预热来自进料斗24的混合给料，再将混合给料加入炉28。这样，炉能够以更少的能耗将给料混合物加热至工作温度范围(即如1,650～1850℃)。

倾斜钢包32为常规设备(如,可从属于TeeMark Manufacturing,Inc.公司的D&EFoundry Ladles公司购买)，用于在炉内累积足够金属时以固定间隔接收炉体排出的熔融低碳铬铁。打开位于耐火砖中的出渣口28B，通过耐火衬里管道(图中未标示)将金属排入钢包，这样金属就从炉中抽出进入预热过的钢包中。从炉中抽出金属后，采用专用的耐火混合物堵住出渣口28B。

钢包定期运行，将熔融低碳铬铁运送到热金属流道34，并将熔融低碳铬铁倾倒在热金属流道上。热金属流道34为常规设备(如，可从Economy Industrial,LLC公司购买)，用于接收倾斜钢包置于其上的熔融低碳铬铁，将熔融低碳铬铁运送至中间包(图中未标示)，熔融低碳铬铁从该中间包无喷溅地进入铸造装置36。铸造装置36为常规铸造装置(如，可从Economy Industrial,LLC公司购买)，主要包括位于连续皮带输送机36B上的多个铸铁或钢合金模具36A，用于将熔融低碳铬铁收集在输送机36B上的模具36A中，形成铸锭，然后使用来自水源36C的水将铸锭淬火，使铸锭固化。固化后的铸锭落进破碎机装置38中。该装置至少包括一个颚板38A，将铸锭破碎形成破碎颗粒，然后落在筛网40上。破碎机装置38为常规设备(如，可从TerraSource Global公司购买Pennsylvania Crusher复摆颚式破碎机)。破碎颗粒的尺寸为预先设定好的，如，本发明中的最终低碳铬铁颗粒(即铬铁产品颗粒)大约大于6mm，将破碎颗粒运送至收集箱44。收集箱44为常规制造设备，用于盛装铬铁产品颗粒，直到其符合配送要求可根据铬铁产品颗粒的用途采用大批量装车60或小批量装袋62运至炼钢厂或铸造厂。

经过破碎机装置38处理的低碳铬铁破碎颗粒尺寸在6mm以下，以下简称为“细粉”。细粉下落通过筛网40进入回收箱42，然后再次进入尚未加入熔融低碳铬铁的铸锭模具36A，之后从热金属流道34加入熔融低碳铬铁，与细粉混合。

应该指出，优选采用此方法使用细粉。还可以将回收箱中的细粉随给料回收物56一同回收至搅拌器22中与其他给料一起混合，然后入炉28。在这种情况下，细粉入炉时穿过熔渣进入熔融铬铁并融入熔融铬铁。在任何一种情况下，细粉都在铬铁产品颗粒中被重新捕集。

应该指出，虽然优选采用上述铸锭浇注设备36和破碎机装置38制备铬铁产品颗粒，但也可以采用其他方式，例如采用铬铁造粒罐(图中未标示)和相应干燥机(图中未标示)在水中将熔融铬铁金属流造粒。可从瑞典希斯塔UHT公司购买此类造粒系统。在这种情况下，熔融低碳铬铁由热金属流道34运送至铬铁造粒罐。铬铁造粒罐将熔融低碳铬铁破碎成液滴，然后用进水水源的水快速将液滴淬火，使液滴固化。固化的液滴从铬铁造粒罐输送至筛网38上。尺寸大于6mm的铬铁颗粒从筛网38输送至干燥机(图中未标示)中，给干燥机供热以去除颗粒在铬铁制粒机中淬火过程产生的多余水分。干燥机为常规设备(如瑞典希斯塔UHT公司的产品)。干燥后的低碳铬铁颗粒排出干燥机，形成铬铁产品颗粒，运送至收集箱44。

应该指出，按照用于实施本发明工艺的示例系统20建造的场地或工厂最好是完全独立或封闭在建筑物中。特别地，根据本发明工艺制备的出厂材料只有前述的两种产品，即铬铁产品颗粒和渣产品颗粒。炉体排出的粉尘(可能含有氧化铬)以及系统20材料处理部分溢出的材料等其他物质均作为回收材料56返回搅拌器22。因此，本发明的方法即经济又环保。

如上所述，根据本发明方法制备的熔渣12从炉28的上出口或出渣口28C(打开时)流出。特别地，熔渣进入干渣制粒机46的入口。干渣制粒机为常规设备(如，可从澳大利亚克莱顿CSIRO公司或其授权商中国MCCC公司购买)，用于将熔渣破碎成液滴，然后用进气气源46A的空气快速将液滴淬火。由此形成渣颗粒。特别地，熔渣经转盘施加的离心力雾化或分解成液滴，然后采用鼓风机或气源46A进行低温、高容量冷风淬火和固化。采用该方法制备的渣颗粒尺寸约为0.2mm～3mm，适用于生产水泥。更重要的是，采用干渣制粒机能够在热风经过气口46B时回收废热，然后将其用于预热器26间接加热。相比湿颗粒工艺，干颗粒工艺节省用水还可回收宝贵的废热，更加经济环保。干渣制粒机46排出的热风还可提供给铬铁矿干燥机72(下文详述)。

干渣制粒机排出的渣产品颗粒下落进入渣颗粒收集箱48。收集箱为常规制造设备，用于盛装渣产品颗粒，直到其符合要求可采用大批量装车64配送。

应该指出，根据本发明方法/工艺制备的渣的化学性质对该方法/工艺的商业可行性至关重要。就此而言，可最大程度地降低渣的熔点，同时提高其流动性，使其能够轻易流出炉体。因此，本发明的方法需要优化渣的化学性质，提高工作温度下的流动性。为此，应根据铬铁矿中的氧化镁、氧化铝和二氧化硅的含量控制煅石灰石的用量。例如，如果铬铁矿的二氧化硅含量高，工艺则要求添加更多的煅石灰石，反之亦然。铬铁矿的熔点为1,700℃～2000℃。本发明的方法/工艺需要最低的熔点温度，以此确保最高的流动性。渣的成分不会对铬铁矿还原成低碳铬铁的放热反应产生任何影响，但会影响渣产品的流动性。

铬铁矿中的氧化铬和氧化铁以矿物尖晶石的形式存在。化学计量条件下发生的放热反应从氧化铬和氧化铁中还原氧气，可能无法产生足够的热量确保全部给料保持液态。为了确保优化氧化铬和氧化铁的还原反应，常规操作是在理论所需量的基础上增加铝的用量，如105％～120％。本发明的方法/工艺中可以使用这个方法。此外，等离子电弧炉提供的热量确保足以使全部给料保持液态进入渣和熔融金属的过热槽。

铬铁矿给料50储存在系统20所在现场或工厂的进料箱中，由其最初来源(如矿山)提供，如图2所示。因此，如图2所示，来自矿山的矿料采用船66运(假设矿山的位置跨越水域，需要船运)，然后采用卡车68运输至系统20所在现场或工厂的储存点70。铬铁矿在常规旋转干燥机72中干燥，然后将干燥的铬铁矿储存在现场进料箱74中备用。

煅石灰给料52也储存在系统20所在现场或工厂的进料箱中，由其最初来源(如采石场)提供，如图3所示。因此，如图3所示，来自采石场的煅石灰采用鼓风车76运输至系统20所在现场或工厂的现场进料箱78备用。

砂给料54也储存在系统20所在现场的进料箱中作为干料供应，由其最初来源(如采石场)提供，如图4所示。因此，如图4所示，来自采石场的砂采用鼓风车80运输至系统20所在现场或工厂的现场进料箱82备用。

工艺固体56也储存在系统20所在现场或工厂的进料箱中，并从袋滤器30和回收箱40提供给系统20所在现场或工厂的进料箱86备用，如图5所示。

UBC 58也储存在系统20所在现场或工厂的进料箱中，如图6所示，以整包的形式从废料场提供。整包UBC采用卡车77运输至现场，并储存在储存点90。将整包UBC在储存点破碎并送入常规粉碎机92，得到无铝固体物质。然后分离并清洁无铝固体物质。特别地，将粉碎后的UBC送至常规磁选机94去除磁性颗粒。然后将UBC送至常规的滚筒筛96，其包括一个旋转筛网，用于去除污垢、液体和水。然后将UBC通过涡流分离器98，去除有色金属、木屑和其他垃圾。然后将UBC送至常规的气刀100，去除残留水分、塑料和纸屑。然后将得到的经过清洁和分离的UBC送至常规的去涂层炉102，去除其上的油墨、喷漆和其他涂层。然后将无涂层的UBC送至常规熔化器104，使其在惰性气氛或含有低水平氧气的气氛中熔化，以最大程度降低熔融铝表面的氧化，得到熔融废铝。然后将熔融废铝送入常规的制粒机106，其中来自UBC的熔铝下落到圆盘上，形成熔铝液滴，采用水淬火以固化所述液滴。然后将固化的铝液滴送入常规粉碎机108粉碎成铝颗粒，确保其尺寸最适用于等离子电弧炉中铬铁矿的氧化铬和氧化铁的还原反应，如0.1mm和2.0mm。然后将铝颗粒输送到系统20所在现场或工厂的进料箱110备用。也可以将熔铝拉成丝，切碎至所需尺寸。

应该指出，上述系统20及其部件仅为可以根据本发明构造用于实施本发明方法或工艺的各种系统中的一个示例性实施例。此外，所述示例性方法仅仅是根据本发明用于生产低碳铬铁的各种方法或工艺的示例性方法。因此，干渣制粒机产生的热量等可能无法回收提供给预热器26。此外，如果铬铁细粉可以商业化，则不得重复使用。同样地，在袋滤器中收集的等离子炉粉尘颗粒可能也无法回收到回收箱40中。此外，也可以使用其他类型的电弧炉、造粒罐和制粒机分别代替示例性炉28、铸锭设备36、破碎机装置38和干渣制粒机46。如需，可以去掉上述示例性系统20的其他部分和示例性方法/工艺的步骤，但前提是该系统和方法/工艺使用铝制饮料容器(UBC或未使用过的铝制饮料容器或二者的组合)作为放热源，还原铬铁矿中的氧化铬和氧化铁，并产生足以进行流动的炉渣，以经济的方式形成低碳铬铁，且炉渣可轻易地粒化成炉渣颗粒供商业使用。

在无进一步详细描述的情况下，所述内容也如此充分地说明了本发明，其他人员可在各种使用情况下运用现有或未来知识使用本发明。

Claims (20)

1.一种用铬铁矿制备低碳铬铁的方法，包括：将废铝颗粒、煅石灰、硅砂和铬铁矿的给料混合物加入等离子电弧炉中，所述铬矿含有氧化铬和氧化铁，所述给料按化学计量比例提供，通过还原所述氧化铬和氧化铁形成低碳铬铁；所述给料在所述等离子电弧炉中被加热至大约1,650℃～1850℃，所述铝颗粒中的铝作为还原剂产生放热反应，将所述铬铁矿中的所述氧化铬和氧化铁还原，生成表面浮有熔渣的熔融低碳铬铁；以及在所述等离子电弧炉中提取所述熔融低碳铬铁。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述等离子电弧炉中提取熔渣，然后粒化所述熔渣，形成干渣颗粒。

3.根据权利要求1所述的方法，所述等离子电弧炉包括至少一个转移弧电极。

4.根据权利要求1所述的方法，所述等离子电弧炉包括最多三个石墨炬。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法是连续的。

6.根据权利要求1所述的方法，所述给料混合物中铝颗粒的含量相当于所述给料混合物中铬铁矿发生反应所需铝的化学计量的大约105％～120％。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括通过从所述等离子电弧炉出渣口中提取熔渣，以及在所述出渣口向所述熔渣提供补充热。

8.根据权利要求7所述的方法，所述补充热是感应加热。

9.根据权利要求8所述的方法，通过在所述出渣口的感应加热线圈和碳化硅感应体管提供所述感应加热。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述等离子电弧炉出渣口处提取熔渣，所述出渣口呈锐角上伸，如果所述炉渣中存在熔融低碳铬铁，由于所述熔融低碳铬铁的密度高于所述炉渣，因此所述熔融低碳铬铁将滴回或沿着所述出渣口流回所述等离子电弧炉中。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括通过构成出渣口一部分的碳化硅管从所述等离子电弧炉中连续提取熔渣，并向出渣口管内所述熔渣提供补充热。

12.根据权利要求1所述的方法，向所述等离子电弧炉提供的氮气压力高于大气压力，以防止氧气进入所述等离子电弧炉。

13.根据权利要求12所述的方法，所述氮气经过加热，压力至少高于大气压力0.5英寸水柱表压。

14.根据权利要求1所述的方法制备的低碳铬铁。

15.一种采用等离子电弧炉腔室内的给料制备金属或金属合金的方法，其中所述金属或金属合金包括低碳铬铁，所述方法包括：在所述熔炉中，在所述腔室中所述给料上方提供三个单独的、绝缘的的直流电弧石墨阴极电极；采用等离子电源向各电隔离的直流电弧石墨阴极电极提供受控且可控的恒定直流输出电流，使各所述直流电弧石墨阴极电极发生相应的等离子电弧，加热所述腔室中的所述给料，在所述腔室中形成熔融物槽；单独确定各所述直流电弧石墨阴极电极相对于所述给料的高度，达到所述腔室中所述熔融物槽所需的电压，所述电压随着所述熔融物槽上方等离子电弧的电阻和所述熔融物槽中等离子电弧的电阻之和变化；所述熔融物槽发生搅动，所述搅动是由于电流流过所述熔融物槽产生焦耳热，外加电流流过所述熔融物槽的磁效应，因此在所述熔融物槽中形成局部波纹效应或发生搅动。

16.根据权利要求15所述的方法，所述等离子电弧的发生是通过给所述等离子电源通电，将所述直流电弧石墨阴极电极下放至所述炉内，使其接触覆盖向上伸入熔融物槽的返回阳极电极的一层所述金属或金属合金；选择初始电流适用于所述等离子电源，产生电流的流动，使直流电弧石墨阴极电极上升，直到产生所需电压。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括向所述熔融物槽所在的所述腔室内提供若干所述金属或金属合金块，形成与所述阳极返回电极接触的所述金属或金属合金的熔层。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述直流电弧石墨阴极电极维持在固定高度，在给定电流范围内，以正弦波或矩形波的方式改变各所述等离子电源的所述直流输出电流以促进搅动，同时保持所述熔融物槽的温度。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括控制各所述等离子电源的所述直流输出电流，以便其获得120度电角度的及时补偿，将局部搅动作用分散至整个熔融物槽。

20.根据权利要求15所述的方法制备的金属或金属合金。

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