專(zhuān)利名稱(chēng)：用于還原金屬氧化物的方法以及用于該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于還原金屬氧化物，尤其是氧化鐵的方法，本發(fā)明還涉及用于實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，直接還原金屬氧化物，尤其是直接還原礦石和回收的各種金屬氧化物已經(jīng)有了相當(dāng)大的發(fā)展。
在文獻(xiàn)LU-60981-A(Societe Anonyme des Minerais)中公開(kāi)了一種用于生產(chǎn)海綿鐵的方法，該方法包括使用連續(xù)旋轉(zhuǎn)爐膛的反應(yīng)器，該連續(xù)旋轉(zhuǎn)爐膛的反應(yīng)器能夠使材料從側(cè)部向中心移動(dòng)，首先供給煤，然后，在使該煤形成焦炭后，加入鐵礦石，該鐵礦石成顆粒狀或粉末狀，并預(yù)熱至反應(yīng)溫度。且在旋轉(zhuǎn)爐膛進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定刮板使得煤朝著爐子的中心運(yùn)動(dòng)，并使該成焦炭的煤與礦石混合。反應(yīng)后，爐料通過(guò)中心軸排出。
該技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是煤的揮發(fā)性組分并不參與金屬氧化物的還原。且該方法不能獲得較高的生產(chǎn)率，也不能使?fàn)t料的溫度和材料高度均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種還原金屬氧化物的方法，該方法能夠更高效地利用含碳還原劑的揮發(fā)性組分的還原能力。
根據(jù)本發(fā)明，該目標(biāo)通過(guò)一種在爐子中還原金屬氧化物的方法而實(shí)現(xiàn)，該爐子有環(huán)形旋轉(zhuǎn)爐膛，其中，含碳還原劑和金屬氧化物沉積在所述旋轉(zhuǎn)爐膛的一部分上的帶狀區(qū)域(strip)中，然后通過(guò)大致螺旋形的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)送到排料裝置。第一部分還原劑在金屬氧化物沉積到旋轉(zhuǎn)爐膛上之前或在沉積的同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱并與預(yù)熱的金屬氧化物混合，第二部分還原劑沉積在混合物上，且含碳的還原劑的揮發(fā)性組分以及一氧化碳用于還原金屬氧化物。
與現(xiàn)有技術(shù)的方法不同，本發(fā)明的方法利用了含碳還原劑的揮發(fā)性組分中的至少一部分，尤其是甲烷和氫氣，因?yàn)樗鼈兙哂羞€原能力。
本發(fā)明的方法能夠通過(guò)使金屬氧化物和含碳還原劑混合以及通過(guò)高效利用含碳還原劑的揮發(fā)性組分的還原能力，從而提高反應(yīng)速率，含碳還原劑的揮發(fā)性組分的高效利用是通過(guò)迫使該揮發(fā)性組分通過(guò)預(yù)熱的混合物而實(shí)現(xiàn)的，該預(yù)熱的混合物形成爐料。
本方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于該含碳還原劑中的揮發(fā)性組分，即干餾氣體在第一階段中用于還原金屬氧化物，而在已知方法中，這些氣體被燃燒和用于加熱固體材料。
因此，金屬氧化物通過(guò)兩個(gè)階段進(jìn)行還原，或者通過(guò)至少兩種不同的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行還原。該還原階段可以同時(shí)或依次進(jìn)行。
第一還原階段利用在含碳還原劑的加熱過(guò)程中釋放的氫氣和/或甲烷來(lái)進(jìn)行。在溫度低于900℃時(shí)，這些反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)比一氧化碳的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)更好。在工作條件下，尤其是在反應(yīng)溫度下，前述揮發(fā)性組分逐漸釋放并與沉積在爐膛的金屬氧化物接觸，這樣，它們參與所述氧化物的還原反應(yīng)。
金屬氧化物和所釋放的還原氣體在盡可能高的溫度下接觸，但是不會(huì)使還原反應(yīng)的進(jìn)程破壞。
將一定量的還原劑分成幾部分并使這些部分依次沉積的作用是能夠盡可能地利用還原劑中的揮發(fā)性組分。沉積在還原劑和金屬氧化物的混合物層上的第二部分還原劑能夠使得已經(jīng)還原的金屬氧化物在爐子中的滯留過(guò)程中避免重新氧化。
當(dāng)該第二部分還原劑再分成幾個(gè)小部分時(shí)，能夠使得還原劑中的揮發(fā)性組分在沒(méi)有與金屬氧化物反應(yīng)的情況下就溢出沉積層的量減至最小。而且，它還能使富含還原物的層與爐料的上表面接觸，這又能使已經(jīng)部分還原但還在該爐子中的金屬氧化物的重新氧化的量最小，同樣，這還能使得在表面上形成的鐵橄欖石減至最少。
優(yōu)選，沉積在爐料上的第二部分含碳還原劑再分成幾個(gè)小部分。優(yōu)選在這些部分沉積之前對(duì)它們進(jìn)行加熱。
優(yōu)選，這些小部分占所用的還原劑的總量的20％，該量取決于所用的氧化物和還原劑以及反應(yīng)條件。例如，第二部分的含碳還原劑再分成兩個(gè)小部分，每個(gè)小部分占所加入的還原劑的總量的10％。
第二部分還原劑中的至少一個(gè)小部分可以在沉積之前或在進(jìn)行沉積時(shí)與金屬氧化物混合。該混合物可以包括60至100％的含碳還原劑和0至40％的金屬氧化物，優(yōu)選80至100％的含碳還原劑和0至20％的金屬氧化物，其中，這些值取決于所用的金屬氧化物和還原劑的種類(lèi)以及反應(yīng)條件。
重要的是應(yīng)當(dāng)知道，所加入的還原劑的性質(zhì)和/或種類(lèi)并不必須相同。因此可以選擇第一部分還原劑更富含揮發(fā)性物質(zhì)，而隨后進(jìn)行沉積的第二部分還原劑則含有較少的揮發(fā)性物質(zhì)，或者相反。
第一和/或第二部分的含碳還原劑優(yōu)選預(yù)熱至溫度為200℃，而金屬氧化物優(yōu)選預(yù)熱至溫度為850℃。
優(yōu)選使所引入的金屬氧化物的供給溫度盡可能高，同時(shí)又不會(huì)使它們燒結(jié)。
優(yōu)選，通過(guò)從由爐子排出到換熱器內(nèi)的燃?xì)庵谢厥盏臒崃縼?lái)對(duì)這些組分進(jìn)行預(yù)熱。
這些工作條件導(dǎo)致單位表面積的生產(chǎn)能力增加，還導(dǎo)致對(duì)于所獲得的單位量的已還原金屬氧化物，排出到大氣中的二氧化碳的量減少。
本方法還有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即由于控制了這些氣體的速度，同時(shí)使?fàn)t子的容積最小，因此排放到該爐子外的灰塵更少。在大批量生產(chǎn)中，與已知方法生產(chǎn)的產(chǎn)品相比，本方法所獲得的海綿狀金屬的還原程度更均勻。
優(yōu)選，所用的含碳還原劑過(guò)量至少10％，該過(guò)量定義為相對(duì)于理論上還原該氧化物所需的量。
根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施方式，提出了一種用于在旋轉(zhuǎn)爐膛的爐子中直接還原金屬氧化物的方法，在該爐子中，在爐膛的稱(chēng)為裝料區(qū)的部分上沉積有包含了幾層的爐料，該裝料區(qū)占據(jù)了環(huán)的一定寬度，這取決于爐子的直徑和容量。這些層可以同時(shí)沉積或依次沉積。
在這些層中的金屬氧化物和含碳還原劑的濃度可以不同，優(yōu)選，在上層的金屬氧化物的濃度高于在下層的金屬氧化物的濃度。優(yōu)選，該下層含有過(guò)量的含碳還原劑。因此，在上層中的含碳還原劑的濃度小于在下層中的含碳還原劑的濃度。這時(shí)，金屬氧化物的濃度有一個(gè)梯度，該濃度為沿從爐膛到爐料的上表面的方向增加。因此，在較深層中釋放出更大量的揮發(fā)性組分，這些氣體穿過(guò)這些層朝著爐料的上表面擴(kuò)散，這時(shí)，這些揮發(fā)性組分將遇到更高濃度的金屬氧化物。因?yàn)橄聦拥臏囟鹊陀谏蠈拥臏囟?，含碳還原劑的揮發(fā)性組分在下層中逐漸釋放，且這些揮發(fā)性組分在朝著上表面擴(kuò)散的過(guò)程中將遇到非常熱的金屬氧化物。實(shí)際上，上層比下層熱，首先因?yàn)樯蠈雍休^高濃度的金屬氧化物，該金屬氧化物預(yù)熱至比含碳還原劑更高的溫度，其次因?yàn)樯蠈优c爐子的氣體接觸。因此，揮發(fā)性組分將更有效地參與金屬氧化物的還原。
優(yōu)選，在下層的含碳還原劑的濃度處在金屬氧化物的完全還原所需的理論濃度與重量濃度為100％之間，優(yōu)選，重量濃度在30％與70％之間，尤其優(yōu)選，重量濃度在35％和60％之間。
在上層中的含碳還原劑的重量濃度優(yōu)選小于25％，尤其優(yōu)選該重量濃度小于16％。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，爐料在該爐子內(nèi)加熱至溫度為900-1250℃，優(yōu)選1050-1150℃。
優(yōu)選，含碳還原劑和金屬氧化物的混合物或者爐料在它們處于爐子內(nèi)時(shí)翻轉(zhuǎn)和逐漸混合。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方式，爐料表面的形狀為在該爐料上形成溝槽或小丘，以便通過(guò)增加爐子的輻射作用和通過(guò)增大與爐子中的氣體的換熱表面面積而增強(qiáng)該爐子的上部與爐料之間的換熱。
溝槽或小丘的斜率通常在20°和65°之間，優(yōu)選在40°和65°之間。
優(yōu)選，在爐料的表面上產(chǎn)生鋸齒形表面。
第二部分的還原劑所分成的小部分既可以添加到溝槽的基部，也可以添加到溝槽的頂部。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，爐料或混合物加入到環(huán)形爐膛的內(nèi)側(cè)部分，并通過(guò)大致螺旋形的運(yùn)動(dòng)而朝著爐膛的外側(cè)部分傳送，并且在反應(yīng)后通過(guò)該環(huán)的外側(cè)部分排出。
該混合物通常在轉(zhuǎn)4圈或更多圈后排出。
優(yōu)選，第二部分含碳還原劑中的至少一個(gè)小部分在所述混合物排出之前的至少一圈處沉積在混合物上。
含碳還原劑和金屬氧化物的混合物的層優(yōu)選沉積在與環(huán)的1/4或更小寬度相對(duì)應(yīng)的一部分上。
優(yōu)選，第二部分還原劑沉積在與環(huán)的1/4寬度相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)爐膛部分上。
在爐料處于爐子內(nèi)時(shí)，該爐料的容積密度減小，也就是其容積增大。爐料的流動(dòng)性改變，尤其是靜止角增加，也就是，隨著爐料在該旋轉(zhuǎn)爐膛的爐子中的前進(jìn)，小丘或溝槽的斜率可以變得更加陡峭。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，當(dāng)爐料從旋轉(zhuǎn)爐膛的中心部分向外側(cè)部分傳送時(shí)，容積的增大通過(guò)改變以下參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)而進(jìn)行補(bǔ)償帶的寬度、溝槽的基部的寬度、溝槽的數(shù)目和溝槽的斜率。
優(yōu)選，在還原過(guò)程中釋放的氣體的后燃燒在該爐子的環(huán)的內(nèi)側(cè)部分中進(jìn)行。
優(yōu)選，氣體的排出和爐料在爐子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)沿徑向相反的方向進(jìn)行。
還原劑和金屬氧化物都通過(guò)從燃燒氣體和后燃燒的氣體中回收的熱量而進(jìn)行預(yù)熱。
顯然，優(yōu)選將一些石灰石與金屬氧化物和/或含碳還原劑混合，首先是因?yàn)樗鍪沂鸬椒磻?yīng)的催化劑的作用，其次是因?yàn)樵撌沂芊乐钩霈F(xiàn)海綿狀金屬的粘結(jié)現(xiàn)象。此外，該石灰石通常還有利于生鐵的脫硫和有利于形成有更好流動(dòng)性的爐渣或熔渣。
在一個(gè)特殊應(yīng)用中，由金屬氧化物和含碳還原劑的混合物組成的層由一層包含這些組分的顆粒而形成。
術(shù)語(yǔ)“金屬氧化物”包括金屬礦石，尤其是鐵礦石和從制鐵和制鋼過(guò)程及鑄造過(guò)程中回收的金屬氧化物，例如從高爐、鋼廠、電爐或軋鋼廠回收的金屬氧化物，該“金屬氧化物”還包括這些氧化物源與純焦炭或與煤的混合物，需要時(shí)該混合物成顆粒狀的形式。
術(shù)語(yǔ)“含碳的還原劑”應(yīng)當(dāng)理解為任意成固體或液體形式的含碳材料，例如煤、褐煤和石油衍生物。通常，該還原劑是煤，該煤在處理中有盡可能高的揮發(fā)性組分濃度，優(yōu)選，該揮發(fā)性組分的濃度大于15％。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種旋轉(zhuǎn)爐膛的爐子，用于還原金屬氧化物，所述爐子包括一環(huán)形旋轉(zhuǎn)爐膛，該環(huán)形爐膛再細(xì)分成一裝料區(qū)，至少一個(gè)中間區(qū)域，該中間區(qū)域鄰近裝料區(qū)，一排料區(qū)，該排料區(qū)鄰近中間區(qū)域，該裝料區(qū)包括一個(gè)用于在旋轉(zhuǎn)爐膛的帶狀部分上沉積爐料的裝置，該爐料包括一層或多層金屬氧化物和還原劑的混合物；該爐子的中間區(qū)域或者還有裝料區(qū)包括一個(gè)用于在爐膛旋轉(zhuǎn)時(shí)逐漸攪拌該爐料的上面部分和下面部分，并同時(shí)使該爐料徑向運(yùn)動(dòng)的裝置；該爐子的中間區(qū)域或者還有裝料區(qū)包括一個(gè)用于在爐料上沉積一層或多層還原劑或者混合有金屬氧化物的還原劑的裝置；該排料區(qū)包括一個(gè)排料裝置，該排料裝置能夠使金屬化的爐料在一個(gè)或多個(gè)排料點(diǎn)處排出。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，該爐子包括用于在沉積層的表面上產(chǎn)生溝槽或小丘的裝置，從而獲得基本鋸齒形的表面。
用于沉積一層或多層金屬氧化物和還原劑的混合物的裝置以及用于在爐料上沉積一層或幾層還原劑或者金屬氧化物和含碳還原劑的第一混合物的裝置可以包括一個(gè)用于在該層的沉積之前、之后或期間對(duì)含碳還原劑和金屬氧化物進(jìn)行混合同時(shí)加熱的裝置。
優(yōu)選，該爐子包括用于攪拌的裝置，該裝置包括攪拌器，該攪拌器有葉片，該葉片布置成象攪拌器的齒，所述攪拌器徑向固定和布置在該爐子中。
優(yōu)選，所述攪拌器包括葉片，該葉片穿入該層的同時(shí)使該混合物徑向朝該環(huán)的排料側(cè)移動(dòng)。
該葉片通常是偏置的，即布置為相對(duì)于由前面的攪拌器的葉片所形成的溝槽或小丘成稍微交疊的形式，這樣可以將各溝槽的一面移去或整平，從而形成新的溝槽。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，該裝置能夠通過(guò)第一作用而將鋸齒的峰頂向下帶入溝槽的凹谷內(nèi)，該鋸齒的峰頂是溝槽的最熱的部分，且該裝置能夠通過(guò)第二作用而使各鋸齒的一個(gè)表面運(yùn)動(dòng)到相鄰鋸齒的表面上，從而覆蓋通過(guò)第一作用而帶下的材料。
優(yōu)選，該葉片的工作角為相對(duì)于溝槽的切線所成的角度在20°和30°之間。該葉片的工作角在任何時(shí)候都能進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便使?fàn)t料的徑向移動(dòng)方向反轉(zhuǎn)和增加爐料在爐子中的滯留時(shí)間。
優(yōu)選，該葉片的形狀為能使?fàn)t料翻轉(zhuǎn)。
根據(jù)一個(gè)特殊實(shí)施方式，該排料裝置包括一個(gè)蝸桿傳送器或?qū)虬?。?dāng)采用導(dǎo)向板來(lái)實(shí)現(xiàn)該爐子的排料時(shí)，該爐子的環(huán)的寬度能夠大于當(dāng)采用蝸桿傳送器時(shí)的寬度。實(shí)際上，使?fàn)t子內(nèi)達(dá)到較高溫度后，超過(guò)一定長(zhǎng)度的蝸桿驅(qū)動(dòng)器將產(chǎn)生機(jī)械過(guò)載。
優(yōu)選采用能保證以固定速率排料的排料裝置。這樣的排料裝置優(yōu)選包括一個(gè)或多個(gè)用于將溝槽或小丘的頂部犁平以獲得大致平表面的裝置和一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)向板。
這時(shí)，該導(dǎo)向板規(guī)則地布置在爐子的排料區(qū)。各導(dǎo)向板的孔的角度和/或穿入深度將根據(jù)它們相對(duì)于旋轉(zhuǎn)爐膛的位置而進(jìn)行選擇。優(yōu)選，該爐子包括安裝在該活動(dòng)爐膛爐子的外壁內(nèi)和/或在爐頂外環(huán)內(nèi)的燃燒器，以便使?fàn)t子的溫度保持在大約1200至1550℃，優(yōu)選大約1400℃。


下面將參考由附圖表示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式來(lái)詳細(xì)介紹本發(fā)明。
圖1表示了回轉(zhuǎn)爐的平面投影圖，并表示了在該回轉(zhuǎn)爐中的攪拌器分布。
圖2表示了穿過(guò)該回轉(zhuǎn)爐的剖面的垂直投影圖。
圖3表示了在裝料過(guò)程中形成的溝槽。
圖4表示了由于位于固定攪拌器上的葉片的第一作用而引起的、在爐料中的溝槽。
圖5表示了由于位于固定攪拌器上的葉片的第二作用而引起的、在爐料中的溝槽。
圖6表示了穿過(guò)攪拌器和葉片的剖面的垂直投影圖，其中一個(gè)臂將該葉片固定到攪拌器上。
具體實(shí)施例方式
圖1中表示了本發(fā)明方法的工作原理。
在圖1和2中，第一裝料區(qū)標(biāo)號(hào)為1，第二裝料區(qū)標(biāo)號(hào)為20，通過(guò)幾個(gè)導(dǎo)向板而從回轉(zhuǎn)爐膛3中排料的區(qū)域標(biāo)號(hào)為2，該爐膛3沿由箭頭4所示的逆時(shí)針?lè)较蚶@爐的軸線5進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。固定在該爐的外壁上的燃燒器標(biāo)號(hào)為6，燃燒氣體穿過(guò)標(biāo)號(hào)為7的內(nèi)壁而排出，并送至由標(biāo)號(hào)8表示的換熱器。支承葉片的攪拌器以參考標(biāo)號(hào)9表示，氧氣注入口以參考標(biāo)號(hào)10表示，而參考標(biāo)號(hào)11表示爐料。
圖3表示在經(jīng)過(guò)葉片之前的溝槽12。
圖4表示在葉片作用之前溝槽的峰頂13的平整。
圖5表示由于葉片的第二作用而引起的溝槽14的平整。
圖6表示穿過(guò)攪拌器15以及葉片18的剖面的垂直投影圖，其中，該攪拌器15具有外部絕熱材料和內(nèi)部水冷腔室17，該葉片18有一個(gè)臂19，該臂19將該葉片固定在攪拌器上。
下面將更詳細(xì)地介紹雙重作用葉片的作用。爐子的進(jìn)口提供有用于在爐料的表面產(chǎn)生具有三角形截面的溝槽的裝置，以便獲得鋸齒形的表面。在延伸至裝料區(qū)的中間區(qū)域中，該爐子包括另外的雙重作用裝置，該雙重作用裝置通過(guò)第一作用而將構(gòu)成各鋸齒的峰頂?shù)牟牧舷蛳滤腿氲较噜彴脊炔糠种?，以便防止該峰頂?shù)牟牧峡焖偌訜岫_(dá)到燒結(jié)溫度和/或熔點(diǎn)，而達(dá)到燒結(jié)溫度和/或熔點(diǎn)將使得它們與爐料的混合以及金屬氧化物的還原更困難。第二作用將移去各鋸齒的一個(gè)面，且需要時(shí)也移去基部的一部分，該移去的材料運(yùn)動(dòng)到相鄰鋸齒的表面上并覆蓋通過(guò)第一作用而帶下的材料。因此，當(dāng)爐膛旋轉(zhuǎn)時(shí)，爐料在不斷增加的深度上逐漸混合并徑向運(yùn)動(dòng)，在爐料的每轉(zhuǎn)一圈的最后階段，鋸齒的基部徑向移動(dòng)一段或幾段，所經(jīng)過(guò)的總距離對(duì)應(yīng)于裝料區(qū)的寬度。
在隨后的第二中間區(qū)域中，該爐子包括類(lèi)似的雙重作用裝置，從而使其能夠通過(guò)第一作用而移去鋸齒的峰頂，并將該部分帶入相鄰的凹谷中。第二作用將使各鋸齒的一個(gè)表面向下移向爐膛，該移去部分運(yùn)動(dòng)到相鄰鋸齒的表面上，并覆蓋通過(guò)第一作用而帶來(lái)的材料。當(dāng)爐膛旋轉(zhuǎn)時(shí)，爐料徑向運(yùn)動(dòng)，以便在旋轉(zhuǎn)數(shù)圈后朝著環(huán)的、與該裝料區(qū)相對(duì)的部分排出，優(yōu)選在4圈或更多圈后。
當(dāng)然，這兩個(gè)區(qū)域可以包括相同的裝置。
在爐子的這些中間區(qū)域中，工作條件選擇成這樣，即能夠在盡可能快地使?fàn)t料產(chǎn)生較高和均勻的溫度的需要和使金屬氧化物層或金屬氧化物與煤的混合物的頂層僅與下層的上面部分逐漸進(jìn)行接觸，從而避免涉及到其較冷的下層的需要之間平衡，因此，這樣形成的新混合物的溫度高于600℃，尤其是為大約700℃至800℃。
爐膛的轉(zhuǎn)速選擇為爐子直徑的函數(shù)。它可以為3至16轉(zhuǎn)每小時(shí)，優(yōu)選8至12轉(zhuǎn)每小時(shí)。
爐料相對(duì)于葉片的速度優(yōu)選在10至50cm/s之間，優(yōu)選在15至30cm/s之間。
而且，對(duì)于上層的爐料，能基本避免其玻璃化，例如通過(guò)形成鐵橄欖石型硅酸鹽而玻璃化，該鐵橄欖石型硅酸鹽對(duì)還原起到抑制作用。因此，在表面層上沉積的含碳第二部分還原劑將使得富含還原物的層與爐料的表面層接觸，從而使已經(jīng)部分還原的金屬氧化物在爐子中的重新氧化減至最小，同時(shí)使得鐵橄欖石在表面的形成減至最小。而且，例如攪拌器這樣的裝置保證該表面層快速混合到直接在其下面的層中。
這樣的目的是使生產(chǎn)時(shí)間盡可能的短。當(dāng)爐料的厚度為大約5至10cm時(shí)，生產(chǎn)時(shí)間由爐料中的最冷的點(diǎn)決定，海綿狀金屬具有比通過(guò)現(xiàn)有還原方法而生產(chǎn)的海綿狀金屬更好的均勻性，現(xiàn)有技術(shù)通常的缺點(diǎn)是在以現(xiàn)有技術(shù)的方法生產(chǎn)的產(chǎn)品中，金屬氧化物具有變化的還原程度。
在該優(yōu)選實(shí)施方式中，能進(jìn)行以下工作-第一部分還原劑的裝料在環(huán)的內(nèi)輪廓，即較小的圓內(nèi)進(jìn)行，優(yōu)選在環(huán)的1/6至1/12的寬度上進(jìn)行，-根據(jù)在環(huán)的寬度上進(jìn)行裝料的條件而經(jīng)過(guò)4個(gè)或更多整轉(zhuǎn)的爐料將通過(guò)攪拌器而翻轉(zhuǎn)達(dá)到100次，該攪拌器有不同形狀的葉片，且該葉片根據(jù)在爐子中的區(qū)域而有不同的作用，-在各葉片處，爐料徑向向外運(yùn)動(dòng)，因此，該爐料進(jìn)行大致螺旋形的軌道運(yùn)動(dòng)，-第二部分還原劑的裝料在鄰近上述裝料區(qū)的區(qū)域內(nèi)和在排料區(qū)內(nèi)進(jìn)行，-排料通過(guò)一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)向板而在環(huán)的外側(cè)部分進(jìn)行，該導(dǎo)向板的長(zhǎng)度分別對(duì)應(yīng)于裝料的寬度或裝料的寬度的一小部分，-燃燒器布置在爐子的側(cè)壁內(nèi)并在爐膛的上面，主要在環(huán)的外壁中、在較大的圓上和/或在爐頂?shù)耐猸h(huán)中，-氣體通過(guò)沿與材料運(yùn)動(dòng)方向相反的方向流動(dòng)，從而通過(guò)在環(huán)內(nèi)側(cè)的壁，即在較小圓上的壁排出。
在攪拌器上，具有不同尺寸和形狀的雙重作用葉片布置成這樣，即在第一中間區(qū)域的葉片以不斷朝著爐膛向下加深的方式逐漸攪拌爐料，而第二中間區(qū)域的葉片具有與第一葉片不同的形狀，并攪拌溝槽和溝槽的基部，在該第二中間區(qū)域，爐料還沒(méi)有燒結(jié)且還很容易混合。這樣，能防止在爐料表面上出現(xiàn)較厚、較硬、難于破碎和難于排料的已還原金屬氧化物片。
這些攪拌器是固定的，并在爐子中徑向布置，第一葉片位于第一中間區(qū)域內(nèi)，該第一中間區(qū)域延伸了裝料區(qū)，即在該區(qū)域內(nèi)將材料供給爐子。
攪拌器的葉片是固定和偏置的，即以相對(duì)于由前面攪拌器的葉片所形成的溝槽稍微交疊的方式布置，例如交疊50mm，以便移去各溝槽或鋸齒的斜面。爐膛上的材料的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致混合(即攪拌)和形成新的溝槽或鋸齒。葉片在爐料的整個(gè)表面上產(chǎn)生具有三角形截面的溝槽，這使得爐料與爐子中氣體的交界表面面積增大了大約20至65％，從而使從爐子向爐料的傳熱更大。
第一和第二類(lèi)型的雙重作用葉片布置成這樣，在每次通過(guò)爐料時(shí)，一部分爐料翻轉(zhuǎn)，與爐子中的氣體接觸的上層爐料下降，同時(shí)下層爐料上升，該上層爐料最初包括金屬氧化物，然后包括金屬氧化物和煤的混合物，最后包括還原后的金屬氧化物。
葉片的末端形狀為能使材料翻轉(zhuǎn)，這樣，溝槽的最頂端部分，即最熱的部分朝著新形成的溝槽的槽谷運(yùn)動(dòng)，以便保證更好地?cái)嚲?br> 所述葉片的末端例如可以通過(guò)內(nèi)部循環(huán)的液體冷卻劑而冷卻。
攪拌器可以在爐子區(qū)域中的各段通道上，并在爐子的不同區(qū)域內(nèi)線性布置。優(yōu)選，該布置是非線性的，并將根據(jù)表面溫度和爐料中的溫度梯度而布置。
在排料區(qū)上游的一個(gè)攪拌器在與排料區(qū)的寬度相等的寬度上包括一個(gè)能夠壓平輪廓表面的峰頂?shù)难b置，以便獲得大致平的表面，這使得爐子的排料更容易。
含碳還原劑的量這樣確定，即通過(guò)使已有的金屬氧化物完全進(jìn)行還原所需的化學(xué)計(jì)算量減去與揮發(fā)物的還原作用相對(duì)應(yīng)的量，或者還要加上使該海綿狀金屬熔化和隨后形成合金所需的量。
使金屬氧化物層與下層逐漸混合將形成如下結(jié)果，其中該下層的溫度必須為在靠近金屬氧化物和煤之間的交界面的區(qū)域內(nèi)的溫度高于更深層中的溫度-通過(guò)使該上層和爐子中的氣體之間的交界表面的面積增加，從而傳遞更多熱量；
-最初存在于爐料上部的單獨(dú)一層中，隨后逐漸存在于混合物中的金屬氧化物層具有較高的導(dǎo)熱性，這有助于得到比采用多層的方法更好的傳熱，且沒(méi)有還原劑對(duì)該過(guò)程的干擾，該還原劑此時(shí)為煤，煤是熱的不良導(dǎo)體；-形成爐料的層的逐漸混合能夠很快地使整個(gè)所述爐料的溫度均勻；-金屬氧化物非常快地達(dá)到高溫，在高溫下金屬氧化物的反應(yīng)率更大，這增加了還原處理的效率，并減小了工作時(shí)間；-通過(guò)使煤逐漸達(dá)到更高溫度而逐漸釋放和產(chǎn)生的揮發(fā)性組分能夠高效地直接用作還原劑；-立刻出現(xiàn)利用氫氣進(jìn)行的還原，利用氫氣進(jìn)行還原是優(yōu)化的，它與利用CO氣體相比具有更好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
-通過(guò)CO進(jìn)行還原的效率更高，因?yàn)楦鼰岬纳蠈又饾u與直接在其下面且達(dá)到足夠高溫度的層混合，而并不與最深的層混合，該最深的層仍然太冷；-原則上，生產(chǎn)單位質(zhì)量的還原金屬能夠產(chǎn)生更少的二氧化碳；-能避免表面溫度太高，因此不會(huì)產(chǎn)生鐵橄欖石；-能防止在爐料表面上出現(xiàn)太厚、太硬、難于破碎和難于進(jìn)行排料的已還原金屬氧化物片；-對(duì)于給定的產(chǎn)量，與使用旋轉(zhuǎn)爐膛爐子的其它方法相比，該爐子的體積更小。
通過(guò)安裝在活動(dòng)爐膛爐子的外壁中和/或在爐頂外環(huán)中的燃燒器并通過(guò)在環(huán)的內(nèi)側(cè)部分中的后燃燒，爐子通常保持為頂部溫度為大約1300至1450℃，優(yōu)選為大約1400℃。
上層與下層逐漸混合意味著所達(dá)到的最大表面溫度不會(huì)超過(guò)1100至1200℃。
本發(fā)明還能夠增加由顆粒物組成的爐料的均勻性，這有利于大大增加爐料的厚度，有利于進(jìn)行更快和更高效的工作循環(huán)，有利于使?fàn)t子更緊湊，還有利于優(yōu)化換熱。
權(quán)利要求
1.一種在爐子中還原金屬氧化物的方法，該爐子有環(huán)形旋轉(zhuǎn)爐膛，其中，含碳還原劑和金屬氧化物在所述旋轉(zhuǎn)爐膛的一部分上沉積，然后通過(guò)大致螺旋形的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)送到一排料裝置，其特征在于第一部分還原劑在以混合物的形式沉積到旋轉(zhuǎn)爐膛上之前或在沉積的同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱并與預(yù)熱的金屬氧化物混合，第二部分還原劑沉積在該混合物上，且含碳的還原劑的揮發(fā)性組分以及一氧化碳用于還原金屬氧化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該第二部分還原劑以幾個(gè)小部分的形式加熱和沉積在混合物上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該第二部分還原劑占所用的還原劑的總量的20％。
4.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該第二部分的還原劑再分成兩個(gè)小部分，每個(gè)小部分占所用的還原劑的總量的10％。
5.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該第二部分還原劑中的至少一個(gè)小部分在沉積于混合物上之前或在進(jìn)行沉積時(shí)與金屬氧化物混合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于該第二部分還原劑中的至少一個(gè)小部分包括60至100％的含碳還原劑和0至40％的金屬氧化物，優(yōu)選80至100％的含碳還原劑和0至20％的金屬氧化物。
7.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該含碳還原劑預(yù)熱至溫度為200℃，和/或金屬氧化物預(yù)熱至溫度為850℃。
8.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于利用從燃?xì)庵谢厥盏臒崃縼?lái)對(duì)含碳還原劑和/或金屬氧化物進(jìn)行預(yù)熱。
9.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于第一部分含碳還原劑和金屬氧化物沉積成一個(gè)或多個(gè)疊加的層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于該疊加的層依次沉積。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于該疊加的層一次沉積。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任意一個(gè)所述的方法，其特征在于這些層包括不同濃度的金屬氧化物和含碳還原劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于在上層中的含碳還原劑的重量濃度小于25％，尤其優(yōu)選該重量濃度小于16％。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于在下層中的含碳還原劑的濃度處在金屬氧化物的完全還原所需的理論重量濃度與重量濃度為100％之間，優(yōu)選，重量濃度在30％與70％之間，尤其優(yōu)選，重量濃度在35％和60％之間。
15.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該混合物在該爐子內(nèi)加熱至溫度為900-1250℃，優(yōu)選1050-1150℃。
16.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于金屬氧化物所采用的供給溫度盡可能高，同時(shí)還避免該金屬氧化物的燒結(jié)。
17.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于含碳還原劑和金屬氧化物的層在它們處于爐子內(nèi)時(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)和逐漸混合。
18.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于金屬氧化物和含碳還原劑的混合物的表面形狀為在其上形成有溝槽或小丘。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于該溝槽或小丘的斜率在20°和65°之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于在金屬氧化物和含碳還原劑的混合物的表面上產(chǎn)生大致成鋸齒形的表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于當(dāng)爐料滯留在爐子中時(shí)，使下面的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)改變裝料帶的寬度、溝槽基部的寬度、溝槽的數(shù)目和溝槽的斜度角。
22.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該混合物加入到環(huán)形爐膛的內(nèi)側(cè)部分，并通過(guò)大致螺旋形的運(yùn)動(dòng)而朝著爐膛的外側(cè)部分傳送，并且在反應(yīng)后通過(guò)該環(huán)的外側(cè)部分排出。
23.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該混合物通常在轉(zhuǎn)4圈或更多圈后排出。
24.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該第二部分含碳還原劑中的至少一個(gè)小部分在所述混合物排出之前的至少一圈處沉積在該混合物上。
25.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于固體還原劑和金屬氧化物的混合物的層沉積在與環(huán)的最多1/4寬度相對(duì)應(yīng)的一部分上。
26.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于第二部分還原劑沉積在與環(huán)的最多1/4寬度相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)爐膛部分上。
27.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在該環(huán)的內(nèi)側(cè)部分中獲得后燃燒的氣體。
28.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于氣體的排出和爐料在爐子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)沿徑向相反的方向進(jìn)行。
29.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該含碳還原劑和/或金屬氧化物包括一些石灰石。
30.一種用于還原金屬氧化物的旋轉(zhuǎn)爐膛爐子，包括一環(huán)形旋轉(zhuǎn)爐膛，該環(huán)形旋轉(zhuǎn)爐膛再細(xì)分成一裝料區(qū)，至少一個(gè)中間區(qū)域，該中間區(qū)域鄰近裝料區(qū)，一排料區(qū)，該排料區(qū)鄰近中間區(qū)域，該裝料區(qū)包括一個(gè)用于在旋轉(zhuǎn)爐膛的帶狀部分上沉積爐料的裝置，該爐料包括一層或多層金屬氧化物和還原劑的混合物；該爐子的中間區(qū)域或者還有裝料區(qū)包括一個(gè)用于在爐膛旋轉(zhuǎn)時(shí)逐漸攪拌該爐料的上面部分和下面部分，并同時(shí)使該爐料徑向運(yùn)動(dòng)的裝置；該爐子的中間區(qū)域或者還有裝料區(qū)包括一個(gè)用于在爐料上沉積一層或多層還原劑或者還混合有金屬氧化物的還原劑的裝置；該排料區(qū)包括一個(gè)排料裝置，該排料裝置能夠使金屬化的爐料在一個(gè)或多個(gè)排料點(diǎn)處排出。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的爐子，其特征在于用于沉積一層或多層金屬氧化物和還原劑的混合物的裝置以及用于在爐料上沉積一層或幾層還原劑，并最終在已還原的金屬氧化物和還原劑的第一混合物上與金屬氧化物混合的裝置包括一個(gè)用于在該層的沉積之前、之后或當(dāng)時(shí)對(duì)含碳還原劑和金屬氧化物進(jìn)行混合同時(shí)加熱的裝置。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的爐子，其特征在于該爐子包括用于在沉積爐料的表面上產(chǎn)生溝槽或小丘的裝置，從而獲得基本鋸齒形的表面。
33.根據(jù)權(quán)利要求30至32中任意一個(gè)所述的爐子，其特征在于該排料裝置包括一個(gè)蝸桿傳送器或一個(gè)導(dǎo)向板。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的爐子，其特征在于該排料裝置包括一個(gè)或多個(gè)用于將溝槽或小丘的頂部犁平以獲得大致平表面的裝置和一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)向板，該裝置和導(dǎo)向板各有固定或可調(diào)的穿入能力。
35.根據(jù)權(quán)利要求30至34中任意一個(gè)所述的爐子，其特征在于它包括用于攪拌的裝置，該裝置包括攪拌器，該攪拌器有雙重作用葉片，該葉片布置成象攪拌器的齒，所述攪拌器徑向固定和布置在該爐子中。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的爐子，其特征在于該攪拌器和葉片將進(jìn)行冷卻。
37.根據(jù)權(quán)利要求35或36所述的爐子，其特征在于該攪拌器包括葉片，該葉片穿入該層的同時(shí)使該混合物徑向朝該環(huán)的排料側(cè)移動(dòng)和/或該葉片穿入該層的整個(gè)深度，同時(shí)使該混合物徑向朝該環(huán)的排料側(cè)移動(dòng)。
38.根據(jù)權(quán)利要求35至37中任意一個(gè)所述的爐子，其特征在于該葉片是偏置的，即布置為相對(duì)于由前面的攪拌器的葉片所形成的溝槽或小丘成稍微交疊的形式，這樣可以將各溝槽的一個(gè)斜面移去，從而形成新的溝槽，其中，該裝置能夠通過(guò)第一作用而將鋸齒的峰頂向下帶入溝槽的凹谷內(nèi)，并通過(guò)第二作用而使各鋸齒的一個(gè)表面運(yùn)動(dòng)到相鄰鋸齒的表面上，從而覆蓋通過(guò)第一作用而帶下的材料。
39.根據(jù)權(quán)利要求35至38中任意一個(gè)所述的爐子，其特征在于該葉片的工作角為相對(duì)于溝槽的切線所成的角度在20°和30°之間。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的爐子，其特征在于該葉片的工作角在任何時(shí)候都能進(jìn)行調(diào)節(jié)。
41.根據(jù)權(quán)利要求35至40中任意一個(gè)所述的爐子，其特征在于該葉片的形狀為能使?fàn)t料翻轉(zhuǎn)和/或?qū)t料進(jìn)行攪拌。
42.根據(jù)權(quán)利要求35至41中任意一個(gè)所述的爐子，其特征在于該爐料相對(duì)于葉片的速度在10至50cm/m之間，優(yōu)選在15至30cm/m之間。
43.根據(jù)權(quán)利要求30至42中任意一個(gè)所述的爐子，其特征在于該爐子包括安裝在該活動(dòng)爐膛爐子的外壁內(nèi)和/或在爐頂外環(huán)內(nèi)的燃燒器，以便使?fàn)t子的溫度保持在大約1200至1550℃，優(yōu)選為大約1400℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在旋轉(zhuǎn)爐膛的爐子中還原金屬氧化物的方法,其中,含碳還原劑和金屬氧化物在所述旋轉(zhuǎn)爐膛的一部分上沉積,然后通過(guò)大致螺旋形的運(yùn)動(dòng)而朝著排料裝置運(yùn)送。所述方法中:第一部分還原劑在以混合物的形式沉積到旋轉(zhuǎn)爐膛上之前或在沉積的同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱并與預(yù)熱的金屬氧化物混合,第二部分還原劑和一氧化碳用于還原金屬氧化物。
文檔編號(hào)C21B13/10GK1361832SQ99816824
公開(kāi)日2002年7月31日 申請(qǐng)日期1999年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月28日
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