專利名稱：金屬鐵的制法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及所謂直接還原煉鐵法的改良，S卩加熱鐵礦石的氧化鐵和煤等的碳質(zhì)還原劑的混合球團等而還原氧化鐵來制造金屬銑鐵的技術的改良，詳細地說，就是以通過上述制造過程中的機理分析而得到的新的認知為基礎，向金屬鐵制造工藝中導入新的控制方法。
背景技術：
直接還原煉鐵法與高爐法相比較，作為能夠以絕對性地小規(guī)模且節(jié)能的條件下實施的劃時代的煉鐵法正在發(fā)展，近年來被稱為ITmk3(第三代煉鐵法)的優(yōu)異的制法得到確立。現(xiàn)在，實際工廠的建設和根據(jù)該裝置所制造的粒狀金屬鐵(通稱為鐵粒)的商品化(例如作為電爐煉鋼用的鐵源的利用)被推進。若簡單地說明該方法，則其能夠使用在高爐法中難以使用的煤作為碳質(zhì)還原劑，以其中加入鐵礦石等氧化鐵的混合物的球團作為原料， 借助由該球團中的碳質(zhì)還原劑生成的還原性氣氛來還原氧化鐵，由此在該球團上使金屬鐵外皮生成且生長，進行固體狀態(tài)下的還原，直至球團中實質(zhì)上不再存在氧化鐵，再繼續(xù)加熱而使其內(nèi)部作為副產(chǎn)物生成的熔渣流出到金屬鐵外皮的外側。將如此得到的金屬鐵和熔渣冷卻固化，粉碎熔渣并且通過磁選或篩選區(qū)分凝固成粒狀的金屬，或者加熱熔融，根據(jù)比重差分離成鐵水和熔渣，若是如此，則能夠得到作為金屬鐵為95質(zhì)量％以上，更高為98質(zhì)量％以上的高純度的制品。在實施上述方法時，通過使經(jīng)過加熱還原而生成的金屬鐵外皮進一步加熱熔融， 使內(nèi)部的熔融渣向金屬鐵外皮之外流出，但從節(jié)能的觀點出發(fā)，為了使金屬鐵外皮以盡可能低的溫度熔融，優(yōu)選向構成金屬鐵外皮的鐵的晶格內(nèi)供給/滲入碳(以下僅稱為“滲碳”) 而成為碳含量多的鐵，由此使該金屬鐵外皮的熔融降低。關于這種煉鐵法，本發(fā)明者們早先提出過專利文獻1、專利文獻2所述的方法，其后又對于直接還原煉鐵法的改良進行了研究。專利文獻1所述的技術，是以如下內(nèi)容為要點的方法即，對于上述球團狀原料混合物通過加熱/還原/熔融而制造金屬鐵時，控制含有多成分系脈石成分的生成熔渣的固液共存相中的液相率，由此促進向金屬鐵外皮中的滲碳，從而使金屬鐵的熔點降低。在該方法以前的現(xiàn)有技術中，從來自鐵礦石等的脈石成分全部熔融時的熔點這一觀點出發(fā)，提出調(diào)節(jié)作為副產(chǎn)物生成熔渣的堿度的控制方法，但根據(jù)專利文獻1的方法，期待于在生成熔渣中部分存在的液相的作用，而不是產(chǎn)生使熔渣的全部熔融的狀態(tài)，由于其一部分液化，導致所形成的狀態(tài)是，液相率高的熔渣與碳質(zhì)還原劑共存，如果是這樣，則可確認向作為固體的金屬鐵外皮的滲碳高效率地進行。其機理被認為是，通過提高熔渣成為固液共存狀態(tài)時的液相率，該液相部分發(fā)揮出載體的作用，通過碳質(zhì)還原劑使液相熔渣中的氧化鐵熔融還原，所得到的含碳熔融鐵潤濕金屬鐵的表面而進行接觸，由此使?jié)B碳得到促進。專利文獻2在著眼于上述生成熔渣這一點上相同，該方法其基本思想是以如下內(nèi)容為要點即，控制該熔渣中的升溫過程的初期階段的初期熔融渣的生成溫度。該方法的所謂初期熔融渣的生成溫度，是根據(jù)由如下三者構成的多元成分系平衡相圖決定的值存在于原料混合物球團中的鐵礦石中的脈石成分；碳質(zhì)還原劑中的灰分；還原中途階段或作為未還原成分氧化鐵。即，在現(xiàn)有的直接還原煉鐵方法中，將進行固體狀態(tài)下的還原，直至球團中實質(zhì)上不存在氧化鐵作為指標之一，而在該方法中，將未還原而殘存的氧化鐵納入多成分系平衡相圖并加以控制。在此，未還原的氧化鐵熔融而熔渣化，被碳還原而生成碳飽和鐵，該碳飽和鐵成為碳的載體而促進滲碳。作為專利文獻2的具體實施中的控制目標，是決定最終得到的金屬鐵的目標碳濃度，基于上述多成分系平衡相圖計算初期熔融渣的生成溫度。如果有需要，則也能夠再添加其他脈石成分來控制初期熔融渣的生成溫度。在該方法中，結果所能夠得到的成果是，能夠?qū)⑷墼某跗谌廴跍囟瓤刂频玫?，由此可以實施更低溫下的操作，其結果是能夠進行更低溫下的滲碳，使金屬鐵的熔點快速降低，能夠有助于操作整體的節(jié)能，并且通過控制碳濃度，還能夠得到的優(yōu)點是，根據(jù)碳含量調(diào)節(jié)制品金屬鐵的品質(zhì)。先行技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2005-048197號公報專利文獻2 日本特開2007-191736號公報但是，本發(fā)明者們對于上述的滲碳過程更深入進行研究的結果是，以往基本上前提是以氣體滲碳和經(jīng)由熔融氧化鐵的滲碳發(fā)揮中心的作用，但進一步研究直接還原工序中的動態(tài)的機理時，則加深了如下認識，即作為新的視點，需要重視由I^e3C進行的滲碳這一步驟的控制法的確立。因此，進一步對于控制由!^e3C進行的滲碳的方法進行研究時，設想到可以根據(jù)所使用的煤的品位控制滲碳的方法，從而完成了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
S卩，本發(fā)明伴隨由!^e3C進行滲碳這一機理的發(fā)現(xiàn)，著眼于有助于!^e3C生成的碳質(zhì)還原劑，具體來說，其目的在于確立一種具體的方法，就是著眼于來自碳質(zhì)還原劑的CO、 CO2, H2這樣的氣體成分，從而能夠控制滲碳。本發(fā)明的要旨如下所示。(1) 一種加熱、還原含有碳質(zhì)還原劑和含氧化鐵物質(zhì)的原料混合物來制造金屬鐵的方法，其中，所述碳質(zhì)還原劑含有20 60質(zhì)量％的揮發(fā)成分，所述碳質(zhì)還原劑產(chǎn)生的氣體為CO-CO2-H2系氣體，并包括如下工序在含有所述CO-CO2-H2系氣體的氣氛下加熱所述原料混合物，從而生成固體I^e3C的工序；熔融該!^e3C的工序；和經(jīng)由該熔融!^e3C對還原鐵滲碳的工序。(2)根據(jù)上述(1)所述的金屬鐵的制法，其中，作為所述碳質(zhì)還原劑，使用一種或兩種以上的碳質(zhì)物質(zhì)，使所述CO-CO2-H2系氣體的H2/C0摩爾比為2 4。(3)根據(jù)上述⑴或(2)所述的金屬鐵的制法，其中，所述生成固體!^e3C的工序， 包括在300 1147°C的溫度區(qū)域保持所述原料混合物5 60分鐘的工序，所述熔融!^e3C 的工序，包括至少加熱溫度到達1250°C為止，以100K/分以上的速度升溫的工序。(4)根據(jù)上述⑴ (3)中任一項所述的金屬鐵的制法，其中，在所述熔融!^e3C的工序后，還包括升溫至1300 1500°C的溫度區(qū)域的工序。(5)根據(jù)上述(1) 中任一項所述的金屬鐵的制法，其中，在所述生成固體 Fe3C的工序之前，包括使所述碳質(zhì)還原劑揮發(fā)成分氣化而生成CO-CO2-H2系氣體的工序。(6)根據(jù)上述⑴ (5)中任一項所述的金屬鐵的制法，其中，包括在原料混合物中添加溶劑，使所述還原鐵的制造過程中作為副產(chǎn)物生成的熔渣的CaO/SiA的值為0. 6 1. 2。(7)根據(jù)上述⑴ (5)中任一項所述的金屬鐵的制法，其中，包括使原料混合物的最高加熱溫度，低于在所述還原鐵的制造過程中作為副產(chǎn)物生成的熔渣的熔融溫度，破碎原料混合物，通過磁選從固體狀的熔渣和粒狀鐵的混雜物回收粒狀鐵的工序。(8)根據(jù)上述(1) (5)中任一項所述的金屬鐵的制法，其中，在制成原料混合物前，干餾所述碳質(zhì)還原劑，將揮發(fā)成分調(diào)整到20 60質(zhì)量％。在本發(fā)明中，與現(xiàn)有的方法相比，可以使用更常用的碳質(zhì)物質(zhì)，并且可以在比以往更低的操作溫度進行還原操作，高效果地將氧化鐵還原成金屬鐵并且進行滲碳，在更低溫側從熔渣高效率地分離生成的高含碳金屬鐵，能夠以高產(chǎn)出率制造碳濃度得到控制的金屬鐵。


圖1是例示移動爐床式加熱還原爐的概略工序說明圖。圖2是表示ΡΗ2/Ρα^Π來自原料混合物的生成物的質(zhì)量比的關系的圖。圖3是表示!^e-C-H-O系的亞穩(wěn)相的圖。圖4是表示原料混合試料的反應時間和還原鐵的熔融開始溫度等的關系的圖。圖5是表示原料混合試料的反應時間和還原鐵的熔融開始溫度等的關系的圖。圖6是以!^e-C 二元系相圖表示還原鐵的熔融溫度和總碳量的關系的圖。圖7是表示鐵-碳系的穩(wěn)定系、亞穩(wěn)系的狀態(tài)的圖。
具體實施例方式本發(fā)明是以加熱鐵礦石等氧化鐵和煤等的碳質(zhì)還原劑的原料混合物而還原氧化鐵制造金屬鐵的技術，所謂直接還原煉鐵法為基礎，特別是在如下點具有特征，即通過調(diào)整碳質(zhì)還原劑的揮發(fā)成分，從原料混合物高效率地生成!^e3C,經(jīng)由該!^e3C使向還原鐵的滲碳速度提高。具體來說，本發(fā)明涉及如下金屬鐵的制法(1)是加熱、還原含有碳質(zhì)還原劑和含氧化鐵物質(zhì)的原料混合物來制造金屬鐵的方法；(2)碳質(zhì)還原劑含有20 60質(zhì)量％的揮發(fā)成分；(3)使碳質(zhì)還原劑產(chǎn)生的氣體為CO-CO2-H2系氣體；(4)包括如下工序在含有 CO-CO2-H2系氣體的氣氛下加熱所述原料混合物，從而生成固體!^e3C的工序；熔融該!^e3C的工序；和經(jīng)由熔融!^e3C對還原鐵滲碳的工序。以下，就其詳情按(1) 的順序進行說明。(1)加熱、還原原料混合物而制造金屬鐵的方法在本發(fā)明的金屬鐵的制造中，含有碳質(zhì)還原劑和含氧化鐵物質(zhì)的原料混合物，是碳質(zhì)還原劑和含氧化鐵物質(zhì)的直接混合粉體，或經(jīng)后述的團塊化機構團塊化而成。作為團塊化機構，使用壓塊用壓力機(滾輪壓力機、輥式壓制機、環(huán)-輥壓力機)等，除了使用壓力機以外，還能夠使用壓出機、旋轉型造粒機(盤式造粒機、圓筒造粒機等)等公知的各種設備。團塊物的形狀沒有特別限制，能夠采用塊狀、粒狀、煤餅狀、顆粒狀、棒狀等各種形狀。將上述團塊物還原熔融而制造粒狀金屬鐵，對于具體的還原熔融方法沒有特別限定，使用公知的還原熔融爐即可。以下，列舉的示例是使用移動爐床式加熱還原爐制造粒狀金屬鐵的情況，但并沒有限定為此的意思。圖1是例示移動爐床式加熱還原爐的概略工序說明圖，顯示的是旋轉爐床式的加熱還原爐。在旋轉爐床式加熱還原爐A中，上述團塊物1和優(yōu)選作為底層爐料被供給的粉粒狀的碳質(zhì)物質(zhì)2，通過裝料漏斗3，被連續(xù)地裝入到旋轉爐床4上。更詳細地說，在團塊物 1裝入之前，預先從裝料漏斗3裝入粉粒狀的碳質(zhì)物質(zhì)2鋪設在旋轉爐床4上，在其上裝入團塊物1。在圖示例中，顯示的是團塊物1和碳質(zhì)物質(zhì)2的裝入共用一個裝料漏斗3的例子，但當然也可以使用兩個以上的漏斗裝入它們。另外，作為底層爐料被裝入的碳質(zhì)物質(zhì)2，在提高還原效率，并且調(diào)節(jié)所得到的粒狀金屬鐵的鄰域的還原性氣氛而增進低硫化上也極其有效，但根據(jù)情況也可以省略。圖示的旋轉爐床式加熱還原爐A的旋轉爐床4沿逆時針方向旋轉，雖然根據(jù)操作條件而有所不同，但大約10至20分左右旋轉1圈，其間在團塊物1中所含的氧化鐵被固體還原，同時生成i^3C。關于詳情后述，若通過升溫!^e3C熔融，則其與殘留碳質(zhì)還原劑一起對于還原鐵進行滲碳，熔點降低，凝集成粒狀，并且與作為副產(chǎn)物生成的熔渣分離，由此成為粒狀金屬粒。即，該還原爐A的旋轉爐床4的上方側壁和/或爐頂部設有多個燃燒器5，通過該燃燒器5的燃燒熱或其輻射熱向爐床部供給熱量。被裝入到由耐火材構成的旋轉爐床4上的原料混合物1，在該爐床4上、于還原爐 A內(nèi)做周向移動，其間被來自燃燒器5的燃燒熱和輻射熱加熱，在通過該還原爐A內(nèi)的加熱帶期間，該團塊物1內(nèi)的氧化鐵被固體還原/滲碳后，一邊與作為副產(chǎn)物生成的熔融渣分離，并且一邊受到由殘余的碳質(zhì)還原劑進行的滲碳而軟化，凝集成粒狀而成為粒狀金屬鐵 9，在旋轉爐床4的下游側區(qū)段被冷卻固化后，由螺桿等排出裝置6從爐床上排出。圖1中 7表示排氣管道，8表示漏斗。若在旋轉爐床上的加熱還原進行，團塊物中的氧化鐵的還原大致完畢，則生成相當于純鐵的高鐵純度的還原鐵，但是在加熱還原工序中生成的還原鐵粒子，被在團塊物內(nèi)生成的熔融I^e3C(詳情后述)以及殘余的碳質(zhì)還原劑急速地滲碳。于是，還原鐵中[C]量增加，隨之而來的是熔點大幅降低，在1147°C開始熔融，進一步加熱(例如1300 1500°C ) 時，微細粒狀的還原鐵彼此相互凝集，由此最終成為大粒的粒狀金屬鐵。在該熔融-凝集過程中，團塊物內(nèi)所含的熔渣形成成分也熔融，一邊相互凝集一邊與粒狀金屬鐵分離。還有， 即使凝集進行而粒狀金屬鐵不一定大?；?，在金屬鐵小粒的狀態(tài)下，也可以破碎(粉碎)隨熔渣一起冷卻固化的混合物，通過磁選取出金屬鐵小粒。(2)揮發(fā)成分20 60質(zhì)量％為了有效地使有助于!^e3C生成的CO-CO2-H2系氣體發(fā)生，作為碳質(zhì)還原劑使用具有揮發(fā)成分的。為了有效地使CO-CO2-H2系氣體的這一效果發(fā)揮，需要碳質(zhì)還原劑含有揮發(fā)成分20質(zhì)量％以上。揮發(fā)成分的下限值優(yōu)選為25質(zhì)量％以上，更優(yōu)選為30質(zhì)量％以上。另一方面，若揮發(fā)成分的含量過多，則還原效率降低，因此揮發(fā)成分的上限值例如優(yōu)選 60質(zhì)量％，更優(yōu)選為55質(zhì)量％以下，進一步優(yōu)選為50質(zhì)量％以下。作為碳質(zhì)還原劑，可以使用滿足所述揮發(fā)成分的含量的一種碳質(zhì)還原劑，也可以混合揮發(fā)成分的含有率不同的兩種以上的碳質(zhì)物質(zhì)(例如煙煤、褐煤等)，從而調(diào)節(jié)揮發(fā)成分的含有比例。另外，使用揮發(fā)成分的含量率高的碳質(zhì)物質(zhì)時，在制成原料混合物之前，也可以至少將其一部分裝入干餾爐進行干餾，以調(diào)節(jié)揮發(fā)成分使之達到20 60質(zhì)量％。(3) CO-CO2-H2 系氣體(a)如上述，CO-CO2-H2系氣體有效地有助于!^e3C的生成，用于金屬鐵的制造工序中的氣氛氣體。在本發(fā)明中，所謂CO-CO2-H2系氣體，意思是含有CO氣、(X)2氣、H2氣合計95 摩爾％以上的氣體。CO氣、CO2氣、H2氣的合計量優(yōu)選為98摩爾％以上，更優(yōu)選為99摩爾％ 以上。本發(fā)明者們不僅使用CO-CO2-H2系氣體，而且在使用CO氣、CO-CO2系氣體進行了各種實驗時，在這些氣體系下也確認到I^e3C的生成，但與使用CO-CO2-H2系氣體的情況相比較，F(xiàn)e3C的生成效率不良。(b)根據(jù)本發(fā)明者們的研究表明，為了更高效率地生成Fe53C,優(yōu)選使CO-CO2-H2系氣體中的H2氣和CO氣的摩爾比(H2/C0)調(diào)節(jié)到一定的范圍內(nèi)。圖2是在含有碳質(zhì)還原劑和含氧化鐵的原料混合物放置的氣氛中，著眼于吐氣和CO氣，調(diào)查摩爾比( 的分壓Ph2/ CO的分壓PJ與來自所述原料混合物的生成物^^!^{、(^^煤煙))的質(zhì)量比的關系的實驗結果。溫度條件為900[K] (627[°C])。由圖2可知，關于煤煙的生成比例，ΡΗ2/Ρω的值為1時最多。關于C含量非常高而達到6. 7質(zhì)量％的!^e3C的生成舉動，如果從一般的觀點出發(fā)，則認為顯示出與煤煙的生成同樣的傾向，但出乎預料是I^e3C的生成比例極大的情況不是PH2/Pro的值為1時，而是高兩個點的3時。根據(jù)以上，如果至少使ΡΗ2/Ρω的值為2 4，則能夠高效率地生成i^3C。為了如此調(diào)節(jié)還原氣氛的分壓，可以將揮發(fā)成分的含量滿足前述分壓的條件的一種碳質(zhì)物質(zhì)， 或發(fā)揮發(fā)成分含量的比例不同的兩種以上的碳質(zhì)物質(zhì)(例如煙煤、褐煤等)混合使用。還有，CO氣和CO2氣之中，使用CO氣的分壓規(guī)定上述范圍的理由如下。CO2氣從碳質(zhì)還原劑中所含的氧生成而獲得，但若CO2氣多，則阻礙從F^O3向Fi53O4的還原，即，在阻礙 I^e3O4的生成的方向上起作用。圖3是表示 ^-C-H-O系的亞穩(wěn)相(壓力1.013Χ105[Ι^]，溫度800[Κ])的圖。圖3的左側為H2的含有比，右側為氧的含有比，上側未圖示，但表示碳的含有比。由圖3可知，在⑶-吐線(虛線)附近是!^e3C生成的穩(wěn)定區(qū)域，但在CO2-H2線(同為虛線)附近，本來是磁鐵礦(Fe53O4)的穩(wěn)定區(qū)域，若吐濃度高，則從動力學的觀點出發(fā)，可以生成i^3C。但是，可知(X)2氣對于!^e3C的生成幾乎沒有幫助。還有，如果還原氣氛中有大量的(X)2氣體存在，則就有那么多的CO氣體被稀釋化， 但根據(jù)本發(fā)明者們的研究，無論是氣氛溫度為800K的情況下，還是900K的情況下，在氣體量比H2/ (C0+C02) = 1時，即使將CO氣體的分壓Pro/ (PCO+Pco2)減少至0. 4，也能夠制造Fe^C。 若添加氫而將氣體量比提高到H2/ (C0+C02) =3.9,則確認到形成!^e3C不依存于CO和(X)2的比例。這意味著，若還原氣氛中存在H2，則即使(X)2存在一些，即，即使降低CO氣體的分壓 Pm/(Pm+PcJ ,Fe3C 仍會生成。
(4)固體!^e3C的生成，!^e3C的熔融·由！^e3C進行的滲碳(4-1)固體！^e3C 的生成在還原爐等中，通過加熱含有碳質(zhì)還原劑和含氧化鐵物質(zhì)的原料混合物，從含氧化鐵物質(zhì)生成固體i^3C。作為固體!^e3C的生成條件，例如是優(yōu)選將原料混合物加熱至300 1147°C的溫度區(qū)域。以揮發(fā)成分的氣化完畢為目標，在所述溫度區(qū)域保持5分鐘以上，從生產(chǎn)效率方面出發(fā)，優(yōu)選例如保持60分鐘以下(不需要以恒定溫度保持，在前述溫度區(qū)域內(nèi)維持溫度)。溫度條件的下限更優(yōu)選為400°C，更優(yōu)選為500°C，上限更優(yōu)選為1100°C，更優(yōu)選為1000°C，進一步優(yōu)選為900°C。保持時間的下限更優(yōu)選為10分鐘，進一步優(yōu)選為15分鐘，上限更優(yōu)選為40分鐘，進一步優(yōu)選為30分鐘。另外，在該固體!^e3C的生成工序之前，也可以另行存在使碳質(zhì)還原劑的揮發(fā)成分脫揮的工序。在將爐內(nèi)溫度適宜保持在適合揮發(fā)成分的氣化的溫度的區(qū)域，通過使 CO-CO2-H2系氣體發(fā)生，可以高效率地進行固體!^e3C的生成。(4-2) Fe3C的熔融·由熔融!^e3C進行的滲碳其后，若急速加熱含有!^e3C的原料混合物，則可知即使在比較低的溫度(1250°C ) 下，也會生成液狀的!^e3C(熔融Fe53C)。進行急速加熱的理由在于，以低速加熱原料混合物時，根據(jù)!^e-C相圖，萊氏體共晶和石墨析出，有可能得不到在本發(fā)明中需要的液體i^3C。在此，所謂急速加熱，如后述，意思是例如以100K/分以上(優(yōu)選為200K/分以上，更優(yōu)選為 300K/分以上)的速度升溫。還有，本發(fā)明者們之所以能夠確信在原料混合物中存在熔融!^e3C,是因為以液氮將上述急速加熱至1250°C的原料混合物進行急速冷卻時，在固體中觀察到i^e3C。在緩冷卻原料混合物時，根據(jù)相圖，析出軟片石墨、W”y7 A卜)，因此不能推測 1250°C以上的原料混合物的組成狀態(tài)。用于熔融!^e3C的加熱溫度優(yōu)選為1250°C以上。為了更確實的使!^e3C熔融，優(yōu)選為 1260°C以上，更優(yōu)選為1270°C以上。另一方面，如果從!^e3C的熔融這一觀點看，到達溫度區(qū)域沒有特別上限，但如果到達1350°C左右，則充分熔融。還原氣氛的溫度處于1250°C以上的狀態(tài)的時間，從還原反應和滲碳充分進行的觀點出發(fā)，例如為5 30分鐘，優(yōu)選為10 20分鐘。但是，為了促進基于還原鐵的熔融的凝集，也可以在!^e3C熔融后，附加再加熱至 1300°C以上(優(yōu)選為1320°C以上，更優(yōu)選為1340°C以上)的工序。這種情況下，最終到達溫度從生產(chǎn)效率的觀點出發(fā)，優(yōu)選為1500°C以下(優(yōu)選1450°C以下，更優(yōu)選為1400°C以下)。 這時，如果在原料混合物中添加溶劑，在還原鐵的制造過程中添加溶劑(例如石灰石、消石灰、白云石等)而使作為副產(chǎn)物生成的熔渣的CaO/SiA的值為0. 6 1. 2，則能夠降低熔渣的熔點，促進還原鐵的凝集，因此能夠高效率地得到大粒的金屬粒。另一方面，如上述，還能夠選擇的方法是，原料混合物的最高加熱溫度，低于在前述還原鐵的制造過程中作為副產(chǎn)物生成的熔渣的熔融溫度，金屬粒以小粒金屬粒的狀態(tài)冷卻固化，通過磁選從固體狀的熔渣和小粒鐵(粒狀鐵)的混合物中回收小粒鐵(粒狀鐵)。為了高效率地生成熔融!^e3C,加熱的速度例如為100K/分以上(優(yōu)選為200K/分以上，更優(yōu)選為300K/分以上)。關于上限沒有特別限制，但如果從實用的觀點出發(fā)，則例如為500K/分以下。
為了在設備上實現(xiàn)如上以300 1147°C—定時間保持原料混合物的工序，和升溫至1250°C、進而至1300 1500°C的溫度區(qū)域的工序，有如下方法在豎爐、隧道式爐、旋轉爐床爐(RHF)等的還原爐中，通過隔板等設置溫度不同的多室構造，以及通過燃燒器的位置和溫度控制，在反應爐內(nèi)形成溫度分布。更具體地說，作為還原爐，可以采取如下等設備構成(A)在RHF內(nèi)設置隔板，作為多室構造來維持溫度分布；(B)以隧道式爐等的直線爐維持溫度分布；(C)以回轉窯這樣的回轉爐內(nèi)的燃燒器溫度控制來維持爐內(nèi)的軸向的溫度分布；(D)以鼓風爐這樣的豎爐維持高度方向的溫度分布。另外，也可以不使用上述多室構造，而是分別設置如下的爐串聯(lián)設置多個爐，在 300 1147°C的溫度區(qū)域內(nèi)將原料混合物保持一定時間的爐；升溫至1250°C，再升溫至 1300 1500°C的溫度區(qū)域的爐。若在原料混合物中生成液體的!^e3C,則還原鐵的熔化開始溫度變低，還帶來低溫操作下的節(jié)能、生產(chǎn)率的提高等各種效果。之所以還原鐵的熔化開始溫度變低，被認為是由于在熔融!^e3C作用下，還原鐵的滲碳急速進行。因此本發(fā)明者們進一步進行研究，調(diào)查!^e3C(S)給狗(s)的滲碳帶來的影響。使用Fe (s)和!^e3C (s)的混合試料A、!^e (s)和石墨(s)的混合試料B，以500K/分升溫，測量兩種試料的熔融開始溫度和完全熔融溫度(熔融結束溫度)。還有，(s)是固體(solid)的
)固、ο⑴研究1圖4和圖5表示兩種混合試料的反應時間與還原鐵的熔融開始溫度和熔融結束溫度的關系。圖4和圖5不同的點在于，在圖4中，使用混合試料的總碳量(T. C)為4. 3質(zhì)量％ 的，在圖5是，使用還原鐵的總碳量為2. 0質(zhì)量％?？芍獰o論圖4、圖5哪種情況下，F(xiàn)e(S) 和!^e3C (s)的混合試料A的一方，比起i^e(s)和石墨(s)的混合試料B，還原鐵的熔融開始溫度、熔融結束溫度都低。(ii)研究 2圖6是以!^e-C 二元系相圖表示混合試料A、B中的總碳量和還原鐵的熔融溫度的關系。在!^e-C 二元系相圖中，也顯示出Fe (s)和！^e3C(S)的混合試料A的一方，比起！^ (s) 和石墨(s)的混合試料B，還原鐵的熔融開始溫度、熔融結束溫度都低。(iii)研究 3另外，如果考慮鐵-碳系的穩(wěn)定系、亞穩(wěn)系的相圖(圖7)中的天平的法則，則認為 Fe3C(S)的大部分成為i^e-C的溶融物，少量的C結晶。因此認為在混合試料A內(nèi)，F(xiàn)e3C(S)在分解熔融后，在I^e3C(s)和！^-C的溶融物間，固體-液體間滲碳反應進行。比起i^e(s)-石墨(s)間的滲碳，F(xiàn)e(S)和！^-C熔融物間的滲碳速度快，因此狗(8) ^P Fe3C(S)混合試料A 的情況下，由I^e3C(S)的分解熔融所形成的i^e-C熔融物導致滲碳速度變快，其結果被認為是，與i^e(s)和石墨(s)的混合試料B相比，還原鐵的熔融溫度變低。還有，在本發(fā)明中，關于!^e3C的生成量沒有特別要求，但如果通過滲碳制造高碳濃度的金屬鐵，則在電爐等中與其他的低碳濃度的金屬鐵混合，由此能夠自由調(diào)節(jié)最終制品的碳濃度?？墒?，來自碳質(zhì)物質(zhì)的揮發(fā)成分的氣體，在幫助固體!^e3C的生成后，便從還原路A
9的排氣管道7排出。但是該氣體為高熱量時，能夠在使固體!^e3C熔融的工序中經(jīng)二次燃燒， 供給同工序所需要的熱量。這種情況下，在固體I^e3C的生成后的階段，不從還原爐A排出， 而是在使固體I^e3C熔融的工序中使之二次燃燒，之后再排出。另外，來自碳質(zhì)物質(zhì)的揮發(fā)成分的氣體從還原爐A排出時，或者如前述以干餾爐從碳質(zhì)物質(zhì)將揮發(fā)成分脫揮后，能夠回收這些揮發(fā)成分，在其他工序中加以利用。例如，能夠?qū)⒒厥盏膿]發(fā)成分作為爐內(nèi)氣體的氫源供給到還原爐A。或者，能夠作為還原爐A或干餾爐中的燃燒器的燃料加以利用。另外，也能夠作為含有還原爐等的金屬鐵制造設備的發(fā)電設備等的燃料加以利用。實施例以下，列舉實施例更具體地說明本發(fā)明，但本發(fā)明當然不受下述實施例限制，在能夠符合前后述的宗旨的范圍內(nèi)，當然也可以適當加以變更實施，這些均包含在本發(fā)明的技術范圍內(nèi)。例示混合碳質(zhì)還原劑和磁鐵礦礦石，制作原料混合物的試料，使操作條件進行各種變化來制造金屬鐵的例子。使用的碳質(zhì)還原劑，具體來說是使用作為煙煤的AK9 (俄羅斯產(chǎn)，Yakut K9煤)和高揮發(fā)成分碳的A褐煤#1(俄羅斯產(chǎn)，Suek褐煤)，其工業(yè)分析顯示在表1中，元素分析結果顯示在表2中。還有，在表1中“VM”表示揮發(fā)成分(質(zhì)量％ )、“Ash” 表示灰分(質(zhì)量％)、“S”表示硫磺(質(zhì)量^^“！“丄”表示總碳量丨全部碳量質(zhì)量^)。 表2由質(zhì)量％表示各個元素的含量。[表 1]
權利要求
1.一種金屬鐵的制造方法，是加熱、還原含有碳質(zhì)還原劑和含氧化鐵物質(zhì)的原料混合物來制造金屬鐵的方法，其中，所述碳質(zhì)還原劑含有20 60質(zhì)量％的揮發(fā)成分，所述碳質(zhì)還原劑產(chǎn)生的氣體為CO-CO2-H2系氣體，所述金屬鐵的制造方法包括如下工序通過在含有所述CO-CO2-H2系氣體的氣氛下加熱所述原料混合物，從而生成固體!^e3C的工序；熔融該!^e3C的工序；以及經(jīng)由該熔融!^e3C 對還原鐵進行滲碳的工序。
2.根據(jù)權利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其中，作為所述碳質(zhì)還原劑使用一種或兩種以上的碳質(zhì)物質(zhì)，使所述CO-CO2-H2系氣體的H2/C0摩爾比為2 4。
3.根據(jù)權利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其中，在所述生成固體!^e3C的工序中，包括在300 1147°C的溫度區(qū)域保持所述原料混合物5 60分鐘的工序，在所述熔融!^e3C 的工序中，包括至少加熱溫度到達1250°C為止，以100K/分以上的速度升溫的工序。
4.根據(jù)權利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其中，在所述熔融!^e3C的工序后，還包括升溫至1300 1500°C的溫度區(qū)域的工序。
5.根據(jù)權利要求1所述的金屬鐵的制造方法，其中，在所述生成固體!^e3C的工序之前， 包括使所述碳質(zhì)還原劑的揮發(fā)成分氣化而生成所述CO-CO2-H2系氣體的工序。
6.根據(jù)權利要求1 5中任一項所述的金屬鐵的制造方法，其中，包括在原料混合物中添加溶劑，使所述還原鐵的制造過程中作為副產(chǎn)物生成的熔渣的CaO/SiA的值為0. 6 1. 2的工序。
7.根據(jù)權利要求1 5中任一項所述的金屬鐵的制造方法，其中，包括使原料混合物的最高加熱溫度低于在所述還原鐵的制造過程中作為副產(chǎn)物生成的熔渣的熔融溫度，并破碎原料混合物，通過磁選從固體狀的熔渣和粒狀鐵的混雜物中回收粒狀鐵的工序。
8.根據(jù)權利要求1 5中任一項所述的金屬鐵的制造方法，其中，在制成原料混合物前干餾所述碳質(zhì)還原劑將揮發(fā)成分調(diào)整為20 60質(zhì)量％。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以在低溫下操作的金屬鐵的制造方法。本發(fā)明涉及金屬鐵的制造法，是加熱、還原含有碳質(zhì)還原劑和含氧化鐵的原料混合物來制造金屬鐵的方法，所述碳質(zhì)還原劑含有20～60質(zhì)量％的揮發(fā)成分，所述碳質(zhì)還原劑產(chǎn)生的氣體為CO-CO2-H2系氣體，其包括如下工序在含有所述CO-CO2-H2系氣體的氣氛下加熱所述原料混合物，從而生成固體Fe3C的工序；熔融該Fe3C的工序；以及經(jīng)由該熔融Fe3C對還原鐵滲碳的工序。
文檔編號C21B11/08GK102361992SQ201080013449
公開日2012年2月22日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權日2009年4月7日
發(fā)明者小林勛, 日野光兀, 根上卓也, 浦上昭 申請人:日野光兀, 株式會社神戶制鋼所