用于生产和还原氧化铁团块的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种完整的氧化铁碳团块的制造方法，所述完整的氧化铁碳团块具有助熔剂和粘结剂并被用作高炉的进料或用于在电弧炉或感应炉中还原和熔融以生产生铁。
【背景技术】
[0002]绝大多数钢是通过高炉制造的。最简单的形式中，在炼焦炉中加工炼焦煤以生产焦炭。铁矿石、赤铁矿和焦炭进料至尚炉，然后生铁在其中被生广出来。2012年，世界钢铁生产量约15亿吨，约7亿吨生产于中国。
[0003]中国的钢制造实践中，制造I吨钢需要约2.6吨的炼焦煤。目前的钢制造工艺变得棘手，其中炼焦煤的价格在上升。在全球金融危机中，炼焦煤的价格已上涨至高达每吨US$350，因此推动钢价格到前所未有的高度。另一个主要关切是，一些钢铁公司预计30年内将没有足够的炼焦煤来供应高炉。
[0004]因此，从低品位铁矿石或废料生产钢具有显著增长的可用性，并且高品味铁矿石和炼焦煤的供应变得有限且过于昂贵。随后，已经开发和采用了各种方法以试图实现低成本的钢生产。
[0005]特定市场利基(specific market niches)已经发展，以使得恪融还原的铁矿石团块在亚洲具有良好市场，在该地区中作为电炉钢铁工业的进料。最近的实例是BHPBillit1n试图通过在西澳大利亚设立热压铁块(hot briquette iron)厂来供应亚洲市场。类似地，R1 Tinto建立的HIsmeltr高强度冶炼”)工艺试图通过由煤直接还原铁矿石来生产铁。
[0006]高炉操作中的效率提升已经通过使用球团矿实现了，其中均匀的颗粒尺寸有助于增加炉中的渗透性。例如，在委内瑞拉加拉加斯的西蒙.玻利瓦尔大学的M.Specht，C.Seaton和A.Morales所写的题目为“使用灵活焦炭(f lexicoke)作为还原剂的自还原铁矿球团”的未注明日期的文章中，作者描述了他们在使用从重质原油生产并炼制为还原剂的灵活焦炭与铁矿石混合在球团中的工作。灵活焦炭高达17重量％，并且测试的粘结材料为波特兰水泥、石灰、称为Peridur的纤维素粘结剂和粘土。水泥球团表现出320kg/球团的高强度，但是其在还原之后减少了 82%且带有表面的破裂和剥离。具有水泥的还原的球团显示出连通孔隙的内部结构，其提供了海绵状结构。另一方面，具有石灰的自还原球团的机械强度在还原后增加了214%至40kg/球团。然后，这不足以满足高炉的60kg/球团的要求。此夕卜，在该情况下制备的是1mm直径的球团，而非团块。
[0007]名称为“感应炉用于由铁矿石生产铁中的用途”的美国专利20070157761描述了一种利用感应炉以还原和熔融铁矿石为生铁的方法。附图示出了还原-熔融区域，其直径大致相同于炉渣和熔融生铁的储液器。然而，还原-熔融区域的大直径意味着电磁能量可能不会达到负载并且可能导致未还原的铁矿石达到储液器并遇到(reporting to)炉渣。
[0008]电磁能量的频率对感应加热和氧化铁的还原是重要的。例如，电磁能量频率的实验已被东京工业大学的K.Hara和M.Hayashi，国家聚变科学研究所的M.Sato和东京大学的K.Nagata进行，其中，在磁铁矿和碳的混合粉末上使用了 12.5kW、2.45GHz的反应器。用40分钟达到1200C，并且在1400C时，额外的铁矿石和碳被添加以生产熔融生铁。本申请人已在用碳的氧化铁还原中使用2.45GHz和981kHz进行实验。然而，所得工艺是耗时的，其中需要延长的时间用于使物料(mass)达到用于还原和熔融的高温。因此，本申请人对电磁能量的频率已实施了修改，这被描述于本申请的下文中。
[0009]除了诸如可用性和供料成本等棘手的经济问题外，当前的钢制造工艺还生产了大量的温室气体排放，从炼焦炉操作开始。第5届政府间气候变化专门委员会(IPCC)建议碳排放到2050年必须减少40%至70%，并且到2100年为零碳排放。如果碳排放没有减少，那么将对气候变化造成不利的环境影响。
[00?0]因此，本发明的目的在于提供一种改进的和低成本(cost effective)的氧化铁团块的制造方法，所述氧化铁团块用在高炉、电弧炉或感应炉中以用于其后的生铁制造。此夕卜，本发明的进一步目的在于提供一种环境可持续的钢生产方法。
[0011]发明概述
[0012]根据本发明，尽管这不应视为对本发明有任何方面的限制，但是提供了一种用于生产和还原铁矿石团块的方法，该方法包括以下步骤:
[0013]a.将粉碎的含铁材料、粉碎的含碳材料、助熔材料和主粘结材料结合在一起以形成团块混合物；
[0014]b.向所述团块混合物添加金属微粒材料；
[0015]c.向所述团块混合物添加热水和副粘结材料；
[0016]d.将所述团块混合物捏制在一起；
[0017]e.在压力下压实所述团块混合物以形成生坯(green)团块；
[0018]f.使所述生坯团块经受初级固化以形成稳定的铁矿石团块或者预热所述生坯团块至高达800°C的温度；以及
[0019]g.将所述生坯团块或预热的生坯团块进料至炉中以生产生铁。
[0020]其中，当铁矿石团块经受电磁辐射时，分散在铁矿石团块中的金属微粒材料促使增加的反应性位点的形成，并且从而增加铁矿石团块的还原以形成生铁。
[0021]优选地，所述金属微粒材料占团块混合物的粉碎的氧化铁和粉碎的含碳材料的总重量的I?10重量％。
[0022]优选地，所述金属微粒材料包括非常精细的铁肩。
[0023]优选地，所述粉碎的含铁材料选自赤铁矿、磁铁矿、铁燧岩、褐铁矿、菱铁矿、黄铁矿、铬铁矿及其混合物。
[0024]优选地，所述粉碎的含碳材料选自焦炭、褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤、石墨及其混合物。
[0025]优选地，团块混合物中的粉碎的含碳材料比用于还原氧化铁材料所需的化学计量比过量20%。
[0026]优选地，所述助熔材料占团块混合物的粉碎的含铁材料和粉碎的含碳材料的总重量的2?8重量％。
[0027]优选地，所述助熔材料选自水泥、石灰、二氧化硅、氧化铝及其混合物。
[0028]优选地，所述主粘结材料选自硼砂、苏打灰及其混合物。
[0029]优选地，所述硼砂占团块混合物的粉碎的含铁材料和粉碎的含碳材料的总重量的
2?8重量％。
[0030]优选地，所述苏打灰占团块混合物的粉碎的含铁材料和粉碎的含碳材料的总重量的I?10重量％。
[0031 ]优选地，所述副粘结材料包含硅酸钠水溶液。
[0032]优选地，所述初级固化包括在环境温度下干燥和老化所述生坯团块直至7天。
[0033]优选地，生坯团块的预热是通过在常规加热工具或感应加热工具中加热而发生的。
[0034]优选地，所述常规加热工具包括回转窑。
[0035]优选地，向铁矿石团块施加的电磁辐射为100?500kHz。
[0036]优选地，所述电磁辐射是通过感应炉施加的。
[0037]优选地，所述铁矿石团块用作生铁生产中的电弧炉或感应炉的给料。
[0038]优选地，所述铁矿石团块用作用于生铁生产中的高炉的给料。
[0039]实验性工作
[0040]含铁材料的制备
[0041]实验是对购自化学供应商的赤铁矿进行的，其中购买的赤铁矿足够精细并备好待用。
[0042]在该实验中使用的磁铁精矿得自西澳大利亚的磁铁矿区并且然后经受粉碎处理，以使得所得粉碎的材料的尺寸约为40微米。
[0043]可以采用本领域中已知的任何已知的粉粹处理。为了该实验的目的，该粉碎处理是通过采用2002317626号澳大利亚专利所披露的强祸流粉碎机(intense vortexcomminutor)而实现的。
[0044]此外，粉碎的磁铁精矿可以经受进一步的约5000高斯下的磁选处理，以获得精细且尚品位的磁铁精矿。
[0045]类似地，低品位的赤铁矿矿石可以经受高强度的约10000?14000高斯下的磁选，以获得精细且尚品位的赤铁矿矿石。
[0046]含碳材料的制备
[0047]来自澳大利亚维多利亚州的LatrobeValley褐煤经受使用强涡流粉碎机的粉碎处理。所得粉碎的褐煤的尺寸约为150微米。
[0048]粉碎的褐煤然后在真空下经受约5.8GHz的高频脉冲微波，其将该褐煤加热至650°C的温度，从而使轻质原油和高碳渣(high carbon residue)的提炼成为可能，该残渣在用于生产铁矿石团块的方法中用作含碳材料。该残渣估计包含由Si02、Ca0、Mg0和Al2O3形成的约8 %的灰分，约6重量％的挥发性烃，以及余量的86 %的碳。
[0049]铁矿石团块的制备
[0050]制备的测试混合物包括以下成分:
[0051 ] a.赤铁矿矿石-292克
[0052]b.褐煤残渣-192克
[0053]c.波特兰水泥-2重量％?8重量％
[0054]d.硼砂-2重量％?8重量％
[0055]6.苏打灰-1%?5