基于铁氧化物的固体团聚产物及其相应的生产方法与流程

本发明涉及基于氧化铁的固体团聚产物和相应的生产方法。

特别地，根据本发明的团聚产物可用于馈入多种电弧炉，以便回收其中所含的铁。

背景技术：

在钢铁和冶金领域，制铁和钢铁生产的不同类型的副产物(by-product)是众所周知，通常被认为是工业废料或废弃物。

这些副产物主要包括氧化铁和其他残留物。

仅作为示例，来自炼铁的这些残留物可以是来自氧化铁造粒厂(ironoxidepelletizingplant)的粉末(fines)、高炉粉尘(dust)、来自钢铁厂的粉尘和粉末、轧屑、来自直接还原厂的粉末。

根据副产物的大小，这些副产物通常可分为两大类：

-粒径小于100μm的细粒部分(finefraction)，通常称为粉尘，通常由除尘系统回收；

-粒径在100μm和8mm之间的粗粒部分(coarsefraction)。

这些副产物通常被视为炼钢厂和采矿厂的废品，必须作为废弃物处理，具有相当大的运营成本。

另一个缺点是，由于这些副产物的粒径小，难以收集、运输和移动。

此外，这些副产物的大量的存在表明，由于它们含有大量的铁，钢铁厂的产量损失很大。

回收衍生自冶金厂的副产物的方法和设备也是众所周知的，这些方法和设备从上述基于铁的副产物开始，并将这些副产物与还原剂和可能的其他添加剂或副产物结合，以生产团聚(agglomerated)产物，例如多个丸粒(pellets)和/或多个压块(briquettes)，更易于管理、运输和移动。

这些团聚产物，如果在决定的温度和决定的条件下，可以建立还原反应，其中氧化铁还原为可以回收的金属铁。

通常，这些团聚产物被使用于馈入用于生产铁的反应器(如高炉)或直接还原厂。

例如，专利文件日本专利申请案公开第jp2008095177a号和美国专利申请案公开第us2004/025633号描述了通过可在高炉中使用的水硬性粘结剂(即，水泥)将含铁材料和碳团聚而获得的团聚产物。

专利文件欧洲专利第ep0976843号也是已知的，其描述了在没有碱性粘结剂的情况下基于铁和碳氧化物的压块的冷制备方法。

然而，如果这些副产物随后用作传统电弧炉的一炉料，则这些方法不是非常有效，并且不能保证副产物氧化铁中存在的金属铁的有效回收。

此外，这些方法通常使用基本上化学计量或略高数量的碳，存在从电弧炉中发生的传统熔炼过程中减去碳的风险。

此外，这些(通常提供单一水硬性粘结剂，例如，水泥或生石灰)团聚产物不具有高机械性能，并且可能不适合在电弧炉中有效使用。

本发明的一个目的在于提供基于氧化铁的团聚产物，所述团聚产物具有增加的机械特性，能够容易地移动、存储和运输。

本发明的另一个目的在于提供一种效率高、产量高的团聚产物，也可用作电弧炉的炉料。

本发明的另一个目的在于回收铁加工的副产物的细粒部分和粗粒部分，以生产基于氧化铁的团聚产物，从而减少其在环境中的散布、减少材料浪费、及优化可用资源。

本发明的另一个目的在于提供基于氧化铁的团聚产物，其优化由还原剂执行的还原反应，从而最大化存在于副产物中从氧化铁中可获得的金属铁。

申请人已设计、测试并实施本发明以克服现有技术的缺点并获得这些及其它目的和优点。

技术实现要素：

在独立权利要求中阐述本发明和表示本发明的特征。从属权利要求描述本发明的其他特征或主要发明构想的变体。

根据上述目的，本发明的固体团聚产物可用作电弧炉的炉料。

所述固体团聚产物包括：

-至少一部分的副产物，衍生自一炼钢厂，所述至少一部分的副产物包括包括一第一部份及一第二部份，所述第一部份含有氧化亚铁feo及所述第二部分含有氧化铁fe2o3；

-一部分的固体燃料，所述部分的固体燃料有一数量的碳c_固定(c_fix)；

-至少一种无机粘结剂至少部分包括炉渣(slag)，以便将所述至少一部分的副产物和所述部分的固体燃料相互团聚，并给予所述团聚产物具有所需的机械性能。

根据本发明，所述炉渣可以是白渣(whiteslag)或黑渣(blackslag)，或以任何比例的两者的组合。

根据本发明的一个方面，所述固体燃料的所述部分以重量计的一数量由公式cr＝k*cs/c_fix确定，其中：

k：是一个介于1.2至2.5之间的常数；

cs：是以重量计的一数量的化学计量碳，由公式cs＝0.11*(fe²⁺_tot)+0.16*(fe³⁺_tot)所定义，其中fe²⁺_tot是所述第一部分中所含的以重量计的一数量的铁，fe³⁺_tot是所述第二部分中所含的以重量计的一数量的铁。

如上所述，基于氧化铁的固体团聚产物可直接用作一电弧炉的一炉料，以回收其中所含的铁。本产物不用重新引入还原反应器、高炉、直接还原装置(directreductionplants,drp)或类似装置，如本领域通常发生的情况。

由于特殊成分，特别是由于团聚产物中存在的碳的数量，可以获得自还原产物，一旦填入电弧炉，由于存在高温，所述团聚产物可还原为金属铁，并可作为液态金属回收，从而提高熔融的整体产量。

基于氧化铁的固体团聚产物也可用于使用废料或直接还原铁(directreducediron,dri)作为炉料的电弧炉。

此外，所述固体团聚产物允许从钢铁工业不同生产工艺中回收副产物或铁质部分的残留物，例如从烟气设备或直接还原厂回收，并直接在产生副产物的同一生产站点重新使用。

这大大简化了这些副产物的管理，这些副产物不再被视为废弃残留物而是作为铁的进一步来源。

本发明还涉及一种生产固体团聚产物的方法，包括：

-提供至少一部分的副产物，所述至少一部分的副产物包括一第一部分及一第二部分，所述第一部分含有氧化亚铁feo及所述第二部分含有氧化铁fe2o3；

-提供一部分的固体燃料，所述部分的固体燃料含有一数量的碳c_fix；

-将所述至少一部分的副产物与所述部分的固体燃料及至少一种无机粘结剂相混合(至少部分包括一炉渣)，以获得所述固体团聚产物。

根据本发明的一个方面，在所述混合步骤之前，所述方法包括以公式cr＝k*cs/c_fix确定所述部分的固体燃料cr以重量计的一数量，其中：

k：是一个由1.2至2.5之间组成的常数；

cs：是以重量计的一数量的化学计量碳，由公式cs＝0.11*(fe²⁺_tot)+0.16*(fe³⁺_tot)所定义，其中fe²⁺_tot是所述第一部分中所含的以重量计的一数量的铁，fe³⁺_tot是所述第二部分中所含的以重量计的一数量的铁。

本发明的实施例还涉及如上所定义的团聚产物作为电弧炉的炉料的用途。

附图说明

通过以下对一些实施例的描述(作为非限制性示例参考附图给出)，本发明的这些和其他特征将变得明白易懂，其中：

-图1是根据本发明的基于氧化铁的固体团聚产物的生产方法的示意图；

-图2是根据本发明另一种基于氧化铁的固体团聚产物的生产方法的示意图。

为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来识别附图中相同的共同元件。应当理解的是，一个实施例的元件和特征可方便地并入其它实施例而无需进一步澄清。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的各种实施例，其中一个或多个示例在附图中示出。每个示例都是通过本发明的附图提供，不应被理解为其限制。例如，可以在其他实施例或与其他实施例关联地采用所示或描述的特征，以生成另一个实施例。应当理解的是，本发明应包括所有这样的修改和变型。

根据本发明的实施例，根据本发明的固体团聚产物包括：

-至少一部分的副产物，在下文中将被称为m、m1、m2、m3，所述至少一部分的副产物包括一第一部分及一第二部分，所述第一部分含有氧化铁feo，及所述第二部分含有氧化铁fe2o3；

-一部分的固体燃料cr，所述部分的固体燃料cr含有一数量的碳c_fix；

-至少一种无机粘结剂(至少部分包括一炉渣)以将所述至少一部分的副产物m、m1、m2、m3和所述部分的固体燃料cr相互团聚，并给予所述团聚产物具有所需的机械性能。

所述至少一部分的副产物m、m1、m2、m3适当与所述部分的固体燃料cr混合并相结合，以便获得上述可用于作为馈入一电弧炉或可能的其他类型炼钢厂的材料的团聚产物。

根据一个可能的解决方案，所述部分的固体燃料可以选择包括在以下的一群组中：无烟煤、焦炭、焦炭渣、石油焦或类似物。

根据本发明的一个方面，所述数量的碳c_fix是所述部分的固体燃料中不挥发(即，固定)碳的百分比。所述数量的碳c_fix可以确定为非挥发性碳的重量与含有此数量的碳的燃料的总重量之间的比值。

根据本发明的多个可能实施例，可以通过试验和/或已知的测量方法来测量所述数量的碳c_fix。

所述部分的固体燃料cr中所含的所述数量的碳c_fix作为一还原剂，从含氧化铁feo的所述第一部分和含氧化铁fe2o3的所述第二部分减去氧。

特别地，氧化亚铁feo和氧化铁fe2o3的还原反应由以下公式描述：

2fe2o3+3c＝4fe+3co2(g)

2feo+c＝2fe+co2(g)

fe2o3+3c＝4fe+3co(g)

feo+c＝fe+co(g)

还原反应的产物为金属铁fe和气体形式的碳氧化物。

根据这些公式，可以确定正确和平衡的还原反应以重量计的一数量所需的化学计量碳cs：

cs＝(fe²⁺_tot)*1/2*(pm_c/pm_fe)+(fe³⁺_tot)*3/4*(pm_c/pm_fe)

其中：

fe²⁺_tot：所述第一部分中所含有的氧化亚铁feo以重量计的一数量的铁；

fe³⁺_tot：所述第二部分中所含有的氧化铁fe2o3以重量计的一数量的铁；

pm_c：是碳c的原子量，等于12；

pm_fe：是铁的原子量，等于55.8。

因此，上述化学计量的还原反应可简化并近似如下：

cs＝0.11*(fe²⁺_tot)+0.16*(fe³⁺_tot)

根据本发明的一个方面，提供了在团聚产物中提供所述部分的固体燃料cr以公式cr＝k*cs/c_fix确定以重量计的一数量存在，其中：

k：是包括在1.2至2.5之间的常数，优选地包括在1.3至1.6之间；

cs：是上述定义的化学计量碳cs以重量计的一数量。

每个团聚产物中存在的所述部分的固体燃料cr的相关性允许固体燃料的数量和氧化铁的数量(无论它们是feo还是fe2o3)之间的适当平衡。此外，如上所述的相关性允许确定必须存在于所述团聚产物中的所述部分的固体燃料的数量，这是提供能够促进在电弧炉中熔炼期间还原动力学的能量贡献所必需的。

因此，由此获得的所述团聚产物可直接用作电弧炉的炉料，因为由于其还原剂和氧化铁的平衡，它从燃料本身接收还原所需的能量的部分，用于生产液态金属。

根据另一个实施例，相对于至少一个部分的副产物m、m1、m2、m3，所述部分的固体燃料cr的数量小于或等于30重量百分比％。固体燃料cr的此数值被证明是一个很好的妥协方案，既可以获得所述团聚产物，又可以降低生产成本。

根据另一个实施例，所述部分的固体燃料cr的数量相对于所述固体团聚产物的总重量小于或等于25重量百分比％。

根据一个实施例，炉渣可包括白渣和/或黑渣。

特别地，一个优选的解决方案为仅使用白渣，因为其含有比黑渣更高浓度的水硬性粘结剂(例如石灰(lime))，并且因此更适合于团聚结合。

根据本发明的一个可能实施例，所述无机粘结剂包括与水泥结合的炉渣。

白渣和/或黑渣(可归类为碱性粘结剂)的使用可提高团聚键结的有效性，使压制产物更加紧密，并在随后的电弧炉(eaf)的使用中提高效率。由于炉渣可以作为工作废料以较低的成本获得，因此也具有经济优势。

根据一个可能的解决方案，相对于所述至少一部分的副产物m、m1、m2、m3，水泥(如果存在)的重量百分比占6％到14％之间，优选地为8％到12％。

根据可能的解决方案，所述水泥可包括波特兰水泥，优选地为iii型。

根据本发明的另一种解决方案，相对于所述至少一部分的副产物m、m1、m2、m3，所述炉渣的重量百分比在2％和10％之间，优选地在5％和9％之间。

白渣可以定义为从二次冶金过程(例如通常在钢水包内实施的炼钢过程)中作为废弃物获得的炉渣。

黑渣可以被定义为电弧炉熔炼过程中产生的废弃物。

在生产固体团聚产物的步骤中添加炉渣有利地允许改善团聚物本身的多种机械性能，从而产生水合硅酸钙的针状结构，并允许增加团聚物本身的吸湿性，以便保留水泥水合所需的水(如果存在)。

此外，相对于现有技术的状况，炉渣的添加允许减少水泥或类似粘结剂的必要数量，并调节熔炉中炉渣的碱性，可能减少排渣剂的添加。

根据多个可能的解决方案，所述团聚产物可包括至少一种添加剂，所述至少一种添加剂选自由以下组成的群组包括：氧化钙cao(也称为“生石灰”)和碳酸钙caco3。

根据一个可能的解决方案，根据本发明的所述固体团聚产物不包括膨润土和/或多种有机粘结剂，例如磨拉石(molasse)，作为主要粘结剂。

事实上，如果将这些材料置于400℃以上的温度，则所述团聚产物给予的机械性能较差。本发明的另一个可能目的是获得在400℃以上的温度下(优选地，高于600℃)保持其机械阻力特性的团聚产物。例如，这使得通常在600℃左右的温度下将这些团聚产物添加到预热直接还原铁中成为可能。

所述固体团聚产物可以是压制(pressed)产物，可能是挤压的(extruded)，具有圆形、矩形、多边形或三角形横截面，或类似和可比的横截面。

具体地，所述固体团聚产物可以是通过挤压获得的产物。

根据一些实施例，所述固体团聚产物可以是多个丸粒p的形式。每个丸粒p可以有利地具有8mm到25mm之间的尺寸和4克(gr)到25克(gr)之间的重量。这些丸粒的尺寸和重量实际上允许获得一团聚产物，所述团聚产物特别适合用于馈入多种电弧炉。事实上，这种重量和尺寸大于通常已知的解决方案，并且有助于和简化所述多个丸粒的生产，使得所述多个丸粒一旦填入熔炉中，就能够很容易地到达金属熔池并且不会停留在表面上，例如在炉渣上方。

如果生产多个丸粒p，则图1中示意性所示的生产方法提供使用具有一粒径小于100微米(μm)的单一部分的副产物m。

所述单一部分的副产物m可由炼钢厂的单一区域供应，所述部分在炼钢厂的所述单一区域中生产，或衍生自一炼钢厂的多个不同部分。

此外，可以提供所述单个部分的副产物m也衍生自研磨和混合几个部分的副产物的先前工艺，所述几个部分的副产物具有比用于所述多个丸粒p的生产工艺的颗粒尺寸大得多的颗粒尺寸。

优选地，提供所述部分的副产物m的至少50％具有一粒径小于25μm。

根据一个变型实施例，提供所述部分的副产物m的至少80％具有一粒径小于45μm。

根据此解决方案，可提供在至少一部分的所述部分的副产物具有一粒径大于100μm的情况下，对此部分或整个部分的副产物进行一研磨工艺以便获得所需粒径。

随后，所述方法提供(例如通过实验室试验的方式)确定含有氧化亚铁feo的所述第一部分中所含的以重量计的数量的铁fe²⁺_tot和含有氧化铁fe2o3的所述第二部分中所含的以重量计的数量的铁fe³⁺_tot。

仅作为示例，可以提供以重量计的数量fe²⁺_tot和以重量计的数量的铁fe³⁺_tot可以通过以下公式确定：

fe²⁺_tot＝％fe²⁺_m*m

fe³⁺_tot＝％fe³⁺_m*m。

其中m是所述部分的副产物的重量，％fe²⁺_m和％fe³⁺_m是所述部分的副产物中存在的铁fe²⁺、fe³⁺的各自百分比。

根据一些实施例，％fe²⁺_m和％fe³⁺_m可以通过实验和/或多种测量方法的方式来测量。

根据一个可能的解决方案，可以提供所述部分的副产物m具有金属化的一程度，即相对于全铁，金属铁的一程度，包括在15％到40％之间。

根据一个可能的解决方案，随后提供至少所述部分固体燃料cr和至少一种粘结剂的倾向。根据上述公式确定所述部分的固体燃料cr的数量。

根据一个可能的解决方案，所述多种粘结剂或其部分和所述部分的固体燃料cr或其部分可经受一研磨工艺以便减小其粒径，例如减小到小于100μm的一数值。

随后，将所述部分的副产物、所述多种粘结剂和所述部分的固体燃料cr混合在一起并添加水以获得一混合物zp。

根据一个实施例，可在混合之前实施所述至少一种无机粘结剂、所述固体燃料部分cr和所述部分的副产物m的配量。

然后，生产所述多个丸粒p的方法提供所述混合物zp团聚或冷造粒，以获得团聚物sp。

冷团聚可以通过旋转的圆盘造粒机来实现。由于圆盘造粒机的旋转与所述部分的副产物的内聚性和可塑性相结合，并且由于添加了适量的水，因此有可能形成多个球形核，这些核在圆盘造粒机旋转期间逐渐长大，并随后以基本上球形的多个尺寸的团聚体sp的形式排出。

随后，所述方法可包括一筛分步骤，在所述筛分步骤步骤期间，所述多个团聚体sp被筛分，仅保持具有特定尺寸的那些团聚体sp。

粒径小于所需粒径的团聚体sp被回收，例如在混合步骤中将其引入混合机中，或引入圆盘造粒机或滚筒中。

在分类之后，所述方法可包括一固化步骤。在此固化步骤中，所述多个团聚物sp获得所述丸粒p所需的多个机械特性，这也得益于所述多个粘结剂之间(例如水泥和炉渣之间)发生的水合反应。

根据一个变型，所述固体团聚产物可以是多个压块b的形式。所述多个压块b具有一尺寸包括在20mm到60mm之间，具有一重量包括在15g到300g之间。

如果生产多个压块b，图2中示意性所示的生产方法提供供应至少两部分的副产物，在此示例中为三部分的副产物m1、m2和m3，其中至少第一部分的副产物具有一粒径小于100μm，一第二部分的副产物，在这种情况下，副产物m2和m3的一第二和一第三粒径具有一粒径包括在100μm至8mm之间，对于副产物本身的至少80％，优选地在100μm至4mm之间。

优选地，提供所述第一部分的副产物m1的至少50％具有一粒径小于25μm。

根据一个可能的解决方案，可以提供所述第一部分的副产物m1具有金属化的一程度，即氧化铁(feo和/或fe2o3)还原为金属铁的一程度包括在15％到40％之间。

根据另一个实施例，可以提供所述第二部分的副产物m2具有金属化的一程度，即氧化铁(feo和/或fe2o3)还原为金属铁的一程度低于6％。

根据另一个实施例，可提供所述第三部分的副产物m3具有金属化的一程度，即氧化铁(feo和/或fe2o3)还原为金属铁的一程度包括在70％到100％之间。

根据所述方法的多个可能实施方式，然后提供(例如通过实验室试验的方式)确定所有的部分的副产物m1、m2、m3，含有氧化亚铁feo的所述第一部分中所含的以重量计的数量的铁fe²⁺_tot和含有氧化铁fe2o3的所述第二部分中所含的以重量计的数量的铁fe³⁺_tot。

可分别对多个部分的副产物m1、m2和m3的每一部分进行确定。

仅作为示例，对于存在三个部分的副产物的示例情况，提供(例如通过实验室试验的方式)确定每个部分的副产物中存在的铁fe²⁺、fe³⁺的各自百分比，即，确定％fe²⁺_m1、％fe³⁺_m1、％fe²⁺_m2、％fe³⁺_m2、％fe²⁺_m3、％fe³⁺_m3。

作为铁fe²⁺、fe³⁺百分比的一函数，可以通过以下公式确定fe²⁺_tot和fe³⁺_tot的重量的数量：

fe²⁺_tot＝％fe²⁺_m1*m1+％fe²⁺_m2*m2+％fe²⁺_m3*m3

fe³⁺_tot＝％fe³⁺_m1*m1+％fe³⁺_m2*m2+％fe³⁺_m3*m3。

然后，这些重量的数量用于确定要添加的所述部分的固体燃料cr的重量，以获得多个压块b。

提供供应至少一种无机粘结剂，所述至少一种无机粘结剂将所述多个部分的副产物m1、m2、m3和所述部分的固体燃料cr粘结在一起。

还可以提供，对于生产所述多个丸粒的方法，所述多种粘结剂或其部分以及所述部分的固体燃料cr或其部分可经过一研磨工艺，以减小其粒径，例如，到一数值小于100μm。

随后，将所述多个部分的副产物m1、m2和m3、所述多种粘结剂和所述部分的固体燃料cr加水混合，以获得一混合物zb。

根据一个实施例，可以在混合之前执行所述至少一种无机粘结剂、所述部分的固体燃料cr和所述多个部分的副产物m1、m2、m3的配量。

生产所述多个压块b的所述方法，然后提供冷团聚或所述混合物zb的压块，以获得多个团聚物sb。

所述冷团聚可以通过压制来实现，例如，借助于高压下的机械压实循环。

仅通过示例的方式，所述混合物zb可以被馈入两个反向旋转滚筒之间的空间。所述两个滚筒在其表面上设有模具。当所述混合物zb通过所述两个滚筒之间时，材料被压实，压块被成形为所需的形状和尺寸。

随后，所述方法可以包括一筛分步骤，在所述筛分步骤期间，从冷团聚中排出的多个压块被筛分，仅保留具有一确定尺寸的那些压块。

比所需尺寸小的多个压块被循环再利用，例如在所述混合步骤中再次将其引入混合机，或将其引入压块机。

在分类之后，所述方法可以包括一固化步骤。在此固化步骤中，由于所述多个粘结剂之间(例如水泥和炉渣之间)发生的水合反应，所述多个压块b呈现出所需的机械特性。

下表中列出了所述固体团聚产物的多个配方的示例，即干燥时的重量百分比(即不添加水)。

根据本发明的另一方面，提供了在固化之后，所述多个丸粒p具有一压缩强度(即在塌陷之前支撑丸粒的一压缩重量)大于300n/丸粒。

此外，可以提供根据上述方法获得的所述多个丸粒p具有一“跌落试验(droptest)”，即，抵抗从一确定高度重复跌落(大于20次跌落)的能力。

根据本发明的另一方面，在固化之后，所述多个压块b具有一压缩强度(即在塌陷之前支撑压块的一压缩重量)大于1200n/压块。

应当清楚地，在不脱离本发明的领域和范围的情况下，可以对如上所述的固体团聚产物进行部分的修改和/或添加。

同样清楚的是，尽管已经参考一些具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员肯定能够获得许多其他等效形式的固体团聚产物，具有权利要求书中所述的特征，因此都属于权利要求书规定的保护范围。