专利名称：在用氧化焰加热的转底炉中还原金属氧化物的方法
技术领域：
本发明涉及在用氧化焰加热的炉中还原与氧结合的金属的方法。更具体地讲，将包括金属氧化物和还原剂的第一层放在炉内的环形平台上。该第一层用还原剂第二层覆盖以防止被还原的金属氧化物再氧化。这种被还原的金属氧化物可用作向精炼炉中提供金属单位或单元以与铁水形成合金的原料。
已知可用被还原的产物使金属氧化物和金属矿还原，其中被还原的产物后续在精炼炉中用作制造铁或铁合金的原料。常用于还原金属矿的炉类型是竖炉，回转窑或转底炉。引用于此作为参考的US4,701,214提出用转底炉，其中将铁矿，煤和石灰一起混合，粉碎或研磨后将其压制成球团矿。将该球团铁矿送到炉中转动平台上，并且达到2-3个球团深度或厚度。用呈环形设在转动平台以上的烧嘴将该球团铁矿加热到1000℃，其中烧嘴中用H2和CO还原燃料。该球团铁矿还原后再送入熔炼炉中以将其熔成铁水。
US4,622,905提出用转底炉使铁氧化物金属化。将铁氧化物和煤粉的球团放到炉内转动平台上。该球团矿用呈环形设在转动平台以上的烧嘴光焰加热，其中粉煤和氧气燃烧形成加热焰。
US5,1 86,741提出用转底炉使含有重金属的铁氧化物炼钢设备排出的粉尘金属化。将铁氧化物球团，含碳物料，粘结剂及任选的钙氧化物制成球团矿。将该球团矿放在转化炉内的转盘上。该球团矿在不高于900℃下干燥最多15分钟后在1150℃下还原最多30分钟。
US3,443,931提出用转底炉使铁氧化物金属化。将铁氧化物和煤形成的球团矿放在炉内的转动平台上，并且达到1或2个球团深度或厚度。该球团矿在缺乏游离氧、而温度最高约1425℃的气氛中加热，其中用设在转动平台以上的烧嘴。
US4,772,316提出用转底炉使含铁的铬矿金属化而制成铬钢制造过程中用作中间合金的铬铁。铬铁矿，煤和熔剂的混合物在含CO的气氛中加热后将该混合物送入炉的一端，使其流过炉后从炉的另一端排出。烧嘴气体经过炉的排出端并且在与铬矿物流相反的方向上流动。煤不仅用来使CO2和H2O燃烧产物气体还原成CO和H2，而且也用来防止金属化的铬再氧化。
US4,971,622涉及到铬铁矿的还原和脱硫。将铬铁矿与含碳物料混合后在回转窑中加热到1500℃。至少90wt％(重量百分比)铬氧化物还原成金属态，将近100wt％铁氧化物还原成金属态。这种含钙氧化物和过量碳的还原产物再送到电弧炉中脱硫。
还已知可将铬铁矿和/或镍矿直接送入设有炉顶吹氧管和炉底吹搅拌气体的风口的精炼炉中而生产出不锈钢。US5,047,082提出在吹氧转炉中用低硫含量的镍矿代替镍铁生产不锈钢。镍矿用溶于铁水或熔化铁中的碳和炉渣中的木炭还原。US5,039,480提出在转炉中依次熔炼和还原低硫含量的镍矿和铬铁矿而不是使镍铁和铬铁熔化而制成不锈钢。矿石用溶于铁水中的碳和炉渣中的木炭还原。
在竖炉或回转窑中加工处理矿石还存在不少缺点。在竖炉中，矿石配料向下移动通过竖炉并且朝向经过矿石床层或柱体逆流上升的热还原气。在其下降通过竖炉的过程中矿石配料自身并不深入混合。在回转窑中，随着矿石在重力作用下从一端移到另一端，由于回转窑转动而会出现相当大程度的混合。这两种炉均包含了矿石相对于炉壁移动，从而使得对矿石温度的了解和控制更难于进行。竖炉和回转窑均有可能出现粘结或集结的问题。在竖炉中，矿石有可能自身粘结，而在回转窑中矿石有可能粘结到转鼓内壁上以及自身粘结。而且，这些问题越严重，操作温度就越高。在操作过程中，回转窑中有时会出现局部热点，其中矿石可能熔化，致使矿石严重结块或聚结，从而给生产带来不利影响。竖炉和回转窑均要求用块矿或硬化的团块矿石，因为要考虑到竖炉中的配料重量和回转窑中的冲击。
在不锈钢制造过程中在精炼炉中完全加工处理矿石的主要缺点是矿石常含少量金属并且难于熔化。而且，一般要求用大量能量来使金属氧化物还原成适宜于制成合金的金属。已提出进行高度后续燃烧，但这要求向熔池中加入固体含碳材料。需要这种含碳材料来防止熔池炉渣的形成并且防止合金再氧化成炉渣。炉渣中存在大量含碳材料会提高熔池中碳浓度。而在精炼期间必须去除这种碳。而且，也可能不需要进行矿石溶炼，尤其是在低品位矿石如镍矿的情况下不需要，因为矿石重量中多达80％会转化成炉渣。镍矿仅含有约1-3wt％Ni。
不过，长期以来仍需要提供廉价的金属单位或单元(metal units)以制造铁合金或钢如铬合金钢或不锈钢。而且，也需要用廉价的金属氧化物提供金属单元。长期以来的其他需要包括开发可提供制造合金所需的廉价Cr和/或Ni单元的可靠而且连续的工艺方法。
本发明的主要目的的就是用金属氧化物生产可供入含熔化铁或铁水的精炼炉而制成合金所需的廉价合金金属。
本发明另一目的是在用氧化焰加热的炉中还原金属氧化物。
本发明另一目的是还原金属氧化物，其中将其与含碳还原剂接触并且用氧化焰加热，从而制成用于生产不锈钢的有价值的合金金属。
本发明另一目的包括防止用金属氧化物得到的还原态金属在用氧化焰加热的炉中再氧化。
本发明另一目的包括用金属氧化物和硫化物提供可在合金钢制造过程中用作电炉和/或精炼炉进料的廉价还原态Cr和Ni单元。
本发明还涉及在用氧化焰加热的炉中还原与氧结合的金属的方法，其中包括提供设有环形平台和至少一个燃料烧嘴的炉，将由与氧结合的金属和还原剂的混合物构成的第一层放在平台的上表面上，转动平台而使其经过烧嘴并用氧化焰加热第一层，送入覆盖第一层的还原剂第二层，继续将金属氧化物加热到足够的温度并经过足够的时间以使金属氧化物至少部分还原，从而用第二层防止部分还原的金属在炉中因氧化性气体而再氧化。
本发明另一特征是将上述第一层加热到至少1000℃后再用第二层覆盖。
本发明另一特征是上述混合物中包括至少10wt％固定碳。
本发明另一特征是上述混合物包括粉碎铬铁矿和粉碎煤。
本发明另一特征是上述混合物中部分还原的与氧结合的铬至少40％金属化而成为铬或碳化铬。
本发明另一特征是上述第一层深度或厚度不超过40mm。
本发明另一特征是上述第二层深度或厚度不超过10mm。
本发明另一特征是上述混合物还包括粉碎的含硫的镍精矿。
本发明另一特征是上述部分还原的混合物含至少0.1wt％金属或硫化镍态的镍。
本发明另一特征是上述第一层在至少1300℃下保持至少30分钟。
本发明优点还包括提出经济的工艺操作方法，其中包括生产可用来使熔化铁或铁水合金化的有价值金属，在不足30分钟之内部分还原金属氧化物，通过在炉中用氧化焰加热而达到至少40％铬金属化和70％铁金属化，在不要求团块矿或烧结矿具有高浓度的情况下部分还原金属氧物团块矿或烧结矿并且防止还原态的金属氧化物在转底炉中再氧化。
从以下详细说明并参见附图即可清楚地看出本发明的上述及其他目的，特征和优点。
图1示出了本发明方法的一种实施方案。
图2示出了图1所示本发明方法所用的转底炉。
本发明涉及在用氧化焰加热的炉中将与氧结合的金属至少部分还原成金属的方法。本发明基本特征包括用含碳材料覆盖层或外层保护金属以防止其暴露在氧化焰中时再发生氧化。本发明另一重要特征包括加热炉，其中设有适宜于转动且同时支持着与氧结合的金属的平台。
本发明包括提供用氧化焰加热的炉，其中设有环形平台和至少一个适宜于装在平台以上某一位置的燃料烧嘴。将由与氧结合的金属，即金属氧化物和还原剂的混合物构成的第一层放在平台上表面上。金属氧化物和还原剂可呈现为粉状，团块状，烧结状，压坯状，球团状或其混合物形式。在该混合物通过加热区并加热到至少约1000℃，优选至少1100℃，更优选至少1200℃后，将含碳还原剂第二层放在第一层上。虽然第二层可在第一层加热前放在该第一层上，但希望或者要求在第一层达到金属化温度之后才加入第二层。若第二层在第一层未足够加热之前加入，则第二层就可能成为隔热层，影响转炉加热效率。而在推迟加入第二层时，则可尽可能缩短将金属氧化物加热到金属化温度并且使该氧化物还原的加热时间。平台以受控速度连续转动并经过烧嘴，其中混合物在平台上表面上保持静止。该混合物由从烧嘴出来的氧化焰辐射加热到足够温度并经历足够时间以在第一层中使金属氧化物至少部分还原成金属和/或碳化物，而过量的碳则保留下来。第二层则防止部分还原的金属氧化物再由从火焰中出来的氧化性气体再氧化，这一作用持续到还原后的金属氧化物从炉中去除为止。部分还原的混合物可用作在熔炼炉或精炼炉中与熔化铁或铁水一起制成合成的原料。用氧化焰而不用还原焰加热炉的原因就是因为用氧化焰可更有效地达到更高温度。
本发明与氧结合的金属定义中包括由镍矿构成的几种氧化物矿石或精矿如低硫含量的红土或硅镁镍矿，铬铁矿或精矿，铁矿，粉碎的金属矿，不锈钢烟道炉尘及其混合物之中的任何一种。
与氧结合的铬尤其是符合要求的并且以尖晶石形式与其他氧化物一起存在于铬铁矿或精矿中，或存在于不锈钢烟道炉尘如CrOz中，其中z＝1.0，1.5和/或3。铬铁矿的尖晶石可按化学计量表示为(Mg，Fe)(Cr，Al，Fe)2O4，其中Mg++与Fe++之比和Cr+3，Al+3和Fe+3相互之间的相对比例可根据矿石来源变化。一般来说，根据矿石来源不同，总Cr量与总Fe(Fe++＋Fe+++)之比为约1-3。
铬铁矿尖晶石在用碳还原过程中，少量的金属Fe和Cr先沉淀，形成碳化物Fe3C和(Fe，Cr)3C并与碳接触。亚铁离子初期还原速度一般比正铁离子快，致使沉淀的金属中初期Cr/Fe之比低。随着还原的金属中Cr/Fe之比提高，金属就会与过量碳反应而按Fe-Cr-C相图所示形成碳化物(Cr，Fe)7C3。在反应过程中，初期存在于尖晶石中的氧化物MgAl2O4在相同的氧化状态下会保留下来。
在还原铬铁矿的情况下，铬金属化％和铁金属化％可分别理解为去除的氧量和与氧结合的铬中总氧量之比以及去除的氧量和与氧结合的铁中总氧量之比。在金属化过程中沉淀的那部分铬铁矿尖晶石可用化学式FeO(CrFew)O3表示，其中w为Fe+++/Cr+++之比。而且，金属化过程又可用下式反应表示，其中x和y分别表示去除的氧量与可还原的亚铁(Fe++)和与可还原的铁离子(Cr+++件和Fe+++)之比。在0％金属化状态下，即还原开始之前，x＝y＝0，而在100％金属化状态下，x＝1和y＝3。铬金属化％可定义为不含氧的总铬量相对于铬铁矿中的总铬量之比；而铁金属化％可定义为不含氧的总铁量相对于铬铁矿中的总铁量之比，其中所有物质均按化学分析结果确定。所谓“不含氧”，意指金属Cr和Fe以及以碳化物形式结合的Cr和Fe，其中碳化物是在沉积的金属和超过金属化过程所要求量的碳之间按下列化学反应形成的
可按本发明加入铬铁矿-碳混合物中的高硫含量的镍氧化物精矿包括S/Ni之比小于1.0，Cu/Ni和Co/Ni之比小于0.1并且余量是铁氧化物和残留量MgO，Si2O3，Al2O3和CaO的精矿。
若金属氧化物是镍红土矿或用该矿制成的精矿，则镍氧化物一般以(Fe，Ni)OOH形式水合。在高温下与碳接触时，-OH则以氢和一氧化碳的形式释放出来。余下的镍氧化物(NiO)和铁氧化物(FeO)部分还原成金属Ni和Fe。在镍红土矿进行还原的情况下，镍金属化％定义为不含氧的总镍量相对于总镍量之比，其中还原反应按下式进行其中p是镍红土中Ni/Fe之比。
若金属氧化物来源为烟道炉尘，则氧化物形式可为MeOy(其中Me＝Cr时y＝1，1.5或3；Me＝Ni时y＝1和Me＝Fe时y＝1.05，1.33或1.5)，这类氧化物均可部分直接还原成金属并且可能生成金属碳化物。例如，在不锈钢烟道炉尘情况下，铬氧化物形式为CrO，Cr2O3或CrO3。该炉尘可用碳直接还原成金属Cr和Fe，(Fe，Cr)3C(Cr，Fe)7C3。碳化物生成量主要取决于Cr/Fe之比和炉尘中存在的碳量。
所谓“不锈钢烟道炉尘”，意指其定义中包括来自制造不锈钢的炉如电弧炉和精炼炉的粉尘，细粒或残渣。若金属氧化物为块状矿石形式，则矿石优选先粉碎后再团块化而制成球团矿，烧结矿，压坯等。该炉尘优选类似团块化。优选的是，对还原剂也进行粉碎并将其与粉碎的矿石或炉尘掺混起来，然后再团块化以便在转底炉中加热期间提高碳达到的还原速度。合适的含碳还原剂包括焦炭，焦炭粉，石油焦炭，木炭，石墨以及低和中等挥发性烟煤。金属氧化物在转底炉中至少部分还原，并且可在制造铁基材料如Fe-Cr，Fe-Ni，Fe-Cr-Ni，合金钢，不锈钢等的炉中进一步还原。
用于本发明的合适的炉是连续式再加热炉，其中设有环形内壁及其外围的外壁，并且内外壁之间有间隔空间。这种内外壁之间的间隔空间包括适宜于相对于烧嘴转动的环形平台或炉底。这种炉常称为转底炉，即RHF。常用运输机或滑槽将待还原的金属氧化物装入炉底宽度范围内，并使其下落或分布达到受控深度。在平台完成一次转动之后，通常用合适的装置如出料螺杆连续排出还原的金属氧化物。
在待还原的金属氧化物为铬铁矿的优选实施方案中，已证实在含熔化铁或铁水的炉中进行最终精炼之前，用含碳还原剂预还原金属氧化物时可使铬铁矿中与氧结合的铬达到至少40％金属化并且使其中与氧结合的铁达到至少70％金属化。在与铬铁矿或精矿混合的含碳还原剂中固定碳量应至少等于理论上将与氧结合的铬和铁还原而达到100％金属化所需的化学计量。由于高固定碳％可保证铬铁矿和碳粒接触的可能性提高，而且这有利于还原动力学，所以优选固定碳量为总混合物的10-25％，更优选15-20％，最优选20-25％。除了固定碳％之外，金属化速度或程度还取决于粒径(目)，时间和温度。将铬铁矿粉碎到至少-200目的粒径并将还原剂粉碎到至少-200目的粒径，而且将混合物优选加热到1350℃，则可达到40％的铬金属化程度。优选的是，煤粒径应当达到-325目。在铬和铁金属化过程中，超过还原所需量而存在的碳会使这些金属碳化，使其就地还原成Cr，Fe)3C和(Cr，Fe)7C3。由于与氧结合的铬和与氧结合的铁的反应速度不同，致使反应动力学过程复杂化，所以不可能在同一时间使每种物质都达到理论上的最高金属化程度。考虑到该工艺在合理的时间范围，即1小时左右之内是比较经济的，可达到近乎完全的铁金属化，但铬仅达到中等程度的金属化。
难于还原的金属氧化物如铬铁矿金属化程度主要取决于金属氧化物的还原温度，在该温度下的停留时间，使金属氧化物还原的含碳还原剂量以及金属氧化物和碳物料的粒径。对于铬铁矿或CrOy(y＝1，1.5或3)，与氧结合的铬应还原达到至少40％金属化，即达到最终还原的混合物的至少5.0wt％。为了达到这一金属化程度，铬铁矿温度应至少1350℃，保持时间至少30分钟，混合物中固定碳％应为20-25wt％，而铬铁矿和煤的粒径应至少-200目。
本发明混合物中与氧结合的金属可在RHF中至少部分还原。所谓“部分还原”，是指在铬铁矿中或在制造钢时的炉尘中与铬结合和与铁结合的氧化物中的一部分氧量由碳去除并以CO的形式离开金属态铬，铁和及其碳化物。混合物中的另一部分氧化物则仍保持为铬铁矿，炉尘，铬氧化物，铁氧化物和伴随的CaO，SiO2，MgO和Al2O3等氧化物。例如，铬铁矿中与氧结合的铬金属化而达到至少40％的程度意指至少40％或更多的与氧结合的铬还原成铬或碳化铬。
图1是示出本发明方法一种实施方案的示意图。数字10一般性地表示可用于将金属氧化物如矿石研磨成粉的粉碎机。若进行粉碎，则金属氧化物优选进行混合并且一般制成团块，烧结或压坯，如用造球机12进行这些操作。当然，金属氧化物也可不制成团块，但要与粉碎的还原剂混合。若制成团块如球团或未制成团块，则将混合物送入RHF 14中以达到至少部分金属化。金属可用作精炼炉的进料。根据残留氧化物的情况，也可将金属送入含熔池的炉中，如设有电极20的电弧炉16(EAF)或转炉18如氩氧脱碳器(AOD)或顶和底吹精炼反应炉(TBRR)。AOD和TBRR中的每一台均可装备炉顶吹氧管22，炉底搅拌气体风口23，铁熔池28和渣层30。在金属作为AOD或TBRR进料时，可能在金属氧化物为铬铁矿时要求在粉碎的混合物中包括成渣剂以使成渣剂在RHF中预热后才送入精炼炉中。合适的成渣剂包括CaCO3，CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2。
图2是本发明图1所示RHF14的顶部放大图。炉14包括环形耐火内壁32，环形耐火外壁34，内外壁32和34间的环形耐火平台33，位于平台周围如装在外壁34上的多个燃料烧嘴36，其中每一个烧嘴上都设有从正好处于平台33上表面上的位置穿过壁上开口的喷嘴38，还包括位于平台内环形构架42上的为燃料烧嘴40，进料装置44和45以及将还原后的金属氧化物从平台33上排出的装置46如螺杆48。平台33沿箭头50指明的方向以受控速度转动通过烧嘴。燃料燃烧废气和伴有含硫精矿的金属氧化物还原过程中离解而出现的任何硫蒸汽经排气孔52排出。这些废气的余能可在回收热量的系统(未示出)中再用于将燃料和空气预热。烧嘴36，40在平台33上表面上隔开一段距离。
RHF优选包括几个装在炉中环形壁之一上的烧嘴，其中这些烧嘴朝向平台的上表面，从而使从哓嘴出来的火焰辐射可直接传送到沉积在平台上表面上的金属氧化物和还原剂构成的混合物表面上。在其上放上金属氧化物混合物之后，让平台转动经过烧嘴。因此，平台作为逆流换热器，但热量主要是通过辐射传给混合物表面并经过传导而传入混合物层内部。与加热气体向上通过矿石柱的竖炉不同的是，在RHF中的气流方式有所区别，其中待还原的金属氧化物/还原剂混合物薄层转动经过氧化焰，从而主要通过辐射将热量从氧化焰和炉内壁传给金属氧化物并通过传导而传入混合物层内部。也就是说，待还原的金属氧化物相对于气焰以受控速度作逆流转动。由于表面积大并且厚度小，所以很快会达到高温，从而促进了快速反应动力学，其中物料仅需要与还原剂接触并且在火焰环境中曝露不足1小时即使金属氧化物还原。竖炉所固有的缺点如物料粘结和强度问题在应用RHF时就能够避免。
由于在转动平台上只有一薄层金属氧化物并且不必象竖炉那样支持大量的配料物质或象回转窑那样经受冲击，所以团块矿无需具有结构完整性。在将金属氧化物粉碎，与其他物料如煤和含硫的镍精矿混合后制成球团矿时，这就显得尤其重要。到1200℃，镍和铁硫化物就会完全熔化。这些硫化物与含铬铁矿的球团矿一起存在并不会影响RHF的操作，因为球团强度并不成为问题。
可用加料装置44在平台33的宽度范围内沉积连续的第一薄层由金属矿石和含碳还原剂构成的混合物，其中第一层厚度按要求受到控制并且厚度均匀。第一层厚度应不大于40mm，优选不大于35mm，更优选不大于30mm。若金属氧化物和还原剂粉碎并压坯成为直径约10mm的球团矿，则将压坯放在平台上并达到约2-3个球团厚度，即25mm。层厚应不大于40mm的原因在于混合物层内达到均匀温度所需的时间随厚度呈指数增长，因此要达到同等程度的金属化就需要更长的时间。同时，需连续供热以补偿热损失并且满足与碳进行吸热金属化反应的热需求。在第一层优选加热到至少1000℃，优选1200℃后，再在平台33的宽度范围内用加料装置45在第一层上沉积连续的含碳还原剂第二层，其厚度均匀并且不超过约10mm。第二层优选应覆盖第一层并且最小厚度达到至少2mm，优选至少3mm。第二层应具有2-3mm厚度以提供足够的碳，从而使从火焰达到混合物上表面附近区域的任何氧化性气体如CO2，H2O减少，但不能厚到隔热的程度。含碳还原剂层应不超过约10mm以便通过传导而对于正在进行金属化的下层混合物层实现适当的传热。优选的是，第二层的厚度与第一层的厚度之比应控制在0.05-0.3的范围内。
混合物中也可能需要不同类型的矿石以在RHF中进行至少部分还原，其中矿石可单独或组合应用。在还原的金属用作制造含镍不锈钢的原料的情况下，混合物中就有可能需要包括铬氧化物和含硫的镍精矿。若应用含硫的镍精矿，则在铬氧化物开始还原之前镍和铁硫化物就会开始熔化并且液态硫会部分离解成为气态硫而进入炉内气氛中。在物料层温度低至640℃时，硫化物就可开始熔化。
在混合物中包括镍红土时，则混合物中优选不加入铬铁矿，因为RHF金属产品必须先转入EAF中以进行熔化和除渣，并且渣中会包括大量的铬氧化物，从而导致低Cr产率。RHF部分还原的金属产物可含至少1.0wt％Ni。镍红土矿或镍红土精矿在RHF中加热的反应产物为Ni，Fe，Fe3C，其余为氧化物MeOy，其中Me＝Ni时y＝1，而Me＝Fe时y＝1.05，1.33或1.5。
实施例1以下说明还原金属氧化物的方法。含铬的矿石和煤可分别粉碎后再一起混合成为粉末并压坯成为低强度球团矿。干燥的混合物可含有约74wt％铬铁矿或精矿，25wt％固定碳和1wt％膨润土粘结剂。所谓“固定碳”，是指煤中在挥发性物质所含的碳去除之后而余下的碳。铬铁矿和煤的粒径应达到200-325目(44-74μm)。然后将混合物制成直径为约10mm的球团矿。将该球团矿完全放在可转动平台的宽度范围内，以其作为第一层，其深度为2-3个球团厚度，即可达约25mm。然后在将第一层加热到1200℃之后再在第一层上沉积粒径范围为10-100目(0.15-2.0mm)的粒状煤第二层，其厚度为3mm。两层总厚度为约30mm。第二层厚度与第一层厚度之比为约0.1。为了使铬铁矿还原，第一层优选应在至少30分钟内加热到至少1300℃，更优选至少1350℃的温度以使铬铁矿中与氧结合的铬至少40％金属化而成为金属铬和铬碳化物并且使铬矿中与氧结合的铁70％金属化而成为金属Fe和铁碳化物。但是，第一层加热应不超过1450℃温度，因为金属化的产物如碳化物明显熔化会导致金属化层难于从转底平台上排出。在该例中，混合物层在10-15分钟内用氧化焰预热到1200℃温度。然后，将煤层加到热金属氧化物层的上表面上。之后用氧化焰将平台上的各层再继续幅射加热30分钟，其间发生第一金属氧化物层的金属化。在进行30分钟金属化之后，让混合物冷却到约200℃或用螺杆48从炉14中在热态如1000-1300℃下排出，两者均在惰性气体的保护性气氛中进行。若以热态从RHF中排出，则将部分金属化的混合物送入精炼炉如AOD或TBRR中。
第二含碳层保护贫碳的任何混合物区域中的金属化的铬和铁，使其不会被炉中氧化焰燃烧产物再氧化。在任何氧化性气体试图穿过第二层时，则这类气体由第二层中的碳再生成还原性气体如CO和H2。部分还原的铬铁矿由Cr和Fe金属，Cr和Fe碳化物，未还原的与氧结合的Cr和Fe以及稳定氧化物SiO2，MgO，Al2O3和CaO构成，可将其送入炉16内由渣层26覆盖的铁熔池24中或精炼沪18中由渣层30覆盖的铁熔池28中，从而提供制造不锈钢的廉价Cr单元或单位。
实施例2以下说明还原另一金属氧化物的方法。低硫含量的镍红土矿含有约1-3wt％NiO，15-20wt％Fe2O3，30-40wt％SiO2，15-30wt％MgO，最多40wt％结合成为[(Fe，Ni)OOH]形式的水以及少量Al2O3和Cr2O3。可如同实施例1所述将红土矿和煤粉碎成粉末后再一起混合并压坯而成为低强度球团矿。干燥混合物可含有74份红土矿和25份固定碳以及1份膨润土。可将这些球团矿完全放在可转动平台的宽度范围内，以其作为第一层，其深度为25mm。在用氧化焰将第一层球团矿加热到约1200℃后再在该第一层上沉积粒径范围为10-100目的粒状煤，其深度或厚度为2-3mm，而第二层的厚度与第一层的厚度之比为约0.1。这类球团矿再在1200℃下保持30分钟加热时间。然后，让还原后的镍氧化物球团矿冷却到200℃后再从炉中排出或在高温下直接排出并送入EAF内的铁熔池中以使不符合要求的氧化物组分除渣。在这样进行操作后，还原后的镍矿球团可用来提供制造镍合金钢如AISI304不锈钢的Ni和Fe单元。
实施例3
在另一实施例中，用于制造不锈钢并且来自EAF或AOD的含铬氧化物的炉尘可在RHF中部分还原。这类炉尘常具有-325目的的粒径并且可含有12-22wt％Cr2O3，30-60wt％Fe2O3，其余基本上是CaO，SiO2，Al2O3和MgO。该炉尘亦可含有少量重金属如ZnO和PbO。可类似于实施例1所述将该炉尘与至少15wt％来自粉煤的固定碳和一些粉碎的铬铁矿混合后压坯而成为低强度的球团矿并沉积为第一层，其厚度为25mm。在用氧化焰于约10-15分钟内将该层预热到约1200℃后再在该第一层上沉积粒径范围为10-100目的粒状煤，其深度为2-3mm，而第二层厚度与第一层厚度之比为约0.1。继续将这类球团矿加热到1350℃并在该温度下再保持30分钟。之后，让由Cr和Fe金属，Cr和Fe碳化物，任何剩余的未还原的与氧结合的Cr和Fe以及稳定的氧化物SiO2，MgO，Al2O3和CaO构成的部分还原的混合物冷却到200℃或在1000-1300℃热态下从炉中排出，两者均在惰性气体保护性气氛中进行，排出的混合物送到AOD或TBRR内所含的铁熔池中以进行熔炼和精炼，从而俘获有价值的Cr单元。任何过量的碳会溶于熔池中并且可在AOD或TBRR精炼炉中通过吹氧而去除。因此，含铬氧化物的炼钢炉尘可用于提供制造不锈钢所需的Cr和Fe单元。
实施例4以下另一实施例将说明铬铁矿和含硫的镍精矿的混合物如何在RHF中进行加工。可类似于实施例1所述将铬铁矿，含硫的镍精矿和煤粉碎成粉末后再一起混合并压坯成为低强度球团矿，然后将其沉积为第一层，其厚度为25mm。在用氧化焰在约10-15分钟内将该球团矿层预热到约1200℃后，再在该第一层上沉积粒径范围为10-100目的粒状煤，其厚度为2-3mm，而第二层的厚度与第一层的厚度之比为约0.1。继续将该球团矿加热到1350℃并在该温度下再保持30分钟。这时可出现部分脱硫，其中硫离解而成为气态硫并进入RHF气氛中。气态硫经过第二层而进入氧化性炉内气氛时会氧化成二氧化硫。在与含硫的镍精矿和铬铁矿混合物混合的煤中固定碳至少等于混合物的10wt％时，在RHF中加热含硫的镍精矿和铬铁矿而形成的反应产物会是金属Ni，未反应的镍硫化物，Cr和Fe金属，Cr和Fe碳化物和未还原的与氧结合的Cr和Fe。在该实施例中，含硫的镍精矿和铬铁矿可分别在RHF中脱硫和部分还原后再送入AOD内所含的铁熔池中以将金属化的铬铁矿和附带或伴随的Ni熔炼和精炼，从而提供制造铬镍合金钢如AISI304，12SR和18SR不锈钢所需的Cr，Ni和Fe单元。与氧结合的铬的最终熔炼主要是由带入熔池并且溶于其中的碳如(Fe，Cr)3C和(Cr，Fe)7C3和过量碳，其次是由溶于熔池中的任何其他还原剂如硅或铝进行。在该还原阶段之后余下的任何残余的碳可通过吹氧管吹氧而从铁熔池中去除。而铁溶池中伴随金属化球团矿的剩余硫，在经过风口注入惰性气体如高纯度，如99.998vol.％氩气时，可由还原期间覆盖熔池的精炼炉渣去除。
在提交本专利申请时，铬铁形式的铬和镍铁或镍粒形式的镍的每kg现货市场价分别为约$1.5和$8。实施例1-5中制成的原料形式的铬和镍的每kg造价则低至分别低至约$1.2和$6。本发明优点是在制造铁素体不锈钢时可使铬进料的每kg价格降低约$0.30或以上，而在制造奥氏体不锈钢时可使Cr和Ni进料的每kg价格降低约$2或以上。
在本发明范围之内，还可对本发明作出各种修改。因此，应按本发明权利要求书确定本发明的范围。
权利要求
1.金属氧化物还原方法，其中包括提供设有环形平台和至少一个燃料烧嘴的炉，将含有与氧结合的金属和还原剂的混合物第一层放在平台上表面上，使平台转动经过烧嘴以用氧化焰加热第一层，加入覆盖第一层的还原剂第二层，继续将物料层加热到足够温度并经过足够时间以形成至少部分还原的混合物，其中用第二层防止炉内部分还原的混合物再氧化。
2.权利要求1的方法，其中在覆盖第二层之前将混合物加热到至少1000℃。
3.权利要求1的方法，其中与氧结合的金属来自铬铁矿，红土矿，硅镁镍矿，用铬铁矿制成的精矿和不锈钢烟道炉尘。
4.权利要求1的方法，其中将混合物粉碎，使与氧结合的金属和还原剂均达到至少-200目的粒径，再将粉末混合物压坯而成为球团矿。
5.权利要求1的方法，其中混合物含有至少10wt％固定碳。
6.权利要求1的方法，其中部分还原的混合物含有至少5.0wt％金属铬或铬碳化物形式的铬。
7.权利要求1的方法，其中与氧结合的金属是铬，部分还原的混合物中有至少40％的与氧结合的铬还原成铬或铬碳化物并且有至少70％的与氧结合的铁还原成铁或铁碳化物。
8.权利要求1的方法，其中混合物含有铬铁矿，还原剂和选自CaCO3，CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2的成渣剂。
9.权利要求1的方法，其中混合物含有铬铁矿和含硫的镍精矿。
10.权利要求9的方法，其中部分还原的混合物含有至少5wt％金属铬或铬碳化物形式的铬和至少0.1wt％金属镍或镍硫化物形式的镍。
11.权利要求1的方法，其中部分还原的混合物含有至少1wt％金属形式的镍。
12.权利要求1的方法，其中混合物至少含有理论上还原混合物中所有与氧结合的金属所需的化学计量还原剂。
13.权利要求1的方法，其中第一层厚度不大于40mm。
14.权利要求1的方法，其中第二层厚度不大于10mm。
15.权利要求1的方法，其中第二层厚度与第一层厚度之比是至少0.05。
16.权利要求1的方法，其中第二层厚度与第一层厚度之比是至少0.05-0.3。
17.权利要求2的方法，其中将混合物加热到至少1300℃的温度并在该温度下再保持至少30分钟。
18.权利要求1的方法，其中与氧结合的金属包括铬铁矿并且其步骤还包括将部分还原的混合物送入在精炼炉内所含的铁熔池中，将与氧结合的铬还原成铬或铬碳化物并且向铁熔池中吹氧气以去除过量碳之后制成不锈钢。
19.金属氧化物还原方法，其中包括提供设有环形平台和至少一个燃料烧嘴的炉，将含有与氧结合的金属和还原剂的混合物第一层放在平台上表面上，使平台转动经过烧嘴以用氧化焰将第一层加热到至少1000℃温度，加入覆盖第一层的还原剂第二层，继续将物料层再加热30分钟以使与氧结合的金属至少部分还原，部分还原的混合物含有至少1％金属或金属碳化物形式的金属，其中第二层防止金属在炉内再氧化。
20.金属氧化物还原方法，其中包括提供设有环形平台和至少一个燃料烧嘴的炉，将含有还原剂和与氧结合的金属以及铁的混合物第一层放在平台上表面上，使平台转动经过烧嘴以用氧化焰将第一层加热到1200℃温度，加入覆盖第一层的还原剂第二层，将物料层继续加热到至少1300℃以使与氧结合的铬至少部分还原，部分还原的混合物含有至少40％铬或铬碳化物和至少70％铁或铁碳化物，其中第二层防止铬或铁在炉内再氧化，提供设有铁熔池的精炼炉，将部分还原的混合物送入熔池中，精炼该熔池直到与氧结合的铬和与氧结合的铁都还原成铬和铁后形成不锈钢为止。
全文摘要
本发明提出在转底炉(14)中将金属氧化物还原制成制造铁合金，合金钢或不锈钢的精炼炉进料的方法，其中转底炉包括环形内壁(32)，环形外壁(34)，内外壁间的环形平台(33)。壁(32，34)上刚好在平台上表面之上设静止燃料烧嘴(36，40)。金属氧化物和含碳还原剂的混合物放在平台上后使平台转动经过哓嘴。氧化物经氧化焰预热后在热第一层上放还原剂第二层，再将二层加热到至少1300℃而使金属氧化物还原以提供与铁水成为合金的廉价金属单元。
文档编号C21B13/00GK1143681SQ96106850
公开日1997年2月26日 申请日期1996年6月6日 优先权日1995年6月6日
发明者D·M·昆德拉特 申请人:阿姆科公司