CN1229505C - 生产金属铁的方法及原料供给装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产颗粒金属铁的方法，包括：在还原熔化炉中加热包含碳质还原剂和含氧化铁的物质的成形原料，使成形原料中的氧化铁进行固态还原；将从固态还原得到的还原铁用含碳质还原剂中含有的碳进行渗碳，使还原铁熔化，同时分离出成形原料中含有的脉石组分，并使得到的熔融金属铁凝聚成颗粒金属铁，其中在渗碳和熔化阶段在成形原料附近存在的大气气体具有不小于0.5的还原度。本发明还涉及生产金属铁的方法，包括在炉床耐火材料上形成含有在还原熔化过程中生成的炉渣的沉积层，以此来保护炉床耐火材料以生产金属铁。本发明还涉及向适用于生产金属铁的移动炉床型还原熔化炉的炉床供给辅助原料的装置，该装置包括与熔炉顶部垂直连接的供料管道。

Description

生产金属铁的方法及原料供给装置
本发明是涉及用碳质还原剂如焦炭加热来生产金属铁过程中氧化铁如铁矿石的还原技术的改进。更具体地说，本发明是一种改进了的方法，它能够有效地将氧化铁还原成金属铁，是通过简化的处理而有效地将包含在铁矿中的脉石等炉渣形成组份与以炉渣形式的金属铁分离开来，以此得到高产率的高纯度颗粒金属铁。
本发明还涉及为了保证稳定化连续生产而改进了的生产金属铁的方法，是通过使用一种移动炉床型还原熔化炉来减少对炉床耐火材料的损害，而对炉床耐火材料的损害是从包含碳质还原剂和含氧化铁的物质的成形原料生产金属铁过程中的一个问题。
本发明还进一步涉及一种改进了的供给装置，用于有效地供给辅助原料如大气调节剂进入移动炉床型还原熔铁炉的炉膛。
竖式窑生产方法，为米德雷克斯生产方法(Midrex process)的代表，它是通常已知的技术，是作为使用碳材料或还原气体直接还原氧化铁源如铁矿或氧化铁而得到还原铁的直接制铁方法。按照这种类型的直接制铁方法，一种制自天然气的还原气通过在竖窑下部所限定的进风口吹入熔铁炉中并通过还原气的还原能力将氧化铁还原成金属铁。人们的注意力最近集中于另一种还原铁的生产工艺方法，它是使用碳材料如煤来代替天然气作为还原剂，和一种称为“SL/RN”的生产方法已投入实践。
美国专利No.3,443,931披露了另一种制铁法，其中是将碳材料和粉状氧化铁一起混合并形成块状或粒状，通过在旋转炉床上加热使其还原来生产还原铁。
美国专利No.5,885,521披露了一种技术，其中将在烘干炉中烘开了的还原铁的颗粒原料，通过一个供料管供入炉床中，该供料管是通过移动炉床型熔炉的顶部向下延伸至炉床的邻近部位，而还原铁的颗粒原料的层厚度主要是用装在供料管前端侧面上的一个颗粒匀平器来调节，并进一步用装在炉床移动方向的颗粒匀平器下游的平滑器来调节。
而且，已知例如DIOS方法的熔融还原方法是作为直接还原氧化铁成还原铁的方法。根据此方法，氧化铁被预先还原至约30％的还原率，此后用在铁浴中的碳将这样的氧化铁直接进行还原反应，直到氧化铁转变成金属铁。
日本专利公报杂志No.HEI-8-27507披露了另外一种直接还原的制铁方法，其中是将含有脱硫剂的碳质还原粉层和氧化铁粉层彼此堆叠于移动炉床上，并将此堆叠物加热而得到海绵铁。
日本专利公报杂志No.HEI-11-106812披露了一种技术，其中将含有铁矿石的原料和一种固体还原剂通过一个管形加料孔供入旋转炉床型熔炉(还原炉)内，所说的加料孔是由熔炉的顶部通过分配壁到炉床上，装载着原料的炉床移动使原料在熔炉内于一次操作工序中被还原，然后卸出。这种技术的特征是已经还原了的高温矿石下到分配壁，利用还原矿石的辐射热来预热分配壁上的原料，同时温度降低了的还原矿石便通过卸料口而排出。
本发明的发明者们作了长期研究，旨在开发一种技术，该技术能够从含有相对低铁含量的铁矿石中以及通过简单的处理从具有较高铁含量的氧化铁中有效地制得具有高铁纯度的金属铁。以下方法是以前在日本专利公报杂志No.HEI-9-256017中已经提出的研究结果的发展。
该方法的特征在于通过加热来还原一种含有碳质还原剂和氧化铁的成形体而生产金属铁的，通过加热使氧化铁以固体状态被还原而形成和生长一种金属铁皮层，通过加热的还原可继续进行直至内部不再存在氧化铁为止，并且还继续加热以引起内部产生的炉渣流出金属铁皮层，以此使金属铁与炉渣彼此分离开来。
本发明提供了一种生产颗粒金属铁的方法，其特征在于该方法包括：将含有碳质还原剂和含氧化铁的物质的包含硫的成形原料在移动炉床型还原熔化炉中加热，使在成形原料中的氧化铁经受固态还原；和将从固态还原得到的还原铁用在碳质还原剂中所含的碳进行渗碳以引起还原铁熔化，同时分离出成形原料中所含的脉石组分，并引起得到的熔融金属铁凝聚成颗粒金属铁，其中在渗碳和熔化阶段中在成形原料附近存在的大气气体具有不低于0.5的还原度，且成形原料在制备过程中与氧化钙源一起混合，以调节成形原料中所含炉渣形成组分的碱度(CaO/SiO2)至0.6-1.8范围内。
按照本发明的一方面，已经提供了一种生产颗粒金属铁的方法，该方法包括：在一还原熔融炉中加热包含碳质还原剂和含有氧化铁的物质的成形原料，使在成形原料中所含有的氧化铁经受固态还原；用在碳质还原剂中所含有的碳对从固态还原产生的还原铁渗碳，以引起还原铁熔化，同时分离出在成形原料中所含有的脉石组分并引起所产生的熔融金属铁凝聚成颗粒金属铁，其中，在渗碳和熔化步骤中在成形原料附近存在的大气具有不小于0.5的还原度。
按照本发明的另一方面，已提供了一种生产金属铁的方法，该方法包括：在炉床耐火材料上形成含有炉渣的沉积层，所述炉渣是在还原熔融过程中产生的，从而在生产金属铁的同时保护炉床耐火材料。
按照本发明的另一方面，已提供了一种向适合于生产金属铁的移动炉床型还原熔融炉的炉床供给原料和辅助原料的装置，该装置包括一个与熔炉顶部垂直连结的供料管道。
通过阅读以下参照附图的详细说明，将清楚了解本发明的这些和其它特征及附带优点。
图1是说明用于本发明中的还原熔化设备的简视图；
图2是相当于在图1中A-A线上截取的截面视图；
图3是沿纵向展开的图1中设备的解释性截面视图；
图4说明各参数变化简图，即大气温度、成形原料的温度、还原率、以及在本发明中所使用的两步加热系统中通过固态还原阶段和熔化阶段的CO废气和CO2废气量等的变化；
图5也是说明各参数的变化简图，即在成形原料中所含氧化铁的金属化百分率和通过固态还原阶段和熔化阶段的残留FeO的量的变化；
图6是说明当金属化百分率达到100％时在还原铁中的残留碳量和在最后得到的金属铁中的残留碳量之间的关系；
图7是说明在金属化百分率和还原率之间的关系；
图8是说明在成形原料中的温度的变化和使用或不使用煤粉作为大气调节剂的大气气体的还原率的变化；
图9是根据本发明一优选实施方案说明移动炉床型熔炉主要部分的结构示意截面视图；
图10是在图9中A-A线上截取的截面视图；
图11是说明本发明另一优选供料装置主要部分的视图；
图12是说明本发明另一优选供料装置主要部分的视图；
图13是说明本发明另一优选供料装置主要部分的视图；
图14是说明在实验生产中在渗碳-熔化后立即状态中的金属铁和炉渣的照片；
图15是证明在实验中降低金属铁的硫含量的效果曲线，其中将CaO源故意加入已成形的原料中来调节炉渣的碱性。
图16是说明所产生的炉渣的碱性和得到的金属铁的硫含量之间关系的曲线图；
图17是说明本发明所使用的制铁-制钢总生产系统的解释视图；
图18是说明采用本发明时所形成的炉渣沉积层的状态的概念视图；
图19是说明按照本发明另一实施例是如何改进炉床的概念视图；
图20是说明按照本发明又一实施例是如何改进炉床的概念视图；
图21是说明按照本发明又一实施例是如何改进炉床的概念视图；
图22是说明当大气调节剂的上层形成时，炉床的改进情况的概念视图；
图23是说明当大气调节剂的上层形成时，另一炉床改进情况的概念视图；
图24是说明在一实施例中所用的金属铁生产过程中原料配方，产品的比例和组成等的解释线图；
图25是说明在本发明一实施例中所得到的样例金属铁的照片；
图26是说明在另一实施例中所用的金属铁生产过程中的原料配方，产品的比例和组成等的解释线图；以及
图27是显示当在成形原料附近存在的大气气体在渗碳-熔化-凝聚阶段中具有小于0.5的还原程度时，所得到的金属铁的状态照片。
本发明的发明者们已继续进行了研究，进一步改进了上述公开的发明。针对这样一种改进的研究主要是由在渗碳-熔化阶段中的条件控制组成，以便通过抑制金属铁的再氧化来提高金属铁的纯度和产率，所述再氧化是由于在固态还原阶段之后，特别是在渗碳-熔化阶段中氧化气体如CO2或H2O所致。
结果发现，当固态还原进行时，虽然通过由成形原料中所含大量碳质还原剂和氧化铁之间的反应产生的还原气体(主要是CO)使在成形的原料附近存在的大气气体的还原能力被保持得较高，然而，这样生成的还原铁，很可能在固态还原的最后阶段和随后的渗碳-熔化阶段中发生再氧化，这是因为在这些阶段中所产生的CO量被减少了，而氧化气体如CO2气体的浓度或H2O含量在这些阶段中会变得相当高，所说的CO2和H2O是从用来加热的燃烧品燃烧中产生的废气。
因而，本发明的目的是确立一种技术，该技术能够减少在固态还原最后阶段和此后，特别是在金属铁生产的渗碳-熔化阶段中，金属铁的再氧化，以此来有效地生产颗粒状金属铁，它在高产率的铁中具有高金属化百分率和高纯度。
本发明的另一目的是要确立一种技术，它能减少在金属铁生产过程中所产生的熔融FeO引起的对炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀，以保证炉床耐火材料有长的寿命，以此提高设备的可保养性并保证长期连续生产。
本发明还有另一目的是确立一种技术，它能将辅助原料供到炉床上，其方式是要求形成一薄层的辅助原料，该原料在炉床的横向方向上是均匀的。
一方面，本发明方法的特征在于还原熔化已成形的原料，该原料包含氧化铁源如铁矿石，氧化铁，或它们的部分还原产物(在下文中视情况而定称为“铁矿石等”)和碳质还原剂如软木(cork)或煤(下文视情况而定称为“碳材料”)以生产颗粒状金属铁，在生产的最后阶段，特别是在渗碳-熔化阶段，适当地控制大气的条件以防止已还原了的铁再氧化，以此有可能生产具有高纯Fe的颗粒状金属铁，同时抑制由于金属铁的再氧化而产生FeO，从而减少对炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀。下面将结合说明本发明各实施例的一些附图对本发明的一些具体特征作详细描述。
图1-3是说明本发明发明者们开发的移动炉床型还原熔化炉的一实施例的示意图，本发明已应用此还原熔化炉。该熔炉是属于拱顶结构，具有一个旋转炉床。图1的视图是说明熔炉的构造；图2是相当于在图1的A-A线截取的截面视图；图3是说明在图3中的熔炉的示意说明图，是沿旋转炉床的旋转方向展开的，以便容易了解。在这些附图中，参考字符1是指旋转炉床，它被设计成被一未示出的驱动装置以适当转速进行驱动旋转，而参考字符2是指一覆盖着旋转炉床的炉体。
本发明应用的移动炉床型还原熔化炉，并不限于图1-3所示的形状和结构，本发明还可有效地应用任何其它结构如直的炉栅型结构的移动炉床型还原熔化炉，只要熔炉具有移动炉床作为必需部件。
该炉体2在其适当的壁表面上装设有多个燃烧器3，由这些燃烧器3产生的燃烧热和其辐射热被传递给在旋转炉床1上的成形原料，在加热下引起成形原料的还原。作为优选实施例所示的炉体2，具有以三个分配壁K1，K2和K3分配进入第1区域Z1，第二区域Z2和第三区域Z3及第四区域Z4的内部空间。在旋转炉床1的旋转方向上在炉体2的最上游一侧，面向旋转炉床1放置着原料和辅助原料供给装置4，而卸料器6是装设在旋转方向的最下游一侧。需注意的是，由于炉床1是属于旋转型，可以说卸料器6是装设在供料装置4的直接上游一侧。
在还原熔化炉操作时，成形的原料片块，包括铁矿石等和碳材料是从供料装置4供送到以预定速度旋转的旋转炉1上，其方式是形成具有适当厚度的一层原料。加入到炉床1上的成形原料，在通过区域Z1的过程中经受燃烧器3所产生的燃烧热及其辐射热，结果是在成形原料中的氧化铁在加热下被还原，同时由于在成形原料中所含的碳材料以及通过碳材料的燃料产生的一氧化碳，使其保持固体状态。此后，成形原料进一步在加热下在第二区域Z2中被还原而生成基本上是安全还原了的还原铁。然后，所得到的还原铁在第三区域Z3中的还原大气下通过进一步加热被渗碳和熔化，其结果是还原铁凝聚成颗粒状金属铁，同从从作为副产物产生的炉渣中分离出来。这样生产的颗粒金属铁通过在第四区域Z4中的任何冷却装置C被冷却和固化，随后由位于其下游的卸料器6耙出。在此时，作为副产物所产生的炉渣也与金属铁一起排出。将这些金属铁和炉渣通过一个加料斗H送入所需要的分离装置(一个筛或磁性选取器)中，使彼此分离。最后，可得到金属铁，它具有的铁纯度为约95％或更高，优选约98％或更高，并有极低的炉渣含量。
虽然在附图中第四区域Z4是向外部大气敞开的，然而最好是熔炉基本上用一盖子密闭起来以减少热消散并使内部大气得到适当调节。虽然所示熔炉的内部空间用三个分配壁K1，K2和K3分配进入第1区域Z1，第二区域Z2和第三区域Z3及第四区域Z4，但本发明不限于这样的分配结构，当然可作适当的改变以适应熔炉的尺寸大小，目标生产容量，操作系统等。然而，在本发明中最好是至少一个壁是装设在相当于还原-加热过程的前半段的固态还原区与相当于其后半段的渗碳-熔化-凝聚区之间，以便使熔炉中的温度和大气气体按照一个区域得到控制。
而且，在本发明中最好是，固体还原成熟区至少被装设在相当于加热还原前半段的固态还原区与相当于后半段的渗碳-熔化-凝聚区之间，并且在区域基础上来调节熔炉中的温度和大气气体。
正如从图3可清楚地看出，第一区域Z1是固体还原区和第二区域Z2是固体还原成熟区，以及第三区域Z3是渗碳-熔化-凝聚区。在固体还原成熟区中，炉中的大气气体的还原程度是随着条件如添加天然气，COG气体，甲烷气等而上升，保持炉内部的温度为能维持成形原料为固体的温度。结果，由于成形原料的颗粒度大小分布，炉内状态的多相性等产生的在成形原料的还原率方面的分散作用减少，而整体成形原料的还原率上升。以及在渗碳-熔化-凝聚区中成形原料的渗碳和熔化(它继续滞后)是稳定的。
当在还原熔化过程的还原(固态还原)阶段中的大气温度太高时，更具体地讲，当大气温度变得高于炉渣成分的熔点时(炉渣包括含在原料中的脉石组分，在还原过程的某一时期内的未还原的氧化铁等)，具有低熔点的这种炉渣成分便熔化并与耐火材料反应，形成移动炉床而引起耐火材料的腐蚀或磨蚀。因而炉床的平滑性不能保持。而且当氧化铁被加热到大大超过在固体还原阶段中用于还原的需要，则FeO作为在原料中所含的氧化铁便在被还原之前熔化，因此，这叫做“熔化还原”(这是一种现象，即氧化铁在熔化时还原了，这不同于固态还原)，在其中熔融的FeO与在碳材料中所含的碳(C)快速进行反应。虽然熔化还原也能得到金属铁，但是熔化还原会产生具有高流动性的含FeO炉渣，它会引起炉床耐火材料的严重腐蚀或磨蚀。因而难于保证连续生产，而连续生产是实际使用时对炉的要求。
虽然这种现象是受到铁矿石的种类和形成成形原料的碳材料或在粘合剂中所含炉渣形成组分的组成等的影响，然而已发现当固态还原中的大气温度高于约1400℃时，如上所述低熔点的炉渣便渗出而引起炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀，以及当大气的温度超过1500℃时，不需要的熔化还原便开始进行，无论什么种类和牌号的铁矿石或类似原料均如此，其结果是炉床耐火材料遭受严重腐蚀或磨蚀。
图4表示反应情况，是在成形材料(为具有直径16-19mm的颗粒形式)含有铁矿石作氧化铁源和煤作为碳质还原剂的情况下，供料进入熔炉中，控制保持大气温度在约1300℃的情况(由图线中的直线(1)表示)，进行固态还原直至还原率(从成形原料中所含氧化铁中除去的氧百分率)达到约100％，并将得到的还原铁供入熔化区，在直线(3)表示的时间点控制保持大气温度在约1425℃(以直线(2)表示)。图4还说明，通过预先插入成形原料的一个热电偶来连续测量成形原料的内部温度，熔炉内的大气温度，在还原过程中产生的二氧化碳和一氧化碳的浓度随时间的变化。
从图4可以看出，如果采用两步加热系统以引起还原进行到直至还原率(氧除去率)达到80％(以图4中的A点指示)或更高，优选95％(以图4中的B点指示)或更高，使成形原料在炉内保持为固体状态而不发生成形原料中所含炉渣成分的部分熔化，便能有效地和稳定地生产出颗粒状金属铁。具体而言，两步加热系统在熔炉的内部温度保持在1200-1500℃，更优选1200-1400℃范围内能够进行固态还原，并随后使熔炉的内部温度上升至1350-1500℃以还原残留的尚未还原的氧化铁，并引起得到的金属铁的渗碳-熔化-凝聚。
至于在图4中连续测得的大气温度随时间的变化，已经看到了当成形原料供入炉中时，从在实验开始之前规定的内部温度为1300℃起约有80-100℃的温度下降，此后内部温度逐渐上升，并在固态还原的最后阶段，又恢复起初的温度。由于在实验开始的温度下降是由炉的特性所引起的，如果对炉的加热方式加以改变的话，这种在初始阶段的温度下降是能减少的。
关于图4中以横坐标表示的时间，氧化铁的固态还原、熔化和凝聚通常能在大约10-13分钟内完成，虽然这种时间期限会依形成成形原料的铁矿石和碳材料的组成等因素而略有改变。
如果成形原料的固态还原进行时使还原率保持低于80％，随后通过加热熔化，便会发生低熔点炉渣从成形原料中渗出而引起炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀，如上所述。反之，如果在固态还原的最后阶段还原率保持80％或更高，优选95％或更高，并且随后进行渗碳-熔化-凝聚过程，则可进行成形原料中未还原的残留FeO的还原，因而炉渣的渗出可以减少，以此可保证稳定的连续生产而不会造成炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀。
适当的熔炉内部温度应处于1200-1500℃范围，优选1200-1400℃，在此温度下可保证较高的还原率，而无在第一阶段即图4所示的固态还原阶段中低熔点炉渣的渗漏。如果炉的内部温度低于1200℃，则固态还原速度变低，因而成形原料需在炉内停留较长时间，这样便导致较低的生产率。另一方面，如果内部温度为1400℃或更高，特别是高于1500℃，则在还原过程中发生低熔点炉渣的渗出，如上所述无论在原料中采用什么种类和品牌的铁矿石等均如此，都会引起炉床耐火材料的严重腐蚀或磨蚀，以此造成连续生产的困难。虽然也有这样的情况，即使用某种组成或比例的铁矿石作为原料不会在1400-1500℃温度范围内发生渗漏现象，然而这种情况出现的频率和可能性相当低。因而，在固态还原阶段的适合温度范围为1200-1500℃，优选1200-1400℃。在实际操作中，当然有可能在固态还原阶段的开始将炉的内部温度设定在1200℃或更低，然后在固态还原阶段后半段将温度值提高到1200-1500℃，使固态还原再进行。
将在固态还原区中用所需的固态还原处理过的成形原料传送到熔化区，在此处熔炉的内部温度升高至1425℃。在熔化区，成形原料的内部温度升高一段时间，临时降低至C点，然后再升高达到1425℃，即设定的温度。温度下降至C点似乎是由于在还原铁熔化时含有的潜热造成的热丧失所引起，因而，C点可看作是熔化的起点。熔化的起点基本上是由在还原铁粒子中的残留碳量决定的。在熔化起始点，由于被这样的残留碳和CO气的渗碳，这种还原铁粒子的熔点降低，因而还原铁迅速熔化。为了保证这种快速熔化，需要在经过固态还原的还原铁粒子中保留足够量的碳，以用于渗碳。残留碳量由掺混在成形原料中的铁矿石等与碳材料的比例决定。根据本发明的发明者们进行的实验，已发现如果碳材料起始就混入，其用量使在固态还原产物中的残留碳量(亦即多余碳量)不少于1.5％，当固态阶段中的最后还原率基本上达到100％，或者换言之当金属化率达到100％时，还原铁能够迅速地被渗碳，使其降低其熔点并引起在1300-1500℃温度范围内迅速熔化。需注意的是，如果在还原铁中的残留碳量少于1.5％，则还原铁的熔点不会足够低(由于用于渗碳的碳量不足)，因而需将温度升高至1500℃或更高用于熔化-加热。
完全没被渗碳的纯铁，具有熔点为1537℃。因而当加热至温度高于这一熔点时，还原铁被熔化。然而最好是实际熔炉的操作温度要尽可能低些，以便减少施加在炉床耐火材料上的热负荷。当进一步考虑作为副产物所产生的炉渣的熔点时，操作温度最好设定为约1500℃或更低。更具体地讲，最好对操作条件加以控制，使温度自图4中所示熔化阶段中的起始熔点(点C)起升高约50-200℃。这是因为为了固态还原和渗碳-熔化进行得更加平稳和更加有效，在渗碳-熔化阶段中的温度最好设定为高于固态还原阶段的温度约50-200℃，更优选约50-150℃。
在本发明中，进一步希望控制生产条件，使最后得到的金属铁中碳含量可估计为1.5-4.5％，更优选2.0-4.0％。这样的碳含量基本上决定于制备成形材料时掺混的碳材料量，和在固态还原阶段中大气的控制。碳含量的最低限度，特别是决定于固态还原最后阶段还原铁中的残留碳量和随后的停留时间(亦即渗碳量)。然而，如果固态还原的最后阶段中的还原率基本上达到100％而同时保证残留碳量为1.5％，最后得到的金属铁的碳含量可上升到高于上述范围的下限，如上所述。已经进一步发现，如果在还原铁中的残留碳量是4.0％或以上，当固态还原阶段完成时以及在随后的熔化阶段可允许进行渗碳-熔化-凝聚时，最后得到的金属铁的碳含量可上升到最大值，或4.8％。然而，为保证稳定的连续操作和更高产品质量的金属铁，残留碳量的优选范围为1.5％-4.5％。
作为大气气体，通过成形原料中含有的氧化铁与碳材料的反应，产生了大量的CO，因此在成形原料附近存在的大气借助于它自身掩蔽作用而保持高度还原。然而，这样的自身掩蔽作用在固态还原的最后阶段和接续的渗碳-熔化-凝聚是不能期望的，因所产生的CO气量在这些阶段中明显地减少了。
图5说明了关于固态还原产品的金属化率，残留FeO量及残留碳量间关系的测定结果。如图所示，随着固态还原的进行，亦即随金属化率的增加，残留的FeO量减少了。成形原料在炉中进行固态还原是保持在1200-1500℃，如在图4中和图5中的直线(1)所示，随后熔化区进行所得还原铁的渗碳-熔化-凝聚，在其中大气被高度还原并且通过控制其温度保持为高至1350-1500℃。金属化率，残留FeO量和在后阶段中的残留碳量之间的关系，相当于图5中直线(1)向右出现的一些曲线和变化。
图5中曲线(1)和(2)是表示金属化率与残留碳量之间的关系。具体地说，曲线(1)在这样的情况下出现，在金属化达到100％时，假定残留碳量为1.5％，而曲线(2)在这样的情况下出现，在金属化达到100％时，假定其残留碳量为3.0％。在实施本发明时，最好在制备成形原料时对混入的碳材料量加以调节，使残留碳量可绘出一高于曲线(1)的曲线。
需注意的是，即使在制备成形原料时掺混了固定量的碳材料，在金属化率达到100％时残留碳量会有稍许波动，这是由于在熔炉中大气气体的还原程度起伏所致。因而，推荐碳材料的掺混量，需按照在每次制备成形材料时炉操作中的大气气体的还原程度加以调节。在任何情况下，要混入的碳材料量必需调节，使在金属化率达到100％时最后的残留碳量预计为1.5％或更高。
图6说明了在达到100％金属化率时最后残留碳量与所得金属铁的C含量之间关系的测定结果。如图6所示，当残留碳量的范围为1.5％-5.0％时，可保证得到的金属铁的C含量范围在1.0％与4.5％之间，同时当残留碳量范围为2.0％-4.0％时，可保证得到的金属铁的C含量范围在1.0％与4.5％之间。
在上述情况下，是使用了两种指示，即金属化率和还原率来表示FeO的还原状态。这两种指示分别具有下述定义，并且它们之间的关系可以用如图7中所示的线图来表示。同时这二者之间的关系是随用作氧化铁源的铁矿石的种类或品牌而改变，图7是表示在磁铁(Fe3O4)用作氧化铁源情况下金属化率与还原率之间的关系。
金属化率＝[得到的金属铁/(得到的金属铁+铁矿石中含有的铁)]×100(％)
还原率＝(在还原过程中除去的氧量/在成形原料中所含氧化铁的氧量)×100(％)。
如上所述，在实施本发明所使用的还原熔化炉中，是用燃烧器来加热成形的原料。正如参照图4所作的描述，由于大量的CO气体和少量的CO2产生于向熔炉中投料的成形原料中所含的氧化铁源与碳材料之间的反应，所以在成形原料附近存在的大气通过在固态还原中成形原料所发射出的CO气体的掩蔽作用保持足够的还原。
然而，由于在固态还原阶段中期到末期所产生的CO气体量迅速减少而使这种自掩蔽作用受到减弱，因而大气越来越受到燃烧器燃烧产生的废气(包括CO2，H2O等的氧化气体)的影响。因而，已经以各种方式还原了的金属铁变得容易遭受再氧化。在完成固态还原之后的阶段中进行还原铁细颗粒的熔化和凝聚，这是由于在成形原料中所含残留碳的渗碳所引起的还原铁的熔点降低所致。而且在此阶段，自身-掩蔽作用是较差的，因而还原了的铁容易遭受再氧化。
因而，重要的作法是适当控制在渗碳-熔化区中的大气气体的组成，以减少这样的再氧化，同时让固态还原之后的渗碳-熔化-凝聚有效地进行。
后来，曾经研究了如何确定大气条件，让渗碳-熔化有效地进行，同时防止在完成固态还原后在渗碳-熔化阶段中的再氧化。
研究结果将参照图8描述于下，在此项研究的实验中，使用箱式电炉，使用粉状或颗粒状碳质材料作为渗碳-熔化阶段的大气调节剂，并采用一种在渗碳-熔化阶段中能保持高度还原大气的方法，该方法是通过将碳质材料分布在炉床上以形成具有适当厚度的一层。
更具体地讲，作为大气调节剂所使用的具有不同颗粒大小的不同类型的煤颗粒被展布在一个氧化铝浅盘上至厚度为约3mm，和将每个都具有直径为19mm的50-60块的成形原料放在盘上的一排中，这些块原料之一装有热电偶。将装有成形原料的盘放入箱式电炉中来测量在加热下成形原料的温度和测定所产生的气体成分，用来分析得到的金属铁再氧化的可能性。电炉的温度是设定最高可达到1450℃，而在炉中的大气气体起初成分为CO2：20％和N2：80％。
图8说明用热电偶检测到的成形原料的温度随时间推移的测量结果，和当炉中温度逐渐上升时大气气体成分的测定结果。在图8中横坐标表示温度，而纵坐标代表大气气体的简单还原程度[CO/(CO+CO2)]。在此附图中，是4次实验结果的作图。具体来讲，图线(3)代表未使用任何大气调节剂情况下得到的结果；图线(4)代表使用平均粒径不小于3.0mm的粗颗粒煤作为大气调节剂情况下得到的结果；以及图线(1)和(2)分别代表使用了细煤粉A和B，它们每个的粒径已调节至2.0mm或以下。图8还说明FeO-Fe的平衡曲线和Fe3O4-Fe的平衡曲线，是再氧化可能性的衡量尺度。在图8中的每个环绕区都表示时间，在此时在每次实验中随着固态还原基本完成便开始进行渗碳-熔化-凝聚。在此时控制大气气体条件在本发明中是最重要的。
从图8可看出，在图线(3)表示的未使用任何大气调节剂的情况下，在开始进行渗碳-熔化-凝聚的区域(C)，其位置大大地低于FeO-Fe的平衡曲线。这说明还原铁已全部熔化了并发生了部分的熔化还原。虽然在此情况下生产出了金属铁，然而发生熔化还原，这不仅造成熔融的炉渣从成形原料中渗出，而且产生熔融FeO，后者会造成炉床耐火材料的严重腐蚀或磨蚀，结果防碍了在工业上的实际生产，如前所述。
相反，在以图线(1)和(2)所表示的使用细粒煤粉的情况下，大气气体还原程度有了明显改善，以及还原铁开始渗碳-熔化-凝聚的区域(A)的位置高于FeO-Fe的平衡曲线，并保持在一不能产生FeO的区域。在以图线(3)所表示的使用粗颗粒煤的情况下，开始渗碳-熔化-凝聚的区域(B)是处于稍低于FeO-Fe的平衡曲线的位置。这意味着在该区域发生了轻微再氧化。然而，所得金属铁各组分的分析表明，再氧化几乎没有发生。
因而，已经证明，从固态还原产生的还原铁的渗碳-熔化-凝聚可允许平滑顺利进行而不会引起还原铁的再氧化，以此可有效地生产具有高Fe纯度的金属铁，其条件是需控制大气气体使其具有不低于0.5的还原程度，优选不低于0.6，更优选不低于0.7，最优选高于FeO-Fe的平衡曲线，至少在渗碳-熔化-凝聚阶段的开始。需要注意的是，虽然还担心在简单还原度为0.5-0.7情况下会发生实质上的再氧化，尤其当实验数据经过分析认为是这样的，但是测定大气气体的简单还原程度的实验已经进行了，并预计在具有实测还原程度为0.5-0.7的大气气体中没有发生再氧化，因为在成形材料内和附近实际存在的大气，通过在成形原料中存在的残留碳和大气调节剂，必需保持高度还原，并且还因为来自炉床上存在的向成形原料传播的大气中的氧化气体如CO2和H2O立刻被碳质材料的大气调节剂还原。当还原度低于0.5时，金属铁看来会被再氧化，如图27中所示，这将在下文中说明，同时渗碳难于进行，因此，金属铁凝聚成颗粒是难于进行的，这样以来，便产生一些壳状铁粒，它们部分含有作为卷入物的炉渣。由于这样的产品具有较低的Fe纯度和降级的形状质量，不能达到本发明的目的。
虽然在还原铁完成渗碳-熔化-凝聚后大气气体的还原程度迅速降低，但是熔融的和凝聚的金属铁，在实际生产时基本上完全从作为副产品的炉渣中分离出来，因而金属铁几乎不会受到大气气体还原程度下降的影响。当这样的熔融金属铁通过冷却固化时，便能有效地得到高铁品级的颗粒状金属铁。
由上述描述可明白，用作大气调节剂的煤粉，优选具有粒径小至3mm或以下，更优选细至2mm或以下，因为这样的细煤粉能够更可靠地抑制在渗碳-熔化-凝聚阶段的再氧化。当进一步考虑在实际生产中的产率和熔炉的可操作性时，这种煤粉的最优选粒径范围为0.3mm-1.5mm。虽然对需展布在炉床上的煤粉层的厚度没有特别的限制，然而优选厚度为约2mm或以上，更优选为3mm或以上，这是因为如果煤粉层太薄的话，作为大气调节剂的煤的绝对量会变得不足。虽然对煤粉层厚度的上限没有特别的限制，但从实用观点考虑，层厚度的上限优选约7mm或以下，更优选约6mm或以下，因为大气调节剂的大气调节作用会自然变得饱和，因此层厚度过厚是浪费的。任何CO生产源如软木或木碳都可用来代替煤作为大气调节剂。这样的CO产源既可单独使用，也可混合使用。
可燃气体如天然气，COG气，甲烷气等都可用作大气调节剂。在此情况下，在固态还原的最后阶段至渗碳-熔化-凝聚阶段过程中，通过引入这种气体到成形原料附近，可调节还原率。
大气调节剂可在将成形原料加入炉中之前展布在炉床上。在此情况下，大气调节剂还可用于保护炉床的耐火材料，防止在还原熔化过程中由于操作条件波动引起熔融炉渣渗出。当然，也较有效的是，在成形原料渗碳-熔化刚开始之前将大气调节剂加入到炉床上，因为大气调节剂预期在完成固态还原后会在渗碳-熔化-凝聚阶段起到保持作用。
此外，能产生还原气体的气体或还原气体如天然气，COG气和甲烷气也可用作大气调节剂。在此情况下，最好在分配壁中装设气体供给装置，从分配壁端供入气体。因此，气体供给装置可容易地得到保护，而不受炉中高温大气的影响，并且还原气一定能够在炉床附近供给。
对供入大气调节剂的方式没有特别的限制。然而，当使用管形供料装置时，难于将这种辅助原料供给到炉床上，成为连续均匀的厚度。
因而，本发明推荐一种改进了的供料装置，可以通过使用一个与炉顶部分垂直连接的管道供给辅助原料如大气调节剂到炉床上。。优选这种供料装置的构造应能使该辅助原料通过管道以重力下落到炉床上。使用这样的管道有可能在炉床上形成一薄层大气调节剂，并在炉床的横向上具有均匀的厚度，以此克服加入的辅助原料在炉床横向上的不均匀问题。这样均匀供料的大气调节剂能够有效表现出其对再氧化的防止效果。
然而，炉床与管道出口之间的距离优选300mm或以下，更优选200mm或以下，以避免由炉中其间大气流动带来的对供给原料到炉床上保持均匀厚度的负面影响(对材料下落通道的干扰破坏)。如果管道出口延伸得太接近炉床，则在这部分上的大气气体流动速度变得太快，会导致辅助原料飞溅。因此，考虑到在炉床与管道出口之间有足够的距离，故推荐减少大气气体的流动速度以适应最大的材料最终速度。
下面参照说明实施方案的附图9-14，利用本发明供料装置的一个优选实施方案来描述大气调节剂作为辅助材料的供给情况。图9是表示在移动炉床形熔炉中大气调节剂加料部分的简视图。
供料装置10包括供料漏斗11和卸料管12，通过该卸料管将大气调节剂从供料漏斗11送至作为供料调节器的进料器13。对供料装置的构造没有特别的限制。虽然图9中的进料器13是作为振动进料器来说明的，其构造是通过改变振幅来调节大气调节剂的供给，但对这样的振动进料器没有特别规定，例如可使用鼓式进料器。
供料管道14是从供料装置10供给大气调节剂到炉床1的装置，其垂直连接于进料器13的供料口14a与在熔炉顶部所限定的孔口之间。当大气调节剂通过管道14下落而接触到管道14的内壁时，大气调节剂会附着在其内壁的接触部分上，因而会导致大气调节剂不均匀地供送到炉床上。因此管道14需与熔炉顶部垂直连接，以便大气调节剂能够均匀地供送到炉床上。
为使大气调节剂均匀地展布在炉床的横向上(垂直于炉床移动方向)，管道14的宽度优选等于炉床的宽度。或者，可使用多个具有任何宽度的管道，使它们的总宽度等于炉床宽度。在此情况下，每个管道可以是独立的类型，即可独立拆卸安装，或者管道14在其中装有分配组件15用于分配，可使大气调节剂通过每个分配管道下落。虽然在图10中表示出三个分配板15，但是分配板的数量没有特别限制，可根据每个管道的宽度来决定。
供送到供料漏斗11的大气调节剂与其它需要的添加剂混合，然后通过排料管道12供送到振动进料器13。振动进料器13将大气调节剂通过供料口14a和供料管道14送入熔炉，同时调节其供料速度。在此情况下，各独立的管道14优选具有各自的供料口14a，每个装设有振动进料器13用来调节大气调节剂的供给。特别是在旋转炉床型熔炉中，一种在炉床横向具有均匀厚度的大气调节剂连续层是能够形成的，通过控制每个振动进料器13来改变大气调节剂的供给。
进一步，如果管道14是在炉床横向被分配进入多个分管，则炉中的气体流会向上穿冲进入管道14，这样可预防在炉床横向方向的扩散。由于向下掉落的大气调节剂具有下落惯性力，所以其下落通道不会受到管道14中产生的这样的气体流的干扰破坏。因而，大气调节剂能通过重力基本上沿其下落通道长度而下落，不会偏向管道的一侧，因此，得到的大气调节剂层是连续的，不会偏向于炉床横向方向的一侧。
这种构造的供料装置能够在炉床上形成具有均匀厚度的大气调节剂连续层，无需装设颗粒刮平器或平滑器。
最好是，将惰性气体如氮气从管道的上部供入以抑制上升的大气流进入管道14。这样供入管中的惰性气体的向下流动能够抑制从熔炉内上升的大气流，同时减少对大气调节剂下落通道的干扰，以此保证更有效地形成具有均匀厚度的大气调节剂层。
虽然对惰性气体供应的位置没有特别的限制，但是从抑制大气气体流上升进入管道14的观点出发，应优选装设至少一个气体供给口16，如图11中所示的管道14的向内取向。在此情况下，气体供给口16的前端部分最好是朝向炉床取向(垂直向下)，用于引入惰性气体。
对供给的惰性气体的量没有特别限制，只要惰性气体的供入量能抑制上升进入管道14的大气气体流即可。要供入的惰性气体量，可通过例如装设一个具有气流控制阀(未示出)的气体供给口16来适当加以调节。
进一步，最好是在管道14的出口壁上装设一种冷却装置，用以防止下落于管道14中的辅助原料如大气调节剂附着于管道14的内壁上。冷却装置的位置没有特别的限制，例如管道可全部或部分装有冷却装置。然而，最好是冷却套管17装设在管道的下部，如图12所示，因为这样的安置有可能更有效地防止大气调节剂附着于管道的内壁部分上，管道位于炉顶的开口附近。
通过在管道内壁上涂布一层能防止这种辅助原料粘附或沉积的抗粘附剂层，能够更有效地防止辅助原料如大气调节剂的粘附或沉积。例如可以形成一种如图13中所示的氟塑料制成的抗粘附剂层18。抗粘附剂层的位置和厚度没有特别限制。虽然管道的内壁可以全部或部分地涂布有这样的抗粘附剂层，但抗粘附剂层最好是涂布在管道的下部，因下部将被加热到更高的温度。
根据本发明，具有上述特征的供料装置可以用来添加其它辅助原料，如后述的熔点调节剂或者用来形成主要保护层的主要由氧化铝组成的氧化物材料，以及大气调节剂。这样的辅助原料的形式，不限于粉末。辅助原料可以是小尺寸的颗粒形式或者大于粉末形式的大粒径的磨碎形式。而且，本发明的供料装置可用来充装原料(例如粉状原料)。
本发明的特征之一在于，大气气体的还原度被提高了，特别是在渗碳-熔化阶段，由此可防止已还原了的铁发生再氧化，并使渗碳-熔化过程有效地进行。为使从固态还原到完成渗碳-熔化-凝聚的一系列过程能有效地进行，最好是对每个阶段的温度和大气气体适当地加以控制。
具体来讲，在固态还原阶段中的温度，优选保持在1200℃-1400℃范围内，这样不会产生通过熔化还原反应造成的熔融FeO，而在渗碳-熔化-凝聚阶段中温度最好保持在1300℃-1500℃范围内。更优选地，控制固态还原阶段的温度比渗碳-熔化-凝聚阶段的温度低50℃-200℃。
对大气气体条件的控制，在固态还原阶段不要求太多，因为大气气体是通过在此阶段中成形原料所含碳材料的燃烧产生的大量CO气体来保持高的还原性。然而，在渗碳-熔化-凝聚阶段及其之后，适当地控制炉中大气气体是极重要的，因为从成形原料生成的CO气体量在颇大程度上被还原了，并且很可能被燃烧器燃烧所产生的氧化气体再氧化。
为了对大气气体的温度和组成按照还原熔化过程每一进行阶段加以适当调节，还原熔化炉最好具有一种结构，它能分配进入两个或更多的分部，该分部具有在炉床移动方向中的分配壁，如上面参照图1至图3的描述。为了能够控制各独立分部中的大气气体的温度和组成，在上游一侧的分部和在下游的分部分别用作固态还原分部和渗碳-熔化-凝聚分部。虽然图3说明一实施例熔炉被分配进入四个分部，该四个分部具有三个分配壁，能够更精确地控制大气气体的温度和组成，有可能按照需要来改变分部的数量，这依所用还原熔化设备的规模和结构而定。
由上述方法得到的金属铁，基本上没有任何炉渣成分，并且具有很高的Fe纯度。通常，这样的金属铁是被送至现有的制钢设备中，如电熔炉或转化炉中，用作铁源。在用这样的金属铁作为制钢的原料时，其中硫(S)含量最好尽可能减少。为了得到具有较低S含量的金属铁，曾经进一步研究以期减少在金属铁生产过程中铁矿石或碳材料的S含量。
结果发现，通过在形成成形原料(包括铁矿和碳材料)的原料中有意掺混CaO源(包括生碳，熟石灰，碳酸钙等)，使所有炉渣形成组分，如铁矿石中的脉石组分的总碱性(CaO/SiO2比例)的值为0.6-1.8，更优选0.9-1.5时，最后得到的金属铁的S含量可以减少到0.10％或以下，更特别到约0.05％或以下。
最典型地是使用软木或煤作为碳质还原剂，通常含有大约0.2-1.0％的S并且大部分这样的S含量将进入金属铁中。在此情况下，通过有意添加CaO源是不能实现碱性调节的，由成形原料中含有的炉渣形成组分所计算出的碱性，一般为0.3或以下，虽然碱性会依铁矿石的种类或品牌等因素而变。具有这样低碱性的炉渣，在固态还原阶段或在接续的渗碳-熔化-凝聚阶段进入金属铁的S含量是不可避免的。并且在成形原料中总S含量的大约85％进入金属铁中。这导致最后得到的金属铁具有的S含量为0.1-0.2％，这是很高的，因此，最终的产品是一种低质量产品。
然而，已经发现，如果通过上述在形成成形原料时有意加入的CaO源将炉渣形成组分的碱性值调节到0.6-1.8，则在固态还原阶段和渗碳-熔化-凝聚阶段作为副产物所产生的炉渣中的S会被固定，结果得到的金属铁的S含量可被大大减少。
降低S含量的机理似乎是这样的，即在成形原料中所含的S与CaO反应产生CaS( )，后者便固定在炉渣中。本发明的还原熔机理在普通技术中的情况，尚未弄清楚。曾经认为，通过添加CaO，正如在典型的热金属脱硫过程中那样，脱硫作用在还原熔化过程中是不能期望发生的。然而本发明的发明者们发现，在炉渣中所含的CaO在如下过程中能够捕集和固定S，即在还原铁的熔化和凝聚以及炉渣分离被允许进行的过程中，是通过固体状态还原完成时在还原铁中保留的残留铁的渗碳，以此可大大减少所得金属铁的S含量。
本申请的申请人认为，降低金属铁中S含量的这种机理不同于使用含CaO的炉渣来进行典型的热金属脱硫情况，而是实施本发明方法情况下的一种特征性反应。当然，如果在还原铁渗碳-熔化之后在熔融铁与作为副产物的熔融炉渣之间保证在加热下足够接触的话，便可相信炉渣(S％)与金属铁中的S含量(S％)之比，亦即分布比例，可通过液体(熔融铁)-液体(熔融炉渣)的反应而测定。然而在本发明中，炉渣与金属的接触面积很小，正如图14的照片所证明，因而不能过高地期望对金属铁中S含量的降低效果是得自还原铁的渗碳-熔化-凝聚完成后所发生的炉渣-金属平衡反应。因此基于向本发明的成形原料中有意添加CaO的脱硫机理被确认是由如下过程中CaO的特征性对S捕获反应组成，在此过程中进行着还原铁的渗碳-熔化-凝聚和炉渣的分离以及从S捕获反应产生的对金属铁的硫化防止作用。
虽然用于碱性调节需加入的CaO量应决定于铁矿等所含脉石成分的量和组成，需混入的碳材料的种类和用量等因素，但为调节炉渣形成组分值成为0.6-1.8的总碱度，基于纯CaO含量需加入的标准CaO范围为2.0，更优选为3.0-5.0％(基于成形原料总量计算)。在使用熟石灰(Ca(OH)2)，碳酸钙(CaCO3)等情况下，这种材料的量应符合上述量(基于纯CaO含量计算)。已经证实，当炉渣形成组分的碱度通过向成形原料中加入量为例如4％的CaCO3调节到约0.9-1.1时，高达45-50％的表观脱硫率可得到保证，并且当加入量为约6％的CaCO3于成形原料中，将炉渣形成组分的碱度调节到约1.2-1.5时，则可保证高达70-80％的表观脱硫率。表观脱硫率是由下式来确定：
表现脱硫率(％)＝[从与CaO混合的成形原料得到的金属铁中S含量(％)/从未与CaO混合的成型材料得到的金属铁中的S含量(％)]×100
通过添加CaO取得S含量降低的效果，将在下面以使用箱式的电熔炉得到实验数据加以描述。图15说明在实验中硫含量的变化，其中使用了由铁矿石、碳材料、少量粘合剂(膨润土等)以及适当量的CaO一起混合制得的成形材料，并且按照本发明的方法进行了还原熔化。
在图15中干燥的成形原料的柱状图表表明，如果在进行还原熔化之前成形原料的S含量设想为100％，则约有89％的S含量是来自碳材料和约11％的S含量是来自铁矿石。当此成形原料经本发明方法还原熔化时，约有85％的S含量保留在还原了的铁中，当参照图4的上述固体状态还原完成时，约有12％的S含量在固体状态还原过程中从熔炉内蒸发掉了。当使用没有混入任何CaO源的成形原料时(由成形原料中含有的炉渣形成组分测得的碱度为0.165)，已经发现有74.8％的S含量进入了最后得到的金属铁中和10.2％的S含量被炉渣捕获。
反之，当使用混合有4.5％的CaO源来将其炉渣形成组分的碱度调节至1.15的成形原料时，进入金属铁中的S量便减少到43.2％，而被炉渣捕获的S量增加到48.8％，同时在生产过程中从熔炉中蒸发掉的S量减少到约8％。当使用混合有5.0％的CaO源来将其炉渣形成组分的碱度调节到1.35的成形原料时，进入金属铁的S量便减少到19.7％，而被炉渣捕获的S量增加到78.8％，同时在生产过程中从熔炉中蒸发掉的S量减少到大约1.5％。
由于使用箱式电熔炉的基础实验证明，通过添加CaO源来调节碱度以降低金属铁的S含量是很有效的，使用生产示范炉进行了类似实验，研究了在通过改变要加入CaO源的量使炉渣的碱度发生不同变化情况下，碱性对金属铁的S含量减少作用的定量影响。结果表示于图16中。
图16图示了炉渣最后碱度与金属铁的S含量之间的关系，是当加入的CaO源量改变时的结果，其中每点代表实测值。图16还表明使用前述箱式熔炉作为色调区域的基础实验结果。由于基础实验使用了电加热系统，其中使用惰性气体作为大气气体，大气的氧化势是较低的，结果有利于表观脱硫作用。另一方面，在使用燃烧器燃烧来加热的生产示范炉情况下，大气气体的还原程度低于在基础实验中的还原程度(这是由于燃烧所产生的废气所致)，而金属铁的S含量却高于基础实验的结果。然而，在此情况下所得到的结果的倾向，基本上和实质上是遵循了基础实验结果。正如所示，在代表没有添加任何CaO源情况下的区域(A)中的金属铁的S含量设想约为0.120，而代表在碱度被调节至约1.0情况下的区域(B)中金属铁的S含量却减少到0.050-0.080％，以及表观脱硫率设想约为33-59％。当碱度进一步增加到1.5时，已证明金属铁中的S含量便减少到0.050％，如在区域(C)中所示。
应当注意的是，如果CaO源加入直到碱度估计为1.8或以上，则操作温度必须大幅升高，这是由于所得炉渣的熔点上升所致。这种情况是不可取的，因为对熔炉的损坏会加速，同时对燃料经济不利并且还原铁的凝聚性能变坏，得到的细颗粒金属铁具有较低的商品价值。
从这些实验可看出，当适当量的CaO源有意的加入到成形材料中将炉渣形成组分的碱度提高到约0.6或更高时，所得炉渣对S的捕获能力便会大大提高，因而进入金属铁的S量也大大减少，这样便得到具有低S含量的金属铁。进一步如参照图15所述，以SOx等形式从熔炉中排出的S量大大减少了，因而由这种废气造成的大气污染可以减少，并且如果这种废气是脱硫的，则附加的脱硫负担也减轻了。
在加入CaO源来减少金属铁的S含量情况下，作为副产物所产生的炉渣的熔点可通过加入一定量的CaO源而降低，因而低熔点炉渣的渗出会变得有可能，这会引起炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀。然而，在实施本发明的情况下，这种副产物炉渣的不希望的渗出能够减少，因为本发明是采用两步加热系统，其中固态还原阶段和渗碳-熔化-凝聚阶段的温度条件是分别设定在1200-1400℃和1300-1500℃的优选范围内，可使固态还原在低于副产物炉渣熔点的温度下充分进行，然后使部分存留的FeO还原和进行还原铁的渗碳-熔化-凝聚，如上所述。
因此，本发明有可能得到具有极高Fe纯度的颗粒状金属铁而不引起还原铁的再氧化，这是通过调节大气气体还原度至0.5或以上，优选0.6或以上，更优选0.7或以上，特别是在金属铁生产的渗碳-熔化阶段中，在其中含有铁矿石和碳材料的成形原料进行固态还原，然后进行渗碳-熔化-凝聚。进一步，本发明能够降低这种金属铁的S含量，是通过向成形原料中故意添加CaO来调节炉渣形成组分的碱性达到的。通过冷却固化，然后从固化了的炉渣中分离之后得到的颗粒金属铁可用作在各种制铁或制钢炉中被熔化的原料。
在本发明中，从还原熔化炉中取出的金属铁已经冷却至低于熔点的温度，但仍处于800-1200℃的高温状态。在供入制钢炉之前，将金属铁进一步冷却到常温会浪费掉热能。因而，最常用的作法是要减少热的损失，如果已建成了一种制铁-制钢的总生产线，其中设计供给这样的高温金属铁或通过进一步加热转变成熔化铁，再供入制钢炉，以便有效地利用金属铁的潜在热。
当然，已知有以下技术：一种技术，例如为节约电加热熔炉等的电能装置和将已知还原铁生产过程中得到的高温还原铁直接供入邻近的制钢炉如电加热炉中而无需对其冷却；一种制铁-制钢工艺方法(国际专利公开No.99/11826)，其中通过用煤基碳原料在还原铁生产炉中所产生的高温还原铁制得熔融铁并直接将这种还原铁供入熔炉中；以及类似技术。这些已知技术不同于本发明所提出的总生产过程之处在于，它们生产所谓的“还原铁”，这种铁中含有相当大量的来源于灰分含量和脉石成分的炉渣，从还原最后阶段的再氧化而产生的氧化铁，以及如果使用煤基还原剂生产还原铁还可能含有大量的S。反之，本发明的总生产过程通过渗碳-熔化-凝聚工序生产了和使用了完全从炉渣组分中分离出来的金属铁。
由于在总生产过程中的精炼炉上有脱硫的负担，使用具有低S含量的金属铁可特别减轻负担，还有可能建设成一种很有效和实用的生产体系作为制铁-制钢总生产体系进行铁源的还原熔化和熔融精炼。
图17是一说明视图，说明这样一种总生产体系的一例。在图17中，过程A是制钢过程，其中由还原熔化炉所生产的无炉渣金属铁被冷却到常温，然后以适当量作为制钢原料供入制钢炉，如电热熔炉；过程B是适应于将高温状态的金属铁(800-1200℃)供入位于还原熔化炉附近的电热熔炉中，以此来减少用于供热的电能单位数量；以及过程C是适应于将由还原熔化炉生产的全部高温金属铁供入用作金属铁热熔化的邻近熔铁炉中，然后将熔融铁供入制钢炉。由于按照本发明得到的金属铁是无炉渣的，具有高的铁纯度，以及任选具有低的S含量(如果调节了碱度来降低S含量而制得金属铁)，则建设使用这种金属铁作为制钢原料的总生产系统便可能以高的生产率生产出稳定质量的熔融钢，同时减少电热熔炉等的电能单位数或减轻所需脱硫的负担。
在上述金属铁生产过程中，其中是含有氧化铁为铁源和碳质还原剂用来还原氧化铁的成形原料在移动炉床上加热，以引起氧化铁以固体状态被还原，随后通过渗碳-熔化-凝聚所得到的还原铁使形成颗粒状金属铁，然后在冷却之后从炉中取出金属铁，在此生产过程中操作条件的波动会引起熔融炉渣渗出，并且这种熔融炉渣会造成炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀。特别是其中在这样的熔融炉渣中包含有未还原的熔融FeO，炉床材料的腐蚀或磨蚀由于其渗透和腐蚀会变得更加严重，由此会大大缩短炉床耐火材料的寿命。
鉴于上述情况，本发明提供了一种技术，它既能减少炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀，同时在熔炉的操作过程中能使炉床耐火材料的损坏部分得到修复(即使这样的损失发生了)，以此便有可能大大延长炉床耐火材料的寿命并提高熔炉的连续操作性。
本发明的特征是，既生产了金属铁，同时在上述还原熔化过程中所产生的含炉渣的沉积层又形成在炉床耐火材料上，以保护炉床耐火材料。
图18是说本发明一优选实施方案的示意截面视图。如图所示，一种含有主要成分为氧化铝的氧化材料(或具有类似于在还原熔化过程中作为副产物的炉渣或再循环炉渣的组成的铁碳石混合物)的主要保护层，在生产一开始就预先形成在移动炉床型还原熔化炉的炉床耐火材料27上，以及成形原料G的片粒被连续供送到旋转的炉床上(参见图18(A))。
正如参照图1-3的描述，成形原料被暴露于在其通过还原熔化区Z1过程中燃烧器产生的热中和辐射热中，结果成形原料中的氧化铁便通过固态还原转变成还原铁，并在此后将还原铁进一步加热以引起渗碳，渗碳是用来降低还原铁的熔点，从而得到熔融铁。这样得到的熔融铁进行凝聚并生长成颗粒金属铁Fe，它有相当大的颗粒度，同时从副产物炉渣Sg中分离出来。炉渣Sg也产生凝聚，因而金属铁与炉渣Sg便彼此分离开来(见图18B)。
颗粒金属铁Fe和炉渣Sg在前述卸料装置的直接上游位置上被冷却，然而移至卸料装置的位点上，从炉床表面上卸出颗粒状金属铁Fe和固化状态的炉渣Sg。此过程未示出。
在还原熔化过程中所产生的熔融炉渣作为副产物与其初始保护层28成为一体，形成了一种炉渣沉积层T。由于熔化-固化过程会产生尚未充分凝聚和生长的细颗粒金属铁Fe(在下文视情况而定称为“颗粒铁”)和较多量的高熔点炉渣Sg，这样的颗粒铁Fe和炉渣Sg能通过卸料器6与炉渣沉积层T表面之间的空隙并存留在炉渣沉积层T的表面上或者被部分捕获在上述二者之间，因而被强制性地埋藏在沉积层T中(见图18(c))。
如在这种状态下进行连续生产，保留在炉渣沉积层T表面上或埋入其表面内的颗粒铁Fe等，会逐渐被沉积和扩大，并由此会变得不能被排出。
根据本发明，当沉积在沉积层T上和埋入沉积层T中的颗粒铁Fe等的量达到一定高度时，可通过将颗粒铁Fe等与部分或全部沉积层T一起刮平，来避免由于颗粒铁Fe等的沉积造成的问题。因此，在炉床上的沉积层T的表面是光滑的，如图18(D)所示，结果在炉床上形成了一种平滑的保护层，它含有在生产一开始就形成的初始保护层28，并且薄薄的沉积层T覆盖在保护层28上。
当生产在此状态下进一步继续进行时，由于沉积和粘附，炉渣沉积层T又生长至一定高度水平，这时可间歇式地或连续地与颗粒铁Fe等一起除去沉积层T(或沉积层T和部分的保护层28)。通过以适当间隔重复进行这样的操作，则最早形成的初始保护层28便逐步在其上面被炉渣沉积层T更新，最后初始的保护层28大部分被炉渣沉积层T替换，最后状态示于图18(E)中。这样以来，炉床的表面便稳定在这种状态中。在此情况下，部分的初始保护层28从生产开始可在炉床耐火材料27的表面上保留相当长的时间，或者在炉渣沉积层T被刮去的某些条件下，一小部分的初始保护层28可永久性地保留在炉床耐火材料27的表面上。
当生产在此状态下进一步继续，只有沉积层T的表面一侧被在还原熔化过程中产生的副产物炉渣继续更新，结果炉床表面便永久性保持平滑而对炉床耐火材料27没有任何损坏。
炉渣沉积层T的厚度，可简单地由垂直移动的沉积层除去工具(它还用作卸料器6或与卸料器分开装设)调节除去工具与炉床表面之间的间隙而得到控制。更具体地讲，在生产初期，通过逐渐向上移动除去工具的刀片或刮刀的位置以加宽刮刀与沉积层T表面之间的间隙来控制，使沉积层T逐渐变得较厚，而当粘附和沉积在沉积层T上或沉积于其中的颗粒铁Fe等的量增加到一定高度水平时，按照需要，通过将除去工具的刮刀向下移动到相当于需要除去的沉积层深度的位置，来调节需除去或保留的沉积层T的厚度。通过以适当的间隔时间来间歇式或连续式重复刮刀向上和向下移动，便有可能永久性地保持沉积层平滑的表面，同时可预防颗粒铁Fe过多地沉积在沉积层T上或沉积于其中。
图19示意说明了这种操作。具体来讲，图19(A)说明通过向上逐渐移动卸料器6的刮刀位置使沉积层T达到所需厚度的操作，而图19(B)说明通过向下移动卸料器6的刮刀位置来与颗粒铁Fe一起除去部分沉积层T的操作，当保留在沉积层T上和包埋在沉积层T中的颗粒铁Fe等的沉积量增加到一定高度水平时，向下移动刮刀的位置相当于被除去的沉积层T的深度。
虽然上述是针对这样的情况，即通过向上逐渐移动卸料器6的刮刀位置来使沉积层T逐渐增厚，和当颗粒铁Fe的粘附或沉积量增加一定高度水平时，通过将卸料器6的刮刀位置向下移动到需除去的沉积层T的深度位置而将沉积层T的表面部分除去到所需深度，但是另一种方法也是可能的，它是这样的：在生产开始便对熔炉操作中的沉积层高度水平预先确定；将卸料器6的取料刮刀设定在相当于沉积层的预定高度水平的位置，使初始保护层28沉积至该水平；以及当初始保护层28的渗透和腐蚀并且颗粒铁的沉积进行到一定程度时，使取料刮刀不停地下降来除去沉积层T的表面部分。
如上所述，炉渣沉积层除去工具也可用作生产的金属铁Fe的卸料工具，也可分开设置。对除去工具的具体机构和构造没有特别的限制，任何类型的除去工具，例如螺旋刀型或刮刀型都可使用，只要该除去工具能够有效地除去部分或全部的沉积层T，同时使保护层平滑即可。进一步地，对垂直移动除料工具刮刀位置的具体方式也没有特殊规定，任何已知的垂直移动工具都可按需要选择使用。
根据本发明，炉床耐火材料的表面是恒定受到在生产一开始就形成的初始保护层28的保护，并且受到在生产的以后过程中所产生的副产物炉渣的沉积形成的沉积层T的保护，并且在定期或连续除去沉积层T表面部分的操作中，粘附或沉积在炉床表面上的颗粒铁被从炉床表面上刮除。因此，不会发生由于颗粒铁的过量沉积引起的麻烦和不便。
即使炉渣沉积层T的表面有某种损坏，这种损坏部分能够借助于在熔炉操作过程中作为副产物所产生的炉渣的沉积来进行自身修复，因此炉床表面能够半永性地保持平滑，除非不能预料的事故发生。图20是说明自身修复过程的截面视图，是当炉渣沉积层T的表面出现凹坑时的修复情况。当凹坑Q在沉积层T的表面上形成时(见图20(A))，在下一次生产周期的还原熔化过程中所产生的副产物炉渣Sg与颗粒铁Fe等一起使沉积在凹坑Q中(见图20(B))，并且含有这样沉积的炉渣Sg和颗粒铁Fe的沉积层T的表面部分在下游一侧被除去(刮平)，因而炉床的表面是平滑的(见图20(C))。另一种作法是，可将组成调节成基本与副产物炉渣成分相同的一种矿物混合物O(或再循环使用的炉渣)填入凹坑Q中来达到同样的修复，如图21(A)至21(C)所示。
为了通过这种副产物炉渣的自身修复功能来使炉床表面恒定地保持平滑，最好进行控制以保持炉渣沉积层T的厚度处于适当范围内，优选范围为几毫米至几十毫米。
作为形成初始保护层28的材料，由典型的熔融炉渣所产生的主要由具有优良耐腐蚀性或耐磨蚀性的氧化铝组成的氧化物材料，是最优选的。然而，由于本发明的方法是采用在生产过程中所产生的副产物炉渣的沉积，所以有可能使用一种组成类似于这种副产物炉渣或再循环利用的炉渣的矿物物质。由于沉积层T是从生产的初期阶段逐渐形成在炉床耐火材料的表面上，所以通过形成初期利于保护炉床耐火材料需要的少量初始保护层28和以后使副产物炉渣再沉积于其上，是能够得到足够的炉床耐火材料保护效果。虽然在生产开始时所形成的初始保护层28，在长期生产中实际上基本上完全被副产物炉渣的沉积层T取代了，但是仍然表现出了足够的炉床耐火材料的保护效果。
对形成初始保护层的材料的尺寸大小或粒度没有特别的限制。然而，该材料优选具有小的粒度，最好为粉末形状，因为材料的大粒度固体组分会限定间隙，这有可能使任何熔融物质向下流动并接触炉床耐火材料。因而，材料的优选粒径为4mm或以下，更优选为2mm或以下。
形成初始保护层的材料优选按照本发明由供给辅助原料的供料装置加入到炉床上，因为使用供料装置有可能在炉床横向方向上形成具有均匀厚度的和在炉床移动方向为连续的初始保护层。
如上所述，在这样的情况下，即要逐渐被还原熔化过程中所产生的副产物熔融或半熔融炉渣所替代的炉渣沉积层T的表面部分的熔点太低，所得到的具有高比重的颗粒金属铁便沉入沉积层T中，因而变得难于取出。因此，沉积层T的硬度最好保持到这样的程度，即不让这种颗粒金属铁沉入到沉积层T中去。因此，要加入到成形原料中的炉渣形成组分的组成，在成形原料制备时可进行调节，使具有所需熔点的炉渣作为副产物而产生。然而，当副产物炉渣的熔点太高时，从固态还原得到的金属铁会变得难于在熔化分离阶段从副产物炉渣中分离出来。这将极大地降低产物金属铁的纯度。
为了解决这一问题，曾作了研究，通过提高要更新的炉渣沉积层T的熔点，同时使副产物炉渣的熔点保持相对较低，以便尽可能地抑制金属铁沉入沉积层。结果发现，向炉渣沉积层T的表面部分加入提高沉积物熔点的熔点调节添加剂是有效的。特别是，当这种熔点调节剂以间歇式或连续式添加到沉积层T的表面部分的所需的位置时，即使副产物炉渣具有低的熔点，沉积层T的熔点还是提高了，因此沉积层T变得更硬，以此尽可能地防止颗粒金属铁沉入沉积层。
虽然使用的熔点调节剂的种类是依副产物炉渣的组成而不同，优选的熔点调节剂的例子包括含氧化铝的氧化物材料和含镁的氧化物材料。这些优选的添加剂可以单独使用，或它们的两种或多种结合使用。
这些熔点调节剂可以适当量使用，这依在任何位点上副产物炉渣的组成而定，无特殊限制。通常，熔点调节剂是在邻近成形材料添加位点的地方或在还原熔化区中的适当地方，定期地或连续地添加到炉渣沉积层T上的。虽然添加剂加入的方法没有限制，但根据本发明最好使用供给辅助原料的供给装置。
为了获得如上相同的结果，一种冷却方法也是有效的，例如利用冷却套管的方法或喷射冷却气的方法从炉床下侧来冷却炉渣沉积层T，以引起沉积层T固化至一定硬度来防止金属铁渗入到沉积层T中。使用从炉床下侧这样的冷却方式是为了促使沉积层T的固化，因为由冷却引起的对氧化铁加热还原的阻碍能够用这样的冷却方法进行抑制。由于氧化铁的加热和还原是由安装在还原熔化炉壁表面上的燃烧器的燃烧产生的热进行的，和从炉床上面来的辐射热进行的(如前面所述)，所以无需担心还原-熔化的效率会大大受到影响，即使在炉床表面上的炉渣沉积层T是在还原过程中从炉床下侧被强制冷却的。
如上所述，炉渣沉积层T的多余部分的除去，是用刮除工具同时也用作颗粒金属铁产品的卸料器的同一工具来完成的，或者用专门来除去多余的炉渣沉积层的刮除工具来完成。为了减少对这种卸料工具或刮除工具的负担，并使由刮除后得到的表面尽可能平滑，最好将温度加以控制，使炉渣沉积层在刮除时呈现一种固-液共存状态，像果汁冻。实现温度控制的方法是，例如，用冷却套管或冷气喷射法从炉床下侧来冷却。
由于从炉渣沉积层中耙出的炉渣沉积物还含有相当大量的颗粒铁及炉渣成分，并且这种颗粒铁具有高的铁纯度，所以最好使用任何需要的工具如磁性分离器，通过从耙出的炉渣沉积物中分离颗粒铁，将这样的颗粒铁与产品金属铁一起收集起来。
在本发明的另一实施方式中，较有效的是在成形原料装入之前，将大气调节剂以薄薄的一层分布在保护层28上或炉渣沉积层T上。通过加热促使固态还原，同时防止还原铁由于用于加热的燃烧产生的氧化气体(包括CO2和H2O)引起的再氧化，提高在熔炉内大气的还原潜在能力，特别是在成形原料附近的大气的还原潜能，是有效的。通过将大气调节剂分布于炉床表面上(如上所述)，熔炉中的大气还原潜能保持较高，以此可有效地促进还原熔化并可防止还原铁的再氧化。而且，大气调节剂还可用来抑制金属铁粘附于炉渣沉积层T上，因而促使颗粒金属铁从炉床表面释放出来，以此使出料更加顺利。
图22(A)至22(E)是说明在大气调节剂分布于炉床上的情况下，还原-熔化是如何进行的和炉床自身修复是如何达到的一些截面视图。这种情况基本上不同于图18(A)至18(E)中所示的情况，相同之处仅在于大气调节剂层CL形成于炉渣沉积层T上，并且成形原料G置于其上。
图23(A)和23(B)是一示意截面视图，说明在大气调节剂CL分布在炉床上的情况下炉床是如何修复的。此过程的进行如下。首先将大气调节剂CL分布在炉渣沉积层T上，然后将成形原料G填装在大气调节剂层上，随后进行成型材料的还原熔化(见图23(A))。当颗粒铁Fe等在炉渣沉积层T中或其上以及大气调节剂层CL上的沉积量增加到一定程度时，刮刀下降(如图23(B)所示)，将含有聚集颗粒铁Fe的炉渣沉积层T的表面部分与大气调节剂层CL一道除去，以此使炉渣沉积层T成为水平式平滑表面。然后在炉床自行旋转达到原料供给位点之前，从辅助原料供给装置9中再将大气调节剂层CL充装至预定厚度，然后再填装成形原料G。这样便能实现连续生产。在添加或供给大气调节剂时，建议使用上述供料装置。
虽然对被分布的大气调节剂层CL的厚度没有特别的限制，很小厚度将足以有效地提高在成形原料附近存在的大气还原潜在能力或还原势，或促进颗粒金属铁从炉床表面释放出来。通常，具有厚度为约1-10mm或以下的大气调节剂层CL即可达到此目的。作为实用上简单而有效的方法，推荐适当量的前述熔点调节添加剂与大气调节剂CL一起混合，便可得到提高炉渣沉积层T的熔点的效果并结合有前述大气调节剂CL的效果。
实施例
下面将以一些实施例的方式来具体描述本发明、其组成和优点。无需讲，本发明是不限于以下各实施例并可通过改变或修改这些实施例也可实现本发明，只要这些改变和修改与本说明书相符合。当然，这些改变和修改都是属于本发明的技术范围内。
实施例1
通过均匀地混合作为铁源的赤铁矿、煤和少量的粘合剂(膨润土)来制得具有直径大约为19mm的成形原料，并将此成形原料用来生产金属铁。具体地讲，将该成形原料装入旋转炉床型还原熔化炉中，如图1-3所示，并将炉中的大气温度调节到约1350℃以进行固态还原，直至金属化率达到约90％。在此固态还原之后，将成形原料转移到渗碳-熔化-凝聚区，在其中将大气温度设定为1440℃以引起铁的渗碳-熔化-凝聚，并分离出副产物炉渣，这样便得到没有炉渣的金属铁。
在此情况下，在成形原料加入前，将用作大气调节剂的粒径2mm或以下的颗粒煤层预先在炉床上形成至约5mm的厚度，使在渗碳-熔化-凝聚阶段中的大气还原(程)度估计为0.60-0.75。图24表示了在此生产过程中的原料配方，在固态还原时还原铁的组成，最后得到的金属铁的组成，所得炉渣的组成等。
通过熔化-凝聚，金属铁基本上完全从炉渣中分离出来，将此金属铁移到冷却区并冷却至100℃以在此处固化，随后用卸料工具卸出这样固化了的金属铁。分析这样得到的金属铁，副产物炉渣及过量的碳材料，以了解它们的生成比例及各自的组分。顺便地提一句，根据在渗碳-熔化阶段之前刚从还原熔化炉中采样的还原铁的组成分析，金属化率约为90％，残留碳量为4.58％。从成形原料装入熔炉到从熔炉中取出金属铁的时间周期约为9分钟，这是很短的时间周期，而得到的金属铁含C量为2.88％，Si量为0.25％以及S量为0.17％。这样有可能从副产物炉渣中分离出金属铁。最后得到的金属铁的外观示于图25中(照片)。
实施例2
通过均匀地混合作为铁源的磁铁矿、煤、少量的粘合剂(膨润土)以及用作炉渣碱性调节剂的用量为5％的CaCO3，并将混合物制成颗粒而得到直径约19mm的成形原料。
将成形原料装到炉床上，在其上分布一层颗粒煤(平均粒径约为3mm)作为大气调节剂，熔炉内的大气温度也与实施例1一样保持至约1350℃，以进行固态还原直至金属化率达到约100％。该固态还原之后，将成形原料转移到熔化区，在此区中将大气温度设定至1425℃以引起铁的渗碳-熔化-凝聚和副产物炉渣的分离，这样便得到无炉渣的金属铁。图26显示了在此生产过程中原料的配方，当固态还原完成时还原铁的组成，最后得到的金属铁的组成，得到的炉渣的组成等。
通过熔化和凝聚从炉渣中基本上完全分离出的金属铁被转移到冷却区并冷却至100℃以便在其中固化，随后用卸料工具取出所固化的金属铁。然后分析这样得到的金属铁、副产物炉渣及过量的碳材料，了解其生成比例和各自的组成。顺便提及，根据在渗碳-熔化阶段之前刚从还原熔化炉中取样的还原铁的组成分析，金属化率约为92.3％，而残留碳量为3.97％。从成形原料加入到熔炉中到从炉中取出金属铁的时间周期为约8分钟，这种时间是很短的，所得到的金属铁含C量为2.10％，Si量为0.09％及S量为0.065％。由于在此实验中将CaO源加入到成形原料中以降低得到的金属铁的S含量，与实施例1相比，提高了S含量降低的效果。
由于添加的CaO源使副产物炉渣的熔点降低了，虽然担心在固态还原阶段的后半期熔融炉渣的渗出，但是由于熔融炉渣渗漏造成的炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀问题没有发生，因为采用了两步加热系统，其中将固态还原阶段的温度设定于1200-1400℃以提供在固态还原阶段具有较高金属化率的还原铁，然后将温度升高至1350-1500℃，还因为在炉床表面上分布了一层用作大气调节剂的煤粉。
根据在固态还原最后阶段对还原铁取样的详细显微镜观察，已经证明，从未添加CaO源的实施例1取样的还原铁表面上存在着高浓度的Fe-(Mn)-S，并且这种Fe-(Mn)-S然后又进入渗碳-熔化阶段的熔融铁中，在添加了CaO源的实施例2中，大部分S与固态还原最后阶段的CaO源反应并被CaO源固定，以此抑制了S进入渗碳-熔化阶段的熔融铁中。
还对上述实验进行了补充实验，不同之处仅在于使用了粒径为2.0mm或以下的更细煤粉作为大气调节剂。已证明在此实验中得到的金属铁含S量已降低至0.032％。
实施例3
使用粒径为19-20mm的成形原料并与用量为5％的石灰石混合，以与实施例2同样的方式进行固态还原和渗碳-熔化-凝聚来生产颗粒金属铁。将这种金属铁冷却至800℃并从熔炉中取出。接着将保持同样温度的金属铁装入电炉中，与废铁一起作为铁源并在炉中熔化。在铁源总量中使用的金属铁的比例约为40％，其余为废铁。
结果证明，与熔化仅由废铁组成的原料所消耗的448kwh/t的电炉相比，电炉的电能消耗仅减少约68kwh/t(15％)，并且由于缩短了熔化时间生产率提高了约14％。进一步证明，金属铁的含S量降低至0.018％，这基本上等于预期熔融钢的S含量，因此，赋加于电炉上的脱硫负担大大减轻了，并且能够保证稳定和有效的生产。而且，由于这种金属铁基本上没有炉渣，使用这种金属铁能够生产较高质量的熔融钢并且卷入的杂质较少。
比较例1
与实施例1同样的方式进行生产颗粒金属铁的实验，不同点在于大气调节剂是使在渗碳-熔化区中(在该区域中能让基本上完成了固态还原的颗粒还原铁渗碳和熔化)的大气还原(程)度预计值所处的范围为0.35-0.45。由此实验得到的金属铁具有低劣的商品价值，因为它为一种壳体形状，部分含有卷入其中的炉渣，如图27所示，它还具有低至约90％或以下的Fe纯度，以及低的碳含量(约为0.7％或以下)。
从这些结果可清楚地看到，当在渗碳-熔化-凝聚阶段中的大气还原度小于0.5时，具有高Fe纯度的颗粒金属铁是不能得到的，这是因为：残留碳被大气气体耗尽；细粒的和活性的还原铁容易受到再氧化；由于渗碳不充分，还原铁的熔化在1500℃或以下是困难的；并且副产物炉渣的分离不能有效地进行。
实施例4
用供给装置10将大气调节剂(含碳质材料的粉末)供送到移动炉床型熔炉的炉床1上，如图9所示，以形成大气调节剂层。随后将由至少一种碳质还原剂和含氧化铁的物质混合制备的粉状还原铁原料供送到辅助原料(大气调节剂层)上，使其不与炉床1接触。然后将粉状原料在高温下进行固态还原，并将从固态还原得到的金属铁通过随后的加热熔化，以引起在原料中所含的至少这些炉渣组分分离出来，以及熔融金属铁凝聚成颗粒铁。
按照本发明实施例4的还原铁生产方法，用原料供给装置10在炉床1上可形成均匀厚度的薄而连续的一层大气调节剂，因而可以较高产率和较低成本得到高质量的均质颗粒铁。进一步地，在炉床1上形成均匀厚度的这种薄而连续的大气调节剂层能使原料氧化铁达到高的金属化率，同时能保护炉床1。而且，由于有可能以少量供给大气调节剂，所以可避免浪费地使用含碳质材料的粉末，同时还原铁可防止由于炉床1上的差别造成不均质性。
在移动炉床型熔炉11为旋转型的情况下，在炉床的内圆周一侧与外圆周一侧之间的移动速度有差别，这会引起熔炉中大气气体以不同的速度流动。然后，该实施例的方法能带来优良效果，可避免由这些差别引起的成形原料中铁的还原状态的变化。
在实施例4中，大气调节剂层是在炉床1上形成的，是随着还原铁的粉状原料的不断使用，通过用实施例1的供给装置10供给大气调节剂于其上来形成的，然后通过供给粉状原料将一层成形原料形成在炉床1上。原料供给装置10可被具有未用分配板分配的供给管道的原料供给装置来代替，或者使用根据任何本发明实施方案的任何一种原料供给装置。即使供给一种含有还原铁粉状原料的混合粉末和含有碳质材料的粉末，某些效果是能够预期得到的，其中所述混合粉末是通过混合至少一种含氧化铁的粉末和含碳质材料的粉末制成的。
当然，要供给的原料可以是，至少，为小的附聚物形式或为小粒径的丸粒形式以及为粉末形式。
实施例5
在根据此实施例的还原铁生产方法中，使用图9所示的供给装置10。首先将含有碳质材料的粉末分布在移动炉床型熔炉11的炉床1上，在炉床1上形成一层含碳质材料的粉末。
随后，向炉床1上供给一种通过混合至少一种碳质还原剂和含氧化铁的物质所制备的还原铁的粉状原料，以在炉床1上形成一层原料，使原料不直接接触炉床1。然后将还原铁的粉状原料在高温下进行固态还原，以及将由固态还原得到的金属铁通过随后的加热进行熔化，以引起在粉状原料中所含的至少这些炉渣组分的分离，随后将已与炉渣组分离的熔融铁通过熔融铁排出口排出。
熔融铁排出口是设置在移动炉床型熔炉的炉床1上，排出口包括，例如，一个用来收集和储存熔融铁的凹槽，位在凹槽下部的熔融铁排出孔，以及一个位在熔融铁排出孔下面的滑动阀。
本发明的范围还包括用原料供给装置10将含碳质材料的粉末供送到炉床1上，以便在炉床1上形成一层含碳质材料的粉末，以及用另一供给装置将由还原铁原料形成的中等粒度和大粒度的丸粒供送到含碳材料的粉末层上，所说的还原铁原料含有通过含氧化铁粉末和含碳质材料粉末混合得到的混合粉末。
从前述可清楚地了解到，实施例5与实施例4相似，只是实施例4的目的是生产颗粒铁，而实施例5的目的是生产熔融铁，因此实施例5也能提供类似于实施例4中的一些优点。也像在实施例4中一样，原料供给装置10可被具有不用分配板分配的供给管道的原料供送装置来代替，或使用图10-12中所示的一些实施方案的任何一种原料供给装置。即使供给一种含还原铁的粉状原料的混合粉末和含碳质材料的粉末，可预期得到某些效果，其中所述的混合粉末由至少一种含有氧化铁的粉末和含碳质材料的粉末相混合制成。类似地，即使仅供给还原铁的粉状原料，可预期得到某些效果，其中所述的粉状原料是通过至少一种含氧化铁的粉末和含碳质材料的粉末混合制备的。
当然，要供给的原料可以是小粒径的丸粒形式。
实施例6
用图9中所示的供给装置10将大气调节剂(含碳质材料的粉末)供送到移动炉床型熔炉的炉床1上，以形成大气调节剂层。随后将混合至少一种碳质还原剂和含氧化铁的物质所制成的成形原料(丸粒)，用另一种供给装置(如图9所示)(未示出)供送到辅助原料(大气调节剂层)上，使其不与炉床1接触。然后，将成形原料在高温下进行固态还原，并将从固态还原得到的金属铁通过随后的加热进行熔化，以引起原料中所含的至少这些炉渣组分的分离，以及熔融金属铁凝聚成颗粒铁。
用本发明实施例6的还原铁生产方法，可用原料供给装置10在炉床1上形成均匀厚度的一种薄的和连续的大气调节剂层，因此可以较高产率和较低成本得到均质化的提高了质量的颗粒铁。而且，在炉床1上形成至均匀厚度的薄而连续的大气调节剂层，能够达到较高的金属化率，同时保护了炉床1。进一步地，由于有可能以最小量需求来供给大气调节剂，可以避免浪费使用含碳质材料的粉末，同时可防止还原铁由于在炉床1上有差别而变成不均质的。
在移动炉床型熔炉11属于旋转类型的情况下，在炉床的内圆周一侧与外圆周一侧之间会有移动速度差别，这会引起在炉中的大气气体以不同速度流动。然而，本实施例的方法可带来优良效果，可避免由于炉中大气流速不同造成在成形原料中铁的还原状态的变化。
在实施例6中，大气调节剂层是形成在炉床1上，是用实施例1的原料供给装置10将大气调节剂供送到炉床1上，然后通过供给成形原料使成形原料层形成在炉床1上。原料供给装置10可被具有不用分配板分配的供给管道的原料供给装置来代替，或者使用本发明各实施方案中的任何一种原料供给装置。
实施例7
在本实施例的还原铁生产方法中，使用图9中所示的供给装置10。首先，将含碳质材料的粉末分布在移动炉床型熔炉11的炉床1上，在炉床1上形成一层含碳质材料的粉末层。
然后，由至少一种碳质还原剂和含氧化铁的物质一起混合制得一种还原铁的粉状原料，再将该粉状原料制成成形原料(丸粒)，将成形原料供送到炉床1上形成一层原料层，使其不直接接触炉床1。然后将还原铁的成形原料在高温下进行固态还原，并将从固态还原得到的金属铁通过随后加热进行熔化，以引起在粉状原料中所含至少这些炉渣组分的分离，随后通过一个熔融铁排出口将从炉渣组分中分离出来的熔融铁排出。
熔融铁排出口是设置在移动炉床型熔炉的炉床1上，排出口包括，例如一个收集和储存熔融铁的凹槽，一个位在凹槽下部熔融铁排出孔，以及一个在熔融铁排出孔下面的滑动阀。
从上述可清楚地了解到，实施例7类似于实施例6，只是实施例6的目的是为了生产颗粒铁，而实施例7的目的是生产熔融铁，因而实施例7可提供类似于实施例6的一些优点。也与在实施例6中一样，原料供给装置10可以被具有无分配板分配的供给管道的一种原料供给装置来代替，或者使用图10-12所示各实施方案的任何一种原料供给装置。
按照本发明，高炉灰尘、电炉灰尘、研磨屑片、矿泥(sludge)、钢磨灰粉等均可用作碳质还原剂和含氧化铁的物质。
按照本发明这样的组成，可减少还原铁的再氧化，以此可增加所得金属铁的Fe纯度，同时通过适当控制大气气体于固态还原后的渗碳-熔化-凝聚阶段中，使副产物炉渣能够基本上完全与金属铁分离开来。而且，本发明有可能减少熔融炉渣的渗出和熔融FeO造成的对炉床耐火材料的腐蚀或磨蚀，以此可有效地连续生产具有较高铁纯度的颗粒金属铁。
在实施本发明时，如果在制备成形原料时向其中有意加入适当量的CaO源来提高得到的炉渣的碱度，来源于碳材料的硫可有效地被炉渣捕获，以此可降低所得金属铁的硫含量，并减轻以后脱硫的负担。而且，从熔炉中以SOx形式排放的硫量可被尽可能地减少，因而如果这种废气已经脱硫了，则脱硫的负担可减轻。
如果建设成一种制铁-制钢的总生产体系，其中制钢炉位于还原熔化设备附近以便利用高温金属铁作为热源或作为铁源进一步加热熔融制钢，这样的生产系统能够有效地利用金属铁所保留的热量，因而对实际生产是很适用的。
而且，根据本发明，从成形原料得到的炉渣组分，可沉积在移动炉床型还原熔化炉的炉床耐火材料上，然后在生产过程中定期或连续除去得到的炉渣沉积层，以此可防止颗粒金属铁粘附于或沉积在连续生产的炉渣沉积层上，而借助于损坏了的沉积层表面的自身修复作用可恒定地保持炉床表面平滑。因此，可保证连续生产，而基本上不对起初装设的炉床耐火材料造成损坏，同时炉床维修周期可大大延长，以此可显著提高连续生产的效率。由于通过有效地利用生产过程中产生的炉渣的自身修复作用能够实现炉床的修复，所以无需从外部提供任何修复材料来修复在生产开始的初始保护层，因此，这种方法是非常有成本效益的。如果使用再循环炉渣作为形成初始保护层的材料，则这种方法变成更加成本有效的了。
本发明的供料装置能够在炉床上形成一种具有基本上为均匀厚度的辅助原料的连续层，至所需要的厚度。由于管道能够在炉床的横向方向上分配，所以要供送的辅助原料量可通过控制管道的每一分支管道的入口来改变，因此，有可能在炉床横向方向上形成厚度基本上均匀的薄而连续的辅助原料层，即使炉床为旋转炉床。因此，无需在炉中装设层厚度调节装置如刮平器(leveler)或平滑器，这可以较少成本费用来生产。而且，如果本发明的供料装置是用来供给辅助原料到炉床上，这种辅助原料能防止粘附于管道的内壁上，以此可有效地避免这样一些问题，如管道堵塞和沉积的辅助原料以团块降落。
虽然对本发明的现有一些优选实施方案作了详细描述，但本领域的技术人员将很清楚，在实施方案中可进行某些改变或修改，但都不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种生产颗粒金属铁的方法，其特征在于该方法包括：将含有碳质还原剂和含氧化铁的物质的包含硫的成形原料在移动炉床型还原熔化炉中加热，使在成形原料中的氧化铁经受固态还原；和将从固态还原得到的还原铁用在碳质还原剂中所含的碳进行渗碳以引起还原铁熔化，同时分离出成形原料中所含的脉石组分，并引起得到的熔融金属铁凝聚成颗粒金属铁，其中在渗碳和熔化阶段中在成形原料附近存在的大气气体具有不低于0.5的还原度，且成形原料在制备过程中与氧化钙源一起混合，以调节成形原料中所含炉渣形成组分的碱度CaO/SiO2至0.6-1.8范围内。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于碳质材料的大气调节剂至少在成形原料熔化之前被填装到还原熔化炉的炉床上。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于大气调节剂的平均粒径为3mm或3mm以下，并且被填装到炉床上至厚度为7mm或7mm以下。
4.根据权利要求1至3中任何一项的方法，其特征在于还原熔化炉是一种所述移动炉床型还原熔化炉，它被分配进入在炉床移动方向上的至少两个部分，在移动方向上游一侧的一个部分适用于固态还原，在移动方向下游一侧的另一部分适用于渗碳和熔化；每个部分都在该部分的基础上被加以控制，使其中的温度和大气气体组分受到调节。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于渗碳和熔化部分的温度比固态还原部分的温度高50-200℃。
6.一种生产熔融钢的方法，其特征在于包括将由权利要求1-5中任何一项所述方法生产的颗粒金属铁装入制钢炉中。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于要加入到制钢炉中的金属铁的温度保持在800-1200℃。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于颗粒金属铁在装入制钢炉之前被熔化。
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