专利名称：用于竖炉、玻璃炉或高炉中的烧结石块，用于加工烧结石块的方法以及铁矿石细粉尘和极 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于竖炉、玻璃炉或高炉中的烧结石块，用于加工烧结石块的方法以及铁矿石细粉尘和极细粉尘的应用。
背景技术：
在获取、加工、预制备和加工矿石时产生大量含铁的粒度最高为3mm的极细和细的粉尘。为了可以利用这种粉尘产生金属，必需使它们成为块状。通常在冶炼领域使用的细和极细矿石的成块方法是烧结和造球。
在烧结矿石粉尘时通常将湿润的细矿石与焦碳粉或其它碳载体和石灰石、生石灰、橄榄石或白云石添加剂一起组成的混合物给到环绕的炉排、即所谓的“烧结带”上并且从上面点燃。含在混合物中的煤借助于通过烧结带引入的空气燃烧并由此起到使矿石颗粒烧结到一起的作用。通过这种方法在达到烧结带终端时使位于烧结带上的层完全烧结。将这样固化的铁矿石破碎，在还加热的状态筛分并输送到冷却器，在其中良好地冷却，直到不再有损其固体性。在进一步筛分冷却含有烧结混合物的烧结物的细组分以后由于其大的透气性和良好的还原性适用于直接在高炉中使用。
通过已知的烧结方法以经济的方式通常只能够将2mm且更大粒度的矿石粉尘形成块状。具有明显更小粒度的矿石粉尘通过造球用于获取金属。
在造球时，极细矿石和颗粒尺寸远小于1mm的浓缩物形成小球，其直径通常为10-15mm。为此加湿矿石粉尘并且与最高为10％重量百分比的例如由高炉渣和水泥组成的粘合剂混合。在旋转滚筒中或在旋转盘上由这种混合物生成所谓的“生球”。使所获得的还湿润的生球干燥并且以高于1000℃的温度在竖炉、转炉中或在烧结带上燃烧。在DE 33 07 175 A1中详细描述了在含金属氧化物的细颗粒粉尘的造球领域中的现有技术。
对于通过造球产生的球体可以保证与矿石块相比均匀的粒度、恒定的质量和在还原时的良好透气性。但是存在着球体在其还原时烧结在一起或失去其形状的危险，其后果是不再可能以所致力的结果进行还原。除了加工费事和成本不利以外球体只能在有限的范围中使用。
在2003年6月17日在德国杜塞尔多夫召开的第三届国际METEC03大会上由Michael Peters等人撰写的报告“Oxygen Cupolafor recycling waste oxides from an integrated steel plant”介绍了并且在Christian Bartels-von Varnbueller撰写的题目“A new process forrecycling steelplant wastes”中描述了另一种利用以细颗粒形式存在的氧化铁产生生铁的方法，该文献可以在URL“http://briket.ru/eng/related articles.shmtl”互联网中找到。通过这种已知的也以标记“OxiCup-工艺”公知的方法能够使作为剩余或循环材料以过滤粉尘的形式在生铁生产中大量产生的氧化铁剩余物以较大的经济效用作为回收材料在熔化过程中回收。为此使以细至极细颗粒形式存在的具有碳载体、如焦碳粉的铁生产残余物(氧化铁粉尘)与水并与起到粘合剂作用的水泥混合。由混合物形成块体，它们具有六角形的底面。
在干燥后由此获得的块体一方面具有良好的松散和流动性，因此它们可以毫无问题地给到用于铁生产的OxiCup-炉里面。另一方面它们很稳定和牢固，以致于它们可以抵抗在炉子中由于加载在其上的材料柱还原的物质产生的负荷。
当高位的充填位置在OxiCup-炉的热区方向上下降时使块体加热到超过1000℃。分别在块体中含有的碳载体在此转换成CO气体，它起到使块体的氧化铁成分直接还原的作用。因此OxiCup-工艺提供了一种经济的用于再利用在铁生产时产生的粉尘的方法。
在获取和加工铁矿石时在矿层中产生大量的以块状存在的矿石细粉尘和极细粉尘。这种粉尘的储藏和处理是显著的问题，因为伴随着这种粉尘的烧结或造球产生的高费用难以产生经济的效用。这一点导致在铁获取和加工地点处理矿石细粉尘和极细粉尘时存在很大问题。
发明内容
为了可以经济地使用目前不可利用的矿石粉尘，本发明提出一种用于竖炉、玻璃炉或高炉中的烧结石块，它具有(在重量百分比上)6-15％的水泥粘合剂、最高为20％的碳载体、最高为20％的剩余物和循环物、有选择地最高为10％的固化和强化加速剂，并且作为以块状存在的颗粒形状的铁矿石的剩余物具有小于3mm的粒度以及在三天后具有至少5N/mm2的早期强度并且在28天后具有至少20N/mm2的冷压强度。
与现有技术不同，按照本发明使用以块状存在的铁矿石细和极细粉尘。这种铁矿石基本上不含有金属铁，而是只含有纯氧化铁，这种纯氧化铁可以搀杂微少的矸石。因此按照本发明的烧结石块具有与目前在现有技术中由剩余物和循环物产生的剩余物石块完全不同的特性。
按照本发明的这种矿石块具有比已知的剩余物块更高的早期强度和最终强度。由于对于按照本发明的烧结石块在完成状态存在的至少20N/mm2的高耐压性，所述烧结石块可以在高炉中可靠地抵抗散料柱的压力。
同时按照本发明的烧结石块均匀地达到10N/mm2的最低热压强度。
在此这样确定按照本发明的矿石块组分，当在高炉中使用时，如果在温度增加和持续加热时损毁水泥原料的粘接特性，水泥原料以这个温度形成的海绵铁作为支架可以保持石块以及这个高炉内容物的透气性。按照本发明的烧结石块的强度和形状保持性使得这些石块特别适用于竖炉、玻璃炉或高炉中。
因此通过按照本发明的烧结石块能够经济地使目前不可利用的细和极细粉尘用于铁生产，粉尘在铁矿石的获取和加工时在矿层上自动产生。由于使用水泥作为粘合剂也能够使最细的粉尘形成固态的块体，它不仅对于其本身的加工而且对于其使用都具有最佳的使用特性。
作为本发明的其它积极效果，除了通过本发明实现的经济优点以外在获取矿石的获取和加工层面范围里明显减小了环境负荷。目前进入环境的并且尤其在水域中导致明显伤害的矿石粉尘可以通过本发明有效地利用。
本发明也有助于剩余物和循环物的处理问题，按照本发明的烧结石块可以含有最高为20％的剩余物和循环物。这些物质是炉料，它们除了金属和氧化形式的铁以外含有其它杂质。这种剩余物和循环物例如在钢生产和加工时以过滤粉尘、高炉粉尘或氧化铁皮的形式产生。
按照本发明的烧结石块的最终强度很高，使它们在使用时可靠地承受在各种炉子中产生的负荷。因为按照本发明的烧结石块可以明显更大，它们适用于在大的炉子、如竖炉、玻璃炉或高炉中使用并且在还原时保证更好的透气性。
同时按照本发明所实现的烧结石块的早期强度足以使它们已经能够在其加工后的短时间内输送。这一点能够例如使按照本发明的烧结石块在其成形后不久就叠摞在干燥室里面，在其中它们可以特别有效地干燥。
按照本发明的烧结石块能够以本身公知的石块加工设备制成，如同例如用于生产铺路石所使用的那样。这种石块加工设备能够实现特别经济地加工并且有助于使按照本发明的烧结石块可以特别便宜地加工，从而进一步提高了其使用的经济性。
对于按照本发明的石块的加工无需例如在烧结或造球时所需的费事的热处理。因此例如节省在烧结时不可避免的焙烧烟气并且明显减少环境负荷。
实际的实验已经证实，按照本发明的烧结石块能够在可设想的最高为3mm粒度的整个范围上实现铁矿石粉尘的经济利用。因此能够同样毫无问题地加工最高为1mm粒度的粉尘并且有效地利用最高为500μm粒度的铁矿石粉尘，它们在一定的矿层中以典型的方式产生。这种在铁矿石造球时产生的5-30μm粒度范围的矿石粉尘、所谓的“球饲料(Pellet Feed)”由此还能够使用，由它们加工按照本发明的烧结石块。此外试验证实，即使在水溶液中获得的、在加工矿石浓缩物时产生的最高为7μm粒度的粉尘当由它们形成按照本发明的烧结石块的时候，可以有效地用于铁生产。
在按照本发明的细粒度烧结石块中所含的铁矿石优选以赤铁矿(Fe2O3)的、磁铁(Fe3O4)的和/或四架晶格(FeO)的变型存在，其粒度直径同样优选小于0.1mm。
在这里特别强调，本发明也能够使差的可烧结或造球的含铁物质用于获取生铁。因此可以使用针铁矿(FeO(OH))形式的铁矿石用于加工按照本发明的烧结石块。即使当针铁矿以最高为2mm的粒度存在，这一点也适用，其中尤其也能够使用明显小于2mm的粒度。
为了保证在获取生铁时尽可能有效地利用，对于按照本发明的烧结石块铁含量应该至少为40％重量百分比。
本发明充分利用已经公知的思想，利用该思想使以块状存在的铁粉尘无需特殊热处理地借助于水泥冷粘接。除了已经提到的利用难以烧结或造球的铁粉尘以外还能够实现水泥粘接，在生铁生产期间通过烧结石块的各种水泥成分改变炉渣组分、尤其是其MgO，CaO，SiO2，Al2O3的含量。
作为水泥粘合剂，可使用能够经济地获得的硅酸盐水泥或耐火水泥。相关的粘合剂与铁矿石粉尘混合作为流体态的水泥。如果按照本发明的烧结石块含有6-15％重量百分比的水泥粘合剂，在最佳地保护资源的同时产生特别良好的使用特性。按照本发明的烧结石块对于这样测量的水泥含量分别可靠地实现在3天后获得的早期强度为至少5N/mm2并且在28天后可以确定的冷压强度至少为20N/mm2。但是根据其其它成分的含量，同样有意义的是，使水泥粘合剂的含量提高到20％重量百分比或者降低到小于5％重量百分比。
已经证实按照本发明的烧结石块的特殊特性，在加热时对于用于获取生铁的炉是特别有利的。因此按照本发明的以块状存在的铁矿石粉尘以400℃加入到水泥粘合剂中得到强度提高。在高于400℃-800℃的温度范围仅仅产生缓慢的强度降低。由于这个特性使烧结石块在其通过炉子的路径上长时间地保持其形状，使得它们可靠地一直输送到热熔融区。只有在温度位于800℃以上至1000℃时其强度才快速下降。在这个温度范围在还原期间形成的海绵铁在继续加热时保证烧结石块的形状保持性并且保持其透气性。
只要这一点从生产技术的观点例如对于保持确定的节拍时间是有意义的，那么按照本发明的烧结石块除了水泥粘合剂以外也可以选择含有固化或强化加速剂、如水玻璃、铝族水泥、氯化钙、碱盐、尤其是钠盐或者纤维素粘接剂如糨糊。
按照本发明以块状加工的矿石不仅可以通过还原剂(碳载体)直接还原也可以不使用还原剂。如果存在还原剂，则烧结石块的碳载体最大含量不大于20％重量百分比。在这种情况下当烧结石块的碳载体含量为8-15％重量百分比时，则能够实现最佳地适配于铁的重量组分。但是如果在按照本发明的烧结石块中的挥发组分含量高时，则通过提高碳载体组分的含量可以补偿所产生的低还原性。
作为碳载体原则上所有的具有还原自由碳的物质都是适合的。因此可以考虑焦碳尘、焦碳灰、焦碳粉或无烟煤。所述焦碳载体的粒度为最高为2mm。这种粒度的焦碳载体的获得特别经济并且在获取铁时难以利用。
按照本发明的烧结石块具有圆柱形、矩形或多边形的形状，用于一方面保证足够的稳定性，另一方面保证在填入炉子里面以后在其间存在对于散料透气性足够的距离。尤其是当烧结石块具有多边形的尤其是六角底面的块体形状，则可以最佳地利用成形表面。
作为“湿体”、即其形状还处于潮湿状态时按照本发明的烧结石块具有少于25％的含水量。受地表湿气影响易碎的(erdfeuchtkruemmeligen)湿体的加工比加工具有较高含水量的物质简单。此外通过按照本发明的限制湿体的含水量避免多余的水在炉子中必需以高能耗排出。
已经令人惊奇地证实，按照本发明的烧结石块在还原时在标准的RuL测试期间(RuL＝Reduction under Load在负荷下还原)达到至少80％、尤其是最高为100％的还原率。
通过本发明建议的使用以块状存在的具有最高为3mm粒度的细和极细矿石用于加工烧结石块，也能够使这种矿石粉尘用于产生生铁，它们目前难以或不经济地用于此目的。
按照本发明的烧结石块能够特别简单地加工。为此具有最大3mm粒度的细或极细粉尘形式的铁矿石与以流体水泥态存在的粘合剂以及有选择地与碳载体、与剩余物和循环物和/或固化和强化加速剂按比例混合，水泥粘合剂在所获得的混合物中的含量(重量百分比)为6-15％，碳载体的含量最高为20％，剩余物和循环物的含量最高为20％以及固化和强化加速剂的含量最高为10％。将所获得的混合物填充模具。按照第一实施方式，在混合物干燥前，挤压混合物，代替挤压使充满模具的混合物执行振实，用于实现尽可能均匀的分布和混合物各组分的结合。当组合地执行挤压和振实或者以适当的方式相继地执行挤压和振实时，由此实现烧结石块的最佳特性。
下面借助于实施例详细描述本发明。附图中图1示出按照本发明的烧结石块强度与温度的关系，图2示出传统的烧结石块强度与温度的关系，图3a示出本发明的烧结石温度与加热时间的关系，
图3b示出本发明的烧结石块的石块高度与加热时间的关系，图3c示出本发明的烧结石块的重量损失与加热时间的关系。
具体实施例方式
在下面描述的实验中使所研究的烧结石块分别置于所谓的“变型的RuL-测试”。在这个测试时以竖炉气体氛围在静态条件下模拟烧结石块在竖炉井中的熔融特性。通过这种方式可以预见，是否足以由烧结石块的铁载体还原形成海绵铁，用于反作用于随着热量增加产生的水泥粘接的破裂，而不会由于烧结石块的软化和破碎负面地妨碍竖炉的透气性。模拟分别在1000-1100℃温度范围中结束。
实验I在第一实验中研究由最细粒度至细粒度的赤铁矿的铁矿石粉尘制成的烧结石块的还原特性，这种粉尘在造球加工时作为球饲料产生。在此铁矿石粉尘的粒度在5-30μm之间。
将铁矿石粉尘与碳灰形式的作为碳载体的焦碳和快速粘合的、市场上常见的作为水泥粘合剂的标准水泥混合。所获得的混合物含有(重量百分比)70至80％的铁粉尘、10至15％焦碳和10至15％水泥粘合剂。这样组成的混合物在本身公知的成块机中振实并挤压成块状的烧结石块，它们具有一个棱边长度约为30mm的底面和110mm的高度。
在干燥后对烧结石块进行RuL-测试。在此得出所使用的块状赤铁矿的铁矿石粉尘的还原率为95.2％和脱碳率为82.7％(脱碳率[％]＝(在开始测试前的总含碳量-测试结束后的总含碳量)/开始测试前的总含碳量×100％)。以粗分馏存在的焦碳被消耗。在被研究的烧结石块的中心还可以看到细焦碳的残余物。在曲线图1中示出在实验I中研究的按照本发明的烧结石块的以N/mm2为单位的强度St与以[℃]为单位的温度T的关系曲线。它表示，按照本发明的石块在室温已经具有大于20N/mm2的早期冷却强度和最终冷却强度。该烧结石块的强度上升到约300℃并且到约850℃保持在20N/mm2的水平范围。只有从850℃开始强度才下降，但是对于1000℃还有是在3N/mm2以上。
类似地在对于以常见方式在使用剩余物产生的烧结石块的曲线图2中同样示出以N/mm2为单位的强度St与以[℃]为单位的温度T的关系曲线。清楚地看出，在室温时早期冷却强度和最终冷却强度只位于12N/mm2范围并且到210℃一直保持在这个范围。只有在温度升高到约400℃时才导致强度St瞬时升高到约22N/mm2。但是强度St接着继续剧烈下降，在900℃时才达到2N/mm2。
在图3a中通过以℃表示的温度曲线“KS”示出具有使用实验I的组分的烧结石块KS与以min(分钟)为单位的加热时间th的关系。另外通过对于烧结石块HK的曲线“HK”表示石块温度与加热时间的关系，其中作为碳载体以木炭代替焦碳粉尘，但是其余与在实验I中研究的烧结石块一致。两个曲线只显示出微小的偏差。
在图3b中示出随着加热时间th的增加在使用碳粉尘条件下产生的、在实验I中研究的烧结石块(曲线“KS”)和在使用木炭作为碳载体制成的、但是其余与在实验I中一致的烧结石块(曲线“HK”)的以g为单位的重量损失dG与加热时间th的关系。在这里两个曲线也显示出微小的偏差。
最后在曲线图3c中随着加热时间th的增加产生的在实验I中研究的烧结石块(曲线“KS”)和在使用木炭作为碳载体制成的、但是其余与在实验I中一致的烧结石块(曲线“HK”)的高度Hs减小与加热时间th的关系。在这里两个曲线也显示出微小的偏差。
曲线图3a-3c说明所观察到的烧结石块KS和HK的石块温度TS、高度HS和重量损失dG的上升变化，在温度位于800℃以上时已经开始金属化。对于两个所研究的碳载体材料(焦碳粉尘，木炭)，这个过程能够独立地观察到。由于金属化形成的支架反作用于高温时产生的强度下降，因此直到高炉的那个部位保证对于透气性和连续运动足够的烧结石块强度，在该位置固体材料在其向下的路径上由于一直较高的温度变成塑性的。
实验II在第二实验中首先将源自加拿大Carol湖矿层的浓缩的粒度最高为500μm且赤铁矿/磁铁比例为1∶1的铁矿石粉尘与作为碳载体的焦碳粉尘和作为水泥粘合剂的快速粘合的市场上常见的标准水泥混合。所得到的混合物含有(重量百分比)70至80％的铁矿石粉尘、10至15％的焦碳粉尘和10至15％的水泥。由这种组分的混合物以已经在实验I中描述的方式产生烧结石块。
对这样获得的烧结石块进行改型的RuL测试。由此得到95.6％的还原率和85％的脱碳率。能完全还原3价铁。
类似地使主要由磁铁组成的且具有最高为1mm粒度的源自毛里塔尼亚的Guelbs/Kedia矿层的浓缩物铁粉尘同样与焦碳粉尘和快速粘合的市场上常见的水泥粘合剂混合。在这种情况下所获得的混合物的铁矿石含量为75％重量百分比、其焦碳含量为13％重量百分比和其水泥含量为12％重量百分比。
同样以已经借助实验I描述的方式由这种混合物产生的烧结石块也置于RuL测试。它得到88.3％的还原率和83.2％的脱碳率。
在其它的实验中已经证实，这种按照本发明组分的烧结石块在RuL测试中即使对于1100℃也可靠地达到80％的金属化率，这些烧结石块在使用水溶剂下获得的、在加工矿石浓缩物时产生的粒度最高为7μm的粉尘的条件下制成。
权利要求
1.一种用于竖炉、玻璃炉或高炉中的烧结石块，它具有(重量百分比)6-15％的水泥粘合剂、最高为20％的碳载体、最高为20％的剩余物和循环物、有选择地最高为10％的固化和强化加速剂，并且作为以块状存在的颗粒形状的铁矿石的剩余物具有小于3mm的粒度以及在三天后具有至少5N/mm2的早期强度，在28天后具有至少20N/mm2的冷压强度。
2.如权利要求1所述的烧结石块，其特征在于，所述铁矿石以细或极细粉尘形式存在。
3.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述铁矿石的粒度最高为1mm。
4.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述铁矿石以赤铁矿(Fe2O3)的、磁铁(Fe3O4)的和/或四架晶格(FeO)的变型存在。
5.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述铁矿石以最高为2mm、尤其是小于2mm粒度的针铁矿(FeO(OH))形式存在。
6.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述烧结石块的铁含量至少为40％重量百分比。
7.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述水泥粘合剂是硅酸盐水泥或耐火水泥。
8.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述固化和强化加速剂是水玻璃、铝族水泥、氯化钙、碱盐尤其是钠盐或者纤维素粘接剂如糨糊。
9.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述烧结石块的碳载体含量为8-15％重量百分比。
10.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述碳载体以焦碳尘、焦碳灰、焦碳粉或无烟煤的形式存在。
11.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述焦碳载体的粒度为最高为2mm。
12.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述烧结石块具有圆柱形、矩形或多边形的形状，尤其是具有多边形的尤其是六角底面的块体形状。
13.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述烧结石块作为湿体在其干燥前具有少于25％的含水量。
14.如上述权利要求中任一项所述的烧结石块，其特征在于，所述烧结石块在还原时达到至少80％、尤其是大于80％的还原率。
15.粒度最高为3mm的以块状存在的细和极细矿石用来加工用于获取生铁的烧结石块的应用。
16.如权利要求15所述的应用，其特征在于，制取如权利要求1至15中任一项所述的烧结石块。
17.如权利要求1至14中任一项所实现的烧结石块在竖炉、玻璃炉或高炉中的应用。
18.一种用于加工如权利要求1至14中任一项所实现的烧结石块的方法，其中-将粒度最大为3mm的细或极细粉尘形式的铁矿石与以流体水泥态存在的粘合剂以及有选择地与碳载体、与剩余物和循环物和/或固化和强化加速剂按比例混合，水泥粘合剂在所获得的混合物中的含量(重量百分比)为6-15％，碳载体的含量最高为20％，剩余物和循环物的含量最高为20％以及固化和强化加速剂的含量最高为10％，-将所获得的混合物填入模具，-挤压充满在模具中的混合物，-干燥挤压的混合物。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述混合物在其挤压期间进行振实运动。
20.一种用于加工如权利要求1至14中任一项所实现的烧结石块的方法，其中-将粒度最大3mm的细或极细粉尘形式的铁矿石与以流体水泥态存在的粘合剂以及有选择地与碳载体、与剩余物和循环物和/或固化和强化加速剂按比例混合，水泥粘合剂在所获得的混合物中的含量(重量百分比)为6-15％，碳载体的含量最高为20％，剩余物和循环物的含量最高为20％以及固化和强化加速剂的含量最高为10％，-将所获得的混合物填入模具，-使充满在模具中的混合物进行振实运动，-干燥振实的混合物。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，附加地挤压在振实运动期间的混合物。
全文摘要
为了能够经济地使用目前在获取和加工铁矿石时产生的不可利用的矿石粉尘，本发明提出一种烧结石块，它具有(在重量百分比上)6－15％的水泥粘合剂、最高为20％的碳载体、最高为20％的剩余物和循环物、有选择地最高为10％的固化和强化加速剂，并且作为以块状存在的颗粒形状的铁矿石的剩余物具有小于3mm的粒度以及在三天后具有至少5N/mm
文档编号C22B7/02GK1961085SQ200580017868
公开日2007年5月9日 申请日期2005年5月25日 优先权日2004年6月3日
发明者霍斯特·米特尔施泰特, 斯特凡·温施特勒尔, 赖因哈德·富泽尼希, 罗纳德·埃德曼, 克劳斯·克塞勒, 马蒂亚斯·罗曼 申请人:蒂森克虏伯钢铁公司