制造熔化的金属铁的方法

专利名称：制造熔化的金属铁的方法
技术领域：
本发明是关于一种通过使用一个旋转平底炉从含有氧化铁的材料中制造熔化的金属铁的方法。
近些年来，被广泛采用的一个比较廉价的制备熔化金属铁的方法是采用一个比较简单的设备一旋转平底炉，以取代高炉，或者作为高炉的一个补充，同时采用了廉价的含碳的物质例如煤作为还原剂，这降低了运行成本。
制造熔化金属铁，例如通过一种还原方法在一个旋转平底炉里加热粉状的铁材料和固体粉状还原剂的混合物，从而产生还原铁。把混合物放入熔体还原炉中继续加热使其熔化，使用碳材料和氧气使其还原，之后除去矿渣。然而，这种方法涉及到一个问题，在使用旋转平底炉和熔体还原炉这两个步骤中，增大了运行成本，另外，从旋转平底炉中排出被还原的铁时，为了便于操作需要将它冷却，从而在熔体还原炉中需要消耗额外的能量。
此后，有一种生产固体金属铁的方法。在这方法中，在一个旋转平底炉中加热混合物使之还原成还原铁，依次用含碳还原剂中的碳成分来渗碳炉中的还原铁使其熔化，将它们分离成金属铁和矿渣，然后在炉底上将铁冷却和固化，此后回收铁。依据这个方法，运行成本可以降低，因为此操作可以一步完成。但是此方法仍旧留下一个高纯化成本的问题，因为在纯化时需要在一个转化炉或者电炉中将固体金属铁重新熔化而消耗额外的能量。
本发明提供了一个制备熔化金属铁的方法。它可以在没有冷却和固化发生的情况下，从一个旋转平底炉中排放和回收与旋转平底炉中的矿渣分离开的熔化状态的熔化金属铁。
根据此发明提供了一个制备熔化金属铁的方法，它通过把至少包括一个碳质还原剂和一个含氧化铁材料的原料装入旋转平底炉，在加热下将装入的原料还原成一个固体还原铁，用碳质还原剂中的碳成分来渗碳固体还原铁中的金属铁，从而将金属铁熔化，通过熔化将原料中所含的矿渣分离开，将熔化状态的熔化金属铁排出旋转平底炉去回收。在这里旋转平底炉的炉底上表面上安有一个下倾斜的表面，倾斜角度相对于水平平面为3-30°，原料是被放在炉底的上表面上，熔化金属铁在排放位置上被排出。
在上面所述的制备熔化金属铁的方法中，安排了多个为熔化金属铁从炉底的上表面流通到炉底的下表面而用的排放口。在每一个排放口装备了一个可以开和关的阀门，在炉底的上表面安置了一个朝向排放口下倾斜的表面。当排放口与旋转的炉底一起达到排放位置时，通过打开阀门把熔化金属铁从排放口排出。
在上面所述的制造熔化金属铁的方法中，炉底可以在炉膛侧面宽度的内圆周上有一个向下的底，或者可以在外圆周上一个向下的底。一个至少在一处具有凹槽的固定的坝被安置在沿炉底侧向较低一边的外围上。熔化金属铁通过凹槽被排放。炉底按圆周方向被隔离物分隔成多个部分。此隔离物可以通过下面几种方式构成用耐火材料制成；在炉底开槽构成；或者用粉状碳质材料在炉底堆成。
根据本发明的制备熔化金属铁的方法中，炉底按圆周方向被分隔成多个部分，当每个分隔部分与旋转的炉底一起达到熔化金属铁排放位置时，倾斜那个炉底部分来排放熔化金属铁。
如上所述，在制备熔化金属铁的方法中，在排出熔化金属铁以后和装入原料以前，残留在炉底上的矿渣可以通过旋转被排出炉底外。在排出熔化金属以后和装入原料以前，炉底的表面可以进行平滑处理。在排出矿渣以后和装入原料以前，一个炉底保护材料被装入炉底上。在平滑处理后和装入原料以前，炉底保护材料被装入炉底上。也可以将预先混合好的炉底保护材料与粉状碳质还原剂的混合物加入到炉底以取代炉底保护材料。
根据这个发明，由于熔化金属铁可以从旋转平底炉中连续地在熔化状态下被回收，而没有经过冷却和固化，由此得到的熔化金属铁的质量波动很小，此方法只用了一个廉价的长期低运转成本的旋转膛式炉而不需要额外的能量，这样显著的降低了熔化金属铁的制造成本。
再者，由于留在炉底的矿渣可以被除去，使炉底的上表面平滑，热可以均匀的传导到原料中，使熔化金属铁产品的质量的波动降低。
再者，通过铺垫炉底保护材料，炉底上表面的剥落或粗糙化可以被避免，这样延长了炉底的寿命。
此外，通过炉底保护材料和粉状碳质还原剂混合物作为炉底铺垫材料减少了费用。
附图简要说明

图1A是一个平面图。它表明炉底的结构具有多个排放口，它们处于炉底横切面的环状中线的附近，它是用来实现本发明的方法。
图1B是一个沿着图1A中A-A’线的切面图。
图1C是一个沿着图1A中B-B’线的切面图。
图2A是一个平面图。它表明炉底的结构，炉底是向炉底的内圆周下倾，它是用来实现本发明的方法。
图2B是一个沿着图2A中A-A’线的切面图。
图3A是一个平面图。它表明炉底的结构，炉底是向炉底的外圆周下倾，它是用来实现本发明的方法。
图3B是一个沿着图3A中A-A’线的切面图。
图4A是一个平面图。它表明炉底的结构，炉底按圆周方向被分隔物分隔，它是用来实现本发明的方法。
图4B是一个沿着图4A中A-A’线的切面图。
图5A是一个平面图。它表明炉底的结构，炉底被分隔物分隔，此分隔物是通过在炉底作槽而形成的，它是用来实现本发明的方法。
图5B是图5A的切面图。
图6是一个平面图。它表明炉底的结构，炉底被分隔物分隔，此分隔物是粉状碳质还原剂堆成的，它是用来实现本发明的方法。
图7A是一个平面图。它表明炉底的结构，按圆周方向被分隔的炉底的一个分隔部分被倾斜，它是用来实现本发明的方法。
图7B是一个沿着图7A中A-A’线的切面图。
图8是一个图用来表明向炉底装填原料的情况，它是用来实现本发明的方法。
图9A是一个平面图。它说明了把残留在炉底上表面的矿渣向炉底的内圆周边排放的方法，它是用来实现本发明的方法。
图9B是一个沿着图9A中A-A’线的切面图。
图10A是一个平面图。它说明了把残留在炉底上表面的矿渣向炉底的外圆周边排放的方法，它是用来实现本发明的方法。
图10B是一个沿着图10A中A-A’线的切面图。
图11是一个图用来表明了排放和装入粉状的碳质还原剂用来作为炉底的铺垫或者分隔物的方法，它是用来实现本发明的方法。
图12是一个图来表明了平滑处理炉底的上表面和在炉底上铺垫炉底保护材料(或者粉状碳质还原剂与炉底保护材料的混合物)的方法，它是用来实现本发明的方法。
优选实施例描述本发明参照优选实施例作以下详细解释。
装入旋转平底炉的原料包括碳质还原剂(例如煤，焦炭和石油焦炭)，含氧化铁材料(例如铁矿石，高炉灰，炼钢灰，电炉灰和轧屑)。调节碳质还原剂对含氧化铁材料之间的混合比，使得前者略多。这是考虑到一定量的碳去还原原料中的氧化铁，使其变为金属铁，另一部分碳去渗碳金属铁。这些原料需要先粉碎成粉状并混合，然后将此混合物以粉状或者模压成粒状或块状装入到旋转平底炉中。在模压时如果需要的话可以添加一个粘合剂(例如膨润土，淀粉，石灰石或者有机粘合剂)。另外，为了帮助把金属铁从含氧化铁材料中的长石中形成的矿渣或从碳质还原剂中形成的矿灰中分离出来，需要添加助熔剂(例如方解石，白云石，蛇纹石)来控制矿渣的熔点。当模压过程中添加过水时，被模压过的材料可以在大约200℃或者更低一点的环境中被干燥，在这个温度下碳质还原剂不会被点燃，此后把它装到旋转平底炉中去。
在图1所示的炉底结构中，一个炉底的旋转轴是保持垂直的，每一个用来排放熔化金属铁的排放口5是被安置在炉底1横向宽度中线上的一个预定的距离，一个相对于炉底的横向水平线下倾的表面6是被朝向出口5而安置。一个可以开和关的滑动阀7是被安置在每个出口5的下表面，这样就可以开和关这个排放口。为了促进熔化了的金属铁13的排放，在装入原料前和关闭排放口5下表面的滑动阀7之后，可以向出口5中加入沙，焦炭粉或者矿渣。此后，通过一个原料进料装置3将原料11装入。为了保持原料11附近的气体的气氛到一个较高的还原气氛，这样被还原了的原料11就不会在炉中再被氧化，同时为了防止熔化的金属铁和矿渣在炉底上沉积，可以将粉状碳氧化剂12铺垫在炉底1上(此后称为炉底铺垫)。在这个铺垫上放置原料11。在使用大尺寸的颗粒或者块状的原料11的情况时，最好铺垫一到两层炉底铺垫用来有效的从炉底1上把辐射热转移到原料11上。如果颗粒和块较小时，可以铺三层或者更多。
在炉中原料11随着炉底1的旋转被移向排放位置4期间，原料被炉底1上安置的多个燃烧器加热，从原料中的碳质还原剂所产生的可燃挥发性组份和含氧化铁材料中的氧化铁还原所形成的CO气体(例如反应)被炉内次级的空气所燃烧，把炉内大气的温度升高到大约1350-1540℃，更好是1430-1500℃，上面所说的辐射加热了放置在炉底1上的原料11。
燃烧器的燃料可以是气体燃料，例如天然气，焦炭炉气，丙烷气或者丁烷气；也可以是液态燃料，例如重油；或者也可以是固体燃料，例如煤。
放置在炉底1上的原料11在炉底移动期间被来自炉底1上的辐射热迅速加热到大约1300-1400℃，这时含氧化铁材料中的氧化铁被碳质还原剂中的碳还原成金属而形成固体还原铁。
由于原料中的碳质还原剂在混合时过量，固体还原铁中仍然残留有碳，在固体还原铁中的金属铁被碳渗碳到较低的熔点，而还原铁被进一步加热到1400-1500℃，超过了它的熔点，使金属铁熔化。矿渣成份也大量被熔化。
熔化的金属铁和矿渣顺着下倾表面6被收集到排放口5。下倾表面6相对于水平平面优选倾斜角度为3-30°。如果倾斜角小于3°，金属铁和矿渣不能被排除。如果倾斜角大于30°，原料11在加料时移动到下端，这样使铺垫厚度不均，并使加热也不均，引起金属化的推迟和降低生产率。特别当使用颗粒状原料时，由于颗粒有滚动的趋势，所以要注意倾斜角不能过大。用块状或者粉状的原料比较好，因为倾斜角可以更大。因此，在考虑了原料的形状，熔化金属铁的粘度和炉底的平滑度后，角度可以适当地选在3-30°范围内。当炉底刚刚转动到排放位置4时，打开滑动阀7把熔化金属铁13(和矿渣)从排放口5下端排出。被排出的熔化金属铁13(和矿渣)可直接被回收到安置在排放位置4的排放口5下面的盘中。或者也可以通过槽引入安放在旋转平底炉附近的盘中。如果为了促进熔化金属铁(和矿渣)的排放在滑动阀7中放入沙和焦炭粉的话，由于它们的量比熔化金属铁13的量小，因此不会对温度的下降造成任何问题，也不会对熔化金属铁13的组份的涨落造成问题。这样回收的熔化金属铁13可以任选地与矿渣分离，此后可以运输到下一步中进行纯化，例如在一个转化炉或者电炉中。
如图2所示的炉底的结构中，炉底的旋转轴可以是如图所示的那样垂直的，炉底的表面可以向炉底1的内圆周下倾。可以沿着整个炉底1的内圆周安置一个用耐火材料制成的固定的坝10，其高度足可以挡住熔化金属铁的溢出，而且它在排放位置4部分设有凹槽。这样可以从排放位置4连续排放熔化的金属铁13，而不需要任何机械力。这样由于机械障碍而引起的操作故障就可以避免。
如图3所示，炉底的旋转轴是垂直的，炉底的表面可以向炉底1的外圆周下倾，这和图2的情况刚好相反，可以沿着整个炉底1的外圆周安置一个固定的坝10。虽然这使固定坝10的长度比图2的坝要长些，但是由于熔化的金属铁13可以从炉体的靠外部分排出，所以在排放时的故障监控或维修比较容易。
如图4所示，炉底1可以用分隔物8沿圆周方向分成多个分区，它也是用耐火材料制成的。炉底的表面可以垂直于炉底的旋转轴，炉底的旋转轴也可以不是完全垂直的，它可以倾斜并使整个炉底向排放位置下倾，排放位置4是在最低末端。这样就可以避免那些还没有完全被熔化和分离的还原铁被排出，而只有那些完全被熔化和完全与矿渣分开的金属铁可以被排出。为了促进熔化金属铁13的排放，在炉底的每一个分区上可以安置一个用耐火材料制成的坝，在坝外圆周上有一个用来排放熔化金属铁的13槽。
进一步像图4中所示，炉底的转轴倾斜时，炉底1可以向下挖掘成一个坝，如图5所示它具有一个分隔物8和一个槽，此坝是被用来排放熔化的金属铁以取代分隔物，同时由耐火材料制成的坝可以有同样的效果如图4所示。
另外，像图4和图5中所示那样，在倾斜炉底的转轴时，可以在炉底1上每隔一定距离堆放粉状碳质还原剂12而形成多个分隔物，如图6所示。这样粉状碳质还原剂12形成分隔物除了具有图4和图5所说的效应外，还可以起到使原料附近的气体环境变成一个还原的气氛的作用。它还具有使炉底的结构简化的好处。
再者如图7所示，炉底的旋转轴可以保持垂直，同时基本上水平的炉底1可以沿圆周分成多个部分，被分隔的炉底部分2的内圆周部分可以被升高到排放位置4，用来排放从炉底1的外圆周来的而淤塞在炉底部分2中的熔化金属铁13。由于炉底部分2的倾斜角可以很容易的通过升高高度来改变，所以不管原料的形状如何，熔化金属铁的粘度如何，炉底的平滑度如何，熔化金属铁13都可以被排放。炉底部分2的上表面不在排放位置4的位置上时，它最好基本上保持水平(例如相对于水平平面倾斜5°或者更少)，这样在排放原料时不会局部化。这样也就有可能应用容易滚动的粒状原料作为原料。通过降低炉底部分2的外圆周而不是升高内圆周可以得到同样的效果。换言之可以通过升高炉底的外圆周或者降低炉底的内圆周来从炉底的内圆周排放熔化金属铁。另外，也可以降低炉底部分2的一个被分隔部分来排放在炉底下面的熔化金属铁。
无论炉底的旋转轴保持垂直或倾斜，无论炉底上表面与旋转轴之间的角度是否合适，只需要在炉底的上表面形成上述的炉底倾斜面，而不受上述实例的限制。
当矿渣的熔点高时，矿渣有时会遗留在炉底上。在这种情况下，最好像图9和图10所示的那样在熔化金属铁排放位置4和炉底的旋转方向上的原料进料装置3之间安装一个矿渣排放装置14，例如一个螺旋推进器。这样可以把在熔化金属铁13被排放后仍旧遗留在炉底上的的矿渣排放出旋转平底炉。如图10所示，在排放固定的坝10边上的矿渣时，可以在熔化金属铁排放位置4的不同位置形成一个用来排放矿渣的凹槽，通过这个凹槽就可以排放矿渣。
在应用粉状碳质还原剂12作为炉底的铺垫或者分隔物时，粉状碳质还原剂12可以和遗留的矿渣通过矿渣排放装置14在熔化金属铁被排放之后一起被排放，如图11所示。在排放后和原料装入前，需要通过粉状碳质还原剂进料装置15向炉底提供新的粉状碳质还原剂12，用来形成炉底的铺垫或分隔物。这样排出的粉状碳质还原剂可以任选地粉碎和过筛来排除矿渣，之后可用作炉底的铺垫和分隔物。
在炉底安置耐火分隔物或者通过在炉底开槽而形成炉底分隔物(参阅图4和图5)时，可以用一个旋转的刷子(图中并无显示)或者气体喷吹从炉底表面除去矿渣或粉状碳质还原剂。
由于担心炉底的上表面因与熔化金属铁或矿渣接触而造成它缺损和粗糙，如图12所示最好也把矿渣排放装置14的螺旋推进器在熔化金属铁13被排放后当作炉底表面平滑装置14来使用。或者安置另一个螺旋推进器专门用来充当炉底表面平滑装置14，通过刮擦使炉底的上表面平整。在平滑处理后，经粉碎的排出的矿渣，耐高温和耐腐蚀的氧化物粉(例如铝，镁)可以单独铺垫，或者适当混合后通过使用粉状碳质还原剂进料装置15把它铺垫在炉底上。此外，炉底的保护材料也可以与炉底的铺垫粉状碳质还原剂材料混合后铺垫。在铺垫后，它们可以任选地用一个水平器16来校平。
铺垫的厚度最好能使熔化金属铁和矿渣与炉底的上表面不直接接触。
此外，炉底的保护材料或者碳质还原剂与炉底的保护材料的混合物也可以如上所述的那样用作分隔物。
权利要求
1．制造熔化金属铁的方法，其特征在于包括以下步骤把至少含有碳质还原剂和含氧化铁材料的原料装入旋转平底炉中，在加热情况下将装入的原料还原成固体还原铁，用碳质还原剂中的碳成分来渗碳固体还原铁中的金属铁，因而将金属铁熔化。通过熔化将原料中所含的矿渣分离开，以及通过在旋转平底炉放置原料的炉底上表面上安装一个相对于水平平面倾斜角度为3-30°的下倾表面，将达到排放位置的熔化状态的熔化金属铁排出旋转平底炉去回收。
2．如权利要求1所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在炉底上安置多个用来使熔化金属铁能从炉底的里面通过到炉底的外面的排放口，在每一个排放口安置了一个可以开和关的阀门，在炉底的内表面安置了朝着每一个排放口下倾的一个表面，通过炉底旋转使排放口达到排放位置时，通过打开阀门把熔化金属铁从排放口排出。
3．如权利要求1所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于炉底上有一个朝向炉底的侧面宽度的内圆周或者外圆周方向向下倾的表面。
4．如权利要求1所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在炉底侧面宽度的方向沿着炉底较低面的外围安置了一个固定的坝，在它的至少一部分内具有一个凹槽。熔化金属铁通过凹槽被排放。
5．如权利要求1所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于炉底按圆周方向被分隔物分隔成多个部分。
6．如权利要求5所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于分隔物是用耐火材料制成的，或者通过在炉底上堆积粉状碳质材料而形成的。
7．如权利要求5所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于分隔物是通过在炉底开槽而构成的。
8．如权利要求1所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在熔化金属铁排出以后和装入原料以前，遗留在炉底上的矿渣被排出旋转平底炉。
9．如权利要求1所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在排出熔化金属以后和装入原料以前，炉底的表面进行了平滑处理。
10．如权利要求1所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在排出熔化金属铁以后和装入原料以前，一个炉底保护材料被装到炉底上。
11．如权利要求9所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在装入原料以前和平滑处理以后，一个炉底保护材料被装到炉底上。
12．如权利要求10所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于可以装入一个预先混合好的炉底保护材料与粉状碳质还原剂的混合物来取代炉底保护材料。
13．制造熔化金属铁的方法，其特征在于包括以下步骤把至少含有碳质还原剂和含氧化铁材料的原料装入旋转平底炉中，在加热情况下将装入的原料还原成固体还原铁，用碳质还原剂中的碳成分来渗碳固体还原铁中的金属铁，以此将金属铁熔化，通过熔化将原料中所含的矿渣分离开，以及当每个分隔部分由于炉底旋转到达熔化金属铁排放位置时，熔化金属铁以熔化的状态被排放到旋转平底炉的外面被回收，旋转平底炉的炉底是由多个按圆周方向被分隔成的部分所组成的。
14．如权利要求13所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在制造熔化金属铁的方法的权利要求13中，在熔化金属铁排出以后和装入原料以前，残留在炉底上的矿渣被排出旋转平底炉。
15．如权利要求13所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在排出熔化金属以后和装入原料以前，炉底的表面进行了平滑处理。
16．如权利要求13所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在排出熔化金属铁以后和装入原料以前，一个炉底保护材料被装入炉底上。
17．如权利要求15所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于在装入原料以前和平滑处理以后，一个炉底保护材料被装入炉底上。
18．如权利要求16所述的制造熔化金属铁的方法，其特征在于可以装入一个预先混合好的炉底保护材料与粉状碳质还原剂的混合物来取代炉底保护材料。
19．一种制造熔化金属铁的方法，其特征在于通过模压一个至少包括一个碳质还原剂和一个含氧化铁材料的原料，把模压好的原料装入旋转平底炉中，在加热下将装入的原料还原成一个固体还原铁，用碳质还原剂中的碳成份来渗碳固体还原铁中的金属铁，从而使金属铁熔化，通过熔化将原料中所含的矿渣分离开，将熔化状态的熔化金属铁排出旋转平底炉去回收，在这里旋转平底炉的炉底上表面上安有一个下倾斜的表面，倾斜角度相对于水平平面为3-30°，原料是被放在炉底的上表面上，熔化金属铁在熔化金属铁的排放位置上从倾斜表面的最低部分被排出。
20．一种制造熔化金属铁的方法，其特征是通过模压一个至少包括一个碳质还原剂和一个含氧化铁材料的原料，把模压好的原料装入旋转平底炉中，在加热下将装入的原料还原成一个固体还原铁，用碳质还原剂中的碳成份来渗碳固体还原铁中的金属铁，从而使金属铁熔化，通过熔化将原料中所含的矿渣分离开，将熔化状态的熔化金属铁排出旋转平底炉去回收，在这里旋转平底炉的炉底包含了多个按圆周方向被分隔的炉底部分，当每个分隔部分与炉底旋转一起到达熔化金属合金排放位置时，通过倾斜这个炉底部分来排放熔化的金属合金。
全文摘要
一种制造熔化金属铁的方法是通过把至少包括碳质还原剂和含氧化铁材料的原料装入旋转平底炉，在加热下将装入的原料还原成固体还原铁，用碳质还原剂中的碳成份来渗碳固体还原铁中的金属铁，将金属铁熔化。熔化将原料中所含的矿渣分离开。将熔化金属铁排出旋转平底炉去回收。在旋转平底炉的炉底上表面上安有一个下倾斜的表面，倾斜角度相对于水平平面为3－30°，原料放在炉底的上表面上，熔化金属铁在排放位置上从倾斜表面的最低部分被排出。
文档编号F27D25/00GK1317579SQ01110228
公开日2001年10月17日 申请日期2001年4月2日 优先权日2000年3月31日
发明者谷垣恭广, 津下修, 小林勋, 本多启介, 德田耕司, 菊池晶一, 伊东修三 申请人:米德雷克斯国际公司苏黎世分公司