在用氧化焰加熱的轉底爐中還原金屬氧化物的方法
2023-05-24 15:27:46
專利名稱：在用氧化焰加熱的轉底爐中還原金屬氧化物的方法
技術領域：
本發明涉及在用氧化焰加熱的爐中還原與氧結合的金屬的方法。更具體地講，將包括金屬氧化物和還原劑的第一層放在爐內的環形平臺上。該第一層用還原劑第二層覆蓋以防止被還原的金屬氧化物再氧化。這種被還原的金屬氧化物可用作向精煉爐中提供金屬單位或單元以與鐵水形成合金的原料。
已知可用被還原的產物使金屬氧化物和金屬礦還原，其中被還原的產物後續在精煉爐中用作製造鐵或鐵合金的原料。常用於還原金屬礦的爐類型是豎爐，迴轉窯或轉底爐。引用於此作為參考的US4,701,214提出用轉底爐，其中將鐵礦，煤和石灰一起混合，粉碎或研磨後將其壓製成球團礦。將該球團鐵礦送到爐中轉動平臺上，並且達到2-3個球團深度或厚度。用呈環形設在轉動平臺以上的燒嘴將該球團鐵礦加熱到1000℃，其中燒嘴中用H2和CO還原燃料。該球團鐵礦還原後再送入熔煉爐中以將其熔成鐵水。
US4,622,905提出用轉底爐使鐵氧化物金屬化。將鐵氧化物和煤粉的球團放到爐內轉動平臺上。該球團礦用呈環形設在轉動平臺以上的燒嘴光焰加熱，其中粉煤和氧氣燃燒形成加熱焰。
US5,1 86,741提出用轉底爐使含有重金屬的鐵氧化物煉鋼設備排出的粉塵金屬化。將鐵氧化物球團，含碳物料，粘結劑及任選的鈣氧化物製成球團礦。將該球團礦放在轉化爐內的轉盤上。該球團礦在不高於900℃下乾燥最多15分鐘後在1150℃下還原最多30分鐘。
US3,443,931提出用轉底爐使鐵氧化物金屬化。將鐵氧化物和煤形成的球團礦放在爐內的轉動平臺上，並且達到1或2個球團深度或厚度。該球團礦在缺乏游離氧、而溫度最高約1425℃的氣氛中加熱，其中用設在轉動平臺以上的燒嘴。
US4,772,316提出用轉底爐使含鐵的鉻礦金屬化而製成鉻鋼製造過程中用作中間合金的鉻鐵。鉻鐵礦，煤和熔劑的混合物在含CO的氣氛中加熱後將該混合物送入爐的一端，使其流過爐後從爐的另一端排出。燒嘴氣體經過爐的排出端並且在與鉻礦物流相反的方向上流動。煤不僅用來使CO2和H2O燃燒產物氣體還原成CO和H2，而且也用來防止金屬化的鉻再氧化。
US4,971,622涉及到鉻鐵礦的還原和脫硫。將鉻鐵礦與含碳物料混合後在迴轉窯中加熱到1500℃。至少90wt％(重量百分比)鉻氧化物還原成金屬態，將近100wt％鐵氧化物還原成金屬態。這種含鈣氧化物和過量碳的還原產物再送到電弧爐中脫硫。
還已知可將鉻鐵礦和/或鎳礦直接送入設有爐頂吹氧管和爐底吹攪拌氣體的風口的精煉爐中而生產出不鏽鋼。US5,047,082提出在吹氧轉爐中用低硫含量的鎳礦代替鎳鐵生產不鏽鋼。鎳礦用溶於鐵水或熔化鐵中的碳和爐渣中的木炭還原。US5,039,480提出在轉爐中依次熔煉和還原低硫含量的鎳礦和鉻鐵礦而不是使鎳鐵和鉻鐵熔化而製成不鏽鋼。礦石用溶於鐵水中的碳和爐渣中的木炭還原。
在豎爐或迴轉窯中加工處理礦石還存在不少缺點。在豎爐中，礦石配料向下移動通過豎爐並且朝向經過礦石床層或柱體逆流上升的熱還原氣。在其下降通過豎爐的過程中礦石配料自身並不深入混合。在迴轉窯中，隨著礦石在重力作用下從一端移到另一端，由於迴轉窯轉動而會出現相當大程度的混合。這兩種爐均包含了礦石相對於爐壁移動，從而使得對礦石溫度的了解和控制更難於進行。豎爐和迴轉窯均有可能出現粘結或集結的問題。在豎爐中，礦石有可能自身粘結，而在迴轉窯中礦石有可能粘結到轉鼓內壁上以及自身粘結。而且，這些問題越嚴重，操作溫度就越高。在操作過程中，迴轉窯中有時會出現局部熱點，其中礦石可能熔化，致使礦石嚴重結塊或聚結，從而給生產帶來不利影響。豎爐和迴轉窯均要求用塊礦或硬化的團塊礦石，因為要考慮到豎爐中的配料重量和迴轉窯中的衝擊。
在不鏽鋼製造過程中在精煉爐中完全加工處理礦石的主要缺點是礦石常含少量金屬並且難於熔化。而且，一般要求用大量能量來使金屬氧化物還原成適宜於製成合金的金屬。已提出進行高度後續燃燒，但這要求向熔池中加入固體含碳材料。需要這種含碳材料來防止熔池爐渣的形成並且防止合金再氧化成爐渣。爐渣中存在大量含碳材料會提高熔池中碳濃度。而在精煉期間必須去除這種碳。而且，也可能不需要進行礦石溶煉，尤其是在低品位礦石如鎳礦的情況下不需要，因為礦石重量中多達80％會轉化成爐渣。鎳礦僅含有約1-3wt％Ni。
不過，長期以來仍需要提供廉價的金屬單位或單元(metal units)以製造鐵合金或鋼如鉻合金鋼或不鏽鋼。而且，也需要用廉價的金屬氧化物提供金屬單元。長期以來的其他需要包括開發可提供製造合金所需的廉價Cr和/或Ni單元的可靠而且連續的工藝方法。
本發明的主要目的的就是用金屬氧化物生產可供入含熔化鐵或鐵水的精煉爐而製成合金所需的廉價合金金屬。
本發明另一目的是在用氧化焰加熱的爐中還原金屬氧化物。
本發明另一目的是還原金屬氧化物，其中將其與含碳還原劑接觸並且用氧化焰加熱，從而製成用於生產不鏽鋼的有價值的合金金屬。
本發明另一目的包括防止用金屬氧化物得到的還原態金屬在用氧化焰加熱的爐中再氧化。
本發明另一目的包括用金屬氧化物和硫化物提供可在合金鋼製造過程中用作電爐和/或精煉爐進料的廉價還原態Cr和Ni單元。
本發明還涉及在用氧化焰加熱的爐中還原與氧結合的金屬的方法，其中包括提供設有環形平臺和至少一個燃料燒嘴的爐，將由與氧結合的金屬和還原劑的混合物構成的第一層放在平臺的上表面上，轉動平臺而使其經過燒嘴並用氧化焰加熱第一層，送入覆蓋第一層的還原劑第二層，繼續將金屬氧化物加熱到足夠的溫度並經過足夠的時間以使金屬氧化物至少部分還原，從而用第二層防止部分還原的金屬在爐中因氧化性氣體而再氧化。
本發明另一特徵是將上述第一層加熱到至少1000℃後再用第二層覆蓋。
本發明另一特徵是上述混合物中包括至少10wt％固定碳。
本發明另一特徵是上述混合物包括粉碎鉻鐵礦和粉碎煤。
本發明另一特徵是上述混合物中部分還原的與氧結合的鉻至少40％金屬化而成為鉻或碳化鉻。
本發明另一特徵是上述第一層深度或厚度不超過40mm。
本發明另一特徵是上述第二層深度或厚度不超過10mm。
本發明另一特徵是上述混合物還包括粉碎的含硫的鎳精礦。
本發明另一特徵是上述部分還原的混合物含至少0.1wt％金屬或硫化鎳態的鎳。
本發明另一特徵是上述第一層在至少1300℃下保持至少30分鐘。
本發明優點還包括提出經濟的工藝操作方法，其中包括生產可用來使熔化鐵或鐵水合金化的有價值金屬，在不足30分鐘之內部分還原金屬氧化物，通過在爐中用氧化焰加熱而達到至少40％鉻金屬化和70％鐵金屬化，在不要求團塊礦或燒結礦具有高濃度的情況下部分還原金屬氧物團塊礦或燒結礦並且防止還原態的金屬氧化物在轉底爐中再氧化。
從以下詳細說明並參見附圖即可清楚地看出本發明的上述及其他目的，特徵和優點。
圖1示出了本發明方法的一種實施方案。
圖2示出了圖1所示本發明方法所用的轉底爐。
本發明涉及在用氧化焰加熱的爐中將與氧結合的金屬至少部分還原成金屬的方法。本發明基本特徵包括用含碳材料覆蓋層或外層保護金屬以防止其暴露在氧化焰中時再發生氧化。本發明另一重要特徵包括加熱爐，其中設有適宜於轉動且同時支持著與氧結合的金屬的平臺。
本發明包括提供用氧化焰加熱的爐，其中設有環形平臺和至少一個適宜於裝在平臺以上某一位置的燃料燒嘴。將由與氧結合的金屬，即金屬氧化物和還原劑的混合物構成的第一層放在平臺上表面上。金屬氧化物和還原劑可呈現為粉狀，團塊狀，燒結狀，壓坯狀，球團狀或其混合物形式。在該混合物通過加熱區並加熱到至少約1000℃，優選至少1100℃，更優選至少1200℃後，將含碳還原劑第二層放在第一層上。雖然第二層可在第一層加熱前放在該第一層上，但希望或者要求在第一層達到金屬化溫度之後才加入第二層。若第二層在第一層未足夠加熱之前加入，則第二層就可能成為隔熱層，影響轉爐加熱效率。而在推遲加入第二層時，則可儘可能縮短將金屬氧化物加熱到金屬化溫度並且使該氧化物還原的加熱時間。平臺以受控速度連續轉動並經過燒嘴，其中混合物在平臺上表面上保持靜止。該混合物由從燒嘴出來的氧化焰輻射加熱到足夠溫度並經歷足夠時間以在第一層中使金屬氧化物至少部分還原成金屬和/或碳化物，而過量的碳則保留下來。第二層則防止部分還原的金屬氧化物再由從火焰中出來的氧化性氣體再氧化，這一作用持續到還原後的金屬氧化物從爐中去除為止。部分還原的混合物可用作在熔煉爐或精煉爐中與熔化鐵或鐵水一起製成合成的原料。用氧化焰而不用還原焰加熱爐的原因就是因為用氧化焰可更有效地達到更高溫度。
本發明與氧結合的金屬定義中包括由鎳礦構成的幾種氧化物礦石或精礦如低硫含量的紅土或矽鎂鎳礦，鉻鐵礦或精礦，鐵礦，粉碎的金屬礦，不鏽鋼煙道爐塵及其混合物之中的任何一種。
與氧結合的鉻尤其是符合要求的並且以尖晶石形式與其他氧化物一起存在於鉻鐵礦或精礦中，或存在於不鏽鋼煙道爐塵如CrOz中，其中z＝1.0，1.5和/或3。鉻鐵礦的尖晶石可按化學計量表示為(Mg，Fe)(Cr，Al，Fe)2O4，其中Mg++與Fe++之比和Cr+3，Al+3和Fe+3相互之間的相對比例可根據礦石來源變化。一般來說，根據礦石來源不同，總Cr量與總Fe(Fe++＋Fe+++)之比為約1-3。
鉻鐵礦尖晶石在用碳還原過程中，少量的金屬Fe和Cr先沉澱，形成碳化物Fe3C和(Fe，Cr)3C並與碳接觸。亞鐵離子初期還原速度一般比正鐵離子快，致使沉澱的金屬中初期Cr/Fe之比低。隨著還原的金屬中Cr/Fe之比提高，金屬就會與過量碳反應而按Fe-Cr-C相圖所示形成碳化物(Cr，Fe)7C3。在反應過程中，初期存在於尖晶石中的氧化物MgAl2O4在相同的氧化狀態下會保留下來。
在還原鉻鐵礦的情況下，鉻金屬化％和鐵金屬化％可分別理解為去除的氧量和與氧結合的鉻中總氧量之比以及去除的氧量和與氧結合的鐵中總氧量之比。在金屬化過程中沉澱的那部分鉻鐵礦尖晶石可用化學式FeO(CrFew)O3表示，其中w為Fe+++/Cr+++之比。而且，金屬化過程又可用下式反應表示，其中x和y分別表示去除的氧量與可還原的亞鐵(Fe++)和與可還原的鐵離子(Cr+++件和Fe+++)之比。在0％金屬化狀態下，即還原開始之前，x＝y＝0，而在100％金屬化狀態下，x＝1和y＝3。鉻金屬化％可定義為不含氧的總鉻量相對於鉻鐵礦中的總鉻量之比；而鐵金屬化％可定義為不含氧的總鐵量相對於鉻鐵礦中的總鐵量之比，其中所有物質均按化學分析結果確定。所謂「不含氧」，意指金屬Cr和Fe以及以碳化物形式結合的Cr和Fe，其中碳化物是在沉積的金屬和超過金屬化過程所要求量的碳之間按下列化學反應形成的
可按本發明加入鉻鐵礦-碳混合物中的高硫含量的鎳氧化物精礦包括S/Ni之比小於1.0，Cu/Ni和Co/Ni之比小於0.1並且餘量是鐵氧化物和殘留量MgO，Si2O3，Al2O3和CaO的精礦。
若金屬氧化物是鎳紅土礦或用該礦製成的精礦，則鎳氧化物一般以(Fe，Ni)OOH形式水合。在高溫下與碳接觸時，-OH則以氫和一氧化碳的形式釋放出來。餘下的鎳氧化物(NiO)和鐵氧化物(FeO)部分還原成金屬Ni和Fe。在鎳紅土礦進行還原的情況下，鎳金屬化％定義為不含氧的總鎳量相對於總鎳量之比，其中還原反應按下式進行其中p是鎳紅土中Ni/Fe之比。
若金屬氧化物來源為煙道爐塵，則氧化物形式可為MeOy(其中Me＝Cr時y＝1，1.5或3；Me＝Ni時y＝1和Me＝Fe時y＝1.05，1.33或1.5)，這類氧化物均可部分直接還原成金屬並且可能生成金屬碳化物。例如，在不鏽鋼煙道爐塵情況下，鉻氧化物形式為CrO，Cr2O3或CrO3。該爐塵可用碳直接還原成金屬Cr和Fe，(Fe，Cr)3C(Cr，Fe)7C3。碳化物生成量主要取決於Cr/Fe之比和爐塵中存在的碳量。
所謂「不鏽鋼煙道爐塵」，意指其定義中包括來自製造不鏽鋼的爐如電弧爐和精煉爐的粉塵，細粒或殘渣。若金屬氧化物為塊狀礦石形式，則礦石優選先粉碎後再團塊化而製成球團礦，燒結礦，壓坯等。該爐塵優選類似團塊化。優選的是，對還原劑也進行粉碎並將其與粉碎的礦石或爐塵摻混起來，然後再團塊化以便在轉底爐中加熱期間提高碳達到的還原速度。合適的含碳還原劑包括焦炭，焦炭粉，石油焦炭，木炭，石墨以及低和中等揮發性煙煤。金屬氧化物在轉底爐中至少部分還原，並且可在製造鐵基材料如Fe-Cr，Fe-Ni，Fe-Cr-Ni，合金鋼，不鏽鋼等的爐中進一步還原。
用於本發明的合適的爐是連續式再加熱爐，其中設有環形內壁及其外圍的外壁，並且內外壁之間有間隔空間。這種內外壁之間的間隔空間包括適宜於相對於燒嘴轉動的環形平臺或爐底。這種爐常稱為轉底爐，即RHF。常用運輸機或滑槽將待還原的金屬氧化物裝入爐底寬度範圍內，並使其下落或分布達到受控深度。在平臺完成一次轉動之後，通常用合適的裝置如出料螺杆連續排出還原的金屬氧化物。
在待還原的金屬氧化物為鉻鐵礦的優選實施方案中，已證實在含熔化鐵或鐵水的爐中進行最終精煉之前，用含碳還原劑預還原金屬氧化物時可使鉻鐵礦中與氧結合的鉻達到至少40％金屬化並且使其中與氧結合的鐵達到至少70％金屬化。在與鉻鐵礦或精礦混合的含碳還原劑中固定碳量應至少等於理論上將與氧結合的鉻和鐵還原而達到100％金屬化所需的化學計量。由於高固定碳％可保證鉻鐵礦和碳粒接觸的可能性提高，而且這有利於還原動力學，所以優選固定碳量為總混合物的10-25％，更優選15-20％，最優選20-25％。除了固定碳％之外，金屬化速度或程度還取決於粒徑(目)，時間和溫度。將鉻鐵礦粉碎到至少-200目的粒徑並將還原劑粉碎到至少-200目的粒徑，而且將混合物優選加熱到1350℃，則可達到40％的鉻金屬化程度。優選的是，煤粒徑應當達到-325目。在鉻和鐵金屬化過程中，超過還原所需量而存在的碳會使這些金屬碳化，使其就地還原成Cr，Fe)3C和(Cr，Fe)7C3。由於與氧結合的鉻和與氧結合的鐵的反應速度不同，致使反應動力學過程複雜化，所以不可能在同一時間使每種物質都達到理論上的最高金屬化程度。考慮到該工藝在合理的時間範圍，即1小時左右之內是比較經濟的，可達到近乎完全的鐵金屬化，但鉻僅達到中等程度的金屬化。
難於還原的金屬氧化物如鉻鐵礦金屬化程度主要取決於金屬氧化物的還原溫度，在該溫度下的停留時間，使金屬氧化物還原的含碳還原劑量以及金屬氧化物和碳物料的粒徑。對於鉻鐵礦或CrOy(y＝1，1.5或3)，與氧結合的鉻應還原達到至少40％金屬化，即達到最終還原的混合物的至少5.0wt％。為了達到這一金屬化程度，鉻鐵礦溫度應至少1350℃，保持時間至少30分鐘，混合物中固定碳％應為20-25wt％，而鉻鐵礦和煤的粒徑應至少-200目。
本發明混合物中與氧結合的金屬可在RHF中至少部分還原。所謂「部分還原」，是指在鉻鐵礦中或在製造鋼時的爐塵中與鉻結合和與鐵結合的氧化物中的一部分氧量由碳去除並以CO的形式離開金屬態鉻，鐵和及其碳化物。混合物中的另一部分氧化物則仍保持為鉻鐵礦，爐塵，鉻氧化物，鐵氧化物和伴隨的CaO，SiO2，MgO和Al2O3等氧化物。例如，鉻鐵礦中與氧結合的鉻金屬化而達到至少40％的程度意指至少40％或更多的與氧結合的鉻還原成鉻或碳化鉻。
圖1是示出本發明方法一種實施方案的示意圖。數字10一般性地表示可用於將金屬氧化物如礦石研磨成粉的粉碎機。若進行粉碎，則金屬氧化物優選進行混合併且一般製成團塊，燒結或壓坯，如用造球機12進行這些操作。當然，金屬氧化物也可不製成團塊，但要與粉碎的還原劑混合。若製成團塊如球團或未製成團塊，則將混合物送入RHF 14中以達到至少部分金屬化。金屬可用作精煉爐的進料。根據殘留氧化物的情況，也可將金屬送入含熔池的爐中，如設有電極20的電弧爐16(EAF)或轉爐18如氬氧脫碳器(AOD)或頂和底吹精煉反應爐(TBRR)。AOD和TBRR中的每一臺均可裝備爐頂吹氧管22，爐底攪拌氣體風口23，鐵熔池28和渣層30。在金屬作為AOD或TBRR進料時，可能在金屬氧化物為鉻鐵礦時要求在粉碎的混合物中包括成渣劑以使成渣劑在RHF中預熱後才送入精煉爐中。合適的成渣劑包括CaCO3，CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2。
圖2是本發明圖1所示RHF14的頂部放大圖。爐14包括環形耐火內壁32，環形耐火外壁34，內外壁32和34間的環形耐火平臺33，位於平臺周圍如裝在外壁34上的多個燃料燒嘴36，其中每一個燒嘴上都設有從正好處於平臺33上表面上的位置穿過壁上開口的噴嘴38，還包括位於平臺內環形構架42上的為燃料燒嘴40，進料裝置44和45以及將還原後的金屬氧化物從平臺33上排出的裝置46如螺杆48。平臺33沿箭頭50指明的方向以受控速度轉動通過燒嘴。燃料燃燒廢氣和伴有含硫精礦的金屬氧化物還原過程中離解而出現的任何硫蒸汽經排氣孔52排出。這些廢氣的餘能可在回收熱量的系統(未示出)中再用於將燃料和空氣預熱。燒嘴36，40在平臺33上表面上隔開一段距離。
RHF優選包括幾個裝在爐中環形壁之一上的燒嘴，其中這些燒嘴朝向平臺的上表面，從而使從嘵嘴出來的火焰輻射可直接傳送到沉積在平臺上表面上的金屬氧化物和還原劑構成的混合物表面上。在其上放上金屬氧化物混合物之後，讓平臺轉動經過燒嘴。因此，平臺作為逆流換熱器，但熱量主要是通過輻射傳給混合物表面並經過傳導而傳入混合物層內部。與加熱氣體向上通過礦石柱的豎爐不同的是，在RHF中的氣流方式有所區別，其中待還原的金屬氧化物/還原劑混合物薄層轉動經過氧化焰，從而主要通過輻射將熱量從氧化焰和爐內壁傳給金屬氧化物並通過傳導而傳入混合物層內部。也就是說，待還原的金屬氧化物相對於氣焰以受控速度作逆流轉動。由於表面積大並且厚度小，所以很快會達到高溫，從而促進了快速反應動力學，其中物料僅需要與還原劑接觸並且在火焰環境中曝露不足1小時即使金屬氧化物還原。豎爐所固有的缺點如物料粘結和強度問題在應用RHF時就能夠避免。
由於在轉動平臺上只有一薄層金屬氧化物並且不必象豎爐那樣支持大量的配料物質或象迴轉窯那樣經受衝擊，所以團塊礦無需具有結構完整性。在將金屬氧化物粉碎，與其他物料如煤和含硫的鎳精礦混合後製成球團礦時，這就顯得尤其重要。到1200℃，鎳和鐵硫化物就會完全熔化。這些硫化物與含鉻鐵礦的球團礦一起存在並不會影響RHF的操作，因為球團強度並不成為問題。
可用加料裝置44在平臺33的寬度範圍內沉積連續的第一薄層由金屬礦石和含碳還原劑構成的混合物，其中第一層厚度按要求受到控制並且厚度均勻。第一層厚度應不大於40mm，優選不大於35mm，更優選不大於30mm。若金屬氧化物和還原劑粉碎並壓坯成為直徑約10mm的球團礦，則將壓坯放在平臺上並達到約2-3個球團厚度，即25mm。層厚應不大於40mm的原因在於混合物層內達到均勻溫度所需的時間隨厚度呈指數增長，因此要達到同等程度的金屬化就需要更長的時間。同時，需連續供熱以補償熱損失並且滿足與碳進行吸熱金屬化反應的熱需求。在第一層優選加熱到至少1000℃，優選1200℃後，再在平臺33的寬度範圍內用加料裝置45在第一層上沉積連續的含碳還原劑第二層，其厚度均勻並且不超過約10mm。第二層優選應覆蓋第一層並且最小厚度達到至少2mm，優選至少3mm。第二層應具有2-3mm厚度以提供足夠的碳，從而使從火焰達到混合物上表面附近區域的任何氧化性氣體如CO2，H2O減少，但不能厚到隔熱的程度。含碳還原劑層應不超過約10mm以便通過傳導而對於正在進行金屬化的下層混合物層實現適當的傳熱。優選的是，第二層的厚度與第一層的厚度之比應控制在0.05-0.3的範圍內。
混合物中也可能需要不同類型的礦石以在RHF中進行至少部分還原，其中礦石可單獨或組合應用。在還原的金屬用作製造含鎳不鏽鋼的原料的情況下，混合物中就有可能需要包括鉻氧化物和含硫的鎳精礦。若應用含硫的鎳精礦，則在鉻氧化物開始還原之前鎳和鐵硫化物就會開始熔化並且液態硫會部分離解成為氣態硫而進入爐內氣氛中。在物料層溫度低至640℃時，硫化物就可開始熔化。
在混合物中包括鎳紅土時，則混合物中優選不加入鉻鐵礦，因為RHF金屬產品必須先轉入EAF中以進行熔化和除渣，並且渣中會包括大量的鉻氧化物，從而導致低Cr產率。RHF部分還原的金屬產物可含至少1.0wt％Ni。鎳紅土礦或鎳紅土精礦在RHF中加熱的反應產物為Ni，Fe，Fe3C，其餘為氧化物MeOy，其中Me＝Ni時y＝1，而Me＝Fe時y＝1.05，1.33或1.5。
實施例1以下說明還原金屬氧化物的方法。含鉻的礦石和煤可分別粉碎後再一起混合成為粉末並壓坯成為低強度球團礦。乾燥的混合物可含有約74wt％鉻鐵礦或精礦，25wt％固定碳和1wt％膨潤土粘結劑。所謂「固定碳」，是指煤中在揮發性物質所含的碳去除之後而餘下的碳。鉻鐵礦和煤的粒徑應達到200-325目(44-74μm)。然後將混合物製成直徑為約10mm的球團礦。將該球團礦完全放在可轉動平臺的寬度範圍內，以其作為第一層，其深度為2-3個球團厚度，即可達約25mm。然後在將第一層加熱到1200℃之後再在第一層上沉積粒徑範圍為10-100目(0.15-2.0mm)的粒狀煤第二層，其厚度為3mm。兩層總厚度為約30mm。第二層厚度與第一層厚度之比為約0.1。為了使鉻鐵礦還原，第一層優選應在至少30分鐘內加熱到至少1300℃，更優選至少1350℃的溫度以使鉻鐵礦中與氧結合的鉻至少40％金屬化而成為金屬鉻和鉻碳化物並且使鉻礦中與氧結合的鐵70％金屬化而成為金屬Fe和鐵碳化物。但是，第一層加熱應不超過1450℃溫度，因為金屬化的產物如碳化物明顯熔化會導致金屬化層難於從轉底平臺上排出。在該例中，混合物層在10-15分鐘內用氧化焰預熱到1200℃溫度。然後，將煤層加到熱金屬氧化物層的上表面上。之後用氧化焰將平臺上的各層再繼續幅射加熱30分鐘，其間發生第一金屬氧化物層的金屬化。在進行30分鐘金屬化之後，讓混合物冷卻到約200℃或用螺杆48從爐14中在熱態如1000-1300℃下排出，兩者均在惰性氣體的保護性氣氛中進行。若以熱態從RHF中排出，則將部分金屬化的混合物送入精煉爐如AOD或TBRR中。
第二含碳層保護貧碳的任何混合物區域中的金屬化的鉻和鐵，使其不會被爐中氧化焰燃燒產物再氧化。在任何氧化性氣體試圖穿過第二層時，則這類氣體由第二層中的碳再生成還原性氣體如CO和H2。部分還原的鉻鐵礦由Cr和Fe金屬，Cr和Fe碳化物，未還原的與氧結合的Cr和Fe以及穩定氧化物SiO2，MgO，Al2O3和CaO構成，可將其送入爐16內由渣層26覆蓋的鐵熔池24中或精煉滬18中由渣層30覆蓋的鐵熔池28中，從而提供製造不鏽鋼的廉價Cr單元或單位。
實施例2以下說明還原另一金屬氧化物的方法。低硫含量的鎳紅土礦含有約1-3wt％NiO，15-20wt％Fe2O3，30-40wt％SiO2，15-30wt％MgO，最多40wt％結合成為[(Fe，Ni)OOH]形式的水以及少量Al2O3和Cr2O3。可如同實施例1所述將紅土礦和煤粉碎成粉末後再一起混合併壓坯而成為低強度球團礦。乾燥混合物可含有74份紅土礦和25份固定碳以及1份膨潤土。可將這些球團礦完全放在可轉動平臺的寬度範圍內，以其作為第一層，其深度為25mm。在用氧化焰將第一層球團礦加熱到約1200℃後再在該第一層上沉積粒徑範圍為10-100目的粒狀煤，其深度或厚度為2-3mm，而第二層的厚度與第一層的厚度之比為約0.1。這類球團礦再在1200℃下保持30分鐘加熱時間。然後，讓還原後的鎳氧化物球團礦冷卻到200℃後再從爐中排出或在高溫下直接排出並送入EAF內的鐵熔池中以使不符合要求的氧化物組分除渣。在這樣進行操作後，還原後的鎳礦球團可用來提供製造鎳合金鋼如AISI304不鏽鋼的Ni和Fe單元。
實施例3
在另一實施例中，用於製造不鏽鋼並且來自EAF或AOD的含鉻氧化物的爐塵可在RHF中部分還原。這類爐塵常具有-325目的的粒徑並且可含有12-22wt％Cr2O3，30-60wt％Fe2O3，其餘基本上是CaO，SiO2，Al2O3和MgO。該爐塵亦可含有少量重金屬如ZnO和PbO。可類似於實施例1所述將該爐塵與至少15wt％來自粉煤的固定碳和一些粉碎的鉻鐵礦混合後壓坯而成為低強度的球團礦並沉積為第一層，其厚度為25mm。在用氧化焰於約10-15分鐘內將該層預熱到約1200℃後再在該第一層上沉積粒徑範圍為10-100目的粒狀煤，其深度為2-3mm，而第二層厚度與第一層厚度之比為約0.1。繼續將這類球團礦加熱到1350℃並在該溫度下再保持30分鐘。之後，讓由Cr和Fe金屬，Cr和Fe碳化物，任何剩餘的未還原的與氧結合的Cr和Fe以及穩定的氧化物SiO2，MgO，Al2O3和CaO構成的部分還原的混合物冷卻到200℃或在1000-1300℃熱態下從爐中排出，兩者均在惰性氣體保護性氣氛中進行，排出的混合物送到AOD或TBRR內所含的鐵熔池中以進行熔煉和精煉，從而俘獲有價值的Cr單元。任何過量的碳會溶於熔池中並且可在AOD或TBRR精煉爐中通過吹氧而去除。因此，含鉻氧化物的煉鋼爐塵可用於提供製造不鏽鋼所需的Cr和Fe單元。
實施例4以下另一實施例將說明鉻鐵礦和含硫的鎳精礦的混合物如何在RHF中進行加工。可類似於實施例1所述將鉻鐵礦，含硫的鎳精礦和煤粉碎成粉末後再一起混合併壓坯成為低強度球團礦，然後將其沉積為第一層，其厚度為25mm。在用氧化焰在約10-15分鐘內將該球團礦層預熱到約1200℃後，再在該第一層上沉積粒徑範圍為10-100目的粒狀煤，其厚度為2-3mm，而第二層的厚度與第一層的厚度之比為約0.1。繼續將該球團礦加熱到1350℃並在該溫度下再保持30分鐘。這時可出現部分脫硫，其中硫離解而成為氣態硫並進入RHF氣氛中。氣態硫經過第二層而進入氧化性爐內氣氛時會氧化成二氧化硫。在與含硫的鎳精礦和鉻鐵礦混合物混合的煤中固定碳至少等於混合物的10wt％時，在RHF中加熱含硫的鎳精礦和鉻鐵礦而形成的反應產物會是金屬Ni，未反應的鎳硫化物，Cr和Fe金屬，Cr和Fe碳化物和未還原的與氧結合的Cr和Fe。在該實施例中，含硫的鎳精礦和鉻鐵礦可分別在RHF中脫硫和部分還原後再送入AOD內所含的鐵熔池中以將金屬化的鉻鐵礦和附帶或伴隨的Ni熔煉和精煉，從而提供製造鉻鎳合金鋼如AISI304，12SR和18SR不鏽鋼所需的Cr，Ni和Fe單元。與氧結合的鉻的最終熔煉主要是由帶入熔池並且溶於其中的碳如(Fe，Cr)3C和(Cr，Fe)7C3和過量碳，其次是由溶於熔池中的任何其他還原劑如矽或鋁進行。在該還原階段之後餘下的任何殘餘的碳可通過吹氧管吹氧而從鐵熔池中去除。而鐵溶池中伴隨金屬化球團礦的剩餘硫，在經過風口注入惰性氣體如高純度，如99.998vol.％氬氣時，可由還原期間覆蓋熔池的精煉爐渣去除。
在提交本專利申請時，鉻鐵形式的鉻和鎳鐵或鎳粒形式的鎳的每kg現貨市場價分別為約$1.5和$8。實施例1-5中製成的原料形式的鉻和鎳的每kg造價則低至分別低至約$1.2和$6。本發明優點是在製造鐵素體不鏽鋼時可使鉻進料的每kg價格降低約$0.30或以上，而在製造奧氏體不鏽鋼時可使Cr和Ni進料的每kg價格降低約$2或以上。
在本發明範圍之內，還可對本發明作出各種修改。因此，應按本發明權利要求書確定本發明的範圍。
權利要求
1.金屬氧化物還原方法，其中包括提供設有環形平臺和至少一個燃料燒嘴的爐，將含有與氧結合的金屬和還原劑的混合物第一層放在平臺上表面上，使平臺轉動經過燒嘴以用氧化焰加熱第一層，加入覆蓋第一層的還原劑第二層，繼續將物料層加熱到足夠溫度並經過足夠時間以形成至少部分還原的混合物，其中用第二層防止爐內部分還原的混合物再氧化。
2.權利要求1的方法，其中在覆蓋第二層之前將混合物加熱到至少1000℃。
3.權利要求1的方法，其中與氧結合的金屬來自鉻鐵礦，紅土礦，矽鎂鎳礦，用鉻鐵礦製成的精礦和不鏽鋼煙道爐塵。
4.權利要求1的方法，其中將混合物粉碎，使與氧結合的金屬和還原劑均達到至少-200目的粒徑，再將粉末混合物壓坯而成為球團礦。
5.權利要求1的方法，其中混合物含有至少10wt％固定碳。
6.權利要求1的方法，其中部分還原的混合物含有至少5.0wt％金屬鉻或鉻碳化物形式的鉻。
7.權利要求1的方法，其中與氧結合的金屬是鉻，部分還原的混合物中有至少40％的與氧結合的鉻還原成鉻或鉻碳化物並且有至少70％的與氧結合的鐵還原成鐵或鐵碳化物。
8.權利要求1的方法，其中混合物含有鉻鐵礦，還原劑和選自CaCO3，CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2的成渣劑。
9.權利要求1的方法，其中混合物含有鉻鐵礦和含硫的鎳精礦。
10.權利要求9的方法，其中部分還原的混合物含有至少5wt％金屬鉻或鉻碳化物形式的鉻和至少0.1wt％金屬鎳或鎳硫化物形式的鎳。
11.權利要求1的方法，其中部分還原的混合物含有至少1wt％金屬形式的鎳。
12.權利要求1的方法，其中混合物至少含有理論上還原混合物中所有與氧結合的金屬所需的化學計量還原劑。
13.權利要求1的方法，其中第一層厚度不大於40mm。
14.權利要求1的方法，其中第二層厚度不大於10mm。
15.權利要求1的方法，其中第二層厚度與第一層厚度之比是至少0.05。
16.權利要求1的方法，其中第二層厚度與第一層厚度之比是至少0.05-0.3。
17.權利要求2的方法，其中將混合物加熱到至少1300℃的溫度並在該溫度下再保持至少30分鐘。
18.權利要求1的方法，其中與氧結合的金屬包括鉻鐵礦並且其步驟還包括將部分還原的混合物送入在精煉爐內所含的鐵熔池中，將與氧結合的鉻還原成鉻或鉻碳化物並且向鐵熔池中吹氧氣以去除過量碳之後製成不鏽鋼。
19.金屬氧化物還原方法，其中包括提供設有環形平臺和至少一個燃料燒嘴的爐，將含有與氧結合的金屬和還原劑的混合物第一層放在平臺上表面上，使平臺轉動經過燒嘴以用氧化焰將第一層加熱到至少1000℃溫度，加入覆蓋第一層的還原劑第二層，繼續將物料層再加熱30分鐘以使與氧結合的金屬至少部分還原，部分還原的混合物含有至少1％金屬或金屬碳化物形式的金屬，其中第二層防止金屬在爐內再氧化。
20.金屬氧化物還原方法，其中包括提供設有環形平臺和至少一個燃料燒嘴的爐，將含有還原劑和與氧結合的金屬以及鐵的混合物第一層放在平臺上表面上，使平臺轉動經過燒嘴以用氧化焰將第一層加熱到1200℃溫度，加入覆蓋第一層的還原劑第二層，將物料層繼續加熱到至少1300℃以使與氧結合的鉻至少部分還原，部分還原的混合物含有至少40％鉻或鉻碳化物和至少70％鐵或鐵碳化物，其中第二層防止鉻或鐵在爐內再氧化，提供設有鐵熔池的精煉爐，將部分還原的混合物送入熔池中，精煉該熔池直到與氧結合的鉻和與氧結合的鐵都還原成鉻和鐵後形成不鏽鋼為止。
全文摘要
本發明提出在轉底爐(14)中將金屬氧化物還原製成製造鐵合金，合金鋼或不鏽鋼的精煉爐進料的方法，其中轉底爐包括環形內壁(32)，環形外壁(34)，內外壁間的環形平臺(33)。壁(32，34)上剛好在平臺上表面之上設靜止燃料燒嘴(36，40)。金屬氧化物和含碳還原劑的混合物放在平臺上後使平臺轉動經過嘵嘴。氧化物經氧化焰預熱後在熱第一層上放還原劑第二層，再將二層加熱到至少1300℃而使金屬氧化物還原以提供與鐵水成為合金的廉價金屬單元。
文檔編號C21B13/00GK1143681SQ96106850
公開日1997年2月26日 申請日期1996年6月6日 優先權日1995年6月6日
發明者D·M·昆德拉特 申請人:阿姆科公司