促進粒狀金屬鐵和爐渣分離的方法
2023-12-08 12:35:36
專利名稱：促進粒狀金屬鐵和爐渣分離的方法
技術領域：
本發明涉及一種當由含有含氧化鐵的原料和含碳還原劑的原料燒結礦的還原熔融製備金屬鐵時，促進作為目標產物的粒狀金屬鐵和作為副產物的爐渣分離的方法。更具體而言，本發明涉及一種容易將粒狀金屬鐵和爐渣的混合固體分離成為粒狀金屬鐵和爐渣的改進方法，所述的粒狀金屬鐵是通過向還原熔融爐中供給原料燒結礦並且還原、熔融和聚集在原料燒結礦中的鐵氧化物而製得的，所述的爐渣是作為副產物產生的。
背景技術：
當將低鐵等級的金屬鐵(其中含有大量的爐渣組分作為在用作原料的鐵礦石中的脈石組分，和在作為原料的含碳原料中的灰分，所述爐渣組分如SiO2，Al2O3和CaO)供給作為在煉鋼爐例如轉爐或電爐中熔融鐵的原料時，發生許多問題，原因在於電爐受到爐渣量增加的不利影響，鐵產率由於鐵混合進入爐渣中而降低，單位產品的能量消耗增加，並且生產率降低。因而，需要具有低爐渣組分含量的高鐵等級的金屬鐵作為熔融鐵的原料。對於製備這種高鐵等級的金屬鐵的方法，已知改進，例如一種直接煉鐵方法如豎式爐方法，其中通過由含碳原料和還原氣直接還原含氧化鐵的原料如鐵礦石和/或鐵氧化物而製備金屬鐵，和一種如在美國專利3,443,931中所公開的製備金屬鐵的方法，其包括將含碳原料和粉末狀鐵氧化物混合成為燒結礦或球丸的形式，並且於加熱下在旋轉爐床上還原混合物的步驟。通過使用這類的改進方法，製備了高鐵等級的金屬鐵。
例如，日本未審查的專利申請公開2000-144244是作為得到高純度金屬鐵的煉鐵方法已知的，其是通過含有含氧化鐵的原料如鐵礦石和/或鐵氧化物和含碳還原劑如焦炭的原料燒結礦的還原熔融而得到的。如在那個公開中所公開的一樣，在通過使用移動爐床式還原熔融爐由原料燒結礦的還原熔融得到粒狀金屬鐵的技術中，將在原料燒結礦中的鐵氧化物還原，同時使原料燒結礦保持在固體狀態。然後，使金屬鐵和作為副產物的爐渣分別熔融和聚集。然後，通過冷卻熔融的金屬鐵和熔融的爐渣(用其中將它們冷卻至例如約1100至900℃的初次冷卻步驟)，使熔融的金屬鐵和熔融的爐渣變成為固化狀態(分別稱其為「粒狀金屬鐵」和「爐渣顆粒」)。在冷卻和固化後，將粒狀金屬鐵和爐渣顆粒從爐子中排放出來。排放之後，將粒狀金屬鐵和爐渣顆粒放置以自然冷卻(二次冷卻)。再有，通過適宜的分離裝置將粒狀金屬鐵和爐渣顆粒選擇性分離，以便只將粒狀金屬鐵作為熔融鐵原料供應給煉鋼爐等。
在上面所述的金屬鐵的製備方法中，將冷卻分為第一冷卻階段和第二冷卻階段，在第一冷卻階段中將金屬鐵和爐渣冷卻固化至低於其固化點的水平，，而在第二冷卻階段中為了金屬鐵隨後的運輸和選擇而進一步降低其溫度。
儘管許多情況是在還原熔融爐中進行第一冷卻階段，但是在第一冷卻階段之後爐渣顆粒經常以這樣一種未分離的狀態(稱為「混合固體」)存在，即爐渣顆粒粘附於粒狀金屬鐵的狀態。此外，在將粒狀金屬鐵和爐渣顆粒放置於爐外以自然冷卻的第二冷卻階段，金屬鐵和爐渣不能充分地相互分開。因此，難以在高效率下由磁力篩選，篩子等僅僅單獨收集粒狀金屬鐵，並且難以避免大量的爐渣混合進入粒狀金屬鐵中。因此，即使使用具有自身純度較高的金屬鐵，在煉鋼爐中產生的熔融爐渣也增加，原因在於在金屬鐵中不可避免混合而沒有完全分開的爐渣組分，由此導致對於操作性能和產品質量的不利影響。根據本領域的那些情形，需要一種在將金屬鐵和作為副產物的爐渣進行篩選分離之前可以將它們高效分開的技術。
考慮到上面所述在相關領域中的問題，本發明的一個目的是當由含有含氧化鐵的原料和含碳還原劑的原料燒結礦的還原熔融製備粒狀金屬鐵時，提供一種促進作為目標產物的粒狀金屬鐵和作為副產物的爐渣分離的方法，由此製備其中將爐渣滿意地分離和除去的高鐵等級的金屬鐵。
發明內容
在解決上面所述問題中成功的本發明在於一種促進分離粒狀金屬鐵和爐渣的方法，該方法是用來由含有含氧化鐵的原料和含碳還原劑的原料燒結礦的還原熔融而製備粒狀金屬鐵的，其中將由還原熔融製備的粒狀金屬鐵和作為副產物產生的爐渣的混合固體快速冷卻以促進粒狀金屬鐵與副產物爐渣相互分離。當實踐本發明的方法時，推薦使用冷卻劑快速冷卻混合固體。也推薦在從粒狀金屬鐵的固化溫度至150℃的至少部分範圍內，優選以不低於250℃/分鐘，更優選不低於350℃/分鐘的冷卻速度將混合固體快速冷卻。在本發明的一個優選實施方案中，將水用作冷卻劑，直到達到150℃停止金屬鐵的快速冷卻，並且將留存於和附著於金屬鐵上的潮氣乾燥。
附圖簡述
圖1所示為本發明所採用的環形移動爐床式還原熔融爐一個實例的示意說明圖。
圖2為沿圖1的A-A線的剖視圖。
圖3所示為在圖1移動爐床旋轉方向觀察的，展開形式的還原熔融爐部分的說明圖。
圖4所示為用水噴淋冷卻混合固體方法的示意說明圖。
圖5所示為用水浸泡冷卻混合固體方法的示意說明圖。
圖6所示為用氮氣冷卻混合固體方法的示意說明圖。
圖7所示為用水冷卻混合固體方法的示意說明圖。
實施本發明的最佳方式作為為了解決在相關領域的問題而進行深入研究的結果，本發明人基於下面的發現而完成了本發明通過快速冷卻粒狀金屬鐵和爐渣的混合固體，顯著地促進了粒狀金屬鐵和副產物爐渣的分離，所述的粒狀金屬鐵是由含有含氧化鐵的原料和含碳還原劑的原料燒結礦的還原熔融而製備的，所述的爐渣是作為副產物產生的。
在本發明中，原料燒結礦包含含氧化鐵的原料如鐵礦石和鐵氧化物或其部分還原的材料，和含碳還原劑如焦炭和煤炭。如果需要，原料燒結礦可以含有任何適宜的添加劑。此外，沒有將原料燒結礦在形狀方面限定為一種特定的形狀，但可以以球丸，坯塊等的形式製備。再有，通過任何取決於燒結礦形狀的適宜方法，可以形成原料燒結礦。此外，沒有將含氧化鐵的原料與含碳還原劑的混合比率限定為一個特定的值，但可以根據使用目的選擇一個適宜的值。也沒有將原料燒結礦的尺寸限定為一個特定的值。
由上面所述的原料燒結礦的還原熔融製備粒狀金屬鐵。沒有將還原熔融的實際方法限定為一種特定的方法，但是可以使用眾所周知的還原熔融爐進行。必須注意的是，當下面將結合例如使用移爐床式還原熔融爐製備金屬鐵的方法來描述本發明時，本發明並不限於下面的描述和舉例說明的實施例。參考所示為還原熔融爐實際構造的附圖，將詳細描述本發明。
圖1至3所示為由本發明人開發的應用於本發明的移動爐床式還原熔融爐一個實例的示意說明圖。該爐是具有以環形形式的旋轉移動爐床的圓頂狀結構。具體而言，圖1是示意透視圖，圖2為沿圖1的A-A線的剖視圖，並且圖3是為在圖1的旋轉爐床的旋轉方向觀察的，以展開形式顯示還原熔融爐一部分的示意解釋圖，以更容易理解。在這些圖中，數字1表示旋轉爐床，並且2表示包含旋轉爐床的爐體。旋轉爐床1是這樣構造的它可以由驅動裝置(未顯示)驅動以在適宜的速度下旋轉。
但是，當然，沒有將本發明所採用的移動爐床式還原熔融爐的構造限定為圖1至3所示的形狀和結構。只要還原熔爐包含移動爐床作為組成單元，本發明也可以有效地採用具有任何其它結構的移動爐床式如帶式焙燒機式的各種還原熔融爐。
在爐體2的爐壁表面中適宜位置處安置多個燃燒器3。將由燃燒器3產生的燃燒熱和輻射熱傳遞給在旋轉爐床1上放置的原料燒結礦，以進行原料燒結礦的熱還原反應。在如所示的爐體2的一個優選實例中，由三個間壁K1、K2、K3將爐體2的內部分隔成為第一區Z1、第二區Z2、第三區Z3和第四區Z4。在爐體2旋轉方向上，相對於旋轉爐床1的最上遊側安置原料燒結礦的進料裝置4，在旋轉方向的最下遊側(換言之由於旋轉結構，在位於進料裝置4的直接上遊側)提供排放裝置6。
在這種還原熔融爐的操作中，以預定速度旋轉旋轉爐床1，並且從進料裝置4向旋轉爐床1上供給原料燒結礦，以使原料燒結礦層具有適宜的厚度。使在旋轉爐床1上放置的原料燒結礦接受由燃燒器3所產生的燃燒熱和輻射熱，同時在第一區Z1移動。在通過在原料燒結礦中的含碳原料和通過含碳原料的燃燒所產生的一氧化碳的幫助下，在加熱下還原在原料燒結礦中的鐵氧化物，同時保持固體狀態。然後，在第二區Z2，在加熱下進一步還原原料燒結礦，由此通過幾乎完全還原鐵氧化物來製備金屬鐵。將產生的金屬鐵在第三區Z3進一步加熱，由此將其滲碳和熔融。由此製備的熔融金屬鐵和作為副產物的熔融爐渣以這樣一種狀態存在，即熔融爐渣平躺在熔融金屬鐵的上面，原因在於它們間的比重差。在固化用的第四區Z4中，通過任何適宜的冷卻裝置C將熔融金屬鐵和熔融爐渣冷卻至不高於其固化點的溫度。通過排放裝置6相繼排放固化的金屬鐵和爐渣。通過冷卻和固化，將熔融的金屬鐵和熔融爐渣大部分分離成為粒狀金屬鐵和爐渣顆粒，但是，由於不完全分離，也存在包含附著於鐵上的爐渣的粒狀金屬鐵(混合固體)。因此，向爐子外面排放粒狀金屬鐵，爐渣顆粒和混合固體。在那時排放的混合固體等(以下的「混合固體等」不僅是指混合固體，也指粒狀金屬鐵和爐渣顆粒)處於相對高的溫度狀態(例如約從固化溫度至900℃)。
在本發明中，將處於這種相對高溫度狀態的排放的混合固體快速冷卻，通過利用都在混合固體中含有的金屬鐵和爐渣之間的收縮速率之差，促進金屬鐵和爐渣的相互分離。作為結果，將混合固體分離成為幾乎不含爐渣組分的粒狀金屬鐵和爐渣顆粒(由在用作原料的鐵礦石中作為脈石組分含有的和在用作原料的含碳原料中作為灰分含有的爐渣組分如SiO2、Al2O3和CaO所組成的)。
在本發明中，術語「快速冷卻」是指比將混和固體於大氣中放置以自然冷卻的情況更快速的冷卻。但是，從提高促進金屬鐵和爐渣相互分離的作用方面考慮，特別推薦的是，例如使用冷卻劑快速冷卻混合固體，並且應用熱衝擊混和固體。此外，優選以不低於250℃/分鐘的冷卻速度快速冷卻混合固體，原因在於在金屬鐵和爐渣的接觸面發生扭曲，這是因為都含於混合固體中的金屬鐵和爐渣之間在收縮速度方面的突然改變(即在熱膨脹係數方面的差異)，由此促進金屬鐵和爐渣的分離。更優選的冷卻速度不低於350℃/分鐘。通過連續測量在向爐子外面排放的混合固體中的溫度變化可以計算冷卻速度。
沒有將快速冷卻的方法限定為一種特定的方法，但是優選使用液體和/或惰性氣體作為冷卻劑進行快速冷卻。推薦用液體的快速冷卻，原因在於液體可以較隋性氣體提供更高的冷卻速度，由此產生更高的分離效果。沒有將用於快速冷卻的液體限定為一個特定的液體，並且對於向液體加入任何添加劑與否沒有限制。從經濟、安全和冷卻效率方面考慮，優選使用水。此外，對於隋性氣體的使用沒有特別限制，但從經濟和安全方面考慮，優選使用氮氣。
當例如使用水進行快速冷卻時，通過用任何適宜的噴水裝置向混合固體噴淋水同時調節供給的水量，可以得到理想的冷卻速度。如作為示例的圖4所示，通過隨其移動的進料管8向移動裝置9如帶式輸送機上傳輸移動爐床式爐子排放出的混合固體等，並且以具有任何適宜間隔的任何所需數目提供的噴淋裝置11向混合固體等噴淋水。噴淋的水快速冷卻混合固體等並且促進爐渣和金屬鐵的分離，原因在於它們間在收縮速率方面的差別，由此得到粒狀金屬鐵和爐渣顆粒。備選地，通過在冷卻槽中形成池水並且由選擇性地供給和排放水而控制水溫，在所需的冷卻速度下快速冷卻混合固體等。如作示例的圖5所示，將從移動爐床式爐子7中排放出來的混合固體等通過進料裝置8如進料管導入用水12充滿的冷卻槽13，以浸泡於水中。在快速冷卻至預定溫度後，用任何適宜的輸送裝置如輸送機將混合固體等從冷卻槽中取出來。相對於噴水的快速冷卻方法而言，更優選將混合固體等浸泡在水中的快速冷卻方法，因為它可以提供更高的冷卻速度，更大的收縮速率差，和由此產生更高的分離速率。
當使用惰性氣體如氮氣快速冷卻混合固體時，儘管未顯示，但是可以向混合固體等直接噴淋隋性氣體，或者可以將混合固體等暴露於惰性氣體氣氛中。
此外，沒有將快速冷卻的方法限定為上面所述的方法，並且可以以任何所需的組合實施那些快速冷卻方法。例如，可以通過在氮氣氣氛下噴淋水而快速冷卻混合固體等，或可以在噴淋水之後在氮氣氣氛下快速冷卻混合固體。
再有，混合固體等在開始快速冷卻的溫度越高，由快速冷卻所導致的分離效果越大。因此優選的是，當它們處於高溫狀態時，在從爐子排放之後立即快速冷卻混合固體等。因為從爐子中排放出來的混合固體等的溫度取決於在爐子中已經將混合固體等冷卻到什麼程度，所以沒有將開始快速冷卻時的實際溫度限定為一個特定的值。但是，由於從爐子中排放出來的混合固體等通常處於固體狀態，快速冷卻的優選溫度範圍為從金屬鐵的固化點(約1280℃)至150℃的至少部分範圍。如果快速冷卻開始於低於150℃的溫度，在一些情況下，足夠的熱衝擊不能應用於冷卻固體等，並且不能得到在滿意水平下的分離效果。
「至少部分」的範圍這種表述是指快速冷卻不要求在整個溫度範圍從頭到尾進行。例如，它是指當在從金屬鐵的固化點至150℃的至少部分範圍，以不低於250℃/分鐘的冷卻速度進行快速冷卻時，可以在其它溫度範圍將混合固體等放置以自然冷卻，該其它溫度範圍是除了將混和固體等以不低於250℃/分鐘的冷卻速度進行快速的從金屬鐵的固化點至150℃的一部分範圍外的溫度範圍。換言之，它並不是指混合固體等的快速冷卻必須在從金屬鐵的固化點至150℃的範圍內從頭到尾進行。再有，可以在超過上面所述的範圍進行快速冷卻，並且它並不是指當溫度達到150℃的時候必須停止快速冷卻。例如，在從金屬鐵的固化點至150℃的範圍內快速冷卻混合固體等後，在低於150℃的溫度範圍內可以進一步進行快速冷卻。總之，快速冷卻要求在達到所需溫度之時停止。
如上所述，由於通過利用可歸因於由快速冷卻引起的熱衝擊而導致的在金屬鐵和爐渣之間界面處的扭曲破碎而開發出本發明所採用的基於快速冷卻的分離促進作用，所以可以將快速冷卻時間選擇為非常短。例如，即使幾秒鐘的快速冷卻對於完成本發明的目的也是足夠的。特別是，當採用冷卻劑以進行快速冷卻時，在當將混合固體帶入與冷卻劑接觸的時候，混合固體被快速冷卻並且得到分離促進的效果。例如，在水中浸泡混合固體的情況下，在當將混合固體帶入與水接觸的時候，混合固體的溫度被突然降低，於是在金屬鐵和爐渣的界面處發生扭曲破碎，由此導致金屬鐵和爐渣的分離。當然，在其中將混合固體浸泡在水中期間，仍然在進行混合固體的快速冷卻，並且在仍以未分離狀態保持的混合固體中增大了在金屬鐵和爐渣之間界面處的收縮速率差。因此，進一步增強了分離促進效果，並且了降低了爐渣從金屬鐵的未分離率。
此外，在本發明中，除了使用水進行快速冷卻外，也優選直到達到150℃才停止金屬鐵的快速冷卻，然後將金屬鐵放置以自然冷卻。另外表明，通過使用水冷卻混合固體等至150℃後停止快速冷卻(停止混合固體等與水的接觸)，然後將混合固體等放置以自然冷卻，由金屬鐵自身的熱量蒸發附著於金屬鐵上的潮氣。因而，在不需要提供任何乾燥裝置如乾燥器的條件下，可以乾燥金屬鐵。
在上面所述中，結合快速冷卻從還原熔融爐排放的與粒狀金屬鐵和爐渣顆粒一起的混合固體的情況，描述了本發明的方法。但是，本發明也可以應用於下面的情況在當將粒狀金屬鐵、爐渣顆粒和混合固體從還原熔融爐中排放出來的時候，通過任何適宜的篩選裝置(如篩子或磁力篩選裝置)使金屬鐵和爐渣相互分離，然後通過選擇性地收集粒狀金屬鐵、爐渣顆粒和混合固體，而選擇性地只取出混合固體，或混合固體和粒狀金屬鐵兩者。因此，不管除混合固體外的粒狀金屬鐵和/或爐渣顆粒存在與否，都可以實施本發明的方法。
此外，按照本發明的方法，通過將在混合固體中含有的金屬鐵和爐渣作為粒狀金屬鐵和爐渣顆粒相互分離，然後通過任何適宜的篩選裝置(如篩子或磁力篩分裝置)選擇性地收集粒狀金屬鐵和爐渣顆粒，可以最終得到具有純度不低於約95％，更優選不低於約98％並且含有非常少量的爐渣組分的金屬鐵原料。
下面將結合實施例描述本發明的方法。但是，必須注意的是，下面的實施例沒有意欲限制本發明，並且根據如上和如下所述的本發明的主旨，可以以適宜的方式修改本發明。
實施例向圖1至3所示的移動爐床式還原熔融爐中裝入含有鐵礦石和煤的原料燒結礦，然後用由燃料器產生的燃燒熱和輻射熱進行加熱還原(爐內溫度1300℃)，同時原料燒結礦保持固體狀態。在還原氣氛下，將原料燒結礦進一步加熱和熔融，由此產生作為目標產物的金屬鐵和作為副產物的爐渣的混合物。在爐子中將混合物冷卻至1000℃。通過在爐床移動方向的下遊側處提供的排放裝置將所有由冷卻而固化的粒狀金屬鐵、爐渣顆粒和混合固體從爐子中排放出來。通過進料管將排放的混合固體等導入至用於快速冷卻的冷卻槽，向其中供給表1所示的冷卻劑。使用氮氣作為冷卻劑的冷卻槽示於圖6。通過一直向冷卻槽供給氮氣(流量10Nm3/小時)將混合固體等快速冷卻，同時調節氮氣的流量以便於250℃/分鐘下保持冷卻速度。此外，通過排氣管14排放氮氣，調節供給的氮氣的流量。當將金屬鐵等的溫度降低至室溫的時候，根據需要將金屬鐵等從冷卻槽中取出來，並且測量混合固體的總量(參見表1中的「混合固體質量」和「爐渣未分離率」)。在氮氣冷卻的情況下，通過將熱電偶插入在於冷卻槽中堆積的一大堆混合固體中來測量金屬鐵等的溫度。使用水作為冷卻劑的冷卻槽示於圖7。在將導入冷卻槽中的混合固體等進行冷卻前，在冷卻槽中形成池水。作為以水浸泡狀態單獨測量混合固體等的冷卻速度的結果，冷卻速度為350℃/分鐘。當將混和固體等的溫度降低至室溫的時候，根據需要將混和固體等從冷卻槽中取出來，並且測量混合固體的總量。測量結果示於表1。
再有，在水冷卻的情況下，分開測量用水浸泡所得到的冷卻速度。更具體而言，在加熱爐中加熱至1000℃的一大堆混合固體中插入熱電偶，並且在水浸泡狀態下測量混合固體的冷卻速度。
從表1可看出，通過採用氮氣或水作為冷卻劑，可以從混合固體中分離並且除去爐渣。此外，可以看出採用水作為冷卻劑的試驗較採用氮氣作為冷卻劑的試驗表現出更低的未分離率，由此用水浸泡的快速冷卻方法是更優選的快速冷卻方法。
比較例在與上面所述的實施例相同的條件下，使用移動爐床式還原熔融爐製備粒狀金屬鐵。將從爐子中排放出來的混合固體等放置於大氣中以自然冷卻至室溫，但得到非常高的未分離率(15％)。
工業適用性如上所述，根據本發明的方法，可以容易地使從爐子中排放出來的作為混合固體組分的金屬鐵和爐渣相互分離。由於本發明提供沒有爐渣並且具有高鐵純度的金屬鐵原料，通過建造利用由此提供的金屬鐵原料作為煉鋼的原料的連續系統，可以在高生產率下製備具有穩定質量的熔融鋼，同時降低由單位產品的電爐所消耗的電能。
權利要求
1.一種促進粒狀金屬鐵和爐渣分離的方法，該方法是用來由原料燒結礦的還原熔融而製備粒狀金屬鐵的，所述原料燒結礦含有含氧化鐵的原料和含碳還原劑，其中將由還原熔融製備的粒狀金屬鐵和作為副產物產生的爐渣的混合固體快速冷卻，以促進粒狀金屬鐵與副產物爐渣的相互分離。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述快速冷卻是使用冷卻劑進行的。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述快速冷卻是在從粒狀金屬鐵的固化溫度至150℃的至少部分範圍內，以不低於250℃/分鐘的冷卻速度進行的。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述快速冷卻是以不低於350℃/分鐘的冷卻速度進行的。
5.根據權利要求1至4任何一項所述的方法，其中將水用作冷卻劑，直到達到150℃才停止粒狀金屬鐵的快速冷卻，並且將留存在和附著於粒狀金屬鐵上的潮氣乾燥。
全文摘要
一種促進粒狀金屬鐵和爐渣分離的方法，其特徵在於在粒狀金屬鐵的生產方法中，該生產方法包含還原和熔融由含氧化鐵的原料和含碳還原劑組成的原料塊，將由上述還原和熔融形成的粒狀金屬鐵和副產物爐渣的固體混合物驟冷，以由此促進粒狀金屬鐵與副產物爐渣的分離。該方法可以用於製備符合要求的不含有爐渣並且具有提高了的鐵純度的金屬鐵。
文檔編號C21B13/10GK1533443SQ0281187
公開日2004年9月29日 申請日期2002年6月17日 優先權日2001年7月24日
發明者津下修, 吉田昌平, 平 申請人:株式會社神戶制鋼所