含金属原料的熔炼方法
阅读说明：本技术 含金属原料的熔炼方法 (Smelting method of metal-containing raw material ) 是由 佩特鲁斯·亨德里克·费雷拉·鲍威尔 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种熔炼含金属原料的方法。所述方法包括以下步骤：(1)将包含小颗粒含金属原料和小颗粒还原剂的团聚物送入反应器,所述团聚物在所述反应器内形成填充床；(2)通过将热还原气体逆流穿过所述填充床对所述团聚物进行熔炼,以形成包含部分还原的含金属组分、中间炉渣组分和夹带的未反应还原剂组分的熔融料；(3)引导所述熔融料流入容器,以形成金属产物和炉渣产物。(The present invention relates to a process for smelting a metalliferous feed material. The method comprises the following steps: (1) feeding agglomerates comprising small particulate metalliferous feed material and small particulate reductant into a reactor, the agglomerates forming a packed bed within the reactor; (2) smelting the agglomerates by passing hot reducing gas counter-currently through the packed bed to form a molten charge comprising a partially reduced metalliferous component, an intermediate slag component, and an entrained unreacted reductant component; (3) the molten material is directed to flow into a vessel to form a metal product and a slag product.)
技术领域
本发明涉及一种含金属原料的熔炼方法。
背景技术
近年来，直接还原方法变得越来越突出。直接还原是指矿石中作为原料的金属氧化物在矿石仍处于固态时被还原的方法。在常规方法中，还原的金属氧化物从直接还原方法转移到后续的熔炼方法，其中还原的金属氧化物被金属化，熔炼是指原料的还原和熔化。
应当理解，还原的金属氧化物将在从直接还原方法转移到熔炼方法时显著冷却。前述的还原金属氧化物的冷却将导致显著的能量损失，因为还原金属氧化物在熔炼方法中须被重新加热。
与常规直接还原方法和工艺设备相关联的另一个缺点是，只有当直接还原的产物保持固态时，才能对其进行处理。
美国专利3,033,673的题为“还原氧化铁的方法”公开了一种直接还原方法，其中团聚物中的金属氧化铁以固态还原。这种固态还原方法发生在该专利公开的竖式炉中。该专利还提出，将部分还原的金属氧化物在电炉中熔炼(即熔化)。换句话说，无论是团聚物还是团聚物中的金属氧化物都不会在竖式炉中熔化。
金属氧化物的熔化导致设备堵塞、能量转移减少和方法(即还原)效率降低。
这一缺点在已知的商业规模的方法中得到了例证。第一个实施例是昭和電工(Showa Denko)开发的直接还原技术，用于在高达1400℃的回转窑中直接还原铬矿。该方法中的温度限制是为了确保防止液相在窑中积聚，否则该方法将停止。在昭和電工方法中，必须让直接还原的产物冷却，以便机械转移到最终的电熔炉，在转移过程中，产物的温度通常会降至600℃。
作为另一个实施例，神户制钢(Kobe Steel)和米德雷克斯(Midrex)开发了一种快速熔炼(FastSmelt)方法，在该方法中，铁矿石的复合团聚物可以在转底炉中利用燃烧的粉煤直接还原。快速熔炼方法中的团聚物需要再次保持固态，以便从转底炉中取出。
神户制钢和米德雷克斯的进一步发展是ITMK3方法，在该方法中，使在较高的操作温度下在团聚物内部形成铁块，但同样的限制仍然存在，即团聚物需要保持固态，以便从转底炉中取出。冷却后，熔核在后续方法中熔化，并从转底炉转移，导致显著的能量损失。由于设备方面的挑战，这一发展没有取得商业上的成功。
除了上述缺点之外，应该理解的是，已知方法的另一个缺点是不能有效控制使金属氧化物金属化的所需的温度。这是因为需要创建非常高的温度区域，以使方法正常工作。这种已知的商业规模方法的实施例是矿热炉和鼓风炉，并且这些是迄今为止唯一用于商业生产合金如锰铁和铬铁的方法。在这些方法中缺乏有效的温度控制导致杂质在这些高温区被还原成产物合金，例如硅、锰和硫，这些杂质会污染最终产物。
申请人已知美国专利3,832,158的题为“在化铁炉型容器中由金属氧化物颗粒生产金属的方法”。该专利描述了一种利用焦炭床燃烧方法中产生的热量熔炼(即熔化)含有金属氧化物的团聚物的方法。众所周知，焦炭极其昂贵，并且经常使得金属氧化物的大规模熔炼不具有竞争力。
发明目的
因此，本发明的一个目的是提供一种熔炼含金属原料的新型方法，该方法至少部分克服了上述缺点，和/或该方法将是现有熔炼含金属原料方法的有用替代方法，同时允许在熔融状态下处理还原产物。
发明内容
根据本发明，提供了一种熔炼含金属原料的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将包含小颗粒含金属原料和小颗粒还原剂的团聚物送入反应器，所述团聚物在所述反应器内形成填充床；
(2)通过将热还原气体逆流穿过所述填充床对所述团聚物进行熔炼，以形成包含部分还原的含金属组分的熔融料、中间炉渣组分和夹带的未反应还原剂组分；
(3)引导所述熔融料流入容器，以形成金属产物和炉渣产物。
在当前的上下文中，与粒度相关的提及的小颗粒是指颗粒尺寸小于或等于6mm，优选小于75μm。
所述容器与所述反应器分离并与所述反应器流体流动连通。
所述方法还可以包括向所述容器中的熔融料施加电能的步骤，以进一步还原所述部分还原的含金属组分，形成优化的液态金属产物和最终炉渣产物，所述熔融料中夹带的未反应还原剂组分用作还原剂。以这种方式，可以获得部分还原的含金属组分的高度金属化。该方法中含金属原料的金属化程度可高达98％。与传统的熔炼方法相比，炉渣中夹带的未反应的还原剂组分使含金属组分具有更高的还原度。
可以控制向所述熔融料施加的电能，以调整所述熔融料的温度，从而形成所述优化的液态金属产物和所述最终炉渣产物，所述优化的液态金属产物和所述最终炉渣产物适于从所述容器中出料。
熔融料中夹带的未反应还原剂组分使熔融料中存在的部分还原的含金属组分完全还原。
可以控制所述团聚物的组成以降低所述填充床中所述团聚物的熔化温度，从而提高所述团聚物的熔化速率，并降低小颗粒含金属原料的还原度。
可以控制所述团聚物的组成以提高所述填充床中所述团聚物的熔化温度，从而降低所述团聚物的熔化速率，并提高所述小颗粒含金属原料的还原度。
可以控制团聚物的组成以提高填充床中团聚物的熔化温度，从而降低团聚物的熔化速率并提高小颗粒含金属原料的还原度。
热气体应该为CO/CO2比大于5、优选大于10的还原气体，以避免含金属组分的再氧化。
热还原气体可以在高于1200℃、优选高于1350℃，最优选高于1600℃的温度下穿过填充床，所述温度取决于所生产的金属产物。
所述填充床可以包括流体可渗透界面，所述流体可渗透界面位于相对于将所述团聚物送入所述反应器的区域的可操作下游位置，所述流体可渗透界面允许所述热还原气体从其中穿过并穿过所述团聚物填充床。流体可渗透界面可以是反应器中填充床的可操作的底部区域。
填充床可以在侧壁方向改变的位置悬挂在所述反应器的所述侧壁上。
或者，在所述反应器中使用障碍物对所述填充床进行悬挂，所述障碍物位于相对于所述团聚物被送入所述反应器的区域的可操作的下游位置。所述障碍物可以为耐火的可渗透床。或者，所述障碍物可以为焦炭颗粒的可渗透床。
团聚物可以包括熔剂。熔剂可以与团聚物同时或分开送入反应器。
团聚物可以包括粘合剂。
本发明还提供了向所述容器中的熔融料添加额外的还原剂的步骤。
本发明提供了电能通过浸没在所述熔融料的容器中的的电极施加到所述熔融料中。
通过所述熔融料中所述部分还原的含金属组分和未反应的夹带的还原剂组分之间的电化学反应形成优化的液态金属产物和最终炉渣产物，所述中间炉渣组分用作电解质。以这种方式，与已知的现有技术方法相比，可以实现非常高的含金属原料，例如金属氧化物的金属化程度，其中通过本发明的方法实现的金属化程度可以达到98％。
可控制含金属原料在团聚物填充床中的停留时间，以影响反应器中含金属原料的还原度。
可控制反应器和容器中的操作温度，以选择性地金属化含金属原料中的第一目标金属，从而使金属化的第一目标金属转化为优化的液态金属产物，并使非目标金属转化为最终的炉渣产物。
本发明提供了在后续方法中作为含金属原料而提供的最终炉渣产物，该后续方法为根据本发明的方法，其中控制后续方法中反应器和容器中的操作温度以选择性地金属化含金属原料中的第二目标金属，从而使金属化的第二目标金属转化为后续方法的液态金属产物，剩余的非目标金属转化为后续方法的最终炉渣产物。
产生的最终炉渣产物可以被转移用于进一步加工。
热还原气体的温度可以设定在目标温度。
可以控制电能输入，以达到目标液态金属产物和最终炉渣产物温度。
附图说明
下面仅通过非限制性实施例并参考附图来描述本发明的实施方式，其中，
图1是本发明方法的示意图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的数字表示相同的特征，根据本发明的用于熔炼含金属原料的方法通常用附图标记10表示。
熔炼含金属原料10的方法包括步骤：
(1)将包含小颗粒含金属原料(未示出)和小颗粒还原剂(未示出)的团聚物(未示出)进料至反应器12，团聚物在反应器12内形成填充床14；
(2)通过使热还原气体逆流通过填充床对所述团聚物(未示出)进行熔炼，以形成包含部分还原的含金属组分(未示出)、中间炉渣组分(未示出)和夹带的未反应还原剂组分(未示出)的熔融料(未示出)；和
(3)引导熔融料流入容器26，以形成液态金属产物16和最终炉渣产物18。
通常，含金属原料是开采的金属氧化物。然而，含金属原料可以是任何含金属氧化物的材料。
该团聚物通过重力被送入反应器12，以形成团聚物的流体可渗透的填充床14。团聚物填充床14在反应器12中堆积在2米至3米高。理想地，团聚物的直径在10毫米和20毫米之间，但是方法10可以容纳直径在2毫米和80毫米之间甚至更大的团聚物。方法10的一个优点是，由于反应器12中填充床14的高度较低，可以利用具有有限强度并因此有限的或没有粘结剂含量的团聚物。含金属原料分散在团聚体中，并且优选粒度小于75μm的小颗粒材料。可以理解的是，团聚物可以包括粘结剂(binder)或粘合剂(binding agent)，是否使用粘结剂或粘合剂取决于方法10中使用的团聚物的尺寸和/或团聚物填充床14在反应器12中堆叠的高度。此外，团聚物可以包括熔剂或助熔剂。
在该实施例中，填充床14中的团聚物通过使热还原气体(未示出)以逆流方式穿过而被熔化。热还原气体在团聚物填充床14的可操作下游位置20处被送入反应器12，并与团聚物被送入反应器12的方向逆流。热还原气体以3-4m/s的速度送入反应器12中，使得热还原气体渗透(permeates)穿过团聚物填充床14。热还原气体的温度被控制在1300℃以上和1700℃以下，这取决于团聚物填充床14中所需的含金属原料材料的类型和还原度。
举例来说，当含金属原料材料是氧化铁时，热还原气体将在比含金属原料材料是氧化铬的情况更低的温度下送入反应器12。重要的是，用于熔炼氧化铁的热还原气体的温度可以设定为低于氧化硅和硫化物还原的温度，这将确保生产出高纯度生铁。热还原气体通常是合成气，优选的，其一氧化碳与二氧化碳(CO/CO2)的比例大于10，优选15。随着热还原气体渗透(pervade)穿过团聚物填充床14，含金属原料部分还原成其金属形式。这里，控制合成气的CO/CO2比例，以防止在团聚物填充床14和反应器12中还原的含金属原料发生再氧化。
除了部分还原团聚物中的含金属原料外，热还原气体熔化团聚物，从而形成包含部分还原的含金属组分、中间炉渣组分和夹带的未反应还原剂组分的熔融料；夹带的未反应还原剂组分从团聚物中流出。本发明方法的优点是团聚物的熔化温度可控。控制团聚物的熔化温度会控制含金属原料在反应器12中的停留时间，即控制形成的熔融料流出填充床14的速率。反过来，控制含金属原料在反应器12中的停留时间会控制在反应器中发生的含金属原料的还原度。
本发明的另一个显著优点是，通过控制或调控团聚物的组成，可以控制或调控团聚物的熔化温度。因此，可以控制反应器12中团聚物的熔化速率和小颗粒含金属原料的还原度。例如，通过降低团聚物的熔化温度，使团聚物的熔化速率提高，反应器12中含金属原料的还原度降低。反过来，通过提高团聚物的熔化温度，使团聚物的熔化速率降低，并提高了反应器12中含金属原料的还原度。应当理解，上述步骤将决定团聚物和含金属氧化物的含金属原料在反应器12中的停留时间。因此，可以控制团聚体中存在的金属氧化物的还原度，这有助于优化盈利能力。
团聚物的熔化温度由团聚物及其组分的多个物理和化学特性控制。例如，团聚物的熔化温度可以通过向其中加入熔剂或助熔剂来提高。含金属原料的性质或类型也会影响团聚物的熔化温度；即，在所有其他条件相同的情况下，含氧化铁的团聚物在比含氧化铬的团聚物更低的温度下熔化。
因此，团聚物在反应器中的停留时间以及含金属原料的还原度可以被控制，这取决于以下任何一项或其组合：
-含金属原料和/或团聚物的熔化温度，其由以下条件控制：
i.添加到团聚物中的熔剂或助熔剂的数量和性质；
ii.添加到团聚物中的粘合剂或粘合试剂的数量和性质；以及
iii.矿石类型的选择。
-热还原气体被送入团聚物填充床14的温度；和
-团聚物的尺寸。
流体可渗透界面形成在填充床14的可操作下部区域。流体可渗透界面使得：(i)热还原气体从其中穿过并进入团聚物填充床14，以及(ii)熔融料流出并离开团聚物填充床14。在图1所示的实施方式中，流体可渗透界面形成于邻近反应器12中的障碍物22。图1的障碍物22为耐火的多孔床。然而，障碍物22也可以为焦炭颗粒的多孔床。
穿过可渗透流体界面和团聚物填充床14的热还原气体的压降被最小化，通常在5至10千帕的量级。热还原气体在通过团聚物的填充床14后，其温度通常低于300℃。
当热还原气体穿过流体可渗透界面并从团聚物填充床14流至容器26后，将电能施加到熔融料中。通过向熔融料添加电能，熔融料中部分还原的含含金属组分被金属化，并且形成优化的液态金属产物16和最终浓缩的炉渣产物18。电能通过浸没在熔融料中的一个或多个电极24施加到熔融料中。
在本发明的一个实施方案中，优化的液态金属和最终炉渣产物通过部分还原的含金属组分和夹带的未反应还原剂组分之间的电化学反应形成，中间炉渣用作电解质。与现有技术中已知的常规熔炼相比，这使金属化达到更高的水平。
有利的是，容器26与反应器12流体流动连通，从而使熔融料从部分还原反应到在电化学反应中熔化的转移方法中的热损失最小化。此外，额外的还原剂(未示出)可以在熔融料经受电化学反应之前或同时添加到熔融料中。
在本发明的方法10中实现的一个主要突破是，它允许用热合成气处理矿石，同时进一步使产物熔化，并且具有可以将熔化的材料转移到另一个容器中用于生产液态金属产物和最终炉渣产物的方法设计。因此，本发明的方法10表明，事实上，与本领域技术人员所知晓的，即像铬和锰这样的矿石不能通过商业生产的热气体来熔炼相反，这些矿石可以通过使用本发明的方法10使用这种气体来熔炼。
本发明的方法10还提供了主要的优点，即工艺反应温度可以控制在所需的温度，这又允许金属组分被还原到选定的目标温度，同时避免对存在的杂质进行还原。
本领域技术人员将会理解，本发明不限于这里描述的精确细节，并且在不脱离本发明的范围的情况下，许多变化都是可能的。因此，本发明扩展到其范围内所有功能等同的处理设备、结构、方法和用途。特别地，所提供的方法步骤不一定需要顺序执行。此外，设想提供的方法的步骤不一定需要按这里列出的顺序执行。
该描述仅以实施例的方式呈现，其目的在于提供对本发明的原理和概念方面最有用和最容易理解的描述。在这点上，除了对本发明的基本理解所必需的之外，未详细地示出本发明和/或其中使用的设备的结构细节。这里使用的词语是描述和说明性的词语，而不是限制性的词语。
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