复合制品及制备方法
【专利摘要】本发明揭示一种复合制品和制备所述复合制品的方法。所述复合制品包括(a)聚合物材料粘合剂和含金属材料或(b)聚合物材料粘合剂和含碳材料。所述方法包括加热和混合所述复合制品的组分，然后将加热后的混合物形成最终制品的形状，加热步骤足以熔化至少部分的聚合物材料粘合剂以促进形成所述制品。
【专利说明】复合制品及制备方法
[0001]本发明涉及一种复合制品及该制品的制备方法。
[0002]本发明尤其涉及，但不限于，一种由回收制品制成的复合制品。
[0003]本发明尤其涉及，但不限于，一种适合在高温方法中使用的复合制品。
[0004]术语“高温方法”此处理解为在高于400°C的温度，典型的为在至少600°C下操作的方法。
[0005]高温方法的例子为在例如炼钢炉的冶金炉中实施的方法。在上述方法中，本发明的复合制品意欲提供任一种或多种的含金属的单元和能源。
[0006]其他高温方法的例子为在发电站和窑炉中实施的方法，例如水泥制成的窑炉，所述方法需要的热量是由化石燃料或工程燃料产生。在上述方法中，本发明的复合制品意欲提供一种作为替代化石燃料的能源 。
[0007]本发明不限于适合在高温方法中使用的复合制品。例如，本发明的复合制品还可以是适合于用作建筑材料或建筑防护材料以及耐磨材料(例如为提供耐磨性或抗腐蚀性)，例如作为木材或钢材的替代品。
[0008]本发明基于将聚合物材料作为粘合剂使用，使复合制品中的含金属材料和/或含碳材料的颗粒保持在一起，所述复合制品包括(a)聚合物材料和含金属材料或(b)聚合物材料和含碳材料或(C)聚合物材料和含金属材料以及含碳材料。
[0009]本发明还基于通过结合加热和混合所述复合制品的组分来生产这些复合制品，力口热步骤足以熔化至少部分的所述聚合物材料粘合剂以促进形成所述制品。
[0010]本发明提供一种制备以下形式的复合制品的方法:(a)聚合物材料粘合剂和含金属材料或(b)聚合物材料粘合剂和含碳材料，所述方法包括加热和混合所述复合制品的组分，然后将加热后的混合物形成最终制品的形状，加热步骤足以熔化至少部分的所述聚合物材料粘合剂以促进形成所述制品。
[0011]加热和混合步骤可以按前段所述的顺序，或颠倒顺序或同时实施。
[0012]术语“含金属材料”此处理解为能在高温方法中加工的任何材料，所述高温方法例如在冶金炉中实施的制备金属制品的高温冶金方法。术语“金属”此处理解为包括金属合金。炼钢，尤其是电弧炼钢是 申请人:尤其关注的一种冶金方法。其他冶金方法包括，例如，碱性吹氧炼钢和炼铁的方法。本发明不限于高温冶金方法。含金属材料可以为回收材料。
[0013]生产包括聚合物材料粘合剂和含金属材料的复合制品的方法可包括将其他材料与所述聚合物材料和含金属材料混合，所述其他材料例如为除了所述聚合物粘合剂以外的碳源材料。
[0014]其他碳源可包括以下任一种或多种:生物质、粉煤灰、橡胶、纸张、焦炭粉、炭粉、煤粉、来自于打印机和影印机的色粉，以及任何其他适合的有机材料。应注意的，典型的，除了含有炭黑形式的碳以外，色粉还含有含金属的颗粒(铁氧化物)和聚合物材料。所述其他碳源可为回收材料。所述其他碳源可为未加工的材料。
[0015]所述其他材料可包括生石灰、白云石和菱镁石。
[0016]所述方法可包括控制所述方法并选择所述含金属材料当存在时)、选择含碳材料当存在时)以及选择所述聚合物材料粘合剂，以制备具有所需要的孔隙度的制品。也存在所述制品需要是无孔的情况。还存在其他情况，其中优选在诸如高温冶金法的高温方法中进行化学反应，可使制品具有一定的孔隙度水平。例如，在炉内，所述制品内部发生的化学反应是需要的，在这种情况下，一定水平的孔隙度对于促进挥发性反应产物的逸出是有利的。
[0017]所述方法可包括混合所述含金属材料和所述聚合物材料粘合剂，使得所述含金属材料在制品中均匀分散。
[0018]所述方法可包括混合所述含碳材料和所述聚合物材料粘合剂，使得所述含碳材料在制品中均匀分散。
[0019]所述方法可包括在足够高的可使聚合物材料粘合剂完全熔化的温度下，加热所述制品的组分的混合物。依据聚合物材料粘合剂、混合物的其他组分的具体选择，以及形成所述复合制品的特定方法的要求，所述温度可为任何合适的温度。例如，在所述聚合物材料粘合剂是低密度聚乙烯的情况下，典型的温度约为150-175°C。
[0020]所述方法可包括选择含金属材料和含碳材料使得这些材料在加热步骤中保持固体。
[0021]所述方法可包括控制所述方法和选择含金属材料当存在时)、选择含碳材料当存在时)以及选择聚合物材料粘合剂，以制备具有所需要的密度的制品。例如，当制品是炼钢过程的进料时，优选所述制品具有这样的密度，可使所述制品在炼钢过程中形成的熔融金属池上漂浮。
[0022]所述含金属材料和含碳材料可为颗粒形式。
[0023]作为与炼钢法相关的具体示例，所述含金属材料可为含铁颗粒的形式。
[0024]所述含铁颗粒可为粉末形式。
[0025]作为具体示例，所述含铁颗粒可为轧屑粉末或者集尘灰或者其他炼钢车间或炼铁车间副产品的形式。
[0026]在所述含铁颗粒用于在电弧炼钢炉中炼钢的情况下，术语“粉末”此处理解为具有主要尺寸(major dimension)小于6mm的颗粒。
[0027]将所述聚合物材料作为含在本发明的复合制品中的含金属材料或含碳材料的粘合剂使用，不限于在冶金炉中实施的高温方法中使用的复合制品，并扩展至需要本发明的复合制品的常规高温方法中使用的复合制品。在这种情况下，本发明不限于粉末，并扩展至具有主要尺寸大于6_的含金属材料和含碳材料。
[0028]所述聚合物材料粘合剂可以为任何适合的材料。对聚合物材料粘合剂的一个重要要求是在指定的用于所述制品的材料处理和操作条件下，能够作为所述复合制品其他组分的粘合剂。例如，指定条件包括在室外空气下的长期储存。进一步例如，指定条件可包括用于所述制品的特定的材料处理要求。
[0029]所述聚合物材料粘合剂可为回收的聚合物材料。
[0030]所述聚合物材料粘合剂可为回收的聚乙烯，例如低密度聚乙烯或高密度聚丙烯或回收的聚丙烯。
[0031]所述含碳材料可为生物质、粉煤灰、橡胶、纸张、焦炭粉、炭粉、煤粉、来自于打印机和影印机的使用过的色粉，以及任何其他适合的有机材料的形式。所述含碳材料可为回收的材料。所述含碳材料可为未加工材料。
[0032]所述方法可包括任何适于形成最终制品形状的成型步骤。
[0033]所述成型步骤可包括以下任一种:挤出步骤、模塑步骤(包括注塑法)以及制团或其他类型的冲压步骤。
[0034]例如，步骤(C)可包括通过挤出加热后的混合物，将加热后的混合物形成复合制
品O
[0035]挤出物可为最终制品的形状。
[0036]可选的，需要将挤出物切割以制成最终制品的形状。例如，步骤(C)可包括形成连续的挤出物，然后随着挤出物从挤出机的挤出对其进行切割，形成最终制品的形状。
[0037]在所述挤出物以连续的“绳”(大的或小的横截面)从挤出机中挤出的情况下，所述方法可包括将所述绳切割成更小的长度，从而使更小长度的挤出物形成制品。
[0038]最终制品的形状可为任何合适的形状和合适的尺寸。
[0039]依据制品所应用的冶金方法和冶金炉对材料处理和工艺要求，确定最终制品的形状和尺寸。
[0040]所述制品可为小球状。
[0041]所述制品可为颗粒状。
[0042]所述制品可为较大型制品的形式，如块状、锭状(pigs)，饼状，栓状和盘状。
[0043]所述较大型制品可具有至少IOcm的主要尺寸。
[0044]所述较大型制品可具有至少15cm的主要尺寸。
[0045]所述较大型制品可为至少1kg。
[0046]所述较大型制品可为至少2kg。
[0047]所述较大型制品可为至少3kg。
[0048]所述较大型制品可为小于10kg。
[0049]在任何给定的情况下，影响所述制品的形状和尺寸的因素包括以下几点:
[0050].制品应具有足够的强度和韧性，使其能够在如冶金车间的高温加工车间被处理，并能够被加入到所述车间内的诸如冶金炉的高温炉中，伴随在所述炉内部和/或外部粉末的产生，所述制品没有明显的分解成为小尺寸的制品。
[0051].制品应足够大并具有需要的机械性能，例如能抵抗高温和诸如冶金炉的高温炉中的反应条件的强度，以利于控制所述制品在需要的时间段后，在高温炉中的分解。基于高温方法，所述时间段可为相对短的或较长的时间段。需要的分解速率可依据高温方法中化学反应的要求以及所述方法的全部时长而变化。例如，在一些方法中，使制品中的可燃成分尽快燃烧是重要的。在另一些情况下，制品相对较慢分解是重要的，以使在整个方法的操作阶段均有制品的消耗。
[0052]本发明还提供一种复合制品，包括含金属材料和作为所述含金属材料的粘合剂的聚合物材料。
[0053]前段所描述的制品可包括其他材料，例如除了所述聚合物材料粘合剂以外的碳源材料。
[0054]本发明还提供一种复合制品，包括含碳材料和作为所述含碳材料的粘合剂的聚合物材料。[0055]前段所描述的所述制品可包括其他材料，例如含金属材料。
[0056]所述制品可包括连续网状聚合物材料，以及均匀分散的含金属材料或含碳材料。
[0057]所述制品可为多孔制品。
[0058]所述制品可为无孔制品，因此至少大体上是防水的。这对于所述制品的一种或多种组分对吸湿敏感的情况下的储存或运输是一个有利的特征。例如，特别是所述制品包括生物质作为制品中的含碳材料的情况下。
[0059]所述制品可包括所述聚合物材料的外罩。
[0060]所述外罩可使所述制品无孔。
[0061]此外或可选的，所述外罩可将粉末封装进制品，并在材料处理和输送期间使粉末的释放减到最小。
[0062]在任何给定的情况下，所述聚合物粘合剂材料、所述含金属材料(当存在时)、所述含碳材料(当存在时)以及所述其他材料的相对量取决于多种因素的作用，例如复合制品对粘合剂的需要，所述制品在最终应用中对含金属材料制品的需要，以及制品在最终应用中对能量的需要。
[0063]所述聚合物材料粘合剂可在制品中含有10wt%以上。
[0064]所述聚合物材料粘合剂可在制品中含有15wt%以上。
[0065]所述聚合物材料粘合剂可在制品中含有少于50wt%。
[0066]所述聚合物材料粘合剂可在制品中含有少于45wt%。
[0067]所述聚合物材料粘合剂可具有低于冶金炉中熔池温度的气化温度。
[0068]所述聚合物材料粘合剂可为回收聚合物材料。
[0069]所述聚合物材料粘合剂可为回收聚乙烯，例如低密度聚乙烯或高密度聚乙烯或回收聚丙烯。
[0070]所述含金属材料可为含铁颗粒的形式。
[0071]所述含铁颗粒可以为粉末的形式。
[0072]所述含铁颗粒可以为铁氧化物的颗粒的形式。
[0073]所述含铁颗粒可为轧屑粉末和/或集尘灰或其他来自于炼钢车间的副产品的形式。
[0074]所述含碳材料可为生物质、粉煤灰、橡胶、纸张、焦炭粉、炭粉、来自于打印机和影印机的使用过的色粉，以及任何其他适合的有机材料形式的颗粒。所述含碳材料可为回收材料。所述含碳材料可为纯净物料。
[0075]所述制品可全部由回收材料制成，其中聚合物材料粘合剂和含金属材料(当存在时)以及含碳材料(当存在时)中的每一种为回收材料。
[0076]所述回收材料可从任何合适的来源获得。
[0077]例如，含金属单元可为轧屑粉末的形式，所述聚合物粘合剂材料可为回收聚乙烯形式的粘合剂，并且含碳材料单元可为焦炭粉末或回收橡胶的形式。
[0078]所述制品可为任何合适的尺寸和形状。所述制品的形状和尺寸可如前文所述。
[0079]所述制品可适合使用于高温方法中。
[0080]所述制品可适合用作代替发电站和窑炉，例如水泥制窑炉中的化石燃料的能源，以及其他需要由化石燃料产生热量的应用。当用作能源时，所述制品可被描述为一种“工程燃料”。
[0081]所述制品可适合于用作建筑材料或建筑防护材料(例如用于提供耐磨性或抗腐蚀性)，或者作为采矿耗材的防护材料(例如为提供用于采矿过程或采矿设备中采矿耗材部件的耐磨性)，例如作为木材或钢材的替代品。
[0082]本发明还提供一种高温方法，其包括提供上述的复合制品作为所述方法的进料，所述复合制品含有含金属单元和含碳单元(以及聚合物材料粘合剂)。
[0083]所述高温方法可为用于在冶金炉中制备熔融金属(此术语包括金属合金，其包括铁合金)的方法。
[0084]所述方法可为制造钢的方法。
[0085]所述炼钢法可为电弧炼钢法。
[0086]所述炼钢法可为碱性吹氧炼钢法。
[0087]所述方法可为制造铁的方法。
[0088]本发明是 申请人:在研究与开发项目期间所实现的，能够制备复合制品，所述复合制品包括含金属单元，更具体的，为轧屑粉末形式的含铁单元和为回收的低密度聚乙烯形式的聚合物材料粘合剂，其在材料处理、化学和加工性能方面适合在电弧炉炼钢法中使用。特别的， 申请人:在项目过程中发现，所述聚合物材料能作为复合制品中含铁粉末的有效粘合剂，并且能提供能源。
[0089]本发明是 申请人:在项目期间所实现的，能够制备复合制品，所述复合制品包括焦炭粉末形式的含碳单元，和回收的低密度聚乙烯形式的聚合物材料粘合剂，其在材料处理、化学和加工性能方面适合在电 弧炉炼钢法中使用。
[0090]本发明是 申请人:在项目期间实现的，在至少部分聚合物材料粘合剂熔融，而混合物中的其他组分保持固体的温度下，上述的含金属单元和/或含碳单元以及聚合物材料粘合剂的混合物通过例如热挤出进行加热成型，这是制备复合制品的有效方法，所述复合制品具有用于电弧炉炼钢法所需的材料的处理、化学和加工性能。
[0091]本发明是 申请人:在项目期间实现的，本发明的基于含金属的复合制品和基于碳单元的复合制品具有相比于炼钢更宽泛的终端应用。具体的， 申请人:发现，本发明的基于碳单元的复合制品可作为化石燃料的替代品在发电站和如水泥制窑炉的窑炉中应用，以及其他具有需要由化石燃料或工程燃料产生热量的应用。
[0092]根据本发明，所述研究和开发项目包括，针对大量的含有10_45wt %的低密度聚乙烯形式的聚合物材料的制品的实验室工作。
[0093]所述实验室工作包括针对复合制品的工作，所述复合制品包括含金属、尤其是含铁的轧屑形式的材料，以及上述范围的聚合物材料。实验室工作发现在这些制品中的铁氧化物几乎100%还原为熔融铁。
[0094]所述实验室工作还包括针对复合制品的工作，所述复合制品包括焦炭粉末形式的含碳材料以及上述范围内的聚合物材料。
[0095]所述制品的一个例子为具有24wt%低密度聚乙烯粘合剂，工助剂,75wt%焦炭粉末和其他含碳材料的组成。
[0096]所述研究和开发项目还包括 申请人:对本发明制品的I吨样品组成的实验，所述实验在电弧炼钢炉中进行。[0097]用于实验的样本制品在标准的市售的热挤出机中被成功挤出。
[0098]将由挤出机制备的连续的“绳”形成大的约3kg的饼形。
[0099]所述样本制品具有24wt %的低密度聚乙烯，Iwt %加工助剂，7wt %焦炭，和68wt%轧屑的组成。
[0100]
【权利要求】
1.一种制备复合制品的方法，所述复合制品为以下形式:(a)聚合物材料粘合剂和含金属材料或(b)聚合物材料粘合剂和含碳材料，所述方法包括加热和混合所述复合制品的组分，然后将加热后的混合物形成最终制品的形状，加热步骤足以熔化至少部分的聚合物材料粘合剂以促进形成所述制品。
2.根据权利要求1所述的制备复合制品的方法，所述复合制品包括所述聚合物材料粘合剂和所述含金属材料，所述方法包括:将其他材料与所述聚合物材料和含金属材料混合，所述其他材料例如除了所述聚合物材料粘合剂以外的碳源材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，其他碳源包括以下任一种或多种:生物质、粉煤灰、橡胶、纸张、焦炭粉、炭粉、煤粉、来自于打印机和影印机的色粉、以及任何其他适合的有机材料。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其包括:控制所述方法和选择所述含金属材料(当存在时)、所述含碳材料(当存在时)以及所述聚合物材料粘合剂，以制备具有所需要的孔隙度的制品。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述制品为无孔制品。
6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其包括:混合所述含金属材料和所述聚合物材料粘合剂，使所述含金属材料在制品中均匀分散。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其包括:混合所述含碳材料和所述聚合物材料粘合剂，使所述含碳材料在制品中均匀分散。
8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其包括:在足够高的可使所述聚合物材料粘合剂完全熔化的温度下，加热所述制品的组分的混合物。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其包括:选择所述含金属材料和含碳材料使得这些材料在加热步骤·中保持固体。
10.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述含金属材料为轧屑粉末或者集尘灰或者其他炼钢车间或炼铁车间副产品的形式。
11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述聚合物粘合剂材料为回收的聚合物材料，例如为回收的聚乙烯，例如低密度聚乙烯或高密度聚丙烯或回收的聚丙烯。
12.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述含碳材料为生物质、粉煤灰、橡胶、纸张、焦炭粉，炭粉，煤粉，来自于打印机和影印机的使用过的色粉、以及任何其他适合的有机材料的形式。
13.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，步骤(c)包括通过挤出加热后的混合物，将所述加热后的混合物形成复合制品。
14.一种复合制品，包括含金属材料和作为所述含金属材料的粘合剂的聚合物材料。
15.根据权利要求14所述的制品，还包括其他材料，例如除了所述聚合物材料粘合剂以外的碳源材料。
16.一种复合制品，包括含碳材料和作为所述含碳材料的粘合剂的聚合物材料。
17.根据权利要求15所述的制品，还包括其他材料，例如含金属材料。
18.根据权利要求14-17任一项所述的制品，包括连续的网状的所述聚合物材料，以及均匀分散的含金属材料或含碳材料。
19.根据权利要求14-18任一项所述的制品，为无孔制品，因此至少大体上是防水的。
20.根据权利要求14-19任一项所述的制品，包括聚合物材料的外罩。
21.根据权利要求14-20任一项所述的制品，其中所述聚合物材料在制品中含有IOwt%以上。
22.根据权利要求14-21任一项所述的制品，其中所述聚合物材料在制品中含有少于50wt%。
23.根据权利要求14-22任一项所述的制品，其中所述聚合物材料为回收的聚乙烯，例如低密度聚乙烯或高密度聚乙烯，或者回收的聚丙烯。
24.根据权利要求14-23任一项所述的制品，其中所述含金属材料为轧屑粉和/或集尘灰或其他来自于炼钢车间的副产品的形式。
25.根据权利要求14-24任一项所述的制品，其中所述含碳材料为生物质、粉煤灰、橡胶、纸张、焦炭粉、炭粉、来自于打印机和影印机的使用过的色粉、以及任何其他适合的有机材料的颗粒形式。
26.根据权利要求14-25任一项所述的制品，其全部由回收材料制成，其中所述聚合物材料粘合剂和所述含金属材料(当存在时)以及所述含碳材料(当存在时)中的每一种为回收材料。
27.根据权利要求14-26任一项所述的制品，其为小球状、颗粒状、块状、锭状、饼状、栓状或盘状。
28.根据权利要求14-27任一项所述的制品，具有至少IOcm的主要尺寸。
29.根据权利要求14 -28任一项所述的制品，其为至少1kg。
【文档编号】C22B1/244GK103429768SQ201180048790
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2011年8月1日 优先权日:2010年8月9日
【发明者】保罗·詹姆斯·欧凯恩, 凯瑟琳·路易斯·斯基德莫尔 申请人:新南威尔士第一钢铁制造私人有限公司