專利名稱：煉鐵和鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于對(duì)用一種含碳的還原劑(例如碳材料)熱還原鐵氧化物(例如鐵礦)煉鐵和煉鋼方法進(jìn)行的改進(jìn)。更具體地，本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的煉鐵或煉鋼方法，該方法通過熱還原與一種含碳還原劑(煤球或煤餅)混合的含鐵氧化物的固態(tài)成型產(chǎn)品，并進(jìn)一步還原和熔化產(chǎn)生熔融鐵。這些方法能提高從熱還原到還原熔化的一系列步驟中的熱效率，有效分離脈石成分。
關(guān)于生產(chǎn)還原鐵的直接還原工藝，是用一種碳材料或一種還原氣體通過還原鐵氧化物例如鐵礦或鐵氧化物球，其中通常以MIDREX工藝代表的豎爐方法已廣為人知。在這種直接煉鐵的工藝中，經(jīng)在豎爐的較低部位的鼓風(fēng)口，通過吹入從天然氣等產(chǎn)生的還原氣體獲得還原鐵，利用還原氣體的還原力還原鐵氧化物。而近幾年來，使用碳材料例如煤炭作為還原劑代替天然氣還原鐵的生產(chǎn)工藝已經(jīng)得到關(guān)注。尤其是，一種在回轉(zhuǎn)爐中用煤粉熱還原鐵礦燒結(jié)球粒的所謂的SL/RN方法已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。
另外，作為另一種煉鐵方法，美國(guó)專利號(hào)3,443,931公開了一種生產(chǎn)還原鐵的工藝，包括把一種碳材料和鐵氧化物混合成一團(tuán)，并在回轉(zhuǎn)爐上對(duì)它們進(jìn)行熱還原。在這一工藝中，把礦粉和煤粉混合成團(tuán)，并在高溫氣體環(huán)境下進(jìn)行熱還原。
在形成胚塊狀的同時(shí)或之后，在常溫下把通過上述方法產(chǎn)生的還原鐵插入一個(gè)電弧爐作為鐵原料。因?yàn)檫€原鐵含有較少的雜質(zhì)金屬成分例如夾入元素，近年來還原鐵以作為在廢鐵中夾入元素的稀釋材料而聞名，其中對(duì)廢鐵材料的回收變得越來越活躍。
然而，由于爐渣成分例如在鐵氧化物(鐵礦石等)中作為脈石成分的SiO2、Al2O3和CaO、碳材料(煤炭等)的侵入，鐵產(chǎn)品的質(zhì)量(金屬鐵的純度)就降低。在實(shí)際應(yīng)用中，盡管爐渣成分被分離出并在隨后的熔化步驟中被去除，爐渣量的升高還是會(huì)降低熔化的熔融鐵的產(chǎn)率，并對(duì)電弧爐的操作成本產(chǎn)生顯著的不希望有的影響。
這就需要鐵含量高和爐渣含量低的還原鐵。然而，通過現(xiàn)有的上述生產(chǎn)還原鐵的生產(chǎn)工藝來滿足這一需要，就不得不使用具有高鐵含量的鐵礦石作為生產(chǎn)還原鐵的原材料，這就顯著縮小了能實(shí)際應(yīng)用的煉鐵材料的選擇范圍。
而且，如上所述的現(xiàn)有技術(shù)方法最終目的是獲得作為半成品的還原固體產(chǎn)品，并需要例如壓塊、冷卻、運(yùn)輸和儲(chǔ)存步驟，直至把產(chǎn)品輸送到作為實(shí)際應(yīng)用隨后步驟的還原熔化步驟，在這期間造成大量的能量損耗，或壓塊也需要額外裝置或能量。
另一方面，作為通過直接還原鐵氧化物獲得初步還原的鐵的方法，一種熔化還原方法例如DIOS方法也為人知。這種方法包括初步還原鐵氧化物，預(yù)還原率為30-50％，然后通過與在鐵槽中的固體碳和/或一氧化碳以及爐渣直接還原反應(yīng)，然后把它們還原成熔化鐵。然而，因?yàn)樵谶@一方法中設(shè)立了一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，來產(chǎn)生在熔化還原容器中初步還原步驟所需的還原氣體，并把氣體導(dǎo)進(jìn)初步還原爐，所以要達(dá)到過程的平衡很麻煩和極困難。另外，因?yàn)橐后w鐵氧化物(FeO)和耐火材料在熔融狀態(tài)直接接觸，這就會(huì)出現(xiàn)耐火材料受到的腐蝕較大的問題。
進(jìn)而，日本專利公報(bào)Hei 3-60883公開了其它的方法，把礦粉與碳材料混合，把它們成型為團(tuán)，通過一個(gè)轉(zhuǎn)底爐型加熱爐首先使它們還原，不經(jīng)冷卻把隨后獲得的初步還原的產(chǎn)品加進(jìn)熔化爐中，使它們?nèi)刍?，通過添加碳材料并進(jìn)一步吹入氧氣繼續(xù)進(jìn)行還原來進(jìn)行熔化。因?yàn)槌醪竭€原的產(chǎn)品不經(jīng)冷卻就被送到熔化爐中，以這種方法進(jìn)行還原和氧化，據(jù)認(rèn)為這種方法的熱量損失較少，能夠連續(xù)操作，并且就產(chǎn)率而言也是非常有效的。
在這種煉鐵方法中，把氧(或空氣)和大量的碳材料一起吹到熔化爐中。然后，因?yàn)槿缟纤鲈谒偷饺刍癄t的初步還原的產(chǎn)品中含有大量在鐵礦和碳材料的脈石成分，大量的爐渣在熔化爐中就受到劇烈的攪拌。因?yàn)榇罅康蔫F氧化物(FeO)侵入到爐渣中，這就導(dǎo)致襯里的耐火材料受到的腐蝕非常顯著這一嚴(yán)重的實(shí)際問題，這樣就很難使得該方法在工業(yè)規(guī)模實(shí)行。
總之，因?yàn)橛斜匾蛉刍癄t中補(bǔ)充大量的氧和碳材料(幾百kg/tmi(mi要生產(chǎn)的熔融鐵))來進(jìn)行燃燒，為了確保在熔化爐上游的初步還原爐中還原氣體有所需要的充分的還原能力，熔化爐的熱負(fù)荷極大，由于劇烈攪拌熔融鐵和爐渣，襯里耐火材料經(jīng)受嚴(yán)重的腐蝕。進(jìn)而，為了向初步還原爐穩(wěn)定供應(yīng)所需的適當(dāng)組成和量的還原氣體，要達(dá)到整個(gè)設(shè)備的平衡非常麻煩，并需要高水平的控制系統(tǒng)。
本發(fā)明是鑒于上述情況完成的。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種利用含鐵量較高的鐵氧化物原料或含鐵量較低的鐵礦的煉鐵方法，而不引起耐火材料的腐蝕。而且，這一煉鐵方法能夠通過簡(jiǎn)單的設(shè)備和操作獲得熔融鐵，本發(fā)明還提供了一種使用上述方法得到的熔融鐵的煉鋼方法。
根據(jù)本發(fā)明的煉鐵方法能克服上述的問題，它是一種獲得熔融鐵的煉鐵方法，通過在高溫下不經(jīng)顯著冷卻向電弧加熱型熔化爐供給固體還原鐵，該固體還原鐵是從混合了含碳還原劑的含有的鐵氧化物的成型產(chǎn)品生產(chǎn)的，該成型產(chǎn)品是還原鐵生產(chǎn)設(shè)備的主要原料，并在熔化爐中加熱該正在還原中的鐵，其中，該方法包括先把固體還原鐵金屬化至60％或更高，控制固體還原鐵中的碳含量相對(duì)于還原殘留在固體還原鐵中的鐵氧化物所需的理論當(dāng)量為50％或更高，使固體還原鐵的比重至1.7或更高，通過電弧加熱型熔化爐加熱該固體還原鐵以獲得碳含量1.5到4.5％的熔融鐵。
在實(shí)行本發(fā)明的過程中，為了有效進(jìn)行熔化-還原，同時(shí)將電弧加熱型熔化爐的襯里的腐蝕降至最低，將固體還原鐵裝到到在電弧加熱型熔化爐中的熔融的爐渣上，熔融的爐渣的堿度優(yōu)選控制在1.0到1.8的范圍，在熔融爐渣中的鐵氧化物含量以鐵計(jì)算最好限制在9％或更低，更優(yōu)選是5％或更低。
當(dāng)額外加入含碳還原劑以補(bǔ)償在電弧加熱型熔化爐中的不足時(shí)，最好向固體還原鐵的裝料位置加入含碳還原劑，因?yàn)檫@能使還原熔化更有效地進(jìn)行。
進(jìn)而，為了將通過熔化還原得到熔融鐵中的碳含量調(diào)節(jié)在本發(fā)明限定的1.5到4.5％的范圍內(nèi)，額外加入到電弧加熱型熔化爐中的含碳還原劑的量是非常重要的。對(duì)于控制額外添加的含碳還原劑的量的方法，建議1)一種在電弧加熱型熔化爐中對(duì)熔融鐵進(jìn)行采樣的方法，直接分析熔融鐵并控制含碳還原劑的添加量，使得含碳量在上述范圍中，或2)一種測(cè)定從電弧加熱型熔化爐中排出的尾氣組成和含量的方法，基于從測(cè)定值計(jì)算的在尾氣中的氧當(dāng)量來計(jì)算確定在熔融鐵中的含碳量，并控制含碳還原劑的添加量。
進(jìn)而，本發(fā)明具有的主要技術(shù)特征是控制熔融鐵的含碳量在所述范圍內(nèi)，并獲得含0.05％或更少的Si、0.1％或更少的Mn、0.1％或更少的P、以及0.20％或更少的S的熔融鐵。通過下述方法對(duì)熔融鐵進(jìn)行脫硫或脫磷。將含S量降低到0.050％或更低，將含P量降低到0.040％或更低，就可以獲得有較少雜質(zhì)的熔融鐵，它作為在電弧爐(下文稱作EAF)或堿性氧爐(下文稱作BOF)中用于煉鋼的原材料是非常有用的。
對(duì)于本發(fā)明采用的脫硫和/或脫磷方法，優(yōu)選推薦下面的方法該方法把電弧加熱型熔化爐中的熔融鐵轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的容器中，通過添加含鈣脫硫劑(或與氣體一起注入)對(duì)熔融鐵進(jìn)行脫硫，和/或通過吹入一種含固體氧源(鐵氧化物等)的鈣質(zhì)熔劑和氣體氧化物進(jìn)行脫硫。
在本發(fā)明的方法中，與鼓風(fēng)爐煉鐵方法相比，還原鐵氧化物例如鐵礦的還原勢(shì)較低，在脈石成分中的SiO2在以SiO2的形式形成爐渣，沒有被還原。而且，因?yàn)樵讷@得的熔融鐵中的Si含量較低(0.05％或更低)，不需特意進(jìn)行脫硅。另外，由于在熔融鐵中的硅含量較低，通過如上所述的脫磷作用，就可以很容易地獲得含P量低的熔融鐵，根本不需預(yù)先進(jìn)行脫硅。
把這樣獲得的具有較低雜質(zhì)含量的熔融鐵以其熔融狀態(tài)供應(yīng)到一個(gè)與此相鄰布置的EAF或BOF中作為煉鋼材料，從而系統(tǒng)就可以實(shí)際應(yīng)用為煉鐵和煉鋼的連續(xù)工藝，或?qū)a(chǎn)生的熔融鐵一次卸到爐外，把冷卻到固化的金屬鐵作為煉鋼材料供應(yīng)到EAF或BOF中。尤其是，通過使用該煉鋼方法，在高溫下向EAF或BOF供應(yīng)用上述方法產(chǎn)生的在其熔融狀態(tài)、有較低雜質(zhì)含量的熔融鐵作為煉鋼材料，因?yàn)樵谌廴趹B(tài)具有的熱能可以被有效利用為煉制的熱源，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮也建議把它作為一種極有效的方法。
附圖簡(jiǎn)述

圖1說明的是根據(jù)本發(fā)明還原與碳材料混合的含鐵氧化物成型產(chǎn)品，電弧加熱型熔化和煉鋼的連續(xù)工藝。
圖2是說明在電弧加熱型熔化爐中對(duì)加入到熔融爐渣上的固體還原鐵進(jìn)行還原熔化的情況。
圖3是說明一個(gè)在本實(shí)驗(yàn)中獲得的固體還原鐵的還原速率和還原時(shí)間之間關(guān)系的例子的圖。
圖4是說明一個(gè)在電弧加熱型熔化爐中固體還原鐵的還原速率和功率消耗之間關(guān)系的例子的圖。
圖5是說明固體還原鐵的金屬化和在其上的分布的例子的圖。
圖6是說明在固體還原鐵中的含碳量和在熔融爐渣中的鐵氧化物(T.Fe)之間關(guān)系的圖。
圖7是說明在連續(xù)進(jìn)料時(shí)單個(gè)固體還原鐵片的熔化速率與極限熔化速率的關(guān)系的圖。
圖8是說明在熔融鐵中的含碳量與脫硫率之間的關(guān)系的圖。
圖9是說明爐渣的堿度與熔化溫度之間的關(guān)系的圖。
圖10是說明單個(gè)固體還原鐵片的重量與固體還原鐵的比重之間的關(guān)系的圖。
進(jìn)行本發(fā)明的最好方式本發(fā)明的全部組成將通過一個(gè)說明優(yōu)選實(shí)施例的完整的流程圖示意說明，對(duì)每一個(gè)限定條件的原因?qū)⑻貏e說明。
圖1是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明說明用于煉鐵方法和煉鐵/鋼方法的連續(xù)工藝示意流程圖，其中分別表示一個(gè)材料成型產(chǎn)品生產(chǎn)部分1，一個(gè)還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2，一個(gè)電弧加熱型熔化爐3，和一個(gè)煉鋼爐。用箭頭A表示的一系列步驟對(duì)應(yīng)一種煉鐵方法(還原鐵的生產(chǎn))，而用箭頭B表示的步驟對(duì)應(yīng)煉鋼法。
首先，在鐵生產(chǎn)方法中，使用鐵氧化物原料例如鐵礦和含碳還原劑例如煤粉、或焦粉作為原材料，在材料成型產(chǎn)品生產(chǎn)部分1制造與碳材料(球或餅)混合的含有鐵氧化物的成型產(chǎn)品，生產(chǎn)的成型鐵產(chǎn)品被連續(xù)送入還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2中。只要具有加熱與碳材料混合的含鐵氧化物的成型產(chǎn)品(下文有時(shí)稱為成型產(chǎn)品)的功能，可以采用任何設(shè)備作為還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2。通過混有的碳材料的還原力和它燃燒形成的CO氣體的還原力，對(duì)在成型產(chǎn)品中的鐵氧化物進(jìn)行還原，同時(shí)基本上保持固體狀態(tài)。例如，可以使用有例如回轉(zhuǎn)爐或回轉(zhuǎn)爐底這樣結(jié)構(gòu)的設(shè)備。提供給設(shè)備2一個(gè)用來運(yùn)輸成型產(chǎn)品的設(shè)備2，并提供給一個(gè)熱源例如燃燒爐，一個(gè)燃燒氧供應(yīng)單元，和可選的，一個(gè)還原氣體供應(yīng)單元，和加入一個(gè)溫度計(jì)或溫度控制裝置，這樣可以適當(dāng)?shù)乜刂七€原狀態(tài)進(jìn)行的程度。圖1表明具有熱還原從裝料部分2a裝入的成型產(chǎn)品的回轉(zhuǎn)爐底式設(shè)備，同時(shí)使它們順著回轉(zhuǎn)爐底的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，并在達(dá)到預(yù)定的還原率時(shí)，立刻把它們以固態(tài)連續(xù)地從卸料部分2b卸出。
在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2中還原并從中卸出的固體還原鐵不經(jīng)隨后的冷卻，緊接著就被送到電弧加熱型熔化爐3中，其中成型產(chǎn)品中殘留的非還原的鐵氧化物繼續(xù)進(jìn)行熱還原，同時(shí)還原鐵熔化。因?yàn)閺倪€原鐵生產(chǎn)設(shè)備2卸出的固體還原鐵通常具有約700到1,300℃的熱量，該熱量基本上被利用為電弧加熱型熔化爐3的熱源，這就能有助于降低電弧加熱的能量消耗。
這里使用的電弧加熱型熔化爐3具有加熱熔融鐵的功能，通過利用電弧加熱不需強(qiáng)制攪拌，并有效繼續(xù)進(jìn)行還原和熔化，同時(shí)盡可能限制了襯里耐火材料的腐蝕，電弧包括通過把電極3a插進(jìn)在熔化爐3中熔融鐵上的爐渣漂浮物中并供應(yīng)電流的沉浸電弧。然后，將裝料(固體還原鐵)部分3b安置在電弧加熱部分(即，插入電極3a的部分)的附近，以使得裝入電弧加熱型熔化爐3中的固體還原鐵被迅速還原并經(jīng)受電弧的熱量而熔化。進(jìn)而，將用來另外裝入含碳還原劑的部分3c安置在與裝入固體還原鐵相對(duì)的位置。
然后，在電弧加熱型熔化爐3中，通過還原和熔融裝入的固體還原鐵A形成熔融鐵(有時(shí)也被稱為熔融金屬或熔融鐵)，并與已經(jīng)形成和聚集的熔融鐵合并，在固體還原鐵中還存在的脈石成分形成熔融爐渣，并與熔融鐵上的熔融爐渣漂浮物合并。因此，在熔融鐵和熔融爐渣的預(yù)定量在電弧加熱型熔化爐3中積累時(shí)，可以接著從熔化爐3的側(cè)壁較低的位置適當(dāng)連續(xù)地卸出熔融鐵，或?qū)⑷廴跔t渣從高于熔融爐渣和熔融鐵的交界的位置適當(dāng)?shù)匦冻鰜怼?br> 在進(jìn)行所需的清除處理例如脫硫和脫磷后，然后把獲得的熔融鐵送到煉鋼爐4中作為煉鋼材料。可以把EAF 4a或BOF 4b用于煉鋼爐4，其中在與金屬屑或生鐵的混合物中進(jìn)行熔化。在這種情況下，假如煉鋼爐4被安排在電弧加熱型熔化爐3附近，因?yàn)榭梢园褱囟葲]有降低的高溫熔融鐵作為煉鋼爐4的材料，這樣在熔融鐵中具有的熱實(shí)際上就可以用作熔化的熱源，從熱效率的角度這是非常優(yōu)選的。依據(jù)具體的情況，在電弧加熱型熔化爐3中獲得的熔融鐵可以被一次進(jìn)行鑄型等，冷卻到固化，并制成商用產(chǎn)品如煉鋼材料的粗半成品，或可以被送到位置較遠(yuǎn)的煉鋼爐中作為煉鋼材料。
與上述金屬屑相比，按照本發(fā)明獲得的熔融鐵中含少量的雜質(zhì)金屬成分，通過以合適的量與金屬屑結(jié)合使用，它可以被有效地用作金屬屑中雜質(zhì)金屬成分的稀釋劑。
上面描述的是本發(fā)明的基本步驟，為了在工業(yè)規(guī)模有效實(shí)施這些步驟，在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備中控制固體還原鐵的金屬化、在固體還原鐵中的含碳量和固體還原鐵的比重非常重要，在電弧加熱型熔化爐3中適當(dāng)控制通過還原熔化生產(chǎn)的熔融鐵中的含碳量也非常重要。將對(duì)它們進(jìn)行具體描述。
首先，當(dāng)要被供應(yīng)到還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2中含鐵氧化物的成型產(chǎn)品被成型后，鐵氧化物原料例如鐵礦和含碳還原劑粉例如煤炭或焦碳之一作為成型材料與可任選的合適量的粘合劑混合在一起，通過使用一個(gè)任選的成丸設(shè)備或造球機(jī)把混合產(chǎn)品成型為任選的形狀，并把他們按需要和使用進(jìn)行初步燒結(jié)。對(duì)于成型產(chǎn)品的生產(chǎn)，有必要在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2中繼續(xù)進(jìn)行有效還原，以把達(dá)到目標(biāo)殘?zhí)剂克璧暮歼€原劑與鐵氧化物原料混合，同時(shí)考慮到還原鐵氧化物所需的理論當(dāng)量和還原鐵生產(chǎn)設(shè)備的還原反應(yīng)特性。為了獲得“60％金屬化或更高”的固體還原鐵，根據(jù)本發(fā)明的方法這在進(jìn)行穩(wěn)定操作中是非常重要的，可以混合達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的金屬化作用所需的碳原料，并適當(dāng)控制在還原爐中的氣體溫度和反應(yīng)時(shí)間。
然后，根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2中的預(yù)定還原步驟獲得的固體還原鐵而言，繼續(xù)進(jìn)行金屬化作用至60％或更高是一個(gè)非常重要的因素。這就是說，為了把在后續(xù)步驟中通過還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2進(jìn)行預(yù)先還原，到通過電弧還原型熔化爐3熔化還原作為一個(gè)穩(wěn)定和有效的連續(xù)步驟，有必要把從還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2到電弧加熱型熔化爐3供應(yīng)的固體還原鐵金屬化分散降至最低。如果金屬化作用變化很大，就很難控制例如在熔化爐3中另外加入的含碳還原劑的操作條件，和例如加熱條件的操作條件，因此，這就不但使得對(duì)于固體還原鐵的迅速還原熔化非常困難，而且使得控制在熔融鐵中的含碳量很困難。
這就是說，如果供應(yīng)到電弧加熱型熔化爐中的固體還原鐵的金屬化是60％或更少，就得向熔化爐3中補(bǔ)充大量的熱，以補(bǔ)償殘留在固體還原鐵中的非鐵氧化物的還原(吸熱反應(yīng))所需的熱。具體地說，就不得不向電極供應(yīng)大量的電功率，這顯著增加了熔化爐的還原負(fù)荷，以及在熔化爐中的襯里腐蝕就變大，導(dǎo)致極大地縮短了熔化爐3的使用壽命，使得在工業(yè)規(guī)模實(shí)際應(yīng)用非常困難。另外，如果固體還原鐵的金屬化增加到60％或更高，優(yōu)選是70％或更高，就不會(huì)在電弧加熱型熔化爐中引起過量還原，就能避免上述問題并進(jìn)行平穩(wěn)的還原熔化。
對(duì)在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2中增加固體還原鐵的金屬化至60％或更高的具體方法沒有特別的限制，可以通過適當(dāng)控制生產(chǎn)成型產(chǎn)品的含碳還原劑的混合量(相對(duì)鐵氧化物的當(dāng)量比)，和在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備2中的預(yù)先還原條件(溫度、還原電勢(shì)、處理時(shí)間等)來達(dá)到。至于條件，當(dāng)條件和金屬化作用之間的關(guān)系被預(yù)先在初步的實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)后，就可以應(yīng)用到實(shí)際操作，就能容易地保證預(yù)定的金屬化作用，而不會(huì)造成顯著的分散。
進(jìn)而，對(duì)于供應(yīng)到電弧加熱型熔化爐中的固體還原鐵而言，控制固體還原鐵的比重至1.7或更高、使固體還原鐵中的含碳量相對(duì)于用于還原殘留在固體還原鐵中的鐵氧化物所需的理論當(dāng)量為50％或更高非常重要。
限定上述因素的原因如下所述。這就是說，例如，象圖3中表示的那樣(示意圖)把要加到電弧加熱型熔化爐的固體還原鐵A加到已經(jīng)在熔化爐3中形成的熔融爐渣和在熔融金屬上的漂浮物上。為了用電弧加熱有效加熱固體還原鐵A迅速繼續(xù)進(jìn)行還原，有必要把固體還原鐵A沉浸在熔融爐渣S中，并從所有的表面接受熱量。然后，作為各種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，通過使得固體還原鐵A的比重至1.7或更高，使在固體還原鐵A中的含碳量相對(duì)于還原殘留在固體還原鐵A中的鐵氧化物所需的理論當(dāng)量的50％或更高，可確保固體還原鐵A沉浸在熔融爐渣中，并可以迅速繼續(xù)進(jìn)行還原。
爐渣的比重通常在2.4到2.7，為什么把比重為約1.8的固體還原鐵A沉浸在熔融爐渣S中的原因如下考慮。即，裝入在熔化爐3中的熔融爐渣里的固體還原鐵A受到從熔融爐渣S表面的熱量，并通過殘留在里面的含碳還原劑引起的還原反應(yīng)在固體還原鐵的附近釋放大量的CO和少量的CO2，然后在熔融爐渣中以氣泡的形式引起噴吹(參照?qǐng)D2A)，并降低熔融爐渣的比重。然后，因?yàn)楣腆w還原鐵進(jìn)一步沉浸到熔融爐渣S中(圖2B)，從固體還原鐵A產(chǎn)生的氣體的量進(jìn)一步增加，噴吹就變得更劇烈，因?yàn)閺墓腆w還原鐵釋放的氣體的量進(jìn)一步增加到使熔融爐渣S的噴吹更劇烈。比重進(jìn)一步降低，固體還原鐵進(jìn)一步沉浸到熔融爐渣S中，并在固體還原鐵A全部沉浸到爐渣中的情況下，在還原鐵A的整個(gè)表面受到從熔融爐渣S而來的熱(圖2C)，固體還原鐵就被迅速還原和熔化。然后，熔融鐵隨后就變成熔融鐵Fe，副產(chǎn)物爐渣成分就隨后變成熔融爐渣S。
在這種情況下，如果固體還原鐵的比重小于1.7，在熔化爐3中電弧加熱時(shí)加入到熔融爐渣上的固體還原鐵A就不再沉浸在熔融爐渣S中，而是在熔融爐渣的漂浮物中，如圖2A所示，這樣與熔融爐渣S接觸的面積就降低到降低加熱效率，并降低了反應(yīng)速率，處理時(shí)間更長(zhǎng)。結(jié)果，產(chǎn)率顯著下降，并且從工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)看很難進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
相反，假如固體還原鐵的比重是1.7或更高，優(yōu)選是1.8或更高，更優(yōu)選是1.9或更高，由于如圖2B、2C所示的比重差異，裝在熔融爐渣上的固體還原鐵就能在極短的時(shí)間內(nèi)沉浸到熔融爐渣S中，在整個(gè)表面受到熔融鐵爐渣的熱量，并迅速繼續(xù)進(jìn)行還原，這樣還原速率顯著提高以迅速完成還原反應(yīng)。同時(shí)，熔化進(jìn)熔爐渣S中的鐵氧化物的量也降至最低，對(duì)襯里的腐蝕也能降至最低。
對(duì)于固體還原鐵A的還原效率，通過如上所述的熔融爐渣S傳導(dǎo)的電弧熱量的熱效率非常重要。甚至即使在比重合適，假如在固體還原鐵A中所含的含碳還原劑的量不充分，也不能獲得滿意的還原效率。在熔化爐3中，也可能另外加入固體還原鐵A還原作用之外所需的含碳還原劑，但是另外加入的含碳還原劑是必須供應(yīng)到固體還原鐵的周圍，不能侵入到還原鐵A的里面，這樣除非固體還原鐵被熔化，否則不能有效地獲得還原力，在固體還原鐵A中的還原速率取決于在固體還原鐵A中的含碳還原劑的量。
從上述的觀點(diǎn)，與其它用來在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)裝在熔化爐3固體還原鐵A有效繼續(xù)進(jìn)行熱還原的因素一樣，在固體還原鐵A中所含的含碳還原劑的量研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如果在固體還原鐵A中的含碳量被限定為相對(duì)于還原殘留在固體還原鐵A中的鐵氧化物所需的理論當(dāng)量50％或更高，更優(yōu)選是70％或更高，通過經(jīng)受從外界的熱在固體還原鐵A中對(duì)鐵氧化物的還原能繼續(xù)有效進(jìn)行，以達(dá)到高的還原和熔化效率。
可以任意限定含碳量為100％或更高。然而，已經(jīng)證實(shí)如果含碳量不足，是約50％時(shí)，基本上不產(chǎn)生實(shí)際問題，這是因?yàn)閷?duì)于碳成分不足，通過單獨(dú)另外加入含碳還原劑，熔化固體還原鐵A流出的非還原態(tài)的鐵氧化物被迅速還原。因此，如果提供到電弧加熱型熔化爐3中的固體還原鐵A中的含碳量少于相對(duì)于還原殘留在固體還原鐵A中的鐵氧化物所需的理論當(dāng)量的100％，對(duì)于含碳量不足可以在固體還原鐵A的裝料部分的附近另外單獨(dú)加入含碳還原劑。
因?yàn)橥ㄟ^還原鐵生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)的固體還原鐵的比重依供應(yīng)到還原鐵生產(chǎn)設(shè)備的原材料的特性和混合率、在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備中的還原條件(尤其是氣體溫度或時(shí)間)而變化，通過預(yù)先證實(shí)實(shí)驗(yàn)條件和比重之間的關(guān)系，可以預(yù)先設(shè)定合適的條件。
進(jìn)而，通過充分考慮在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備中的還原特性，在考慮其還原反應(yīng)特性，基于混合材料的種類和組成并適當(dāng)控制還原條件(溫度、時(shí)間、氣體組成)，可以調(diào)節(jié)在固體還原鐵中的殘留含碳量。
然后，將解釋調(diào)節(jié)用電弧加熱型熔化爐3得到的熔融鐵A中的含碳量在1.5到4.5％的原因。
對(duì)于從混合有含碳還原劑的含鐵氧化物的成型產(chǎn)品制造還原鐵，通常在含碳還原劑例如煤炭中含有的70％的硫含量殘留在還原鐵中。然后，當(dāng)還原鐵在熔化爐中被熔化，特別是，當(dāng)?shù)徒饘倩倪€原鐵被熔化，在熔化爐中就基本上不能期望能夠脫硫，這樣大多數(shù)的在熔化爐中運(yùn)行的硫就轉(zhuǎn)移到熔融鐵中就產(chǎn)生含S量高的熔融鐵。
在熔融鐵中含有的硫從熔化爐中放出后可以主要通過含鈣劑在一個(gè)罐中進(jìn)行脫硫。然而，如果在熔融鐵中的含碳量[C]少于1.5％，因?yàn)樵谌廴阼F中平衡狀態(tài)下的氧含量[O]水平增加，隨后就會(huì)顯著妨礙脫硫效率。因此，為了增加脫硫效率并有助于生產(chǎn)含S量低的熔融鐵，有必要將電弧加熱型熔化爐生產(chǎn)的熔融鐵中的[C]提高為3到1.5％或更高。然而，在熔融鐵中的含碳量基本上在4.5％飽和，為了穩(wěn)定獲得有飽和[C]的熔融鐵，有必要把顯著過量的含碳還原劑加進(jìn)熔化爐中，這樣在爐渣中的含碳還原劑總是約10％或更高，這就增加了含碳還原劑所需的成本，也增加了在隨后的熔化過程中的脫碳負(fù)荷，這是不希望的。為了增加操作的穩(wěn)定性，在熔融鐵中的碳含量尤其優(yōu)選下限是2.0％，同時(shí)優(yōu)選的上限是3.5％。
對(duì)控制電弧加熱型熔化爐9生產(chǎn)的熔融鐵中的含碳量為上述的1.5％到4.5％的具體方法沒有嚴(yán)格的限制。有可能通過一個(gè)預(yù)先進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)(結(jié)合到生產(chǎn)的成型產(chǎn)品的碳材料的量、在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備中預(yù)先的還原條件、另外加入的含碳還原劑的量和在電弧加熱型熔化爐中的操作條件)先決定確保含碳量的優(yōu)化條件，以在這些預(yù)定的條件下進(jìn)行操作。然而，用于成型產(chǎn)品的鐵氧化物原料和作為原材料的含碳還原劑的質(zhì)量并不總是穩(wěn)定的，而是通常明顯波動(dòng)，這樣就需要采取，例如，下述的方法以獲得穩(wěn)定含碳量在適當(dāng)范圍的熔融鐵，而不管如下的波動(dòng)因素①一種在電弧加熱型熔化爐中對(duì)熔融鐵進(jìn)行采樣的方法，控制含碳還原劑的添加量，同時(shí)分析熔融鐵并精確測(cè)定在熔融鐵中的含碳量。
②一種測(cè)定從電弧加熱型熔化爐中排出的尾氣組成和量的方法，基于從測(cè)定值計(jì)算的在尾氣中的氧當(dāng)量來計(jì)算確定在熔融鐵中的含碳量，并根據(jù)含碳量通過計(jì)算和控制要另外加入的含碳還原劑的量。
另外，當(dāng)在電弧加熱型熔化爐中同時(shí)進(jìn)行固體還原鐵的還原和熔化時(shí)，從在固體還原鐵漂浮物中的脈石化合物形成熔融爐渣。實(shí)際上能極有效地適當(dāng)控制熔融鐵爐渣的熔融堿度和鐵氧化物含量，增加還原效率和在熔化爐中熔融爐渣的分離效率，或抑制在熔化爐中的襯里腐蝕。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，需要控制熔融鐵的堿度在1.0到1.8的范圍(優(yōu)選的下限是1.1，更優(yōu)選的上限是1.5)，控制在熔融爐渣中的含鐵量(T.Fe)在9％或更低，更優(yōu)選為5％或更低。
爐渣堿度是表征爐渣特性的基本和典型特性之一，用CaO和SiO2作為在熔融爐渣中含有的典型成分，即，(CaO)/(SiO2)。如果熔融爐渣的堿度超過1.8，爐渣的熔點(diǎn)就急劇升高，使流動(dòng)性和還原的平穩(wěn)進(jìn)行降低，除非有意提高熔化的溫度，否則在熔化爐中的熔化就非常困難。如果堿度小于1.0，對(duì)襯里耐火材料的腐蝕就變大。而且，當(dāng)在熔融爐渣中的鐵氧化物的量增加，熔化爐中襯里受到的腐蝕就變大。如果在熔融鐵中的(T.Fe)超過9％這一趨勢(shì)就變得非常顯著。因此，為了在熔化爐中在較短的時(shí)間內(nèi)有效還原和熔化固體還原鐵，并通過降低在熔化爐中的襯里腐蝕至最低，來延長(zhǎng)熔化爐的使用壽命，需要在電弧加熱型熔化爐中對(duì)固體還原鐵的還原熔化步驟中的熔融爐渣適當(dāng)進(jìn)行采樣，測(cè)定堿度和(T.Fe)量，通過添加爐渣堿度調(diào)節(jié)劑(CaO或SiO2)適當(dāng)控制爐渣堿度在合適的范圍，或控制另外的含碳還原劑的量，以抑制在熔融鐵中的(T.Fe)的量。
通過如所述在電弧加熱型熔化爐3中的還原和熔化，就可以獲得含碳量1.5到4.5％和含Si量約0.05％或更少的熔融鐵。盡管在熔融鐵中的[C]有些差異，但是可以把按原樣是熔融態(tài)的熔融鐵供應(yīng)到煉鋼爐例如EAF或BOF中，同時(shí)保持熱量在約1350℃或更高，或一次把它卸到一個(gè)鑄模中，并冷卻到固化，然后用作煉鋼的半成品，如圖1所述的那樣。然而，因?yàn)樵谌缟汐@得的熔融鐵中含有很多的硫和磷，在運(yùn)送到煉鋼步驟之前，必須把這些硫或磷預(yù)先去除。
作為一種為了這一目的采用的優(yōu)選的脫硫方法，可以提及例如如下的一種方法，把在熔化爐3產(chǎn)生的熔融鐵卸到一個(gè)罐或類似物中，向其中加入含鈣劑進(jìn)行脫硫，優(yōu)選使用沉浸吹管把含鈣熔劑與惰性氣體一起注進(jìn)熔融鐵中，通過熔劑捕獲硫，并在熔融鐵上作為爐渣分離和去除。進(jìn)而，作為優(yōu)選的脫磷方法，可以提及，例如如下的一種方法，該方法向卸到罐或類似物的熔融鐵中供應(yīng)固體氧原料(鐵氧化物等或氣體氧源(氧氣、空氣等)和含鈣熔劑，優(yōu)先氧化含磷成分，用熔劑捕獲含磷成分，然后浮到熔融鐵上進(jìn)行分離。對(duì)上述脫硫和脫磷方法沒有嚴(yán)格的限制，當(dāng)然可以采用其它已知的脫硫和脫磷方法。然而，后一種脫磷方法是優(yōu)選的，因?yàn)楫a(chǎn)生在熔融鐵中的[S]象上述那樣是0.05％或更低，這與已知的生鐵噴砂(blast)不同，可以確保較高的脫硫速率而不用特別脫硅。
如上所述進(jìn)行的脫硫和脫磷可以提供一種高純度的熔融鐵，含有1.5到4.5％的[C]、約0.05％或更少的[Si]、約0.1％或更少的[Mn]、約0.05％或更少的[S]、約0.04％或更少的[P]和基本上全都是Fe的余量，這可以被極有效地用作煉鋼的原材料。尤其是，因?yàn)橥ㄟ^這種方法獲得的熔融鐵具有較高的純度和極少量的其他雜質(zhì)金屬成分，如果被用作煉鋼原料，例如，把約20％到50％與其他鐵原料(鐵屑或生鐵)一起，它可以作為從鐵屑來的雜質(zhì)金屬成分的稀釋劑，以獲得有較少含量的雜質(zhì)金屬成分的鋼。當(dāng)然，取決于在要使用的鐵屑中的雜質(zhì)金屬成分的含量，結(jié)合使用的還原鐵的比率可以選自上述的范圍之外，或者100％使用還原鐵以有效生產(chǎn)高鐵純度的鋼，并進(jìn)而使用EAF或BOF在煉鋼步驟的最后步驟有效地加入其他金屬成分生產(chǎn)合金鋼。
總的說來，因?yàn)橥ㄟ^根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的還原鐵具有顯著的特征，雜質(zhì)金屬含量極小，在生產(chǎn)鋼或各種合金鋼中通過利用這些特點(diǎn)可以得到廣泛的應(yīng)用。
然后，分別基于確定“固體還原鐵的金屬化60％或更高”、“在固體還原鐵中的含碳量還原殘留在固體還原鐵中的鐵氧化物所需的理論當(dāng)量的50％或更高(下文有時(shí)指用于FeO還原當(dāng)量的碳量)”、“固體還原鐵的比重1.7或更高”、和“在電弧加熱型熔化爐中生產(chǎn)的熔融鐵中的含碳量1.5％-4.5％”，更詳細(xì)地進(jìn)行說明。
確定“固體還原鐵的金屬化60％或更高”的依據(jù)在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備中制造的固體還原鐵的金屬化曲線取決于鐵氧化物原材料與要混合的含碳還原劑的混合比和還原條件而自然變化。金屬化的曲線表現(xiàn)出一種趨勢(shì)，例如，如圖3所示。
在圖3的曲線①中，點(diǎn)A表示一個(gè)金屬化為76％，殘留的碳含量為4.8％的點(diǎn)，點(diǎn)B表示一個(gè)金屬化為85％殘留碳含量為1.6％的點(diǎn)。相對(duì)于FeO的還原當(dāng)量的碳含量在點(diǎn)A的殘留碳量是142％，在點(diǎn)B為63.5％，還原碳含量隨時(shí)間的推移而降低。在圖3的曲線②是通過改變?cè)牧系幕旌媳认拗乒腆w還原鐵金屬化較低的一個(gè)例子。在任何情況下，隨還原的進(jìn)行金屬化急劇升高，當(dāng)金屬化隨時(shí)間的推移而增大時(shí)曲線的上升逐漸變緩。
另外，在生產(chǎn)固體還原鐵的連續(xù)工藝和在本發(fā)明采用的還原熔化中，在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備中生產(chǎn)的固體還原鐵的金屬化對(duì)電弧加熱型熔化爐(下文稱為電弧熔化爐)的可操作性有顯著的影響。例如，圖4是說明一個(gè)在電弧熔化爐中對(duì)鐵氧化物還原熔化時(shí)固體還原鐵的金屬化和功率消耗之間關(guān)系的例子的圖。對(duì)于還原鐵生產(chǎn)設(shè)備和電弧熔化爐進(jìn)行連續(xù)操作，確保電弧熔化爐穩(wěn)定操作非常重要。當(dāng)供應(yīng)到電弧熔化爐的電功率增加，必須增加熱供應(yīng)負(fù)荷，就增加了給予熔化爐襯里耐火材料的熱沖擊。因此，為了緩和對(duì)電極設(shè)備和爐壁的熱沖擊，就不得不增大爐體的大小，用實(shí)際和經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)這是很差的。
在通常的電弧熔化爐中，當(dāng)功率消耗超過800kWhtmi時(shí)，這一問題就變得很明顯。因此，為了避免上述問題，控制供應(yīng)到電弧熔化爐的固體還原鐵的金屬化為60％或更高，更優(yōu)選為70％或更高。
進(jìn)而，在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備中生產(chǎn)的固體還原鐵的金屬化的分散很大程度受金屬化的絕對(duì)值的影響，當(dāng)金屬化降低時(shí)分散就增加。另外，圖5是一張說明金屬化平均值為62.8％和80.2％的固體還原鐵的金屬化分散檢測(cè)結(jié)果的圖?？梢宰C實(shí)當(dāng)金屬化降低時(shí)分散非常顯著。在實(shí)際的操作中，因?yàn)楫?dāng)金屬化分散增加時(shí)目標(biāo)金屬化自身不穩(wěn)定，有必要把金屬化設(shè)得較高，以確保目標(biāo)金屬化穩(wěn)定。作為各種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，已經(jīng)證實(shí)金屬化的平均值應(yīng)當(dāng)是60％或更高，或更優(yōu)選地，是70％或更高，以在能精確操作的水平限制金屬化的分散。
確定“在固體還原鐵中的含碳量是FeO的還原當(dāng)量的50％或更高”的依據(jù)圖6是一張說明在各種條件下生產(chǎn)的固體還原鐵、檢測(cè)在固體還原鐵中用于還原FeO的碳含量和熔融爐渣中鐵氧化物的含量之間的關(guān)系的圖。在這一實(shí)驗(yàn)中，用一個(gè)20噸的EAF，使用金屬化為78到82％和具有不同F(xiàn)eO還原當(dāng)量的碳量的固體還原鐵，在熔化時(shí)熔融爐渣中具有不同的鐵氧化物(T.Fe)含量。從圖中也可以明顯證實(shí)，當(dāng)在固體還原鐵中含有的用于還原FeO的碳量(還原非還原鐵氧化物所需的碳理論當(dāng)量)，在熔融爐渣中的(T.Fe)就被限制在較低的水平，而當(dāng)碳含量小于用于FeO還原當(dāng)量(用于FeO還原當(dāng)量的碳量×0.5)的碳量的50％，在熔融爐渣中的(T.Fe)急劇升高，從而襯里耐火材料受到的腐蝕就非常顯著。因此，為了使襯里耐火材料受到的腐蝕降至最低，以確保穩(wěn)定操作，在固體還原鐵中的碳含量就應(yīng)是FeO還原當(dāng)量的碳量的50％或更多。
在這一實(shí)驗(yàn)中，為了控制在電弧熔化爐中產(chǎn)生的熔融鐵中的碳含量在2.1到2.4的范圍，用于補(bǔ)償不足的碳材料就被另外加入到電弧熔化爐中，但在熔融爐渣中的(T.Fe)不能被充分還原，除非不管這一添加的碳材料的量，在固體還原鐵中的殘留碳含量自身基本上達(dá)到FeO還原當(dāng)量的碳量的50％或更多。當(dāng)然可以認(rèn)為通過向殘留在固體還原鐵中的鐵氧化物中另外加入充分量的碳材料，以確保還原當(dāng)量的含碳量和在還原熔融鐵中的目標(biāo)碳含量。然而，實(shí)際上保持在熔融鐵中的碳含量在小于飽和碳含量的恒定的值極困難，而在熔融鐵中的含碳量隨著處理時(shí)間的推移逐漸增加，就不能獲得含目標(biāo)碳含量的熔融鐵，這是所不希望的。
確定“固體還原鐵的比重1.7或更高”的依據(jù)在采取本發(fā)明的方法通過預(yù)先還原與在固態(tài)碳材料混合在一起的鐵氧化物例如，MIDREX工藝、獲得成型產(chǎn)品的情況下，因?yàn)樵诿恳粋€(gè)成型產(chǎn)品的內(nèi)部形成了空穴，甚至在進(jìn)行初步還原的過程中混合了碳材料等，與生產(chǎn)的起初的還原鐵相比，固體還原鐵的比重顯著降低。
另一方面，如圖2中所解釋的那樣，為了增加在電弧熔化爐中還原和熔化固體還原鐵時(shí)還原和熔化的效率，使加入到電弧熔化爐中的固體還原鐵立刻沉浸到在熔融鐵上的熔融爐渣中，并有效接收整個(gè)爐上的電弧熱量是適合的。對(duì)于這一目的，固體還原鐵的比重具有很大的影響。另外，圖7是一幅說明通過使用比重從1.60到1.75(平均比重1.65)和1.8到2.3(平均比重2.1)的固體還原鐵，檢測(cè)在電弧熔化爐中固體還原鐵的比重對(duì)進(jìn)行還原和熔化的還原和熔化速率的影響的圖，其中橫坐標(biāo)代表當(dāng)每種還原鐵被單獨(dú)加入到熔融爐渣上的熔融速率，縱坐標(biāo)代表用于還原熔化連續(xù)加入的每種固體還原鐵的極限熔化速率。
從圖中可以明顯看出，當(dāng)固體還原鐵的平均比重在1.65時(shí)，如果固體還原鐵被連續(xù)加到熔融爐渣上，就不能觀察到固體還原鐵沉浸到熔融爐渣中的現(xiàn)象，而是觀察到大多數(shù)的固體還原鐵在熔融爐渣的表面進(jìn)行還原和熔化。因此，當(dāng)固體還原鐵被連續(xù)卸出時(shí)，熔化速率是單獨(dú)加入固體還原鐵時(shí)的100倍。熔化速率在這一水平，在實(shí)際規(guī)模上就不能通過連續(xù)加入實(shí)行還原和熔化。相反，對(duì)于平均比重為2.1的固體還原鐵，加入到熔融爐渣上的固體還原鐵就能迅速沉浸到爐渣中，并有效進(jìn)行還原和熔化，這樣，當(dāng)連續(xù)加入固體還原鐵時(shí)，與單獨(dú)加入的情況相比，熔化速率就顯著增加，就能達(dá)到單獨(dú)加入固體還原鐵時(shí)的約300倍。使熔化速率在這一水平，在工業(yè)規(guī)模就能有效實(shí)行連續(xù)還原熔化。
參照固體還原鐵的比重的影響，平均比重1.7作為邊界，在這一平均比重連續(xù)熔化速率劇烈改變，熔化情況顯著改變。而且，如果平均比重小于1.7，在工業(yè)規(guī)模就不能達(dá)到滿足連續(xù)操作的熔化速率，當(dāng)平均比重是1.7或更優(yōu)選的1.9或更高時(shí)，就能確保熔化速率足以進(jìn)行連續(xù)操作。
確定“在電弧加熱型熔化爐中生產(chǎn)的熔融鐵中的含碳量1.5％-4.5％”的依據(jù)一般地，在熔融鐵中的彈的量和氧的溶解量之間存在緊密的關(guān)系，當(dāng)在熔融鐵中的碳量降低時(shí)，在熔融鐵中的溶解氧的量就升高。而當(dāng)溶解氧的量較高時(shí)，熔融鐵的氧電位就增加，這對(duì)于脫硫是不利的。同時(shí)與熔融鐵平衡的熔融爐渣的氧電位也增加，因此，在熔融鐵中的FeO含量就增加，這就增加了與耐火材料的反應(yīng)性，使熔化爐的襯里腐蝕增大。所以，有必要確定在熔融鐵中的含碳量稍高，以增加脫硫作用的脫硫率，并抑制熔化爐襯里耐火材料的腐蝕，以延長(zhǎng)使用壽命。
另外，圖8是一幅通過各種實(shí)驗(yàn)總體說明在熔融鐵中的含碳量與脫硫率之間的關(guān)系的圖。在這一實(shí)驗(yàn)中，采取了一種向在罐中的熔融鐵注入CaO系列的脫硫劑的方法，當(dāng)脫硫劑的消耗恒定時(shí)處理數(shù)據(jù)。從圖中可以明顯看到，如果在熔融鐵中的含碳量小于1.5％，就不得不注入脫硫劑以確保目標(biāo)脫硫率，結(jié)果，大量的金屬鐵就被大量產(chǎn)生的爐渣吸收，增加了鐵的損失。這就是說，為了在實(shí)際規(guī)模中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，還有必要考慮其他問題，例如脫硫引起的爐渣處理，在熔融鐵中的含碳量應(yīng)是1.5％或更高，優(yōu)選是2.0％或更高，在罐中消耗較少量的脫硫劑以充分進(jìn)行脫硫。
然而，在熔融鐵中的含碳量在約4.5％達(dá)到飽和，為了獲得有飽和含碳量的熔融鐵而使用過量的含碳還原劑，這是不經(jīng)濟(jì)的。另外，因?yàn)樵陔S后的精煉中的脫氧負(fù)荷也增加，就需要限制含碳量在4.5％或更低，更優(yōu)選是3.5％或更低。
“熔融爐渣的堿度1.0-1.8”盡管在本發(fā)明中堿度(CaO/SiO2)不是一個(gè)主要的條件，它對(duì)在電弧熔化爐中的固體還原鐵的還原熔化效率起到的很小的影響，而對(duì)熔化爐襯里耐火材料的腐蝕起到顯著的影響。
這就是說，熔融爐渣的堿度對(duì)其流動(dòng)性具有顯著的影響，例如，如圖9所示，為了對(duì)固體還原鐵的還原熔化效率起到所希望的作用，當(dāng)堿度降低時(shí)，爐渣的熔化溫度降低，流動(dòng)性增加，否則就增加了與耐火材料的反應(yīng)性，使得襯里的腐蝕增大。另一方面，當(dāng)堿度增加時(shí)，爐渣的熔融溫度升高，因此，就不得不提高爐內(nèi)溫度以熔化爐渣，從熱能的觀點(diǎn)就產(chǎn)生了消極效果，另外，由于高溫對(duì)爐體的熱效應(yīng)也增加。這一趨勢(shì)如圖9所示，當(dāng)爐渣監(jiān)督少于1.0或超過1.8就變得明顯，這樣就希望控制在熔化爐中的熔融爐渣的堿度在1.0到1.8的范圍，更優(yōu)選是1.3到1.6的范圍。
本發(fā)明的實(shí)施例如下所述。本發(fā)明并不限于下面的實(shí)施例，只要在本發(fā)明的范圍和包括在本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，可以適當(dāng)修改進(jìn)行實(shí)施。
實(shí)施例使用每份鐵礦、煤炭和少量粘合劑(膨潤(rùn)土)的粉碎產(chǎn)品并進(jìn)行混合，使得在煤炭中的碳在在鐵礦中的鐵氧化物的理論當(dāng)量?jī)?nèi)。然后在制球機(jī)中把它們成型為直徑約13到20mm的基本上是球形的形狀，使用混合有含碳還原劑的含鐵氧化物的成型產(chǎn)品作為主要新鮮(green)的成型產(chǎn)品。下面說明的是用于鐵礦和煤炭的組成的一個(gè)例子。
鐵礦組成T.Fe＝65％，F(xiàn)eO＝＝0.7％，SiO2＝2.5％Al2O3＝2.10％.CaO＝0.04％煤炭組成總碳量＝77.6％，固定碳＝71.2％揮發(fā)成分＝17.0％，灰份＝11.8％把成型產(chǎn)品(新鮮)供應(yīng)到回轉(zhuǎn)爐底式的還原鐵生產(chǎn)設(shè)備中，在1250℃到1350℃進(jìn)行還原生產(chǎn)還原鐵，在回轉(zhuǎn)爐中的平均停留時(shí)間是7到9分鐘。在獲得的固體還原鐵中的非還原鐵氧化物和殘留碳的量依加熱還原條件而不同。在這一實(shí)施例中，每次控制熱還原條件使得在固體還原鐵中的鐵氧化物的金屬化是60％或更高。表1表明固體還原鐵金屬化和組成的一個(gè)例子。進(jìn)而，通過類似實(shí)驗(yàn)獲得的固體還原鐵氧化物的重量和比重，例如圖10所示，其中所含有的平均比重是1.7到2.5，與每件的重量有關(guān)。
表1
(注)Ceq用于FeO還原當(dāng)量的碳的量Ceq/2對(duì)應(yīng)于用于FeO還原當(dāng)量的碳的量的1/2。
在盡可能不與大氣接觸，并保持高溫(在本實(shí)驗(yàn)是1000℃)的情況下，將通過還原鐵生產(chǎn)設(shè)備獲得的固體還原鐵連續(xù)加入到安置在還原鐵生產(chǎn)設(shè)備附近的電弧加熱熔化爐中，并進(jìn)一步進(jìn)行還原和熔化。在這種情況下，在熔化爐中保持預(yù)定量的熔融鐵，將漂浮在熔融鐵上的爐渣的堿度調(diào)節(jié)到1.0到1.8的范圍，以沉浸式電極的形式向熔融爐渣中供給電流，并采用一種沉浸的電弧加熱系統(tǒng)。然后，向電弧加熱部位加入固體還原鐵，另外向加入固體還原鐵的部位加入煤炭，用電弧加熱繼續(xù)進(jìn)行還原熔化。
在還原熔化步驟中的固體還原鐵比其他氧化物如爐渣形成劑含較多的SiO2。因?yàn)閴A度隨在熔化爐中的還原鐵的熔化的繼續(xù)進(jìn)行而降低，加入主要含生石灰、可選為煅燒白云石的熔劑，以控制熔融爐渣的堿度至1.0到1.8的范圍。另外，已經(jīng)證實(shí)如果熔融鐵的堿度超過上述的1.8％，熔融爐渣就變得粘稠，固體還原鐵就不易沉到熔融爐渣中，熱還原效率就降低，反之，如果堿度低于1.0％，對(duì)襯里耐火材料的腐蝕就很明顯。
在熱還原步驟中，加入熔融爐渣上的固體還原鐵吸收電弧的熱量，同時(shí)與熔融的爐渣接觸，通過殘留在其內(nèi)部的碳成分繼續(xù)對(duì)還原鐵氧化物進(jìn)行還原，把CO氣體釋放到固體還原鐵的表面，由于CO氣體固體還原鐵劇烈地到處移動(dòng)，熔融爐渣劇烈轟鳴。然后，由于噴吹引起熔融爐渣比重降低，固體還原鐵沉降到熔融爐渣中，并進(jìn)一步降低了熱還原，在向其周圍另外加入含碳還原劑的作用下，非還原鐵就基本上被還原和熔化，然后合并到下面的熔融鐵中。
在這種情況下，如果要加入的固體還原鐵的比重是1.7或更高，優(yōu)選是1.8或更高，更優(yōu)選是1.9或更高，在從熔融爐渣上加入的固體還原鐵迅速沉降到熔融爐渣中，在較短的時(shí)間內(nèi)就能有效地進(jìn)行熱還原，否則如果比重小于1.7，加入的固體還原鐵就不易沉降到熔融爐渣中，這樣從熔融爐渣來的熱傳導(dǎo)就不足，噴吹降低，使得熱還原所需的時(shí)間明顯延長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)于在熔融爐渣中的鐵氧化物的熔化量也增加，容易引起熔化爐襯里的腐蝕。
進(jìn)而，如果在固體還原鐵中的含碳量少于還原在固體還原鐵中的非還原鐵氧化物所需理論碳量的50％，還原效率就不足，即使向熔化爐中另外加入含碳還原劑，還原速率也較慢，在熔融爐渣中的鐵氧化物的含量顯著增加，引起襯里耐火材料的腐蝕。
進(jìn)而，在熱還原步驟中，定期對(duì)熔融鐵進(jìn)行采樣以測(cè)定含碳量，控制另外加入的含碳還原劑的量，使得碳量在1.5到4.5％的范圍之內(nèi)。
連續(xù)進(jìn)行熱還原熔化步驟，在熔化爐中的停滯的熔融鐵的量預(yù)先確定的情況下，把熔融鐵從安置在熔爐底部的卸料孔卸到罐中，同時(shí)，將適量的熔融鐵爐渣通過安置在熔化爐側(cè)壁的爐渣卸料孔卸出，以控制剩余在熔爐中的爐渣的量。
進(jìn)行這一熱還原熔化的具體條件和其結(jié)果如下舉例說明(還原鐵的特性)固體還原鐵等的組成在表1中的3號(hào)(金屬化80％)向電弧加熱型熔化爐中進(jìn)料的溫度1000℃進(jìn)料方法連續(xù)進(jìn)料(電弧加熱型熔化爐的操作條件)電弧加熱電極的功率消耗約565KWh/Tmi(mi要生產(chǎn)的熔融鐵)(進(jìn)料種類和數(shù)量)生石灰92.2kg/tmi，煅燒白云石21.5kg/tmi
另外加入的煤炭的量約20kg/tmi還原鐵的單位消耗1227kg/tmi(用于形成要獲得的熔融鐵和爐渣的組合物)熔融鐵C2.0％，Si0.03％或更低，Mn0.05％或更低，P0.043％，S0.137％，溫度1550℃形成的爐渣CaO36.5％，SiO226.1％，Al2O318.2％，MgO10.0％T.Fe6.3％，堿度1.4從前面可以明顯看出，在還原熔化步驟中熔融鐵中的Si含量被充分降低，因?yàn)樽鳛闊掍摰牟牧蟂含量和P含量太高，在一個(gè)罐中進(jìn)行脫硫和脫磷，以獲得下面組成的熔融鐵。
用于脫硫的材料含鈣熔劑組成CaO83-90％，CaF26-10％，C4.0％，消耗約12kg/tmi用于脫硫的材料含鈣熔劑+Fe2O3組成CaO44-45％，CaF27-8％，F(xiàn)e2O347-48％，消耗約20kg/tmi在脫硫和脫磷后的熔融鐵組成C1.8-2.0％，Si痕量，Mn0.02％，P0.032，S0.038％把脫硫和脫磷后的熔融鐵(1450℃)與如下的鐵屑和生鐵一起進(jìn)料到一個(gè)EAF和電熔爐中進(jìn)行煉鋼，同時(shí)假如下面的次要-材料，并吹入少量的氧生產(chǎn)下面組成的熔融鋼。
(加入到電弧熔爐的材料)脫硫和脫硫熔融鐵40％，鐵屑50％，生鐵10％(次要-材料)生石灰50.2kg/tmi，煅燒白云石10kg/tmi，硅石15.1kg/tmi氧氣吹量約18Nm3/tmi(獲得的熔融鐵的組成)
C0.10％，Mn0.06％，Si痕量，S0.022％，P0.018％上述的實(shí)驗(yàn)說明的是，把在電弧加熱型熔化爐中制備并進(jìn)行脫硫和脫磷的熔融鐵按其原樣以熔融狀態(tài)供應(yīng)到EAF中，即，以保持在高溫的狀態(tài)并用作煉鐵材料的例子，但是也可以把熔融鐵供應(yīng)到BOF中作為煉鋼材料，也可以一次取出熔融鐵放到鑄模中并冷卻固化，有效地用作煉鋼的半成品。
最后，應(yīng)當(dāng)注意的是鑒于上述技術(shù)可能對(duì)本發(fā)明進(jìn)行許多修改和變動(dòng)。因此應(yīng)當(dāng)理解到，在附加的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)可以超出此處的具體描述另外實(shí)施本發(fā)明。
這一申請(qǐng)是基于在1997年9月1日向日本專利局申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮镠ei 9-236214的日本專利，其全部?jī)?nèi)容在這里引用并作為參考。
本發(fā)明由如上部分構(gòu)成，能夠穩(wěn)定保持高的還原效率，能夠把對(duì)加工熔爐的襯里耐火材料的腐蝕降至最低，以延長(zhǎng)熔爐的使用壽命，除了有如上的效果外，在工業(yè)規(guī)模還能以較少的能量損失有效地使用混合有含碳還原劑的含鐵氧化物的成型產(chǎn)品，并作為主要原料進(jìn)行還原鐵的生產(chǎn)，通過進(jìn)一步還原和熔化獲得的固體還原鐵生產(chǎn)高純度的熔融鐵。而且，因?yàn)橥ㄟ^這一方法獲得的還原鐵具有較少的雜質(zhì)金屬成分，使用這種還原鐵作為煉鋼材料不僅能產(chǎn)生高純度的鋼材料，也有助于調(diào)節(jié)生產(chǎn)合金鋼的成分。而且，當(dāng)把煉鋼爐安置在電弧加熱型熔化爐的附近時(shí)，就能把通過熔化爐產(chǎn)生的熔融鐵或其脫硫和脫磷鐵以具有高熱的熔融狀態(tài)供應(yīng)到煉鋼爐中作為煉鋼原材料，因?yàn)樵谌廴跔顟B(tài)具有的熱量可以被有效利用為煉鋼的熱源，可以降低熱能，進(jìn)而從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)出發(fā)，建立了一種從還原鐵的生產(chǎn)到煉鋼的高效的直通的方法。
權(quán)利要求
1.一種制備含碳量為1.5％到4.5％的熔融鐵的煉鐵方法，其特征在于該方法包括(a)提供鐵氧化物和含碳還原劑；(b)用含碳還原劑和鐵氧化物制備一種成型產(chǎn)品；(c)從成型產(chǎn)品制備固體還原鐵，其中該固體還原鐵的金屬化至少為60％，比重至少為1.7；含碳量至少為還原殘留在固體還原鐵中的鐵氧化物所需的理論量的50％；(d)在大幅度冷卻之前，在電弧加熱型熔化爐中高溫加熱該固體還原鐵，從而制備含碳量1.5到4.5％的熔融鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述還原鐵在電弧加熱型熔化爐中被加熱到700到1,300℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于一種含碳還原劑被加到電弧加熱型熔化爐中固體還原鐵的進(jìn)料位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在該固體還原鐵被加到電弧加熱型熔化爐的熔融爐渣中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于該熔融爐渣的pH為1.0到1.8。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于該熔融爐渣含9％或更少的鐵氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該熔融爐渣含5％或更少的鐵氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)該熔融鐵的含碳量進(jìn)行測(cè)定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)從電弧加熱型熔化爐排出的氣體的組成和量進(jìn)行測(cè)定。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于對(duì)該釋放氣體的氧當(dāng)量進(jìn)行測(cè)定。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在電弧加熱型熔化爐中的該熔融鐵被傳送到另一個(gè)容器中并進(jìn)行脫硫。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在電弧加熱型熔化爐中的該熔融鐵被傳送到另一個(gè)容器中并進(jìn)行脫磷。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該熔融鐵含0.05％或更少的Si。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該熔融鐵含0.1％或更少的Mn。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該熔融鐵含0.1％或更少的P。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該熔融鐵含0.2％或更少的S。
17.一種煉鋼方法，其特征在于向煉鋼熔爐中加入如權(quán)利要求1所述的熔融鐵，然后進(jìn)行煉鋼。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于煉鋼熔爐是電弧熔爐(EAF)或堿型氧熔爐(BOF)。
19.一種煉鋼方法，其特征在于包括(a)冷卻如權(quán)利要求1制備的熔融鐵，從而制備出凝固鐵；并(b)向煉鋼熔爐中加入該凝固鐵，然后煉鋼。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于煉鋼熔爐是電弧熔爐(EAF)或堿型氧熔爐(BOF)。
全文摘要
制備熔融鐵的方法,包括:提供鐵氧化物和含碳還原劑;用含碳還原劑和鐵氧化物制備一種成型產(chǎn)品;從成型產(chǎn)品制備固體還原鐵,其中該固體還原鐵的金屬化至少為60%,比重至少為1.7;含碳量至少為還原殘留在固體還原鐵中的鐵氧化物所需的理論當(dāng)量的50%;在大幅度冷卻之前,在電弧加熱型熔化爐中高溫加熱該固體還原鐵?？梢詮暮剂枯^低的鐵礦中有效制備熔融鐵,而不引起耐火材料的腐蝕,能量利用效率高,還原效率高,設(shè)備簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)C21B13/00GK1268187SQ9880860
公開日2000年9月27日 申請(qǐng)日期1998年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月1日
發(fā)明者浦上昭, 伊東修三, 德田耕司 申請(qǐng)人:株式會(huì)社神戶制鋼所