从氧化的金属矿物中制造金属和金属合金的双联炼钢法

摘要

生产高度金属化进料,即在其两阶段还原过程中单独通过气态还原剂生产中间产品,遇到了粘合问题,其阻碍了连续加工和生产率。这个问题的解决是通过利用高度挥发的碳质材料如煤作为还原剂,用以在双炼法的固态预还原阶段还原(已部分还原的)氧化物矿石起始原料以给出最终的金属(合金),其中最终阶段由熔炼组成。第一阶段的中间产品是避免了粘合问题的来自煤的木炭,参与了预还原的部分还原的矿石和CO和H2,该方法对铁矿,如赤铁矿、磁铁矿和类似的衍生物即铬铁矿和氧化的镍矿具有特殊的用途。该方法可被扩展为三步,包括第一阶段的干燥、预加热和部分还原,接下来进一步部分还原和最终的熔炼步骤。利用该方法的工厂可包括用于预还原工序的竖炉或流化床,优选后者。对于三步方法,优选两个配套的流化床(3,5)。任意的合适的炉子均可用于熔炼,只要其配备有注入部分还原的矿物、低温焦炭和溶剂、热空气吹入,废气和熔融金属和炉渣的部分。最终阶段的固态还原的发生温度至少为550℃,优选750—900℃。对于满意的加工过程,必要的是至少50%的金属化,优选至少80%。

说明书

本发明涉及从金属氧化物如矿物和已部分还原的矿物制造金属和金属合金的方法和装置，特别地，决不排除铁和铁合金。

已知有许多冶炼铁矿石以生产熔融态铁的方法。这些方法基于使用包括铁和炉渣熔池的冶金容器(此后指作“熔炼还原容器”)。

概括地说，这些已知的方法包括将铁矿石或已部分还原的铁矿石和含碳材料注入到铁和炉渣的熔池中。在此熔池中，该铁矿石或已部分还原的铁矿石被还原成金属铁，然后被熔化。要求碳质材料(以固态形式或气态形式)作为还原剂和热能的来源，并且还可以对该熔池渗碳以生产生铁(在金属中典型的是1-4％的碳)。

在许多已知的方法中，在将部分还原的铁矿石转入熔炼还原容器之前，利用熔炼还原容器中放出的反应气体预热和部分还原在预还原容器，如竖炉中铁矿石。这些已知的方法通常被描述为两阶段相联法。

本发明的目的是提供在已知双联法基础上改进的生产熔融铁的方法和装置。

本发明提供了从金属氧化物中制造金属和金属合金的方法，其包括下列步骤：

(ⅰ)将金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物以及固体碳质材料注入一个预还原容器中，并维持该容器中的温度至少为550℃，将金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物部分还原和至少将固体碳质材料部分脱挥发；和

(ⅱ)将步骤(ⅰ)中得到的已部分还原的金属氧化物和至少已部分脱挥发的固体碳质材料注入包括金属和炉渣熔池的熔炼还原容器中，进一步将已部分还原的金属氧化物还原以生产熔融金属。

在预还原步骤(ⅰ)中生产出的至少已部分脱挥发的固体碳质材料是用在后续熔炼还原步骤(ⅱ)中的碳源。如上所讨论的，在熔融还原步骤(ⅱ)中，需要碳：

(a)将已预还原的金属氧化物还原成金属；

(b)提供热能的来源以熔化该金属氧化物；并且

(c)将熔池渗碳以在金属中提供熔池中制造金属合金所需的溶解碳的含量。

除预还原容器中制造的至少已部分脱挥发的固体碳质材料外，本发明并不排除向熔炼还原容器内的注入碳质材料。

例如，除注入在预还原容器内生产的至少已部分脱挥发的固体碳质材料外，本发明扩展为向熔炼还原容器中注入煤或其它合适的固体碳质材料或任意合适的气态碳质材料。

优选该至少已部分脱挥发的碳质材料为木炭(char)。

术语“木炭”在这里应被理解为只加热煤而不使煤燃烧的产品。

优选该预还原步骤(ⅰ)将该金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物不完全还原到至少50％的预还原程度。

术语“预还原程度”在这里被理解为从Fe₂O₃开始氧除去的百分数。

特别优选该预还原步骤(ⅰ)将该金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物不完全地还原到至少60％的预还原程度。

更特别优选的是该预还原步骤(ⅰ)将该金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物不完全还原到至少70％的预还原程度。

典型地，该预还原步骤(ⅰ)不完全还原该金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物到至少80％的预还原程度。

在预还原步骤(ⅰ)中向预还原容器中注入固体碳质材料的目的是提供：

(a)作为接下来用在熔炼还原步骤(ⅱ)中的木炭或其它至少已部分脱挥发的固体碳质材料的来源；和

(b)在预还原容器中预还原该金属氧化物的还原剂的来源。

优选向预还原容器中注入的固体碳质材料是煤。

在那种情况下，优选预还原容器中的温度维持在一个温度，通常小于1000℃，此时煤中固定的碳组分不易起到还原剂的作用。在这样一种情况下，煤中的挥发物质如烃类是还原剂的主要来源。特别地，该烃类热解形成还原剂CO和H₂O(和其它产品)。

应注意本发明不排除将煤中的固定碳在预还原容器中用作还原剂。

优选该预还原步骤(ⅰ)包含在预还原容器中形成金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物以及固体碳质材料的流化床。

特别优选向预还原容器中直接或间接注入空气而形成流化床。

优选在预还原容器中通过下列步骤维持温度至少为550℃：

(ⅰ)在预还原容器中燃烧煤和／或其它的碳质材料(包括气态碳质材料)；和／或

(ⅱ)通过间接热交换提供热能。

优选在预还原容器中的温度至少维持在600℃。

特别优选在预还原容器中的维持温度至少为750℃。

更特别的优选在预还原容器中的温度至少维持在800℃。

优选维持预还原容器中的温度小于1000℃。

特别优选维持预还原容器中的温度小于1000℃。

对于预还原容器，优选的温度范围是750-950℃。

上述熔炼还原步骤(ⅱ)中的还原和熔化反应是吸热的，因此，优选该方法包括一个步骤，即维持熔炼还原容器中熔池的温度高于最小值。

优选熔池的最低温度在1300℃-1500℃范围内。

优选维持熔炼还原容器中熔池的温度高于上述最低温度步骤包含：通过向熔炼反应容器中位于熔池上部的气体空间注入含氧气体，从而从熔池中释放反应气体如CO和H₂，将其进行后燃烧，然后将后燃烧产生的能量转移到熔池。

优选该含氧气体是空气。

特别优选将该空气预加热到至少1000℃的温度。

优选该预还原步骤(ⅰ)包含在二个或多个预还原阶段预还原该金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物。

特别优选该预还原步骤(ⅰ)包含：

(ⅰ)第一预还原阶段，将金属氧化物和来自熔炼还原容器和／或第二预还原容器的反应气体注入一个预还原容器中来干燥、预加热和不完全还原该金属氧化物，此后；

(ⅱ)向另一预还原容器中注入已部分还原的金属氧化物和固体碳质材料，并且维持该预还原容器中的温度至少为550℃，在第二预还原阶段进一步部分还原该金属氧化物并且制造出至少已部分脱挥发的固体碳质材料。

优选该金属氧化物是铁矿石或含铁废物。

本发明还提供了用于从金属氧化物中生产金属和金属合金的装置，其包括：

(ⅰ)一个预还原容器，用于将金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物至少部分还原，和用于生产至少已部分脱挥发的固体碳质材料，该预还原容器包括一个用于注入金属氧化物和／或已部分还原的金属氧化物的入口，一个用于注入固体碳质材料的入口，以及一个用以排出至少已部分还原的金属氧化物和至少已部分脱挥发的固体碳质材料的出口；和

(ⅱ)一个用来进一步还原该已部分还原的金属氧化物以生产金属，并将该金属熔化的熔炼还原容器，该熔炼还原容器适宜包括一个金属和炉渣的熔池，该熔炼还原容器包括一个入口用于来自预还原容器的至少已部分还原的金属氧化物和至少已部分脱挥发的固体碳质材料，以及一个装置用于向该熔炼还原容器中注入含氧气体以后燃烧熔池中释放的反应气体。

优选该熔炼还原容器包括一个反应气体的出口。

优选该熔炼还原容器包括一介从熔炼还原容器中排出炉渣的装置。

优选该熔炼还原容器包含一个排出该熔炼还原容器中金属的装置。

根据本发明还提供了一个用来从金属氧化物中生产金属和金属合金的装置，其包括：

(ⅰ)一个第一预还原容器用以部分还原金属氧化物；

(ⅱ)一个第二预还原容器用来至少部分还原来自第一预还原容器的已部分还原的金属氧化物，并且用来生产至少已部分脱挥发的固体碳质材料，该预还原容器包括一个用来注入已部分还原的金属氧化物的入口，一个用来注入固体碳质材料的入口，以及一个用来排出至少已部分还原的金属氧化物和至少已部分脱挥发的固体碳质材料的出口；和

(ⅲ)一个熔炼还原容器用来进一步还原已部分还原的金属氧化物以生产金属，并将该金属熔化，该熔炼还原容器适于包括一个金属和炉渣的熔池，该熔炼还原容器包含一个用于来自预还原容器的至少已部分还原的金属氧化物和至少已部分脱挥发的固体碳质材料的入口，以及一个用来向该熔炼还原容器中注入含氧气体以使熔池中释放的反应气体后燃烧的装置。

优选第一预还原容器包含一个通入来自熔炼还原容器的反应气体的入口。

优选该熔炼还原容器包括一个反应气体的出口。

优选该熔炼还原容器包含一个排出该熔炼还原容器中炉渣的装置。

优选该熔炼还原容器包含一个排出该熔炼还原容器中金属的装置。

通过实施例，参考附图，进一步描述了本发明，该附图为本方法和装置优选的一个实施方案示意工艺流程图。

图中所示的优选的实施方案描述的是从铁矿石中生产铁。但是，应注意该优选的实施方案同样适用于从其它的金属氧化物中生产金属和金属合金。

参考附图，结合图中所示的优选的实施方案：

(ⅰ)铁矿石在两个连续的步骤中在第一和第二预还原容器3、5中被部分还原，并且接下来；

(ⅱ)该部分还原的铁矿石进一步被还原生产铁，并且将该铁在熔炼还原容器7中熔化。该铁矿石可以呈任何合适的形式，例如块状或细屑状。

该预还原容器3、5也可以是任意合适的形式，如竖炉或流化床，此后将更详细地讨论这个问题，优选预还原容器5是一个流化床。

用于第一预还原容器3中的还原剂的来源包括来自熔炼还原容器7的反应气体。

选择第一预还原容器3的操作参数选将铁矿石干燥、预加热和不完全还原到最初的、相对较低的预还原程度，典型的大约为11％(即磁铁矿)。

通过竖管(没有表示出)或其它任何的合适的方法将预还原容器3、5连在一起以使已部分还原的铁矿石从第一预还原容器3转移到第二预还原容器5。

用于第二预还原容器5的还原剂来源包括煤。该还原剂来源也可包括任何其它合适的含碳种类。

选择第二预还原容器5的操作参数以使：

(a)煤的挥发物，典型地为烃类热解以生产一氧化碳和氢气，以及一氧化碳和氢气将来自第一预还原容器3的已部分还原的铁氧化物的还原到所需的预还原程度；并且

(b)在煤中大比例的固定碳得到木炭。

热解烃类的反应，还原已部分还原的铁氧化物的反应，以及生产木炭的反应是吸热反应。因此需要维持第二预还原容器5的温度高于550℃的最低温度以提供足够的热能给反应。保持温度的一个选择是通过煤与空气的直接床内燃烧。维持温度的另一个选择是通过间接热交换，或者是通过管或者是通过热固体循环或者类似的方法。

如上所示，优选第二预还原容器5起流化床的作用。典型地该流化床是通过向该预还原容器5中直接或间接注入预热空气而维持的。该流化床也可以是通过向该预还原容器5中注入氧气或氧气／空气混和物而维持的。

熔炼还原容器7可以是任何合适的容器形式。

优选构造熔炼还原容器7具有一个铁和炉渣的熔池，并包括：

(ⅰ)用于向该熔池中注入来自第二预还原容器5的至少已部分还原的铁矿石和木炭的风口(未表示出)；

(ⅱ)用来向熔池表面的上部空间注入热空气的风口(未示出)，典型地在空气高于1000℃的温度用于后燃烧反应气体，如熔池中释放出的一氧化碳和氢气。

(ⅲ)用来阶段性排出熔化铁和炉渣的装置；和

(ⅳ)反应气体的出口。

选择熔炼还原容器7(包括风口位置)的构造以及本方法的操作参数以在熔池表面上部空间形成过渡区，在那里，熔融金属和炉渣的液滴或飞溅物上升和因此落下，其混合有来自熔池的反应气体、顶流热空气以及来自后燃烧的反应气体。

过渡区的目的是便于热向熔池的有效转移，该热是后燃烧来自熔池的反应气释放的。

该过渡区可通过任意合适的方式形成。

例如，该过渡区的形成可通过注入一种合适的气体如一种惰性气体，使其通过熔炼还原容器7的底部，以引起来自熔池的熔融液滴或飞溅物的喷发，进入熔池表面的上部空间。

另外，该过滤区的形成也可通过有控制地经过炼还原容器7中的侧风口，向熔池中注入来自第二预还原容器5的至少已部分还原的铁矿石和木炭。

根据优选的实施方案，将铁矿石注入第一预还原容器3，并将其部分还原，优选为磁铁矿，并通过熔炼还原容器7中排出的反应气体预加热。将已部分还原的铁矿石从第一预还原容器3排出，并与煤一起注入第二预还原容器5。优选将预热的空气也注入第二预还原容器5(在与新煤预接触后)，形成已部分还原的铁矿石和木炭的冒泡的流化床。如以上所讨论的，精选第二预还原容器5的操作参数，以使煤中碳成分的主体形成木炭，而煤中的挥发成分热解为还原剂一氧化碳和氢气将已部分还原的铁矿石还原到所需预还原程度。最终，该预还原的铁矿石和木炭从第二预还原容器5中排出，与熔剂一起被注入熔炼还原容器7中的铁和炉渣的熔池。将预热的空气注入熔炼还原容器7的气体空间，并后燃烧熔池中释放的反应气体，如一氧化碳和氢气。将后燃烧中产生的热传移至熔池以维持熔池的温度高于将已部分还原的铁矿石还原为金属铁和将金属铁熔化的最低温度。

上述本发明优选的实施方案相比于传统的熔炼还原方法如相连的两步法，具有许多重要的优点。

1．熔炼还原容器中生产率显著提高，其结果是降低了耐熔质的消耗和热损失(每吨金属)。

2．拓宽了在基于熔池的熔炼还原容器中可良好工作的煤的范围。由于煤热解，并且其挥发物用于第二预还原容器5中，所以只有木炭成分被注入熔炼还原容器中。不同于已知的铁熔池基的方法，容易接受高挥发性煤而不必承担煤的消耗和生产率方面的损失。

3．通过减少煤的消耗，降低了每年每吨产量的资金投资，同时还降低了操作费用。

4．在本方法预还原阶段木炭的生产避免了通常生产高度金属化的进料时通常会遇到的粘合问题。

可对上述的本方法和装置的优选的实施方案作出许多修改，但并不脱离本发明范围的精神。