專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬鐵的制造方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種把鐵礦石等含氧化鐵的物質(zhì)與碳材料等碳還原劑共同加熱并使之還原和熔融得到金屬鐵的技術(shù)，具體地說(shuō)，是提供一種用豎爐分離混入到氧化鐵源中作為脈石成分等的爐渣成分并能高效地制造高純金屬鐵的方法及裝置。
眾所周知，迄今，作為利用碳材料等的碳源或還原性氣體直接還原鐵礦石或氧化鐵團(tuán)礦等的氧化鐵得到還原鐵的直接煉鐵法，在Midreecus法中具有代表性的是豎爐(高爐)法。這種直接煉鐵法是從豎爐下部的燃燒用燃料裝入機(jī)構(gòu)吹入由天然氣等所制備的還原性氣體，利用其還原能力還原氧化鐵得到金屬鐵的方法。最近，作為代替天然氣的還原劑使用煤等的碳材料的還原鐵制造工藝受到人們關(guān)注，并且具體地說(shuō)，SL/RN法已經(jīng)被實(shí)用化。
但是，對(duì)于通過(guò)以往的還原煉鐵法所得到的還原鐵，由于大量混入作為原料在所使用的氧化鐵(鐵礦石中的脈石等)或碳材料(煤中的灰分等)所含的SiO2、Al2O3、CaO等爐渣成分，所以存在所謂金屬鐵的純度(鐵品位)變低的問(wèn)題。
雖然這些爐渣成分在后來(lái)的精煉工序中能被分離除去，但是，礦渣量增加不僅降低了精煉熔液的成品率，而且也嚴(yán)重地影響電爐操作的成本，所以，要求得到鐵品位高并且爐渣成分含量少的還原鐵。但是，用現(xiàn)在的還原鐵的制法，作為還原鐵制造原料必須使用鐵品位高的鐵礦石，因此，大幅度地使選擇可實(shí)用的制鐵原料的范圍變窄。
而且，作為上述的公知方法，是把被還原的固體制品作為中間制品并把所得制品作為最后的制品。因此，當(dāng)實(shí)際使用時(shí)，還需要送到作為下一工序的精練工序前的運(yùn)送、儲(chǔ)存、團(tuán)塊化或冷卻的工序，在這種過(guò)程中將損失大量的能量，并且還存在需要用于團(tuán)塊化的能量及特殊的裝置的缺點(diǎn)。
另外，作為直接還原氧化鐵得到還原鐵的方法還有DIOS法等熔融還原法。這種方法是把氧化鐵預(yù)先還原到30—50％程度，然后，通過(guò)在鐵水中與碳直接還原反應(yīng)進(jìn)行還原到金屬鐵的方法。但是，由于這種方法需要預(yù)先還原和在鐵水中的最后還原的2個(gè)工序，因此，不但作業(yè)煩雜，而且由于在鐵水中所存在原熔融氧化鐵(FeO)與耐火材料直接接觸，所以存在嚴(yán)重?fù)p耗耐火材料的問(wèn)題。
另外，本申請(qǐng)人先期曾公開(kāi)一種以把含氧化鐵粉與含碳還原劑粉的混合粉末鋪裝在可移動(dòng)的爐床上的狀態(tài)進(jìn)行加熱使之還原和熔融得到金屬鐵的方法(國(guó)際公開(kāi)公報(bào)WO99/20801號(hào))。但是，這種方法為得到高純度的金屬鐵需要大型設(shè)備，并且難于減少設(shè)備所占空間。
本發(fā)明鑒于上述問(wèn)題，其目的是提供一種至少碳還原劑及燃料中爐渣成分混入量少并且能高效制造Fe純度高的還原鐵的方法及裝置。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的金屬鐵的制造方法，是還原至少由碳還原劑和含氧化鐵物質(zhì)構(gòu)成的原料制造還原鐵，其特征在于在豎爐中投入所述原料，在所述豎爐的爐下部使燃料燃燒，用所生成的燃燒熱加在放置在其上部的該成型物，加熱并還原含有所述金屬氧化物的氧化金屬后并使之熔融，并且使含有所述氧化鐵的物質(zhì)中的氧化鐵90％以上被加熱還原后，使之熔融。
另外，如果或在上述成型物中存在還原反應(yīng)當(dāng)量以上的碳還原劑、或者提高在成型物表面上的碳還原劑濃度，或者在成型物表面上保持碳還原劑，例如由微粉碳等構(gòu)成的覆蓋層，則能預(yù)防氧化鐵還原后的再氧化，是理想的。為了同樣目的，在成型物表面存在對(duì)氧化性氣體不活潑的物質(zhì)也是有效的?；蛘?，為了促進(jìn)在加熱還原時(shí)或熔融時(shí)所生成的爐渣的分離，作為熔融溫度的調(diào)整，也可在成型物中含有助熔劑。
按本發(fā)明的方法，通過(guò)使用把在碳還原劑及含有脈石成分的氧化鐵的成型物中所含的鐵氧化物一部分或全部與錳氧化物、鎳氧化物、鉻氧化物中任何1種或2種以上組合物置換的成型物，可用于制造鐵合金或金屬錳、金屬鎳或金屬鉻或這些的合金。
另外，按本發(fā)明的方法，作為豎爐可以使用在內(nèi)部設(shè)有爐柵的爐，在該爐柵的上側(cè)裝入所述成型物，同時(shí)在該爐柵的下部燃燒燃料也可進(jìn)行該成型物的還原和熔融。在該爐柵的上側(cè)，形成層狀時(shí)，也可設(shè)計(jì)由具有連續(xù)通孔的耐火材料、碳材料成塊物等構(gòu)成的頂層。另外，在該爐柵的上則由氣體供給口供給含氧氣體，使從該成型物中所產(chǎn)生的氣體燃燒，這通過(guò)有效地利用還原性氣體能提高熱效率是理想的。另外，在該含氧氣體中也可混入輔助燃料。并且向該爐柵的下部空間供給輔助燃料對(duì)于提高本發(fā)明的效果也是有效的。
本發(fā)明的裝置是適用于實(shí)施上述方法的裝置，具有在豎爐的內(nèi)部設(shè)置爐柵并且在該爐柵的上側(cè)填充至少由碳還原劑和含有氧化鐵物質(zhì)構(gòu)成的成型物的填充部，和供給該成型物的成型物裝入機(jī)構(gòu)以及排出爐內(nèi)的排放氣的機(jī)構(gòu)，在該爐柵下側(cè)具有燃料燃燒空間及熔融物存儲(chǔ)空間。
在該裝置中，向上述燃料燃燒空間設(shè)置燃料供給口，并且向上述熔融物存儲(chǔ)空間設(shè)置熔融物排出口是理想的。
另外，最好在爐柵上設(shè)置具有連續(xù)通孔的耐火材料層，并且也可向該耐火材料層設(shè)置耐火材料裝入機(jī)構(gòu)。
并且，最好具有在爐柵的上側(cè)燃燒成型物起源的氣體的上部燃燒空間，也可向該燃燒空間設(shè)置含氧氣體供給口。另外，在本發(fā)明中，具有向熔融物存儲(chǔ)空間的碳材料噴射裝置也是有效的。
本發(fā)明者們?yōu)榱私鉀Q上述問(wèn)題進(jìn)行反復(fù)銳意地研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，把至少由碳還原劑和含有氧化鐵物質(zhì)構(gòu)成的的成型物(以下有時(shí)稱(chēng)之為“成型物”)填充到豎爐中，當(dāng)在爐柵的下側(cè)充分地燃燒燃料，通過(guò)所生成的燃燒熱使在保持固體狀態(tài)的該成型物中所含氧化鐵的90％以上被加熱還原后使之熔融時(shí)，則能高效地制造至少在碳還原劑及燃料消耗量中爐渣的混入少的Fe純度高的還原鐵，并且能抑制耐火材料的損耗。
下面對(duì)附圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。


圖1為本發(fā)明的豎爐的實(shí)施例。
圖2為表示成型物的還原和熔融時(shí)的爐內(nèi)氛圍氣以及成型物的狀態(tài)的曲線(xiàn)圖。
圖3為表示溫度與氧化鐵的還原率的曲線(xiàn)圖。
圖4為表示氛圍氣的溫度改變時(shí)的成型物溫度與成型物內(nèi)部的氧氣分壓關(guān)系的曲線(xiàn)圖。
圖5為表示成型物的粒徑改變時(shí)的成型物溫度與成型物內(nèi)部的氧氣分壓關(guān)系的曲線(xiàn)圖。
圖中，1—爐體，2—爐柵，3—耐火材料層，4—成型物，5—成型物裝入機(jī)構(gòu)，6—燃料供給口，7—含氧氣體供給口，8—熔融物存儲(chǔ)空間，9—熔融物排出口，10—碳材料噴射裝置，11—耐火材料裝入機(jī)構(gòu)，12—爐頂冷卻機(jī)構(gòu)，13—排放氣排出機(jī)構(gòu)，14—上部燃燒空間，15—燃料燃燒空間。
下面，參照表示本發(fā)明的金屬鐵的一例制造裝置的附圖，更具體地說(shuō)明本發(fā)明的制造方法及裝置。但是本發(fā)明不受附圖所示實(shí)施例的限制，只要是在本發(fā)明的適當(dāng)范圍內(nèi)可以改變?cè)O(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)施，而這些均包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍之內(nèi)。
圖1為表示本發(fā)明的一例金屬鐵的制造裝置的示意圖。
在本發(fā)明中，所謂“由至少碳還原劑和含有氧化鐵物質(zhì)構(gòu)成的成型物”是指至少混合碳還原劑和氧化鐵的粉狀物，并根據(jù)需要可合用適當(dāng)?shù)恼澈蟿┬纬深w粒狀、團(tuán)塊狀、塊狀、棒狀等的任意形狀的成型物。
另外，為了提高氧化鐵的加熱還原效率，通過(guò)填裝成型物的粒子間隔進(jìn)行壓緊密實(shí)的壓密，減少成型物表面的氣孔率并提高導(dǎo)熱速度也是有效的。
作為在本發(fā)明中所使用的碳還原劑，可為只進(jìn)行采掘后粉碎、篩分等處理的煤粉、把經(jīng)干餾等熱處理后的例如焦炭進(jìn)行粉碎的焦炭粉、石油焦炭等沒(méi)有特別地限定，例如也可為作為含碳的廢物所回收的高爐粉塵等，但是為了高效地進(jìn)行加熱還原反應(yīng)，最好選擇含碳量高、粒徑小的作還原劑。
另外，所謂含氧化鐵物質(zhì)是指，采掘后經(jīng)粉碎、篩分所得的鐵礦石，從高爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、豎爐、流動(dòng)層爐、化鐵爐等冶金反應(yīng)裝置所排出的粉塵，燒結(jié)礦、除制造成顆粒作為規(guī)格以外或所排出的含氧化鐵物質(zhì)，在軋制等的制品制造工序所排出的軋制氧化皮等，以及把它們還原和熔融后作為金屬鐵能回收的物質(zhì)。
另外，如后所述，由于在氧化鐵的還原后期成型物表面能被再氧化，所以，例如在成型物表面上，也可以附著或含有象CaO、MgO、SiO2、CaF或水泥的懸濁液等對(duì)氧化性氣體惰性的物質(zhì)，和/或調(diào)整碳材料的添加量使?jié)M足在還原氧化鐵時(shí)按理論量的需要量以上，而最好為“還原氧化鐵的需要量＋還原鐵中的需要滲碳量＋由氛圍氣體的氧化損失量(也含有調(diào)整氛氣用量)”。如提高碳濃度，在還原進(jìn)行后生成CO氣體，也能保持還原后的成型物表面附近的氛圍氣的還原性?；蛘咴诔尚臀锏谋砻嫔山饘勹F外層并且使之增加，也可使用能還原到在金屬鐵外層內(nèi)部的氧化鐵實(shí)質(zhì)上不存在為止的成型物。為了預(yù)防再氧化可以使用各種方法。
另外，作為預(yù)防再氧化的方法，也可在成型物表面覆蓋碳還原劑，例如焦油、碳黑、微粉碳等碳源。這時(shí)，或用涂滿(mǎn)焦油、碳黑或微粉碳、或把碳源混入水后用噴霧等吹附能覆蓋成型物。并且，作為預(yù)防再氧化的方法，也可以同時(shí)進(jìn)行上述方法中的多種方法。
在本發(fā)明中，如圖1所示，在豎爐的爐體1的內(nèi)部設(shè)置爐柵2，在該爐柵2的上側(cè)把成型物4從設(shè)在爐體1上部的1個(gè)以上的成型物裝入機(jī)構(gòu)5連續(xù)或不連續(xù)地裝入到爐內(nèi)。
另外，在本發(fā)明中，是利用形成金屬外層的成型物進(jìn)行說(shuō)明的，但是如上所述，只要是碳還原劑及含有脈石成分的氧化鐵的成型物，任何一種都能適用。
作為上述爐柵2，可為冷水爐柵、耐火性爐柵或陶瓷的耐火磚等構(gòu)成的，但是若使用本發(fā)明的方法，與現(xiàn)在的制法相比由于能在低溫的條件下進(jìn)行爐的操作。所以不管是水冷、非水冷，只要為具有耐熱性的爐柵，則無(wú)特別地限定。
在爐柵2的下側(cè)使燃料燃燒，通過(guò)生成的燃燒熱使裝置在其上部的氧化鐵加熱和還原。在本發(fā)明中，不是現(xiàn)在的制法，即利用燃燒焦炭等生成還原性氣體(CO)，在還原性氛圍氣下使在氧化鐵中所含的氧與CO反應(yīng)，進(jìn)行氧化鐵的還原的制法，而是使燃料充分地燃燒成CO2，生成還原和熔融等所需要的熱，在非還原性氛圍氣(CO2)下加熱成型物，并由在成型物中所含碳還原劑進(jìn)行氧化鐵的還原。
也就是，當(dāng)使用如上述的成型物，則在氧化鐵的加熱還原初期首先從成型物的表面進(jìn)行還原，在成型物的表面所生成的金屬鐵進(jìn)行擴(kuò)散接合，在該成型物的表面形成金屬鐵外層。然后，在該外層內(nèi)由碳還原劑的還原作用，進(jìn)一步通過(guò)該碳還原劑與氧化鐵的反應(yīng)所生成的CO的還原作用，高效地進(jìn)行氧化鐵的還原，外層內(nèi)部的氧化鐵在短時(shí)間迅速地被還原成實(shí)質(zhì)上不存在氧化鐵為止，所生成的金屬鐵在外層的中側(cè)逐漸增加。而且來(lái)自在鐵礦石等的氧化鐵源中所含的脈石成分，或來(lái)自在碳還原劑中所含的灰分所生成的SiO2、CaO等爐渣的大部分不斷相互附著增長(zhǎng)在金屬外層內(nèi)形成的空間內(nèi)聚集，所以不會(huì)產(chǎn)生用以往的還原制鐵法造成問(wèn)題的爐渣及在分離金屬鐵時(shí)在爐渣中混入大量的氧化鐵的問(wèn)題。另外，成型物是在保持固體狀態(tài)直接進(jìn)行氧化鐵的還原，然后進(jìn)行熔融，因此，幾乎不會(huì)產(chǎn)生在熔融物中混入FeO等未還原氧化鐵并且由該氧化鐵損耗耐火材料的問(wèn)題。
另外，通過(guò)在還原反應(yīng)結(jié)束后提高加熱溫度能進(jìn)行金屬外層的加熱熔融，通過(guò)還原性氛圍氣使還原后期的金屬鐵外層內(nèi)部的金屬鐵滲碳，其熔點(diǎn)隨熱力學(xué)的平衡下降，因此，即使在還原溫度照樣連續(xù)加熱，由于隨著滲碳進(jìn)行的熔點(diǎn)下降也能最終熔融金屬鐵外層。
這樣，在本發(fā)明中，在非還原性氛圍氣下(CO2)利用燃燒熱與在成型物中所含的碳還原劑在成型物內(nèi)部進(jìn)行氧化鐵的還原。但是，當(dāng)還原結(jié)束前加熱溫度為金屬外層的熔點(diǎn)以上時(shí)，則由于該金屬外層熔融，成型物相互熔接，所以不能形成金屬外層，并不能高效地進(jìn)行其后的還原反應(yīng)。也就是，隨著該熔融量增加，對(duì)成型物的加熱變得不均勻，降低了氧化鐵的還原效率，所以加熱還原工序的最高加熱溫度控制在金屬鐵的熔點(diǎn)以下并在爐渣的熔點(diǎn)以上的溫度是理想的。
如該最高加熱溫度為生成爐渣的熔融溫度以上，隨著加熱還原副產(chǎn)物爐渣熔融進(jìn)行爐渣之間的融著，并且也促進(jìn)金屬鐵之間的擴(kuò)散接合，進(jìn)行金屬外層的增長(zhǎng)和爐渣的分離。為了使?fàn)t渣的熔點(diǎn)為金屬鐵的熔點(diǎn)以下，最好例如在成型物外裝和/或內(nèi)裝助熔劑能把生成爐渣的熔融溫度調(diào)節(jié)成比金屬外層的熔點(diǎn)低。作為這樣的熔劑可列舉CaO、MgO、SiO2、CaF等。
另外，在熔融的金屬鐵或爐渣等的熔融物的溫度為熔點(diǎn)附近時(shí)，由于這些熔融物沒(méi)有充分的流動(dòng)性，滴下速度慢，因此由于熔融物作用造成燃燒熱的通氣不均，并能成為產(chǎn)生在還原過(guò)程的成型物上過(guò)熱部分和熱不足部分的原因。另外，也有造成過(guò)熱的部分的成型物熔融粘，由于該熔融粘進(jìn)一步造成燃燒通氣的紊亂，降低成型物的還原效率。
為了防止上述的成型物的熔融粘，確保裝置(反應(yīng)器)內(nèi)的通氣性，促進(jìn)傳熱并且提高熔融物的流動(dòng)性，可采取例如，在爐柵2上加入具有連續(xù)通孔的耐火物層3。當(dāng)通過(guò)從爐下部的燃燒熱加熱該耐火材料層3，達(dá)到高溫時(shí)，由于所供給的成型物與耐火材料接觸式接近，迅速地加熱到還原氧化鐵所需要的溫度，所以提早還原時(shí)間，能在爐內(nèi)的溫度達(dá)到金屬鐵外層的熔融開(kāi)始溫度前使氧化鐵還原完。另外，由于加熱耐火材料保持高溫，所以在金屬鐵等的熔融物滴下的過(guò)程中通過(guò)耐火材料層3被進(jìn)一步加熱，提高流動(dòng)性，所以加速滴下速度，不會(huì)妨礙燃燒氣的通氣。
在本發(fā)明的耐火材料層3所使用的耐火材料，若為難于與金屬鐵及爐渣等的熔融物或者從爐下部的高溫燃燒氣體(CO2)反應(yīng)的耐火材料，則對(duì)其種類(lèi)和形狀沒(méi)有特別地限定，例如可使用氧化鋁、莫來(lái)石等的陶瓷類(lèi)材料，其中氧化鋁是理想的，并在形成供給層時(shí)，也可具有連續(xù)的通孔，使能通過(guò)燃燒熱，作為這樣的形狀最好是粒狀的耐火材料。
另外，也可用碳材塊成型物層代替耐火材料層。作為所用的材料可用煤、焦炭、或粉化這些的成型物。若為碳材塊物層，也能作為在被還原所溶融的金屬鐵的熔融狀態(tài)保持的熱源使用。
另外，耐火材料是在操作中熔損的材料，所以也可與成型物同時(shí)從成型物裝入機(jī)構(gòu)5供給，或者如圖1所示，也可從爐體壁面向耐火材料層設(shè)置1個(gè)以上的耐火材料裝入機(jī)構(gòu)11。
還有，供給爐內(nèi)的耐火材料的量以及向爐柵上鋪裝的耐火材料層的厚度也可根據(jù)每個(gè)制造裝置的結(jié)構(gòu)或規(guī)模、加熱效率等適當(dāng)決定。但是除能迅速地加熱鋪裝的成型物并高效地進(jìn)行還原和熔融之外，最好能使裝入成型物，熔融后從爐柵滴下的停留時(shí)間為5-60分鐘，而最好為5-20分鐘制成厚度。
在爐柵2下側(cè)的燃料燃燒空間，設(shè)置向該燃料燃燒之間的一個(gè)以上的燃料供給口6，并從該供給口6供給燃料和氧、空氣等含氧氣氣體，使燃料充分燃燒成CO2，并使?fàn)t內(nèi)成非還原性氣氛。
當(dāng)這時(shí)所生成的CO2與碳源反應(yīng)時(shí)，生成CO，同時(shí)隨著反應(yīng)引起吸熱，所以最好在燃料燃燒空間5沒(méi)有殘存碳源，使之充分燃燒。由燃燒所產(chǎn)生的燃燒熱(CO2)，通過(guò)爐柵2、耐火材料層3成為對(duì)成型物的干燥、還原和熔融等所需要的熱源。
作為從燃料供給口6所供給的燃料，可使用微粉碳、天燃?xì)?、重油等任何一種，沒(méi)有特別地限定。另外，最好與該燃料同時(shí)供給空氣等含有氣體。
如上所述，通過(guò)燃燒熱和碳還原劑還原氧化鐵，并在金屬外層內(nèi)生成CO和CO2，但是當(dāng)溫度為1000℃以上時(shí)，一部分CO2在放出前可能引起與外層內(nèi)的碳反應(yīng)(以下，有時(shí)稱(chēng)“熔解損耗反應(yīng)”)。由于這此反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，能抑制成型物升溫，并且通過(guò)生成CO()，金屬外層的內(nèi)部具有高還原性，金屬外層不熔融，在內(nèi)部迅速地進(jìn)行金屬鐵的還原。
另外，由于內(nèi)部的CO通過(guò)成型物表面的氣孔被放出，所以爐內(nèi)CO濃度上升。這時(shí)，向爐內(nèi)供給空氣或氧等含氧氣體，如充分地使從成型物所生成的CO燃燒成CO2，則該燃燒熱作為從成型物裝入機(jī)構(gòu)(5)所新裝入的落下的成型物(4)的預(yù)干燥，加熱和升溫等需要的熱源可以再利用，所以可以用比以往更少的碳源高效地加熱還原氧化鐵。另外，作為碳還原劑使用含有煤等揮發(fā)成分的碳材料時(shí)，通過(guò)燃燒揮發(fā)成分，也能作為熱源再利用。
還有，在爐內(nèi)所添加的含氧氣體的添加位置只要為爐柵的上側(cè)，則無(wú)特別地限定，在爐體1的任意位置最好設(shè)有1個(gè)以上含氧氣體供給口7，但是吹入位置最好設(shè)置成在所填充的成型物的上側(cè)，向比所填充的成型物上側(cè)的上部燃燒空間14，特別是在爐的上部和/或曲部設(shè)置含氧氣體供給口7并添加含氧氣體。
在成型物內(nèi)部進(jìn)行氧化鐵還原時(shí)，通過(guò)成型物的氣孔放出CO并使成型物表面保持還原性氛圍氣，所以即使?fàn)t內(nèi)為CO2氣氛下也難于再氧化金屬外層，但是當(dāng)還原后期時(shí)，由于CO的放出減少，所以由CO2可能使金屬外層再氧化。當(dāng)被再氧化的金屬外層熔融時(shí)，由于該熔融氧化鐵能熔損耐火材料，所以為了防止這樣的再氧化可以采用如上所述的提高成型物的表面的碳濃度的方法。
在成型物的加熱還原過(guò)程中，如果由熔解損耗反應(yīng)及氧化鐵的還原反應(yīng)的吸熱量與從外部向成型物傳入的熱量能平均，則幾乎不能生成含有以FeO為主的氧化鐵的爐渣的液狀物(以下，簡(jiǎn)稱(chēng)“液狀物”)，但是當(dāng)與吸熱量相比傳入的熱量大時(shí)，則成型物的溫度上升并能生成液狀物。
另外，氣體供給口也可在豎爐高度方向多級(jí)設(shè)置，并且最好在含氧氣體中混合輔助燃燒，保持成型物附近的溫度。
如果這樣的液狀物量少，則滲透氧化鐵粒界促進(jìn)還原反應(yīng)，所以隨著還原反應(yīng)增加吸熱量，抑制成型物的升溫，在還原過(guò)程中能抑制大量的液狀物的生成。但是，當(dāng)在1300℃以上的高溫下進(jìn)行還原時(shí)，則與吸熱量相比傳入熱量變得過(guò)大，成型物的溫度上升，在還原結(jié)束前生成多量的液狀物并使成型物的氣孔堵塞，所以在成型物內(nèi)部所生成的CO、CO2難于通過(guò)氣孔被排出，阻礙了還原反應(yīng)。另外，液狀物從氣孔滲出，產(chǎn)生氧化鐵的熔融還原現(xiàn)象，通過(guò)所熔出的液狀物能損傷耐火材料或爐柵，所以在還原過(guò)程中最好不生成液狀物地進(jìn)行加熱還原，但是適當(dāng)?shù)厥乖撘籂钗锷梢材艽龠M(jìn)還原反應(yīng)。作為抑制液狀物的生成方法，例如可以分析在所使用的鐵礦石等的氧化鐵源中所含的脈石成分，在比預(yù)測(cè)該液狀物的生成溫度低溫下進(jìn)行還原，并且也可在成型物中配合還原反應(yīng)當(dāng)量以上的碳源?；蛘咭部稍诔尚臀镏型庋b和/或內(nèi)裝助熔劑，如上所述，使生成爐渣的熔融溫度變低地進(jìn)行調(diào)節(jié)。
如上所述，按本發(fā)明的方法，通過(guò)隨著還原進(jìn)行的吸熱作用能使仍然保持固體狀態(tài)的成型物的氧化鐵90％以上被還原后再使之熔融。另外，當(dāng)使氧化鐵90％以上還原后并被熔融時(shí)，在熔融物中殘存的未還原的氧化鐵量少，能防止由熔融狀態(tài)的氧化鐵對(duì)耐火材料的損傷或熔融還原現(xiàn)象，所以更理想使氧化鐵96％以上，而最好98％以上被還原后，調(diào)節(jié)使之熔融的溫度是理想的。
加熱還原的操作溫度，若為根據(jù)還原所生成的金屬鐵或能熔融其滲碳物的濃度以下，則無(wú)特別地限定，但是為了抑制液狀物生成同時(shí)高效地進(jìn)行加熱還原，采用理想的1300-1500℃溫度，而最好為1350-1450℃范圍。
另外，爐內(nèi)的溫度通過(guò)從爐下部的燃燒熱以及在上部燃燒空間14的含氧氣體的爐內(nèi)產(chǎn)生氣體的燃燒(以下有時(shí)稱(chēng)這為“2次燃燒”)成為高溫，但是當(dāng)爐頂附近的溫度變得過(guò)高時(shí)，可能損傷設(shè)在爐頂部的成型物裝入機(jī)構(gòu)5，所以最好為具有用非水冷卻結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)爐頂附近的溫度功能的程度的溫度，并且爐頂部的裝入機(jī)構(gòu)不受到高溫?fù)p傷的溫度范圍，理想的為1000℃以下，而最好為800℃以下的溫度，從燈頂冷卻機(jī)構(gòu)12吹入冷風(fēng)或水蒸汽等進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。
爐內(nèi)的氣體從設(shè)置在爐頂部的任意位置的1個(gè)以上的排氣排出機(jī)構(gòu)13排出。在爐內(nèi)添加氧氣或空氣等的含氧氣體時(shí)，在爐內(nèi)所生成的CO充分地燃燒成CO2，所以作為排放氣體幾乎都為CO2，但是不使CO燃燒并排出，把該排出氣體作為燃料從設(shè)在爐下部的燃料供給口6供給，也可再利用。
金屬鐵或爐渣等的熔融物通過(guò)(滴下)耐火材料層3、爐柵2，存積在爐底部的熔融物存儲(chǔ)空間8。在該存儲(chǔ)空間所存儲(chǔ)的金屬鐵和爐渣由比重差進(jìn)行分離，從在表層側(cè)所設(shè)的爐渣排出口(未圖示)能把爐渣、而從設(shè)在下方部的熔融物排出口9能把高純度的金屬鐵連續(xù)地或間斷地回收。
另外，當(dāng)在爐下部的熔融物存儲(chǔ)空間8設(shè)置能吹入碳材料的碳材料噴射裝置10進(jìn)行加碳時(shí)，能控制存積的金屬鐵中的碳濃度，并且還原殘存在爐渣中的熔融FeO，能提高金屬鐵的回收成品率。
作為被噴射的碳材料，若為碳物質(zhì)，則無(wú)特別地限定，也可為煤或塑料。
在本發(fā)明中，能使用的噴射槍的種類(lèi)、形狀設(shè)有特別地限定，可為耐火性的噴槍、或鐵制消耗型的噴槍。
以上，是使用豎爐由具有碳還原劑的氧化鐵的成型物制造金屬鐵的方法進(jìn)行說(shuō)明的，但是，它也適用于把鐵氧化物的一部分或全部與錳氧化物、鎳氧化物、鉻氧化物中1種或2種以上組合物進(jìn)行置換的成型物如上所述的制造方法，能夠制造鐵合金或金屬錳、金屬鎳，或金屬鉻以及這些的合金。
下面，通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明給予更詳細(xì)的說(shuō)明，但是本發(fā)明不受這些實(shí)施例的限制，在本發(fā)明技術(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)改變都可實(shí)施本發(fā)明，當(dāng)然這些都應(yīng)包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍之內(nèi)。
實(shí)施例1使用圖1所示豎爐以下實(shí)驗(yàn)。在內(nèi)徑60cm×高2m的爐體1內(nèi)設(shè)置水冷爐柵的爐柵2，在該爐柵的上側(cè)由耐火材料裝入機(jī)構(gòu)11填充由氧化鋁構(gòu)成的耐火材料(平均粒徑15mm)，然后補(bǔ)充適當(dāng)耐火材料使耐火材料層的厚度為20cm，用在爐下部所生成的燃料熱進(jìn)行加熱。在該耐火材料的上側(cè)使用下述成分組成的鐵礦石粉和煤粉以及粘合劑(任意一種的平均粒徑為75μm)，并按下述比例均勻混合后，并將成顆粒狀(球)的成型物由成型物裝入機(jī)構(gòu)5供給(填充高度5—40cm)。在由爐柵2下側(cè)的燃料燃燒空間，從燃料供給口6導(dǎo)入與空氣混合后的燃料(天燃?xì)?，并使之充分地燃燒成CO2。在爐上部設(shè)置含氧氣體供給口7并吹入空氣，并燃燒在成型物中所含的氧化鐵的還原同時(shí)放出的CO。被熔融的金屬鐵和爐渣積存在熔融物存儲(chǔ)空間8，儲(chǔ)存一定量后，從熔融物排出口9取出金屬鐵。另外，在熔融物存儲(chǔ)空間從碳材料噴射裝置10吹入微粉碳等碳源進(jìn)行加碳。另外，在爐頂部設(shè)置排氣的排出機(jī)構(gòu)13，排出排放氣，同時(shí)從爐頂冷卻機(jī)構(gòu)12吹入水蒸汽把爐頂部的溫度控制在650℃以下。另外，實(shí)施例1在爐內(nèi)溫度被加熱到1400℃的爐內(nèi)，在加熱爐內(nèi)裝入定量的球狀顆粒后的排放氣的濃度的變化。在成型物的還原和熔融時(shí)所生成的CO濃度、CO2濃度由紅外線(xiàn)連續(xù)記錄儀進(jìn)行了測(cè)定。在圖2中示出在還原和熔融成型物時(shí)的由爐內(nèi)氛圍氣以及成型物的溫度與氣體組成所述得的還原率的關(guān)系。
由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，生成CO、CO2，并極積地進(jìn)行還原反應(yīng)。另外，由圖2，在開(kāi)始反應(yīng)后約3分鐘爐內(nèi)的CO濃度顯示一個(gè)峰值，在約開(kāi)始后約7.5分鐘，結(jié)束還原開(kāi)始溶融，并且在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始9分鐘成型物溶解并滴下。
混合粉末鐵礦石粉76.1％(以％都為質(zhì)量％)；成分組成總鐵量69.4％、FeO＝30.1％、Al2O3＝0.49％、SiO2＝1.75％、CaO＝0.49％；
煤粉21.9％；成分組成灰分8.8％、揮發(fā)成分19.6％，固體碳71.6％；另外，圖中Ts表示顆粒溫度、Tg表示顆粒上部溫度、CO、CO2表示排放氣中的CO、CO2濃度。
實(shí)施例2在圖3中示出實(shí)施例2的成型物的還原率與成型物溫度的關(guān)系。由圖3可知，成型物溫度為1000℃-1200℃范圍氧化鐵的還原率從20％到85％附近。由此可知，即使把高溫的燃燒熱供給成型物，由于吸熱反應(yīng)所消耗，能確保成型物的一定溫度進(jìn)行以下所示的的反應(yīng)。
另外，在圖中Ts表示成型物溫度、RO表示成型物的還原率。
實(shí)施例3除改變爐內(nèi)的氛圍氣溫度(操作溫度)為1300℃、1350℃、1400℃、1450℃以外，進(jìn)行與實(shí)施例1同樣的實(shí)驗(yàn)，測(cè)定成型物的變動(dòng)。這里使用探針型無(wú)氧傳感器，測(cè)定直徑20—25mm的成型物內(nèi)氧分壓。圖4中示出成型物內(nèi)的溫度與氧分壓的Fe—O系狀態(tài)圖。
由圖4可知，在爐內(nèi)的氛圍氣溫度為1350℃以上時(shí)，產(chǎn)生成型物的熔融滴下，但是在爐內(nèi)的氛圍氣溫度1300℃時(shí)，不引起成型物的熔融滴下。由此，在圖中示出在測(cè)定曲線(xiàn)滯留在液相存在區(qū)域(L)時(shí)，引起成型物的熔融滴下。
實(shí)施例4除使用調(diào)節(jié)成型物的大小(直徑)分別為A(20—25mm)、B(17—19mm)的范圍內(nèi)，并改變爐內(nèi)氛圍氣溫度(1300℃、1400℃)以外，進(jìn)行與實(shí)施例3同樣實(shí)驗(yàn)的。另外，與實(shí)施例3同樣使用探針型無(wú)氧傳感器測(cè)定成型物的氧分壓。
圖5示出所得的成型物粒子直徑與成型物內(nèi)的氧分壓的關(guān)系。
如圖5的實(shí)線(xiàn)B所示，當(dāng)成型物的大小變小時(shí)，所測(cè)定的曲線(xiàn)向右上方移動(dòng)。在成型物的尺寸大的情況(A)，在1300℃沒(méi)有熔解落下，但在成型物的尺寸小的情況(B)，即使在1300℃也熔融，并熔解落下，因此可知，通過(guò)把成型物的尺寸變小，提高成型物的升溫速度，改變成型物內(nèi)的氧分壓與可能熔融區(qū)域的關(guān)系，降低熔融溫度，也就是，能降低操作溫度。
如上所述，按本發(fā)明，由于不需要焦炭和燒結(jié)礦并能使燃燒完全燃燒，所以燃料效率好，用少的碳還原劑及燃料爐渣成分混入量少，能高效制造Fe純度高的還原鐵，并且能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。另外，通過(guò)使用豎爐、直接把氧化鐵和碳還原劑的成型物，或者進(jìn)一步壓密實(shí)的成型物加熱還原和熔融，能比以往更短的時(shí)間、更低溫度并且高效率得到Fe純度高的還原鐵，特別是在本發(fā)明中，即使在1300℃這樣的低溫，也能迅速地進(jìn)行還原和熔融，并能在短時(shí)間得到金屬鐵。另外，用少量碳材料及燃料消耗量能得到高純度的金屬鐵，并且也能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。
權(quán)利要求
1.一種金屬鐵的制造方法，是還原由至少碳還原劑和含氧化鐵物質(zhì)構(gòu)成的原料，其特征在于在豎爐中投入所述原料，通過(guò)在該豎爐的下部燃燒燃料所生成的燃燒熱加熱在其上部所配置的該成型物，使所述含氧化鐵的物質(zhì)中的氧化鐵被加熱還原后，使之熔融。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于使所述含氧化鐵物質(zhì)中的氧化鐵90％以上被加熱和還原后，使之熔融。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于使所述成型物中含有按還原反應(yīng)當(dāng)量以上的碳還原劑后投入到所述豎爐中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于使上述成型物的表面的碳還原劑濃度提高后投入到所述豎爐中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于使上述成型物的表面覆蓋碳源后投入到所述豎爐中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于在上述成型物的表面存在對(duì)于氧化性氣體惰性的物質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于使在上述成型物含有助熔劑，并調(diào)節(jié)在所述加熱還原時(shí)或熔融時(shí)所生成的爐渣的熔融溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于作為所述豎爐使用在內(nèi)部設(shè)置爐柵的豎爐，在該爐柵的上側(cè)投入所述成型物，同時(shí)在所述爐柵的下部進(jìn)行燃料的燃燒。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于在所述爐柵的上部設(shè)置具有連續(xù)通孔的頂層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于所述頂層為碳材塊成物層。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于所述頂層為耐火材料層。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于在所述爐柵的上側(cè)在所述豎爐的高度方向具有至少一個(gè)氣體供給口，從該氣體供給口供給含氧氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于通過(guò)供給所述含氧氣體，使所述成型物在加熱還原時(shí)所產(chǎn)生的氣體燃燒。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于在所述含氧氣體中混入輔助燃料。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于向所述爐柵的下側(cè)空間供給輔助燃料。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于所述輔助燃料為含碳物質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其特征在于通過(guò)使用把上述原料與氧化鐵、錳的氧化物、鎳的氧化物、鉻的氧化物中任意1種或2種以上的組合物置換的成型物，制造金屬鐵、金屬錳、金屬鎳、金屬鉻或者這些的合金。
18.一種金屬鐵的制造裝置，其特征在于具有在內(nèi)部帶有爐柵的豎爐、在該爐柵的上側(cè)由至少碳還原劑和含氧化鐵物質(zhì)構(gòu)成的成型物的填充物、供給該成型物的成型物投入機(jī)構(gòu)以及排出爐內(nèi)的排放氣的機(jī)構(gòu)，并且在該爐柵的下側(cè)具有燃料燃燒空間以及熔融物存儲(chǔ)空間。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的制造裝置，其特征在于設(shè)置向所述燃料燃燒空間的燃料供給口，在所述熔融物存儲(chǔ)空間設(shè)置熔融物排出口。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的制造裝置，其特征在于在所述爐柵的上側(cè)設(shè)置具有連續(xù)通孔的頂層。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的制造裝置，其特征在于在所述爐柵的上側(cè)設(shè)置使由所述成型物所發(fā)生氣體燃燒的上部燃燒空間。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制造裝置，其特征在于設(shè)置向上部燃燒空間的含氧氣體供給口。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的制造裝置，其特征在于設(shè)置向所述頂層的頂層材料投入機(jī)構(gòu)。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制造裝置，其特征在于設(shè)置向熔融存儲(chǔ)空間的碳材噴射裝置。
全文摘要
一種金屬鐵的制造方法,是把具有碳還原劑的氧化鐵的成型物填充到豎爐中,由從爐下部產(chǎn)生的熱源使保持固體狀態(tài)直接還原到90%以上后熔融。用于該方法制造裝置是在豎爐內(nèi)設(shè)置爐柵,在該爐柵上側(cè)設(shè)置成型物填充層和供給成型物的填充物裝入機(jī)構(gòu)及排出爐內(nèi)的排放氣的機(jī)構(gòu),在該爐柵下側(cè)具有燃燒用的燃料裝入機(jī)構(gòu),燃料燃燒空間及熔融物存儲(chǔ)空間。用該方法及裝置能用少的碳還原劑及燃料高效地制造爐渣成分混入量少的Fe純度高的還原鐵。
文檔編號(hào)C22B5/00GK1327072SQ0111855
公開(kāi)日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2001年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月2日
發(fā)明者永田和宏, 小林勛, 根上卓也, 浦上昭, 谷垣恭廣, 德田耕司, 菊池晶一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社神戶(hù)制鋼所