TWI245802B - Method of producing a metallized briquette - Google Patents

Description

1245802 五、發明説明（1) 相關申請案之參照 本申請案聲請2000年6月5日提出之序號60/ 209，526 之臨時專利申請案之優先權。 發明之領域 本發明係關於一種製造含碳金屬鐵塊之方法，及生成之 塊。 發明背景 製造鋼之現代方法伴隨製鋼造成大量鋼塵及其他之廢棄 物。大部份製鋼者尋求將鋼塵再循環之方法。適當之鋼塵 再循環使製鋼者收回當作廢棄物而失去之有價値礦物，而 且降低必須適當地處理及棄置之環境有害材料之量。 由許多因素驅使將煉鋼廠廢棄物再循環之方法之尋求。 首先爲關於有價値礦物之損失。大量之煉鋼廠廢棄物隨著 製造每噸精製鋼而製造。煉鋼廠廢棄物含部份之鐵、氧化 鐵、其他金屬氧化物成分、及碳，其由煉鋼廠之集塵室及 水處理裝置收集。經由適當之處理，廢鐵材料可直接還原 及熔化以收回有價値鐵成分。當然，收回對煉鋼廠造成較 低之原料成本。 環境顧慮亦已提示將煉鋼廠廢棄物再循環之有效方法之 硏究。一些煉鋼廠廢棄物，如來自電弧爐（EAF)之集塵室 灰塵被視爲有害材料，其必須在棄置前處理。此處理之成 本相當高◦由於隨每噸鋼製造之大量廢棄物，即使是未必 視爲有害之煉鋼廠廢棄物亦具有掩埋或其他棄置之高伴隨 成本。 1245802 五、發明説明（2 ) 製鋼者已發展一種將煉鋼廠廢棄物再循環之方法，其 藉由收集廢棄物，組合廢棄物與還原劑，將組合壓緊成爲 固態團塊，然後將團塊加熱，因而造成團塊內鐵材 料之直接還原，及最後將直接還原團塊裝至煉鋼爐。在 直接還原前形成團塊（已知爲M胚π團塊）之方法在此技 藝爲已知的。將煉鋼廠廢棄物處理成用於直接還原之團塊 實例可在Kan eko等人之美國專利4,701，21 4中發現，其 敘述一種混合氧化鐡塵或鐵礦與細微分割之煤及黏合劑以 形成混合物，藉由將混合物壓緊、粒化、或壓塊以形成團 塊或顆粒而黏聚混合物，將顆粒引入轉動平底爐以預先 還原顆粒中之鐵，將預先還原顆粒引入熔化還原容器中作 爲含金屬組分，經容器底部將粒狀碳質燃料與氧引入熔化 還原容器中以反應容器內之熔化物或浴，將鐵還原成元素 鐵及形成含C0與H2之廢氣，將廢氣引入轉動平底爐中作爲 處理氣體以預先還原其中之顆粒，及自熔化還原爐抽取熱 金屬之方法。 利用氧化鐡細粉之團塊形成煉鋼爐中之直接還原裝載 物之最先進方法在Meissner等人之美國專利5，730,775見 到，其敘述一種由氧化鐵與碳質材料組成之乾燥壓緊物製 造直接還原鐵之方法及裝置，其藉由將不超過2層深之壓 緊物進料至爐床上，及去除所有之揮發物，而且藉由使該 壓緊物暴露於約2400°F至約2600°F之溫度之輻射熱源而將 壓緊物金屬化。 爲了形成先行技藝之胚團塊，含塵及/或鐵礦之鐵組合還 - 4- 1245802 五、發明説明（3 ) 原劑，其通常爲如煤或焦炭之碳質材料。視處理條件而 定，團塊材料可爲潮濕或乾燥。最後，在將混合物壓緊成 爲塊之前，將黏合劑加入混合物。 鋼塵經由直接還原鋼塵胚團塊而再循環之成功主要視直 接還原前形成之塊之品質而定。塊在由進入直接還原爐之 處至進入製鋼爐之處之全部轉移保留其物理整體性爲重要 的。如果塊在直接還原時破碎或分解，則破裂之碎片接受 怏速還原隨後氧化。在最糟之情形，破碎之團塊再氧化成 Fe〇。這些在團塊由直接還原爐至製鋼爐之轉移時未失去之 團塊碎片趨於快速地再氧化，而且在注射至製鋼爐時熔化 成熔渣，或被含廢氣系統立即吸出製鋼爐。因此，如破裂 碎片或塵之團塊材料之損失戲劇性地降低鋼塵再循環系統 之效率。 爲了防止團塊之碎裂，將黏合劑加入材料，用於胚團塊 之黏合劑選擇經常爲成本與下游處理損害之交換。傳 統上用於團塊形成之黏合劑爲矽酸鈉、1 %石灰與3%糖 蜜、基於瀝青之黏合劑、及膠結劑。矽酸鈉製造已知在 加熱時變弱或折損之團塊，及矽酸鈉分解成不欲之鹼化 合物，其造成爐內難以控制之損壞。膠結劑黏合劑趨於增 加相對脈石含量，使得後續熔化步驟中之熔渣含量變成非 常高。石灰/糖蜜組合及基於瀝青之黏合劑具有可接受之 性能，但是相富貴。 仍存在用於鋼塵黏聚之黏合劑及利用黏合劑之方法之 需求，其成本低且造成具有改良壓碎強度之胚團塊，因 1245802 五、發明説明（4) 此在直接還原程序或相關之運輸時避免團塊破碎。更有 黏合劑及利用黏合劑之方法之需求，其使任何下游環境影 響最小及對製鋼方法之任何其他負面影響最小。 發明目的 因此，本發明之目的爲提供一種製造用於以後處理成 含碳鋼之硬團塊之方法。 本發明之另一個目的爲提供一種具有至少4 0 %，而且較 佳爲大於80%之具有改良強度之含碳直接還原鐵團塊。 發明槪要 本發明爲一種製造金屬化鐵團塊之方法，其藉由組合 鐡/鋼顆粒及具有纖維素纖維黏合劑材料之還原劑材料， 將組合壓緊以形成固態團塊，及在直接還原爐中將團塊之 鐵部份還原。纖維素纖維黏合劑材料提供具有比使 用此技藝黏合劑之可比擬團塊改良之強度及較低之總成 本之團塊。 纖維素纖維材料可源自纖維素纖維之任何適當來源， 而且較佳爲源自廢棄物材料，如紙、紙板、木屑、甘蔗渣 、或地方廢棄物。鐵粒由製鋼方法之廢棄物流接收，其包 括集塵室灰塵與來自破裂塊與顆粒之粒狀物質。額外之初 煉鐵成分亦可加入混合物。如果需要，則加入還原劑，較 佳爲粉碎之煤，以將團塊適當地還原。 團塊可爲藉輥壓塊形成之塊、藉碟/鼓粒化法、擠製 、或其他已知之團塊製備方法形成之顆粒。團塊在爐加 熱6至20分鐘之時間，生成相當適合作爲製鐡或製鋼 1245802 五、發明説明（5 ) 爐之進料材料之非常有效之含碳經處理產物。 圖式簡要說明 以上及其他目的参1考以下/<£ I羊細說明及附圖而變爲更 易顯而易知，其中： 第1圖爲顯示製造依照本發明之團塊之流程圖。 第2圖爲比較以各種黏合劑製造之塊之壓碎強度對箱 形爐中處理時間之圖表。 第3圖爲顯示以4種不同之黏合劑製造之塊之金屬化對 處理時間之圖表。 第4圖爲顯示依照爐中熱處理時間，保留在以4種不同 之黏合劑製造之塊中之碳之圖表。 第5圖爲顯示以各種不同之黏合劑製備之胚塊之平均 壓碎強度之圖表。 第6圖爲顯示以纖維素黏合劑及各種大小之鐵細粉製 備之塊之金屬化百分比之圖表。 第7圖爲顯示以纖維素黏合劑及各種大小之鐡細粉製 備之塊之壓碎強度之圖表。 詳細說明 依照本發明，在用於含鐵材料直接還原之胚團塊之製造 中使用纖維素黏合劑作爲黏合劑。使用纖維素黏合劑及在 此揭示之本發明方法，由篩選含鐵材料及賦與胚團塊充分 胚強度之篩選還原劑製造胚團塊，所以團塊可直接裝至轉 動平底爐，或其他之爐，而不會破碎或產生細粉；使得其 在加熱時得到優異之強度而不損及熱處理步驟或處理裝 -7- 1245802 五、發明説明（6) 置；及使得其整體上比以其他黏合劑製造之團塊較爲經 濟。 在本發明之胚團塊製造中作爲黏合劑之纖維素纖維可 源自廢棄物材料，如使用過之紙、紙板、木屑、甘蔗渣 (甘蔗廢棄物）、或地方廢棄物。在使用後者時，因爲後 續之熱處理破壞廢棄物之熱敏感成分，不論廢棄物爲一般 廢棄物或有害廢棄物均無差別。使用纖維素纖維作爲較佳 黏合劑可比石灰/糖蜜之習知黏合劑生成大量之成本節 省。此外，胚團塊強度及還原壓緊物強度比以石灰/糖蜜 或其他常用黏合劑製造之團塊高。 在黏聚前，由碎裂或粉碎有機材料製造纖維素纖維材 料。纖維素材料之來源可爲任何適當之原料或後消費者產 品流，其包括有機廢棄物流。纖維素來源可包括但絕不限 於新的或使用過之紙、新的或使用過之報紙、新的或使用 過之紙板、木屑、甘蔗渣（一般爲甘蔗廢棄物）、及地方廢 棄物（包括源自垃圾燃料）。因爲其豐富量，纖維素纖維黏 合劑之來源材料非常便宜，而且因爲纖維素材料可源自消 費者廢棄物流，使用纖維素黏合劑爲環境友善的。 參考第1圖，含廢鐵材料由漏斗1〇與來自漏斗12之黏 合劑材料進料至混合器14，然後至以壓塊器16顯示之黏聚 器。黏聚材料離開壓塊器且可藉適當之裝置過濾或舖選， 如濾網1 8。迪過濾網1 8之細粉經再循環管線2 〇再循環至 混合器1 4。收集大團塊且進料至製鐵或鋼爐2 2。將實質上 乾之纖維素纖維黏合劑材料與含廢鐡材料進料至混合器 1245802 五、發明説明（7) 1 4。纖維素纖維材料較佳爲總混合物之約〇 . 5%至約2 . 〇%重 量比’雖然黏合劑可以至多約25重量％之量使用。廢鐵材 料源自煉鋼爐集塵室灰塵或前壓塊操作之收集灰塵與碎片 。或者’含廢鐵材料來自製鋼方法之其他步驟或由具有含 鐵廢棄物流之其他製鋼設備處運輸。含鐵材料一般爲鼓風 爐灰塵、鼓風爐淤漿、軋鋼鱗片、屑、金屬化DRI細粉、 燒結灰塵、熔鐵爐灰塵、或廢棄物顆粒細粉。或者，可使 用電弧爐（EAF)灰塵作爲廢鐡來源。使用EAF灰塵作爲本發 明方法之進料爲重要的，因爲EAF灰塵歸類爲有害廢氣物 ’其可藉由經本發明方法再循環而減爲最少。藉由使用纖 維素纖維作爲黏合劑，含鐵材料之粒度不再需要如先行技 藝之黏合劑所需細微地硏磨。例如，5至1 0%之含鐵顆粒 可達6毫米，而仍得到硬團塊。 如果需要，將細粉形式之初煉鐡礦加入混合物。視混 合物中之廢鐵材料組成物及最終還原塊之所需組成物而定 ，可將初煉鐵材料加入廢鐵之稀釋不欲組分，如高比例之 硫、錳、鉻等，以消耗過量之碳，或僅增加鐵含量。 最後，將還原劑材料加入混合物，較佳之還原劑材料 爲焦炭微風、石油焦炭細粉、CDQ(冷塵驟冷）細粉，而且 最佳爲粉碎煤。鐵直接還原常用之任何其他還原劑亦可接 受，包括木炭或石墨。所需之還原劑量視混合物內鐵成分 之相對量及使用之纖維素黏合劑之量而定。已發現纖維素 纖維材料有效地作爲還原劑，而且在一些情況可取代一些 或全部之較昂貴有益還原劑。因此，存在團塊中還原劑 1245802 五、發明説明（8) 成分100%被纖維素材料取代之可能性，特別是如此如果有 經濟優點。雖然各種還原劑材料大小生成可接受之硬團塊 ，還原劑較佳爲粉碎煤’其中80%之煤可通過200篩目過 濾。 視團塊製造時使用之進料材料而定，建議將補充水 加入含鐵材料、還原劑（如果有）、及纖維素黏合劑之混 合物。0%至5%重量比範圍內之加入混合物之水幫助黏合 程序，生成較硬之團塊◦對於胚混合物含高水含量（3% 至5 %重量比）之狀況’由於團塊材料之物理壓縮及水之 完全擠出，來自壓塊操作之機械作用一般造成〇 _ 2重量％ 減少。在塊之情形，無需胚塊之乾燥且塊可直接地裝至 加熱爐。 纖維素纖維不是非常稠密之黏合材料，所以黏合劑、 含鐵材料 '及還原齊彳（如果有）之混合物不是非常稠密， 特別是在高含量。混合因此較佳爲壓塊而非粒化，使得 高壓壓塊程序將團塊壓緊。 實驗室試驗已顯示，依照本發明方法以纖維素纖維製 造之團塊具有對由其他黏合劑系統製造之團塊爲可比擬或 較高之胚強度，即使是1 0%之-3篩目大小含鐵材料。（參見 第5圖）。在氮及/或還原氣氛下暴露於1 000。(：至i28rc之 溫度7至1 〇分鐘後，含纖維黏合劑之加熱團塊具有遠比由 其他黏合劑製造之團塊高之壓碎強度。此外，纖維素纖維 黏合劑呈現DR I壓碎強度增加如加熱時間之函數，通常先 行技藝之無黏合劑組合顯示DRI壓碎強度觀察增加如以纖 -10- 1245802 五、發明説明（9) 維素纖維黏合劑得到之加熱時間（8 _ 1 2分鐘）之函數。 在壓塊後，將塊進料至熱處理爐中，較佳爲轉動平底爐 ，其中其在約1 000°C至約130(TC之溫度加熱約6至約2〇 分鐘之時間。較佳之加熱時間爲約7至約9分鐘。藉由利 用此限制加熱時間，其在爐中不應超過20分鐘總時間，生 成之塊令人驚奇地硬。加熱爐中之氣氛可爲氧化、惰性或 還原，fill，0至約10%之可燃物（如H2 + CO)。團塊起初可在 氧化氣氛中加熱，繼而更在惰性及/或還原氣氛中加熱。此 外，含碳含鐡團塊之金屬化與殘餘碳含量有關。 在作爲製鋼爐之進料材料時，強度塊保持在一起且 容易地穿透製鋼爐之熔化金屬浴中之熔渣層。 已發現纖維素纖維材料對有無其他還原劑之篩選含鐵 材料之黏聚爲非常節省成本之黏合劑。己發現少量之纖 維素黏合劑（0.5-2重量％ )極爲良好地作業（例如，測量 之胚度）。其他之黏合劑系統需要較多黏合劑以得到類 似之結果。在一些情況，少量之纖維素黏合劑可結合習 知黏合劑或如補充而使用，以發展團塊之增加度益 處。亦因爲纖維素纖維黏合劑之改良黏合性質，其可製 造大粒度（0.25至1 .0毫米）之胚團塊。 實例 實例1 藉由製備一系列之試驗樣品，其各包括含鐵廢棄物材料 之20公斤批料，試驗纖維素在胚塊中作爲黏合劑之用法 。各批料含約80重量％之鐵礦顆粒進料（_〇· 〇74毫米）與氧 -11- 1245802 五、發明説明（1C)) 化鐵細粉（〜0.85毫米）及約20重量％之粉碎煤作爲還原劑 ，篩選使得80%之還原劑小於200篩目（-0.074毫米）。可 應用黏合劑以約1重量％之量加入混合物。成分在實驗室 混合物硏磨器混合約5分鐘。然後將全部批料進料至工業 壓塊機。在壓塊後，以手分離良好全塊與任何碎片或殘餘 顆粒。將碎片與顆粒再循環至壓塊機。藉由分析1 0個得自 良好全塊之隨機樣品分析胚塊壓碎強度。塊然後在1 288°C 之The rmc raft壓力爐在5標準公升/分鐘N2沖洗下還原。 壓力爐具有如真實工業直接還原爐之類似還原特徵。在指 定時間自壓力爐快速地移除還原塊，而且在N2沖洗槽中使 之冷卻。 參考第2圖，20cc之塊分析顯示1%紙/1%水黏合劑顯然 比3%糖蜜/1%石灰黏合劑優異。胚塊強度比纖維素黏合劑 稍高，及還原8分鐘後之DRI強度爲3%糖蜜/1 %石灰、及 2%糖蜜黏合劑之幾乎2倍。亦發現具有纖維素黏合劑之塊 之還原力可接受。 參考第3圖與第4圖，纖維素黏合劑顯示糖蜜/石灰黏合 劑之類似還原特徵。第3圖顯示還原曲線，而且1 〇分鐘後 高於90%之總還原非常類似具有糖蜜/石灰黏合劑之塊之 特徵。第4圖顯示隨時間對應塊還原之碳質還原劑減少量 。纖維素黏合劑樣品之碳含量以非常類似糖蜜/石灰樣品 之速率減少。因此，使用纖維素塡料以本發明之團塊 可得令人滿意之還原時間。 第5圖歸納依照本發明以各種黏合劑製造之胚團塊 -12- 1245802 五 '發明説明（n) 之平均壓碎強度之比較。如所示，含報紙（E)、紙板（G) '及絨毛（即，碎紙（D=1%,F = 2%))之纖維素均生成具有遠 比石灰與糖蜜（A=l %石灰/3%糖蜜，B=2%石灰/4%糖蜜） 之標準黏合劑組合大之壓碎強度之塊。僅甘蔗渣（C)，得 自甘蔗莖之纖維產物，無法顯示優於先行技藝之石灰與糖 蜜之顯著改良。 實例2 在以如實例1製造之實質上類似方法製造之1 2cc塊進行 硏究，除了團塊組合物包括約64.5%之初煉鐵進料、20.5% 之煤還原劑、13%之過濾顆粒細粉、及1%纖維素Π %水黏合 劑組合。使用以上之材料組合進行分別試驗，其中13%之過 濾顆粒細粉爲-3筛目（-6 . 7毫米）、-6篩目（-3 · 3 5毫米）、 與-20篩目（-0.85毫米）。 參考第7圖，發現具有較小之細粉粒度呈現較高之胚壓 碎強度，但是即使是以大-3篩目細粉製造之壓緊物亦具有 26公斤之可接受平均壓緊胚壓碎強度。參考第6圖，大-3 篩目細粉部份並未負面地影響DR I金屬化，如以各種細粉 大小之壓緊物得到之金屬化爲幾乎相同的。由含-3篩目細 粉部份之混合物製造之DRI在1 0分鐘還原時間後呈現良好 之壓碎強度。因此，纖維素黏合劑使大鐵細粉形成具有高 壓碎強度及有利還原品質之團塊。 本發明目的之成果槪要 已發明一種製造用於進一步處理成爲含碳鋼之硬塊之 改良方法，及具有至少40%，至多約85%之金屬化，及改 -13- 1245802 五、發明説明（12 ) 良之強度之含碳直接還原鐵塊，由以上而爲顯而易知的 應了解，以上之說明及特定具體實施例僅爲本發明最 佳模式及其原理之描述，而且熟悉此技藝者可對裝置進 行各種修改與添加而不背離本發明之精神與範圍，因此 應了解其僅受所附申請專利範圍之範圍限制。 符號之說明 10.., ...漏斗 12 .., ...漏斗 14.., ...混合器 16... ...壓塊器 18… ,..濾網 20 ... ,..再循環管線 22… ,..製鐵或製鋼爐 -14-

Claims (1)

1245802 jh a ' 二.〜*〜二- 六、申請專利範圍 第90113464號「製造金屬塊之方法」專利案 (9 1年1 2月修正） 六申請專利範圍： 1· 一種製造硬金屬化鐵團塊之方法，其係將含鐵材料 、還原劑及纖維素纖維與至多5%之水予以乾燥組合 而形成混合物，將混合物壓縮成生胚團塊，及以 1 000°C至1 5 5 0°C之溫度將團塊加熱6至20分鐘之 時間，以使鐵金屬化而成爲金屬化團塊。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中將生胚團塊係 經加熱7至9分鐘之時段。 3·如申請專利範圍第1項之方法，其中生胚團塊係在 1 000°C至1 300°C範圍之溫度被加熱。 4·如申請專利範圍第1項之方法，其中含鐵材料係選 >自包括鐵礦、鼓風爐灰塵、鼓風爐淤漿、鹼性氧氣 爐灰塵、EAF灰塵、鹼性氧氣爐淤漿、軋鋼鱗片、 顆粒細粉、金屬化DRI細粉、屑、軋鋼淤漿、燒結 灰麈、熔鐵爐灰塵、及其混合物。 5·如申請專利範圍第1項之方法，其中纖維素纖維係 選自包括粉碎有機材料、紙、報紙、紙板、木屑、 甘蔗渣（甘蔗廢棄物）、污水瘀泥、地方廢棄物、源 自垃圾燃料、及其混合物。 6.如申請專利範圍第1項之方法，其中還原劑係選自 包括纖維素纖維、CDQ灰塵、粉碎煤、焦炭微風、 1245802 六、申請專利範圍 石油焦炭細粉、木炭、石黑、士古廊±, π _ ^ 歧風爐灰塵、歧風爐 淤漿、及其混合物。 7. 如申g靑專利箪G圍帛1項之方法，其中生胚團塊起初 係在氧化热热中加熱，繼而更在惰性或還原氣氛中 力口熱。 8. 如申請專利fe圍第1項之方法，其更包括將團塊引 入製鋼爐中作爲含鐵進料材料。 9·如申i靑專利範圍桌1項之方法，其中〇 . 5至1 5 %之 含鐵進料材料顆粒大小達6毫米。 10·如申I靑專利範圍第1項之方法，其中將團塊直接進 料至加熱爐而無任何乾燥步驟。 11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中纖維素黏合劑 之添加量爲0 . 5至2 . 〇%。 12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中所製得之硬團 塊係至少含4 0 %金屬化鐵。