铁合金的生产的制作方法

专利名称：铁合金的生产的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种使用新型添加剂在电弧炉(EAF)中生产铁合金(例如钢)的方法。在其主要的功能中，所述新型添加剂起熔渣起泡剂、还原剂的作用。然而，所述添加剂可以另外作为燃料和/或作为再增碳剂。
背景技术：
在过去50年中，塑料行业经历了巨大的发展，使得塑料材料和产品现在对社会是必不可少的。塑料生产在例如日本的国家中已经达到每年约1500万吨，这导致每年约9百万吨的相关废物，其中50％与城市固体废物相关。
塑料处理的问题越来越多，国际上塑料再循环使用只占材料回收的小部分，余下的通过填埋或在焚化炉中焚烧处理。塑料材料不易降解并且在填埋场渗出有毒元素，同时传统的燃烧通常产生有害排放例如二类化合物。。
世界范围内，钢铁工业面对通过改进能效和资源利用最小化它们对环境的影响的压力。例如，已经做了具体的努力来减少鼓风炉的碳强度。鼓风炉能源管理的一个策略包括降低燃料或焦炭的消耗。作为替代燃料，已经提出将塑料注入鼓风炉的风口中来减少CO2排放，这是因为塑料的燃烧能至少与通常注入的粉末化煤一样高，而且其氢与碳的比率较高，产生较少的作为燃烧产物的CO2。
向其它类型的炼钢炉中加入塑料是已知的，包括电弧炉(EAF)。例如，US5,554,207公开了一种方法，其中EAF废粉尘与废塑料结合以形成固体，其然后被加入到EAF中。类似地，JP2004-052002公开了一种方法，其中废塑料与炼钢粉尘捏合(knedaded)在一起形成软固体，然后加入EAF中。没有一个文献涉及加入添加剂来促进熔渣起泡。

发明内容
本发明的第一方面中，提供了在电弧炉中生产铁合金的方法，其包括用未结块的含碳聚合物装料所述炉的步骤，使得所述聚合物起熔渣起泡剂的作用。
术语“未结块的含碳聚合物”包含微细的和粗糙的微粒化和颗粒化聚合物，并且排除与EAF废粉尘或炼钢粉尘一起形成的聚合物。这种结块固体不起熔渣起泡剂的作用。
事先没有预期，在电弧炉中未结块的含碳聚合物可以用来引起熔渣起泡。在电弧炉中，增加的熔渣起泡更好地覆盖熔融的金属并且更好的保持热量(即绝热)，这样导致EAF中的电消耗显著的降低。
在生产铁合金方法中，未结块的含碳聚合物可以另外起还原剂的作用，起燃料和/或再增碳剂的作用。随后所述聚合物可以使得炉进料中存在的和/或金属加工期间产生的金属氧化物还原；和/或作为燃料源；和/或作为再增碳剂来增加最终的铁合金中碳与铁一起存在的碳的量。例如，在电弧炉中主要燃料源是电。
因此，废塑料可以提高能量效率(即通过利用较少的电)，并且可以减少传统碳源例如焦炭和煤的消耗(并因此降低成本)。废塑料还可以代替或减少昂贵的再增碳剂的使用，例如无烟煤和石墨。
当术语“铁合金”用于本文时，它包括宽范围的铁-碳合金(包括钢)和其它铁-碳和/或铁-基合金，包括铬铁、硅铬铁、锰铁、硅锰铁、硅铁、镁硅铁、钼铁、镍铁、钛铁、磷铁、钨铁、钒铁、锆铁等。
典型地将未结块的含碳聚合物装料于炉中，使得其至少部分燃烧并产生含碳残渣。由于其燃烧，聚合物作为燃料。含碳残渣可以氧化以引起熔渣起泡。残渣可以另外起还原剂或再增碳剂的作用。因此，装料于炉中的未结块含碳聚合物通常起熔渣起泡前体的作用。其还可以起再增碳剂前体或还原剂前体的作用。
尽管未结块的含碳聚合物可以包含装料到炉中的唯一添加剂，但是在典型的实施方案中，未结块的含碳聚合物与其它的碳源一起装料于炉中。这种其它的碳源可以燃烧以作为燃料。它还可以有助于熔渣起泡，并可以起还原剂或再增碳剂的作用。其它的碳源可以是煤、焦炭、碳焦(carbon char)、木炭或石墨。
作为实施例，可以将未结块的含碳聚合物和其它碳源大约以1∶1的重量比装料于炉中，尽管这个比值可以根据炉而改变。
在典型的变化的方法中，所述含碳聚合物是废塑料。将废塑料装料于炉中提供了有效的处理废塑料的方式，否则其造成环境问题。
典型地，含碳聚合物只包含C、H和任选的O原子。尽管聚合物中可以存在其它元素(例如N、S、P、Si、卤素等)，但是这些其它元素可以干扰铁合金的生产和/或产生杂质、污染物、有害气体等。因此，通过明智的选择含碳聚合物，可以避免有害气体和其它不利的和有害产物的形成。一种适合的塑料是聚乙烯，但也可以使用其它塑料例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯苯乙烯、ABS等，甚至可以使用很难再处理的塑料例如酚醛树脂。
典型地，装料于炉中的未结块含碳聚合物是聚合物颗粒形式的，典型的颗粒尺寸为100μm或更小。
虽然生产的典型铁合金为钢，但是其它铁合金(如上所述)的生产也可以使用未结块含碳聚合物的装料。
本发明的第二方面中，提供了未结块含碳聚合物在电弧炉中铁合金的生产中作为熔渣起泡剂的用途。
通常，未结块含碳聚合物的典型用途在于通过第一方面的方法实现的铁合金的生产。
本发明的第三方面中，提供了在电弧炉中生产铁合金的方法，所述方法包括下列步骤-向炉中装入铁合金原料；-将在炉中的原料加热至熔融状态并且在合金/原料的熔融表面上形成熔渣；和-向炉中装入起熔渣起泡剂作用的未结块的含碳聚合物。
典型地，装入未结块的含碳聚合物，以在炉中燃烧并且释放热能至熔融的合金/原料，产生使熔渣起泡的物质。
任选地，所述物质除了使熔渣起泡之外，可以-引起熔渣中各种金属氧化物的化学还原以生产铁合金；-对得到的铁和碳的合金再增碳。
未结块的含碳聚合物可以与其它试剂一起装入。其它试剂可以是第一方面中定义的其它碳源。
未结块的含碳聚合物还可以与原料一起装入炉中。例如，向炉中装入原料和含碳聚合物时，炉可以已经被加热(即以连续的炉操作模式)。
第三方面的典型的方法另外如第一方面中所定义的。
本发明人还推测，未结块的含碳聚合物通常可以用作再加热炉中的燃料。
因此，本发明的第四方面中，提供了操作再加热炉的方法，其包括用未结块的含碳聚合物装料所述炉以作为燃料的步骤。
典型地，所述再加热炉在足以燃烧含碳聚合物的温度下操作，典型的温度大于1000℃。
另外，未结块的含碳聚合物可以以颗粒形式并且任选与其它燃料例如天然气一起装料于炉中。
本发明的第五方面中，提供了一种系统，其确定含碳聚合物在使用含碳原料的生产铁合金的炉中的再循环能力。所述系统包括下列步骤-导出给定聚合物的参数值，所述参数值反映了聚合物的熔渣起泡能力；-将所述参数与由一种或多种其它聚合物导处的一个或多个参数值比较；-由那些参数值形成范围或刻度。
所述参数可以是泡沫熔渣的高度和/或泡沫熔渣的寿命。


尽管其它实施方案可能落入发明内容中定义的铁合金的生产方法中，现在将参考附图仅以举例的方式描述本方法的具体实施方案，附图中·图1示出固滴法(sessile drop approach)的水平管电阻炉装置的示意图，如实施例1中所述的；·图2A-2F各个图示了一滴熔渣，并且顺次示出石墨/熔渣体系与时间相关的熔渣起泡，其利用图1的水平管电阻炉装置；·图3A-3F各个图示了一滴熔渣，并且顺次示出焦炭/熔渣体系与时间相关的熔渣起泡，其利用图1的水平管电阻炉装置；·图4A-4C分别图示了石墨、石墨/塑料和焦炭的一滴熔渣，各个具有熔渣体系，并利用图1的水平管电阻炉装置；·图5示出了滴管炉(drop tube furnace)装置的示意图，如实施例4中所述的；·图6示出了50％塑料和50％石墨混合物在滴管炉中反应之后的含碳残渣的XRD谱图，如实施例5中所述的；·图7示出了由各种含碳材料引起的熔渣起泡的CCD图像，如实施例5中所述的；·图8示出了石墨基底和工业熔渣之间反应的IR结果，如实施例5中所述的；·图9示出了50％塑料和50％石墨基底与工业熔渣之间反应的IR结果，如实施例5中描述的；·图10示出了焦炭基底和工业熔渣之间反应的IR结果，如实施例5中描述的；·图11示出了感应(碳溶解)炉的示意图，如实施例7中所述的；·图12标示将出图11的感应炉中熔融铁合金中碳溶解％与时间的关系，如实施例7中所述的；·图13A和B图示了一滴焦炭/熔渣(上列)和焦炭/HDPE塑料/熔渣(下列)随时间的变化，利用图1的水平管电阻炉装置；·图14标示出焦炭和焦炭与塑料混合物在1200℃时的燃烧效率η，如实施例9中所述的；·图15示出了1550℃时70％焦炭-30％塑料残渣/熔渣体系的与时间相关的熔渣起泡的CCD图像，如实施例10中所述的；·图16标示出CO和CO2气体产生与时间的关系，如实施例10中所述的；·图17标示出熔渣与焦炭和30％塑料+70％焦炭混合物相互作用期间除去的氧的摩尔数，如实施例10中描述的；和·图18示出了1550℃时焦炭和30％塑料+70％焦炭混合物的Vt/Vo图，如实施例10中所述的。
具体实施例方式
再对EAF钢生产的深入研究期间，注意到溶质碳/固体碳和熔渣之间的化学反应引起熔渣起泡过程。由于熔渣中氧化铁被碳还原产生的CO气体以及由于碳的氧化发生熔渣起泡。注意到，熔渣起泡强烈地取决于碳原料的性质，并且高温时材料的特性控制熔渣起泡现象。
另外注意到，泡沫状的熔渣覆盖了金属浴并且保持热量以及屏蔽电弧，这导致显著的能量节约(即降低电消耗)。注意到，恒定的熔渣起泡水平对有效的EAF钢生产是关键的。
在令人惊奇的发展中，假定未结块含碳聚合物(例如废塑料、典型地是颗粒形式)可以被引入EAF钢铁生产中。推测在用于EAF钢铁生产的高温下，废塑料一旦引入炉中就会燃烧(因此作为燃料)并且产生含碳残渣产物。随后，假定含碳聚合物还可以被引入其它铁合金的生产中，并且也产生含碳残渣产物。
观察到，含碳残渣产物随后可以引起EAF钢生产中的熔渣起泡，并可以任选地起还原剂的作用(例如在其它铁合金的生产中)，任选地也可以起再增碳剂的作用。
试验期间，假定原始塑料中的化学组成、结构和键网络(bondnetwork)确定了含碳残渣的性能。另外，注意到来自给定塑料的碳溶解动力学基于含碳残渣溶解于液态钢中的速率。假定塑料中相对高度有序的碳(例如与焦炭中的碳比较)可以导致液态钢中碳溶解的增加。
含碳残渣的结构表征通过将塑料-石墨混合物引入滴管炉(drop-tube furnace)(模拟EAF中可能经历的操作条件)中来进行，以观察随后引起EAF中液态熔渣起泡的那些含碳残渣，并且确定那些含碳残渣可具有还原能力和/或在熔融铁合金中的增强的碳溶解性。结构表征的结果如以下的实施例5中所述的。
在其它铁合金生产中注意到，使用各种含碳还原材料。已知包含碳的还原剂材料例如焦炭、煤和炭和由不同类型木头生产的木炭形式的生物碳。再次注意到，这些含碳材料的材料特性和反应在控制还原剂性能中起显著的作用。
因此其中主要的实验考虑包括，研究还原剂的气化，碳溶解入熔融金属和固体碳直接还原熔渣。
还注意到，熔渣的形成在除钢以外的铁合金的生产中是常见的。锰和铬在固体和液体状态都被还原。认为MnO还原的主要机理是MnO溶于熔渣中，随后通过固体碳或溶解在液态金属中的碳从熔渣中还原。类似地，注意到，通过Fe-Cr熔体中溶解的碳还原液态熔渣中的铬铁矿对于铬铁的生产很重要。碳和包含溶解的矿石(铬、锰的氧化物)的液体熔渣之间的反应在还原过程中起至关重要的作用。因此假定，来自废塑料的含碳残渣也能够用作其它合金生产中的还原剂(并且需要时作为熔渣起泡剂)。
实施例现在提供生产铁合金方法的非限制性实施例。
实施例1为了研究熔渣起泡，首先在实验室规模的利用固滴法的水平管电阻炉中研究熔渣/碳的相互作用。图1示出实验装置的示意图。所用熔渣的重量为～0.20g。最初，将样品放在样品座上，它可以借助于不锈钢杆被推入炉中的加热区域中心。
将熔渣/碳的组合保持在炉的冷区直到得到期望的温度(1550℃)并且在炉的热区平衡。将所述组合在研究期望的温度下插入热区。这排除了可能在低温发生并且可能影响待在感兴趣温度研究的现象的任何反应。在整个试验期间用氩气吹扫炉管。用质量流量计控制氩气流速。
利用严密控制和视觉监控的固滴技术研究熔渣/碳体系的起泡行为。使用装备IRIS镜头的高质量、高分辨率电荷耦合器件(CCD)相机来捕捉炉内的实时原位现象。相机的输出被导入录像机(VCR)和电视(TV)监视器来随时间而记录整个过程。这可以使得利用帧接收器随时间从录像带将显示熔渣与含碳材料接触的具体图像捕捉于计算机中。在所述系统中利用时间-日期发生器来显示过程持续的时间。使用特殊设计的计算机软件基于曲线拟合实践从捕捉到的图像确定体积。为了更好地理解反应反应动力学，大多数情况记录图像最长达2小时。
熔渣组成如下CaO 30.48％，MgO 11.72％，SiO213.34％，Al2O35.24％，Fe2O333.33％，MnO 5.24％。
首先对石墨和焦炭进行熔渣起泡研究。其后对塑料进行熔渣起泡研究。
结果和讨论石墨/熔渣体系图2A-2F中随时间示出石墨/熔渣体系中熔渣起泡的初步结果。
石墨对钢生产熔渣显示出良好的熔渣起泡特性。在图2A中，在T＝13秒时，显示熔渣粉末刚刚开始熔化。在图2B中，在T＝47秒时显示液滴正在成型，在图2C中，在T＝57秒时显示完全形成。然后小滴尺寸开始变大，在图2D中，在T＝1分7秒时观察到明显更大的液滴，在图2E中，在T＝1分22秒时表明正在发生熔渣起泡。在图2F中，在T＝1分57秒时小滴稍微破裂，表明一些气态产物部分逃逸。因此，发现石墨/熔渣体系中的熔渣起泡非常迅速和广泛。
焦炭/熔渣体系在图3A-3F中随时间示出焦炭/熔渣体系中熔渣起泡的初步结果。
焦炭对钢生产熔渣显示不太可靠的起泡特性。在图3A中，T＝9秒时，显示熔渣粉末刚刚开始熔化。在图3B中，液滴在T＝1分20秒时开始成型。在图3C-3F中，显示了从T＝2分15秒到T＝21分37秒范围内的图像。经过该时期，液滴已经完全形成。四个液滴在尺寸和体积上显示了很小的波动，表明在焦炭/熔渣体系中相当低水平的熔渣起泡。因此焦炭/熔渣体系中熔渣起泡的速率比石墨/熔渣体系的速率慢。
碳溶解研究揭示，焦炭的溶解速率常数小于石墨的。这两种碳类型的熔渣起泡行为相当不同，石墨/熔渣体系中熔渣起泡的速率和范围比焦炭/熔渣体系的大得多。因此，假定碳溶解速率和熔渣成泡之间的关系。
实施例2分析运行EAF的工厂操作数据得知，提高焦炭注入水平导致氧消耗得增加，尽管它们不产生任何每吨装料钢消耗能量的明确模式。
EAF操作在其操作中使用两种不同形式的碳。与含～90％C的焦炭一起，使用几吨含4％C的扁铁。扁铁熔化时，扁铁中存在的碳已经溶解，而焦炭中存在的碳以固体状态存在。
观察到，碳的形式(溶质或固体碳)对平均能量消耗/吨钢有显著影响。随着扁铁装料量的增加(相当于较高水平的溶质碳)，能量消耗明显降低。根据含碳材料起的作用来解释这种趋势，并且表明熔渣起泡的增加导致每吨装料钢的能量消耗降低。因此，发现EAF钢生产中扁铁碳的效率比相应的焦炭得效率高得多。
本发明人注意到1.碳溶解于液态铁的动力学很大强烈地依赖于含碳材料的性质。例如，焦炭的溶解速率常数小于石墨的。
2.实施例1的石墨/熔渣和焦炭/熔渣体系的结果显示，石墨的熔渣起泡速率和范围远大于焦炭的。
3.预期对于溶质碳和对于焦炭的碳/熔渣相互作用动力学相当不同，这导致它们的熔渣起泡行为变化很大。
这些结果表明，含碳材料的适当选择对熔渣起泡具有重要作用，并因此对EAF操作的能量效率起重要作用。所述结果还使发明人推测，可以将含碳聚合物加入EAF，作为燃料部分燃烧并且产生含碳材料残渣，其可以引起熔渣起泡和/或金属氧化物还原和/或再增碳作用。
实施例3本发明人现在试验向EAF过程加入废塑料代替至少一些传统碳源(例如焦炭)。将下面的原材料结合在一起模拟进料于EAF的原材料。
原材料使用以下的含碳材料、塑料和熔渣进行熔渣起泡比较实验。
含碳材料石墨；焦炭；石墨和塑料混合物(1∶1)产生的残渣(图6提供了这种残渣的XRD谱图)。1∶1的比率可以根据炉改变。
塑料材料得到线性低密度聚乙烯(LLDPE)代表塑料废品的主要成分。所用聚乙烯样品的颗粒尺寸小于100微米。
熔渣制备下面的熔渣组合物(％wt)30.48％ CaO；11.72％ MgO；13.34％ SiO2；5.24％ Al2O3；33.33％ Fe2O3；5.24％ MnO。
通过在2.2×108Pa压力下的液压制备碳酸盐材料粉末的基质。石墨和焦炭粉末以它们供应的形式使用。石墨和塑料混合物的制备方法记载于实施例4中。
通过将以上述混合比的氧化物成分的均匀混合物加热至1650℃，然后在完全熔化约30分之后在铜模中铸造熔体来制备熔渣。
仪器使用图1的水平炉进行固滴实验。陶瓷炉管的尺寸为内径Φ50mm，长度1000mm。通过炉盖插入氧化铝或石墨制成的样品座。所述仪器使样品在炉被加热到期望温度时保持在炉的冷区，在该实施例中期望温度典型地为1550℃。
实验步骤为了研究熔渣起泡，首先在水平管电阻炉中研究熔渣/碳相互作用。熔渣/碳组合保持在炉的冷区域到得到期望的温度(1550℃)并且在炉的加区平衡。随后将所述组合在期望的温度插入热区。这个步骤排除了可能在低温发生并且可能影响在感兴趣温度研究的现象的任何反应。在整个试验过程期间用氩气吹扫炉管。
利用严密控制和视觉监控的固滴技术再次研究熔渣/碳体系的起泡行为。再次使用装备IRIS镜头的CCD相机来捕捉炉内的实时原位现象。相机的输出再次被导入录像机(VCR)和电视(TV)监视器来随时间记录整个过程。利用帧接收器随时间从录像带捕捉显示熔渣与含碳材料接触的图像于计算机中。再次利用时间-日期发生器来显示过程持续的时间。使用计算机软件基于曲线拟合实践从捕捉到的图像确定体积。
将熔渣粉末(约0.20g)放置在保持于样品座上的含碳材料基质上。一旦达到期望的炉温，就将样品座从炉的冷区推入热区，开始实验。通过CCD相机监控整个过程并且用录像带记录。进一步分析图像来计算样品体积。整个实验过程中，以1l/min的流速吹扫惰性气体氩气。为了得到可以用来估计反应速率的CO和CO2含量，排出气体通过IR分析仪。
实验结果进行本实验来研究由熔渣中的氧化铁与含碳材料石墨、石墨/塑料残渣混合物、和焦炭之间的反应引起的熔渣起泡行为。图4A-4C示出了典型的图像。
观察到石墨和熔渣之间的反应产生最强烈的熔渣起泡。如图4A中清楚地示出的，起泡熔渣的滴体积最大。
在50％石墨/50％塑料混合物的反应期间，从熔渣小滴发展出气泡。石墨/塑料混合物情况下的熔渣起泡现象的出现是建立在如图4B中示出的高温可视化图像基础上以及建立在排出气体中CO产生的基础上，表明氧化铁的还原。这表示塑料可以加入EAF中作为燃料燃烧，并且含碳残渣可以产生熔渣起泡和/或金属氧化物还原和/或再增碳作用。
实施例4石墨/塑料混合物的制备方法利用滴管炉(DTF)进行塑料-石墨掺合物的高温气相反应。图5中示意性示出滴管炉。
在DTF中进行的每次试验在1200℃时完成，一旦炉达到这个操作温度，就将氧气和氮气以期望的流速导入炉中。在这些实验期间利用自动流速控制仪控制气体流速和组成。每次试验期间冷却水循环通过炉注入器，以便防止过热和在炉反应区内氧和注入的燃料相互作用之前发生反应。收集器也用来保留每次实验期间产生的未燃烧炭。
利用干物质进料器通过水冷进料导管将塑料-石墨掺合物引入实验反应器中。使用氧和氮气体的混合物运送塑料和石墨固体反应物进入反应区。实验细节如下

这个实验表明，在模拟EAF中的那些的操作条件下，塑料可以装料于EAF，作为燃料燃烧，并且形成引起熔渣起泡、金属氧化物还原和熔融铁再增碳的含碳残渣。
实施例5伴随熔渣和含碳材料之间的反应的EAF熔渣起泡现象进行实验来研究实际的EAF熔渣样品，更具体地说，在惰性氩气气氛下的熔渣和含碳基质之间的反应期间的熔渣成泡现象。所述熔渣组成为27.0％ CaO；40.3％ FeO；7.9％ Al2O3；8.8％ MgO；10.9％ SiO2；和4.8％MnO。所述熔渣的碱度为2.5(％CaO/％SiO2)。选择三种含碳材料进行实验。它们是纯石墨；石墨和塑料以1∶1比率混合的混合物的含碳残渣；和工业焦炭。1∶1的比率可以根据不同EAF改变。每次试验使用大约0.075g熔渣。温度设定为1550℃。
图6示出50％塑料和50％石墨混合物在滴管炉(DTF)中反应之后产生的残渣的XRD谱图。可以清楚地看到塑料和石墨的峰。
利用CCD相机记录熔渣/碳起泡现象。图7示出了在约200秒时与各种含碳基质反应的起泡熔渣滴的典型图像。在与石墨基质反应的情况下熔渣起泡最剧烈。尽管熔渣与石墨以及塑料和石墨的混合物之间的反应不那么剧烈，但是结果表明，塑料可以作为EAF熔渣的熔渣起泡剂和还原剂。
利用IR分析仪分析DTF排出气体中CO和CO2的含量。结果示于下面的图8、9和10中。在石墨基质的情况下，排出气体中CO和CO2含量只稍微大于其它情况的。这意味着所有三种含碳材料都出现了由于氧化铁还原的气体生成并且所有三种含碳材料都有助于熔渣起泡。
另外，实施例5的结果与前面的实施例的结果一致，尽管工业熔渣和实验室制备熔渣之间的组成不同。
实施例6研究废塑料的燃烧效率来检验废塑料作为EAF或其它非鼓风型炉的燃料的适合性。使用图5的滴管炉(DTF)在与实施例4种相同的条件下评估燃烧效率。每次检验进行之前和之后(即在各个样品通过DTF之后)确定样品中的％C。使用LECO碳含量分析仪来确定碳含量。
各个样品包含与粉末化焦炭混合的变化水平的粉末化废塑料，由0wt％塑料开始上升至50wt％塑料。结果在下面的表格种列出

上面的表格列出了得到的燃烧效率(最后一栏)，还列出了粗wt％C分析。wt％C的降低是碳反应(燃烧)生成一氧化碳和二氧化碳气体的结果。
结果显示，焦炭的燃烧效率非常低，但是当焦炭和废塑料混合时，燃烧效率提高。另外，燃烧后留下的残渣随后参与EAF或其它非鼓风型炉内的其它反应。
实施例7
为了研究废塑料在铁合金生产中作为再增碳剂的功能，在如图11中示意性图示的实验室规模的感应炉中研究含碳残渣的碳溶解。
炉的温度控制在达到1550℃的熔融铁浴温度(模拟EAF操作温度)。在这点上，在整个过程中冷却水循环通过围绕炉的“夹套”热交换器结构，以防止过热和保持通常恒定的浴温。在熔融浴上通过N2入口创造氮气氛。
将废塑料的粉末直接进料于炉中，所述粉末进料于熔融铁浴上。该塑料燃烧以产生含碳残渣，该残渣可以起再增碳剂的作用。作为选择，可以将来自例如图5的滴管炉的废塑料导入熔融铁浴上。
渗碳剂覆盖法(carburiser cover method)是研究碳溶解的标准方法。在这点上，含碳材料实际上位于金属浴顶部并且形成渗碳剂覆盖物。这是因为，在实验过程中废塑料材料被进料于金属浴顶部。测量浴温的热电偶和取出金属样品以随时间逐步测量碳溶解的石英取样管，延伸通过渗碳剂覆盖物。随后使用LECO碳含量分析仪分析提取的金属样品的碳含量。
图12示出碳溶解的结果。从图12可以看出，最初(时间＝0)所述浴的溶解碳含量为1.67重量％。然后加入塑料残渣，溶解的碳含量增至2.97重量％，然后在3％的水平上持平。在时间＝25分时，将另外的塑料残渣加入浴中，溶解的碳含量在T＝30分时增至3.89％。
这个实验证明塑料残渣可以用作有效的再增碳剂，通过逐步引入塑料残渣可以实现溶解碳水平的逐步增加。在EAF或其它非鼓风型炉内，用于再增碳的残渣典型地通过如下步骤产生将废塑料自身引入炉内，使其燃烧产生含碳残渣，随后促使其混入熔融金属浴并且留出时间以增加碳含量到期望的水平。废塑料可以代替更昂贵的再增碳剂例如无烟煤和石墨。
实施例9焦炭/塑料混合物的燃烧效率焦炭和它与塑料(最高50wt％)的混合物在1200℃的在含20％O2的氧化气氛下的DTF中燃烧。进料速率为约0.0278g/s。收集含碳残渣并且测量其碳含量。假设在DTF中的燃烧期间可以忽略灰分损失，燃烧效率η如下计算η=(1-A0AiCiC0)×100%]]>其中A0和Ai是燃烧前后的灰分含量，C0和Ci分别代表在DTF中燃烧前后的碳含量。图14中示出焦炭/塑料混合物的燃烧效率的实验结果。由于燃烧效率的变化较大，沿着y-轴使用对数刻度。
在这个实施例中观察到焦炭/塑料混合物的整体燃烧效率接近单独焦炭的燃烧效率的40倍，即焦炭-塑料混合物为～10而焦炭为0.25。焦炭/塑料混合物的较高燃烧效率在一定程度上归因于塑料燃烧期间挥发物的大量释放。尽管焦炭和塑料混合物通常具有比焦炭非常更高的燃烧效率，但是混合比率的影响没有观察到明确的趋势。然而，增加塑料组分没有观察到燃烧效率降低。
实施例10含碳残渣的熔渣起泡将在DTF中燃烧之后的焦炭和塑料混合物的含碳残渣在9吨/cm2的载荷下压入模具并且用作熔渣起泡实验的基质。达到期望温度之后，熔渣开始熔化，熔渣中存在的氧化铁开始与含碳基质反应产生CO和CO2气体和金属铁。通过熔渣相的CO和CO2气体的产生引起熔渣起泡。使用CCD相机监控反应过程并且记录在DVD碟中用于进一步的图像分析。图15显示了熔渣和30％塑料+70％焦炭混合物之间的反应的典型图像。熔渣熔化之后，立即观察到从熔渣相放出气泡。由于气泡的产生和破裂，熔渣小滴在基质剧烈滚动。约600秒之后，熔渣小滴逐渐平静下来，产生的气体也显著减少。
在熔渣和焦炭/塑料基质的反应期间，熔渣中的FeO和基质中的C反应生成CO和CO2气体。利用IR光谱仪测量排出的气体混合物中这些气体的浓度。
图16中示出得到的典型CO和CO2气体含量。可以看到，CO和CO2气体含量急剧增加至最大值，稳定大约300秒然后随反应时间降低。在排出气体中检测到的CO2气体远少于CO。利用标准气体方程式，将由排出气体分析得到的CO和CO2的体积转换为摩尔数。如图17所示，除去的氧的摩尔数反应了熔渣和含碳材料之间还原反应的动力学。
结果表明，熔渣与焦炭的还原反应比相应的与塑料-焦炭混合物的反应快得多，导致更大体积的排出气体。这些气体引起熔渣起泡并且改变熔渣小滴的体积。
随后以Vt/Vo测量熔渣小滴中的气体保持量(Gas hold-up)，Vt是时间t时熔渣小滴体积，Vo是最初体积。图18标示出焦炭和30％塑料+70％焦炭混合物的Vt/Vo与时间的关系。结果显示，与焦炭相比，30％塑料+70％焦炭混合物具有非常更高的熔渣起泡水平。在焦炭/塑料混合物情况下，小滴的尺寸变得很大，与焦炭相比，这种尺寸增加维持非常更长的时间。很大程度上，这可能因为塑料混合物和熔渣之间的反应速率相当慢(图17)，导致慢的气体排出速率，因此导致较小的气泡并保持起泡更长的时间。对于焦炭，气泡生长迅速，而且由熔渣小滴逃逸的气体量多。
实施例9和10对焦炭和焦炭/塑料混合物范围的研究进一步表明在EAF炼钢中利用废塑料的可行性。焦炭/塑料混合物显示出比纯焦炭非常更好的燃烧。发现焦炭/塑料混合物的熔渣起泡特性比纯焦炭的好。熔渣小滴的体积增长更大，并且体积变化保持更长的时间。结果还表明，用焦炭/塑料混合物部分代替焦炭可以增强碳燃烧。
实施例11在类似实施例3中描述的和图4中图示的实验过程中，研究了焦炭/熔渣体系和50％焦炭/50％塑料/熔渣体系的起泡特性。在这种情况下，塑料是颗粒尺寸小于100微米的高密度聚乙烯(HDPE)。熔渣类似于实施例5的熔渣，并且两种体系分别使用0.078克和0.092克的熔渣。在不同时间进行试验，因此熔渣重量不完全相同。然而，这种重量差异不影响实验结果。
图13A和B并排图示了在0、30、45、60、90、150、210和300秒时间间隔时两种体系的小滴形成行为比较。可以看到，焦炭/塑料/熔渣体系的起泡特征比焦炭/熔渣体系的更迅速。
换句话说，塑料例如HDPE也可以向EAF或其它非鼓风型炉提供增强的熔渣起泡特性，这表明很多其它塑料可以提供类似的增强的性能。
实施例12本发明人设想并提出了一个指数，用于指示塑料在铁合金生产中和在其它非鼓风型炉中作为可燃烧燃料的再利用的适合性。所述指数称为塑料的绿色指数(Green Index)(或“GIP”指数)。本发明入设想，所述指数还可以在一般意义上涉及塑料的再循环能力，但目前仍称作GIP指数。
这样，可以建立一种机制，通过这种公众可以认识到塑料的再循环能力，例如在铁合金生产如炼钢中。本发明人注意到，目前使用的鉴定塑料类型的系统不提供任何关于塑料再循环能力的信息。目前的系统只是提供关于塑料类型的信息(例如数字1代表PET等)。
最后，本发明人推测，GIP指数随后可以通过开发相关的GIPS指数来建立，“S”代表和指示塑料用于炼钢的适合性。
一般而言，实验还表明，对于EAF的除了钢以外的铁合金生产，可以将未结块的塑料装料于炉中，可以作为燃料燃烧，可以形成用于熔渣起泡的含碳残渣，并且引起金属氧化物的还原和熔融金属(例如铁)的再增碳。
另外，实验还指出，对于再加热炉等，未结块塑料可以装料于炉中，例如作为其它燃料例如天然气的补充，并且目前仍作为燃料燃烧。在高温时(大于1000℃)用于例如在钢铁成型操作的再加热炉中尤其如此。
因此，本发明提供了利用和消耗大量社会废塑料的有效方法。
尽管描述了许多具体实施方案，应该理解，生产铁合金的方法可以以很多其它形式来实施。
权利要求
1.一种在电弧炉中生产铁合金的方法，其包括用未结块的含碳聚合物装料所述炉的步骤，使得聚合物起熔渣起泡剂的作用。
2.权利要求1的方法，其中将所述未结块的含碳聚合物装料于所述炉中，使得其至少部分燃烧并且产生含碳燃烧残渣，随后氧化所述残渣以引起熔渣起泡。
3.权利要求2的方法，其中所述残渣还可以作为还原剂或起再增碳剂的作用。
4前述权利要求任一项的方法，其中除了未结块的含碳聚合物之外，将其它碳源装料于所述炉中。
5.权利要求4的方法，其中与所述含碳聚合物一起装料于所述炉中的其它碳源是煤、焦炭、碳焦(carbon char)、木炭和/或石墨。
6.权利要求4或5的方法，其中所述未结块的含碳聚合物与所述其它碳源以约1∶1的重量比装料于所述炉中。
7.前述权利要求任一项的方法，其中所述未结块的含碳聚合物是废塑料。
8.前述权利要求任一项的方法，其中所述含碳聚合物仅包含C、H和任选的O原子。
9.前述权利要求任一项的方法，其中所述未结块的含碳聚合物以聚合物颗粒的形式装料于所述炉中。
10.前述权利要求任一项的方法，其中生产的铁合金是钢。
11.未结块的含碳聚合物在电弧炉中的铁合金生产中作为熔渣起泡剂的用途。
12.权利要求13的用途，其中所述铁合金的生产通过权利要求1-10任一项的方法实现。
13.一种在电弧炉中生产铁合金的方法，所述方法包括下列步骤-用铁合金原料装料所述炉；-将在炉中的原料加热至熔融状态并且在合金/原料的熔融表面上形成熔渣；和-用起熔渣起泡剂作用的未结块的含碳聚合物装料所述炉。
14.权利要求13的方法，其中装料所述未结块的含碳聚合物以在所述炉中燃烧、并且对熔融的合金/原料释放热能以及产生使熔渣起泡的试剂。
15.权利要求14的方法，其中除了使熔渣起泡之外，-引起熔渣中各种金属氧化物的化学还原以生产铁合金；和/或-使熔渣起泡；-对得到的铁和碳的合金再增碳。
16.权利要求13-15任一项的方法，其中所述未结块含碳聚合物与引起熔融熔渣中各种金属氧化物化学还原的添加剂一起装料。
17.权利要求16的方法，其中所述添加剂是权利要求4-6任一项中定义的其它碳源。
18.权利要求13-17任一项的方法，其另外如权利要求2-10任一项所限定的。
19.一种操作再加热炉的方法，其包括用未结块的含碳聚合物装料所述炉以作为燃料的步骤。
20.权利要求19的方法，其中所述再加热炉在足以燃烧所述未结块的含碳聚合物的温度下操作。
21.权利要求19或20的方法，其中所述炉的温度大于1000℃。
22.权利要求19-21任一项的方法，其中所述含碳聚合物以微粒形式装料于所述炉中。
23.权利要求19-22任一项的方法，其中所述未结块的含碳聚合物与其它燃料一起装料于所述炉中。
24.权利要求23的方法，其中所述其它燃料是天然气。
25.一种确定含碳聚合物在使用含碳原料的生产铁合金的炉中的再循环性的系统，所述系统包括下列步骤-导出给定聚合物的参数值，所述参数值反映所述聚合物的熔渣起泡能力；-将所述参数与由一种或多种其它聚合物导出的一个或多个参数值比较；-从那些参数值导出范围或刻度。
26.权利要求25的系统，其中所述参数是起泡熔渣的高度和/或起泡熔渣的寿命。
全文摘要
本发明公开了一种在电弧炉中生产铁合金的方法。所述方法包括用未结块的含碳聚合物装料所述炉的步骤，使得所述聚合物起熔渣起泡剂的作用。
文档编号C22C1/00GK101035920SQ200580033761
公开日2007年9月12日 申请日期2005年5月20日 优先权日2004年9月3日
发明者威那·萨哈瓦拉 申请人:纽索思创新有限公司