Способ получения металлического железа
Изобретение касается усовершенствования технологии производства металлического железа. Металлическое железо получают из смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и материал, содержащий оксид железа. Способ включает определение целевой температуры формирования первичного расплавленного шлака, соответствующей заранее заданной целевой концентрации углерода в металлическом железе. Также осуществляют стадию приготовления смеси сырьевых материалов с формированием состава первичного расплавленного шлака соответственно целевой температуре и стадию нагревания смеси сырьевых материалов для восстановления и расплавления смеси сырьевых материалов и для образования первичного расплавленного шлака. При этом первичный расплавленный шлак, содержащий компонент пустой породы, невосстановленный оксид железа и зольный компонент углеродсодержащего восстановителя, первоначально образуется в смеси сырьевых материалов при ее нагревании. Изобретение позволяет эффективно получать металлическое железо, имеющее заданную концентрацию углерода, расплавление может быть проведено при низкой температуре, и в результате повышается производительность со снижением в то же время расхода тепловой энергии. 9 з.п. ф-лы, 7 ил., 4 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается усовершенствования технологии производства металлического железа путем нагревания и восстановления источника железа, такого как железная руда, с использованием углеродсодержащего восстановителя, такого как кокс, и, более конкретно, настоящее изобретение касается технологии эффективного производства металлического железа, имеющего заранее заданную концентрацию углерода. В этой технологии оксид железа восстанавливается и одновременно науглероживается, и металлическое железо, полученное таким образом, эффективно отделяется от образующих шлак компонентов, которые находятся в виде примесей, например, в сырьевой минеральной руде как компоненты пустой породы и тому подобные.
Уровень техники, к которой относится изобретение
Один из авторов настоящего изобретения предложил способ, раскрытый в Патентном Документе 1, как новый тип способа прямого получения железа, и после этого было также проведено исследование для усовершенствования вышеупомянутого способа прямого получения железа.
Этот способ представляет собой технологию получения металлического железа путем нагревания и восстановления смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и оксид железа. В этом способе после того как корка из металлического железа формируется и нарастает при восстановлении оксида железа при действии восстанавливающего газа, получающегося из углеродсодержащего восстановителя, восстановление далее развивается в твердом состоянии, пока оксид железа по существу не перестанет присутствовать внутри корки из металлического железа, с последующим дальнейшим непрерывным нагреванием для образования шлака, который образуется внутри, вытекает из-под корки металлического железа так, что металлическое железо отделяется от шлака.
Когда вышеназванный способ проводится путем расплавления корки из металлического железа, образованного при нагревании и восстановлении, можно создать условия для того, чтобы расплавленный шлак, присутствующий внутри корки из металлического железа, вытекал из нее наружу. Чтобы расплавить корку из металлического железа, температура плавления корки из металлического железа может быть снижена путем растворения углерода, поступающего от углеродсодержащего восстановителя, присутствующего внутри корки из металлического железа, в металлическом железе (это явление в некоторых случаях может быть названо «науглероживанием»).
В этом способе после того как шлак вытечет из корки из металлического железа, металлическое железо, полученное таким образом, и образовавшийся шлак затем охлаждаются и затвердевают, металлическое железо, затвердевшее в виде частиц, может быть отделено с использованием магнитного сепаратора или сита, тогда как шлак размалывается, или же затвердевшее металлическое железо и образовавшийся шлак могут быть расплавлены нагреванием, с последующим разделением, основанным на разнице удельных весов. В результате может быть получено металлическое железо, имеющее высокую чистоту в 95 массовых процентов или более или 98 массовых процентов или более.
В дополнение, были сделаны разнообразные предложения относительно способа, как стимулировать отделение металлического железа с помощью контроля состава образующегося шлака, который присутствует в ходе реализации вышеописанного способа прямого получения железа.
Например, в Патентном Документе 2 был представлен способ отделения гранулированного металлического железа от содержащего FeO шлака с низкой температурой плавления, в котором в качестве источника оксида железа используются отходы сталелитейного производства, которые смешиваются с углеродсодержащим восстановителем (далее в ряде случаев называемым как «углеродсодержащий материал») и дополнительным сырьевым материалом (шлакообразующим агентом) так, чтобы состав образующегося шлака был скорректирован для достижения соотношения CaO/SiO2 (основность), варьирующего в диапазоне от 1,4 до 1,6 по массе, с последующим нагреванием до температуры от 1250 до 1350°С для восстановления с образованием гранулированного металлического железа.
Однако этот способ представляет собой способ, использующий отходы сталелитейного производства как источник оксида железа. В дополнение, корректирование степени основности шлакового компонента, применяемого в этом способе, выполняется, когда сырьевые материалы смешиваются вместе, и поведение шлака, образуемого при нагревании и восстановлении, и поведение оксида железа, содержащегося в нем, не были в достаточной мере исследованы.
Кроме того, в Патентном Документе 3 был представлен способ, в котором степень основности шлакообразующего компонента в сырьевом материале контролируется в диапазоне от 0,4 до 1,3, и по меньшей мере в течение одной трети времени нагревания и восстановления, выполняемых на поду, температура регулируется в диапазоне от 1200 до 1350°С, чтобы довести степень восстановления железа до уровня от 40% до 80%, с последующим расплавлением восстановленного продукта.
Корректирование степени основности, применяемое в этом способе, выполняется с помощью расчета в ходе смешивания сырьевых материалов между собой. Однако в этом способе влияние невосстановленного оксида железа, содержащегося в сырьевом материале, на образование расплавленного шлака, динамическое поведение оксида железа, содержащегося в расплавленном шлаке, влияние оксида железа на расплавленное состояние металлического железа, полученного при восстановлении, и тому подобное совершенно не были изучены.
В дополнение, авторы настоящего изобретения далее провели интенсивное исследование, и в результате была предложена технология, раскрытая в Патентном Документе 4. Базовая концепция этого изобретения состоит в том, что когда металлическое железо получается путем нагревания и восстановления смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и оксид железа, то с помощью регулирования жидкой фракции в твердо-жидкой смешанной фазе многокомпонентного шлака, который образуется при восстановлении и плавлении смеси сырьевых материалов и который содержит компоненты пустой породы, упрощаются науглероживание и плавление получаемого твердого металлического железа. В частности, технология характеризуется тем, что кроме контроля температуры расплавления металлического железа контролируется содержание углерода (концентрация углерода, далее будет применяться то же выражение, как выше) в получаемом металлическом железе.
Однако когда жидкая фракция шлака в твердо-жидком смешанном состоянии регулируется этим способом, операция становится усложненной, как описано выше. То есть необходимо, чтобы взаимосвязь жидкой фракции с температурой и/или составом шлакообразующего компонента, содержащегося в смеси сырьевых материалов, была выявлена заблаговременно, было скорректировано количество сырьевого железооксидного компонента и количество зольного компонента в углеродсодержащем восстановителе, который примешивается в расплавленный шлак, и, в дополнение, также было скорректировано дополнительное количество шлакообразующего компонента, который дополнительно добавляется по мере необходимости. Таким образом, путем дальнейшего усовершенствования этого способа стало желательным разработать способ эффективного получения металлического железа, имеющего заданную концентрацию углерода, с помощью более легкой технологической операции.
В дополнение, чтобы понять явление науглероживания железа в доменной печи, один из авторов настоящего изобретения провел интенсивное фундаментальное исследование восстановления оксида железа в присутствии расплавленного шлака и динамического поведения передельного чугуна (Fe-C), который производится восстановлением и который растворяет углерод путем науглероживания, и в результате следующее явление было подтверждено и представлено в Непатентном Документе 1.
Этот Непатентный Документ 1 касается восстановления оксида железа в доменной печи и характеристик науглероживания восстановленного железа (металлического железа), получаемого восстановлением. В этом документе, как в схематическом виде показано в Фиг.1, было представлено протекание процесса, в котором оксид железа (FeO) восстанавливается в расплавленном шлаке (S) действием углеродсодержащего материала (G: графит) и в котором полученное металлическое железо (Fe) науглероживается. В частности, оксид железа (FeO) в расплавленном шлаке (S) восстанавливается и науглероживается углеродом (С), поступающим из углеродсодержащего восстановителя (то есть углеродсодержащего материала, G), с образованием науглероженного расплавленного железа (Fe-С). Соответственно этому концентрация FeO в шлаке, который находится в контакте с углеродсодержащим материалом, снижается и становится отличной от концентрации FeO в шлаке, который находится в контакте с восстановленным железом. Таким образом, науглероженное расплавленное железо (Fe-С) имеет тенденцию к перемещению в направлении удаления от углеродсодержащего материала; таким образом, оно быстро перемещается по направлению в сторону твердого восстановленного железа (S-Fe) и осаждается на нем с образованием сплошного тела, тем самым производя науглероживание твердого восстановленного железа.
Однако не было понятным, как явление, характерное для доменной печи, описанное выше, может быть использовано для усовершенствования вышеназванной технологии прямого получения железа, разработанной авторами настоящего изобретения.
Патентный Документ 1: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка №9-256017.
Патентный Документ 2: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка №10-147806.
Патентный Документ 3: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка №2000-45008.
Патентный Документ 4: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка №2005-48197.
Непатентный Документ 1: ISIJ International, том 44 (2004), №12, стр.2033-2039.
Настоящее изобретение было создано при обсуждении вышеназванных обстоятельств, и целью настоящего изобретения является представление способа получения железа, имеющего более высокую производительность и эффективность производства, чем таковые для способа прямого получения железа, раскрытого в вышеприведенном Патентном Документе 4, который был разработан авторами настоящего изобретения.
Таким образом, настоящее изобретение представляет способ получения металлического железа из смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и материал, содержащий оксид железа, и вышеназванный способ включает стадию определения целевой температуры формирования первичного расплавленного шлака, соответствующей заранее заданной целевой концентрации углерода в металлическом железе, при которой первичный расплавленный шлак, содержащий компонент пустой породы, невосстановленный оксид железа и зольный компонент углеродсодержащего восстановителя, первоначально образуется в смеси сырьевых материалов при ее нагревании; стадию приготовления смеси сырьевых материалов с формированием состава первичного расплавленного шлака соответственно целевой температуре; и стадию нагревания смеси сырьевых материалов для восстановления и расплавления смеси сырьевых материалов и для образования первичного расплавленного шлака.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематический вид, концептуально показывающий перемещение расплавленного оксида железа и действие переносчика углерода, выполняемое расплавленным железом в расплавленном шлаке, содержащем углерод, открытое одним из авторов настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой многокомпонентную фазовую диаграмму для СаО, SiO2, Al2O3 и FeO, которые являются главными компонентами расплавленного шлака.
Фиг.3 представляет собой график, показывающий пример взаимосвязи между степенью металлизации и остаточным количеством невосстановленного FeO при нагревании и восстановлении.
Фиг.4 представляет собой график, показывающий изменение степени восстановления (несколько раз называемой в этом описании как «степень металлизации») со временем для нагревания и восстановления.
Фиг.5 представляет собой график, показывающий влияние содержания оксида железа (FeO) в шлаке на температуру формирования первичного расплавленного шлака и температуру начала образования газообразного монооксида углерода СО.
Фиг.6 представляет собой график, показывающий влияние содержания оксида железа (FeO) в шлаке на температуру формирования первичного расплавленного шлака и температуру начала образования газообразного монооксида углерода СО.
Фиг.7 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между температурой формирования первичного расплавленного шлака и концентрацией углерода в расплавленном металлическом железе (металлическое железо как продукт), полученном при вышеуказанных температурных условиях.
Вариант осуществления изобретения
Далее настоящее изобретение будет описано подробно. Как описано выше, наиболее существенным признаком настоящего изобретения является то, что когда смесь сырьевых материалов, содержащая материал, содержащий оксид железа, такой как железная руда, оксид железа или частично восстановленный материал, и углеродсодержащий восстановитель, такой как кокс или уголь, нагревается для получения металлического железа путем восстановления и расплавления, определяется «целевая температура формирования первичного расплавленного шлака» соответственно заранее заданной целевой концентрации углерода в металлическом железе, и готовится смесь сырьевых материалов, обеспечивающая первичный расплавленный шлак соответственно при указанной температуре, и затем смесь нагревается с образованием первичного расплавленного шлака; то есть, другими словами, путем контролирования температуры формирования первичного расплавленного шлака регулируется концентрация углерода в полученном металлическом железе. В настоящем изобретении первичный расплавленный шлак представляет собой шлак, который сначала образуется в смеси сырьевых материалов и который содержит компоненты пустой породы, невосстановленный оксид железа и зольный компонент в углеродсодержащем восстановителе.
Когда авторы настоящего изобретения проводили исследование по дальнейшему усовершенствованию технологии, представленной в вышеназванном Патентном Документе 4, представлялось, что если эффективно использовать явление, представленное в вышеуказанном Непатентном Документе 1, то есть восстановление оксида железа и характеристики науглероживания в расплавленном шлаке в доменной печи, может быть далее улучшен способ получения железа, раскрытый в Патентном Документе 4. В способе получения железа, примененном в Патентном Документе 4, для эффективного отделения и извлечения высокочистого металлического железа при более низкой температуре важно расплавлять твердое восстановленное железо при более низкой температуре и, в дополнение, также важно, каким образом эффективно отделять расплавленный шлак (далее в ряде случаев называемый как «побочный шлаковый продукт»), который образуется как побочный продукт в процессе нагревания и восстановления. Для этой цели является важным, насколько быстро производится науглероживание твердого восстановленного железа для его расплавления (в этом описании явление, при котором твердое восстановленное железо расплавляется с помощью науглероживания, в некоторых случаях называется «расплавление восстановленного железа»).
Соответственно этому авторы настоящего изобретения рассматривали возможность, что если представленную в вышеназванном Непатентном Документе 1 технологию использовать для прямого получения железа, когда полученное науглероживанием расплавленное восстановленное железо, при продолжающемся восстановлении с использованием углеродсодержащего материала в расплавленном шлаке, перемещается по направлению в сторону твердого металлического железа в соответствии с вышеназванным явлением и затем объединяется с ним, то расплавленное восстановленное железо может быть использовано в качестве носителя, переносящего углерод к твердому металлическому железу, и, основываясь на этом допущении, далее было проведено исследование.
Таким образом, как было описано, способ (представленный в Патентном Документе 4), разработанный одним из авторов настоящего изобретения, основывается на вновь обнаруженном в это время факте, который выявляет тесную взаимосвязь между жидкой фракцией побочного шлакового продукта и расплавлением металлического железа, и этот способ состоит в осуществлении контроля с использованием новой концепции, то есть в жидкой фракции в твердо-жидкой смешанной фазе побочного шлакового продукта, без расплавления всего количества побочного шлакового продукта. Согласно этому способу при надлежащем контроле жидкой фракции науглероживание твердого металлического железа, полученного нагреванием и восстановлением, может быть выполнено при более низкой рабочей температуре, и в результате этого температура плавления может быть быстро снижена. В дополнение, поскольку этим способом расплавление металлического железа может быть выполнено при более низкой температуре, отделение от побочного шлакового продукта может быть эффективно выполнено при низкой температуре, и, кроме того, также может контролироваться концентрация углерода в металлическом железе, которая оказывает сильное влияние на качество полученного металлического железа.
Существенным техническим признаком вышеуказанного изобретения является то, что при получении металлического железа путем нагревания, восстановления и расплавления вышеназванной смеси сырьевых материалов эффективно используется обстоятельство, подтвержденное состоянием побочного шлакового продукта, состоянием науглероживания полученного металлического железа и расплавленным состоянием его в системе, содержащей углеродсодержащий восстановитель. Таким образом, используется эффект, в котором, когда вместе со шлаком в расплавленном состоянии присутствует углеродсодержащий восстановитель, образованное из находящегося в жидком состоянии расплавленного шлака расплавленное металлическое железо функционирует как носитель, переносящий углерод, и затем быстро приходит в контакт с поверхностью твердого металлического железа, и тем самым эффективно производится науглероживание твердого металлического железа. Более того, эффект, в котором благодаря сосуществованию углеродсодержащего восстановителя и расплавленного шлака, как описано выше, имеет место действенное стимулирование науглероживания, не ограничивается только той ситуацией, в которой все количество шлака находится в расплавленном состоянии, и при надлежащем контроле жидкой фракции шлака в смешанном твердо-жидком состоянии стимулируется науглероживание твердого металлического железа, и температура расплавления может быть снижена.
В этом варианте осуществления жидкая фракция означает массовую долю жидкости, которая располагается между линией солидуса и линией ликвидуса при некоторых температурных условиях, в твердом состоянии и в жидкости (то есть в двух фазах, твердой фазе и жидкой фазе), и определяется термодинамическим равновесным состоянием многокомпонентной системы, содержащей SiO2, Al2O3, CaO и MgO, которые главным образом наличествуют в компонентах пустой породы, содержащихся в сырьевых материалах, и FeO в качестве главного компонента, поступающего из источника железа.
Эта жидкая фракция может быть количественно определена при наблюдении за поведением смеси сырьевых материалов в ходе ее нагревания, восстановления и расплавления, с использованием высокотемпературного лазерного микроскопа, с последующим проведением анализа изображений. Однако неожиданно оказалось затруднительным достоверно контролировать жидкую фракцию, и тем самым было желательным дальнейшее усовершенствование в плане эффективности производства.
В процессе интенсивного исследования, проведенного авторами настоящего изобретения, было установлено, что и без выполнения относительно сложного контроля, такого как контроль жидкой фракции шлака, когда должным образом контролируется температура образования первичного расплавленного шлака, который формируется в процессе восстановления и расплавления смеси сырьевых материалов и который может быть получен из компонентов пустой породы, невосстановленного оксида железа (FeO) и зольного компонента углеродсодержащего восстановителя, не только эффективно получается металлическое железо, но также может контролироваться и концентрация углерода в металлическом железе; в результате этого было реализовано настоящее изобретение.
После того как невосстановленный расплавленный оксид железа (FeO), поступающий из сырьевого оксида железа, содержащегося в расплавленном шлаке, который образуется в процессе нагревания и восстановления смеси сырьевых материалов, приходит в контакт с углеродом (или монооксидом углерода), действующим как восстановитель для проведения реакции восстановления в расплаве, полученное расплавленное железо далее науглероживается с нарастанием концентрации углерода, и в результате его температура плавления еще более снижается. Благодаря этой реакции, поскольку концентрация FeO в шлаке, который находится в контакте с углеродсодержащим материалом, снижается и отличается от концентрации FeO в шлаке, который находится в контакте с восстановленным железом, расплавленное железо проявляет тенденцию перемещаться в направлении удаления от углеродсодержащего материала. Более того, как в ситуации с вышеназванным Непатентным Документом 1, а также в способе прямого получения железа, расплавленное железо, которое является науглероженным, может быстро перемещаться в фазе расплавленного шлака по направлению в сторону твердого восстановленного железа и затем может объединяться с ним. Соответственно этому после объединения с твердым восстановленным железом углеродный компонент с высокой концентрацией, который внедряется в расплавленное железо в ходе науглероживания, быстро диффундирует в твердое восстановленное железо, и в результате концентрация углерода во всем твердом восстановленном железе повышается. Таким образом, как и в способе прямого получения железа, когда расплавленный шлак образуется на ранней стадии, металлическое железо, полученное в расплавленном шлаке путем восстановления расплавленного оксида железа, действует как носитель, который переносит углеродный компонент в расплавленный шлак по направлению в сторону твердого восстановленного железа, и в результате ускоряется науглероживание твердого восстановленного железа.
Как очевидно из термодинамической фазовой диаграммы Fe-С-системы, концентрация углерода в расплавленном железе может быть повышена при температуре 1147°С до таковой, какая представляет собой точку эвтектики в состоянии равновесия, то есть может быть повышена до 4,3 массового процента, и также из вышеназванной фазовой диаграммы очевидно, что вплоть до эвтектической температуры концентрация углерода возрастает по мере снижения температуры системы.
Таким образом, когда металлическое железо в расплавленном состоянии получается нагреванием и восстановлением смеси сырьевых материалов, для повышения концентрации углерода в получаемом расплавленном железе является предпочтительным, чтобы расплав шлакообразующего компонента, содержащего невосстановленный оксид железа, производный из источника железа, был сформирован при как можно более низкой температуре, чтобы стимулировать восстановление оксида железа (образование восстановленного железа) и способствовать его перемещению по направлению в сторону твердого металлического железа, и чтобы еще более ускорить формирование расплавленного железа путем науглероживания. Таким образом, является предпочтительным, чтобы была снижена температура формирования расплава (то есть первичного расплавленного шлака), образованного из содержащего оксид железа шлакообразующего компонента, который сначала образуется в смеси сырьевых материалов в стадии нагревания и восстановления. Другими словами, эта температура формирования шлака предпочтительно снижается при нагревании смеси сырьевых материалов по мере того, как восстановление развивается с наружной части этой смеси сырьевых материалов с момента формирования в этом месте шлака. В этом процессе восстановления, даже когда наружная часть частично восстановлена, в некоторых случаях может быть образован вышеназванный первичный расплавленный шлак.
В дополнение, по мере понижения температуры формирования первичного расплавленного шлака, образуемого в процессе нагревания и восстановления в смеси сырьевых материалов, скорость науглероживания твердого восстановленного железа увеличивается, и тем самым может быть получено расплавленное железо, имеющее высокую концентрацию углерода. Таким образом, при эффективном использовании этого явления, путем регулирования температуры формирования первичного расплавленного шлака может контролироваться концентрация углерода в получаемом металлическом железе. Кроме того, когда науглероживание твердого восстановленного железа стимулируется, как описано выше, температура плавления (температура расплавления) такового также снижается, и в результате рабочая температура получения металлического железа может быть снижена.
В этой связи для определения температуры формирования первичного расплавленного шлака, которая инициирует науглероживание и плавление (расплавление) твердого восстановленного железа на конечной стадии восстановления смеси сырьевых материалов, является весьма существенным регулирование количества невосстановленного оксида железа, поступающего из источника железа, компонентов пустой породы и зольного компонента в углеродсодержащем материале, которые являются компонентами расплавленного шлака (то есть компонентами шлака). Температура формирования многокомпонентного первичного расплавленного шлака может быть определена из многокомпонентной термодинамической фазовой диаграммы, включающей SiO2, Al2O3, CaO, MgO, FeO и тому подобные. С недавних пор стало возможным определять это с помощью компьютерной программы для фазовой диаграммы многокомпонентного шлака.
Например, Фиг.2 представляет собой фазовую диаграмму, полученную комбинированием системы SiO2-Al2O3-CaO и системы SiO2-Al2O3-FeO. Согласно этой фигуре температура плавления вышеуказанной четырехкомпонентной шлаковой системы достигает наименьшего значения в случае, в котором состав расплавленного шлака соответствует системе SiO2-Al2O3-CaO, когда состав отвечает показанному пунктиром кружку А, в котором количество Al2O3 приблизительно составляет 20%, а соотношение СаО/SiO2 составляет приблизительно 5/5, или когда состав соответствует показанному пунктиром кружку В, в котором количество Al2O3 приблизительно составляет 15%, а соотношение СаО/SiO2 составляет приблизительно 30/70. Кроме того, температура плавления вышеназванной четырехкомпонентной шлаковой системы имеет наиболее низкое значение в случае, в котором состав расплавленного шлака представляет собой систему SiO2-Al2O3-FeO, когда состав такой, как показанный жирной линией С, где содержание FeO варьирует в диапазоне приблизительно от 35% до 50% (более предпочтительно приблизительно 40%), и соотношение SiO2/Al2O3 составляет приблизительно 45/55 или 40/60.
Соответственно этому температура формирования первичного расплавленного шлака может быть снижена до наиболее низкой температуры, опираясь на эти фазовые диаграммы, когда конкретные композиционные составы шлакообразующих компонентов регулируются в заданных диапазонах так, чтобы состав шлака, образуемого в процессе нагревания и восстановления, имел наиболее низкую температуру, как описано выше.
В качестве конкретного способа корректировки шлакообразующих компонентов может быть использован способ, в котором сообразно шлакообразующим компонентам в компонентах сырьевых материалов (включающих компоненты пустой породы в источнике железа, зольный компонент углеродсодержащего восстановителя, компонент неорганического связующего средства и тому подобные) могут быть добавлены дополнительные материалы, такие как СаО, SiO2 или Al2O3. В этом случае добавление чаще всего производится в ходе приготовления смеси сырьевых материалов; однако корректировка также может быть выполнена путем дополнительного введения компонентов на ранней стадии нагревания и восстановления. Кроме того, что касается оксида железа (FeO) как компонента шлака, количество остающегося в невосстановленном состоянии оксида железа, которое может прослеживаться по степени металлизации, может быть использовано для корректирования, притом что вышеназванный оксид железа является одним из источников оксида железа, содержащихся в смеси сырьевых материалов.
Когда способ прямого получения железа реализуется так, как в настоящем изобретении, количество металлического железа, полученного из оксида железа в сырьевом материале, представляется степенью металлизации, и по ней делается вывод, что чем выше степень металлизации, тем лучше производительность. Так, в прошлом много сил тратилось на поиски путей повышения степени металлизации. Однако очень трудно повысить степень металлизации до 100% путем восстановления всего источника оксида железа, и степень металлизации, достигнутая при общеупотребительных условиях, приблизительно составляет от 90 до 95%, и невосстановленный оксид железа остается в количестве нескольких процентов.
Однако, с другой стороны, настоящее изобретение непосредственно использует невосстановленный оксид железа, который остается в процессе нагревания и восстановления. То есть в дополнение к снижению температуры формирования первичного расплавленного шлака путем примешивания невосстановленного оксида железа в шлаке невосстановленный оксид железа в расплавленном состоянии, смешанный со шлаком, восстанавливается и науглероживается, чтобы обеспечить возможность полученному таким образом науглероженному железу действовать как носитель, переносящий углерод по направлению в сторону твердого восстановленного железа. В результате эффективность получения металлического железа в целом может быть улучшена.
Соответственно этому в настоящем изобретении, сообразно типам и/или количествам шлакообразующих компонентов в смеси сырьевых материалов и добавок для корректирования шлакового компонента, степень металлизации (степень восстановления материала, содержащего оксид железа) источника оксида железа может регулироваться, чтобы оставшееся количество невосстановленного оксида железа получалось соответствующим оптимальному содержанию FeO. В частности, пока достигается заданная степень металлизации, регулируется профиль температуры нагревания или восстановительный потенциал, и вместе с тем может нагреваться смесь сырьевых материалов. В качестве средства регулирования профиля температуры нагревания может быть упомянут, например, контроль температуры, времени или скорости повышения температуры при нагревании и восстановлении. В дополнение, в качестве средства регулирования восстановительного потенциала, например, может быть упомянут контроль количества углеродсодержащего восстановителя, количества восстановителя, используемого в качестве защитного материала пода, или газа, составляющего внутреннюю атмосферу печи.
Фиг.3 представляет собой график, показывающий результат исследования взаимосвязи между степенью металлизации и остаточным количеством FeO в источнике оксида железа, который был получен, когда материал, произведенный в Южной Америке и поставленный бразильской фирмой MBR, был использован в качестве источника оксида железа (железная руда), уголь фирмы Oak Grove, добытый в Северной Америке, был использован в качестве углеродсодержащего материала, и нагревание и восстановление проводились при температуре от 1250 до 1350°С (в каковых композиционное соотношение шлакообразующих компонентов по массе было установлено, чтобы удовлетворялось соотношение CaO/SiO2/Al2O3=4/68/28, и количество углеродсодержащего материала было установлено на уровне 0,95 раза от теоретического количества углерода, которое необходимо для восстановления всего оксида железа самим углеродсодержащим материалом), и понятно, что существует некоторая взаимосвязь между степенью металлизации и остаточным FeO. Вышеописанная взаимосвязь может до некоторой степени варьировать в зависимости от типов источника оксида железа и/или углеродсодержащего материала, отношения компонентов в их смесях, условий нагревания и восстановления и тому подобного; однако, когда взаимосвязь между ними выявляется заблаговременно с помощью предварительного эксперимента, остаточное количество FeO может быть отрегулировано путем контроля степени металлизации смеси сырьевых материалов, и в результате может быть обеспечено надлежащее содержание FeO в формируемом шлаке.
Кроме того, Фиг.4 представляет собой график, показывающий изменения температуры и степени металлизации (то есть степени восстановления) со временем, который был получен в случае, когда температура печи для нагревания и восстановления была установлена при 1400°С, в печь была введена смесь сырьевых материалов, подобная вышеописанной, и затем были произведены нагревание и восстановление. Как можно видеть из этого графика, несмотря на небольшие изменения, обусловленные характеристическими свойствами печи для нагревания и восстановления, степень металлизации повышается по мере протекания времени нагревания и быстро повышается через 4-5 мин после начала нагревания при использованной в этом случае температуре нагревания, и степень нарастания степени металлизации быстро снижается приблизительно через 9 мин после начала. Однако, тем не менее, степень металлизации достигает приблизительно 90 массовых процентов примерно через 8 мин после начала нагревания, и на этой стадии количество остаточного оксида железа в невосстановленном состоянии составляет приблизительно 10 массовых процентов.
Тем самым температура формирования первичного расплавленного шлака может регулироваться до наиболее низкой температуры в соответствии с композиционными составами и содержанием шлакообразующих компонентов в сырьевых материалах, использованных в этом технологическом процессе, когда ход восстановления контролируется в плане обеспечения степени металлизации источника оксида железа, то есть количества остаточного оксида железа, так, чтобы вышеупомянутое остаточное количество оксида железа соответствовало вышеназванному заданному композиционному отношению (то есть уровню содержания, при котором получается состав шлака, соответствующий заданной концентрации углерода).
Фиг.5 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между концентрацией оксида железа (FeO) в шлаке и температурой формирования первичного расплавленного шлака (и температурой начала выделения газообразного монооксида углерода СО), который был получен, когда массовое отношение CaO/SiO2 в шлаке поддерживалось постоянным при значении 0,38. Как показано на фигуре, по мере повышения содержания FeO в шлаке температура формирования первичного расплавленного шлака (температура расплавления шлака) снижается, и в дополнение, температура начала выделения газообразного СО также снижается, причем выделение газообразного СО вызывается восстановлением расплавленного оксида железа (FeO).
Фиг.6 представляет собой график, показывающий результат эксперимента, подобного описанному выше, за исключением того, что массовое соотношение CaO/SiO2 в шлаке было изменено на значение 0,92, и хотя состав шлака изменился, тенденция к снижению температуры формирования первичного расплавленного шлака и температуры начала выделения газообразного СО по мере повышения содержания FeO является такой же, как показанная на Фиг.5.
Фиг.7 представляет собой график, показывающий результат, полученный при исследовании влияния температуры формирования первичного расплавленного шлака (температура расплавления шлака) на концентрацию углерода (концентрация С) в полученном расплавленном металлическом железе (расплавленное металлическое железо), и этим графиком может быть подтверждена тенденция к повышению содержания углерода в металлическом железе, которое представляет собой восстановленный продукт, по мере снижения температуры формирования первичного расплавленного шлака (температура расплавления шлака).
Из вышеописанных результатов было понятно, что температура формирования первичного расплавленного шлака, состоящего из смеси, содержащей шлакообразующие компоненты (СаО, SiO2) и невосстановленный оксид железа (FeO), который получается в процессе восстановления и расплавления смеси сырьевых материалов, имеет некоторую взаимосвязь с содержанием углерода в получаемом расплавленном металлическом железе и что содержание углерода в полученном металлическом железе может контролироваться, когда регулируется температура формирования первичного расплавленного шлака. В дополнение, тенденция к увеличению содержания углерода в расплавленном металлическом железе по мере снижения температуры формирования первичного расплавленного шлака показывает, что металлическое железо, имеющее высокое содержание углерода, может быть эффективно получено путем непосредственного снижения рабочей температуры в производстве металлического железа, и эта тенденция также существенно эффективна с точки зрения снижения расходов тепловой энергии.
Далее, что касается температуры формирования первичного расплавленного шлака, как описано выше, основанной на многокомпонентной фазовой диаграмме (такой как показанная на Фиг.2), которая включает остающийся при восстановлении невосстановленный оксид железа, кроме шлакообразующих компонентов в сырьевых материалах (компоненты пустой породы в источнике железа и/или зольный компонент, содержащийся в углеродсодержащем материале), которые сначала используются для образования смеси сырьевых материалов, может быть добавлено подходящее количество шлакообразующего компонента, иного, чем компоненты пустой породы в вышеназванном источнике железа (далее в некоторых случаях называемое как «добавление третьего шлакообразующего компонента»), на стадии приготовления смеси сырьевых материалов, ее загрузки или нагревания, чтобы еще более снизить температуру плавления шлака, имеющего вышеуказанный состав смеси. В дополнение, что касается содержания оксида железа в шлаке, как описано выше, степень металлизации источника железа в смеси сырьевых материалов и профиль температуры нагревания могут быть должным образом проконтролированы в процессе получения металлического железа так, что необходимое содержание оксида железа в шлаке обеспечивается остаточным оксидом железа в невосстановленном состоянии.
В дополнение, когда заданная концентрация углерода в полученном металлическом железе определяется заблаговременно, оптимальная температура формирования первичного расплавленного шлака, соответствующая заданной концентрации углерода, получается из зависимости, показанной на Фиг.7, и основывается на многокомпонентной фазовой диаграмме, как показано на Фиг.2, то составы шлакообразующих компонентов и количество невосстановленного оксида железа могут быть отрегулированы так, чтобы обеспечить вышеупомянутую оптимальную температуру формирования первичного расплавленного шлака. Регулирование состава первичного расплавленного шлака в этом случае также может быть выполнено добавлением третьего шлакообразующего компонента или степенью металлизации источника железа в сырьевом материале и профилем температуры нагревания.
Добавление третьего шлакообразующего компонента на стадии приготовления смеси сырьевых материалов будет описано подробно. В ходе исполнения настоящего изобретения корректирование температуры формирования первичного расплавленного шлака может производиться путем примешивания с использованием еще одной железной руды в соответствии с составом компонентов пустой породы, содержащихся в железной руде и тому подобном, используемой в качестве источника оксида железа, чтобы получить должный состав шлакообразующего компонента; однако, сообразно составу компонента пустой породы, содержащегося в рудном сырьевом материале, предпочтительно добавляется дополнительный сырьевой материал, который может изменить температуру формирования первичного расплавленного шлака. В качестве дополнительных сырьевых материалов могут быть упомянуты, например, кальцинированная известь (СаО), известняк (СаСО3), оксид кремния (SiO2), серпентин (MgO+SiO2), марганцевая руда (MnO+FeO) и боксит (Al2O3), и эти материалы могут быть добавлены по отдельности или в комбинации. В частности, когда смесь сырьевых материалов готовится смешением источника оксида железа и углеродсодержащего восстановителя, плюс связующий компонент, насколько необходимо, после того как на основе многокомпонентной фазовой диаграммы по составу компонентов пустой породы в сырьевых материалах определяется температура плавления, подходящее количество оксида, как упомянуто выше, может быть смешано в качестве дополнительного сырьевого материала со смесью сырьевых материалов, чтобы получить целевую температуру формирования первичного расплавленного шлака.
Чтобы эффективно и практично добиться восстановления и науглероживания расплавленного оксида железа, как описано выше, быстрого перемещения расплавленного оксида железа по направлению в сторону твердого восстановленного железа и сопутствующего стимулирования его науглероживания с помощью эффекта переноса углерода и снижения температуры расплавления, необходимо обеспечить достаточное снижение температуры плавления путем науглероживания твердого восстановленного железа. Тем самым является предпочтительным, чтобы концентрация углерода в металлическом железе после науглероживания регулировалась в диапазоне от 0,5 до 4,3 массовых процентов и чтобы, кроме того, температура формирования первичного расплавленного шлака регулировалась в диапазоне от 1147 до 1500°С. В дополнение, более предпочтительно, чтобы концентрация углерода в металлическом железе после науглероживания регулировалась в диапазоне от 1,5 до 3,5 массовых процентов и чтобы, кроме того, температура формирования первичного расплавленного шлака регулировалась в диапазоне от 1200 до 1450°С. Концентрация углерода в металлическом железе после науглероживания может быть скорректирована количеством углеродсодержащего восстановителя, примешиваемого к сырьевому материалу на стадии приготовления, и, в частности, количество углеродсодержащего восстановителя может быть определено как сумма необходимого теоретического количества, требуемого для восстановления источника оксида железа, и вышеназванного количества, требуемого для науглероживания. Однако при общих технологических условиях, когда определяется реальное количество углеродсодержащего материала, величина должна быть скорректирована в плане вышеописанного расходования загрузки, поскольку углеродсодержащий восстановитель частично потребляется окисляющим газом, образуемым, например, нагревающей горелкой при восстановлении.
В дополнение, когда количество углеродсодержащего восстановителя регулируется в ходе смешения сырьевых материалов, как описано выше, может быть скорректирована степень науглероживания металлического железа при науглероживании и расплавлении, и тем самым может быть необязательно скорректировано конечное содержание углерода в металлическом железе.
В качестве смеси сырьевых материалов, используемых в настоящем изобретении, для обеспечения эффективного нагревания и восстановления оксида железа газом, производным от углеродсодержащего восстановителя, как источник оксида железа, так и углеродсодержащий восстановитель предпочтительно используются в форме порошков и предпочтительно приведенными в смешанное состояние для применения. Эта смесь сырьевых материалов может быть слегка отверждена на поду под давлением и затем загружена в зону восстановления; однако, как показано в вышеназванном Патентном Документе 1, когда смесь формуется в агломерированный материал, имеющий произвольную форму, такую как приблизительно сферы, брикеты или таблетки, и затем загружается, металлическая корка твердого восстановленного железа формируется по наружной поверхности агломерированного материала в процессе восстановления в твердом состоянии при нагревании, и внутри может быть поддержан высокий восстановительный потенциал; тем самым может быть далее эффективно улучшена степень металлизации, что является предпочтительным.
Конкретное оборудование, базовые технологические условия и тому подобные для исполнения настоящего изобретения являются в своей основе эквивалентными оборудованию, технологическим условиям и тому подобному, представленным в вышеназванном Патентном Документе 1 или тому подобном. В частности, может быть использовано оборудование, в котором предусматривается круглый или тороидальный вращающийся под; применяется печь для нагревания и восстановления, которая имеет зону загрузки смеси сырьевых материалов, зону предварительного нагрева, зону нагревания и восстановления, зону расплавления металлического железа, зону охлаждения (зону отверждения металлического железа) и зону выгрузки, расположенные в таком порядке в направлении вращения; и серия операций, включающих загрузку сырьевых материалов, нагревание и восстановление, охлаждение и отверждение полученного металлического железа и извлечение, может выполняться в непрерывном режиме. Когда операция выполняется в непрерывном режиме с помощью оборудования, как описано выше, состав шлакообразующих компонентов в сырьевых материалах и содержание углерода в них определяются соответственно заданной концентрации углерода с помощью предварительного эксперимента, и, в дополнение, степень металлизации также регулируется для получения оптимальной температуры формирования первичного расплавленного шлака при нагревании и восстановлении, так что может быть обеспечено содержание невосстановленного оксида железа в первичном расплавленном шлаке.
Когда металлическое железо, которое подвергается коалесценции при нагревании и восстановлении с последующим науглероживанием и расплавлением, охлаждается, может быть получено отвержденное металлическое железо, сплавленное в частицы. Затем металлическое железо может быть легко отделено с помощью просеивания или магнитной сепарации от образовавшегося шлака, который одновременно охлаждается и затвердевает.
Как описано выше, согласно настоящему изобретению, когда металлическое железо получается путем нагревания смеси сырьевых материалов с последующим восстановлением и расплавлением, концентрация углерода в получаемом металлическом железе может необязательно контролироваться на основе многокомпонентной фазовой диаграммы с помощью надлежащего регулирования температуры формирования первичного расплавленного шлака, состоящего из невосстановленного оксида железа и компонентов пустой породы, который образуется в процессе восстановления и расплавления смеси сырьевых материалов. Кроме того, как дополнительные, могут быть также получены следующие вторичные эффекты.
То есть, поскольку содержание углерода в металлическом железе, полученном по способу согласно настоящему изобретению, увеличивается по мере снижения температуры формирования первичного расплавленного шлака, то есть, другими словами, поскольку при снижении рабочей температуры может быть получено металлическое железо, имеющее высокое содержание углерода, может быть сокращен расход тепловой энергии для нагревания и восстановления. В дополнение, расплавленный оксид железа, содержащийся в первичном расплавленном шлаке, действует как носитель углерода для твердого восстановленного железа, полученного при восстановлении газом, быстро выполняет науглероживание твердого восстановленного железа (твердого металлического железа) и стимулирует его расплавление; тем самым плавление твердого восстановленного железа существенно ускоряется, и в результате производительность в целом может быть значительно улучшена.
В первичном расплавленном шлаке содержится невосстановленный оксид железа, как описано выше. В настоящем изобретении этот оксид железа восстанавливается до металлического железа, и металлическое железо, действующее как переносчик углерода, перемещается в расплавленном шлаке в сторону твердого восстановленного железа. В этом процессе, поскольку количество оксида железа в расплавленном шлаке снижается, состав расплавленного шлака со временем изменяется. Тем самым, чтобы эффективно получать металлическое железо, даже когда количество оксида железа в расплавленном шлаке снижается, металлическое железо должно быстро перемещаться. С этой точки зрения, вместо температуры формирования первичного расплавленного шлака, предпочтительнее регулировать температуру плавления шлака даже после того, как образовалось металлическое железо. Основание для этого состоит в том, что перемещение металлического железа не подавляется, поскольку шлак находится в жидком состоянии даже после образования металлического железа. В качестве одного примера, исходя из среднего состава шлака, который получается в конечном итоге, температура плавления (то есть температура расплавления шлака) конечного шлака, которая должна регулироваться, может быть определена из фазовой диаграммы. Соответственно этому металлическое железо может быть эффективно получено, даже когда реакция восстановления близка к завершению, поскольку конечный шлак в расплавленном состоянии образуется при низкой температуре.
Примеры
Далее настоящее изобретение будет описано подробно со ссылкой на примеры; однако, разумеется, настоящее изобретение не ограничивается нижеприведенными примерами и может быть реализовано после необязательно произведенных модификаций в пределах области, которая была описана выше и которая будет описана ниже, и любые модификации, упомянутые выше, также являются включенными в техническую область настоящего изобретения. В нижеследующих примерах обозначения «%» и «часть(-ти)» означают «процент по массе» и «часть(-ти) по массе», соответственно.
Пример 1
Были использованы добытая в Южной Америке железная руда (67,74% содержания железного компонента, 0,05% СаО, 0,99% SiO2, 0,56% Al2O3 и 1,55% прочих компонентов) как источник железа и материалы, показанные в Таблице 1, - как углеродсодержащий материал, и с использованием сырьевых материалов были изготовлены гранулы металлического железа путем нагревания и восстановления вышеназванных материалов, которые были смешаны вместе, чтобы иметь содержание углерода приблизительно 1%, 2%, 3% или 4%, эксперименты по нагреванию и восстановлению были проведены при следующих условиях.
| Таблица 1 | ||||||
| Углеродсодержащий материал | ||||||
| Территория производства | Наименование фирмы | Зольный компонент (массовых процентов) | Летучий компонент (массовых процентов) | Связанный углерод (массовых процентов) | Содержание серы (массовых процентов) | |
| Углеродсодержащий материал №1 | Продукция Канады | Gregg River | 9,36 | 21,25 | 69,39 | 0,334 |
| Углеродсодержащий материал №2 | Продукция США | Oak Grove | 8,8 | 19,6 | 71,6 | 0,53 |
| Углеродсодержащий материал №3 | Продукция Южной Африки | Optimum | 9,95 | 36,41 | 53,63 | 0,32 |
| Углеродсодержащий материал №4 | Графит | REAGENT | - | - | 100 | - |
| Углеродсодержащий материал №5 | Продукция Китая | SHANXI | 14,4 | 6,8 | 77,8 | 0,22 |
Для экспериментов была использована установка, состоящая из печи с инфракрасным нагревателем, в сочетании с лазерным микроскопом, отдельные гранулы сырьевого материала непрерывно нагревались до 1450°С при скорости повышения температуры 200°С/мин, в процессе повышения температуры непосредственно наблюдались поведение от восстановления до расплавления и характер образования пузырьков, и наблюдались температура образования газа и температура формирования первичного расплавленного шлака.
В этом случае, чтобы в конечном итоге получить металлическое железо, имеющее вышеназванное содержание углерода, принимая во внимание температуру формирования первичного расплавленного шлака, который образовывался при нагревании и восстановлении, степень металлизации при нагревании и восстановлении корректировалась так, чтобы должные отдельные температуры формирования первичного расплавленного шлака (или температуры расплавления шлака, при которых шлак был переведен в одно фазовое состояние, которое состояло только из жидкости) были получены основываясь на многокомпонентной фазовой диаграмме.
Результаты показаны в Таблице 2. Хотя температуры формирования первичного расплавленного шлака, отвечающие соответствующим значениям содержания углерода, до некоторой степени варьируют в зависимости от углеродсодержащих материалов, которые были использованы, металлическое железо, имеющее приблизительно заданное содержание углерода, может быть получено, когда отдельные температуры формирования первичного расплавленного шлака регулируются в пределах соответствующих приближенных температур.
| Таблица 2 | |||||
| Взаимосвязь между содержанием углерода в восстановленном железе и температурой формирования первичного расплавленного шлака | |||||
| Содержание углерода в полученном восстановленном железе (массовых процентов) | 1,1 | 2,04 | 2,98 | 4,26 | |
| Температура формирования первичного расплавленного шлака (°С) | Уголь из Канады | 1527 | 1423 | 1333 | 1259 |
| Уголь из США | 1538 | 1452 | 1342 | 1300 | |
| Уголь из Южной Африки | 1544 | 1413 | 1308 | 1294 | |
| Уголь из Китая | - | 1465 | 1360 | 1278 | |
| Графит | 1516 | 1407 | 1258 | 1205 | |
| В среднем | 1531 | 1432 | 1320 | 1266 |
Пример 2
Температура формирования первичного расплавленного шлака определяется шлакообразующими компонентами, содержащимися в сырьевых материалах, и количеством остаточного оксида железа, невосстановленного при нагревании и восстановлении; однако, когда шлакообразующие компоненты являются неподходящими, температура формирования первичного расплавленного шлака может быть снижена путем дополнительного добавления материала, содержащего шлакообразующий компонент.
Например, Фиг.3 представляет собой график, показывающий результат исследования влияния количества добавленного СаО на температуру формирования первичного расплавленного шлака. В вышеназванном исследовании когда заданная концентрация углерода в получаемом металлическом железе была установлена приблизительно на 3% в Примере 1, чтобы обеспечить соответствие температуры формирования первичного расплавленного шлака этой концентрации, в ходе приготовления смеси сырьевых материалов был дополнительно добавлен известняк как источник СаО в качестве материала, содержащего шлакообразующий компонент. Хотя два из материалов, использованных в Примере 1, были применены в качестве углеродсодержащего материала, в обоих случаях было понятно, что температура формирования первичного расплавленного шлака могла быть понижена, когда добавлялось должное количество СаО. В отдельных случаях значения содержания углерода в полученном металлическом железе составляли 1,8%, 1,7%, 2,9% и 3,5%, когда количества добавленного СаО в Таблице 3 составляли 0,3%, 0,4%, 2,0% и 4,0%, соответственно.
То есть с точки зрения обеспечения производительности процесса в операциях нагревания и восстановления, например, когда определяются профиль рабочих температур и/или времена пребывания в соответствующих зонах для нагревания, восстановления и тому подобного и когда желательно дальнейшее снижение температуры формирования первичного расплавленного шлака, температура формирования первичного расплавленного шлака может эффективно регулироваться путем дополнительного добавления шлакообразующего компонента, такого как СаО, в качестве добавки на стадии, когда смесь сырьевых материалов загружается, или в качестве шлакообразующего средства на стадии, когда смесь сырьевых материалов нагревается.
| Таблица 3 | |||||
| Температура формирования первичного расплавленного шлака в случае добавления СаО | |||||
| Количество добавленного СаО (массовых процентов) | 0,3 | 0,4 | 2,0 | 4,0 | |
| Температура формирования первичного расплавленного шлака (°С) | Уголь из Канады №1 | 1318 | - | 1224 | 1262 |
| Уголь из Канады №2 | - | - | 1206 | 1226 | |
| Уголь из Канады №3 | - | - | - | 1206 | |
| В среднем | 1318 | - | 1215 | 1231 | |
| Уголь из Южной Африки №1 | - | - | 1282 | 1194 | |
| Уголь из Южной Африки №2 | - | 1350 | 1244 | 1188 | |
| Уголь из Южной Африки №3 | - | 1320 | 1232 | 1178 | |
| В среднем | - | 1335 | 1253 | 1187 |
Пример 3
Согласно настоящему изобретению путем изменения свойств углеродсодержащего восстановителя (углеродсодержащего материала, используемого в качестве восстановителя) также могут регулироваться температура формирования первичного расплавленного шлака и/или количество остаточного невосстановленного оксида железа при нагревании и восстановлении. В этом примере показан случай, когда содержание СаО намеренно увеличено добавлением СаО к углеродсодержащему материалу, чтобы изменить температуру формирования первичного расплавленного шлака.
То есть нижеприведенная Таблица 4 показывает результаты исследования на предмет изменения температуры формирования первичного расплавленного шлака, каковые были получены при добавлении СаО в количествах, показанных в Таблице 4, к вышеупомянутым трем типам углеродсодержащих материалов для изменения содержания золы. Как очевидно из этой таблицы, температура формирования первичного расплавленного шлака явно снижается, когда должное количество СаО добавлено к углеродсодержащему материалу. В дополнение, поскольку известно, что ионы Са в СаО оказывают каталитическое действие как щелочь, повышая восстанавливающую способность углеродсодержащего материала, а также способствуют усилению его реакционной способности, представляется, что СаО также может быть использован для регулирования количества остаточного невосстановленного оксида железа при нагревании и восстановлении.
| Таблица 4 | ||||||||
| Количество СаО в известняке и температура формирования первичного расплавленного шлака | ||||||||
| Количество СаО в золе угля (массовых процентов) | 3 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 60 | |
| Температура формирования первичного расплавленного шлака (°С) | Уголь из Южной Африки | - | 1294 | - | 1269 | 1263 | 1237 | 1238 |
| Уголь из Канады | 1259 | - | - | 1269 | 1252 | 1234 | 1212 | |
| Уголь из США | 1299 | - | - | 1301 | 1253 | 1240 | 1227 |
Таким образом, как было описано, настоящее изобретение касается способа получения металлического железа из смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и материал, содержащий оксид железа, и этот способ имеет стадию определения целевой температуры формирования первичного расплавленного шлака, соответствующей заранее заданной целевой концентрации углерода в металлическом железе, при которой первичный расплавленный шлак, содержащий компонент пустой породы, невосстановленный оксид железа и зольный компонент углеродсодержащего восстановителя, первоначально образуется в смеси сырьевых материалов при его нагревании; стадию приготовления смеси сырьевых материалов с формированием состава первичного расплавленного шлака, соответствующего целевой температуре; и стадию нагревания смеси сырьевых материалов для восстановления и расплавления смеси сырьевых материалов и для получения первичного расплавленного шлака. Целевая температура формирования первичного расплавленного шлака может представлять собой конкретную температуру или температурный диапазон, имеющий конкретный верхний и нижний пределы. Кроме того, в соответствии с технологическим ограничением, обусловленным особенностями оборудования и/или стадий, вышеназванный термин «конкретная температура» может означать «температуру выше, чем наиболее низкая температура» в переменном диапазоне каждого композиционного состава шлакообразующего компонента. То же самое может быть справедливо для терминов «верхний предел» и «нижний предел» в вышеназванном температурном диапазоне. Соответственно этому может быть эффективно получено металлическое железо, имеющее заранее заданную концентрацию углерода.
При реализации вышеописанного способа на стадии приготовления шлакообразующий компонент может быть смешан с материалом, содержащим оксид железа. На стадии приготовления шлакообразующий компонент может быть смешан с углеродсодержащим восстановителем. Смесь сырьевых материалов далее может содержать дополнительный сырьевой материал, и на стадии приготовления шлакообразующий компонент может быть смешан с дополнительным сырьевым материалом. Перед стадией нагревания может быть выполнена стадия загрузки добавки, содержащей шлакообразующий компонент. В дополнение, на стадии нагревания может быть добавлено шлакообразующее средство, содержащее шлакообразующий компонент. В дополнение, вместо шлакообразующего средства может быть добавлен флюс, содержащий шлакообразующее средство, или может быть добавлено шлакообразующее средство, содержащее шлакообразующий компонент и флюс, содержащий шлакообразующий компонент. Другими словами, на любой из вышеназванных стадий целевую температуру можно регулировать путем добавления третьего шлакообразующего компонента.
При выполнении по меньшей мере одной из вышеописанных операций необходимый шлакообразующий компонент необязательно может быть добавлен в первичный расплавленный шлак на стадии, когда смесь сырьевых материалов готовится, загружается или нагревается, и в результате первичный расплавленный шлак может быть образован при целевой температуре.
Целевая температура может быть определена из многокомпонентной фазовой диаграммы, включающей компоненты пустой породы, невосстановленный оксид железа, остающийся при восстановлении, и зольный компонент углеродсодержащего восстановителя. Соответственно этому, когда индивидуальные композиционные составы шлакообразующих компонентов подбираются в пределах своих переменных диапазонов, может быть без труда определена целевая температура, которая соответствует наиболее низкой температуре формирования первичного расплавленного шлака в заданном композиционном диапазоне. Альтернативно, когда взаимосвязь между температурой формирования первичного расплавленного шлака и концентрацией углерода в металлическом железе исследуется заблаговременно, целевая температура также может быть определена по заданной концентрации углерода в соответствии с вышеназванной взаимосвязью. Соответственно этому может быть стабильно получено металлическое железо, имеющее заданную концентрацию углерода.
В дополнение, перед стадией нагревания далее может быть предусмотрена стадия регулирования заданного содержания невосстановленного оксида железа в первичном расплавленном шлаке и расчета заданной степени восстановления материала, содержащего оксид железа, соответственно заданному содержанию, и в стадии нагревания, пока степень восстановления материала, содержащего оксид железа, не достигнет заданной степени восстановления, может регулироваться профиль температуры нагревания или восстановительный потенциал, и одновременно может проводиться нагревание. Соответственно этому невосстановленный оксид железа, науглероженное железо, которое остается при нагревании и восстановлении, может быть непосредственно использовано в качестве носителя, переносящего углерод по направлению в сторону твердого восстановленного железа, и в результате эффективность получения металлического железа может быть улучшена в целом.
В дополнение, в стадии нагревания нагревание может быть выполнено основываясь на температуре плавления шлака, содержащего невосстановленный в стадии восстановления оксид железа. Соответственно этому может быть эффективно получено металлическое железо, даже когда количество невосстановленного оксида железа в расплавленном шлаке снижается, поскольку может быть обеспечено быстрое перемещение металлического железа в расплавленном шлаке даже на стадии, в которой протекает реакция восстановления.
Согласно настоящему изобретению, по сравнению с разработанным изобретателем способом, раскрытым в Патентном Документе 4, температура формирования первичного расплавленного шлака может регулироваться путем корректирования количеств компонентов пустой породы в смеси сырьевых материалов, зольного компонента в углеродсодержащем восстановителе и восстановленного оксида железа, остающегося при нагревании и восстановлении, каковое находится в немалом количестве. Соответственно этому может корректироваться концентрация углерода в полученном металлическом железе, и может быть эффективно получено металлическое железо, содержащее желаемую концентрацию углерода. В дополнение, согласно настоящему изобретению, как это было подробно описано, путем применения расплавленного железа, образованного из железооксидного материала (материала, содержащего оксид железа), которое переходит в расплавленный шлак из сырьевой минеральной руды, в качестве носителя углерода, применяемого для науглероживания твердого восстановленного железа, его науглероживание быстро развивается, расплавление может быть проведено при низкой температуре, и в результате может быть улучшена производительность, со снижением в то же время расхода тепловой энергии для получения металлического железа.
Настоящее изобретение содержит основной пункт формулы изобретения, касающийся Японской Патентной Заявки №2006-008743, поданной 17 января 2006 года, упомянутой здесь для сведения.
1. Способ получения металлического железа из смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и материал, содержащий оксид железа, включающий стадию определения целевой температуры формирования первичного расплавленного шлака, соответствующей заранее заданной целевой концентрации углерода в металлическом железе, с тем, что первичный расплавленный шлак, содержащий компонент пустой породы, невосстановленный оксид железа и зольный компонент углеродсодержащего восстановителя, первоначально образовывался в смеси сырьевых материалов при ее нагревании, стадию приготовления смеси сырьевых материалов с формированием состава первичного расплавленного шлака соответственно целевой температуре и стадию нагревания смеси сырьевых материалов для расплавления смеси сырьевых материалов, формирования первичного расплавленного шлака и для восстановления.
2. Способ по п.1, в котором на стадии приготовления шлакообразующий компонент смешивают с материалом, содержащим оксид железа.
3. Способ по п.1, в котором на стадии приготовления шлакообразующий компонент смешивают с углеродсодержащим восстановителем.
4. Способ по п.1, в котором смесь сырьевых материалов содержит дополнительный сырьевой материал, и на стадии приготовления шлакообразующий компонент смешивают с дополнительным сырьевым материалом.
5. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию введения добавки, содержащей шлакообразующий компонент, перед стадией нагревания.
6. Способ по п.1, в котором на стадии нагревания добавляют шлакообразующее средство, содержащее шлакообразующий компонент.
7. Способ по любому из пп.1-6, в котором целевую температуру определяют из многокомпонентной фазовой диаграммы, включающей компонент пустой породы, невосстановленный оксид железа, остающийся при восстановлении, и зольный компонент углеродсодержащего восстановителя.
8. Способ по любому из пп.1-6, в котором взаимосвязь между температурой формирования первичного расплавленного шлака и концентрацией углерода в металлическом железе оценивают заблаговременно, и целевую температуру устанавливают в зависимости от заданной концентрации углерода в соответствии с указанной взаимосвязью.
9. Способ по любому из пп.1-6, дополнительно включающий перед стадией нагревания стадию регулирования заданного содержания невосстановленного оксида железа в первичном расплавленном шлаке и расчета заданной степени восстановления материала, содержащего оксид железа, соответственно заданному содержанию, в котором в стадии нагревания, пока степень восстановления материала, содержащего оксид железа, достигает заданной степени восстановления, регулируют профиль температуры нагревания или восстановительный потенциал и одновременно выполняют нагревание.
10. Способ по любому из пп.1-6, в котором в стадии нагревания нагревание выполняют основываясь на температуре плавления шлака, содержащего невосстановленный при восстановлении оксид железа.
