用於生產金屬鐵礦塊的系統的製作方法

2023-05-22 14:56:26 2

用於生產金屬鐵礦塊的系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於生產金屬鐵礦塊的系統，包括：包括耐火材料以用於在其上接收爐床材料層的爐床；裝料設備，其在所述爐床材料層的至少一部分上提供可還原混合物的層；通道限定設備，以產生多個通道開口，該通道開口至少部分地延伸至所述可還原混合物的層以限定出多個形成礦塊的可還原材料區域；通道填充設備，其將礦塊分離填充材料至少部分地填充在多個通道開口中；和爐，該爐熱處理可還原混合物的層以在多個形成礦塊的可還原材料區域的一個或多個中形成一個或多個金屬鐵礦塊。本發明系統可提供控制鐵礦塊尺寸，可提供對微礦塊形成的控制，且可提供對鐵礦塊中硫的控制等等。
【專利說明】用於生產金屬鐵礦塊的系統
[0001] 本申請是一項發明專利申請的分案申請，其母案的申請日為2005年12月7日、申 請號為200580047838. 5 (PCT/IB2005/054110)、發明名稱為"用於生產金屬鐵礦塊的方法和 系統"。
[0002] 政府利益
[0003] 本發明的完成得到了經濟發展局（Economic Development Administration)的支 持許可號No. 06-69-04501。美國政府在本發明中可具有某些權利。

【技術領域】
[0004] 本發明涉及金屬擔載材料的還原（例如，載鐵材料如鐵礦石的還原）。

【背景技術】
[0005] 過去已經描述和/或使用了許多不同的鐵礦石還原方法。所述方法傳統上可以分 為直接還原法和熔煉還原方法。通常，直接還原法通過例如使用堅式爐（例如基於天然氣 的堅式爐）將鐵礦石轉變為固態金屬形式，而熔煉還原將鐵礦石轉變為熔化的熱金屬而無 需使用鼓風爐。
[0006] 用於生產直接還原鐵（DRI)的許多常規還原方法為基於氣體的方法或者基於煤 的方法。例如，在基於氣體的方法中，氧化鐵（例如鐵礦石或氧化鐵小球）的直接還原採 用還原性氣體（例如，重整天然氣）以減少氧化鐵並獲得DRI。製造DRI的方法採用了包 括作為還原劑的碳（例如煤、木炭等等）的使用。例如，基於煤的方法包括SL-RN方法，描 述於例如 D.A. Bold 等人題為 "Direct reduction down under :the New Zealand story" 的參考文獻，145和147-52頁（1977)，或例如由Miyagawa等人描述於題為"Development of FASTMET1* as a New Direct Reduction Process" 參考文獻中的 faSTMET..K.方法， 1998ICSTI/IR0NMAKING Conference Proceedings，877-881 頁。
[0007] 介於基於氣體的或基於煤的直接還原法和熔煉還原法兩者之間的另一還原方 法可以稱為烙化（fusion)還原。烙化還原法已描述於例如Kobayashi等人題為"A new process to produce iron directly from fine ore and coal" 的參考文獻中，I&SM, 19-22(2001 年 9 月）頁，以及，例如 Sawa 等人題為 "New coal-based process，Hi-QIP， to produce high quality DRI for the EAF" 的參考文獻中，ISIJ Interna tional, VoL41 (2001)，Supp 1 ement，S17-S21頁。通常，這樣的熔化還原法包括例如以下總結的加工 步驟：進料製備、乾燥、裝爐、預熱、還原、熔化/熔融、冷卻、產物排出和產品的分離。
[0008] 對於直接還原法已經描述和/或使用了各種型式的床式爐。稱為轉底爐（RHF)的 一種類型床式爐已經用作用於基於煤的生產的熔爐。例如，在一個實施方案中，轉底爐具有 分割為預熱區、還原區、熔化區和冷卻區的環形爐床，沿著熔爐的進給側和卸料側設置。所 述環形爐床支持在熔爐中以使得能夠旋轉地移動。例如在操作中，包括混合物（例如鐵礦 石和還原材料的混合物）的原料裝料在環形爐床上並提供至預熱區。
[0009] 預熱以後，通過旋轉爐床上的鐵礦石混合物被移到還原區，其中鐵礦石在還原材 料的存在下通過一個或多個熱源（例如煤氣燃燒器）的使用還原為還原的和熔化的鐵（例 如金屬鐵礦塊）。在還原法完成之後，還原的和熔化的產品在旋轉爐床上的冷卻區中冷卻以 防止氧化並促進從熔爐卸料。
[0010] 已經描述了各種用於直接還原法的轉底爐。例如，此類熔爐的一個或多個實施方 案描述於Sawa等人2000年十月3日出版並題為"Method of Producing a Reduced Metal， and Traveling Hearth Furnace for Producing Same" 的美國專利中。此外，還描述了例 如其它類型的床式爐。例如，成對的直平底（PSH)熔爐描述於Lu等人的2001年7月10日 出版的題為"Paired straight hearth (PSH) furnaces for metal oxide reduction"的美 國專利No. 6, 257, 879B1中，以及線型的床式爐（LHF)描述於出版為US2005-0229748A1並 題為"Linear hearth furnace system and methods regarding same，'的美國臨時專利申 請 No60/558, 197 中。
[0011] 基於天然氣的直接還原鐵佔世界上DrI生產的90 %以上。基於煤的方法通常用於 生產剩餘量的直接還原鐵。但是，在許多地區，煤的使用可能更加合意，因為煤價格可能比 天然氣價格更加穩定。此外許多地區遠離使用所加工產品的鋼廠。因此，以金屬化鐵礦塊 的形式由基於煤的熔化還原法生產的鐵塊體裝船可能比使用熔化還原法更加合意。
[0012] 通常，金屬鐵礦塊特徵為高品位，基本上100 %為金屬（例如大約96%-大約97 % 的金屬Fe)。這樣的金屬鐵礦塊在許多環境中是合意的，例如，至少相對於可包含30%氧和 5%脈石鐵燧巖小球。金屬鐵礦塊含脈石量低，因為二氧化娃已經作為礦漁除去。同樣地， 通過金屬鐵礦塊，要運輸的重量更低。此外，與常規的直接還原鐵不同，金屬鐵礦塊具有低 的氧化率，因為它們是固體金屬並具有很少或沒有孔。另外，這樣的金屬鐵礦塊通常與鐵礦 石小球一樣易於處理。
[0013] 用於生產金屬鐵礦塊的一種示例性金屬鐵礦塊熔化方法稱為ITmk3。例如，在這樣 的方法中，使用鐵礦石、煤和粘合劑形成的幹球被送到熔爐（例如轉底爐）。當熔爐中的溫 度增加時，在溫度範圍為1450°C -1500°C時，鐵精砂還原並熔化。所得產品被冷卻並隨後卸 料。冷卻的產品通常包括小球尺寸的金屬鐵礦塊和分裂並隔離的礦渣。例如，以這樣的方法 產生的此類金屬鐵礦塊大小通常為大約四分之一（6. 4mm)至八分之三（9. 5mm)英寸並且據 報導被分析為包括大約96% -大約97%的金屬Fe和大約2. 5% -大約3. 5%的碳。例如， 此類方法的一種或多種實施方案描述於Negami等人的題為"Method and apparatus for making metallic iron"，2000 年 3 月 14 日出版的美國專利 No. 6, 036, 744 和 Negami 等人 的題為"Method and apparatus for making metallic iron"，2003 年 1 月 14 日出版的美 國專利 No. 6, 506, 231 中。
[0014] 進一步地，據報導另一金屬鐵礦塊方法也已經被用於生產金屬鐵。例如，在該方 法中，使無煙煤粉層遍布爐床並在其中生成凹陷（dimples)的規律樣式。然後，放置鐵礦 石和煤混合物的層並加熱到1500°C。鐵礦石被還原成金屬鐵、熔化並在所述凹陷中作為 鐵礫石和礦渣收集。然後，分裂並分離鐵礫石和礦渣。此類方法的一種或多種實施方案描 述於 Takeda 等人題為 "Rotary hearth furnace for reducing oxides, and method of operating the furnace"，2001年8月7日出版的美國專利No6, 270, 552中。此外，例如該方 法的利用在固體還原材料中形成杯形窪地以獲得還原金屬的各種實施方案（稱為Hi-QIP 方法）描述於Sawa等人的美國專利No. 6, 126. 718中。
[0015] 因此，這樣的金屬鐵礦塊形成方法包括混合載鐵的材料和粉煤（例如含碳的還原 劑）。例如，在有或者沒有形成球的情況下，將鐵礦石/煤混合物送到床式爐（例如轉底爐） 並據報導加熱到1450°C -大約1500°C的溫度以形成熔化的直接還原鐵（即金屬鐵礦塊） 和礦渣。金屬鐵和礦渣可隨後例如通過溫和的機械作用和磁分離技術的使用被分離。
[0016] 其它用於生產還原鐵的還原方法描述於例如Kikuchi等人題為"Method and apparatus for making metallic iron"，2001 年4月 3 日出版的美國專利No6, 210, 462和 Fuji 等人題為"Method for producing reduced iron"，2001 年 11 月 8 日出版的美國專利 申請No. US2001/0037703A1中。例如，Kikuchi等人的美國專利No6, 210, 462描述了其中 不要求初步模製的球以形成金屬鐵的方法。
[0017] 但是，對於這樣的鐵礦塊方法存在各種憂慮。例如，一種或多種此類方法的一個主 要的憂慮涉及預防礦渣與爐床耐火材料在此類方法期間反應。這樣的憂慮可以通過在爐床 耐火材料上放置磨碎的焦炭或其它含碳物質層以防止礦渣滲透與爐床耐火材料反應而解 決。
[0018] 關於此類金屬鐵礦塊生產過程的另一憂慮是完成所述方法必需很高的溫度。例 如，據報導，這樣的溫度在1450°c -大約1500°C的範圍之內。當與在大約1288°C -大約 1316°C的溫度下進行的鐵燧巖球粒化相比，這通常被認為是相當高的。這樣的高溫不利地 影響熔爐耐火材料、養護費用和能量需要。
[0019] 又一個問題是硫是鋼中主要的不受歡迎的雜質。但是，在金屬鐵礦塊形成方法中 使用的含碳還原劑通常包括在形成的礦塊中導致此類雜質的硫。
[0020] 此外，至少在ITmk3方法中，採用了利用粘合劑的在先的球形成方法。例如，鐵礦 石與粉煤和粘合劑混合、形成球形並隨後加熱。採用了粘合劑的此類預加工（例如球形成） 步驟為金屬鐵礦塊生產方法增加了不受歡迎的成本。
[0021] 更進一步，各種鋼鐵生產方法傾向特定大小的礦塊。例如，採用常規碎屑裝料操作 的煉爐操作似乎由大尺寸的鐵礦塊進料更好。採用直接注入系統用於鐵材料的其它操作表 明各種尺寸的結合對於它們的操作可能是重要的。
[0022] 從形成球形的進料開始的先前描述的金屬鐵礦塊生產方法使用了具有大約四分 之三英寸（19.0_)直徑幹球的最大尺寸的鐵坯礦石。這些球通過還原方法期間從鐵的氧 損失、通過經由氣化的煤損失、由於脈石和灰燼形成礦渣帶來的失重、以及孔的損失收縮為 大小為大約八分之三英寸（9.5mm)的鐵礦塊。在很多環境中，這樣大小的礦塊不能提供與 較大礦塊（在某些煉爐操作中是合意的）有關的優點。


【發明內容】

[0023] 根據本發明的方法和系統提供了還原方法（例如金屬鐵礦塊的生產）中的各種優 點。例如，這樣的方法和系統可提供控制鐵礦塊尺寸（例如，使用具有至少部分由含碳物質 填充的通道的進料混合物垛（mound))，可提供對微礦塊形成的控制（例如，由爐床材料層 的處理），可提供對鐵礦塊中硫的控制（例如，通過向進料混合物加入助熔劑）等等。
[0024] 用於本發明金屬鐵礦塊生產的一個實施方案包括：提供包括耐火材料的爐床， 和在所述耐火材料上提供爐床材料層（例如，所述爐床材料層至少包括含碳材料或塗有 A1 (0H) 3、CaF2或Ca (0H) 3和CaF2的結合的含碳材料）。在爐床材料層的至少一部分上提供 可還原的混合物層（例如，所述可還原的混合物至少包括還原材料和可還原的載鐵材料）。 多個通道開口至少部分地延伸進入所述可還原的混合物層以限定出多個形成礦塊的可還 原材料區域（例如，多個形成礦塊的能還原的材料區域中的一個或多個可包括可還原混合 物的垛，其包括至少一個彎曲或傾斜的部分，如可還原混合物的圓丘狀的垛或錐體形狀的 垛。所述多個通道開口至少部分地由礦塊分離填充材料填充（例如所述礦塊分離填充材料 至少包括含碳材料）。對可還原混合物的層進行熱處理以在多個形成礦塊的可還原的材料 區域的一個或多個中形成一個或多個金屬鐵礦塊（例如，包括跨越最大截面的最大長度大 於約0. 25英寸（6. 4mm)且小於約4. 0英寸（102mm)的金屬鐵礦塊）（例如，在多個形成礦 塊的可還原的材料區域的一個或多個的每一個中形成單一金屬鐵礦塊）。
[0025] 在不同的實施方案中，可還原混合物的層可以是可還原的微團層（例如，其中至 少50%的可還原混合物的層包括具有大約2毫米或更低的平均尺寸的微團），或者可以是 壓緊的層（例如團塊、部分的團塊、壓緊的垛、在可還原物質層中形成的壓實分布等等）。
[0026] 再進一步，爐床材料層上的可還原混合物的層可包括多個層，其中至少一個所提 供層的可還原微團的平均尺寸相對於先前提供的微團的平均尺寸是不同的（例如至少一 個所提供層的可還原微團的平均尺寸小於在爐床材料層上提供的第一層的微團的平均尺 寸）。
[0027] 另外，還原材料的化學計量為從預先確定量的可還原載鐵材料完成完成金屬化和 形成金屬鐵礦塊所必需的量。在該方法的一個或多個實施方案中，在爐床材料層上提供可 還原混合物的層可包括在該爐床材料上提供可還原混合物的第一層，其包括預先確定量的 可還原載鐵材料和完成其金屬化所必需的還原材料的化學計量的大約70 % -大約90 %，並 提供可還原混合物的一個或多個附加層，其包括預先確定量的可還原載鐵材料和完成其金 屬化所必需的還原材料的化學計量的大約105% -大約140%。
[0028] 在所述方法的另一實施方案中，熱處理可還原混合物的層包括在低於1450°C的 溫度下熱處理可還原混合物的層，以使得形成礦塊的可還原材料區域中的可還原混合物引 起收縮並從其它相鄰的形成礦塊的可還原材料區域中分離出來。更優選，所述溫度低於 1400°C ;甚至更優選所述溫度低於1390°C ;甚至更優選所述溫度低於1375°C ;且最優選所 述溫度低於1350°C。
[0029] 還進一步，在所述方法的一個或多個實施方案中，可還原混合物可進一步包括選 自氧化鈣、一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈣的化合物（例如石灰石）、氧化鈉、以 及一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈉的化合物的至少一種添加劑。此外，在一個或 多個實施方案中，可還原的混合物可包括蘇打灰、Na 2C03、NaHC03、NaOH、硼砂、NaF和/或煉 鋁工業礦渣。更進一步，可還原混合物的一個或多個實施方案可包括選自螢石、CaF 2、硼砂、 NaF和煉鋁工業礦渣的至少一種助熔劑。
[0030] 用於生產本發明金屬鐵礦塊的另一方法包括提供包括耐火材料的爐床和在所述 耐火材料上提供爐床材料層（例如，所述爐床材料層可至少包括含碳材料）。可還原微團的 層提供在爐床材料層的至少一部分上，其中可還原微團層的至少50%包括具有大約2毫米 或更低的平均尺寸的微團。所述可還原微團至少由還原材料和可還原載鐵材料形成。對可 還原微團的層進行熱處理形成一個或多個金屬鐵礦塊。
[0031] 在所述方法的一個或多個實施方案中，通過在爐床材料層上的可還原微團的第一 層並通過在第一層上提供可還原微團的一個或多個附加層來提供所述可還原微團層。至少 一個所提供的附加層的可還原微團的平均尺寸相對於先前提供的微團的平均尺寸來說是 不同的（例如，至少一個所提供的附加層的可還原微團的平均尺寸低於第一層微團的平均 尺寸）。
[0032] 進一步，在該方法的一個或多個實施方案中，在爐床材料層上的可還原微團的第 一層包括預先確定量的可還原載鐵材料和完成其金屬化所必需的還原材料的化學計量的 大約70 % -大約90 %，並且提供的可還原微團的附加層包括預先確定量的可還原載鐵材料 和完成其金屬化所必需的還原材料的化學計量的大約105% -大約140%。
[0033] 還進一步，在所述方法的一個或多個實施方案中，提供所述可還原微團的層包括 至少使用水、還原材料、可還原載鐵材料和選自氧化鈣、一種或多種能夠通過其熱分解產 生氧化鈣的化合物、氧化鈉、以及一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈉的化合物的一 種或多種添加劑形成可還原的微團。進一步，可還原微團的可包括選自蘇打灰、Na 2C03、 NaHC03、NaOH、硼砂、NaF和煉鋁工業礦渣的至少一種添加劑或選自螢石、CaF 2、硼砂、NaF和 煉鋁工業礦渣的至少一種助熔劑。
[0034] 在一個優選的實施方案中，用於生產金屬鐵礦塊的方法包括以下步驟：提供包 括耐火材料的爐床；在所述耐火材料上提供爐床材料層，該爐床材料層至少包括塗有 A1 (0H)3、CaF2或Ca(0H)3和CaF2中的一種的含碳材料；在爐床材料層的至少一部分上提供 可還原混合物的層，該可還原混合物的至少一部分至少包括還原材料和可還原載鐵材料； 所述可還原混合物至少包括選自氧化鈣、一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈣的化合 物、氧化鈉和一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈉的化合物的至少一種添加劑；形成 多個至少部分延伸至可還原混合物的層以限定出多個密度低於大約2. 4的形成礦塊的可 還原材料區域的通道開口；由至少包括含碳材料的礦塊分離填充材料至少部分地填充所述 多個通道開口；和在低於1450°C的溫度下熱處理可還原混合物的層以在多個形成礦塊的 可還原材料區域的一個或多個中形成一個或多個金屬鐵礦塊。
[0035] 用於生產本發明金屬鐵礦塊的另一方法包括提供包括耐火材料的爐床和在所述 耐火材料的至少一部分上提供爐床材料層（例如，所述爐床材料層可至少包括含碳材料）。 在爐床材料層的至少一部分上提供可還原的混合物（例如，所述可還原的混合物至少包括 還原材料和可還原的載鐵材料）。還原材料的化學計量為從預先確定量的可還原載鐵材料 完成金屬化和形成金屬鐵礦塊所必需的量。在一個實施方案中，在爐床材料層上提供可還 原混合物可包括在該爐床材料上提供第一部分的可還原混合物，其中所述爐床材料包括預 先確定量的可還原載鐵材料和完成其金屬化所必需的化學計量的大約70% -大約90%的 還原材料，並提供可還原混合物的一個或多個附加部分，其包括預先確定量的可還原載鐵 材料和完成其金屬化所必需的化學計量的大約105% -大約140%的還原材料。然後對可 還原混合物進行熱處理形成一個或多個金屬鐵礦塊。對於某些應用，可以不使用底料層，或 所述底料層可以不含有任何含碳材料。
[0036] 在所述方法一個實施方案中，多個通道開口至少部分地延伸至可還原混合物並限 定出多個形成礦塊的可還原材料區域，且進一步地，其中所述通道開口至少部分地由礦塊 分離填充材料填充。
[0037] 在所述方法的另一實施方案中，在爐床材料層上提供第一部分的可還原混合物包 括在爐床材料層上提供第一層的可還原微團，且其中提供一個或多個附加部分包括在第一 層上提供一個或多個可還原微團的附加層，其中至少一個所提供附加層的可還原微團的平 均尺寸相對於先前提供的微團的平均尺寸來說是不同的。
[0038] 在另一實施方案中，在爐床材料層上提供可還原混合物包括提供可還原混合物的 壓緊物。例如，一個或多個壓緊物的每一個的第一部分包括預先確定量的可還原載鐵材料 和完成其金屬化所必需的化學計量的大約70 % -大約90 %的還原材料，並且一個或多個壓 緊物的每一個的一個或多個附加部分包括預先確定量的可還原載鐵材料和完成其金屬化 所必需的化學計量的大約105% -大約140%的還原材料。
[0039] 還進一步地，在所述方法的另一實施方案中，所述壓緊物可包括至少一個團塊 (例如，三層團塊）、部分的團塊（例如，壓緊的可還原混合物的兩個層）、球、包括至少一個 彎曲或傾斜部分的可還原混合物的壓緊垛、可還原混合物的壓緊的圓丘狀的垛、以及可還 原混合物壓緊的錐體形狀的垛。在一個優選的實施方案中，所述部分的團塊包括切成兩半 的完全的團塊。所述可還原混合物甚至可以是可還原混合物的多層球。在一個實施方案中， 所述垛具有大約1. 9-2的密度，所述球具有大約2. 1的密度以及團塊具有大約2. 1的密度。 在一個實施方案中，可還原物質具有低於大約2. 4的密度。在一個優選的實施方案中，可還 原物質具有大約1. 4-2. 2的密度。
[0040] 更進一步，在此處描述了用於生產金屬鐵礦塊的另一方法。該方法包括提供包含 耐火材料的爐床並在所述耐火材料的至少一部分上提供爐床材料層。該爐床材料層至少包 括含碳材料。在所述爐床材料層的至少一部分上提供可還原混合物。所述可還原混合物包 括：還原材料；可還原載鐵材料；選自氧化鈣、一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈣的 化合物、氧化鈉、以及一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈉的一種或多種添加劑；和選 自螢石、CaF2、硼砂、NaF、和煉鋁工業礦渣的至少一種助熔劑。對所述可還原混合物進行熱 處理（例如，在低於大約1450°C的溫度下）以形成一個或多個金屬鐵礦塊。
[0041] 在所述方法的一個或多個實施方案中，可還原混合物可包括選自氧化鈣和石灰石 的至少一種添加劑。在所述方法的其它實施方案中，可還原混合物的可包括選自蘇打灰、 似 2〇)3、似!1〇)3、似0!1、硼砂、似？和煉鋁工業礦渣的至少一種添加劑。還進一步地，爐床材料 層可包括塗有A1 (0H) 3、CaF2或Ca (0H) 3和CaF2的結合的含碳材料。
[0042] 再進一步地，在所述方法的一個或多個實施方案中，可還原混合物可包括包含至 少一個彎曲或傾斜部分的可還原混合物的一個或多個垛；可包括可還原微團或其具有不同 組成的多個層；可包括壓緊物如團塊、部分的團塊、球、包括至少一個彎曲或傾斜部分的可 還原混合物的壓緊垛、可還原混合物的壓緊的圓丘狀垛、和可還原混合物的壓緊的錐體形 狀垛中的一種；或者可包含球（例如幹球）或多個層狀的球。
[0043] 在此處還描述了用於生產金屬鐵礦塊的系統。例如，根據本發明系統的一個實施 方案可包含用於在其上承受爐床材料層的包括耐火材料的爐床（例如，所述爐床材料層可 至少包括含碳材料）和可操作的裝料設備以在所述爐床材料層的至少一部分上提供可還 原混合物的層。所述可還原混合物可至少包括還原材料和可還原載鐵材料。所述系統進一 步地包括可操作的通道限定設備以產生至少部分地延伸至可還原混合物的層來限定出多 個形成礦塊的可還原材料區域的多個通道開口，和可操作的通道填充設備以由礦塊分離填 充材料至少部分地填充所述多個通道開口（例如，所述礦塊分離填充材料可至少包括含碳 材料）。還提供了熔爐，其可被操作來熱處理所述可還原混合物的層以在多個形成礦塊的可 還原材料區域的一個或多個中形成一個或多個金屬鐵礦塊。
[0044] 在所述系統的一個或多個實施方案中，通道限定設備可以操作來產生包括至少一 個彎曲或者傾斜部分的可還原混合物的垛（例如，產生可還原混合物的圓丘狀的垛或者錐 體形狀的垛）。
[0045] 在用於生產方法金屬鐵礦塊的另一方法中，該方法包括提供包括耐火材料的爐床 和在所述耐火材料的至少一部分上提供爐床材料層（例如，所述爐床材料層可至少包括含 碳材料）。在所述爐床材料層的至少一部分上提供可還原混合物。所述可還原混合物至少 包括還原材料和可還原載鐵材料。還原材料的化學計量為從預先確定量的可還原載鐵材料 完成金屬化和形成金屬鐵礦塊所必需的量。至少部分的可還原混合物包括預先確定量的可 還原載鐵材料和完成其金屬化所必需的化學計量的大約70% -大約90%的還原材料。所 述方法進一步地包括熱處理可還原混合物以形成一個或多個金屬鐵礦塊。
[0046] 在所述方法的一個實施方案中，在所述爐床材料層的至少一部分上提供可還原混 合物包括在爐床材料層上提供一個或多個可還原混合物的層。多個通道開口被限定為至少 部分地延伸至所述可還原混合物的層並限定出多個形成礦塊的可還原材料區域。進一步 地，所述通道開口至少部分地由礦塊分離填充材料填充（例如，含碳材料）。
[0047] 再進一步地，在所述方法的一個或多個實施方案中，可還原混合物可包括包含至 少一個彎曲或傾斜部分的可還原混合物的一個或多個垛；可包括可還原微團或其具有不同 組成的多個層；可包括壓緊物如團塊（例如，單個或多層團塊）、部分的團塊、球、包括至少 一個彎曲或傾斜部分的可還原混合物的壓緊垛、可還原混合物的壓緊的圓丘狀垛、和可還 原混合物的壓緊的錐體形狀垛中的一種；或者可包含球（例如幹球）或多個層狀的球。
[0048] 還進一步，在所述方法的一個或多個實施方案中，可還原混合物可包括選自氧化 鈣、一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈣的化合物、氧化鈉、以及一種或多種能夠通過 其熱分解產生氧化鈉的化合物的至少一種添加劑。進一步，所述可還原混合物可包括選自 蘇打灰、Na 2C03、NaHC03、NaOH、硼砂、NaF和煉鋁工業礦渣的至少一種添加劑或選自螢石、 CaF 2、硼砂、NaF和煉鋁工業礦渣的至少一種助熔劑。
[0049] 再進一步地，所述方法的一個實施方案可包括提供壓緊物，並還進一步提供與所 述壓緊物的至少一部分相鄰的附加還原材料。
[0050] 在本發明的進一步實施方案中，可還原混合物包括：還原材料；可還原載鐵材料； 選自氧化鈣、一種或多種能夠通過其熱分解產生氧化鈣的化合物、氧化鈉、以及一種或多種 能夠通過其熱分解產生氧化鈉的一種或多種添加劑；和選自螢石、CaF 2、硼砂、NaF和煉鋁工 業礦渣的至少一種助熔劑。
[0051] 本發明的上述內容並不意欲描述本發明的每一個實施方案或每個執行過程。優點 連同對於本發明更加完全的理解將通過參照以下詳細說明和權利要求結合附圖變得顯而 易見並理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0052] 圖1顯示了根據本發明的金屬鐵礦塊工藝的一個或多個概括的方框圖。
[0053] 圖2A是用於實施金屬鐵礦塊工藝（如根據本發明的圖1中概括地顯示的）爐系 統的概括方框圖。
[0054] 圖2B-2D是可以在此處用來實施一種或多種工藝（如在在此處描述的一個或多個 實施例中採用的方法）的兩個實驗室爐（例如，分別為管式爐和箱式爐）和一種線型的床 式爐。
[0055] 圖3A-3C是概括的橫截面視圖以及圖3D-3E是概括的俯視圖，其顯示了根據本發 明金屬鐵礦塊方法（在圖1中概括地顯示的）如的一個實施方案的階段。
[0056] 圖4A-4D顯示了在金屬鐵礦塊方法（如圖1中概括地顯示的）中時間對金屬礦塊 形成的影響的圖解。
[0057] 圖5A-5B分別顯示了用於金屬鐵礦塊方法（如在圖1中概括地顯示的）的可還原 混合物的層中通道開口的一個實施方案的俯視圖和橫截面側視圖。
[0058] 圖6A-6B分別顯示了用於金屬鐵礦塊方法（如在圖1中概括地顯示的）的可還原 混合物的層中通道開口的一個可選擇的實施方案的俯視圖和橫截面側視圖。
[0059] 圖7A-7B分別顯示了用於金屬鐵礦塊方法（如在圖1中概括地顯示的）的可還原 混合物的層中通道開口的另一可選擇的實施方案的俯視圖和橫截面側視圖。
[0060] 圖8A-8B分別顯示了用於金屬鐵礦塊方法（如在圖1中概括地顯示的）的通道形 成設備的一個實施方案的俯視圖和橫截面側視圖。
[0061] 圖9A-9B分別顯示了用於金屬鐵礦塊方法（如在圖1中概括地顯示的）的通道形 成設備的另一實施方案的俯視圖和橫截面側視圖。
[0062] 圖10A-10B分別顯示了用於金屬鐵礦塊方法（如在圖1中概括地顯示的）的通道 形成設備的再一其它實施方案的俯視圖和橫截面側視圖。
[0063] 圖10C-10E分別顯示了用於金屬鐵礦塊方法（如在圖10e中概括地顯示的）的一 種或多種實施方案可還原混合物形成技術的再一其它實施方案的俯視圖和橫截面側視圖。
[0064] 圖11A-11B顯示了用於金屬鐵礦塊方法的一個或多個實施方案的可還原混合物 的預先形成的球，其中圖11A顯示了可還原混合物的多層球和進一步地其中圖11B顯示了 具有不同組成的層的多層球的橫截面。
[0065] 圖11C-11D顯示了用於提供在金屬鐵礦塊方法的一個或多個實施方案中使用的 可還原混合物的壓緊物（例如團塊）的形成設備的示例性實施方案，其中圖lie顯示了三 層壓緊物的形成，和進一步地其中圖11D顯示了雙層壓緊物的形成。
[0066] 圖11E-11F顯示了用於提供在金屬鐵礦塊方法的一個或多個實施方案中使用的 可還原混合物的壓緊物（例如團塊）的其它形成設備的示例性實施方案，其中圖11E顯示 了雙層壓緊物的形成，和進一步地其中圖11F顯示了三層壓緊物的形成。
[0067] 圖12A-12C顯示了 12段（segment)的、相等尺寸的圓丘狀的模具，以及根據本發 明的金屬鐵礦塊方法的一個或多個示例性實施方案的石墨託盤中的可還原混合物。圖12A 顯示了模具，圖12B顯示了由圖12A的模具形成的12段通道式樣，以及圖12C顯示了至少 部分地由粉碎的礦塊分離填充材料（例如焦炭）填充的帶有凹槽的12段通道式樣。
[0068] 圖13A-13D顯示了根據本發明的金屬鐵礦塊方法的一個或多個示例性實施方案 的通道中的礦塊分離填充材料的影響。
[0069] 圖14A-14D以及圖15A-1?圖解了根據本發明的金屬鐵礦塊方法的一個或多個不 例性實施方案的通道中的礦塊分離填充材料（例如，焦炭）水平的影響。
[0070] 圖16顯示了在描述金屬鐵礦塊方法（如在圖1中概括地描述的）的一個或多個 示例性實施方案中的爐床材料層的處理中使用的各種金屬鐵礦塊方法中產生的微礦塊的 相對量的表。
[0071] 圖17顯示了用於如在圖1中概括地顯示的金屬鐵礦塊方法和/或用於形成金屬 鐵礦塊的其它方法的可還原混合物提供方法的一個示例性實施方案的方框圖。
[0072] 圖18-19顯示了不同的煤添加水平的使用對如在圖1中概括地顯示的根據本發明 的金屬鐵礦塊方法和/或用於形成金屬鐵礦塊的其它方法的一個或多個示例性實施方案 的影響。
[0073] 圖20A-20B顯示了用於描述不同的煤添加水平的使用對如在圖1中概括地顯示的 根據本發明的金屬鐵礦塊方法和/或用於形成金屬鐵礦塊的其它方法的一個或多個示例 性實施方案的影響的圖解。
[0074] 圖21A-21B分別顯示了 Ca0-Si02-Al203相位圖和表，其顯示了在描述對如在圖1中 概括顯示的金屬鐵礦塊方法和/或用於形成金屬鐵礦塊的其它方法中的可還原混合物使 用一種或多種添加劑中使用的各種熔渣成分。
[0075] 圖22-24顯示了用於描述加入氟化鈣或螢石對如在圖1中概括地顯示的根據本發 明的金屬鐵礦塊方法和/或用於形成金屬鐵礦塊的其它方法的可還原混合物的影響的表。
[0076] 圖25A_25B、26和27分別顯示了一個表和另一表，其用於顯示Na2C0 3和CaF2添加 劑對可還原混合物在例如在圖1中概括地顯示的金屬鐵礦塊方法和/或用於形成金屬鐵礦 塊的其它方法的一個或多個示例性實施方案中的硫水平控制的影響。
[0077] 圖28顯示了微團形成方法的一個實施方案的方框圖，該微團形成方法用來提供 可還原混合物以用於例如在圖1中概括地顯示的金屬鐵礦塊方法和/或用於形成金屬鐵礦 塊的其它方法。
[0078] 圖29是顯示水分含量對微團（例如根據圖28的方法形成的那些）粒徑分布的影 響的曲線圖。
[0079] 圖30顯示了作為尺寸和空氣速度的函數的描述微團（例如根據圖28中顯示的方 法所形成的那些）末端速度（terminal velocities)的表。
[0080] 圖31A-31B顯示了在例如在圖1中概括地描述的金屬鐵礦塊方法的一個或多個實 施方案中使用微成團的可還原混合物的影響的圖解。
[0081] 圖32A-32C顯示了對可以在例如在圖1中概括地描述的金屬鐵礦塊方法和/或用 於形成金屬鐵礦塊的其它方法的一個或多個實施方案中使用的各種含碳還原劑材料給出 分析的表。
[0082] 圖32D顯示了對可以在例如在圖1中概括地描述的金屬鐵礦塊方法和/或用於形 成金屬鐵礦塊的其它方法的一個或多個實施方案中使用的各種含碳還原劑材料給出灰分 分析的表。
[0083] 圖33顯示了對可以在例如在圖1中概括地描述的金屬鐵礦塊方法和/或用於形 成金屬鐵礦塊的其它方法的一個或多個實施方案中使用的一種或多種鐵礦石給出化學組 成的表。
[0084] 圖34顯示了對例如在圖1中概括地描述的金屬鐵礦塊方法和/或用於形成金屬 鐵礦塊的其它方法的一個或多個實施方案中可以使用的一種或多種添加劑給出化學組成 的表。
[0085] 圖35A和35B顯示了在其中具有不同的進料混合物排列的託盤（pallet)，其用於 描述採用線型的床式爐（例如圖2D中顯示的）的一個或多個測試，以及從一個典型的測試 所得的產品。
[0086] 圖36是顯示用於描述採用線型床式爐（例如圖2D中顯示的）的一個或多個測試 的爐氣分析結果的表。
[0087] 圖37是顯示用於描述採用此類爐的一個或多個測試的C0在線型床式爐（例如圖 2D中顯示的）的不同區域中濃度的曲線圖。
[0088] 圖38是顯示用於描述採用線型床式爐（例如圖2D中顯示的）的一個或多個測試 的熔渣組成對還原方法的影響的表。
[0089] 圖39是顯示用於描述採用線型床式爐（例如圖2D中顯示的）的一個或多個測試 的鐵礦塊以及礦渣分析結果的表。
[0090] 圖40是顯示用於描述採用線型床式爐（例如圖2D中顯示的）的一個或多個測試 的溫度對還原方法的影響的表。
[0091] 圖41是顯示在用於描述採用線型床式爐（例如圖2D中顯示的）的一個或多個測 試的還原方法中煤和螢石加入、以及爐溫對微礦塊形成的影響的表。

【具體實施方式】
[0092] 本發明的一個或多個實施方案將參考圖1-4概括地描述。本發明的各種其它實施 方案和支持此類不同實施方案的實施例則將參考圖5-41描述。
[0093] 對本領域技術人員顯而易見的是，來自此處所述一個或多個實施方案的要素或加 工步驟可以與來自在此處所述一個或多個其它實施方案的要素或加工步驟結合，並且本發 明並不局限於此處提供的具體實施方案而僅僅在所附的權利要求中列出。例如，而不是被 認為是限制本發明，向可還原混合物加入一種或多種添加劑（例如螢石）可以與作為微團 的可還原混合物提供結合使用，通道中的礦塊分離填充材料可以與作為微團的可還原混合 物的提供結合使用，用於形成可還原混合物的通道和垛的模製過程可以與通道中的礦塊分 離填充材料和/或與作為微團的可還原混合物的提供結合使用等等。
[0094] 進一步地，各種金屬鐵礦塊方法已知和/或已經描述於一個或多個參考文獻。例 如，這樣的方法包括ITmk3方法，存在於例如，Negami等人的美國專利No. 6, 036, 744和/或 Negami等人的美國專利No. 6, 506, 231 ;Hi-QIP方法，存在於例如Takeda等人的美國專利 No. 6. 270, 552和/或Sawa等人的美國專利No. 6, 126, 718 ;其它金屬礦塊方法，例如描述於 Kikuchi等人的美國專利No. 6. 210. 462、Fuji等人的美國專利申請No. US2001/0037703A1 和Kikuchi等人的美國專利No. 6, 210, 462。此處所述的一個或多個實施方案可以與來自此 類金屬礦塊方法的一個或多個實施方案的要素和/或加工步驟結合使用。例如，而不認為 是限制本發明，向可還原混合物和/或此處所述的任何可還原混合物加入一種或多種添加 劑（例如螢石）可以與作為預先形成的球、作為用於在粉碎的含碳層中填充凹陷（dimple) 的可還原混合物、作為一個或多個壓緊物（例如團塊）的一部分提供的可還原混合物結合 使用，或可以在一種或多種其它各種模製技術中作為此類金屬鐵礦塊形成方法的一部分使 用。同樣地，在此處一個或多個實施方案中所述的概念和技術並不局限於僅僅以此處參考 圖1概括描述的金屬鐵礦塊方法使用，而是也可以適用於各種其它方法。
[0095] 圖1顯示了根據本發明的金屬鐵礦塊方法10的一個或多個概括說明性的的方框 圖。所述方框圖中顯示的金屬鐵礦塊方法10將進一步地參考圖3A-3E和圖4A-4D中顯示的 更加詳細的實施方案描述。本領域技術人員將意識到參考金屬鐵礦塊方法10描述的一個 或多個加工步驟可以是可選擇的。例如，區塊16、20和26被列為是任選地提供的。但是， 在其中描述的其它加工步驟，例如如參考區塊22描述的通道開口的提供，在一個或多個實 施方案中也可能是任選的。同樣地，應該理解金屬鐵礦塊方法10是概括的說明性實施方案 並且本發明並不局限於此處所述的任何具體的方法實施方案，而是僅僅描述於所附的權利 要求中。
[0096] 將進一步地在此處詳細描述的本發明可以例如用於提供一個或多個以下益處或 特徵。例如，本發明可以如此處所述的用來控制金屬鐵礦塊尺寸。常規幹球作為進料混合物 導致約為3/8英寸（9. 5_)的小尺寸鐵礦塊。可還原混合物的垛（例如，具有部分地由含 碳材料填充的通道的不等邊四邊形的和圓丘狀的垛）的使用可使鐵礦塊尺寸增加到大至4 英寸（102mm)。不同形狀的垛（例如，不等邊四邊形的垛）可能需要比一樣大小的圓丘狀垛 更長的時間以完全形成熔化的鐵礦塊。
[0097] 進一步地，例如，微團可以用來最小化進料爐中的粉塵損失（例如，旋轉或線型床 式爐）；微團可以根據尺寸、進料組成被放入底料層之上的層中（例如，煤的化學計量百分 比可改變）等等；以及考慮到高的C0 2和高度紊流爐氣氣氛，特別是在如此處所述的線型床 式爐中，進料混合物在它們放置在底料層上之後的壓實或者，在一個或多個實施方案中，例 如在放置在爐床上之前壓實，以形成包括一個或多個層的團塊）可能是合意的。
[0098] 再進一步地，例如，本發明可以用來控制微礦塊形成。如此處所述的，超過用於可 還原進料混合物金屬化的化學計算需要量的過量煤的使用，以及用於進料混合物的超過預 先確定的熔渣組成的過量石灰的使用（例如，熔渣組成（L))，已經導致增加量的微礦塊。
[0099] 如此處進一步地所述，例如，如圖21A的Ca0-Si02-Al20 3相位圖和圖21B的表所示， 熔渣組成（L)位於其低熔化溫度槽。進一步地，圖21A的Ca0-Si02-Al 203相位圖顯示的其 它熔渣組成表明了（A)、（L)、（LJ和（L2)的熔渣組成。但是，本發明不局限於任何特定的 熔渣組成。為簡單起見，此處的描述在很多情況中使用定義的熔渣組成（L)及對其的相關 縮寫，以限定總的發明構思。
[0100] 熔渣組成通過作為下標表明附加的石灰使用量百分比進行簡寫，例如，（LJ和 (L2)分別表示1%和2wt%的石灰被加入到所述進料混合物，相對於熔渣組成（L)。換句話 說，與在熔渣組成（L)的進料混合物相比，所述進料混合物分別包括附加的1%和2wt%的 石灰。進一步地，例如，熔渣組成在此處被進一步簡寫以表明進料混合物中其它要素或者化 合物的存在。例如，加入的化學CaF 2(縮寫成CF)的量以百分比表示為，例如，（1^.#匕25)表 示進料混合物包括〇. 25wt%的CaF2,具有（La5)的熔渣組成。
[0101] 底料層的使用，包括焦炭-氧化鋁混合物以及αι(οη)3塗覆的焦炭，可以如此處所 述的用來減少這樣的微礦塊形成。進一步地，例如，向進料混合物加入某些添加劑（例如螢 石）可在進料混合物的加工期間減少微礦塊產生的量。
[0102] 更進一步，例如，如此處所述的，本發明可以用來控制根據本發明產生鐵礦塊中硫 的量。為了增加爐渣鹼度，在鋼鐵工業中通常的做法是通過在還原氣氛之下向礦渣加入石 灰以從金屬鐵除去硫，例如在鼓風爐中。將石灰從熔渣組成（L)增加到U和（L2)可降 低硫（例如，從0. 084%分別到僅僅0. 058%和0. 050%，如此處所述的），但是增加熔化溫 度以及微礦塊產生的量，如此處所述的。發現，降低礦渣熔化溫度的助熔添加劑（例如螢 石）的使用不僅降低鐵礦塊形成的溫度，而且減少鐵礦塊中的硫，並且尤其是，在有效減少 微礦塊的量。
[0103] 例如，如此處進一步所述的，隨著加入的螢石（FS)增加，在加入4%的螢石下，熔 渣組成（LuFSad和（L2FSa5_4)中的硫分別被穩定地降低到低至0. 013%和0. 009%。還 如此處進一步所述的，蘇打灰的使用，特別是與螢石結合，可有效降低鐵礦塊中的硫，但是 蘇打灰的使用傾向於增加微礦塊的量。
[0104] 如圖1的區塊12所示，提供了爐床42 (參見圖3A)。如圖3A所示的爐床42可以 是適合於與爐系統30 -起使用的任何爐床（例如，圖2A中概括顯示的），其可操作用於實 施如將在此處進一步描述的金屬鐵礦塊方法10,或者併入此處所述一個或多個特徵的一種 或多種其它金屬礦塊方法。例如，爐床42可以是適合在轉底爐中使用的爐床、線型床式爐 (例如如圖35A所示託盤尺寸的用於此類爐），或者可操作用於實施金屬鐵礦塊方法的任何 其它爐系統。
[0105] 通常，爐床42包括在其上接受待加工材料（例如進料材料）的耐火材料。例如， 在一個或多個實施方案中，所述耐火材料可以用來形成爐床（例如，爐床可以是由耐火材 料形成的容器）和/或爐床可以包括例如承載耐火材料的支撐底部結構（例如，耐火材料 襯裡的爐床）。
[0106] 例如，在一個實施方案中，所述支撐底部結構可以由一種或多種不同的材料形成， 例如具有對於熔爐加工來說所需的高溫特性的不鏽鋼、碳鋼或者其它金屬、合金或者其結 合。進一步地，所述耐火材料例如可以是耐火材料板、耐火磚、陶瓷磚或者可澆鑄的耐火材 料。再進一步地，例如，可以選擇耐火材料板和耐火磚的結合以提供對於在下面的底部結構 最大的熱防護。
[0107] 在本發明的一個實施方案中，例如，線型床式爐系統被用於例如描述在2004年3 月31日提交，作為US2005/0229748A1出版的美國臨時專利申請No. 60/558, 197中的熔爐 加工，以及爐床42是例如託盤的容器（例如圖35A中顯示的）。例如，這樣的容器可包括支 撐在金屬容器（例如託盤）中的相對細的輕質耐火材料床。但是，能夠提供熔爐加工所必 需功能的任何合適的爐床42均可根據本發明使用。
[0108] 進一步地參考圖1的區塊14和圖3A，在爐床42上提供爐床材料層44。該爐床材 料層44至少包括一種含碳材料。
[0109] 如此處所使用的，含碳材料表示適用於作為含碳還原劑的任何含有碳的材料。例 如，含碳材料可包括煤、木炭或者焦炭。進一步地，例如，這樣的含碳還原劑可包括在圖 32A-32C顯示的表（按照wt%)中列舉和分析的那些。
[0110] 例如，如圖32A-32C所示，一種或多種無煙煤、低揮發分的煙煤含碳還原劑、中等 揮發性的煙煤含碳還原劑、高揮發性的煙煤含碳還原劑、次煙煤含碳還原劑、焦炭、石墨及 其它次煙煤燒焦含碳還原劑材料可用於所述底料層44。圖32D進一步提供了對圖32A-32C 的表中顯示的含碳還原劑的灰分分析。一些低的、中等的和高揮發性煙煤可能不適於單獨 用作底料層，但是可以用作構成材料以粉碎煙煤木炭。
[0111] 爐床材料層44包括阻止礦渣穿透爐床材料層44並接觸爐床42的耐火材料所必 需的厚度。例如，可以將所述含碳材料粉碎至一定程度以使得其足夠細小從而能夠阻止礦 渣發生這樣的穿透。如本領域技術人員認識到的，如果不阻止接觸，則金屬鐵礦塊方法10 期間礦渣的接觸對爐床42的耐火材料產生不合需要的損害。
[0112] 如通過圖1的區塊16所示，用作爐床材料層44的一部分的含碳材料可任選地被 處理，或否則改性，以提供如將進一步在此處論述的一種或多種優點。例如，爐床材料層44 的含碳材料可以塗有氫氧化鋁（或者CaF 2或者Ca (0H) 3和CaF2的結合）以如此處進一步 所述的減少微礦塊的形成。根據一個或多個特別有利的實施方案，爐床材料層44包括無煙 煤、焦炭、木炭或者其混合物。
[0113] 在一個實施方案中，爐床材料層44具有大於.25英寸（6. 4mm)且低於1. 0英 寸（25.4mm)的厚度。進一步地，在另一實施方案中，爐床材料層44具有低於.75英寸 (19. 0mm)且大於· 375英寸（9. 5mm)的厚度。
[0114] 進一步地，參考圖1的區塊18和圖3A，在下面的爐床材料層44上提供可還原混合 物的層46。所述可還原混合物的層至少包括用於鐵金屬礦塊生產的可還原載鐵材料和還原 材料（例如，其它可還原材料將用於使用一種或多種類似方法的其它類型金屬礦塊，例如， 使用載鎳紅土礦和矽鎂鎳礦礦石用於鎳鐵礦塊）。
[0115] 如此處所使用的，載鐵材料包括能夠經由金屬鐵礦塊方法（例如參考圖1所述的 方法10)形成為金屬鐵礦塊的任何材料。例如，載鐵材料可包括氧化鐵材料、鐵精砂、可循 環的載鐵材料、球團車間（pellet plant)廢料和球團篩選的細料。進一步地，例如，這樣的 球團車間廢料和球團篩選細料可包括顯著量的赤鐵礦。再進一步地，例如，這樣的載鐵材料 可包括磁鐵礦精礦、氧化的鐵礦石、鋼鐵廠廢料（例如，高爐灰、鹼性氧氣爐（B0F)粉塵和軋 屑）、來自鋁礬土加工過程的紅泥、含鈦的鐵砂、含錳鐵礦、氧化鋁廠廢料、或者含鎳的氧化 的鐵礦石。
[0116] 在至少一個實施方案中，將這樣的載鐵材料研磨至尺寸上為-100目（0. 149mm)或 更低以用於根據本發明的方法。本文中存在的各個實施例均使用研磨至-100目（〇. 149mm) 的載鐵材料，除非另作說明。但是，也可使用更大尺寸的載鐵材料。例如，球團篩選的細料 和球團車間廢料通常為大約.25英寸（6. 4_)公稱尺寸。這樣的材料可以直接使用，或者 可以研磨至-100目（〇.149_)以與含碳還原劑在加工期間更好的接觸。
[0117] 在一個優選的實施方案中，對於含有化學計量量80%的煤的壓緊物，垛具有大約 1. 9-2. 0的密度，球具有大約2. 1的密度以及團塊具有大約2. 1的密度。進一步地，可還原 混合物具有低於大約2. 4的密度。在一個優選的實施方案中，可還原物質具有大約1. 4-2. 2 的密度。
[0118] 圖33的表中顯示的鐵礦石一種或多種化學組成（S卩，排除氧含量）提供了將通過 金屬鐵礦塊方法（例如參考圖1所述的方法10)加工的合適載鐵材料。如其中所示，以化 學組成的形式顯示了三種磁選精礦、三種浮選精礦、球團車間廢料和球團篩選細料。
[0119] 如此處所使用的，在可還原混合物的層46中使用的還原材料包括至少一種含碳 材料。例如，所述還原材料可包括煤、木炭或者焦炭的至少一種。在還原材料和可還原載鐵 材料的混合物中的還原材料的量將取決於在所採用的熔爐加工方法中完成還原反應所必 需的化學計量量。如以下進一步所述的，這樣的量可依仗使用的爐而改變（例如，在其中發 生還原反應的氣氛）。在一個或多個實施方案中，例如，實施載鐵材料還原所必需的還原材 料的量為實施所述還原所必需的還原材料的化學計量量的大約70% -90%。在其它實施方 案中，例如，實施載鐵材料還原所必需的還原材料的量為實施所述還原所必需的還原材料 的化學計量量的大約70% -140%。
[0120] 在至少一個實施方案中，將這樣的含碳材料研磨至尺寸上為-100目（0. 149mm)或 更低以用於根據本發明的方法。在另一實施方案中，這樣的含碳材料在-65目（0.230mm) 至-100目（0. 149mm)的範圍內提供。例如，這樣的含碳材料可以以不同的化學計量水平使 用（例如，對載鐵材料的還原所必需的化學計量量的80%、90%和100%)。但是，也可使 用-200目（0.074mm)至-8目（2.38mm)範圍內的含碳材料。粗含碳材料（例如煤）的使 用可能需要增加量的煤以實施還原方法。更細研磨的含碳材料可能在還原方法中有效，但 是微礦塊的量可能增加，並由此較為不合意。本文中存在的各個實施例均使用研磨至-100 目（0.149mm)的含碳材料，除非另作說明。但是，也可使用更大尺寸的含碳材料。例如，可以 使用公稱尺寸為大約1/8英寸（3mm)的含碳材料。此類更大尺寸的材料可以直接使用，或 者可以研磨至-100目（〇.149_)或者更低以與所述載鐵的可還原物質在加工期間更好的 接觸。當其它添加劑也加入所述可還原混合物時，如有必要，此類添加劑也可以研磨至-100 目（0. 149mm)或者更低的尺寸。
[0121] 根據本發明，在提供還原材料的可還原混合物和可還原載鐵材料時可以使用各種 含碳材料。例如，在根據本發明的至少一個實施方案中，東方的（eastern)無煙煤和煙煤可 以用作含碳還原劑。但是，在一些地區，例如在北明尼蘇達州（Northern Minnesota)的鐵 礦帶上，西方的次煙煤的使用提供了一種經濟上有吸引力的變通辦法，照此，煤更加容易用 於已經存在的運輸系統，加上它們成本低且含硫低。因而，西方的次煙煤可以使用在如此處 所述的一種或多種方法中。進一步地，直接使用次煙煤的一種替代方案可以例如是在使用 次煙煤之前在900°C下使該次煙煤碳化。
[0122] 在一個實施方案中，可還原混合物46具有大於.25英寸（6. 4mm)且低於2. 0英寸 (51_)的厚度。進一步地，在另一實施方案中，可還原混合物46具有低於1英寸（25. 4_) 且大於.5英寸（12. 7_)的厚度。可還原混合物的厚度通常受限和/或依賴於其有效的熱 穿透以及該可還原混合物增加的表面積（其允許增加的傳熱）（例如，如此處所述的圓丘狀 可還原混合物）。
[0123] 除了還原材料（例如，煤或者木炭）和可還原載鐵材料（例如氧化鐵材料或者鐵 礦石）之外，還可以為了一種或多種目的任選地向所述可還原混合物提供各種其它添加 齊U，如通過圖1的區塊20所示。例如，可以使用用於控制爐渣鹼度的添加劑、提供粘合劑功 能的粘合劑或者其它添加劑（例如，在潤溼時，石灰可在本文所述的微團結構中充當弱粘 合劑）、用於控制礦渣熔化溫度的添加劑、減少微礦塊形成的添加劑、和/或用於控制由金 屬鐵礦塊方法10形成的所得鐵礦塊中硫含量的添加劑。
[0124] 例如，顯示於圖34表中的添加劑可以在可還原混合物的層46的一個或多個實施 方案中使用。圖34的表顯示了各種添加劑的化學組成，例如，其包括例如A1 (0H) 3、鐵礬土、 皂土、Ca(0H)2、熟石灰、石灰石、煅燒白雲石和矽酸鹽水泥的化學組成。但是，如將進一步地 在此處所述的，也可使用其它添加劑，例如CaF 2、Na2C03、螢石、蘇打灰。當在金屬鐵礦塊方法 10中使用時，單獨或結合的一種或多種此類添加劑可提供有益的結果。
[0125] 如在此處論述的，參考以一種或另一方式不同於參考圖1所述金屬鐵礦塊方法 (例如，ITmk3方法、Hi-QIP方法等等）的金屬鐵礦塊方法，所述可還原混合物可包括相同 的材料（即，組成的類型），但是在爐床上可還原混合物的形式可以不同。例如，可還原混合 物採取的形式可以為預先形成的球、可以在粉碎的含碳層中填充凹陷、可以是團塊或其它 類型的壓緊物（例如，包括壓實層）等等。因而，所述可還原混合物的組成有益於多種類型 的金屬鐵礦塊方法，而不僅僅是在此處概括地參考圖1所述的金屬鐵礦塊方法。
[0126] 進一步參考圖1，且尤其是區塊22和圖3B，可還原混合物的層46中限定出了通道 開口 50 (或者另有提供）以限定出如所示的形式金屬鐵礦塊的可還原材料區域59,例如通 過圖3D俯視圖中的正方形區域。這樣的通道限定方法一般性地參考圖3A-3E得到最好的 顯示和描述。通道限定提供了至少一種控制金屬鐵礦塊尺寸的方式，如參考此處提供的各 種實施方案所述。
[0127] 如圖3B所示，通道50提供在圖3A的可還原混合物的層46中以提供形成的可還 原混合物的層48。這樣的通道50在可還原混合物46中被限定至深度56。所述深度56定 義為從所述可還原混合物的層46的上表面在朝向爐床42的方向延伸。在一個或多個實施 方案中，通道50的深度可僅僅延伸至爐床材料層44距離的一部分。但是，在一個或多個其 它實施方案中，通道深度可延伸至爐床材料層44 (或者如果足夠厚，甚至至層44)。
[0128] 在圖3A-3E顯示的實施方案中，在可還原混合物的層46中限定的通道開口 50所 提供的方式使得在每一形成礦塊的可還原材料區域59 (參見圖3D)形成由開口 50定義的 垛52 (參見圖3B中圓丘狀的垛）。如圖3B-3D所示，在可還原混合物的層46中產生通道開 口 50的矩陣。可還原混合物的每一形成的部分，或者垛52包括至少一個彎曲或者傾斜部 分61。例如，垛52可以形成為錐體、截頂錐體、圓垛、截頂圓垛、或者任何其它合適的形狀或 者結構。例如，在一個實施方案中，可以使用導致在一個或多個形成礦塊的可還原材料區域 59的每一個中形成金屬礦塊的任何合適的形狀或結構。在一個或多個實施方案中，使用的 形狀提供大的暴露表面區域以用於有效熱傳遞（例如，類似於形成的礦塊形狀的圓丘狀的 垛）。
[0129] 進一步地，如將根據此處的描述顯而易見的，取決於形成部分或垛52的形狀，通 道開口 50將具有與此相關的形狀或結構。例如，如果垛52是錐體結構、截頂錐體結構或梯 形形狀的垛，則開口 50可以形成為V型結構。參考圖5A-10E進一步地在此處描述了一種 或多種此類不同類型的通道開口。
[0130] 所述通道開口可以使用任何合適的通道限定設備形成。例如，一種或多種不同的 通道限定設備參考圖8A-10E進行了描述。
[0131] 進一步地參考圖1，以及任選地如區塊26顯示的，通道開口 50至少部分地由如圖 3C-3D所示的礦塊分離填充材料填充。該礦塊分離填充材料58至少包括含碳材料。例如， 在一個或多個實施方案中，所述含碳材料包括粉碎的焦炭或粉碎的木炭、無煙煤粉或其混 合物。
[0132] 在至少一個實施方案中，將用於填充通道開口的此類粉碎材料研磨至尺寸上為_6 目（3. 36_)或更低以用於根據本發明的方法。在至少一個實施方案中，用於填充通道開口 的此類粉碎材料為-20目（0.840mm)或更高。大於-20目（0.840mm)的更細粉碎材料（例 如-100目（0. 149_))可增加微礦塊形成的量。但是，也可使用更大尺寸的材料。例如，可 以使用公稱尺寸為大約1/4英寸（6mm)的含碳材料。
[0133] 如圖3C所示，每一個通道50的深度56僅僅部分地由礦塊分離填充材料58填充。 但是，此類通道50可以被完全地填充，並且在一個或多個實施方案中，可以作為例如垛之 上以及在填充的所限定的通道之上的層形成附加的含碳材料。在至少一個實施方案中，通 道深度56的至少大約四分之一由礦塊分離填充材料58填充。再進一步地，在另一實施方 案中，低於大約四分之三的通道深度56由礦塊分離填充材料58填充。隨著通道開口 50至 少由含碳材料填充並隨著總體上均勻的形成礦塊的可還原材料區域59形成，通過所述金 屬鐵礦塊方法10可以產生均勻尺寸的礦塊。如將認識到的，形成礦塊的可還原材料區域59 越大（例如，可還原混合物的垛52越大），則通過方法10形成的礦塊越大。換句話說，礦塊 尺寸可以得到控制。
[0134] 隨著通道開口 50至少部分地由礦塊分離填充材料58填充，形成的可還原混合物 的層48 (例如，垛52)可以在適當的條件下熱處理以還原可還原載鐵材料，並在一個或多個 限定出的形成金屬鐵礦塊的可還原材料區域59中形成一個或多個金屬鐵礦塊，如圖1的區 塊24所示。例如，如圖3E的實施方案所示，在形成礦塊的可還原材料區域59的每一個中 形成一金屬礦塊63。這樣的礦塊63通常是大小均勻的，因為形成並加工了基本上相同量的 可還原混合物以產生每一礦塊63。
[0135] 如進一步在圖3E中顯示的，在爐床材料層44上生成的爐渣60顯示出具有一個或 多個金屬鐵礦塊63 (例如從鐵礦塊63中分離出來或者與其連接的在爐床材料層44上的礦 渣珠粒）。進一步參考圖1的區塊28,金屬礦塊63和礦渣60 (例如，連接的礦渣珠粒）從 爐床42卸料，並且卸料的金屬礦塊然後從礦渣60中分離出來（區塊29)。
[0136] 在形成的可還原混合物層48的熱處理（區塊24)期間鐵礦塊形成的機理在此處 參考圖4A-4D進行描述。圖4A-4D顯示了在還原爐（S卩，此處所述的還原爐稱為管式爐） 中在1400°C溫度下的時間對於礦塊形成的影響。可還原混合物的組成包括使用5. 7%的二 氧化矽精礦、處於80%化學計算需要量的中等揮發性的煙煤、以及形成為兩個隔離的垛67 的熔渣組合物（A)。熔渣組合物（A)可以從圖21A的相位圖和圖21B的表辨別出。
[0137] 圖4A顯示了在爐床上形成礦塊71的礦塊形成加工階段，圖4B提供了此類礦塊的 俯視圖，圖4C提供了此類礦塊的側視圖，以及圖4D提供了此類礦塊的橫截面。換句話說，圖 4A-4D顯示了鐵礦塊形成順序的一個實施方案，包括金屬的海綿鐵形成、金屬化顆粒的燒熔 (frit)、燒熔的金屬鐵顆粒通過收縮並擠出產生的礦渣進行的凝結。這樣的圖4A-4D顯示 充分熔化的固體鐵礦塊71在大約5-6分鐘之後形成。用以形成垛67的可還原混合物中凹 槽69的存在誘發個體島狀物（islands)中的鐵礦塊71彼此收縮離開並分離成個體礦塊。
[0138] 這樣的方法相當不同於使用乾燥鐵礦石/煤混合物球（例如本文【背景技術】部分中 所述的）建議和描述的機理。據報導以球的方式使用的機理包括通過含碳球的還原形成直 接還原的鐵，在原有圓形的表面上由從金屬中分離出來的液態熔渣形成緻密的金屬鐵殼和 內部大的空隙空間，然後熔化鐵相併從熔融金屬分離礦渣。
[0139] 金屬鐵礦塊方法10可以通過如圖2A概括所示的爐系統30進行。其它類型的金 屬鐵礦塊方法可以使用此類系統的一個或多個組分，單獨地或者與其它適當的設備結合進 行。所述爐系統30通常包括裝料設備36,其可操作來在爐床材料層44的至少一部分上提 供可還原混合物的層。裝料設備可包括適合於在爐床材料層44上提供可還原混合物46的 任何設備。例如，可以使用可控制的進料槽、液面控制裝置、進料導向設備等等以在爐床42 上提供這樣的進料混合物。
[0140] 然後，通道限定設備35可操作（例如，其手動和/或自動操作；通常在商業單元或 系統中自動的）以產生至少部分地延伸通過可還原混合物46的層以限定出多個形成礦塊 的可還原材料區域59的通道開口 50。通道限定設備35可以是用於在可還原混合物的層 46中產生通道開口 50 (例如，形成垛52、按壓可還原混合物46、切割開口等等）的任何合 適的設備（例如，通道切割設備、垛成形壓力機等等）。例如，通道限定設備35可包括一個 或多個模具、刀具、成形刀、鼓、圓筒、棒（bars)等等。一種或多種合適的通道限定設備將參 考圖8A-10E描述。但是，本發明並不局限於任何具體設備以在形成礦塊的可還原材料區域 59的形成中產生通道開口 50。
[0141] 爐系統30進一步包括通道填充設備37,其可操作來由礦塊分離填充材料58至少 部分地填充多個通道開口 50。可以使用用於提供這樣的分離填充材料58進入通道50的任 何合適的通道填充設備37 (例如，其手動和/或自動操作）。例如，可以使用在一個或多個 位置限制並定位材料的進料裝置，可以使得材料成為下卷（roll down)圓丘狀垛以至少部 分地填充所述開口，可以使用噴霧器以在通道中提供材料，或者可以使用與通道限定設備 同步的設備（例如，形成如垛的至少部分地被填充的通道）。
[0142] 隨著形成的可還原物質48提供在爐床材料層44上並隨著提供礦塊分離填充材 料58以至少部分地填充多個通道開口 50,提供還原爐34以熱處理形成的可還原混合物的 層48以在多個形成礦塊的可還原材料區域59的一個或多個中產生一個或多個金屬鐵礦塊 63。還原爐34可包括用於提供適當條件（例如，氣氛和溫度）的任何合適的爐區域或者區 段以用來加工可還原混合物46以使得形成一個或多個金屬鐵礦塊63。例如，可以使用轉底 爐、線型床式爐或者能夠進行可還原混合物46的熱處理的任何其它爐。
[0143] 進一步如圖2A所示，爐系統30包括卸料設備38,用於除去在通過爐系統30的加 工期間形成的金屬礦塊63和礦渣60並從系統30卸料這樣的組分（例如，礦塊63和礦渣 60)。卸料設備38可包括許多不同的卸料技術，包括重力型卸料（例如，包括礦塊和礦渣的 託盤的傾斜）或者使用螺旋卸料裝置或耙子（rake)卸料裝置的技術。人們將意識到，許多 不同類型的卸料設備可適合於提供礦塊63的此類卸料（例如，鐵礦塊63和礦渣珠粒60聚 集體），且本發明並不局限於其任何特定的結構。進一步地，分離設備可隨後用來從礦渣珠 粒60中分離金屬鐵礦塊63。例如，可以使用破壞鐵礦塊和礦渣珠粒聚集體的任何方法，例 如，在圓筒中滾動、篩選、錘磨機等等。但是，可以使用任何合適的分離設備（例如，磁力分 離設備）。
[0144] 取決於本發明的應用，可以根據本發明使用一種或多種不同的還原爐。例如，在本 文一個或多個實施方案中，使用實驗室爐來進行熱處理。人們將意識到，可以進行從實驗室 爐放大到批量生產的水平，且本發明預期到了這樣的放大。因而，人們將意識到，本文所述 的各種型式的設備可以在更大規模的方法中使用，或者可以使用在更大尺度下進行這樣的 加工所必需的生產設備。
[0145] 在沒有鐵礦塊方法的爐氣成分的任何其它信息的情況下，本文所述的大多數實驗 室測試在67. 7% N2和33. 3% C0的氣氛中進行，假定，天然氣燃燒爐氣中的C02在含碳還 原劑和底料層材料的存在下，通過Boudouard(或者碳溶液）反應（C0 2+C = 2C0)在高於 l〇〇〇°C的溫度下將迅速地轉變向C0,和富含CO的氣氛至少在可還原材料附近佔優勢。
[0146] 儘管爐內氣氛中C0的存在與僅有N2的氣氛相比較稍微加速了熔化方法，但爐內 氣氛中C0的存在減緩了鐵礦塊的熔化性能。爐內氣氛中的C0 2在1325°C (2417° F)下對 鐵礦塊形成存在顯著的影響，其中溫度接近於形成熔化鐵礦塊。在更高的溫度下，C02的影 響變得較不明顯，且事實上，在1400°C (2552° F)以上該影響變得幾乎不存在。在本文給 出的實施例中，除非另有陳述，否則發現的顯著特徵作為主要在N2和C0氣氛中所觀察到的 提供。
[0147] 本文使用的用於實現一種或多種技術和/或概念的兩種還原爐包括實驗室試驗 爐（包括例如實驗室管式爐，如圖2B所示）和實驗室箱式爐（如圖2C所示）。對於此類爐 的細節將作為對本文所述的一個或多個示例性測試的補充信息提供。除非另有陳述，否則 使用這樣的實驗室試驗爐來實施本文提供的各個實施例。
[0148] 實驗室管式爐500(圖2B)在本文所述的多個測試情形中使用，其包括2英寸 (51mm)直徑的水平管式爐，1Θ英寸（406mm)高x20英寸（508mm)寬x41英寸（1040mm)長， 具有四個碳化矽加熱元件，額定為8kW，和West2070溫度控制器，配備有2英寸（51mm)直 徑x48英寸（1220mm)長的莫來石管。其原理圖顯示於圖2B中。在燃燒管501的一端，放 置了類型R熱電偶503和進氣管505,而在另一端，連接有水冷的腔室507,與其連接有氣體 出口和取樣口 509。如果使用C0,則燃燒排出氣體，並移動到排出系統。N2、C0、和0)2通過 燃燒管以不同的組合經由各自的轉子流量計供應以控制爐內氣氛。最初，使用剛鋁石舟皿， 其為 5 英寸（127mm)長 x3/4 英寸（19. 0mm)寬 x7/16 英寸（11. 1mm)高。
[0149] 當溫度設定在1300°C (2372° F)時管式爐典型溫度分布圖如下顯示。
[0150] 管式爐的溫度分布圖，設定在1300°C (2372° F)
[0151]

【權利要求】
1. 用於生產金屬鐵礦塊的系統，包括： 包括耐火材料以用於在其上接收爐床材料層的爐床，該爐床材料層至少包括含碳材 料； 裝料設備，其在所述爐床材料層的至少一部分上提供可還原混合物的層，該可還原混 合物的至少一部分至少包括還原材料和可還原載鐵材料； 通道限定設備，以產生多個通道開口，該通道開口至少部分地延伸至所述可還原混合 物的層以限定出多個形成礦塊的可還原材料區域； 通道填充設備，其將礦塊分離填充材料至少部分地填充在所述多個通道開口中，該礦 塊分離填充材料至少包括含碳材料；和 爐，該爐熱處理可還原混合物的層以在所述多個形成礦塊的可還原材料區域的一個或 多個中形成一個或多個金屬鐵礦塊。
2. 權利要求1的系統，其中所述通道限定設備產生所述可還原混合物的包括至少一個 彎曲或傾斜部分的垛。
3. 權利要求2的系統，其中所述通道限定設備產生所述可還原混合物的圓丘狀垛。
4. 權利要求2的系統，其中所述通道限定設備產生所述可還原混合物的角錐體狀垛。
5. 權利要求1-4中任一項所述的系統，其中所述多個通道開口延伸進入所述可還原混 合物的層至通道深度，且所述通道填充設備用礦塊分離填充材料將所述多個通道開口填充 至所述通道深度的至少大約四分之一。
6. 權利要求1-4中任一項所述的系統，其中所述多個通道開口延伸進入所述可還原混 合物的層至通道深度，且所述通道填充設備用礦塊分離填充材料將所述多個通道開口填充 至所述通道深度的不到大約四分之三。
7. 權利要求1-6中任一項所述的系統，其中所述爐在低於1450°C的溫度下熱處理所述 可還原混合物的層，以引起至少一些所述形成礦塊的可還原材料區域中的可還原混合物收 縮並與其它相鄰的形成礦塊的可還原材料區域分離開來。
【文檔編號】C21B13/10GK104099439SQ201410216361
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2005年12月7日 優先權日:2004年12月7日
【發明者】巖崎嚴, M.C.拉利奇, R.C.博丁, R.F.基塞爾, A.L.林格倫, R.L.布萊福斯 申請人:紐-鐵科技有限責任公司