矿物熔炼还原工艺和设备

本发明是关于利用加热和与矿物相混合的还原物料使矿物熔炼还原的工艺和设备，特别适用于利用加热和含碳还原物料使铁矿熔炼还原的工艺和设备。利用本工艺，已成功地实现了低品位硅酸盐氧化镍矿的熔炼还原。本工艺和设备也可以用于各种煤的混合物生产的冶金焦碳。

矿石直接还原工艺，自古代就为人们熟知。而今通常把它定义为这样一种工艺，即不用鼓风炉而从相应的矿石还原生产金属。熔炼还原意味着生产的金属要经过液体状态。生产海绵铁的最重要的商业化直接还原工艺是为了利用天然气、焦炉煤气或煤中的一种或几种作为还原剂，从氧化铁生产金属铁。当前所关心的非鼓风炉还原工艺是由于它可能降低投资并具有更灵活的操作条件，因为建设和运行烧结炉、炼焦炉、高炉和粒铁窑非常昂贵。利用细矿（直接从选矿机来，不经烧结）和煤粉的熔炼还原装置能够替代常规工艺中所有四种主要设备而从矿石和煤生产液态铁。

各种直接还原工艺和设备，包括熔炼还原工艺和所需设备的综合回顾，请见Daris等人的报告“直接还原技术和经济”，发表在“炼铁和炼钢1982”，第九卷，第三期，93至129页。

我们知道当前熔炼还原的一种工业流程，即加拿大魁北克省魁北克铁钛公司采用的电弧炉还原操作。

我们也知道两种曾经发展到试验工厂规模而后放弃了的工艺。一种类似于KALDO炼钢工艺的叫作DORED的瑞典工艺，由于使用多渣氧化铁矿，使得炉衬磨损过量而失败。另一种意大利研究发展的叫做ROTORED的工艺，曾使用一种在垂直位置旋转的园柱形反应器，靠离心力推动所产生的金属沿炉衬向上，防止了腐蚀性炉渣与炉衬的接触。但是， 此离心力也妨碍了反应物的混合，使得这一工艺没有工业价值。

三种分别叫做ELRED，INRED和等离子熔炼（PLASMASMELT）的工艺，现在正在瑞典进行研究。对其评论请见前述报告。

本发明的主要目的是为了提供一种矿石熔炼还原和煤焦化的新工艺，以及为实现这种工艺的新设备。

更特殊的目的是为了提供这样一种熔炼还原新工艺和设备，以便从铁矿制得金属铁;从硅酸盐型氧化镍矿制得镍或铁镍合金;从煤连续制得冶金焦碳。

根据本发明，为从矿石制得金属提供了一种熔炼还原的新工艺，该工艺采用加热和固体还原物料，包括如下步骤：

a）按炉料所需比例混合研细了的待还原矿石和研细了的固体还原物料;

b）借助机械运动机构使研细了的混合炉料移动通过反应器。炉料在反应器内的停留期间，与机械运动机构机械地配合;

c）加热在反应器内的炉料，经过一定时间，达到一定温度，以便矿石部分或全部还原成金属;

d）熔化在反应器内生产的炉料使之在液态金属和熔渣池内完成反应。

部分金属化的炉料离开反应器落入液体池，在其中剩余氧化物熔化并还原。

根据本发明，为从矿石制得金属提供了一种熔炼还原的新工艺，该工艺采用加热和还原物料，其设备包括：

a）带有入口和出口的反应器;

b）引入待还原炉料到上述入口的构件，以将炉料通过反应器内部输送到出口;

c）从上述出口而来的已还原炉料的接收构件;

d）在反应器内部可运动的机械构件，该构件与在炉内停留的炉料机械配合，并将炉料从入口推至出口;以及驱动该构件在容器内部运动的装置;

e）加热在反应器内的炉料至适宜的还原温度的加热装置。

反应器最好是具有轴向线的细长管形容器。机械构件即是螺旋输送器，也具有轴向线并与反应器的轴线相平行，且埋在炉料里。该螺旋输送器绕其轴向线旋转，推动并搅拌炉料。

最好采用多个螺旋输送器以提供多道装料至上述反应器内部。

这种设备也适用于以多种煤和/或石油焦为原料生产冶金焦碳的相应工艺，最后碳化了的物料由焦碳或部分焦化煤组成。

本发明的工艺和设备将参照所附简图举例说明：

图1是本发明具体化的设备简图;

图2是图1的2-2水平截面;

图3为炉料的金属转化率与螺旋水平输送速度的关系图。

图4为已还原物料中剩余碳含量与螺旋水平输送速度的关系图。

图5以草图形式示出一段在卸入熔化炉之前从反应器取得的已还原炉料的实际形状。

图6为排出气体的组成变化与螺旋输送速度的关系图。

参考图1，实现铁矿石熔炼还原的设备由一个沿其长度具有等园截面的细长管状反应器10组成，它有轴12。在卸料端14管子的上半部已切去，以促进热量直接传递到生成的海绵铁上。支承13位于管子下面，防止由于重力而使海绵铁过早破裂。细长金属螺旋输送器14的外径仅稍小于管状反应器内径，并装在管状反应器内部，从入口16延伸至开口端即出口18。输送器绕其平行于轴12的轴向线旋转。并由马达20经过-减速机构22驱动，该机构极平常，无需详细说明。

经予混合的研细了的物料混合物作为炉子的装料，存放在料斗24里，并按一定的速率和堆积密度，由马达28驱动螺旋输送器26送入反应器内部。组成容器10的管子由耐高温材料制成，能经受操作中的高温和机械磨损，并具有足够高的热传递效率。一个成功的试验室设备曾使用一种低合金钢 Mullite（商标）管，而碳化硅管也是适用的。较大的工业用设备将使用这些材料的组合。至少在出口18一侧的反应器的主要部分是放置在外部保温的预热管30里。在还原金属时，矿石和煤的混合物（而在生产冶金焦碳时，则是煤和焦末以及石油焦的混合物）由工艺过程新产生的向外流动的气体经过管30的壁而加热，同时也由在出口18的海绵铁经辐射和对流而直接加热。残留在海绵铁中的碳的部分氧化也产生一些附加的热量。从出口18排出的物料卸入炉子33的顶室32，然后因重力作用而落入底室34。

金属氧化物的还原和煤的热解都是非常强的吸热反应。所需热量可部分的由燃料的燃烧产生，为了方便，本例中使用了天然气，由虚线36所示的气体燃烧嘴引入。为了经济的缘故，在工业生产中，优先用煤。燃料和空气和/或富氧空气），在混合之后，引入顶室32并燃烧。燃烧嘴36的火焰也与从出口18而来的挥发物反应生成保护性气氛保护海绵铁或焦碳。作为一种热源，全部或部分气体产物围绕反应管10通过并经出口38从系统排出。多个热电偶40沿管10等距安放以测定外壁的温度，并经过控制器42以控制热量的供给。还装有温度记录仪44。同时在顶室32上装有几个温度测量探头。

还原后的海绵金属铁直接落入炉子的底室34，在还原气氛下，铁和炉渣很快熔化，形成金属池46和浮在上面的熔渣层48。必要时将它们排出。熔化所需热源可以由任何常规方法获得，例如电弧放电，电感应，空气或氧混合煤气，油或煤粉燃烧嘴;电极或燃烧嘴由虚线50标示。在反应器10中产生的气体产物，在经出口38被连续抽出的同时，在顶室32内和反应管10周围部分燃烧。排气用常规方法处理，例如除尘器52，洗涤塔54和储气罐56。装有氧气探针58和CO/CO₂分析器以测定有关的工艺参数。

装有取样和附加送料装置62，它延伸至炉室32内部。

实施本发明时的另一种选择方案此处未以图示说明，在该方案中，从出口18卸出的海绵铁与炉渣混合物落入冷却装置，在还原气氛下，尽快冷 却，以使其再氧化的可能性减至最小。还原后的混合物的利用方法与所有其它直接还原产物的类似。

比美洲可以充分供应研磨很细的铁矿石，这是因为几乎所有矿山都采用精选工艺从低品位矿床获取铁矿石。但在常规工艺中（直接还原或鼓风炉）使用这种矿石时，粒度过细则是一个缺点，因为必须烧结或造粒使之成块。在本发明中，铁精矿砂能直接使用而无需进一步的处理，这将产生重要的经济效益。

在本发明工艺中所选择的矿石颗粒尺寸范围应足够细，95%应小于600微米。本发明的工艺允许直接使用工业精矿砂，或直接从矿山得来，或经过运输将矿石处理成细粒。所用固体还原物料是细煤粉，此处所用的特殊的煤具有高的挥发性和高的流动性，这些是炼焦煤的典型特征。煤的反应性随它的挥发份含量的增加而增加，但在实施本发明时，高的挥发份或焦化特征不是直接必须的。然而高挥发性的煤在反应时具有较高的收缩性，这有利于生成的气体从反应物中排出，并从中反应器中自由流出。煤的灰份并不特别重要，但含有经济上允许的最低灰份更好。

煤也必须磨成细粉，以便与矿粒密切而广泛地接触。在这个特例中，所选尺寸是80%小于600微米。当然必须特别小心地处理这种磨细了的高燃烧性的材料，因为它们有迅速燃烧以致爆炸的可能。为了安全起见，煤粉必须湿态存放。若存干粉，则需在惰性气氛之下。湿煤粉或干煤粉在非氧化气氛下与予热至400-500℃的矿石相混合，用从反应器来的可燃烧的排出气体作为热源，从而得到温度约为300℃的经预热和预混合的反应器装料。

下表1表示使用不同平均颗粒尺寸的煤粉所做的一组试验的结果。所用混合物由重量比为82%的精铁矿（Adams    矿）和18%的Devco煤所组成。炉子的操作温度为1200℃。水平输送器的速度为1.5转/分，以得到大约2分钟的反应时间，和1.0转/分的垂直送料输送器的速度。

正如所预料地的，用最小颗粒尺寸，小于或等于75微米，得到了最大的金属转化率。颗粒尺寸在75和150微米之间，得到的金属转化率也大体相同。颗粒尺寸范围是300-600微米时，金属转化率明显下降，由约95%至约80%。颗粒尺寸范围是600-1400微米时，又有一个较小的下降，降至大约77%。加长反应时间，能提高金属转化率。但需要较大的设备，或者减小产量。然而，由于料粉磨制成本随料粉平均颗粒尺寸的减小而增加，因此上述缺点应与此进行综合平衡。为此，对于工业生产，较合适的矿石颗粒尺寸是95%小于600微米，也发现使用较大尺寸的颗粒（小于600微米）会使推动物料通过反应区时发生困难，据信这是由于输送器的螺旋搅拌造成颗粒的离析所引起。如果混合料的两种成份的颗粒尺寸大小相近，这种离析就会减少或者避免。

采用本发明的工艺和设备生产冶金金属碳时，煤最好的颗粒尺寸是：

非焦煤    95%小于600微米

焦煤    80%小于600微米

本发明的另一个重要工艺参数是待还原的矿石与固体还原剂量的比例。从实践中发现，对于含68%精铁矿高挥发煤的最小量按重量计应为18%。按比量即可获得所需的金属转化率，并给炉子33内的金属池提供足够的碳。这些碳对于降低金属铁的熔点以及保护海绵铁以防其再氧化是必须的。按重量比将煤量自18-20%增加到约30%，基本上不增加金属转化率，但却增加了金属中的碳含量。高于化学当量配比的过剩的碳的存在，对于过程中产生的气体起着有益的作用，这使该气体中一氧化碳和氢的百分比增加，使之更适于作为一种化工原料或清洁燃料，为后续过程所使用。

图3特别示出了当炉温约1200℃时，平均颗粒尺寸均小于75微米的两种混合料在反应器内停留不同时间（即增加螺旋输送器速度）时的金属转化率。实线是由21%重量的煤与79%铁矿的混合料而得，而虚线则是用18%的煤与82%的矿而得。具有较小比例煤的混合料的金属转化率的减小是非 常小的，并基本上保持不变。图4表示减少停留时间（即增加输送器速度）所引起的反应还原产物中碳含量的增加，而对应于不同的停留时间，两种混合料的反应产物碳含量之间的差值基本上是常数。含煤量较小的混合料，其还原产物的含碳百分数也小。

最好是采用产生最少量炉渣的工艺，因为这使得操作变得容易，同时增加了设备的产量。本工艺的一个优越特征是，在炉渣中，随后还原的金属中，以及排出气体中带有高含量的硫。必须有足够的熔渣来熔解硫以获得这种有益的效果。为此，利用某些方法，加入造渣材料，例如石灰或石灰石，是很必要的。可以按重量比加入5%的石灰，或等重量的石灰石（至7%）。

在铁矿或镍矿还原的情况下，如果要使还原发生，所有装料必须达到最低温度约1100℃。增加温度将减少获得一定金属转化率的必要反应时间，如果在容器10里基本上不发生熔化，则其上限温度约为1350℃，但是这将使得工艺过程无法进行。对于炉料，其适当的温度范围是自约1150℃至约1300℃。底室34将操作在较高的温度下，反应器10的内壁也将有较高的温度。在本例中，螺旋输送器14是钢制的（带或不带陶瓷翼片），因此，也是一个散热器，热沿其长度方向传导。对冶金焦碳的生产，在顶室33适宜的温度在约950℃，而底室34在这种情况下是一个存放空间，不需加热。如上所述，由于反应是强烈的吸热反应，因而尽管反应产物有热损失，但热流量也必须足够以维持反应温度。气体副产物在排出时与高温的容器壁接触，也是一种可观的热损失。在工业过程中，这些热量将通过热交换在冷却气体时尽量加以回收。

炉料的持续热耗及热传递至反应点将沿着反应混合物产生温度梯度。在一定程度上，输送器螺旋被围绕它的气体副产物所屏蔽或保护，以防止高温对它的有害作用;这些气体提供的保护是有利的，因为它们在本质上是还原性的。从连续密切接触这点来看，反应混合料对输送器螺旋也是最 有效的冷却剂。自然，必须使制造螺旋输送器的材料，在操作高温下，能保持最大的强度。这在初始费用和维修费用之间，将有一个通常的折衷比较。它将表明，是否可能使用更能耐高温，但更贵的材料来制造输送器。

进入的反应器的物料，如前所述，要予热，并需要一定时间以达到有效的反应温度，从而增加了在管内所需的停留时间。如上所述，反应管的卸料端14是部分切开的，以增加热的传递速率和减少停留时间。表2表示了炉温对金属转化率的影响，加入反应器的混合料重量比为79%的铁矿和21%的Devco煤，其平均颗粒尺寸小于75微米，输送器速度为1.5转/分。可以看出，从1150℃到1200℃，金属转化率突然增加;而增至1250℃时，金属转化率的增加则较小。表2表明，1200℃是适宜的。假如反应器和输送器螺旋能耐受更高的温度，则较高的温度对于改善和加速较大颗粒的化学反应，都是更为满意的。

虽然天然气和排出反应管的气体被用来加热反应器，但很明显，也能使用其它热源，例如燃烧煤粉、油等，它们将与用排气进行热交换而预热的空气相混合。由于化学还原反应发生在相对低的温度下，产生熔化温度较低的含碳量高的铁，因而总的燃料消耗是较低的，虽然反应和熔化发生在不同的区域，但它们可看做是同一炉子的不同部分，因而可采用一个单一热源，如等离子弧或煤粉的燃烧。

如上所述，所需反应时间取决于反应温度和炉料加热的速度。假设炉子操作在足够高的温度下，可按足够的速度供热，则炉料在反应器里的停留时间将能调节到一定金属转化率所需的最小值，从而由给定尺寸的设备得到最大的产量。输送器螺旋14的外径必须稍小于反应器的内径，以便为生成的气体提供合适的通道。这些气体必须从反应器排出，以免产生不安全的压力。最好是将输送器螺旋的轴向线从相应的管状反应器的轴12垂直向下移动，以便螺旋能支承在容器内壁的底上。尺寸差不是关键，螺旋直径应在容器内径的93-97%范围内。螺旋14的连续运转，保证了炉瘤在长大到引起阻塞之前被破碎。由此，本设备的操作，在根本上不同于窑炉或转炉，它们内部没有机械构件推动炉料穿过反应区。化学反应伴随着炉料的收缩，沿着反应器从入口至出口逐渐发生，由此，为生成的气体提供了附加的空间。输送器螺旋必须至少延伸到反应器内部较冷的部分，而处在炉瘤可能粘结在容器壁上的高温区域以外，实际上意味着它应该延伸接近于出口18，而不是伸出出口18。

物料经过反应区的线速度以及停留时间取决于输送器螺旋14的旋转速度。在本例中，该速度变化于0.66转/分和3转/分之间。热区的长度为10cm，由此，相应于上述速度的停留时间分别约为3分至40秒。表1、2、 3所示的结果是由内径为4cm的容器获得。用一个8.75cm内径的较大的容器，旋转速度变化在0.33和0.75转/分之间，热区长度为35cm，可获得5至11.5分钟的较长的停留时间。下面表3示出了一组试验J至K的结果，它们的炉温渐增，输送器速度也渐增，反应时间则逐渐缩短。带有后标H的是水平输送器14的速度，而带有后标V的是进料输送器26的速度。如上所述，垂直输送器26的速度的变化将导致装料堆积密度的变化。

比较试验J和K可知，增加送料输送器26的速度而增加堆积密度会导致较低的金属转化率。最高的金属转化率由试验L获得，其温度为1200℃，输送器室速度为中速。试验N的金属转化率有较大的下降，可解释为部分原因是由于使用了粗颗粒的煤而减少了反应时间。在试验L中还原出的物料的实际形状示于图5中。由图可见，海绵铁是螺旋形。所有试验中输送器的运转都较平稳。也可以看到，本发明的工艺特性，允许在较大的范围内控制反应产物金属的含碳量，这对工业生产是很重要的。

也可以有效地控制排出气体的性质。如果想从还原物料吸取大量的热，就将产生更多的CO₂;另一方面，也可要求保持还原气氛，这就需要较多的CO;本发明的工艺可以获得所需的气相平衡。图6表示不同输送器速度对排出气体化学组成的影响。可以看到，较低的速度有利于CO和H的产生，而较高的速度有利于CO₂和碳氢化合物的产生，并伴随着温度的降低。这要根据对气体的最终使用目的来选择。

如前所述，可以在本发明的范围内对设备进行各种改进。例如，管子可以不像图1所示那样切开，但切的合适却可以增加热传递和操作速度。图1所示的设备是一个示范。在另一种结构里，一个燃烧室上装有几个螺旋送料器，可以燃煤或用其它加热介质来加热。