专利名称：金属氧化物团矿的直接还原的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及由金属氧化物生产金属和金属合金。
这里术语“金属氧化物”包括(但不限于)矿石尤其是还原矿中的金属氧化物。
本发明特别涉及由矿石或部分还原矿中的氧化铁生产金属铁。
本发明的目的是提供生产金属和金属合金的方法和设备，替代传统的方法和设备。
本发明提供了由金属氧化物生产金属和金属合金的方法，该方法包括(a)将高温气体通入由金属氧化物和固体含碳物质构成的混合团矿床(abed of composite agglomerate)中，从而将团矿中的金属氧化物还原成金属，并使其熔化；(b)从团矿中收集熔融金属。
本发明是以由金属氧化物(如氧化铁)与含碳物质(如煤)，以及特定的熔剂和粘结剂组成的混合团矿为基础来实现的，该混合团矿要具有适宜的结构特性(如粘度和强度)和成分(i)使团矿形成团矿床；(ii)有效的介质使团矿中金属氧化物还原成金属，并在高温气体中使金属熔化。
不象周知的还原氧化铁的团矿基方法，例如米德兰钢铁公司(Midrex SteelCorporation)的FASTMET法，它是将球团矿中的氧化铁还原成金属铁，并且要在一定条件下操作，以避免形成铁水，而本发明的方法在一定条件下进行仔细操作，可由团矿生产熔融金属。
这里术语“高温”是指由金属氧化物还原生成的金属的熔点以上的温度。
可理解为，在任何给定的条件下，高温下限将取决于要处理的特定金属氧化物。例如，对于氧化铁，高温下限为1250/1300℃。
气体最好具有一定的还原势。
气体可具有任何适宜的成分。
气体最好含有部分CO和H2。
气体尤其最好是在带有熔池的熔炼炉中产生的废气。
在此方面，本发明是一个利用带有熔池的熔炼炉释放的显热并过滤该熔炼炉中产生的废气中的粉尘/熔融物质的有效装置来实现的。
此方法最好包括将来自矿床的部分气体传给熔炼炉。
在一实施例中，最好包括将还原气体和含氧气体喷入到熔炼炉中熔池表面以上的气体空间中，以使还原气体部分燃烧，产生热量，并使熔池处于熔融状态。
在另一实施例中，最好包括将金属氧化物和固体含碳物质喷入到熔炼炉的熔池中，以使金属氧化物还原成金属，并使其熔化。
在该实施例中，尤其最好包括将含氧气体喷入到熔炼炉中熔池表面以上的气体空间中，以使气体空间中的可燃物质部分燃烧。
该方法最好产生熔融金属或炉渣的喷溅物或液滴，从熔池向上喷入气体空间，以形成过渡区，这样，气体空间中的还原气体燃烧产生的热量就会传给熔融金属或炉渣的喷溅物或液滴，当熔融金属或炉渣的喷溅物或液滴落入熔池时又传给熔池。
过渡区尤其最好是由以下方法形成，即将载气和金属氧化物或含碳物质喷入熔池，并穿入熔池，使熔融金属或炉渣的喷溅物或液滴向上喷出。
含氧气体最好是空气。
空气尤其最好是已加热的。
矿床最好设置在一构架上，该构架用来(i)支撑矿床；(ii)使气体通过构架与团矿接触；(iii)使熔融金属从矿床排出以便于收集。
该构架最好包括水冷格栅，以支撑矿床。
该构架最好还包括一层在格栅上的支撑介质。
该支撑介质可以是任何适宜的材料，如陶瓷或耐火材料。
团矿可以是任何适宜的形状。
团矿最好是由球团矿或块矿构成。
团矿尤其最好是直径为10-25mm的球团矿。
团矿最好是由细碎的金属氧化物和含碳物质制成。
团矿可以以任何适宜的方式形成。
金属氧化物可以是任何适宜的金属氧化物。
金属氧化物最好是氧化铁。
含碳物质可以是任何适宜的固体含碳物质(如煤或焦炭)。
含碳物质最好是烟煤。
团矿最好还包括熔剂，以便与金属氧化物和含碳物质中的杂质结合，形成熔渣浮在熔融金属上，防止金属氧化。
熔剂可以是任何适宜的材料(如石灰/石灰石)。
可按需要选择所构成团矿的相应比例。
例如，金属氧化物、含碳物质和熔剂的重量百分比最好分别为55％，35％和10％。
团矿最好还包括粘结剂。
粘结剂可以是任何适宜的材料(如膨润土)。
该方法最好包括连续或定期地将混合料加入到矿床中，以补充本方法中消耗的混合料。
在本方法中，在混合料加到矿床之前最好进行预热。
本方法最好控制加到矿床的团矿加入量，以维持预定的矿床深度。
在任何给定的情况下，所需的矿床深度将取决于一些相关因素，包括(但不限于此)团矿的结构特性和气体特性(如温度)。
本发明提供了由金属氧化物生产金属和金属合金的设备，该设备包括(a)冶金炉，该炉具有(i)适合于维持熔融金属熔池的下部；(ii)将气体引入炉内的入口；(iii)将气体排出炉外的出口；(iv)位于入口以上支撑炉内团矿矿床的构架，其可使流向出口的气体经过团矿矿床，通过使混合料中金属氧化物的金属还原生产熔融金属，并从矿床排到熔池中。
(b)向炉子供气的装置；(c)向矿床供团矿的装置。
气体最好具有一定的还原势。
炉子最好还包括排放熔融金属的出口。
此构架最好包括水冷格栅，以支撑团矿矿床。
该构架最好还包括一层在格栅上的支撑介质。
本发明将参照附图以示例的方式进一步描述，其中
图1是本发明一实施例的示意图；图2是图1所示的实施例改进的示意图；图3是本发明另一实施例的示意图。
参照图1，在本发明一实施例中，由铁矿石、烟煤、石灰石/石灰和膨润土组成的团矿3供给冶金炉11，以形成填充床5，它由位于炉子11内铁水和炉渣的熔池9以上的水冷格栅7支撑。
为使团矿掉入格栅7内的可能性最小，在格栅上可铺上一层比团矿3大的陶瓷材料、焦炭或其他适宜材料。
适当的还原气体(如天然气)和热空气喷入到熔池9和格栅7之间的炉子11内的空间13中。热空气使还原气体部分燃烧产生的热量，可维护熔池9中的金属和渣处于熔融状态。
1600℃的废气(off-gas)从气体空间13向上流过格栅7和团矿3的矿床5，最后从炉子11上部的废气出口15流出。废气经过团矿3的矿床5后被冷却到800℃。一部分废气可再返回到熔池和格栅7之间的气体空间13中。
废气是还原气体、热空气以及还原气体在空间13内部分燃烧生成的反应产物的混合气体。
废气与团矿接触，结果(i)煤反应提供燃料和还原剂的源；(ii)用废气和已反应的煤将氧化铁还原成金属铁，然后金属铁熔化成铁滴；(iii)石灰石/石灰与氧化铁中的杂质反应形成熔渣，浮在铁滴上，因而可防止铁氧化。
铁水/炉渣滴从填充床5向下滴入熔池9/炉子11。
定期地出铁、出渣。
团矿中的氧化铁还原生成CO，其与废气流混合，从废气出口15排出。结果，从炉子11排出的废气流至少还有一定的还原能力，因此，至少使一部分废气返回到气体空间13是有益的。
定期或连续地将添加的团矿3供给矿床5以补充矿床5中还原反应时消耗的团矿3。添加速度最好要进行控制，以维持矿床深度大至恒定。
团矿3可由任何适宜的方式构成，而且具有任何适合的形状和尺寸。最好团矿3是球团矿和块矿。
例如，对于球团矿，球团矿直径最好为10-25mm，氧化铁、煤和石灰石/石灰的重量百分比分别为55％，35％和10％。
上述实施例的一个优点是团矿3是一有效介质，以便在高温下与具有还原能力的气体接触使氧化铁还原成金属铁，并使金属铁熔化成铁水。
该实施例的另一优点是团矿3可由传统的设备制成，因而不需要大量的基建投资，并且团矿贮存和处理时不会有大量的团矿破损。
该实施例的又一优点是适于大规模生产。
参照图2，为提高图1所示的实施例的能量效率，矿床5的团矿3首先加到炉子11的上部的支撑装置17，通过来自矿床5的废气干燥和碳化。支撑装置17可以是任何适宜的结构，以将处理过的团矿分批或连续地加到矿床5上。
参照图3，基于图1所示的实施例的本发明的另一实施例，铁水可通过以下步骤生产。
(i)将位于熔池9正上方的团矿的填充床5中的铁矿石、烟煤、石灰石/石灰和膨润土和团矿3还原、熔化；(ii)熔池9作为介质，以使喷入熔池9的铁矿石还原/熔化。
更确切地说，铁矿石，部分还原铁矿(包括高还原铁矿石)、碎焦(char)和夹带在适当的载气(如氮气)中的熔剂通过位于炉子11侧面(或顶部)的喷枪19喷入炉子11中。
此外，热空气通过喷枪21喷入炉子11中。
铁矿石在熔池9中还原，转化成铁水。
安装的喷枪19可将固体炉料喷入炉子11中，以渗入熔池9，然后，使铁水或炉渣的喷溅物、液流和液滴向上溅入熔池9表面以上的空间中，以形成过渡区23。
将热风吹入炉子11的过渡区23，以使来自熔池的部分气体(如CO和H2)二次燃烧(post combustion)，二次燃烧产生的热量直接传给过渡区23，并使热量传给铁水或炉渣的喷溅物、液流和液滴，因此，当喷溅物、液流和液滴返回熔池后，就会将热量传给熔池9。
熔池内的这些反应产生的废气和没发生反应的气体向上通过支撑在炉子11上部的水冷格栅7上的团矿3填充床5，结果(i)团矿3中的煤反应提供燃料和还原剂；(ii)用废气和已反应的煤将团矿3中的氧化铁还原成金属铁，然后金属铁熔化成铁滴；(iii)团矿3中的石灰石/石灰与氧化铁中的杂质反应形成熔渣，浮在铁滴上，因而可防止铁氧化。
通过漏斗向填充床5供团矿3，旋转布料器25可分配来自漏斗27的团矿3。
团矿3的填充床5是利用铁基反应产生的废气中显热的有效装置。
另一个优点是填充床5可对废气带入的固体和熔融物质进行有效的过滤。
向上流过填充床5的废气通过导管41流出炉子11，并供给湿法除尘系统的上端，该系统可冷却废气，并去除废气带入的固体料。
冷却、净化的废气从湿法除尘系统的出口45排出。
在不违背本发明精神和范围的情况下，可对上述本发明的方法和设备的最佳实施例进行许多改进。
例如，在图3所示的最佳实施例中，过渡区23是通过位于熔池9以上的喷枪19将固体料喷入熔池9而形成的，可以设想到本发明不限于这种布置，可扩展到以其他形式形成过渡区23。更具体地说，过渡区23可通过下部喷吹适当的气体形成。
在附后的权利要求和前面本发明的说明中，“含有”(即Comprising和Comprises)一词都是采用“包括”(即Including)这一词意，即与该词相关的特征可能还包含没有表达出来的其他特征。
权利要求
1.一种由金属氧化物生产金属和金属合金的方法，该方法包括步骤(a)将本文所定义的高温气体通入由金属氧化物和固体含碳物质构成的混合团矿床中，从而将团矿中的金属氧化物还原成金属，并使其熔化；(b)从团矿中收集熔融金属。
2.如权利要求1中所述的方法，其中气体具有一定的还原势。
3.如权利要求2中所述的方法，其中气体含有部分CO和H2。
4.如上述权利要求中的任何一项所述的方法，其中气体是带有熔池的熔炼炉中产生的废气。
5.如权利要求4中所述的方法，包括将来自矿床的部分气体传给熔炼炉。
6.如权利要求4或权利要求5中所述的方法，包括将还原气体和含氧气体喷入到熔炼炉中熔池表面以上的气体空间中，以使还原气体部分燃烧，产生热量，并使熔池处于熔融状态。
7.如权利要求4或权利要求5中所述的方法，包括将金属氧化物和固体含碳物质喷入到熔炼炉的熔池中，以使金属氧化物还原成金属，并使其熔化。
8.如权利要求7中所述的方法，包括将含氧气体喷入到熔炼炉中熔池表面以上的气体空间中，以使气体空间中的可燃物质部分燃烧。
9.如权利要求7或权利要求8中所述的方法，包括产生熔融金属或炉渣的喷溅物或液滴，从熔池向上喷入气体空间，以形成过渡区，这样，气体空间中的还原气体燃烧产生的热量就会传给熔融金属或炉渣的喷溅物或液滴，当熔融金属或炉渣的喷溅物或液滴落入熔池时又传给熔池。
10.如权利要求9中所述的方法，包括通过将载气和金属氧化物或含碳物质喷入熔池，并穿入熔池，使熔融金属或炉渣的喷溅物或液滴向上喷出而形成过渡区。
11.如权利要求6至权利要求9中任何一项所述的方法，其中含氧气体是空气。
12.如上述权利要求中的任何一项所述的方法，其中团矿是由球团矿或块矿构成。
13.如权利要求12中所述的方法，其中团矿是直径为10-25mm的球团矿。
14.如权利要求12或权利要求13中所述的方法，其中团矿是由细碎的金属氧化物和含碳物质制成。
15.如权利要求14中所述的方法，其中团矿还包括熔剂，以便与金属氧化物和含碳物质中的杂质结合，形成熔渣浮在熔融金属上，防止金属氧化。
16.如上述权利要求中的任何一项所述的方法包括连续或定期地将混合料加入到矿床中，以补充本方法中消耗的混合料。
17.如上述权利要求中的任何一项所述的方法包括在混合料加到矿床之前要进行预热。
18.如权利要求16中所述的方法包括控制加到矿床的团矿加入量，以维持预定的矿床深度。
19.一种由金属氧化物生产金属和金属合金的设备，该设备包括(a)冶金炉，该炉具有(i)适合于维持熔融金属熔池的下部；(ii)将气体引入炉内的入口；(iii)将气体排出炉外的出口；(iv)位于入口以上支撑炉内团矿矿床的构架，其可使流向出口的气体经过团矿矿床，通过使混合料中金属氧化物的金属还原生产熔融金属，并从矿床排到熔池中。(b)向炉子供气的装置；(c)向矿床供团矿的装置。
20.如权利要求19中所述的装置，包括排放熔融金属的出口。
21.如权利要求19或权利要求20中所述的装置，其中构架包括水冷格栅，以支撑团矿矿床。
22.如权利要求21中所述的装置，其中构架还包括一层在格栅上的支撑介质。
全文摘要
本发明揭示了由金属氧化物生产金属和金属合金的方法。该方法包括以下步骤:(a)将高温气体通入由金属氧化物和固体含碳物质构成的团矿床中,从而将团矿中的金属氧化物还原成金属,并使其熔化;和(b)从团矿中收集熔融金属。
文档编号C22B5/12GK1245538SQ97181592
公开日2000年2月23日 申请日期1997年12月17日 优先权日1996年12月18日
发明者约翰·A·英尼斯 申请人:技术资源有限公司