直接熔炼方法
【专利摘要】本发明涉及基于熔池的直接熔炼方法，所述方法包括控制直接熔炼容器中的过程条件，使得当所述容器中的熔池中的炉渣温度在1400-1550℃范围内时，容器中的金属和炉渣的熔池中的熔融炉渣具有0.5-5泊范围内的粘度。
【专利说明】直接熔炼方法
[0001] 本申请为国际申请日2011年5月18日、国际申请号PCT/AU2011/000580于2012 年11月19日进入中国国家阶段、申请号201180024820. 9、发明名称"直接熔炼方法"的分 案申请。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及基于熔池的直接熔炼方法，所述方法用于在直接熔炼容器中从含有氧 化铁和氧化钛的含金属进料生产熔融金属。
【背景技术】
[0003] 所述含金属进料可以是含有氧化铁和氧化钛的任何材料。适合的进料的一个实例 是含钛磁铁矿（titanium magnetite)。它也被称为钛磁铁矿（titanomagnetite)或"铁矿 砂"。另一个实例是钛铁矿。在中国西南部和新西兰发现含钛磁铁矿的适合来源。在澳大 利亚西部和马达加斯加发现钛铁矿的适合来源。本发明不限于含钛磁铁矿和钛铁矿，并且 不限于来自于这些来源的含钛磁铁矿和钛铁矿。
[0004] 含金属进料也可以是含有氧化铁和氧化钛以及其他金属氧化物例如氧化钒的任 何材料。适合的进料的一个实例是钛钒磁铁矿，例如在中国西南部和新西兰发现的，或作为 来自于TiO 2颜料进料过程（例如Becher方法）的残渣。
[0005] 已知的基于熔池的直接熔炼方法一般被称为HIsmelt方法，并被描述在本 申请人: 名下的相当多数量的专利和专利申请中。
[0006] HIsmelt方法具体来说与从铁矿石生产熔铁相关。
[0007] 在生产熔铁的情形中，HIsmelt方法包括以下步骤：
[0008] (a)在直接熔炼容器中形成熔铁和炉渣的熔池；
[0009] (b)向所述熔池中注入：⑴铁矿石，典型地为细铁矿石的形式；和（ii)固体含碳 材料，典型地为煤，其起到铁矿石进料的还原剂和能量来源的作用；以及
[0010] (c)在所述熔池中将铁矿石熔炼成铁。
[0011] 在本文中，术语"熔炼"被理解为是指其中发生了使金属氧化物还原产生熔融金属 这样的化学反应的热加工。
[0012] 在HIsmelt方法中，将含金属材料和固体含碳材料这样的形式的固体进料与载气 一起通过多个喷管注入到熔池中，所述喷管向坚直方向倾斜以向下并向内延伸通过直接熔 炼容器的侧壁并延伸到容器的下部区域内，以便将至少一部分固体进料递送到容器底部的 金属层中。固体进料和载气透过熔池，并引起熔融金属和/或炉渣被喷射到熔池表面上方 的空间中并形成过渡区。将一股含氧气体、典型地为富氧空气或纯氧通过向下延伸的喷管 注入到容器的上部区域中，以引起从熔池释放的反应气体在容器的上部区域中后燃烧。在 过渡区中存在相当大量的熔融金属和/或炉渣的上升并随后下降的液滴或溅液或液流，其 提供了有效介质来将熔池上方的反应气体后燃烧所产生的热能转移到熔池中。
[0013] 典型地，在生产熔铁的情形中，当使用富氧空气时，它在约1200°c的温度下进料， 并在热风炉中产生。如果使用工业纯的冷氧气，它典型地在等于或接近室温的温度下进料。
[0014] 由直接熔炼容器中反应气体的后燃烧产生的废气，通过废气管道从容器的上部区 域移走。
[0015] 直接熔炼容器包括下部炉床中的衬有耐火材料的部分和容器侧壁与顶壁中的水 冷式板材，并且水以连续的回路持续循环通过所述板材。
[0016] HIsmelt方法使得能够在单个紧凑型容器中通过直接熔炼生产大量熔铁，典型地 为至少0. 5Mt/a。
[0017] 然而，到此时为止,本 申请人:的观点是HIsmelt方法不适用于熔炼含有氧化铁和 氧化钛例如钛磁铁矿和钛铁矿并任选还含有其他金属氧化物例如氧化钒的含金属进料。现 在，本 申请人:已对HIsmelt方法进行了研究和开发工作，特别是调查该方法中炉渣的特性 的工作，所述工作表明，在HIsmelt方法中，通过适当地控制过程条件，能够熔炼含有氧化 铁和氧化钛以及任选的氧化钒的含金属进料。这一发现也适用于具有与HIsmelt方法类似 的特征或包含HIsmelt方法的其他基于熔池的方法。
[0018] 上面的讨论并不旨在承认这是澳大利亚和其他地方的公知常识。
【发明内容】
[0019] 本发明提供了基于熔池的直接熔炼方法，所述方法包括控制直接熔炼容器中的过 程条件，使得当所述容器中的熔池中的炉渣温度在1400-1550°C范围内时，容器中的金属和 炉渣的熔池中的熔融炉渣具有0. 5-5泊范围内的粘度。
[0020] 本发明提供了直接熔炼方法，所述方法包括将（a)含有氧化铁和至少3重量％氧 化钛的含金属进料、（b)固体含碳进料、和（c)含氧气体供应到含有铁和炉渣的熔池的直 接熔炼容器中，以及在所述容器中直接熔炼所述含金属进料并产生熔铁、含氧化钛的熔融 炉渣、和废气的过程输出物，并且所述方法的特征在于如本文中所述控制过程条件，使得 当所述直接熔炼容器中的熔池中的炉渣温度在1400_1550°C范围内时，所述熔融炉渣具有 0.5-5泊范围内的粘度。
[0021] 在本文中，术语"熔融炉渣"被理解为是指完全为液体的炉渣。
[0022] 在本文中，术语"熔融炉渣"也被理解为是指包含固体材料和液体相的浆料的炉 渣。
[0023] 所述熔融炉渣中的固体材料在所述方法中的炉渣温度下可以是固体氧化物相，因 此所述炉渣是固体氧化物相在液体炉渣相中的浆料。
[0024] 在本文中，术语"过程条件"意欲具有宽泛的含义，并扩展到例如（a)直接熔炼容 器内的操作条件，例如容器内的温度和压力以及固体进料和含氧气体的注入速率，（b)熔池 的组成，特别是炉渣的组成，以及（C)熔池的特性。熔池的组成可以包括选择炉渣的成分， 使得所述炉渣在熔池的1400_1550°C的温度范围内是本文中所述的熔融炉渣。正如在上面 提出的"熔融炉渣"定义中指出的，熔融炉渣在所述方法的操作温度范围下可以包括固体氧 化物相和液体炉渣相。熔融炉渣的特性包括例如上面提到的熔融炉渣的粘度和/或氧势。 所述特性还包括例如熔融炉渣的碱性和炉渣的湍流度。这些特性是操作条件和炉渣组成的 函数。
[0025] 本发明是基于本 申请人:由于上述研究和开发工作而认识到的事实：
[0026] (a)在HIsmelt方法以及与HIsmelt方法具有相似特征或包含HIsmelt方法的其 他基于熔池的方法中，存在着用于直接熔炼含有氧化铁、氧化钛和任选的氧化钒的含金属 进料的操作窗口；以及
[0027] (b)与目前用于熔炼钛磁铁矿、包括含有氧化钒的钛磁铁矿的高炉中的情形相比， 在这些窗口内操作的基于熔池的方法提供了熔炼这些含钛材料以更有效地生产熔铁的可 能性。
[0028] 具体来说，本 申请人:认识到，本发明提供了从HIsmelt型方法的基于熔池的熔炼 过程来生产两种有价值的产物的可能性，即（a)可能含有钒金属的熔铁产物和（b)具有高 浓度例如至少50 %的TiO2形式的氧化钛的炉渣产物，所述炉渣产物可以被用作硫酸盐法生 产颜料级钛白的进料。具体来说，本 申请人:认识到，对于基于熔池的方法来说，存在着控制 从该过程排出的熔融炉渣的冷却速率以优先形成适合于在硫酸盐法中加工的微观结构的 可能性。
[0029] 所述方法可以包括通过控制炉渣的组成并将熔池的温度控制在低于、典型地为略 微低于炉渣的液相线温度以使固体氧化物相从熔融炉渣的液体相中析出从而控制炉渣的 粘度来控制过程条件。
[0030] 当在本文中使用时，术语"粘度"和"液相线温度"被理解为是指通过FactSage 软件计算的粘度和液相线温度（对于液相线温度来说，通过FactSage 6. 1或更晚的版本， 而对于粘度来说，通过FactSage Viscosity 6.0或更晚的版本）。鉴于不同的测量和计 算技术可能产生非标准结果，因此规定这些术语的含义中暗含了通过FactSage计算合理 化。这样的计算在执行时应该完全遵从使用FactSage软件的指南，并且如果需要，应该由 FactSage软件的所有者检查并认可。具体来说，（故意或通过其他方式）忽略某些可能的 化学物质组合的计算不应被认为与本文中使用的"粘度"和"液相线温度" 一致。
[0031] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣中的固体材料为熔融炉渣的至少 5%。
[0032] 熔融炉渣中的固体材料可以为熔融炉渣的至少10%。
[0033] 熔融炉渣中的固体材料可以少于熔融炉渣的30%。
[0034] 熔融炉渣中的固体材料可以占熔融炉渣的15-25%。
[0035] 含金属进料可以是含有氧化铁和氧化钛的任何材料。适合的进料的实例是含钛磁 铁矿、钛磁铁矿和钛铁矿。
[0036] 在含金属进料只包含钛磁铁矿的情形中，氧化钛可以少于含金属进料的40重 量％。
[0037] 在含金属进料只包含钛磁铁矿的情形中，氧化钛可以少于含金属进料的30重 量％。
[0038] 在含金属进料包含钛磁铁矿和钛铁矿的情形中，氧化钛可以少于含金属进料的50 Sfi % O
[0039] 含金属进料也可以是含有氧化铁和氧化钛以及其他金属氧化物例如氧化钒的任 何材料。适合的进料的一个实例是钛钒磁铁矿。
[0040] 在含金属材料含有氧化钒的情形中，所述方法包括生产熔铁和熔钒、含氧化钛和 氧化钒的熔融炉渣、以及废气的过程输出物。
[0041] 取决于过程条件，钒在所述方法的金属与炉渣输出物之间的分配可以是至少 50%、典型地为至少65%、更典型地为至少80%分配到金属输出物中。
[0042] 一般来说，并且不仅仅在含金属材料含有氧化钒的情形中，所述方法可以包括通 过将所述炉渣中的铁与所述金属中的碳的浓度比控制在小于2:1、典型地为小于1. 5:1、更 典型地为1:1至1. 3:1来控制过程条件。
[0043] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣具有高的氧势。
[0044] 在"氧势"的情形中，术语"高的"在本文中被理解为是指相对于高炉炉渣来说是 商的。
[0045] 所述方法可以包括控制过程条件，使得熔融炉渣的氧势高得足以使炉渣中的氧化 钛从+4价态向较低价态的还原最小化。较低价态使炉渣粘度降低并增加形成泡沫状炉渣 的风险。由于泡沫状炉渣产生了过程控制问题，因此泡沫状炉渣是不希望的。
[0046] 所述方法可以包括控制过程条件使得熔融炉渣的FeO含量为至少3重量％，以使 熔融炉渣具有高的氧势。
[0047] 所述方法可以包括控制过程条件使得熔融炉渣的FeO含量为至少4重量％，以使 熔融炉渣具有高的氧势。
[0048] 所述方法可以包括控制过程条件使得熔融炉渣的FeO含量为至少5重量％，以使 熔融炉渣具有高的氧势。
[0049] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣的FeO含量低于6重量％。
[0050] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣的FeO含量低于10重量％。
[0051] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣的碳含量为至少3重量％。
[0052] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣的碳含量为至少4重量％。
[0053] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣的碳含量低于5重量％。
[0054] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣的粘度在0. 5-4泊的范围内。
[0055] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣的粘度在0. 5-3泊的范围内。
[0056] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣的粘度高于2. 5泊。
[0057] 所述方法可以包括添加一种或多种添加剂以便于控制熔池中熔融炉渣的特性例 如炉渣的组成和/或炉渣的粘度。
[0058] 例如，可以选择添加剂来控制熔融炉渣的碱性，例如通过添加 CaO,以降低炉渣的 粘度并使泡沫状炉渣的风险最小化。
[0059] 所述方法可以包括控制过程条件以使熔融炉渣具有在所述范围内的下列成分：
[0060] TiO2 :至少 15 重量％，
[0061] SiO2 :至少 15 重量％，
[0062] CaO :至少 15 重量％,
[0063] Al2O3 :至少10重量％，以及
[0064] FeO :至少 3 重量 ％。
[0065] 熔融炉渣可以包含至少20重量％的Ti02。
[0066] 熔融炉渣可以包含至少50重量％的Ti02。
[0067] 熔融炉渣可以包含15-20重量％的Si02。
[0068] 熔融炉渣可以包含15-30重量％的CaO。
[0069] 熔融炉渣可以包含10-20重量％的Al2O3。 [0070] 熔融炉渣可以包含4-10重量％的FeO。
[0071] 炉渣组合物可以包括其他成分例如MnO。
[0072] 本发明的炉渣组合物的具体实例如下。
[0073] 化学组成A
【权利要求】
1. 直接熔炼炉的熔铁产物，所述熔铁产物包括熔融的铁和钒，其中所述钒包括来自所 述直接熔炼炉的钒输出物的至少50%。
2. 权利要求1的熔铁产物，其中在所述熔铁产物中的钒包括来自所述直接熔炼炉的钒 输出物的至少65%。
3. 权利要求1的熔铁产物，其中在所述熔铁产物中的钒包括供应至所述熔炼炉作为含 金属进料的部分的总钒的至少80%。
4. 直接熔炼炉的炉渣产物，所述炉渣产物包括的熔融炉渣含有： TiO2 :至少50重量％， SiO2 :至少15到20重量％， CaO :至少15到30重量％， Al2O3 :至少10到20重量％， FeO :至少3到10重量％，以及 氧化钒包括来自所述直接熔炼炉的钒输出物的至多50%。
5. 权利要求4的炉渣产物，其中在所述炉渣产物中的钒包括来自所述直接熔炼炉的钒 输出物的至多35%。
6. 权利要求4的炉渣产物，其中在所述炉渣产物中的钒包括来自所述直接熔炼炉的钒 输出物的至多20%。
7. 权利要求4至6任一项的炉渣产物，其中所述熔融炉渣还包括3重量％到5重量％ 的碳含量。
8. 权利要求4至6任一项的炉渣产物，其中所述熔融炉渣包括至少20重量％的Ti02。
9. 权利要求4至6任一项的炉渣产物，其中所述熔融炉渣还包括氧化锰。
10. 用于硫酸盐法生产颜料级钛白的进料，所述进料具有适合于在硫酸盐法中加工的 微观结构并且包括至少50%的TiO2形式的氧化钛，并且其中所述进料包括权利要求4至6 任一项的炉渣产物。
【文档编号】C21B3/04GK104313226SQ201410483567
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2011年5月18日 优先权日:2010年5月18日
【发明者】罗德尼·詹姆斯·德里, 雅克·派洛特 申请人:技术资源有限公司