专利名称：促进粒状金属铁和炉渣分离的方法
技术领域：
本发明涉及一种当由含有含氧化铁的原料和含碳还原剂的原料烧结矿的还原熔融制备金属铁时，促进作为目标产物的粒状金属铁和作为副产物的炉渣分离的方法。更具体而言，本发明涉及一种容易将粒状金属铁和炉渣的混合固体分离成为粒状金属铁和炉渣的改进方法，所述的粒状金属铁是通过向还原熔融炉中供给原料烧结矿并且还原、熔融和聚集在原料烧结矿中的铁氧化物而制得的，所述的炉渣是作为副产物产生的。
背景技术：
当将低铁等级的金属铁(其中含有大量的炉渣组分作为在用作原料的铁矿石中的脉石组分，和在作为原料的含碳原料中的灰分，所述炉渣组分如SiO2，Al2O3和CaO)供给作为在炼钢炉例如转炉或电炉中熔融铁的原料时，发生许多问题，原因在于电炉受到炉渣量增加的不利影响，铁产率由于铁混合进入炉渣中而降低，单位产品的能量消耗增加，并且生产率降低。因而，需要具有低炉渣组分含量的高铁等级的金属铁作为熔融铁的原料。对于制备这种高铁等级的金属铁的方法，已知改进，例如一种直接炼铁方法如竖式炉方法，其中通过由含碳原料和还原气直接还原含氧化铁的原料如铁矿石和/或铁氧化物而制备金属铁，和一种如在美国专利3,443,931中所公开的制备金属铁的方法，其包括将含碳原料和粉末状铁氧化物混合成为烧结矿或球丸的形式，并且于加热下在旋转炉床上还原混合物的步骤。通过使用这类的改进方法，制备了高铁等级的金属铁。
例如，日本未审查的专利申请公开2000-144244是作为得到高纯度金属铁的炼铁方法已知的，其是通过含有含氧化铁的原料如铁矿石和/或铁氧化物和含碳还原剂如焦炭的原料烧结矿的还原熔融而得到的。如在那个公开中所公开的一样，在通过使用移动炉床式还原熔融炉由原料烧结矿的还原熔融得到粒状金属铁的技术中，将在原料烧结矿中的铁氧化物还原，同时使原料烧结矿保持在固体状态。然后，使金属铁和作为副产物的炉渣分别熔融和聚集。然后，通过冷却熔融的金属铁和熔融的炉渣(用其中将它们冷却至例如约1100至900℃的初次冷却步骤)，使熔融的金属铁和熔融的炉渣变成为固化状态(分别称其为“粒状金属铁”和“炉渣颗粒”)。在冷却和固化后，将粒状金属铁和炉渣颗粒从炉子中排放出来。排放之后，将粒状金属铁和炉渣颗粒放置以自然冷却(二次冷却)。再有，通过适宜的分离装置将粒状金属铁和炉渣颗粒选择性分离，以便只将粒状金属铁作为熔融铁原料供应给炼钢炉等。
在上面所述的金属铁的制备方法中，将冷却分为第一冷却阶段和第二冷却阶段，在第一冷却阶段中将金属铁和炉渣冷却固化至低于其固化点的水平，，而在第二冷却阶段中为了金属铁随后的运输和选择而进一步降低其温度。
尽管许多情况是在还原熔融炉中进行第一冷却阶段，但是在第一冷却阶段之后炉渣颗粒经常以这样一种未分离的状态(称为“混合固体”)存在，即炉渣颗粒粘附于粒状金属铁的状态。此外，在将粒状金属铁和炉渣颗粒放置于炉外以自然冷却的第二冷却阶段，金属铁和炉渣不能充分地相互分开。因此，难以在高效率下由磁力筛选，筛子等仅仅单独收集粒状金属铁，并且难以避免大量的炉渣混合进入粒状金属铁中。因此，即使使用具有自身纯度较高的金属铁，在炼钢炉中产生的熔融炉渣也增加，原因在于在金属铁中不可避免混合而没有完全分开的炉渣组分，由此导致对于操作性能和产品质量的不利影响。根据本领域的那些情形，需要一种在将金属铁和作为副产物的炉渣进行筛选分离之前可以将它们高效分开的技术。
考虑到上面所述在相关领域中的问题，本发明的一个目的是当由含有含氧化铁的原料和含碳还原剂的原料烧结矿的还原熔融制备粒状金属铁时，提供一种促进作为目标产物的粒状金属铁和作为副产物的炉渣分离的方法，由此制备其中将炉渣满意地分离和除去的高铁等级的金属铁。
发明内容
在解决上面所述问题中成功的本发明在于一种促进分离粒状金属铁和炉渣的方法，该方法是用来由含有含氧化铁的原料和含碳还原剂的原料烧结矿的还原熔融而制备粒状金属铁的，其中将由还原熔融制备的粒状金属铁和作为副产物产生的炉渣的混合固体快速冷却以促进粒状金属铁与副产物炉渣相互分离。当实践本发明的方法时，推荐使用冷却剂快速冷却混合固体。也推荐在从粒状金属铁的固化温度至150℃的至少部分范围内，优选以不低于250℃/分钟，更优选不低于350℃/分钟的冷却速度将混合固体快速冷却。在本发明的一个优选实施方案中，将水用作冷却剂，直到达到150℃停止金属铁的快速冷却，并且将留存于和附着于金属铁上的潮气干燥。
附图简述
图1所示为本发明所采用的环形移动炉床式还原熔融炉一个实例的示意说明图。
图2为沿图1的A-A线的剖视图。
图3所示为在图1移动炉床旋转方向观察的，展开形式的还原熔融炉部分的说明图。
图4所示为用水喷淋冷却混合固体方法的示意说明图。
图5所示为用水浸泡冷却混合固体方法的示意说明图。
图6所示为用氮气冷却混合固体方法的示意说明图。
图7所示为用水冷却混合固体方法的示意说明图。
实施本发明的最佳方式作为为了解决在相关领域的问题而进行深入研究的结果，本发明人基于下面的发现而完成了本发明通过快速冷却粒状金属铁和炉渣的混合固体，显著地促进了粒状金属铁和副产物炉渣的分离，所述的粒状金属铁是由含有含氧化铁的原料和含碳还原剂的原料烧结矿的还原熔融而制备的，所述的炉渣是作为副产物产生的。
在本发明中，原料烧结矿包含含氧化铁的原料如铁矿石和铁氧化物或其部分还原的材料，和含碳还原剂如焦炭和煤炭。如果需要，原料烧结矿可以含有任何适宜的添加剂。此外，没有将原料烧结矿在形状方面限定为一种特定的形状，但可以以球丸，坯块等的形式制备。再有，通过任何取决于烧结矿形状的适宜方法，可以形成原料烧结矿。此外，没有将含氧化铁的原料与含碳还原剂的混合比率限定为一个特定的值，但可以根据使用目的选择一个适宜的值。也没有将原料烧结矿的尺寸限定为一个特定的值。
由上面所述的原料烧结矿的还原熔融制备粒状金属铁。没有将还原熔融的实际方法限定为一种特定的方法，但是可以使用众所周知的还原熔融炉进行。必须注意的是，当下面将结合例如使用移炉床式还原熔融炉制备金属铁的方法来描述本发明时，本发明并不限于下面的描述和举例说明的实施例。参考所示为还原熔融炉实际构造的附图，将详细描述本发明。
图1至3所示为由本发明人开发的应用于本发明的移动炉床式还原熔融炉一个实例的示意说明图。该炉是具有以环形形式的旋转移动炉床的圆顶状结构。具体而言，图1是示意透视图，图2为沿图1的A-A线的剖视图，并且图3是为在图1的旋转炉床的旋转方向观察的，以展开形式显示还原熔融炉一部分的示意解释图，以更容易理解。在这些图中，数字1表示旋转炉床，并且2表示包含旋转炉床的炉体。旋转炉床1是这样构造的它可以由驱动装置(未显示)驱动以在适宜的速度下旋转。
但是，当然，没有将本发明所采用的移动炉床式还原熔融炉的构造限定为图1至3所示的形状和结构。只要还原熔炉包含移动炉床作为组成单元，本发明也可以有效地采用具有任何其它结构的移动炉床式如带式焙烧机式的各种还原熔融炉。
在炉体2的炉壁表面中适宜位置处安置多个燃烧器3。将由燃烧器3产生的燃烧热和辐射热传递给在旋转炉床1上放置的原料烧结矿，以进行原料烧结矿的热还原反应。在如所示的炉体2的一个优选实例中，由三个间壁K1、K2、K3将炉体2的内部分隔成为第一区Z1、第二区Z2、第三区Z3和第四区Z4。在炉体2旋转方向上，相对于旋转炉床1的最上游侧安置原料烧结矿的进料装置4，在旋转方向的最下游侧(换言之由于旋转结构，在位于进料装置4的直接上游侧)提供排放装置6。
在这种还原熔融炉的操作中，以预定速度旋转旋转炉床1，并且从进料装置4向旋转炉床1上供给原料烧结矿，以使原料烧结矿层具有适宜的厚度。使在旋转炉床1上放置的原料烧结矿接受由燃烧器3所产生的燃烧热和辐射热，同时在第一区Z1移动。在通过在原料烧结矿中的含碳原料和通过含碳原料的燃烧所产生的一氧化碳的帮助下，在加热下还原在原料烧结矿中的铁氧化物，同时保持固体状态。然后，在第二区Z2，在加热下进一步还原原料烧结矿，由此通过几乎完全还原铁氧化物来制备金属铁。将产生的金属铁在第三区Z3进一步加热，由此将其渗碳和熔融。由此制备的熔融金属铁和作为副产物的熔融炉渣以这样一种状态存在，即熔融炉渣平躺在熔融金属铁的上面，原因在于它们间的比重差。在固化用的第四区Z4中，通过任何适宜的冷却装置C将熔融金属铁和熔融炉渣冷却至不高于其固化点的温度。通过排放装置6相继排放固化的金属铁和炉渣。通过冷却和固化，将熔融的金属铁和熔融炉渣大部分分离成为粒状金属铁和炉渣颗粒，但是，由于不完全分离，也存在包含附着于铁上的炉渣的粒状金属铁(混合固体)。因此，向炉子外面排放粒状金属铁，炉渣颗粒和混合固体。在那时排放的混合固体等(以下的“混合固体等”不仅是指混合固体，也指粒状金属铁和炉渣颗粒)处于相对高的温度状态(例如约从固化温度至900℃)。
在本发明中，将处于这种相对高温度状态的排放的混合固体快速冷却，通过利用都在混合固体中含有的金属铁和炉渣之间的收缩速率之差，促进金属铁和炉渣的相互分离。作为结果，将混合固体分离成为几乎不含炉渣组分的粒状金属铁和炉渣颗粒(由在用作原料的铁矿石中作为脉石组分含有的和在用作原料的含碳原料中作为灰分含有的炉渣组分如SiO2、Al2O3和CaO所组成的)。
在本发明中，术语“快速冷却”是指比将混和固体于大气中放置以自然冷却的情况更快速的冷却。但是，从提高促进金属铁和炉渣相互分离的作用方面考虑，特别推荐的是，例如使用冷却剂快速冷却混合固体，并且应用热冲击混和固体。此外，优选以不低于250℃/分钟的冷却速度快速冷却混合固体，原因在于在金属铁和炉渣的接触面发生扭曲，这是因为都含于混合固体中的金属铁和炉渣之间在收缩速度方面的突然改变(即在热膨胀系数方面的差异)，由此促进金属铁和炉渣的分离。更优选的冷却速度不低于350℃/分钟。通过连续测量在向炉子外面排放的混合固体中的温度变化可以计算冷却速度。
没有将快速冷却的方法限定为一种特定的方法，但是优选使用液体和/或惰性气体作为冷却剂进行快速冷却。推荐用液体的快速冷却，原因在于液体可以较隋性气体提供更高的冷却速度，由此产生更高的分离效果。没有将用于快速冷却的液体限定为一个特定的液体，并且对于向液体加入任何添加剂与否没有限制。从经济、安全和冷却效率方面考虑，优选使用水。此外，对于隋性气体的使用没有特别限制，但从经济和安全方面考虑，优选使用氮气。
当例如使用水进行快速冷却时，通过用任何适宜的喷水装置向混合固体喷淋水同时调节供给的水量，可以得到理想的冷却速度。如作为示例的图4所示，通过随其移动的进料管8向移动装置9如带式输送机上传输移动炉床式炉子排放出的混合固体等，并且以具有任何适宜间隔的任何所需数目提供的喷淋装置11向混合固体等喷淋水。喷淋的水快速冷却混合固体等并且促进炉渣和金属铁的分离，原因在于它们间在收缩速率方面的差别，由此得到粒状金属铁和炉渣颗粒。备选地，通过在冷却槽中形成池水并且由选择性地供给和排放水而控制水温，在所需的冷却速度下快速冷却混合固体等。如作示例的图5所示，将从移动炉床式炉子7中排放出来的混合固体等通过进料装置8如进料管导入用水12充满的冷却槽13，以浸泡于水中。在快速冷却至预定温度后，用任何适宜的输送装置如输送机将混合固体等从冷却槽中取出来。相对于喷水的快速冷却方法而言，更优选将混合固体等浸泡在水中的快速冷却方法，因为它可以提供更高的冷却速度，更大的收缩速率差，和由此产生更高的分离速率。
当使用惰性气体如氮气快速冷却混合固体时，尽管未显示，但是可以向混合固体等直接喷淋隋性气体，或者可以将混合固体等暴露于惰性气体气氛中。
此外，没有将快速冷却的方法限定为上面所述的方法，并且可以以任何所需的组合实施那些快速冷却方法。例如，可以通过在氮气气氛下喷淋水而快速冷却混合固体等，或可以在喷淋水之后在氮气气氛下快速冷却混合固体。
再有，混合固体等在开始快速冷却的温度越高，由快速冷却所导致的分离效果越大。因此优选的是，当它们处于高温状态时，在从炉子排放之后立即快速冷却混合固体等。因为从炉子中排放出来的混合固体等的温度取决于在炉子中已经将混合固体等冷却到什么程度，所以没有将开始快速冷却时的实际温度限定为一个特定的值。但是，由于从炉子中排放出来的混合固体等通常处于固体状态，快速冷却的优选温度范围为从金属铁的固化点(约1280℃)至150℃的至少部分范围。如果快速冷却开始于低于150℃的温度，在一些情况下，足够的热冲击不能应用于冷却固体等，并且不能得到在满意水平下的分离效果。
“至少部分”的范围这种表述是指快速冷却不要求在整个温度范围从头到尾进行。例如，它是指当在从金属铁的固化点至150℃的至少部分范围，以不低于250℃/分钟的冷却速度进行快速冷却时，可以在其它温度范围将混合固体等放置以自然冷却，该其它温度范围是除了将混和固体等以不低于250℃/分钟的冷却速度进行快速的从金属铁的固化点至150℃的一部分范围外的温度范围。换言之，它并不是指混合固体等的快速冷却必须在从金属铁的固化点至150℃的范围内从头到尾进行。再有，可以在超过上面所述的范围进行快速冷却，并且它并不是指当温度达到150℃的时候必须停止快速冷却。例如，在从金属铁的固化点至150℃的范围内快速冷却混合固体等后，在低于150℃的温度范围内可以进一步进行快速冷却。总之，快速冷却要求在达到所需温度之时停止。
如上所述，由于通过利用可归因于由快速冷却引起的热冲击而导致的在金属铁和炉渣之间界面处的扭曲破碎而开发出本发明所采用的基于快速冷却的分离促进作用，所以可以将快速冷却时间选择为非常短。例如，即使几秒钟的快速冷却对于完成本发明的目的也是足够的。特别是，当采用冷却剂以进行快速冷却时，在当将混合固体带入与冷却剂接触的时候，混合固体被快速冷却并且得到分离促进的效果。例如，在水中浸泡混合固体的情况下，在当将混合固体带入与水接触的时候，混合固体的温度被突然降低，于是在金属铁和炉渣的界面处发生扭曲破碎，由此导致金属铁和炉渣的分离。当然，在其中将混合固体浸泡在水中期间，仍然在进行混合固体的快速冷却，并且在仍以未分离状态保持的混合固体中增大了在金属铁和炉渣之间界面处的收缩速率差。因此，进一步增强了分离促进效果，并且了降低了炉渣从金属铁的未分离率。
此外，在本发明中，除了使用水进行快速冷却外，也优选直到达到150℃才停止金属铁的快速冷却，然后将金属铁放置以自然冷却。另外表明，通过使用水冷却混合固体等至150℃后停止快速冷却(停止混合固体等与水的接触)，然后将混合固体等放置以自然冷却，由金属铁自身的热量蒸发附着于金属铁上的潮气。因而，在不需要提供任何干燥装置如干燥器的条件下，可以干燥金属铁。
在上面所述中，结合快速冷却从还原熔融炉排放的与粒状金属铁和炉渣颗粒一起的混合固体的情况，描述了本发明的方法。但是，本发明也可以应用于下面的情况在当将粒状金属铁、炉渣颗粒和混合固体从还原熔融炉中排放出来的时候，通过任何适宜的筛选装置(如筛子或磁力筛选装置)使金属铁和炉渣相互分离，然后通过选择性地收集粒状金属铁、炉渣颗粒和混合固体，而选择性地只取出混合固体，或混合固体和粒状金属铁两者。因此，不管除混合固体外的粒状金属铁和/或炉渣颗粒存在与否，都可以实施本发明的方法。
此外，按照本发明的方法，通过将在混合固体中含有的金属铁和炉渣作为粒状金属铁和炉渣颗粒相互分离，然后通过任何适宜的筛选装置(如筛子或磁力筛分装置)选择性地收集粒状金属铁和炉渣颗粒，可以最终得到具有纯度不低于约95％，更优选不低于约98％并且含有非常少量的炉渣组分的金属铁原料。
下面将结合实施例描述本发明的方法。但是，必须注意的是，下面的实施例没有意欲限制本发明，并且根据如上和如下所述的本发明的主旨，可以以适宜的方式修改本发明。
实施例向图1至3所示的移动炉床式还原熔融炉中装入含有铁矿石和煤的原料烧结矿，然后用由燃料器产生的燃烧热和辐射热进行加热还原(炉内温度1300℃)，同时原料烧结矿保持固体状态。在还原气氛下，将原料烧结矿进一步加热和熔融，由此产生作为目标产物的金属铁和作为副产物的炉渣的混合物。在炉子中将混合物冷却至1000℃。通过在炉床移动方向的下游侧处提供的排放装置将所有由冷却而固化的粒状金属铁、炉渣颗粒和混合固体从炉子中排放出来。通过进料管将排放的混合固体等导入至用于快速冷却的冷却槽，向其中供给表1所示的冷却剂。使用氮气作为冷却剂的冷却槽示于图6。通过一直向冷却槽供给氮气(流量10Nm3/小时)将混合固体等快速冷却，同时调节氮气的流量以便于250℃/分钟下保持冷却速度。此外，通过排气管14排放氮气，调节供给的氮气的流量。当将金属铁等的温度降低至室温的时候，根据需要将金属铁等从冷却槽中取出来，并且测量混合固体的总量(参见表1中的“混合固体质量”和“炉渣未分离率”)。在氮气冷却的情况下，通过将热电偶插入在于冷却槽中堆积的一大堆混合固体中来测量金属铁等的温度。使用水作为冷却剂的冷却槽示于图7。在将导入冷却槽中的混合固体等进行冷却前，在冷却槽中形成池水。作为以水浸泡状态单独测量混合固体等的冷却速度的结果，冷却速度为350℃/分钟。当将混和固体等的温度降低至室温的时候，根据需要将混和固体等从冷却槽中取出来，并且测量混合固体的总量。测量结果示于表1。
再有，在水冷却的情况下，分开测量用水浸泡所得到的冷却速度。更具体而言，在加热炉中加热至1000℃的一大堆混合固体中插入热电偶，并且在水浸泡状态下测量混合固体的冷却速度。
从表1可看出，通过采用氮气或水作为冷却剂，可以从混合固体中分离并且除去炉渣。此外，可以看出采用水作为冷却剂的试验较采用氮气作为冷却剂的试验表现出更低的未分离率，由此用水浸泡的快速冷却方法是更优选的快速冷却方法。
比较例在与上面所述的实施例相同的条件下，使用移动炉床式还原熔融炉制备粒状金属铁。将从炉子中排放出来的混合固体等放置于大气中以自然冷却至室温，但得到非常高的未分离率(15％)。
工业适用性如上所述，根据本发明的方法，可以容易地使从炉子中排放出来的作为混合固体组分的金属铁和炉渣相互分离。由于本发明提供没有炉渣并且具有高铁纯度的金属铁原料，通过建造利用由此提供的金属铁原料作为炼钢的原料的连续系统，可以在高生产率下制备具有稳定质量的熔融钢，同时降低由单位产品的电炉所消耗的电能。
权利要求
1.一种促进粒状金属铁和炉渣分离的方法，该方法是用来由原料烧结矿的还原熔融而制备粒状金属铁的，所述原料烧结矿含有含氧化铁的原料和含碳还原剂，其中将由还原熔融制备的粒状金属铁和作为副产物产生的炉渣的混合固体快速冷却，以促进粒状金属铁与副产物炉渣的相互分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述快速冷却是使用冷却剂进行的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述快速冷却是在从粒状金属铁的固化温度至150℃的至少部分范围内，以不低于250℃/分钟的冷却速度进行的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述快速冷却是以不低于350℃/分钟的冷却速度进行的。
5.根据权利要求1至4任何一项所述的方法，其中将水用作冷却剂，直到达到150℃才停止粒状金属铁的快速冷却，并且将留存在和附着于粒状金属铁上的潮气干燥。
全文摘要
一种促进粒状金属铁和炉渣分离的方法，其特征在于在粒状金属铁的生产方法中，该生产方法包含还原和熔融由含氧化铁的原料和含碳还原剂组成的原料块，将由上述还原和熔融形成的粒状金属铁和副产物炉渣的固体混合物骤冷，以由此促进粒状金属铁与副产物炉渣的分离。该方法可以用于制备符合要求的不含有炉渣并且具有提高了的铁纯度的金属铁。
文档编号C21B13/10GK1533443SQ0281187
公开日2004年9月29日 申请日期2002年6月17日 优先权日2001年7月24日
发明者津下修, 吉田昌平, 平 申请人:株式会社神户制钢所