专利名称：增碳方法
技术领域：
本发明公开了一种铁合金(诸如钢铁)增碳的方法。本发明方法发现了在大型炼钢厂(通常包括炼钢炼铁炉和氧气顶吹转炉)和小型炼钢厂(通常包括电弧炉(EAF))均使用的盛钢桶或钢包炉中铁合金增碳的特殊应用。尽管本发明方法将主要在盛钢桶(tapping ladles)或钢包炉中进行增碳方面进行描述，但是应当理解，本发明方法不限于这类增碳。
背景技术：
对塑料和轮胎的处理存在越来越多的问题，塑料和轮胎的废物利用仅占原料回收利用的很小一部分，而大部分塑料和轮胎的回收不是通过垃圾填埋就是通过垃圾焚化炉焚烧来处理。在垃圾填埋处理中，材料不易降解，而且也没有任何材料可以滤去有毒元素后， 到达土壤和地下水，而传统的焚烧方法常常生成有害排放如二恶英，并且还会增加温室气体排放。全世界的钢铁工业正面临着通过提高能源和资源利用效率，特别是降低二氧化碳排放，将其对环境影响最小化的压力。将废塑料添加到电弧炉是已知技术，一些例子可以从US5，554，207和 JP2004-052002 中得知。本申请人的WO 2006/024069也公开了在电弧炉中添加废塑料的技术，并进一步公开废塑料能够用作增碳剂，不过仅限于感应炉的环境，也没有说明该方法如何具体实施。对已知技术文件的引用并不代表该文件构成澳大利亚或其他地方的本技术领域普通技术人员的公知常识的一部分。
发明内容
在本发明第一方面中，提供了一种在钢水包或钢包炉中对熔化的铁合金增碳的方法，该方法包括向钢水包或钢包炉中加入含碳聚合物的步骤，其中含碳聚合物适于充当铁合金的增碳剂。在本发明之前，人们没有进行含碳聚合物在铁合金生产过程中如何充当最好的增碳剂的研究(例如，含碳聚合物用来替代传统的增碳剂诸如煤、焦炭和石墨，由此增加生产的铁合金中的碳含量)。可以选择和调整含碳聚合物，使其能够取代或降低昂贵的增碳剂如无烟煤和石墨的使用。在这方面，虽然WO 2006/024069披露了废塑料充当增碳剂的可能应用，但没有教导如何去实施，也没有说明如何在盛钢桶和钢包炉进行铁合金增碳中使用废塑料。本发明使用术语“铁合金”的用意是，使它包括铁碳合金(包括各种钢材)和其他形式的铁碳合金和/或铁基(iron-based)合金的宽广范围，包括铁铬合金，铁铬硅合金，铁锰合金，硅锰铁合金，铁矽合金，镁铁矽合金，铁钼合金，镍铁合金，钛铁合金，铁磷合金，铁钨合金，铁反合金，铁锆合金等。在本发明方法的一种方式中，含碳聚合物在被加入之前，可以被特别调整，以适合钢水包或钢包炉，所以聚合物中的碳能够优先溶于铁合金中，但不会燃烧至重大的或不利的程度。例如，最好地调整聚合物使其充当增碳剂的一种方式包括在添加之前，优化聚合物大小(如形状和/或尺寸)以适应给定的钢水包或钢包炉的步骤。该大小优化被观测到有助于碳分解，并且在聚合物与融化的铁合金接触时，使聚合物燃烧降到最小。在一个实施例中，聚合物大小优选可以包括把诸多聚合物层捆绑在一起以形成块。例如，对于包括废橡胶的聚合物，可以用合适的铁合金线把若干层轮胎胎面/轮胎壁或传送带捆绑在一起形成捆。在盛钢桶内添加含碳聚合物的情况中，可以在熔融铁合金出钢之前，将含碳聚合物添加到钢水包中。在钢包炉添加含碳聚合物的情况中，可以把含碳聚合物与来自于盛钢桶中的熔融铁合金一起加到钢包炉中，或加到该熔融铁合金上。例如，含碳聚合物可以注射到钢包炉中 (即注射到最上层，诸如渣层)。含碳聚合物的一种形式是废塑料或橡胶。就此而言，废塑料可以包括聚乙烯(如高密度聚乙烯)和其他塑料如聚丙烯，聚苯乙烯、聚丁二烯苯乙烯，ABS等，以及难于再生的塑料例如酚醛塑料(Bakelite)等。此外，废橡胶可以来自旧轮胎或皮带。皮带可以是旧的或丢弃的橡胶运输带。废塑料或橡胶添加到钢水包或钢包炉中提供了另一种处理废弃物的有效方法，否则这些废弃物将带来环境保护的挑战。尽管含碳聚合物通常包括C原子、H原子，和任意地的0原子，但是其他元素(如 N、S、P、Si、卤素等)也可以存在于聚合物中。这些元素妨碍了铁合金的生产，和/或产生污物、污染物，有毒有害气体(如氢气)等，因此应谨慎而明智的选择和添加含碳聚合物应。 可以把某些助熔添加剂引入钢水包或钢包炉内，以消除或减轻有害气体和其他有害副产物的形成。在一种方式中，制备的铁合金是钢或合金钢。在本发明方法的一种变形中，除了含碳聚合物外，其他碳源也能够加入到钢水包或钢包炉中，其他碳源是煤、焦炭、活性炭(carbon char)、木炭和/或石墨之一或者多种。在一种方式中，钢水包或钢包炉成为电弧炉炼钢工艺的一部分，钢水包从电弧炉接收熔融的铁合金，以及钢包炉从钢水包接收熔融的铁合金。在本发明第二方面中，提供了含碳聚合物作为钢水包或钢包炉中的铁合金的增碳剂的应用。在本发明第二方面中，所述含碳聚合物可以是第一方面所定义的含碳聚合物。在本发明第三方面中，提供了一种融化铁合金增碳的方法，所述方法包括使合金与可以充当增碳剂的含碳聚合物进行接触，因而聚合物具有当它与熔化铁合金接触时有助于聚合物中的碳溶解到熔化铁合金中的规格(format)。据观察，优化聚合物规格(即聚合物形状和/或尺寸)，可以在聚合物与熔融铁合金接触时，使聚合物中的大量的碳溶解，而不是燃烧或气化。这能够增强聚合物的增碳功能。在本发明方法的第三方面中，聚合物规格包括形成所需尺寸的单元(或个体)，使得相对其面积，暴露的表面积最小。此外，可以把聚合物的尺寸优化到给定钢水包或钢包炉的大小。这使得碳溶解最大化，并且使得聚合物中碳的燃烧或气化达到最小。一个或多个这样的单元(例如，一个或多个重量为10公斤的废旧聚合物捆)可被用作铁合金的增碳剂。在本发明方法的第三方面中，聚合物可以被添加到熔化合金中，或者熔化合金可以被添加到聚合物上，或者聚合物和熔化合金一起添加到钢包或钢包炉中。本发明第三方面的方法其他方面可以按第一方面定义。
其他具体实施方式
可落入发明内容部分定义的增碳铁合金方法的范围之内，下面将参照附图并通过举例说明所述方法的具体实施例。图Ia显示了实施例1实施例所述的原始冶金焦炭(通用增碳剂)的X射线衍射图，图Ib显示了原始高密度聚乙烯(废塑料制品增碳剂)的X射线衍射图；图加显示了实施例1所述的原始高密度聚乙烯和冶金焦炭的X射线衍射图，图2b显示了燃烧后的高密度聚乙烯和冶金焦炭的X射线衍射图；图3显示了实施例1所述的为卧滴法设置的平管电阻炉的原理图；图如显示了实施例2所述的实验性生产的增提取(碳含量％)随时间变化图， 实验性生产涉及100%冶金焦炭，图4b显示了实施例2所述的实验性生产的增提取(碳含量％ )随时间变化图，实验性生产涉及30%高密度聚乙烯与70%冶金焦炭的混合物；图5显示了实施例3所述的沉降炉的示意图；图6显示了实施例3所述的为卧滴法设置的平管电阻炉的第二原理图；图7显示了用于实施例3所述的实验性生产的碳提取随时间变化图，该实验性生产涉及100%冶金焦炭以及30%酚醛塑料与70%冶金焦炭的混合；图8显示了生产铁合金如钢的电弧处理的原理图；图9显示了出钢到钢水包的电弧炉的示意性细节；图10显示了图9的钢水包的示意性细节；图IlA和IlB分别显示了适合于加到盛钢桶一捆中轮胎面的侧视图和俯视图；图12A-12C分别显示了塑料(废橡胶)和标准增碳剂的碳提取(每10公斤样本％)示意图；图12A涉及铁水罐车中的增碳；图12B涉及钢包炉中的增碳；图12C涉及标准数据。具体实施例方式假设含碳聚合物(如废塑料或废橡胶)可以在基本铁合金形成后(例如，在炼铁炉和氧气顶吹转炉中形成钢之后，或者在EAF炉中形成钢之后)的各个阶段作为增碳剂引入铁合金(例如钢)生产(例如，调整合金中的碳含量)。就此而言，假设含碳聚合物在铁水罐车和/或钢包冶金炉中能起到增碳剂作用。在世界各地，目前有两条主要的炼钢工艺路线一是大型综合炼钢厂 (IntegratedMill)路线，从铁矿石和焦炭生产出铁，然后将铁转换成钢；另一条是小型炼钢厂(Mini-Mill)路线，从废钢中生产出钢。这两条路线的主要区别是用来炼钢的炉子类型不同。然而，这两条生产路线的共同之处是将熔融的钢水转送到钢水包中，通过使用钢包冶金炉(Ladle Metallurgy Furnace)来调整钢水包中的钢的温度和成分，和通过使用连铸机(Continuous Casting Machine)铸造钢。大型综合炼钢厂通过在鼓风炉(blast furnace)中装入铁矿石、焦炭、助熔剂和吹入热空风来生产高碳熔化铁。来自于炼铁炉的铁被转送到一个或多个氧气顶吹转炉(BOF) 中，氧用来去除大部分碳，将铁转换成低碳钢。高达25%的BOF装料可以是固体废重钢。然后紧着接进行钢的碳含量调整。小型炼钢厂使用一个或多个电弧炉来熔化固体废钢，该固体废钢包括重废钢、轻废钢和(来自于鼓风炉的)生铁。氧用来从熔化钢中除去碳和其杂质如硅、铝和锰，他们与氧进行化学反应生成二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化锰(MnO)。大量的铁也与注射到炉内的氧进行化学反应生成铁氧化物(FeO或!^e2O3)。将氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO)加入到电弧炉中，以便在钢的上面形成渣层。渣层诱捕燃烧钢产出的各种杂质氧化物和一部分铁氧化物，并且使炉内的耐火材料免于杂质氧化物的化学攻击，以及降低从拱部到炉顶和侧壁的热损失。一旦钢材的化学成分和温度达到要求，电炉就进行出钢处理。这包括将钢从炉内转移到钢水包中，这样钢就能以熔化状态进入LMF内。电弧炉的炼钢流程示意图如图5所示。图6显示了钢水流入钢水包中的细节，图7显示了钢水包的细节，钢调整的第一阶段可以出现在该钢水包中。在出钢阶段，较纯形式的碳(增碳剂)(通常是冶金级碳)被加入到钢上(称之为 “增碳”)，以把它烧成预期规格。冶金级碳被研磨成颗粒，形成炼钢过程中比较昂贵的部分。 各种铁合金还被加入到钢中以提高金属的物理特性。因此，本发明研究的是可供选择的碳替代物，而这些碳替代物迄今为止被认为不适于增碳。
实施例现在提供制备铁合金方法的非限制性实施例。实施例1、2、3提供了实验室得到的实验数据，该实验数据证明含碳聚合物(如废塑料)中的碳能够溶解到熔化金属中，从而起到增碳剂的作用。实施例4提供了含碳聚合物(如废橡胶)在铁水罐车和钢包炉中作为增碳剂的真实现场试验数据。实施例1-3的方法包括在检测碳溶解之前去除挥发物(VM)，而实施例4 (现场实验)的方法则不包括预先去除挥发物。这样，实施例1-3的数据不能直接与实施例4的数据相比较。应该注意的是，所使用的冶金焦炭的类型和品质在实施例1、2、3中是不变化的， 正是这些变化带来了碳溶解到液体钢的不同的结果。因此，实施例1、2、3的试验结果不能进行直接比较。进一步值得注意的是，焦炭特性和废塑料特性可能对试验效果产生影响，因此为了增加碳溶解于熔化于钢水中的效果，可以优化焦炭特性和废塑料特性。实施例1-碳溶解/废塑料增碳试验用来研究将30%的高密度聚乙烯(HDPE)和70%的冶金焦炭混合物中的碳溶解到1550°C的液态钢的情况，以查看在钢水包和钢包炉中使用的适用性。实验提供了代表样本特的数据，包括近似分析、X-射线衍射图以及碳溶解试验的细节和实验。样品特征通过在沉降炉(drop tube furnace)中燃烧，准备用来碳溶解研究的废塑料和冶金焦炭混合物的碳质残渣。人们发现从DTF收集的残渣中含有一定级别挥发性物质。因此，还需要在平管炉中除去这些残渣的挥发成份，如图3所示。分别分析原料样品和从沉降炉和平管炉中收集的碳质残渣，得到其固定碳含量、灰分、挥发性物质(VM)和水份百分比，并采用X-射线衍射法分析其结构。组分分析样品的组分分析数据如表1所示。以冶金焦炭为参考材料，原料样品和经沉降炉和平管炉燃烧后的样品的固定碳含量几乎恒定在64.5%。因此可以理解，在实验条件下，沉降炉和平管炉中的冶金焦炭的燃烧并不改变其固定碳含量。当冶金焦炭与塑料混合时，在经过管式沉降炉和平管炉中燃烧后，其固定碳含量增加，而挥发性物质却显著降低。表1高密度聚乙烯、冶金焦碳样品的组分分析
权利要求
1.一种使在钢水包或钢包炉中对熔化铁合金增碳的方法，包括将含碳聚合物添加到钢水包或钢包炉中的步骤，其中，所述聚合物适合于充当铁合金的增碳剂。
2.如权利要求1所述的方法，其中，修改所述含碳聚合物规格，使其有助于聚合物中的碳溶解到熔化铁合金中。
3.如权利要求2所述的方法，其中，能够充当增碳剂的聚合物的规格修改包括优化待加入到钢水包或钢包炉内的聚合物的形状和构型，然后再装料。
4.如上述任一项权利要求所述的方法，其中，所述含碳聚合物包括被捆在一起以形成块状的聚合物层。
5.如上述任一项权利要求所述的方法，其中，对于钢水包，在熔化铁合金出钢之前，将含碳聚合物加入到钢水包中；对于钢包炉，含碳聚合物和来自钢水包的熔化铁合金一同加入到钢包炉中或者加入到来自钢水包的熔化铁合金上。
6.如上述任一项权利要求所述的方法，其中，所述含碳聚合物是废塑料或废橡胶。
7.如上述任一项权利要求所述的方法，其中，所述的橡胶取自旧轮胎或旧皮带。
8.如上述任一项权利要求所述的方法，其中，生产的铁合金是钢或钢合金。
9.如上述任一项权利要求所述的方法，其中，除了所述含碳聚合物之外，其他碳源还被加入钢水包或钢包炉内中，所述其他碳源是煤、焦炭、活性炭、木炭、或石墨中的一种或多种。
10.如上述任一项权利要求所述的方法，其中，所述钢水包或钢包炉构成电弧炼钢处理的部分。
11.一种含碳聚合物的用途，其中，所述含碳聚合物在钢水包或钢包炉中作为铁合金的增碳剂。
12.如权利要求11所述的用途，其中，所述含碳聚合物是权利要求2、4、6或7任一项所定义的聚合物。
13.一种使熔融铁合金增碳的方法，包括使合金与作为增碳剂的含碳聚合物接触，其中，所述聚合物具有当其接触熔化铁合金时有助于该聚合物中的碳溶解于熔化铁合金中的规格。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述聚合物规格包括切割成所需尺寸的单元，以便聚合物暴露的表面积相对于其质量最小。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述聚合物的尺寸被优选为给定钢包或钢包炉的大小。
全文摘要
使钢水包或钢包炉中熔化铁合金增碳的方法包括把含碳聚合物添加到钢水包或钢包炉中的步骤。该聚合物适于充当铁合金的增碳剂。就此而言，聚合物具有当其接触熔化铁合金时有助于碳从聚合物中溶解到熔化铁合金中的规格。
文档编号C21C5/52GK102216473SQ200980139402
公开日2011年10月12日 申请日期2009年8月7日 优先权日2008年8月7日
发明者保罗·奥凯恩, 威那·萨哈瓦拉 申请人:纽索思创新有限公司