金属铁的生产方法技术

当加热和还原含有氧化铁源和含碳还原剂的混合物以生产金属铁时，对通过加热和还原生成的固体金属铁有效地进行渗碳和熔化以在高热能效率下有效地生产金属铁颗粒。一种加热、还原和熔化含有含碳还原剂和含氧化铁的物质的原料混合物以生产金属铁的方法，其特征在于：控制生成的含有多组分体系脉石成分的矿渣的固液共存相中的液体含量，以加速生成的固体金属铁的熔化。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对通过加热和用诸如焦炭的含碳还原剂还原诸如铁矿石的氧化铁源生产金属铁的技术的改进，还涉及一种改进的方法，该方法能够通过简单处理将氧化铁有效地还原成为金属铁，能够将生产的金属铁有效地与作为脉石成分的混在铁矿石中的形成矿渣的成分分开，能够高产率地生产高纯度的金属铁颗粒。现有技术近年来，对直接生产铁的方法进行了大量研究，生产铁的方法是形成包含氧化铁源(如铁矿石)和含碳还原剂(如焦炭)的原料混合物，将前者加热，以用含碳还原剂还原氧化铁源中的氧化铁，然后将生产的金属铁与副产品矿渣成分分离，生成金属铁。本专利技术的专利技术人也对直接生产铁的方法进行了长期研究，研究的结果是开发了下述方法，并且还在继续研究。该方法包括在通过加热和还原包含含碳还原剂和氧化铁的坯体时，通过加热还原固态氧化铁，生成和产生金属铁壳体，继续固体还原，直到内部不再存在有氧化铁，继续加热，使产生的矿渣从金属铁壳体中流出，然后从矿渣中分离出金属铁。在进行上述方法时，部分金属铁壳体可能会熔化，因此，该熔融体将从金属铁壳体中流出。此时，为了熔化部分或全部金属铁壳体，来自于金属铁壳体中的含碳还原剂的炭可以溶解在金属铁中(这种现象有时称为“渗碳”)，这将降低金属铁壳体的熔点。将上述方法得到的高纯度的金属铁和生产的矿渣冷却、固化、将矿渣粉碎，用磁选或筛分的方法将固化的金属铁颗粒分类，或者通过加热和熔化使金属铁和矿渣分离，因为二者的比重不同，所以能够得到超过95质量％，或超过98质量％的高纯度物质。另外，公开的专利技术涉及一种进行还原固体氧化铁的方法，该方法能够尽可能少地减少生产的矿渣中的熔融FeO，其中由于熔融FeO对工艺炉的耐火材料造成的的侵蚀和/或腐蚀就难以发生，这正是在实际应用中从维护设备的角度考虑所希望上述方法能够实现的。在上述方法中，冷却和固化生产的金属铁和生产的矿渣、粉碎生产的矿渣及随后通过磁选或筛分法得到金属铁颗粒的方法与利用二者熔化后的比重差将二者分离的方法相比似乎更适用于大规模生产。即，在熔化和分离的方法中，必须在高温下加热熔化，因为需要大量的热能，另外，当将二者分离时，部分熔融铁在界面处夹持在熔融矿渣中，这可能会降低金属铁的产率。另一方面，在通过粉碎、磁选或筛分得到金属铁颗粒的方法中，不需要热量，另外，易于根据铁生产设备设计连续分离系统，并且可以使铁损失最小化。上述公开的专利技术强调的是在加热和还原步骤中，生成金属铁壳体，在壳体内形成高度还原气氛，由此进行有效地冶炼。但是，后来的研究证明当包括在原料坯体中的含碳还原材料燃烧产生的大量CO气体使原料坯体周围保持较高的还原气氛时，并非总是需要这种金属铁壳体。另一方面，在进行上述直接生产铁的方法时，为了促进金属铁的分离，已经提出了好几种对生产的矿渣组成进行控制的方法。例如，有一种用炼铁粉尘作为氧化铁源的方法，将其与含碳物质(含碳还原剂)及附加物质(如造渣剂)混合，控制生产的矿渣组成，使CaO/SiO2的比(碱性度)是1.4-1.6，将其加热并在1250-1350℃下还原，生成金属铁，然后使金属铁颗粒与低熔点的含有FeO的矿渣分离。但是，该方法是用炼铁粉尘作为氧化铁源的方法，对该方法中使用的碱性度的控制是在准备起始原料时进行的。在该方法中，没有认识到在加热和还原过程中生成的矿渣的性能，即，当产品矿渣变成固液共存状态的熔融状态时，这种性能将影响生成的金属铁的加速分离。另外，在该方法中，用低熔点的含有FeO的矿渣促进金属铁的分离，但是，从实际操作的观点考虑，用含有FeO的熔融矿渣的方法存在下述很多问题1)含有熔融FeO的熔融矿渣将极大地损坏炉膛的耐火砖； 2)熔融FeO与含碳物质接触，发生还原反应，该反应是吸热反应，使温度难以控制；和3)由于矿渣中熔融FeO与含碳物质之间的接触反应产生的金属铁以细颗粒形式分散在矿渣中，回收后将其和矿渣进行冷却和固化的操作将极为复杂。因此，需要在抑制在副产品矿渣中生成熔融FeO的同时有效地回收金属铁。还有一种方法，在将含有细粉铁矿石和固体还原剂的原料混合物装料到移动炉膛上，然后加热和将其还原生成金属铁时，先将细粉固体还原剂置于炉膛上，将原料铁矿石置于还原剂上的一小部分中，不直接与炉膛接触，在这样的条件下进行加热和还原，然后在炉膛上至少将还原的铁熔化一次。根据该方法，如本申请中所述的术语“置于一小部分中”的原因是防止含有由于加热和还原生成的金属铁和副产品矿渣的熔融物质熔融或粘结在炉膛表面上腐蚀炉膛。但是，进行上述方法时，为了形成这种小部分或将原料装入该小部分中，不仅需要复杂的设备，而且需要大量的细粉固体还原物质，从原料的生产效率的角度考虑，不认为该方法是一种实际可行的方法。另外，在该方法中，该小部分的形成将加速熔融和熔融物质在炉膛表面上的粘结，从而妨碍生成物质的排出。另外，在假设由于加热和还原生成的熔融物质将损坏炉膛的耐火材料的情况下，上述专利技术采用能够防止该损坏的措施。但是，从实际操作的角度考虑，相当重要的是要减少使用大量的细粉固体还原剂。另外，还要从经济和设备的设计方面考虑，需要形成降低矿渣本身对炉膛耐火材料的损坏的技术，以使即使在冷却和固化后，矿渣和金属铁也不会粘结在炉膛表面上。还有一种方法是控制原料中矿渣成分的碱性度范围为0.4-1.3，为了使氧化铁的还原度达到40-80％，在不低于在炉膛上进行加热和还原所需要的时间的1/3的时间内使温度控制在1200-1350℃，随后将还原的物质熔化。当制备原料时，通过计算对该方法中使用的碱性度进行控制，测定碱性度时，假定原料中所有的矿渣成分都是熔融的。但是，是否所有的矿渣成分都是熔融的取决于操作条件(特别是温度)。另外，不知道从矿渣开始熔化、经过固液共存状态到全部熔化的过程中动态特性如何影响生成的金属铁的分离条件及对炉膛耐火材料的侵蚀和/或腐蚀。根本没有认识到控制固液共存相中的液体含量(liquid fraction)或由此造成的金属铁的加速熔化。对于上述对含有氧化铁源和含碳还原剂的混合物进行加热、还原和熔化的技术，已经提出过许多建议。近来指出的包括上述情况的与相关技术有关的问题排列和概述如下1)在对含有氧化铁源和含碳还原剂的混合物进行加热、还原和熔化以生产金属铁时，必须形成一种技术，该技术在较低温度下能够熔化通过有效还原生成的固体金属铁，能够成功地将其与副产品矿渣分离，并且能够在较低温度下高效分离和回收高纯度的金属铁。2)为了得到上述技术，必须对通过加热和还原生成的固体金属铁渗碳，以在较低温度下加速金属铁的有效熔化，并且能够成功地将其与副产品矿渣分离，高效率地生产高Fe纯度的金属铁。这是为了保证对碳浓度性能的控制，碳浓度性能是将产品金属铁加以实际应用的一个重要因素，将其实际作为用于电炉等的炼钢材料是非常有利的。3)在相关技术中，如上所述，已经提出了多种通过碱性度等控制原料中矿渣成分的方法。它们都是用于最终的产品矿渣的。但是，如果在不将所有在加热和还原步骤中生产的整个矿渣熔化的情况下，能够将金属铁与所需的最小量的矿渣进行有效地熔融和分离，则其对炉膛耐火材料的不利影响将进一步降低，另外，从热效率和设备维护方面考虑也是有利的。4)众所周知，矿渣中的熔融FeO将极大地损坏炉膛的耐火材料。为了防止这种损坏，必须尽可能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过加热、还原和熔化含有含碳还原剂和含氧化铁的物质的原料混合物生产金属铁的方法，其特征在于：控制生成的含有多组分脉石成分的矿渣的固液共存相中的液体含量，以加速生成的固体金属铁的熔化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：日野光兀，小林勋，菊池晶一，
申请(专利权)人：株式会社神户制钢所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]