CN116134158A - 熔炼设备和其冶金制程 - Google Patents

Abstract

本文件描述一种用于熔炼金属矿石的熔炼设备。所述熔炼设备包含炉，所述炉具有连续弯曲壁和端壁，所述端壁在水平方向上限定具有纵向轴的纵向体积。所述连续弯曲壁具有最下区域。所述纵向体积分成至少三个纵向层，包含顶层，气化燃料在所述顶层内燃烧以产生温度足以从所述金属矿石中释放至少熔融金属和炉渣的热气组合物；在所述最下区域处用于容纳熔融金属的最下层；以及在所述最下层上方的中间层，所述炉渣积聚在所述中间层中。本文件还描述使用所述熔炼设备从金属矿石生产铁和非铁矿物的制程。

Description

熔炼设备和其冶金制程

背景技术

(a)领域

本所公开的主题大体涉及熔炼设备和熔炼制程。更特别地，主题涉及用于铁矿石的熔炼设备和用于熔炼铁矿石的制程。

(b)相关现有技术

熔炼是提取冶金的一种形式。其主要用途是从金属矿石中生产金属。此包括从银、铁、铜和其它贱金属的矿石中生产所述金属。熔炼使用热量和化学还原剂分解矿石，将其它元素作为气体或炉渣驱除，且仅留下金属。还原剂通常为碳源，如焦炭或木炭。碳和/或碳氧化物衍生物与矿石反应以从矿石中去除氧，留下元素金属。因此，碳在两个阶段中氧化，首先产生一氧化碳且随后产生二氧化碳。由于大多数矿石不纯，因此通常需要使用助熔剂，如石灰石，以将伴随的脉石岩作为炉渣去除。

用于电解还原铝的设备一般也称为熔炉。这些设备不熔融氧化铝，而是将其溶解在氟化铝中。其通常使用碳电极，但新颖熔炉设计使用在制程中不消耗的电极。最终产品为熔融铝。

熔炼不仅仅涉及将金属从其矿石中熔融出来。大多数矿石为金属与其它元素的化合物，如氧(即，氧化物衍生物)、硫(即，硫化物衍生物)或碳和氧一起(即，碳酸盐衍生物)。为了生产金属，这些化合物必须进行化学反应。因此，熔炼由使用将与那些氧化元素组合以释放金属的合适的还原物质组成。

当前熔炼炉设计往往是高的竖直圆柱体或矩形箱。因为耐火材料在箱型设计中不稳定，两种设计导致高圆柱形方法的高构建成本，或与矩形箱设计相关的耐火材料的高操作和维护成本。

市场上存在许多类型的炉。在一实例中，美国专利第6,537,342号描述一种用于金属还原和熔融制程的设备，其中金属和含碳炉料在包括加热容器的感应炉中加热，在加热容器中，炉料可以至少一个堆漂浮在容器中的液体金属浴上。所述设备的特征在于其包括至少一个位于容器的底部中心线处的感应加热器或感应器，其中纵向入口垂直于容器的入口定向。炉一般通过感应构件从外部电加热。

即使美国专利第6,537,342号为其炉提供圆柱形设计，但其导致向炉提供热量的方式低效，因为在加热炉内部之前热量需要朝向炉壁以及通过耐火材料行进。

在另一实例中，美国专利第6,146,437号描述一种含金属化合物还原和熔融制程，其需要进料由含金属化合物和呈液体形式的合适金属浴的混合物制成的炉料，使得在炉料中形成含金属化合物被还原的反应区，并且在反应区下方形成还原的金属熔融的熔融区。炉一般通过电气构件从外部电加热。

即使美国专利第6,146,437号为其炉提供圆柱形设计，但其导致向炉提供热量的方式低效，因为在加热炉内部之前热量需要朝向炉壁以及通过耐火材料行进。使用电加热既昂贵又低效。

在另一实例中，美国专利第5,411,570号描述一种通过在通道型感应炉中加热含铁炉料和碳来制造钢的方法。碳包括于炉料中和/或含于热金属中。通过控制供应到炉的热量和/或炉料添加到炉中的速率，将如此形成的液体产物的温度维持在其液相线温度以上。

即使美国专利第5,411,570号为其炉提供圆柱形设计，但其导致向炉提供热量的方式低效，因为在加热炉内部之前热量需要朝向炉壁以及通过耐火材料行进。

在另一实例中，加拿大申请CA2934973描述冶金制程和能够用广泛范围的原料和燃料操作的一般正方形或矩形冶金炉。特别地，通过至少一个燃烧器结合至少一行瓣阀将热量提供给炉。然而，正方形或矩形冶金炉的一般正方形设计使得难以按比例放大由此类炉进行的制程。

在另一实例中，加拿大申请CA2970818描述冶金制程和能够用广泛范围的原料和燃料操作的冶金炉。特别地，炉包括至少一个位于上部容器中的幕壁，其沿炉纵向往下延伸，以及至少一个位于上部容器中心的增压装载系统，它们共同控制炉中气体的分布。然而，冶金炉的立式设计使得难以按比例放大由此类炉进行的制程。

因此，需要一种改进的熔炼设备和其操作制程。

发明内容

根据一态样，提供一种用于熔炼金属矿石的熔炼设备，所述熔炼设备包含圆柱形炉，其具有：较长轴沿水平方向的连续弯曲壁，和接合所述连续弯曲壁且从而在所述水平方向上限定纵向体积的端壁，所述连续弯曲壁具有最下区域，其中所述纵向体积分成至少三个纵向层，包含顶层，气化燃料在所述顶层内燃烧以产生温度足以从所述金属矿石中释放至少熔融金属和炉渣的热气组合物；在所述最下区域处用于容纳熔融金属的最下层；以及在所述最下层上方的中间层，所述炉渣积聚在所述中间层中。

根据一态样，所述熔炼设备进一步包含在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于将所述金属矿石供应到所述炉的原料入口，以及在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于在所述炉中提供用于诱导燃烧的空气的燃烧空气入口。

根据一态样，所述熔炼设备进一步包含在所述连续弯曲壁的所述最下区域中与所述最下层成流体连通以用于允许熔融金属连续且选择性地离开所述炉的熔融金属出口。

根据一态样，副产物气体从所述金属矿石和热气组合物中释放，并且进一步其中所述连续弯曲壁包含最上区域，其包含流体连接到所述炉为所述副产物气体提供离开所述炉的出口的副产物热气出口。

根据一态样，所述熔炼设备进一步包含在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于将燃料供应到所述炉的燃料入口；以及在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于将热气供应到所述炉以气化所述燃料，从而产生所述气化燃料的热气入口。

根据一态样，所述熔炼设备进一步包含用于提供气化燃料的热气产生器，以及在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于将气化燃料供应到所述炉的气化燃料入口。

根据一态样，所述炉包含内表面，所述内表面内衬有耐火材料。

根据一态样，所述熔炼设备进一步包含以操作方式连接到所述炉以用于冷却所述炉的外表面的冷却系统。

根据一态样，提供一种用于熔炼金属矿石的制程，其包含：提供通过湿法冶金从所述金属矿石产生的磁铁矿和/或氧化铁；通过气化产生热还原性环境；以及使所述磁铁矿和/或氧化铁与所述热还原性环境接触以产生熔融金属，其中所述接触在熔炼设备中进行，所述熔炼设备包含圆柱形炉，其具有较长轴沿水平方向的连续弯曲壁，和接合所述连续弯曲壁且从而在所述水平方向上限定纵向体积的端壁。

根据一实施例，所述磁铁矿在湿法冶金期间通过磁分离、密度或浮选产生。

根据一实施例，Fe₂O₃在湿法冶金期间通过溶剂萃取和酸再生产生。

根据一实施例，所述氧化铁和/或所述热还原性环境包含除焦炭或煤以外的碳源。

根据一实施例，所述热还原性环境通过含碳材料的气化产生。

根据一实施例，所述磁铁矿和/或氧化铁与所述热还原性环境的所述接触进一步产生用作所述湿法冶金或生物质脱除挥发份的能量源的副产物气体。

根据一实施例，所述能量源用于所述湿法冶金的酸再生。

根据一实施例，所述熔融金属为生铁。

根据一实施例，所述熔融金属为铁锰合金、铁镍合金和/或铁钒合金。

根据一实施例，所述制程用于熔炼含有微量元素的金属矿石，其中所述磁铁矿和/或氧化铁与所述热还原性环境的所述接触进一步产生含有所述微量元素的炉渣。

鉴于如附图中所示出的选定实施例的以下详细描述，本发明的主题的特征和优点将变得更显而易见。如将意识到，所公开和要求保护的主题能够在各个态样进行修改，均不脱离权利要求书的范围。因此，图式和描述内容应视为本质上为说明性的，而不是限制性的，且主题的完整范围在权利要求书中阐述。

附图说明

本公开的另外特征和优点将从结合附图做出的以下详细描述变得显而易见，在附图中：

图1为根据一实施例的熔炼设备的前视截面图；并且

图2为根据另一实施例的熔炼设备的前视截面图。

图3和4为表示组合火法冶金制程与湿法冶金制程的制程的框图。

应注意，在整个附图中，相同的特征通过相同的附图标记来标识。

具体实施方式

在实施例中，公开熔炼设备和其操作制程。

熔炼设备

现参看图1并且根据一实施例，示出熔炼设备10。熔炼设备10用于熔炼金属矿石。熔炼设备10包括水平定向的圆柱形炉12，其具有内表面14和外表面16。熔炼设备10进一步包括燃料入口18，其以操作方式连接到炉12以用于在炉12中提供燃料。根据一实施例，燃料包括但不限于煤、石油焦、焦炭、生物质碳(即，粉末或块状)等。

熔炼设备10进一步包括原料入口20，其以操作方式连接到炉12以用于在炉12中提供原料。根据一实施例，原料包括但不限于满足总体经济要求的任何细矿石和制程(下文所描述的制程反应)的化学平衡所需的额外助熔剂材料。更特定地，原料可以是满足总体经济要求的细铁矿石和炉12内所涉及的制程的化学平衡所需的额外助熔剂材料。

熔炼设备10进一步包括热气入口22，其以操作方式连接到炉12以用于在炉12中提供热气。应提及，虽然可使用任何烃气，但天然气是经济上可行的选择。熔炼设备10进一步包括燃烧空气入口24，其以操作方式连接到炉12以用于在炉12中提供诱导燃烧的空气。应提及，炉12在操作时，来自通过燃烧空气入口24进入炉12的燃烧空气的燃烧不完全以在化学反应的第二步骤中提供氧化。

氧化的目的是通过产生主要CO和一些CO₂的混合物来产生自还原性环境，其将与矿石反应，从而从矿石中去除氧，将矿石还原成金属形式并且将气体组成转变为主要CO₂。自还原性环境可以用煤、焦炭、天然气、生物质、氢气和电力产生。

应提及，炉12内涉及的熔炼制程所需的热量在炉12内内部提供。

熔炼设备10进一步包括金属出口26，其以操作方式连接到炉12以供金属离开(即，连续地离开)炉12。熔炼设备10可进一步包括炉渣出口30，其以操作方式连接到炉12以供炉渣离开(即，周期性地离开)炉12。炉渣由矿石中的非金属元素和与原料装料一起添加以确保炉渣在炉操作温度下熔融的助熔剂制成。

另外，根据一实施例，熔炼设备10进一步包括副产物热气出口32，其以操作方式连接到炉12以供副产物热气离开炉12。在炉12内完成各种化学反应并且矿石被还原成金属之后，副产物热气为CO、CO₂和N₂的组合(在天然气为燃料的情况下)。

根据另一实施例，内表面14为耐火材料衬里的。用于内表面14的耐火材料可包括但不限于各种碳基材料和Al₂O₃基材料。

根据另一实施例，所使用的耐火材料将根据其在炉12内的位置随制程温度和位置而变而不同。举例来说，各种碳基材料可用于炉12的下部，而Al₂O₃基材料可用于炉12的上部。随位置和经济而变，可使用预成型烧结砖和可浇铸材料两者。

根据另一实施例，熔炼设备10可进一步包括冷却系统28，其可以以操作方式连接到炉12以用于冷却炉12的外表面16。基于经济，炉12可用水冷却。水可以通过普通热交换器再循环并且作为冷却剂或流体重新使用。

根据一实施例，提供一种用于熔炼金属矿石的熔炼设备10。所述熔炼设备10包含炉12，所述炉12具有连续弯曲壁15和端壁(未图示)，其在水平方向上限定具有纵向轴的纵向体积。所述连续弯曲壁15具有最下区域17。纵向体积分成至少三个纵向层，包含顶层(A)，气化燃料在所述顶层内燃烧以产生温度足以从金属矿石中释放至少熔融金属和炉渣的热气组合物；在最下区域处用于容纳熔融金属的最下层(C)；以及在最下层上方的中间层(B)，炉渣积聚在所述中间层中。

在操作中，在炉12内，燃料被气化以产生热燃料气，其由燃烧空气燃烧，产生热气组合物和温度以熔炼金属矿石。对于铁矿石，在炉12内发生的这些化学反应产生以下化学式：

C+O₂＝CO+CO₂(燃料气化)

CO+FeO＝CO₂+Fe

C+CO₂＝2CO

应注意，不仅FeO，而且所有形式的氧化铁(例如Fe₃O₄和Fe₂O₃(赤铁矿))可通过炉12还原成呈金属形式的生铁。应进一步注意，对于矿石中的其它金属元素(除铁以外)，可能在炉12内发生类似反应。举例来说，在氧化锰(IV)(MnO₂)的情况下，根据以下化学方程式发生反应：

MnO₂+C＝MnO+CO(燃料气化)

MnO₂+CO＝MnO+CO₂

MnO+C＝Mn+CO

这些反应一般在900℃以下发生，并且MnO的最终还原仅用固体碳进行。反应为高度吸热的。在氧化镍(II)(NiO)的情况下，根据以下化学方程式发生反应：

NiO+C＝Ni+CO(燃料气化)

有利的是，如上文所描述的熔炼设备10利用限定水平轴的水平定向的圆柱形炉12，其将箱概念的低高度方法与圆柱形方法的固有耐火材料稳定性组合。

根据另一实施例，熔炼设备10可用于处理矿场和钢厂废产品。

根据另一个实施例，熔炼设备10可与广泛范围的碳源一起使用。如上文所提及，碳源可包括但不限于煤、木炭、焦炭、石油焦和生物质(即，锯末)等。

根据又一实施例，熔炼设备10可用于其它金属，如但不限于来自银、铜和其它贱金属的矿石的所述金属。

熔炼设备10具有水平定向的圆柱形炉12。可通过使炉12更长而容易地扩增操作熔炼设备10的系统容量。直径和长度都可以是可变的。因此，使长度加倍将使生产率加倍，并且使直径加倍将使生产率变为四倍。

根据一实施例，炉12的内径可在约3米到约6米之间变化，并且炉12的长度可在约6米到约30米之间变化，随所需生产能力而变。举例来说，熔炼设备的生产能力可以是每天约1,500吨或较多的熔融金属。

熔炼设备10可进一步包括但不限于热空气递送选项、风口(即，陶瓷风口、铸造金属水冷风口和/或未冷却陶瓷风口)、连续铸造、原料装料选项等(未图示)。

根据另一实施例，炉12可利用静态多点原料装料系统填充以将原料提供到原料入口20并且进入炉12。

根据一实施例，熔炼设备10可以各种大小提供，或可设计成可缩放以便接受各种装载量的起始材料。举例来说，熔炼设备10的炉12可通过调整其长度而可缩放以便符合特定生产要求。举例来说，炉12可配置成用于熔炼市场容量至少为每年500,000吨的铁矿石、市场容量通常为每年50,000吨的铁合金或市场容量通常为每年10,000吨的钒铁。

有利的是，炉12具有低高度设计，这消除了对高反应性燃料，如但不限于冶金焦炭的需求。炉12的低高度设计还消除了对炉12下方重要结构支撑的需求。

炉12可具有从内表面14延伸的耐火材料内衬，其在操作条件下固有地稳定。这种配置使得炉寿命长并且操作条件稳定。

熔炼设备的操作

在实施例中，公开了熔炼设备在用于熔炼矿石的各种制程中的操作。

仍参看图1，在熔炼设备10的操作期间，燃料通过燃料入口18装入炉12。燃料可以是块状含碳燃料或任何其它合适的燃料。燃料可以连续地装入炉12。或者，燃料也可以分批进料到炉12中。燃料入口18可位于炉12的侧面上，或位于炉12的外围的任何位置，以便流体连接燃料入口18和炉12。

原料通过原料入口20装入炉12。原料可连续地装入炉12或以分批操作装入炉12。原料可通过原料入口20在炉12的顶部上进料。

热气可通过热气入口22注入炉12。热气可以是但不限于热风空气。热气可通过含碳燃料入口18下方的热气入口22注入，或在炉12的外围的任何位置注入。

燃烧空气通过燃烧空气入口24注入炉12。燃烧空气可以是燃烧后空气，并且可以但不限于在原料入口20的基部注入炉12。

含碳燃料随后在贫氧环境中气化以产生热燃料气，其由燃烧后空气燃烧，产生必需的热气组合物和温度以熔炼金属矿石。

熔炼的矿石下降到炉12的基部，在那里金属将与非金属组分(即，炉渣)分离。金属从炉12的金属出口26浇铸(或连续地浇铸)。应注意，金属出口26可位于炉12的底部。仅几英寸的熔融金属需要留在炉12的底部以防止来自底部的气体连通，以便防止氧气进入炉12。

可以通过在炉12的侧面上打开凹槽以允许炉渣离开炉12，或通过周期性地在炉渣高度处(在中间层处)在炉12的壁上钻孔以使得炉渣能够离开炉12，使炉渣通过炉渣出口30从炉12浇铸(或周期性地浇铸)。炉副产物气体(N₂、CO和CO₂)通过副产物热气出口32离开炉12以转移到环境处理和后续能量回收。应提及，副产物热气可以但不限于在热气(或热风)内重新使用、作为燃料出售、用于/出售以加热锅炉来发电等(取决于地理位置)。

在一实施例中，熔炼设备10在正压和还原性环境下连续操作。

在一实施例中，在熔炼设备10的炉12内部不存在燃烧，使得在正常操作下，炉12中的气体减少，并且任何泄漏将为从炉内部到大气中。

现参看图2并且根据另一实施例，炉12可包括气体燃烧器或热气产生器，其连接到气化燃料入口34，所述气化燃料入口34将替代含碳燃料入口18和热气入口22的使用(即，固体燃料和热空气喷射的使用)。燃烧的热产物可提供必需的热能以确保炉12的出口26、30处的熔融产物、金属和炉渣。主要装料材料、自还原性团块可能在其整体化学中调整以抵消整个炉化学平衡中的任何变化。

根据另一实施例，应注意，炉12的所有入口和出口18、20、22、24、26、30、32可包括为炉12的总长度和/或直径的函数的多个入口/出口。

如上文所描述的熔炼设备10的优点之一是圆柱形设计的水平定向，其利用圆柱形方法(垂直定向圆柱形方法)的耐压防护优点而无高构建的成本缺点，同时避免与矩形方法(水平定向矩形方法)相关的耐火材料不稳定性。根据如上文所描述的熔炼设备10的配置，不采用感应/电加热(即，其成本高且效率较低)以将热量提供到炉12的内部，制程所需的所有热量由装入炉12的碳(即，块状含碳燃料)产生。此外，炉12是固定的；即，其不旋转。

根据熔炼设备10的配置，另一优点是炉12中不存在熔融金属的积聚，并且制程不依赖于这种积聚。所产生的所有金属从炉12连续地浇铸。

使用熔炼设备的矿石熔炼制程

在实施例中，公开了熔炼设备10在用于熔炼铁矿石和/或各种铁合金的各种制程中的用途。还公开了用于从用于熔炼铁矿石和各种铁合金的制程期间形成的一级和二级炉渣回收非铁金属和关键或微量元素，如有价金属或贵金属的实施例。

现参看图3并且根据一实施例，示出熔炼设备10，其用于火法冶金制程30(例如矿石熔炼)与湿法冶金制程40(例如矿石浸出)的组合，用于以有成本效益的方式生产高价值生铁60和/或提取有价金属或贵金属。如图3中所示，组合火法冶金/湿法冶金制程50使用通过磁分离步骤54从矿石分离的磁铁矿52和从湿法冶金制程40的酸再生步骤42获得的氧化铁(II)(FeO)56(或任何其它形式的氧化铁，例如Fe₃O₄和Fe₂O₃(赤铁矿))作为起始材料。或者，磁铁矿52可通过所属领域中已知的任何其它方式分离，如通过浮选、密度等。再或者，可使用任何其它合适的起始材料，如含有铁和/或有价金属或贵金属的废料，并且其可通过所属领域中已知的任何方式生产并提供到熔炼设备10。

在一实施例中，组合制程50中使用的熔炼设备10的进料的起始材料具有超过约50％ Fe含量并且可以呈任何形式的氧化铁(例如FeO、Fe₃O₄、Fe₂O₃(Fe₂O₃))。

为了给熔炼设备10提供动力，煤、生物质、塑料废料和/或任何其它低成本材料源56用作能量源以操作组合制程50。实际上，熔炼设备10可用广泛范围的含碳材料作为能量源和化学还原剂两者操作，如，轴承废料和废弃塑料材料。此类废料的处理一般可能是能量密集型处理，并且这种能量需求可以由作为副产物气体的废气58有效地满足。

作为在组合制程50中操作熔炼设备10的有成本效益的方式的一部分，收集在火法冶金制程30期间由熔炼设备10产生的废气58，并且将其用作能量源以操作湿法冶金制程40的酸再生步骤42。这提供了对湿法冶金酸性溶液的低成本酸再生替代方案。举例来说，对于生产的每一吨生铁，可产生10GJ的当量过量气体，其可用于湿法冶金制程。在铁合金的情况下，可产生约10与约15GJ之间的当量过量气体。或者，源自废气58的能量源可用于湿法冶金制程的任何其它步骤，如煅烧步骤、加热步骤、蒸发步骤等。

此外，组合制程50为非铁金属行业提供自给式解决方案，其将含铁废料转化成高价值可销售产品，并且因此消除了填埋含铁废料的需要。根据本发明，所回收的所有形式的含铁废料可从任何形式转化为生铁。实际上，采矿行业中的非铁金属提取通常产生大量铁废料，所述铁废料当前以填埋回挖掘区域的固体废料形式返回到环境中。此外，通过酸再生回收氯化物溶液中的铁一般成本极高且能量密集，并且所生产的赤铁矿单元通常不存在用户。一般来说，处理铁材料以符合环境法规的成本高到足以使非铁金属矿场或化学处理中心的商业化高并且不经济。水处理行业有氯化铁市场，但这容易饱和并且是非常面向地区需要的。通过将铁转化为生铁，尾矿减少，并且能量/气体副产物可用于湿法冶金制程且为酸再生单元供应气体，从而解锁了非铁金属矿的价值。生铁具有高价值并且有助于解决这些行业的能源挑战，同时通过将更多废料流转化成可用产品来减少环境影响。

至于通过酸再生回收氯化物溶液中的铁一般成本极高且能量密集，并且通常不存在用户生产赤铁矿单元。一般来说，处理铁材料以符合环境法规的成本高到足以使非铁金属矿场或化学处理中心的商业化高并且不经济。水处理行业有氯化铁市场，但这容易饱和并且是非常面向地区需要的。通过将铁转化为生铁，尾矿减少，并且能量/气体副产物可用于湿法冶金制程且为酸再生单元供应气体，从而解锁了非铁金属矿的价值。生铁具有高价值并且有助于解决这些行业的能源挑战，同时通过将更多废料流转化成可用产品来减少环境影响。

在一实施例中，由熔炼设备10产生的产物流包括(i)金属生铁、金属铁合金(FeMn和/或FeNi)以及炼钢中的高价值材料；以及(ii)至少一种熔炼制程炉渣，其经化学控制以作为液体产生，其中所需微量元素或有价金属或贵金属的比例增加约4倍与约5倍之间。

在一实施例中，组合制程50和熔炼设备10用于处理含有非铁金属(如锰(Mn)、镍(Ni)、钒(V))、一些稀土金属和其合金的矿石。那些非铁金属和其合金在熔炼期间不还原而保持为金属氧化物，并且主要在熔炼期间形成的一级炉渣(其还含有例如MgO、CaO和二氧化钛(TiO₂))中发现且回收。一些关键或战略元素，如钒和钪(Sc)也可在一级炉渣中发现，但也可在二级炉渣中发现(见下文)。这些关键或战略元素通过湿法冶金制程从一级和二级炉渣回收。通过浸出或选择性浸出循环并且通过液-液分离(例如使用树脂或通过溶剂萃取)从一级炉渣提取非铁元素。

在一实施例中，关键或微量元素，如钒、钪和一些稀土金属在二级炉渣中浓缩高达20倍。举例来说，在钒的情况下，一般在一级炉渣发现约50％并且在生铁中发现约50％。钪和其它贵金属在一级炉渣和生铁中以类似于钒的量的量发现。各种关键元素一般也发现于一级炉渣和生铁中，将在二级炉渣中收集或以百分比收集。通过改变炉渣pH并且产生二级炉渣，钒、钪和一些稀土金属在二级炉渣中以更好的铁和盐金属(如Mg和Ca)比率浓缩，从而改进回收钒、钪和一些稀土金属的操作成本。熔融生铁中的金属化关键元素可在二级炉渣中回收。这有助于将体积减小初始起始体积的1/10到1/60。另外，炼铁制程减少尾矿且为湿法冶金制程提供能量，并且通过将富铁尾矿转化成可销售产品来提高IRR。

在一实施例中，在熔炼设备10的操作期间形成二级脉石流。二级脉石流冷却成固体，并且被压碎。压碎的脉石流用浓硝酸处理，浓硝酸主要且选择性地溶解脉石的CaO和MgO部分，留下SiO₂和Al₂O₃作为主要剩余化合物。接着，用HCl或硫酸浸出通过液-液分离(例如使用树脂或通过溶剂萃取)实现聚焦的金属的回收和纯化目标。与矿石相比，在剩余固体中有价金属或贵金属浓缩两倍。所得金属硝酸盐液体流可用作进一步加工为肥料的原料。接着将可能含有SiO₂、Al₂O₃和其它有价金属或贵金属的剩余固体流溶解在盐酸中。所得液体通过一系列有机液体处理以基于浓度和货币价值优先去除个别元素。为了再循环用于浸出的酸并且降低成本，所使用的酸使用熔炼设备10的废气作为能量源进行再生。

二级脉石流的处理需要用于例如蒸发或加热或酸再生的能量。HCl是允许酸再生的唯一物质。更多酸再生通过为进行此操作提供能量并且产生HCl和铁单元的完全回收而实现。酸再生也适用于MgCl₂。举例来说，富铁溶液的最高产量是当铁呈Fe³⁺形式FeCl₃时，因为Fe³⁺产生185到210gpl，而Fe²⁺最多产生140gpl。

在一实施例中，熔炼设备10产生(i)生铁，铁含量为94％或更高；(ii)呈不同比率的锰与铁的锰铁形式的锰，总金属含量为94％或更高；(iii)呈不同比率的镍与铁的镍铁形式的镍，总金属含量为94％或更高；以及(iv)取决于V₂O₅之比率呈不同比率的钒铁形式的钒，总金属含量为94％(添加铁)。

在一实施例中，组合制程50和熔炼设备10与所属领域中已知的作为加速铁矿石熔炼反应的方法的自还原性球粒或团块一起使用。在这种情况下，熔炼设备10的可扩展性和自还原性团块的使用允许经济地熔炼含铁矿石和被其它金属污染的废料。特别地，自还原球粒或团块方法的功能性依赖于将熔炼所需的所有细磨材料，如矿石、适当废料、燃料和助熔剂与功能性粘合剂紧密混合和聚结。这些材料的聚结产生自给式系统，其在暴露于所需热输入和熔炼环境时，还原为金属和熔融炉渣。

在一实施例中，自还原性团块也可使用脱除挥发份的生物质。

在一实施例中，熔炼设备10有利地替代常规高炉，不需要炼焦煤，并且在组合制程50的操作期间使用低到中挥发分热煤。

在一实施例中，熔炼设备10比常规高炉(一般大小更大)更有效，使得在约20分钟期间操作熔炼设备10提供与操作常规高炉约8小时相同的熔炼结果。

在一实施例中，熔炼设备10可有利地替代通常以双壳形式操作并且一般成本大于资本支出4倍的昂贵电炉。

有利的是，归因于水平和圆柱形设计，本发明的熔炼设备10可用于以与使用高炉相比显著较低的成本产生铁合金，如锰铁、镍铁和钒铁。

本发明的熔炼设备的另一优点是其可以熔炼原本需要烧结或粒化以适合于熔炼的矿石。这又允许将熔炼制程通常需要的CO₂减少约20％到约30％之间，并且因此降低操作成本。通过消除球粒聚结制程，排放的CO₂减少20％。通过消除烧结制程，与利用高炉的常规炼铁相比，排放的CO₂减少30％。另外，归因于在组合的自还原性团块和熔融用热风情况下的较快反应时间，熔炼设备10可使用焦炭、冶金煤和/或较不理想的煤(例如低挥发分和中挥发分煤)用于自还原性团块，并且使用任何类型的热煤用于能量部分。或者，天然气、氢气和电力都可以用作熔炼设备10的能量源。

有利的是，本发明的熔炼设备10可在不需要一般用于熔炼情况的焦炭和/或焦炭的情况下操作。

虽然已经在上文中描述且在附图中示出优选实施例，但所属领域的技术人员将显而易见，可在不脱离本公开的情况下作出修改。此类修改被视为包含在本公开的范围内的可能变型。

Claims (18)

1.一种用于熔炼金属矿石的熔炼设备，所述熔炼设备包含圆柱形炉，所述圆柱形炉包括：

-连续弯曲壁，其较长轴沿水平方向，和

-端壁，其接合所述连续弯曲壁且从而在所述水平方向上限定纵向体积，所述连续弯曲壁具有最下区域，其中所述纵向体积分成至少三个纵向层，其包含顶层，气化燃料在所述顶层内燃烧以产生温度足以从所述金属矿石中释放至少熔融金属和炉渣的热气组合物；

最下层，其在所述最下区域处用于容纳熔融金属的；以及

中间层，其在所述最下层上方的，所述炉渣积聚在所述中间层中。

2.根据权利要求1所述的熔炼设备，其进一步包含在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于将所述金属矿石供应到所述炉的原料入口，以及在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于在所述炉中提供用于诱导燃烧的空气的燃烧空气入口。

3.根据权利要求2所述的熔炼设备，其进一步包含在所述连续弯曲壁的所述最下区域中与所述最下层成流体连通以用于允许熔融金属连续且选择性地离开所述炉的熔融金属出口。

4.根据权利要求3所述的熔炼设备，其中副产物气体从所述金属矿石和热气组合物中释放，并且进一步其中所述连续弯曲壁包含最上区域，其包含流体连接到所述炉为所述副产物气体提供离开所述炉的出口的副产物热气出口。

5.根据权利要求4所述的熔炼设备，其进一步包含在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于将燃料供应到所述炉的燃料入口；以及在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于将热气供应到所述炉以气化所述燃料从而产生所述气化燃料的热气入口。

6.根据权利要求4所述的熔炼设备，其进一步包含用于提供气化燃料的热气产生器，以及在所述连续弯曲壁内与所述顶层成流体连通以用于将气化燃料供应到所述炉的气化燃料入口。

7.根据权利要求1所述的熔炼设备，其中所述炉包含内表面，所述内表面内衬有耐火材料。

8.根据权利要求1所述的熔炼设备，其进一步包含以操作方式连接到所述炉以用于冷却所述炉的外表面的冷却系统。

9.一种用于熔炼金属矿石的制程，其包括：

-提供通过湿法冶金从所述金属矿石产生的磁铁矿和/或氧化铁；

-通过气化产生热还原性环境；以及

-使所述磁铁矿和/或氧化铁与所述热还原性环境接触以产生熔融金属，

其中所述接触在熔炼设备中进行，所述熔炼设备包含圆柱形炉，其具有较长轴沿水平方向的连续弯曲壁，和接合所述连续弯曲壁且从而在所述水平方向上限定纵向体积的端壁。

10.根据权利要求9所述的制程，其中所述磁铁矿在湿法冶金期间通过磁分离、密度或浮选产生。

11.根据权利要求9所述的制程，其中Fe₂O₃在湿法冶金期间通过溶剂萃取和酸再生产生。

12.根据权利要求9所述的制程，其中所述磁铁矿、所述氧化铁和/或所述热还原性环境包含除焦炭或煤以外的碳源。

13.根据权利要求9所述的制程，其中所述热还原性环境通过含碳材料的气化产生。

14.根据权利要求9所述的制程，其中所述氧化铁与所述热还原性环境的所述接触进一步产生用作所述湿法冶金或生物质脱除挥发份的能量源的副产物气体。

15.根据权利要求13所述的制程，其中所述能量源用于所述湿法冶金的酸再生。

16.根据权利要求9所述的制程，其中所述熔融金属为生铁。

17.根据权利要求9所述的制程，其中所述熔融金属为铁锰合金、铁镍合金和/或铁钒合金。

18.根据权利要求9所述的制程，其用于熔炼含有微量元素的金属矿石，其中所述磁铁矿和/或氧化铁与所述热还原性环境的所述接触进一步产生含有所述微量元素的炉渣。

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