專利名稱：用于生產(chǎn)還原金屬和其中混有含碳材料的團(tuán)塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)還原金屬和其中混有含碳材料的團(tuán)塊的方法，其通過(guò)燒結(jié)金屬氧化物諸如鐵礦石和煤炭的粉末混合物而制備。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種方法，利用高揮發(fā)物含量的煤炭，即高VM煤，還原之后生產(chǎn)具有高抗碎強(qiáng)度的還原金屬，以及涉及上述方法使用的其中混有含碳材料的團(tuán)塊。
背景技術(shù)：
根據(jù)已知生產(chǎn)還原鐵的方法，粉礦或塊礦以固相在逆流豎爐(counterflow shaft furnace)中利用天然氣重整制備的還原性氣體還原，生產(chǎn)還原鐵。然而，該方法需要大量昂貴的天然氣作為還原劑，并且一般具有局限，如選擇廠址限于生產(chǎn)天然氣的區(qū)域。
因此，利用煤炭代替作為還原劑的天然氣的生產(chǎn)方法，近來(lái)引起人們的關(guān)注。煤炭是相對(duì)價(jià)格比較低廉，并且在選擇廠址上較少受地理限制。利用煤炭作為還原劑生產(chǎn)還原鐵的方法由如下所述的已知方法例證。一種含有金屬氧化物諸如氧化鐵的原料與一種含碳材料混合，隨后干燥混合物并在此條件下燒結(jié)，以便產(chǎn)生揮發(fā)物。該揮發(fā)物的功能用作粘結(jié)劑，加熱干燥的混合物，壓縮以制備生坯。該生坯給料到轉(zhuǎn)底爐并在2,150°F～2,350°F(1,177℃～1,288℃)加熱還原5～12分鐘，生產(chǎn)還原鐵。
根據(jù)該方法，如果煤炭中用作粘結(jié)劑的揮發(fā)物的含量低于20質(zhì)量％，生坯需要另外的有機(jī)粘結(jié)劑。如果揮發(fā)物的含量為20～30質(zhì)量％，生坯需要10,000lb/in2(703kg/cm2)以上壓縮和800°F(427℃)加熱。如果揮發(fā)物的含量超過(guò)30質(zhì)量％，生坯僅僅需要10,000lb/in2(703kg/cm2)以上壓縮。該含碳材料優(yōu)選使用一種具有高固定碳含量且揮發(fā)物含量為約20質(zhì)量％或更多的煤炭，如煙煤。
如果由轉(zhuǎn)底爐卸出的還原鐵具有2～10質(zhì)量％的過(guò)量碳含量，該過(guò)量的碳有利于提高還原速率，促進(jìn)完全還原。另外，該過(guò)量的碳可用作電爐煉鋼的碳。
因?yàn)樵撋?以下也稱為其中混有含碳材料的團(tuán)塊)是多孔的，含碳材料和金屬氧化物諸如鐵礦石之間不能夠充分接觸，并因而表現(xiàn)出低的熱導(dǎo)率和低的還原速率。已經(jīng)有人嘗試這樣的方法，其中在軟化熔化時(shí)顯示出較低的最大流動(dòng)性的含碳材料用于其中混有含碳材料的團(tuán)塊中，所述團(tuán)塊與金屬氧化物(即鐵礦石)中粒度為10微米或更小的高含量細(xì)小氧化鐵顆粒結(jié)合以增加氧化鐵顆粒之間的接觸數(shù)目。根據(jù)這種方法，即使該含碳材料在軟化熔化時(shí)顯示出較低的最大流動(dòng)性，氧化鐵微粒之間的接觸面積也可增加，從而增強(qiáng)其中混有含碳材料的團(tuán)塊內(nèi)部的熱導(dǎo)率。這樣就導(dǎo)致由于熱還原而金屬化的顆粒之間的大量接觸，以促進(jìn)顆粒燒結(jié)，提供高強(qiáng)度的還原鐵。
然而，如果含有約2～10質(zhì)量％殘余碳的還原鐵在約10,000lb/in2(703kg/cm2)生產(chǎn)，一般必定使用具有高固定碳含量的含碳材料用于提高元素鐵的含量以確保足夠的還原鐵強(qiáng)度。上述用于生產(chǎn)還原鐵的方法看來(lái)需要高固定碳含量且揮發(fā)物含量可達(dá)35質(zhì)量％的高等級(jí)煙煤。
此類具有高質(zhì)量和高固定碳含量的高級(jí)煙煤，由于較少的儲(chǔ)備和有限來(lái)源引起高成本的問(wèn)題。另一方面，具有低固定碳含量的煤炭，包括亞煙煤和其它比亞煙煤較低煤化程度的品級(jí)煤，由于大的儲(chǔ)備、無(wú)限的來(lái)源和低成本是潛在的用于煉鋼的原材料。然而，如果使用具有低固定碳含量的亞煙煤，或較低煤化程度的煤炭諸如褐煤，則該含碳材料對(duì)氧化鐵即鐵礦石粉末的混合比必須提高；固定碳非常有助于金屬氧化物諸如氧化鐵的還原。
增加煤化程度低的煤的含量會(huì)導(dǎo)致元素鐵在生坯中含量的相應(yīng)減少。結(jié)合強(qiáng)度的降低歸因于諸如還原燒結(jié)，并因此降低了還原鐵的強(qiáng)度。降低強(qiáng)度的還原鐵在沖擊時(shí)例如從帶有卸料裝置的轉(zhuǎn)底爐中卸出時(shí)變成粉末。粉末化的還原鐵，具有增加的比表面積，容易通過(guò)接觸氧化性氣體諸如二氧化碳和轉(zhuǎn)底爐中的蒸汽而再氧化。因而所得還原鐵作為半成品價(jià)值很低，并因?yàn)樗姆畚葱问蕉憩F(xiàn)出差的處理性質(zhì)。此外，不幸地，低堆積密度的粉末化還原鐵因?yàn)樵摲勰╋h飛在渣層上，而不能在熔化爐中融化。
另一方面，減少低固定碳含量的含碳材料含量得到更高的還原鐵強(qiáng)度。然而，在這種情況下，金屬氧化物諸如氧化鐵不能充分還原，因?yàn)橛兄谶€原的固定碳含量不夠。如果，例如，低殘余碳含量的還原鐵熔化生產(chǎn)熔融金屬，則必須向熔融金屬中添加含碳材料以獲得需要的碳含量。由于其低產(chǎn)量，向熔融金屬中添加的碳提高了含碳材料的消耗，因而可能無(wú)法獲得目標(biāo)的碳濃度。
根據(jù)該其中粒度為10微米或更小的細(xì)小氧化鐵微粒的比例增加的方法，當(dāng)含碳材料的最大流動(dòng)性降低時(shí)，粒度為10微米或更小的氧化鐵微粒含量必須提高。該方法需要額外的步驟，用于提供更細(xì)小的微粒。單獨(dú)使用粒度大于10微米的粗糙氧化鐵粒子不能提供高強(qiáng)度的還原鐵。
本發(fā)明集中于以上相關(guān)技術(shù)方面的問(wèn)題。本發(fā)明目的是提供其中混有含碳材料的團(tuán)塊，其通過(guò)廣泛分布、豐富產(chǎn)出且價(jià)格較低廉的高VM煤制備，并且在不使用更細(xì)小的金屬氧化物粒子的情況下提供高強(qiáng)度還原金屬，而且也提供使用團(tuán)塊生產(chǎn)還原金屬的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供下列實(shí)施方案。
一種根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)還原金屬的方法，包括在2t/cm2或更大的情況下，模制由高VM煤制備的含碳材料和含有金屬氧化物的待還原原料，以形成其中混有所述含碳材料的團(tuán)塊，其中所述高VM煤含有35質(zhì)量％或更多揮發(fā)物；以及在轉(zhuǎn)底爐中加熱其中混有所述含碳材料的團(tuán)塊，以高溫下還原所述團(tuán)塊。
含有35質(zhì)量％或更多揮發(fā)物的相對(duì)低煤化程度的煤炭是廣泛地、豐富地分布在全世界，并因此價(jià)格較低廉。使用此類煤炭降低生產(chǎn)其中混有含碳材料的團(tuán)塊的成本，并消除在選擇廠址上的限制。另外，在高VM煤中含有的揮發(fā)物可用作轉(zhuǎn)底爐中加熱其中混有含碳材料的團(tuán)塊時(shí)的燃料。高VM煤可因此節(jié)省向燃燒爐提供的燃料。其中混有相對(duì)低煤化程度煤的團(tuán)塊可以在至少2t/cm2下形成，以獲得明顯較低的孔隙率，以提高在該團(tuán)塊中的熱傳遞。結(jié)果，該還原金屬的燒結(jié)有效地在整個(gè)團(tuán)塊區(qū)域進(jìn)行，生產(chǎn)高強(qiáng)度的還原金屬。還原鐵在沖擊時(shí)例如當(dāng)從帶有卸料裝置的轉(zhuǎn)底爐中卸出時(shí)不會(huì)變成粉末。這就消除了再氧化和在渣層上漂浮的上述問(wèn)題，這是在熔化爐中一直未解決的問(wèn)題。
還原金屬還可以由混合含有35質(zhì)量％或更多揮發(fā)物的高VM煤制得的含碳材料和含有金屬氧化物的待還原原料生產(chǎn)；在壓力輥每單位長(zhǎng)度(cm)為2t或更大的情況下，混合物壓塊形成其中混有含碳材料的團(tuán)塊，并在轉(zhuǎn)底爐中加熱該其中混有含碳材料的團(tuán)塊，從而在高溫下還原該團(tuán)塊。
例如，當(dāng)使用一種高壓輥式壓制機(jī)時(shí)，混合物可以在壓力輥每單位長(zhǎng)度(cm)為2t或更大的情況下壓塊，以提供其中混有含碳材料的團(tuán)塊，該團(tuán)塊具有相當(dāng)?shù)偷目紫堵?、高密度、均勻的顆粒形狀和高溫還原后必要的強(qiáng)度?；旌衔镞€可以壓塊形成其它適合于熔化步驟的形狀，如杏仁狀和枕塊。確切地說(shuō)，施加在每一壓塊上的壓力隨該壓力輥的轉(zhuǎn)速而變化，可是壓塊上的壓力可以由壓塊機(jī)在操作中正常輥轉(zhuǎn)速(2～30rpm)時(shí)每輥長(zhǎng)度的壓力代表。
待還原原料可以含有金屬氧化物如氧化鐵，氧化鎳，氧化鉻，氧化錳或二氧化鈦。
鋼廠廢物，包括高爐灰和轉(zhuǎn)爐煙塵，含有金屬如鐵或鎳可以形成其中混有含碳材料的團(tuán)塊。這樣資源可重復(fù)利用。在原料中含有二氧化鈦、其它氧化物如氧化鐵的情況下，作為雜質(zhì)包含在原料中被還原為還原金屬如元素鐵。例如，當(dāng)該還原金屬被裝入例如熔化爐時(shí)，不被還原的二氧化鈦從還原金屬中作為礦渣被分離，以至于高濃度的二氧化鈦和還原金屬可以分別地回收。二氧化鈦和還原金屬還可以在后面描述的加熱熔化處理和結(jié)塊處理之后分離，而不是在熔化爐中分離。經(jīng)過(guò)這些處理，還原金屬形成礦塊，可被研磨成粉以分離還原金屬和二氧化鈦。
該還原金屬優(yōu)選含有1質(zhì)量％或更多的殘余碳。在高溫還原后，未還原的金屬氧化物保留從轉(zhuǎn)底爐中卸出的還原金屬中。包含于還原金屬中的殘余碳在下游步驟的熔化爐中還原所述未還原的金屬氧化物。一般說(shuō)來(lái)，如果還原鐵中含有的殘余碳含量低于1質(zhì)量％，未還原的金屬氧化物可能不能充分地還原。根據(jù)該含碳材料的揮發(fā)物含量和固定碳含量，殘余碳含量可以通過(guò)改變金屬氧化物和含碳材料之間的混合比而加以調(diào)節(jié)。
與待還原原料混合的含碳材料優(yōu)選是部分或完全不加熱的。
上述加熱是指在約400℃～1,000℃碳化含碳材料的高溫?zé)崽幚?。不?jīng)過(guò)此類熱處理，可形成其中混有未硬化的含碳材料的團(tuán)塊以獲得明顯較低的孔隙率、高密度和因此獲得需要的強(qiáng)度。盡管上述熱處理的溫度條件變化取決于含碳材料的類型，在將含碳材料研磨成粉和干燥的步驟中在200℃或更低溫度下的加熱并不假定為如上的熱處理。此類簡(jiǎn)單為了加熱的干燥是可接受的，因?yàn)樗旧喜划a(chǎn)生碳化和硬化效應(yīng)。
由上述任何一個(gè)方法生產(chǎn)的還原金屬優(yōu)選進(jìn)一步加熱和熔化。
該還原金屬可以被加熱熔化以分離礦渣和進(jìn)料中含有的金屬組分，即含碳材料和待還原原料。該分離得到具有最小化的不必要礦渣含量的還原金屬。轉(zhuǎn)底爐中高溫還原后，加熱和熔化處理可以連續(xù)地進(jìn)行。
通過(guò)上述的加熱熔化處理熔化的還原金屬可導(dǎo)致結(jié)塊形成礦塊。
因?yàn)樯鲜龅倪€原金屬是由研磨成粉的含碳材料和金屬氧化物的混合物產(chǎn)生的，因此細(xì)小的還原金屬微粒分散在團(tuán)塊中。熔化的還原金屬微粒在冷卻步驟由于它們自己的表面張力而結(jié)塊，形成還原金屬礦塊。此類還原金屬礦塊在，例如，運(yùn)輸和向熔化爐中裝料中提供較高的處理性能。該熔化還原金屬可以通過(guò)例如將其攜帶到比如不受轉(zhuǎn)底爐中卸料裝置側(cè)的燃燒器加熱的區(qū)域，或攜帶到其中在諸如在爐頂提供有冷卻裝置比如水冷夾套的冷卻區(qū)域中進(jìn)行冷卻。
根據(jù)本發(fā)明其中混有含碳材料的團(tuán)塊由含碳材料和含有金屬氧化物的待還原原料組成。使用的含碳材料是含有35質(zhì)量％或更多揮發(fā)物的高VM煤。該團(tuán)塊在加壓下形成，以使它的孔隙率可以減少到35％或更低。
如上所述，其中混有含有35質(zhì)量％或更多揮發(fā)物的高VM煤的團(tuán)塊可在加壓下形成，以使團(tuán)塊的孔隙率減少到約35％或更低。孔隙率的減少促進(jìn)了在高溫還原步驟中團(tuán)塊內(nèi)部的熱傳遞，以便于還原金屬的燒結(jié)在整個(gè)團(tuán)塊區(qū)域有效地進(jìn)行，以生產(chǎn)具有高抗碎強(qiáng)度的還原金屬。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，含碳材料類型對(duì)于殘余碳含量和還原鐵抗碎強(qiáng)度之間關(guān)系的影響的圖；圖2是示出含碳材料類型對(duì)于其中混有含碳材料的團(tuán)塊的模制壓力與還原鐵抗碎強(qiáng)度之間關(guān)系的影響的圖；圖3是示出含碳材料類型對(duì)于團(tuán)塊的模制壓力和孔隙率之間關(guān)系的影響的圖；圖4是示出含碳材料類型對(duì)于團(tuán)塊的模制壓力和表觀密度之間關(guān)系的影響的圖；圖5是示出模制壓力對(duì)于殘余碳含量和還原鐵的抗碎強(qiáng)度之間關(guān)系的影響的圖；圖6是示出在相關(guān)技術(shù)中，含碳材料類型對(duì)于殘余碳含量和還原鐵的抗碎強(qiáng)度之間關(guān)系的影響的圖。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中，含有35質(zhì)量％或更多揮發(fā)物的高VM煤用作含碳材料。該高VM煤和鐵礦石，即金屬氧化物，被粉碎機(jī)或研磨機(jī)粉碎，并以還原后殘余碳含量是1質(zhì)量％或更多、優(yōu)選2質(zhì)量％或更多的混合量用混合器混合。該混合物供應(yīng)在例如高壓輥式壓制機(jī)的一對(duì)輥之間。該對(duì)輥在它的表面上有凹穴用作形成團(tuán)塊的模型。鐵礦石與高VM煤的混合物在需要的壓力下壓縮，即高壓輥式壓制機(jī)每輥長(zhǎng)度(cm)為2t或更大，優(yōu)選3t/cm或更大，以制備具有約35％或更小孔隙率的壓坯。
該其中混有含碳材料的團(tuán)塊一般是裝料到用燃燒器加熱的轉(zhuǎn)底爐中，并在高溫下即約1,300℃加熱還原，以生產(chǎn)還原鐵。然后該還原鐵從轉(zhuǎn)底爐卸出，并在電爐或熔化爐使用礦物燃料加熱熔融以生產(chǎn)生鐵。
其中混有含碳材料的團(tuán)塊由粉狀的含碳材料和鐵礦石的混合物制成。當(dāng)該團(tuán)塊在高溫下還原，生產(chǎn)的還原鐵以細(xì)小顆粒形式分散在壓坯中。在高溫還原完成后，該壓坯可在轉(zhuǎn)底爐中連續(xù)加熱以熔化所得的還原鐵。該熔化使礦渣與屬于待還原原料的進(jìn)料(即含碳材料和鐵礦石)中含有的金屬組分分離，以提供不必要礦渣含量最小化的還原鐵。
另外，該熔化還原鐵可以在比如不受轉(zhuǎn)底爐中卸料裝置側(cè)的燃燒器加熱的區(qū)域冷卻，或在諸如在爐頂提供有冷卻裝置比如水冷夾套的冷卻區(qū)域中進(jìn)行冷卻。該冷卻使熔化的還原鐵由于自身的表面張力結(jié)塊形成礦塊。
如上所述，其中混有含碳材料的團(tuán)塊的孔隙率通過(guò)高溫還原前的加壓模制減小，并通過(guò)以上的加熱和熔化處理以及結(jié)塊處理進(jìn)一步減小。隨后，該金屬化還原鐵在諸如電爐中融化。因?yàn)樵撨€原鐵具有低孔隙率，鄰近的還原鐵微粒容易結(jié)合并結(jié)塊形成大的鐵礦塊。較大鐵礦塊的形成導(dǎo)致少量精細(xì)還原鐵微粒難于回收，因?yàn)閺霓D(zhuǎn)底爐卸料后，這些微粒分散在礦渣中或過(guò)度細(xì)小的緣故。這樣促進(jìn)了元素鐵和礦渣的分離，并減少鐵的損失，從而獲得更高的產(chǎn)率。
如果含碳材料具有流動(dòng)性，可以通過(guò)加壓模制減少其中混有含碳材料的團(tuán)塊的孔隙率，以使含碳材料和鐵礦石微粒在高溫還原步驟更緊密地結(jié)合。緊密結(jié)合提高團(tuán)塊內(nèi)部的熱傳遞速率，因而提供較高的還原速率，并且即使在固相中，也能通過(guò)燒結(jié)促進(jìn)還原鐵微粒凝結(jié)以在上述加熱和熔化處理后易于凝結(jié)形成礦塊。
該還原鐵產(chǎn)品不局限于一種普通的海綿狀還原鐵；它還可以以粉末、礦塊或片狀形式提供。另外，該產(chǎn)品可以以熔融金屬或熔化后固化的固體金屬形式提供。該金屬氧化物不必局限于鐵礦石，并且相應(yīng)地還原金屬不局限于還原鐵。
如果一種含有二氧化鈦的原料被還原，則含有的金屬氧化物諸如氧化鐵作為雜質(zhì)被還原形成還原金屬如還原鐵。當(dāng)該還原金屬被送入例如熔化爐中時(shí)，不被還原的二氧化鈦?zhàn)鳛榈V渣從還原金屬中分離，以至于高濃度的二氧化鈦和還原金屬可以單獨(dú)回收。該分離不必僅在熔化爐中進(jìn)行；上述加熱和熔化處理及結(jié)塊處理之后，含在還原金屬中的元素鐵形成礦塊，該礦快可被粉末化，以分離出元素鐵和二氧化鈦。
另外，因?yàn)楹疾牧暇哂懈邠]發(fā)物含量，因此過(guò)量的揮發(fā)物可以回收，并在轉(zhuǎn)底爐中需要燃料供應(yīng)的爐床位置循環(huán)用作燃料，從而使此類節(jié)能可減少對(duì)原始燃料的需求。
實(shí)施例本發(fā)明將通過(guò)下面的實(shí)施例具體描述，但它們不是限制本發(fā)明；在符合上下文所述精神的范圍內(nèi)可以對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，并且所有的這些改進(jìn)都包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。在下面的描述中，除非另有規(guī)定，否則“％”指“質(zhì)量％”。
下面實(shí)施例中顯示的各個(gè)組分的性質(zhì)通過(guò)下列方法測(cè)定灰分含量(％)根據(jù)JIS M8812(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“煤和焦炭--近似分析方法(Coal and coke--Methods for proximate analysis)”)測(cè)量。
揮發(fā)物含量(％)同上。
固定碳含量(％)由“100％-灰分含量(％)-揮發(fā)物含量(％)”計(jì)算。
最大流動(dòng)性[log(DDPM)]根據(jù)JIS M8801“煤--測(cè)試方法”的流動(dòng)性試驗(yàn)方法測(cè)定。
抗碎強(qiáng)度(kg/壓坯)根據(jù)ISO4700測(cè)量，其中壓坯壓縮之前處于最穩(wěn)定取向(具體地說(shuō)，具有28mm長(zhǎng)，20mm寬和最大厚度為11mm的壓坯在厚度方向上被壓縮)。
實(shí)施例1組成見(jiàn)下面表1的含碳材料(高VM煤A，高VM煤B和煙煤C)被粉狀化，以便約80％或更多的微粒具有200目或更小的粒度。鐵礦石也被研磨成約1,500cm2/g的Blaine細(xì)度。每一含碳材料和鐵礦石以不同比率混合以提供在直接還原鐵中不同的殘余碳含量(即，DRI殘余碳含量)?；旌衔锸褂冒ㄕ眍^形狀的袋子、228mm輥直徑和70mm輥長(zhǎng)度(輥身長(zhǎng)度)的試驗(yàn)壓坯機(jī)以2.5t/cm(每輥長(zhǎng)度)壓縮，形成枕型的其中混有含碳材料的團(tuán)塊(壓坯)。該團(tuán)塊橫截面是橢圓形，長(zhǎng)度35mm，寬度25mm，最大厚度13mm，體積6cm3。
表1

上述制備的壓坯在轉(zhuǎn)底爐中約1,300℃的氮?dú)夥障?，進(jìn)行高溫還原。圖1是示出直接還原鐵(長(zhǎng)28mm，寬20mm，最大厚度11mm)的所得DRI殘余碳含量(％)和抗碎強(qiáng)度，即DRI抗碎強(qiáng)度(kg/壓坯)，之間關(guān)系的圖。
圖1表明，當(dāng)使用的任何含碳材料的含量減少以使DRI殘余碳含量降低時(shí)，DRI抗碎強(qiáng)度提高。在DRI殘余碳含量相同的情況下，高VM煤，即高VM煤A和高VM煤B比煙煤C具有更低的DRI抗碎強(qiáng)度。這兩個(gè)高VM煤中，高VM煤A具有較低的DRI抗碎強(qiáng)度，因?yàn)樗墓潭ㄌ嫉暮枯^低，并因此不得不混入相對(duì)較高的比率以獲得相同的DRI殘余碳含量。因此，使用高VM煤生產(chǎn)的DRI(直接還原鐵)具有較低的抗碎強(qiáng)度。例如，如果用高VM煤獲得需要的DRI抗碎強(qiáng)度，即40kg/壓坯，則該殘余碳含量必定比使用煙煤生產(chǎn)的DRI低。如上所述，低的DRI殘余碳含量導(dǎo)致未還原的金屬氧化物，即氧化鐵，在下游步驟的熔化爐中還原不充分。因此，即使使用高VM煤，也必需一定的殘余碳含量。
其次，組分見(jiàn)以上表1的含碳材料(高VM煤B和碳化煤D)和鐵礦石被粉狀化，以便所有微粒當(dāng)中約80％具有約200目或更小的粒度。每一含碳材料和鐵礦石以各種比率混合，每一混合物5g給料入內(nèi)徑20mm的圓筒并通過(guò)柱塞壓縮形成直徑20mm、6.7～8.8mm高的圓柱形片。該片高度取決于模制壓力而不同。
然后將該片放置在轉(zhuǎn)底爐中，在約1,300℃于氮?dú)夥障?，?jīng)受高溫還原九分鐘，以生產(chǎn)還原鐵(具有16～17mm直徑和5.5～7.5mm高度)。圖2是示出在圓柱形片上的模制壓力(即片模制壓力)和還原鐵的抗碎強(qiáng)度(即DRI抗碎強(qiáng)度)(kg/片)之間關(guān)系的圖。圖3示出使用表1所示的高VM煤B和碳化煤D生產(chǎn)圓柱形片的模制壓力與該片的孔隙率之間的關(guān)系圖。圖4所示為片模制壓力與片表觀密度(g/cm3)之間關(guān)系。該DRI殘余碳含量大約2％。
圖2到4表明使用高VM煤B生產(chǎn)的片上的片模制壓力越高，提供的孔隙率約低、表觀密度約高，因此DRI抗碎強(qiáng)度越高。在片模制壓力為5～6t/cm2(490～588MPa)時(shí)，孔隙率和表觀密度基本上恒定。另外，如圖3所示，當(dāng)片模制壓力增加到約1t/cm2(98MPa)時(shí)，孔隙率減少到約35％。因此，片成形過(guò)程中，當(dāng)使用約1t/cm2(98MPa)的壓力時(shí)，孔隙率從約45％(在基本上不使用壓力，即50kg/cm2(4.9MPa)的情況下的孔隙率)減少到約35％。也就是說(shuō)，孔隙率的減少量約為孔隙率最大減少量的一半，所述孔隙率最大減少量可以通過(guò)提高壓力獲得(最低孔隙率約25％)。
此外，根據(jù)圖2，在片模制壓力為1t/cm2(98MPa)或更大時(shí)，DRI抗碎強(qiáng)度超過(guò)可使用的水平，即10kg/片，而在片模制壓力為2t/cm2(196MPa)或更大時(shí)超過(guò)優(yōu)選的水平，即15kg/片，此時(shí)，孔隙率的減少量大于孔隙率最大減少量的一半。因此，孔隙率的減少有效促進(jìn)片(其中混有含碳材料的團(tuán)塊)內(nèi)部的熱傳遞，以便還原金屬的燒結(jié)在整個(gè)團(tuán)塊區(qū)域有效進(jìn)行，從而生產(chǎn)具有高強(qiáng)度的還原金屬。
另一方面，因?yàn)闊熋篊由于揮發(fā)物含量低而具有低孔隙率，因此即使在1t/cm2(98MPa)或更低的片模制壓力下，煙煤C也提供超過(guò)15kg/片的DRI抗碎強(qiáng)度。相反，通過(guò)在約450℃碳化高VM煤B制備的碳化煤D，不能通過(guò)提高片模制壓力獲得高DRI抗碎強(qiáng)度。因?yàn)樘蓟磻?yīng)提高了該煤炭的硬度，因此片模制壓力的增加沒(méi)有導(dǎo)致孔隙率充分減少或表觀密度有效增加。
當(dāng)圓柱形片的抗碎強(qiáng)度根據(jù)ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織)4700測(cè)量時(shí)，負(fù)荷施加于該片的側(cè)面。因此抗碎強(qiáng)度的不同取決于片的長(zhǎng)度。因?yàn)槊恳黄牧希春疾牧虾丸F礦石的混合物的重量被固定為5g，因此片的體積或柱體的長(zhǎng)度根據(jù)含碳材料的類型而有稍微的不同。然而，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，5g原料在模制壓力1t/cm2時(shí)生產(chǎn)的片的DRI抗碎強(qiáng)度幾乎等于在模制壓力1t/cm時(shí)形成的體積為6cm3壓坯的DRI抗碎強(qiáng)度。因此，在圖2水平軸所示的片模制壓力(t/cm2)可假定為壓坯壓力(t/cm)。
因此，圖2所示的關(guān)系可以假定為壓坯壓力(t/cm)和DRI抗碎強(qiáng)度(kg/片)之間的關(guān)系。采用壓坯機(jī)在壓坯壓力為2t/cm或更大時(shí)生產(chǎn)的片，可以假定為具有DRI抗碎強(qiáng)度超過(guò)優(yōu)選的DRI抗碎強(qiáng)度，即15kg/片。另外，在3t/cm或更大的模制壓力生產(chǎn)的片，可以假定為具有超過(guò)20kg/片的DRI抗碎強(qiáng)度。更優(yōu)選這種高的模制壓力范圍，因?yàn)檫_(dá)到上述強(qiáng)度范圍的片可顯著地改進(jìn)還原鐵運(yùn)輸過(guò)程中受沖擊時(shí)的抗粉末化性能。
實(shí)施例2使用實(shí)施例1所示的高VM煤B和碳化煤D。使用該高VM煤B，以在2.5和6.5t/cm下形成其中混有含碳材料的壓坯，所述壓坯體積為6cm3。將這些壓坯放置在轉(zhuǎn)底爐中，在約1,300℃于氮?dú)夥障?，?jīng)受高溫還原約九分鐘。圖5所示為DRI殘余碳含量(質(zhì)量％)和DRI抗碎強(qiáng)度(kg/壓坯)之間關(guān)系的圖。圖5表明在相同殘余碳含量的情況下，壓坯壓力越高，即6.5t/cm，所獲得的DRI抗碎強(qiáng)度越高，這種情況有助于未還原金屬氧化物即氧化鐵在下游步驟的熔化爐中還原。這意味著即使該高VM煤含量被提高確保需要的DRI殘余碳含量，具有高抗碎強(qiáng)度的還原鐵也可以通過(guò)提高壓坯壓力用高VM煤生產(chǎn)。例如，如果使用表1所示的含有約41％揮發(fā)物和約50質(zhì)量％固定碳的高VM煤B，則其中混有含碳材料的壓坯可以在6.5t/cm壓坯壓力下形成，以生產(chǎn)DRI殘余碳含量為5％和需要的DRI抗碎強(qiáng)度即約40kg/壓坯的還原鐵。
然而，較高的模制壓力，增加了輥式壓制機(jī)的軋輥磨損量，并因此提高了維修費(fèi)?？紤]到需要的DRI抗碎強(qiáng)度水平和生產(chǎn)成本，可以確定最適宜的模制壓力模制壓力優(yōu)選2.5～10t/cm。
比較實(shí)施例組成見(jiàn)表1的含碳材料(高VM煤B和煙煤C)和鐵礦石被粉狀化，以使所有微粒當(dāng)中約80％具有約200目或更小的粒度。每種含碳材料和鐵礦石被混合并用制粒機(jī)(造粒機(jī))碎成直徑17mm的粒料。這些粒料在轉(zhuǎn)底爐中，約1,300℃于氮?dú)夥障拢?jīng)受高溫還原以生產(chǎn)還原鐵。圖6所示為DRI殘余碳含量(％)和DRI抗碎強(qiáng)度(kg/粒料)之間關(guān)系的圖。對(duì)于具有低揮發(fā)物含量的煙煤C，隨DRI殘余碳含量的減少，DRI抗碎強(qiáng)度顯著地提高并超過(guò)需要的抗碎強(qiáng)度，即15kg/粒料。對(duì)于具有高揮發(fā)物含量的高VM煤B，隨DRI殘余碳含量減少，DRI抗碎強(qiáng)度傾向于輕微地提高，但不能達(dá)到需要的抗碎強(qiáng)度，即15kg/粒料，因?yàn)樵诔闪Ｗ饔弥械偷膲嚎s壓力和孔隙率降低少的緣故。
實(shí)施例3制備其中混有流動(dòng)性為零的含碳材料的壓坯，并在轉(zhuǎn)底爐中還原。下面表2中表明氧化鐵中10微米或更小粒度的氧化物顆粒含量、還原鐵的抗碎強(qiáng)度與小于6mm還原鐵的細(xì)物比率之間的關(guān)系。該表還表明使用的含碳材料(見(jiàn)以上表1)的類型、含碳材料和鐵礦石的含量以及還原鐵的金屬化比例及殘余碳含量。在與上述實(shí)施例1和2相同的條件下，即在約1,300℃于氮?dú)夥障逻€原約九分鐘，其中混有含碳材料的壓坯在轉(zhuǎn)底爐中還原。所使用的含碳材料流動(dòng)性為零。
表2

如上所述，根據(jù)已知技術(shù)，如果使用流動(dòng)性為零的煤炭，15質(zhì)量％或更多的粒度為10微米或更小的氧化鐵微粒需要將小于6mm的還原鐵的細(xì)物的比率減小到實(shí)際上可接受的程度，即10質(zhì)量％或更低。對(duì)于每個(gè)使用2.5t/cm的壓坯壓力的實(shí)施例，粒度為10微米或更小的氧化鐵微粒的含量低于15％，并且細(xì)物的比率低于10％。另外，孔隙率低于35％，DRI抗碎強(qiáng)度超過(guò)需要程度，即40kg/壓坯。使用低壓坯壓力，即0.2t/cm的比較實(shí)施例，粒度為10微米或更小的氧化鐵顆粒含量低于15％，因此細(xì)物比率極高，即約68％。另外，孔隙率超過(guò)40％，DRI抗碎強(qiáng)度約為34kg/壓坯，低于需要的水平，即40kg/壓坯。
如上所述，待還原原料還可以是例如氧化鎳，氧化鉻或氧化錳。另外，含有重金屬如氧化鋅或氧化鉛的原料可以被還原，但是由于重金屬在還原時(shí)揮發(fā)，因此其應(yīng)使用袋式收塵器在高濃度回收。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，其中混有含碳材料的團(tuán)塊使用含有35％或更多揮發(fā)物的高VM煤在至少2t/cm2壓力下形成，以獲得顯著低的孔隙率。這促進(jìn)高溫還原步驟時(shí)轉(zhuǎn)底爐中團(tuán)塊內(nèi)部的熱傳遞，以使還原金屬的燒結(jié)在整個(gè)團(tuán)塊區(qū)域有效地進(jìn)行，從而生產(chǎn)具有高抗碎強(qiáng)度的還原金屬。即使使用沒(méi)有流動(dòng)性的含碳材料或增加高VM煤的含量以確保需要的殘余碳含量，也可以生產(chǎn)此類具有高抗碎強(qiáng)度的還原金屬。從轉(zhuǎn)底爐卸料時(shí)，還原鐵不會(huì)變成粉末，因此消除在熔爐中一直未解決的再氧化和在爐渣層上漂浮的問(wèn)題。
因此，高強(qiáng)度還原鐵可以使用含有大量揮發(fā)物的高VM煤生產(chǎn)，高VM煤廣泛地并豐富地分布在地球上，并且價(jià)格比較低廉。該還原鐵可有效地作為生產(chǎn)鋼和鐵合金的生鐵使用，或在鐵合金生產(chǎn)中用作與碎片一起裝料的預(yù)還原材料。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)還原金屬的方法，包括將含有高VM煤的含碳材料與一種含有金屬氧化物的待還原原料混合，所述高VM煤含有35質(zhì)量％或更多的揮發(fā)物；在2t/cm2或更大下，模制所述混合物以形成其中混有含碳材料的團(tuán)塊；以及，在轉(zhuǎn)底爐中加熱所述其中混有含碳材料的團(tuán)塊，以在高溫下還原所述團(tuán)塊。
2.如權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)還原金屬的方法，其中所述待還原原料含有金屬氧化物，如氧化鐵，氧化鎳，氧化鉻，氧化錳或二氧化鈦。
3.如權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)還原金屬的方法，其中所述還原金屬含有1質(zhì)量％或更多的殘余碳。
4.如權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)還原金屬的方法，其中與待還原原料混合的所述含碳材料是部分地或完全地未加熱的。
5.一種用于生產(chǎn)還原金屬的方法，包括加熱和熔化根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法生產(chǎn)的還原金屬。
6.一種用于生產(chǎn)還原金屬的方法，包括使通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求5所述的所述加熱和熔化處理熔化的還原金屬結(jié)塊成為礦塊。
7.一種用于生產(chǎn)還原金屬的方法，包括使含有高VM煤的含碳材料與含有金屬氧化物的待還原原料混合，其中所述高VM煤含有35質(zhì)量％或更多的揮發(fā)物；在壓坯輥每單位長(zhǎng)度(cm)為2t或更大壓力下，將所述混合物進(jìn)行壓坯，以形成其中混有含碳材料的團(tuán)塊；和，在轉(zhuǎn)底爐中加熱所述其中混有含碳材料的團(tuán)塊，以在高溫下還原所述團(tuán)塊。
8.如權(quán)利要求7所述的生產(chǎn)還原金屬的方法，其中所述待還原原料含有金屬氧化物如氧化鐵，氧化鎳，氧化鉻，氧化錳或二氧化鈦。
9.如權(quán)利要求7所述的生產(chǎn)還原金屬的方法，其中所述還原金屬含有1質(zhì)量％或更多的殘余碳。
10.如權(quán)利要求7所述的生產(chǎn)還原金屬的方法，其中與所述待還原原料混合的所述含碳材料是部分地或完全未加熱的。
11.一種用于生產(chǎn)還原金屬的方法，包括加熱和熔化通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法生產(chǎn)的還原金屬。
12.一種用于生產(chǎn)還原金屬的方法，包括使通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求11所述的加熱和熔化處理熔化的還原金屬結(jié)塊形成礦塊。
13.其中混有含碳材料的團(tuán)塊，所述團(tuán)塊包括含碳材料和含有金屬氧化物的待還原原料，所述含碳材料包括含有35質(zhì)量％或更多揮發(fā)物的高VM煤，所述團(tuán)塊在壓力下形成，以使它的孔隙率減少到35％或更少。
14.一種還原金屬，其通過(guò)如下方法生產(chǎn)在底轉(zhuǎn)爐中加熱如權(quán)利要求13所述的其中混有含碳材料的團(tuán)塊，以在高溫下還原所述團(tuán)塊。
全文摘要
本發(fā)明提供其中混有含碳材料的團(tuán)塊和使用該團(tuán)塊生產(chǎn)還原金屬的方法。這些團(tuán)塊采用廣泛分布、豐富產(chǎn)出且價(jià)格比較低廉的高VM煤制備，在不需要更細(xì)的金屬氧化物微粒的情況下，這些團(tuán)塊在還原之后可提供高強(qiáng)度。該團(tuán)塊由含碳材料和含有金屬氧化物的待還原原料如鐵礦石制備。所使用的含碳材料是高VM煤，其含有35質(zhì)量％或更多的揮發(fā)物。該團(tuán)塊在至少2t/cm
文檔編號(hào)C22B34/32GK1759192SQ20048000669
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2004年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月10日
發(fā)明者原田孝夫, 田中英年 申請(qǐng)人:株式會(huì)社神戶制鋼所