CN1366554A - 熔融金属铁的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种方法,包含:将含有碳质还原剂和含氧化铁的物质的原料压实物质装入移动炉膛型还原炉;在所述还原炉内将所述原料压实物质还原至还原比为30－80%,从而形成由金属铁形成的壳层或形成这样一种状态:金属铁形成壳层,或金属铁以网络方式伸向四周,并且碳质还原剂保留在其间的空隙中;附聚生成的含FeO的炉渣;将所述经还原的压实物质装入维持高温状态的熔融炉中,并进行最终还原和熔融,以得到熔融金属铁。

Description

熔融金属铁的生产方法

发明领域

本发明涉及通过碳质还原剂如焦碳加热和还原氧化铁例如铁矿以得到熔融金属铁的技术的改进，还涉及通过简单加工有效地将氧化铁还原成为金属铁，并有效地利用金属铁的绝大多数余热廉价、高生产率地生产熔融金属铁的改进方法。

发明背景

迄今，已经提出了很多建议，其中氧化铁源如铁矿和氧化铁与碳质还原剂如焦炭和煤混合以将其压缩成为粒状或块状，将压缩后的物质加热从而将该压缩后的物质中的氧化铁还原以得到金属铁。

例如，有这样一种方法，其包括：采用具有固体碳质材料作为内部还原剂的细粉状氧化铁粒的原料，在转底型还原炉中将其加热进行预还原，将从还原炉中得到的预还原的物质加入温度不低于1000℃的精炼炉中进行精炼，进一步进行还原以生产熔融金属铁。该方法包括：将包括粉末状氧化铁和固体碳质材料的原料混合物压成粒状物质或块状物质，在经过干燥或未经干燥后，将该物质在1100-1350℃的相对低温下加热10-50分钟，以还原至约50-90％的还原比，随后进行精炼和最终还原。但是，在该方法中，由于还原时的加热温度较低，需要很长的加热和还原时间，为了实现规模生产，需要大规模的设备。此外，用于还原的能耗也较高。

还有另外一种方法，其包括：在内部将带有碳质还原剂的氧化铁压成粒状或块状物质，加热并还原该压制的物质，同时将其沿水平方向在移动炉膛上移动，生成并生长的金属铁壳从而继续还原直至其中不存在氧化铁，在金属铁的壳内附聚生成的炉渣，将其从移动炉膛中卸出，并将其进一步加热以使金属铁的壳熔融，并将其分为熔融炉渣和熔融金属离子。根据该方法，由于加热和还原是在不低于1300℃的高温下进行的，还原时间得以显著降低，但是由于金属铁壳已经形成后应当继续进行还原直至其中基本上不存在氧化铁，它需要相当长的时间才能终止还原，因此，水平移动距离很长，设备尺寸变大，能耗较高。此外，在该方法中，由于加热还原所需的能量和精炼还原和熔融所需的能量是不平衡的，热能被浪费掉了。

还有一种生铁的生产方法是采用处于部分还原态的包含氧化铁和碳质还原剂的坯块作为原料。该方法中使用的处于部分还原态的坯块是具有双层结构的坯块，其中包含一个主要由金属铁组成的壳层和主要由金属铁、氧化铁和单体碳组成的内核。经部分还原的坯块用作原材料，其铁的总质量％不低于70％，金属铁含量为20-50％，单体碳含量不低于5％，坯块的体积不低于20cm³，将其装入竖式炉中并加热以得到熔融金属铁。经部分还原的坯块具有如上所述在其中混合的金属铁、单体碳和氧化铁。但是，单体碳的量为5-10％，这对于将处于部分还原状态的氧化铁还原和有效熔融必需的渗碳来说是不够的，因此应当分别在最后渗碳和下一步的熔融步骤中加入碳。此外，在该方法中，在鼓风炉中将经部分还原的坯块熔融并还原以生产生铁，但是为了提高鼓风炉中加工效率必须将炉中的透气性维持在较高水平，为了该目的，原料坯块应当具有较大的直径(为确保球形状态下体积不低于20cm³，直径应不低于约3.4cm)，所述的大直径球粒或块的生产相当复杂，所以不仅需要专用成块设备，而且产率低，欠缺原料加工的灵活性。

本发明的目的是提供一种方法，该方法包括：将含有碳质还原剂和含氧化铁的物质的原料压实物质还原以生产金属铁，有效地继续还原，不会对预压制原料带来过度负担，以得到部分还原的物质；在短时间内有效地继续进行还原并在维持经部分还原的物质的温度以能够以优异的生产率生产高纯度熔融铁。

根据本发明的生产方法的主题包括：将含有碳质还原剂和含有氧化铁的物质的原料压实物质装入移动炉膛型还原炉；在还原炉内将原料压实物质还原到还原率为30-80％，从而形成金属铁壳层；或通过金属铁以网络方式伸向四周形成其中碳质物质保持空隙的状态，附聚其中含有FeO的生成的炉渣，将处于维持高温状态中的经还原和压实的物质(部分还原的物质)从还原炉中取出，以将其装入电弧加热型熔融炉或铁浴炉中；进行最终还原、渗碳和熔融以得到熔融金属铁。

上述方法可以体现为，经还原的原料压实物质中保持的氧化铁在熔融炉内进一步还原，碳质还原剂对生成的已还原的铁进行渗碳。但是，优选地，如果被压实的物质中含有相对于将氧化铁还原所需的理论平衡量过量3-6％质量％的碳质还原剂，当生产原料压实物质时，可充分地进行加热和还原，而无需另外加入碳质还原剂，其后可以有效地进行渗碳。

如果在其中进行还原的还原炉的内温被控制在1350-1450℃的范围内，或将装入还原炉中的原料压实物质进一步在2分钟内快速升温到不低于800℃的温度，还原可以在短期内有效地进行。如果以上述方式控制温度，原料压实物质的前述还原可以在极短时间即3-5分钟内进行。此外，为了更积极地获得通过所述温度控制得到的还原速率提高效果，使用直径为3-25mm的粒状或块状原料压实物质最为有效。

图1给出了当在基础实验中进行原料压实物质的还原和熔融时，环境温度、原料压实物质的温度、还原比率、和CO、CO₂的生成量变化。

图2是说明本发明步骤的流程图；

图3是说明本发明一种移动炉膛还原炉和熔融炉的示意性截面解释性视图。

图4是说明本发明另一种移动炉膛还原炉和熔融炉的示意性截面解释性视图。

图5是说明本发明另外一种旋转床还原炉的示意性平面图；和

图6是说明处于金属铁以网络方式伸向四周的状态下的经部分还原的物质的照片。

本发明中采用了一种熔融金属铁的生产方法，其中旋转床型加热和还原炉用作移动炉膛型加热和还原炉，固体状态下的还原比设定为30-80％的范围，将此时制得的部分还原的物质供应到处于高温状态下的熔融炉，并进行最终还原和熔融以生产熔融金属铁。

此处所称的部分还原的物质是一种钟形部分还原的物质，其具有其中金属铁的壳的内部产生的炉渣被附聚的结构，或者是一种处于金属铁以网络方式伸向四周的状态的部分还原的物质和保持其空隙中的碳质还原物质(见后面描述的图6)。如果将所述部分还原的物质用作原料，由于还原和熔融是在炉渣中的FeO被限制在金属铁的壳内或以网络方式构成的金属铁的核内的状态下进行的，由FeO导致的加工炉中耐火材料的熔融损失(渗透和腐蚀)可以被尽可能少地抑制，尤其是在熔融步骤中；原因可能是，由于流出来的某些FeO被保留在部分还原物质中的碳质还原剂快速还原，加工炉中耐火材料的熔融损失可以被抑制到最小的限度。

本发明中提及的还原比为通过下面方程式得到的值：

还原比＝[还原过程中除去的氧量/原料压实物质中含有的氧化铁中的氧]^*100(％)

下面，将更清楚地解释将还原时原料压实物质的还原比确定为30-80％的范围的理由。图1给出了基础实验得到的结果。该实施例给出了，当采用铁矿作为氧化铁源和煤作为碳质还原剂的原料压实物质被装入环境温度控制到约1300℃的炉中进行固体还原直至还原比(原料压实物质中氧化铁中的氧的除去比)达到约100％，环境温度被进一步升高到1425℃以进一步将还原的铁加热并熔融来生产熔融金属铁时，原料颗粒的内温和环境温度，还原比的变化，以及该时期内生成的CO和CO₂气体量的变化。

从图中显然可见，原料压实物质中氧化铁的还原比随加热时间的延续迅速增大，但是该时期内氧化铁的还原实质上取决于通过原料压实物质含有的碳质还原剂进行的氧化铁的还原和由此生成的还原性CO气体，随着CO气体的生成量的增加，还原比迅速增大。当CO气体生成量达到最大值时，还原比的曲线也到达最大值，随后随着CO气体生成量的下降，还原比曲线变钝。

可以认为这种现象是由于以下原因造成的：金属铁的壳通过固体还原形成于原料压实物质的表面层上，或者形成了其中金属铁以网络方式伸向四周的结构的壳层，由其中存在的碳质还原剂和氧化铁之间的反应生成的CO气体被限制在金属的壳层，由于内部还原潜力快速增大，还原比快速增大。据信，当还原比达到一定水平时，其中保持的氧化铁和碳质还原剂的量降低，因此CO的生成量也降低，结果，随后还原比的上升速度变钝。

从图中可以确信，将还原比稳定以显示原料压实物质的还原比快速增大的高上升速度的环境位于直至还原比达到80％，随后还原比的上升趋势变钝的区域。从所述趋势看，当固体还原期间壳层形成引起的内部还原潜力增加时，可以最好的效率在短期内有效地进行固体还原。随后，随着CO气体生成量的减少，还原比的增加变钝。因此，即使固体还原继续以该状态进行，也不能指望单位时间内还原比快速增加，这对缩短还原时间是相当不利的。

由上可见，本发明采用了一种方法，其中所述程序被停止在部分还原的状态，直至固体还原进行最有效的“还原比80％”，将获得的部分还原的物质装入连续得到高加热效率的熔融炉中，在短时间内有效地进行保持部分还原状态的氧化物的加热和还原、以及渗碳和熔融。通过实施所述的此类方法，从固体还原和渗碳以及熔融算起进一步还原所需的总时间可以显著缩短，从而能够显著提高熔融金属铁的生产率。

固体还原期内的还原比的下限定为30％，这是因为当要装入熔融炉例如电弧加热型熔融炉和铁浴炉中的部分还原的物质的还原比低于30％时，不仅金属壳的形成是不充分的，而且在渗碳和熔融的同时，处于非还原态的氧化铁部分也是熔融的，并且混入生成的炉渣中，从而导致加工炉所衬的耐火材料引起很大的熔融损失。但是，如果固体还原步骤中还原比达到至少30％，非还原态氧化铁假定为其被保持在于固体还原期中形成的金属铁的壳内或金属铁的网状壳内的状态，从而在熔融炉内快速接受热量，在壳内快速进行还原和渗碳以抑制作为熔融氧化铁向外部的流动，几乎不发生内衬的耐火材料的损失。

由上述理由可见，本发明中，固体还原末期的还原比的下限确定为不低于30％，但是为了更好地防止由于熔融氧化铁外流造成的内衬耐火材料的熔融损失，优选，将固体还原期中的还原比提高到不低于40％，更优选地，不低于50％。

此外，为了提高固体还原期的还原比，优选地，将固体还原期的环境温度控制在1350-1450℃，低于1350℃时，固体还原速度太慢以致于难以形成金属铁壳层，不能充分利用缩短加工时间的目的。此外，当在超过1450℃的高温下进行固体还原时，在固体还原的同时发生氧化铁的熔融，这样金属铁壳层不易形成，由于从熔融态原料压实物质流失的氧化铁增加，还原炉的炉膛耐火材料损坏严重，这在进行连续操作时是严重缺陷。从这一点考虑，固体还原期的更优选的温度范围为1380-1430℃，优选地，为了在较短时间内进行还原，于2分钟内将温度快速提高到不低于800℃，更优选地，不低于1000℃。当在提高到所述高温的温度下进行固体还原时，将还原比提高至30-80％所需的时间可以缩短到约3-5分钟。

为了进一步平稳地进行固体还原，随后进一步用熔融炉还原、渗碳和熔融，相对于将压实物质中的氧化铁还原和原料压实物质生产过程中它的渗碳处理所需的理论当量，含有过量的包含在压实物质中的碳质还原剂是必须的。这是因为，当将部分还原的物质装入熔融炉中进行最终还原和渗碳以及熔融时，无需额外加入碳质还原剂。因此，碳质还原剂的过量程度是确保压实物质中氧化铁的还原和渗碳所需的量。渗碳量一般为2-3.5％，但是根据温度条件和渗碳以及熔融时的环境气体有所变化。还原时通过燃烧器加热生成的氧化性气体(CO₂或H₂O)也消耗碳质还原剂，为了确保残留氧化铁的还原和考虑到还原铁的渗碳所需的碳还原剂的量，相对于将原料压实物质中的氧化铁还原所需的理论当量，优选应当过量不低于3％。但是，从经济角度看，含量过大导致浪费，优选地，应当将过量限制到6％。

另外，为了在固体还原时迅速提高原料压实物质的温度，优选地，将压实物质压缩到直径不超过25mm。当压实物质的尺寸变得太大时，由燃烧器加热和辐射热引起的原料压实物质的温度提高速度变慢，本发明希望达到的固体还原时间的缩短效果可能会受到影响。但是，当压实物质太小时，要形成金属铁壳层和网状金属铁壳层是困难的，由于内部还原潜力的提高受到损害，出现了进行快速还原的趋势，因此，优选地，将尺寸调整到直径不低于约3mm。此处的“直径”是指压实物质并不限定为球形，而是可以为各种形状，例如椭圆形、蛋形、短棒形(粒状)和块状等。简言之，如果使用具有直径尺寸的原料压实物质，有可能有效地表现出由于由此引起的内部还原潜力的提高导致的金属铁壳层形成和还原速度提高的效果。

根据本发明，固体还原期的还原比限定为30-80％，以最有效地进行固体还原，然后将得到的部分还原的物质装入处于维持高温状态下的熔融炉中以将其快速加热，通过碳质还原剂的作用将保持在部分还原的物质中的氧化铁进一步还原并快速渗碳，从而能够在短期内极其有效地生产熔融金属铁。

下面将参照附图更具体地描述本发明。当然，本发明不限于这些描述，可以根据需要适当地变化，这些变化包括在本发明的技术范围内。

图2是一个流程图，给出了根据本发明的熔融金属铁的生产实例。氧化铁源(例如铁矿)和碳质还原剂(例如焦碳、煤粉等)均匀混合，如果需要，将其与粘合剂例如斑脱土和淀粉混合，以生产原料压实物质。在原料压实物质的生产中，如上所述，相对于将氧化铁还原所需的理论当量含量过量3-6％的碳质还原剂与原料中的氧化铁源复合，将其紧凑尺寸调整到直径变化为3-25mm，更优选地，6-20mm的范围。最通常地，压实物质的形状约为球形，但是形状例如椭圆形、蛋形和短棒形可以适当地采用。也可使用粒状、饼状或块状。在生产原料压实物质过程中，可以含有合适量的具有脱硫功能的石灰石或氢氧化钙。

得到的原料压实物质装入移动炉膛型还原炉中，通过将其加热在炉膛上进行固体还原。通过在2分钟内将温度提高到，优选，不低于800℃，更优选地，不低于1000℃，并在1300-1450℃的大气温度下加热来进行固体还原。通过采用这样的温度条件，将原料压实物质从表面还原以在表面上形成金属铁壳层，或形成金属铁以网络方式伸向四周的状态(参见下文所述的图6)，在金属铁壳层内或网络结构内形成高还原潜力气氛，从而在其中快速地进行还原。但是，本发明中，在固体还原步骤中将还原比限制到30-80％的范围，并充分还原以得到部分还原的铁。此时，需要的时间很短，固体还原在约3-5分钟内终止。

获得的部分还原的铁是用其表面上的金属铁的壳层或用其中金属铁以网络方式伸向四周的壳层(见图6)形成的，其中它含有非还原态的氧化铁，未反应的碳质还原剂和生成的炉渣，温度处于1350-1450℃的高温状态，将部分还原的铁装入高温状态下的熔融炉中。所用的熔融炉包括，例如，电弧加热型熔融炉和铁浴炉(包括转炉)，由于在前面装料过程中得到的高温熔融铁被保存在其中(只在第一次，通过电弧加热等进行部分还原铁的加热和熔融)，通过熔融炉内的熔融金属铁的热量将残留的氧化铁迅速进行还原，通过过量存在的碳质还原剂对生成的金属铁进行渗碳，并将其迅速熔融以与熔融炉内的熔融金属铁合并。此时生成的炉渣浮在熔融炉的表面上，可以通过适当方式将其从表面移出。

得到的熔融金属铁被留在熔融炉中或一次送入精炼炉中以对其进行加工例如脱碳、脱硫、脱磷等，从而得到熔融钢，或者向其中加入适量的合金元素以生产合金熔融钢。

即，根据本发明，将还原停止在30-60％的还原比的范围内，在该范围得到固体还原期中的最高还原速度，将生成的部分还原铁送入处于高温状态的熔融炉中以进行进一步还原和渗碳、熔融。实际上可以有效地利用部分还原的铁的余热，通过留在熔融炉中的高温熔融金属铁迅速加热经部分还原的铁以进行最终还原和渗碳以及熔融，因此显著缩短了整体加工时间。而且，即使如上所述加上升温时间，固体还原所需的时间也仅在10分钟以内，并且其后通过熔融炉进行的最终还原和渗碳以及熔融也将在短期内(10分钟以内)完成，这样就能够维持这两步之间的时间和热能平衡，并且能够显著简化一系列的步骤管理。此外，根据固体还原炉的规模，可以通过设计熔融炉的能力对生产速度进行适当调节。

图3是说明具有应用于本发明的还原炉和熔融炉的设备的示意性剖面图。旋转炉膛型还原炉1用作移动炉膛型还原炉，在靠近炉1的安装位置安装电弧加热型熔融炉2，还原炉1中连续生产的高温部分还原铁A立即送入电弧加热型熔融炉2以进行进一步还原和渗碳以及熔融。生成的熔融铁Fe和生成的炉渣可以连续或间歇地从熔融炉2中取出。

图4是给出应用于本发明的另一个例子的示意性剖面图。类似于上面提到的旋转炉膛型还原炉1用作移动炉膛型还原炉，在靠近炉1的安装位置安装铁浴炉(转炉)，还原炉1中连续生产的高温部分还原铁A立即送入铁浴炉3以进行进一步还原和渗碳和熔融，通过顶部吹管或底部鼓风口吹入氧气(或空气)进行脱碳精炼以得到熔融金属铁，分离浮在表面上的生成的炉渣。如果部分还原的铁中S、P、Si等含量过高，吹气前先进行脱硫、脱磷和脱硅，随后，如果需要加入适量的合金元素以得到合金钢。

如同用于本发明的移动炉膛型还原炉一样，只要它们具有能够通过燃烧器加热等在连续移动的炉膛上连续加热原料压实物质，可以使用任何还原炉如旋转炉膛型、带式焙烧机型等。此外，上述说明的同时，还给出了其中部分还原物质从旋转炉膛型还原炉的一个地方取出并送入熔融炉的实施例，应当指出，例如，如图5所示，可以将部分还原物质从旋转炉膛型还原炉的多个地方(图中示出两个地方)取出并送入熔融炉。另外，只要它们具有能够在其中加热和熔融金属铁的构造，可以使用任何熔融炉，可以使用电弧加热型炉和铁浴炉(包括转炉)。

在如上所述组成的本发明中，使用移动炉膛型还原炉进行的固体还原的还原比限制到30-80％的范围，将得到的部分还原的物质送入处于维持高温状态的熔融炉中，进行最终还原和渗碳和熔融以尽可能地抑制还原炉和熔融炉的耐火材料的熔融损失，以在短时间内高效地生产熔融金属铁。此外，本发明中，通过固体还原得到部分还原的物质所需的时间与将部分还原的物质装入熔融炉进行进一步还原和渗碳及熔融所需的时间区别不大，但是可以很好地保持两个步骤间的时间和能量平衡，从而能够有效地利用高温部分还原的物质作为熔融炉用的热源并且能够将整体设备的能耗降低到最小限度。

Claims (8)

1.一种熔融金属铁的生产方法，包含：

将含有碳质还原剂和含氧化铁的物质的原料压实物质压实；

将所述原料压实物质装入移动炉膛型还原炉以在所述还原炉内将所述原料压实物质还原至还原比为30-80％，从而形成这样的状态：金属铁形成壳层或金属铁以网络方式伸向四周，并且碳质还原剂保留在其间的空隙中；

附聚生成的含FeO的炉渣；

将所述经还原的压实物质装入维持高温状态的熔融炉中，并进行最终还原和熔融。

2.根据权利要求1的方法，其中将所述原料压实物质用碳质还原剂压实，所述碳质还原剂相对于还原其中含有的所述压实物质中的氧化铁所需的理论当量过量3-6质量％。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述熔融炉为电弧加热型熔融炉或铁浴炉，将保留在所述原料压实物质中的氧化铁还原，通过碳质还原剂对还原铁进行渗碳以将氧化铁熔融。

4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中发生还原时所述还原炉的内温为1350-1450℃。

5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中所述还原炉中原料压实物质的还原进行3-5分钟。

6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述原料压实物质被压制为直径为3-25mm的粒状或块状。

7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中在2分钟内将装入所述还原炉中的原料压实物质升温到不低于800℃的温度。

8.一种熔融金属铁的生产方法，包含：

将含有碳质还原剂和含氧化铁的物质的原料压实物质装入移动炉膛型还原炉；

在所述还原炉内将所述原料压实物质还原至还原比为30-80％，从而形成由金属铁形成的壳层或形成这样一种状态：金属铁形成壳层或金属铁以网络方式伸向四周，并且碳质还原剂保留在其间的空隙中；

附聚生成的含FeO的炉渣；

将所述经还原的压实物质装入维持高温状态的熔融炉中，并进行最终还原和熔融。

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