金属化团块的生产方法

专利名称：金属化团块的生产方法
相关申请的交叉引用本申请要求2000年6月5日申请的序列号为60/209526的临时专利申请的优先权。
几种因素驱动人们去寻求回收炼钢厂废料的方法。首先而且最重要的是关心这些丢弃的有价矿物质。每生产一吨成品钢就同时生成大量炼钢厂废料。炼钢厂废料中含有大量通过炼钢厂的袋滤器和水处理设备收集的铁、氧化铁、其它金属氧化物组分及炭。通过适当地加工可以使废料铁直接还原和熔化以回收有价值的铁组分。当然，这样的回收能够降低炼钢厂的原料成本。
对环境的关注也促使人们寻求有效回收炼钢厂废料的方法。一些炼钢厂废料如电弧炉(EAF)产生的袋滤器粉尘被认为是有害物质，在丢弃前必须进行处理。这样的处理费用极高。即使不被认为是有害物质的炼钢厂废料也需要很高相关的填埋或其它处置费用，因为每生产一吨钢就会生成大量废料。
炼钢厂已经开发了一种回收炼钢厂废料的方法，该方法是收集废料，将废料与还原剂混合，将混合物挤压成固体团块，然后加热团块使团块中的铁材料直接还原，最后将直接还原的团块加入炼钢炉。直接还原前公知为“生”团块的团块形成方法在本领域是公知的。将炼钢厂废料加工成用于直接还原的团块的例子公开在授权于Kaneko等人的美国专利4701214中，该专利描述了下述方法将氧化铁粉尘或铁矿粉与炭粉及粘结剂混合，形成混合物，通过挤压、造球将混合物团块或将混合物压聚成团块或球团，将这些球团加入转底炉以预还原球团中的铁，将预还原后的球团作为金属料组分加入熔融还原器，将粒状含碳燃料和氧气通过熔融还原器底部加入熔融还原器与熔融还原器内的熔体反应，将铁还原成单质铁并形成含CO和H2的废气，将这种废气作为生产气体加入转底炉以预还原其中的球团，然后将热金属从熔融还原器内排出。
利用氧化铁细粉的团块形成炼钢炉的直接还原炉料的最先进方法公开在授权给Meissner等人的美国专利5730775中，该专利描述了用由氧化铁和含碳材料组成的干团块生产直接还原铁的方法和设备，其方法是将团块堆积在炉膛上，其高度不超过两层，将所述团块暴露于温度为约2400°F至约2600°F的辐射热源下以脱除所有的挥发物，并将团块金属化。
为了形成现有技术的生团块，将含铁的粉尘和/或铁矿石与还原剂混合，还原剂通常是含碳材料如煤或焦炭。团块的材料可以是湿的，也可以是干的，这取决于工艺条件。最后，在将混合物压成团块前在混合物中加入粘结剂。
通过直接还原钢铁粉尘生团块回收钢铁粉尘的成功与否很大程度上取决于直接反应前形成的团块质量。从团块进入直接还原炉至进入炼钢炉的整个过程中团块必须保持其物理一体性。如果在直接还原过程中团块破裂或分解，则碎块将快速还原，随后进行氧化。在最坏情况下，破碎的团块被再氧化成FeO。在团块从直接还原炉转移至炼钢炉时没有损失掉的团块碎片将快速再氧化，在喷入炼钢炉时金属会进入炉渣或者被废气收集系统迅速抽出炼钢炉。因此，作为碎块损失的团块材料或粉尘会急剧降低钢铁粉尘回收系统的效率。
为了防止团块破裂，在团块材料中加入粘结剂。在生团块中使用的粘结剂的选择通常是在成本和对下游工艺有害性之间寻找平衡。形成团块时使用的传统粘结剂是硅酸钠、1％生石灰和3％糖浆、沥青基粘结剂和水泥。硅酸钠生产的团块在加热时强度变小或者爆裂，硅酸钠分解成不需要的碱化合物，这些碱化合物在炉内能够损坏耐火材料。水泥粘结剂将增加脉石的相对含量，以致于在后续熔融步骤中矿渣量很高，高到生产上不允许的程度。生石灰/糖浆混合物和沥青基粘结剂具有可以接受的性能，但是其成本高。
目前需要一种成本低并且能够使生团块的抗碎强度得到改进的粘结剂和将粘结剂用于钢铁粉尘团块的方法，从而避免在直接还原工艺或相关运输过程中团块的破裂。目前还需要对下游环境影响最小化和其它对炼钢工艺的不利影响最小化的粘结剂和利用该粘结剂的方法。
本发明的另一个目的是提供一种至少40％，优选大于80％金属化的并且强度得以改进的含碳的直接还原铁团块。
纤维素纤维材料可以来自所有合适的纤维素纤维源，优选来自废料如纸、纸板、木屑、甘蔗渣或市政废物。铁颗粒来自炼钢工艺中的废物流，包括袋滤器粉尘和来自破碎团块和球团的粒状物。也可以在混合物中另外加入原生铁组分。为了正确还原团块，可以根据需要加入还原剂，优选加入粉煤。
团块可以是通过辊式制团法形成的压块、通过圆盘/圆筒造球法、挤出法或其它已知的制备团块的方法形成的球团。团块在炉内加热6-20分钟，产生强度非常高的含碳的处理产品，该产品特别适用作炼铁炉或炼钢炉的原料。
图2是用不同粘结剂制备的团块抗碎强度随其在箱式炉内处理时间变化的对比用座标图。
图3是示出用四种不同粘结剂制备的团块的金属化与处理时间的关系的座标图。
图4是示出用四种不同粘结剂制备的团块中剩余的碳含量随其在炉内加热处理时间变化的座标图。
图5是示出用各种不同粘结剂制备的生团块的平均抗碎强度的柱形图。
图6是示出用纤维素粘结剂和各种粒度的铁粉制备的团块的金属化百分数的座标图。
图7是示出用纤维素粘结剂和各种粒度的铁粉制备的团块的抗碎强度的座标图。
发明详述根据本发明，纤维素纤维在生产用于直接还原含铁材料的生团块中用作粘结剂。使用纤维素粘结剂和本发明的方法可以用分级含铁材料和分级还原剂生产生团块，这些含铁材料和还原剂可以赋予生团块足够高的生球强度，使团块可以直接加入转底炉或其它炉而不会破裂或产生细粉；使团块在加热过程中具有超高强度，不会损害热处理步骤或工艺设备；使它们与用其它粘结剂生产的团块相比总成本更低。
在本发明中，生产生团块时用作粘结剂的纤维素纤维可以来自废料如废纸、纸板、木屑、甘蔗渣(甘蔗废物)或市政废物。当使用后者时，废物是一般废物还是有害废物并无区别，因为后续的热处理会分解废物中的热敏组分。用纤维素纤维作为优选粘结剂与使用传统粘结剂生石灰/糖浆相比能够节省大量费用。另外，生团块强度和还原后的压块强度比用生石灰/糖浆或其它常用粘结剂制备的团块的强度高。
在团聚前用切碎的或磨碎的有机材料生产纤维素纤维材料。纤维素材料源可以是任何合适的原料或消费后的产品物流，包括有机废物物流。纤维素源可以包括但不限定为新纸或废纸、新报纸或旧报纸、新纸板或旧纸板、木屑、一般为甘蔗废物的甘蔗渣和市政废物，包括废物衍生燃料。因为来源非常丰富，所以生产纤维素纤维粘结剂的原料非常便宜，因为纤维素材料可以来自消费后的废物物流，所以使用纤维素粘结剂对环境是友好的。
参看

图1，料斗10中的含铁废料和料斗12中的粘结剂材料一起加入混合器14，然后进入造块机(在图1中示为团块机16)。团块材料排出造块机后可以用合适的设备如筛18进行筛分或分级。通过筛18的细粉经由循环管线20再循环到混合器14。收集大团块，将其加入炼铁炉或炼钢炉22。和含铁废料一起加入混合器14的是基本干燥的纤维素纤维粘结剂材料。纤维素粘结剂材料优选是混合物总重量的约0.5％至约2.0％，尽管粘结剂的使用量最高可达约25wt％。废铁材料来自炼钢炉袋滤器粉尘或从上述团块作业中收集的粉尘和碎片。含铁废料也可以来自炼钢工艺中的其它步骤或从炼钢厂以外的有含铁废料物流的设备中运输而来。含铁材料一般是高炉粉尘、高炉残渣、BOF(碱性氧气转炉)粉尘、BOF残渣、轧钢残渣、轧钢皮、切削屑、金属化DRI细粉、烧结矿粉尘、化铁炉粉尘、或废碎球团。电弧炉(EAF)粉尘也可以作为废铁源。在本发明中用EAF粉尘作原料有很大的意义，因为EAF粉尘可以划分成有害废料，将这种废料通过本发明的方法再循环后可使其毒性最小化。使用纤维素纤维作为粘结剂时，含铁材料的粒度不需要像使用现有技术的粘结剂那样进行细粉。例如，5-10％的含铁颗粒的粒度可达6mm，这样仍然能够得到强度很高的团块。
如果需要，可以在混合物中加入细粉形式的原生铁矿石。根据混合物中废铁材料的组成和最终还原团块的所需组成，加入原生铁材料以稀释废铁中不需要的组分如大量的硫、锰、铬等以消耗过量的炭或仅仅是为了增加铁含量。
最后在混合物中加入还原剂材料，还原剂材料优选是焦粉、石油焦粉、CDQ(冷法熄尘)粉尘，最优选粉煤。所有其它常用于直接还原铁的还原剂也是可以接受的，包括木炭或石墨。还原剂的用量取决于混合物中铁组分的相对量及纤维素粘结剂的用量。我们发现纤维素纤维材料可有效地用作还原剂，在某些情况下可以替代一些或全部昂贵的精选还原剂。因此存在用纤维素材料100％替代团块中还原剂组分的可能性，特别是在这样作具有经济利益的时候。尽管各种粒度的还原剂材料都能产生强度能够令人接受的团块，但是优选使用80％的煤能够通过200目筛的粉煤。
根据制造团块过程中使用的原料，可以在含铁材料、还原剂和纤维素粘结剂(如果有)的混合物中加入补充水。在混合物中加入的其量为混合物重量的0-5％的水有助于粘结过程，可以产生强度更大的团块。在生混合物含有大量水分，即含有3-5wt％水分的情况下，来自团块作业的机械力一般会使水分总含量减少0-2wt％，这是因为物理挤压团块材料使水分排出。在是压块的情况下，不需要将生团块干燥就可以直接将团块加入加热炉。
纤维素纤维不是致密粘结材料，因此粘结剂、含铁材料和还原剂(如果有)的混合物不是非常致密，特别是大量使用纤维素纤维时。因此优选将混合物压块而不造球，这样能够使高压压块工艺作用于团块。
实验室的实验证明根据本发明用纤维素粘结剂生产的团块与用其它粘结剂体系生产的团块相比，其生球强度相当或更高，即使是用10％的3目大小的含铁材料时也是如此(参见图5)。另外，在氮气和/或还原气体保护下在1000-1288℃的高温下处理7-10分钟后的含纤维素粘结剂的团块比经过同样处理的用其它粘结剂生产的团块的抗碎强度高得多。另外，纤维素纤维粘结剂能够增加作为加热时间函数的DRI抗碎强度，这种通过纤维素纤维粘结剂取得的作为加热时间(8-12分钟)函数的DRI抗碎强度的增加通常是现有技术的粘结剂组合所不能达到的。
压块后，将压块加入热处理炉，优选加入转底炉，在转底炉内在约1000℃至约1300℃的温度下热处理约6至约20分钟。加热时间优选为约7至约9分钟。通过使用有限的加热时间(在炉内的总时间应当不超过20分钟)可以得到强度非常大的压块。加热炉内的气氛可以是氧化性的、惰性的或还原性的，即，0至约10％的可燃气体(如H2+CO)。团块可以首先在氧化气氛中加热，然后再在惰性和/或还原气氛中加热。另外，含碳的含铁团块的金属化与残炭量有关。
当用作炼钢炉原料时，高强度的压块聚在一起并且易于使渣层渗入炼钢炉的金属熔体浴内。
我们发现对于有或没有任何其它还原剂的分级含铁材料的团块来说，纤维素纤维材料是非常经济的粘结剂。我们发现少量纤维素粘结剂(0.5-2wt％)就能起到很好的作用(例如，测定的生料强度)。其它粘结剂体系如果想达到同样的效果则需要更多的粘结剂。在某些条件下，为了使团块强度增加，可以使少量纤维素粘结剂与传统粘结剂结合使用，或作为传统粘结剂的补充粘结剂。另外，因为纤维素纤维粘结剂具有改进的粘结性能，所以可以用大粒度颗粒(0.25-1.0mm)生产强度很大的生团块。
参看图2，对20cc压块的分析显示1％纸/1％水粘结剂比3％糖浆/1％生石灰粘结剂好。用纤维素粘结剂生产的生压块的强度略高，8分钟还原后的DRI强度几乎是用3％糖浆/1％生石灰和2％糖浆粘结剂生产的生压块的DRI强度的两倍。我们发现用纤维素粘结剂生产的压块的还原性也可以接受。
参看图3和4，纤维素粘结剂显示出类似于糖浆/生石灰粘结剂的还原性能。图3示出其还原曲线和10分钟后高于90％的总还原度，这些都非常类似于使用糖浆/生石灰粘结剂的压块性能。图4示出含碳还原剂随时间的减少量，这对应于压块的还原度。纤维素粘结剂样品中碳含量的减少速率非常类似于糖浆/生石灰样品。因此，对于使用本发明纤维素粘结剂的压块来说可以得到令人满意的还原时间。
图5对用本发明的各种粘结剂生产的生团块的平均抗碎强度进行了概括性的对比。如图所示，含纤维素的报纸(E)、纸板(G)和纸屑即碎纸(D＝1％，F＝2％)都能生产出抗碎强度比生石灰和糖浆的标准粘结剂组合(A＝1％生石灰/3％糖浆，B＝2％生石灰/4％糖浆)高得多的压块。只有来自甘蔗杆的纤维素产品甘蔗渣(C)与现有技术的生石灰和糖浆相比没有明显改进。实施例2对用基本类似于实施例1的生产方法生产的12cc压块进行研究，只是压块的组成为约64.5％的原生铁料、20.5％的煤还原剂、13％的筛分碎球团和1％纤维素/1％水粘结剂组合物。用上述材料混合物进行实验时，分别用约3目(约6.7mm)、约6目(约3.35mm)和约20目(约0.85mm)的13％的筛分碎球团进行实验。
参看图7可以发现生产压块用的颗粒粒度越小，其生料抗碎强度越高，但是即使是用约3目大粒度颗粒生产的压块也具有可接受的26kg的平均生料抗碎强度。这与用约20目细碎部分产生的33kg的平均生料抗碎强度是可比的。参看图6，约3目细碎部分不会对DRI金属化产生不利影响，因为用不同粒度颗粒生产的压块的金属化几乎相同。用含约3目细粉部分的混合物生产的DRI经过10分钟还原后具有90kg的高抗碎强度。因此，纤维素粘结剂可以使大的铁粉形成高抗碎强度和良好还原性能的团块。本发明所达到的目的的概述从上述说明易于看出我们发明了一种用于进一步加工成含碳钢的高强度团块的改进的生产方法和一种至少40％，最高约85％金属化的并且强度得以改进的含碳的直接还原铁团块。
应当理解的是，上述说明和具体实施方案仅仅是例示本发明的最佳实施方式及其原则，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下，本领域普通技术人员可以对设备进行各种变化和补充，因此应当将本发明的保护范围理解为只受附加的权利要求书的限定。
权利要求
1.一种高强度金属化铁团块的生产方法，是将含铁材料、还原剂、和纤维素纤维与最多15％的水混合，形成混合物，将该混合物形成团块，将团块在约1000℃至约1550℃的温度下加热6-20分钟。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述团块的加热时间是7-9分钟。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述团块的加热温度是1000℃-1300℃。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述含铁材料选自铁矿石、高炉粉尘、高炉残渣、碱性氧气转炉粉尘、EAF粉尘、碱性氧气炉残渣、轧钢皮、碎球团、金属化DRI细粉、切削屑、轧钢残渣、烧结矿粉尘、化铁炉粉尘及其混合物。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述纤维素纤维选自切碎的有机废物、纸、报纸、纸板、木屑、甘蔗渣(甘蔗废物)、下水道废泥、市政废物、废物衍生燃料及其混合物。
6.根据权利要求1的方法，其中，所述还原剂选自纤维素纤维、CDQ粉尘、粉煤、焦粉、石油焦粉、木炭、石墨、高炉粉尘、高炉残渣及其混合物。
7.根据权利要求1的方法，其中，团块首先在氧化气氛中加热，然后再在惰性或还原气氛中加热。
8.根据权利要求1的方法，其还包括将所述团块作为含铁原料加入炼钢炉。
9.根据权利要求1的方法，其还包括将所述团块压块，然后将所述团块作为含铁原料加入炼钢炉。
10.根据权利要求1的方法，其中，0.5-15％的含铁材料颗粒的粒度可达6mm。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述团块不经任何干燥步骤直接加入加热炉。
12.根据权利要求1的方法，其中，所述纤维素粘结剂的加入量是0.5-25％。
13.一种高强度的至少40％金属化的铁团块，其是用权利要求1的方法生产的。
14.一种高强度生团块的生产方法，是将含铁材料、还原剂、和纤维素纤维与最多15％的水混合。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述含铁材料选自铁矿石、高炉粉尘、高炉残渣、碱性氧气转炉粉尘、EAF粉尘、碱性氧气转炉残渣、轧钢皮、球团细粉、金属化DRI细粉、切削屑、轧钢残渣、烧结矿粉尘、化铁炉粉尘及其混合物。
16.根据权利要求14的方法，其中，所述纤维素纤维选自切碎的有机废物、纸、报纸、纸板、木屑、甘蔗渣(甘蔗废物)、下水道废泥、市政废物、废物衍生燃料及其混合物。
17.根据权利要求14的方法，其还包括将所述团块压块，然后将所述团块作为含铁原料加入炼钢炉。
18.根据权利要求14的方法，其中，0.5-15％的含铁材料颗粒的粒度可达6mm。
19.根据权利要求14的方法，其中，所述纤维素粘结剂的加入量是0.5-25％。
20.根据权利要求14的方法，其中，所述还原剂选自纤维素纤维、CDQ粉尘、粉煤、焦粉、石油焦粉、木炭、石墨、高炉粉尘、高炉残渣及其混合物。
全文摘要
本发明是一种金属化铁团块的生产方法，将铁/钢颗粒与还原剂材料及纤维素纤维粘结剂材料混合在一起，将该混合物挤压成固体团块，然后在直接还原炉(22)中将团块中的铁还原。与使用本领域已知粘结剂的可比团块相比，这种纤维素纤维粘结剂材料能够使团块具有改进的强度和更低的总成本。
文档编号C22B1/16GK1434876SQ01810700
公开日2003年8月6日 申请日期2001年6月2日 优先权日2000年6月5日
发明者格伦·E·霍夫曼, 詹姆斯·M·Jr·麦克莱兰 申请人:米德雷克斯技术公司