1983年在美国专利U.S.Patent No.4,395,285中，Merkert报道了一 种低密度多孔的混合物的压块，它含有：含硅烟雾，碳质还原剂的细粒， 例如石油焦炭或煤，最好还有铁和一个粘合剂。
1987年在美国专利U.S.Patent No.4,701,214中，Midrex报道了利用 一个包含在旋转平底炉中的熔炼炉所产生的气体，来进行还原反应。这 个方法通过向旋转平底炉引入气态的还原剂和燃料，降低了所需的能量 和熔炼炉的尺寸，从而使方法的操作得到改善。
1987年在美国专利U.S.Patent No.4,791,112中，Hoffman报道了使 用从金属化的铁，粉碎的合金氧化物和含碳材料混合后压成的块作为原 料，在熔化炉中制备熔化铁合金的方法。
1998年在美国专利U.S.Patent No.5,730,775中，Midrex报道了一个 可用来制造直接还原铁的改进的方法和设备。这个方法的商品名或者商 标叫FASTMET，其原料包括氧化铁，含铁和碳的压块，这些压块在旋转 平底炉上铺垫的深度不超过两层，加热这些压块至大约1316℃到1427℃， 维持短时间即可完成金属化。为了理解最近的技术进展，美国专利U.S. Patent No.5,730,775被引作参考。
所有主要的炼钢方法需要用含铁材料作为方法的原料。在一个用纯 氧顶吹转炉的炼钢方法中，所用含铁的原料通常是高炉热金属和钢屑。 大量用的铁源是一个叫做直接还原铁(“DRI”)的产品，这个产品是从铁 矿石或者氧化铁通过固态还原而生产的，最后产物没有形成液态铁，而 形成金属化铁。金属化一词在本发明书中并不意味着用金属来涂层，而 是意味着实质地还原到金属态。
在工业中改进主要针对炉子的改进和操作方法的改进，它们可以提 供有一定含碳量的高纯铁有效的连续的生产。在这里，氧化铁在方法中 被有效的还原到纯化铁，同时炉渣组份从纯化铁中被分离掉。
炼钢工业寻求的高纯铁产品具有特定范围的碳含量，硅和镁含量， 以及低硫低磷含量。这样性质的熔化铁产品通常是从高炉中生产的，或 在高炉产出后予以适当处理。其他熔炉例如经典的电弧炉或隐弧炉所产 生的熔化铁，其化学成分不同，要求降低硅的含量没能很好达到。这些 熔炉之所以没有能够达到工业上对热铁所要求的化学条件的原因是它们 没能提供必要的两个并立的条件，即最适宜的热力学平衡和快速熔化。 这个发明的方法提供的环境和过程的灵活性可以很容易地通过调节电炉 的输入功率(温度)来控制(增加或降低)热铁中所需的硅含量。
发明概述
本发明的方法包括连续将含氧化铁和碳化合物的原料进行一系列热 处理步骤。第一个热处理步骤中，使用一个旋转平底炉，在材料的熔点 以下操作，以达到材料的予还原。从旋转平底炉出的料被连续密封地装 入一个电熔炉中，在高于材料熔点以上进一步还原。从予还原的旋转平 底炉出的料绝不接触空气，或者从予还原炉出口到进入电炉的料，绝不冷 却。本发明的方法所产生的高纯铁熔体含有指定碳百分含量。原料送入 旋转平底炉作予还原时是以压块状铺层的。从旋转平底炉出的经予还原 的料则是连续和直接装入电炉的内部中央区。电炉的温度保持在原料熔 点以上，而且进入的氧尽可能少，以保证有效的还原。定时从电炉中取 出高纯铁产品。
利用在旋转平底炉中加热含铁压块的予还原步骤，以后直接连续地 将含碳金属化铁加入到一个电熔炉中实现产出一个很高含铁量的产品， 它具有高百分含量的碳。而且，熔化过程的条件使硫含量减到最低，在 最后产品中，一部分SiO2还原成硅，MnO被还原成锰。因此，为炼钢工 业提供了一个非常理想的高铁含量的产品。
本发明的目的
本发明的主要目的在于提供一个通过一系列炼炉中在高温下成功地 将氧化铁材料有效地还原的方法。
本发明的另一个目的在于提供一个在一系列炼炉中在高温下有效地 连续生产出含碳大约1％-5％的高纯液态铁，并使炉渣从在最后产品纯化 液态铁--碳中分离开的方法。
本发明的其他目的是提供一个通过连续向一个电熔炉加料而使高纯 铁脱硫和减少直接还原铁中杂质的方法。
本发明的这些目的得以实现是因为有一个用含氧化铁材料来生产高 纯低碳铁的产品的方法。它包括下列步骤：提供一个可以直接还原压块 状含碳氧化铁原料的炼炉，将含氧化铁和碳的压块铺填在炼炉中，予还 原氧化铁和碳的压块在一个具有旋转炉底表面的炼炉中完成予还原步 骤，予还原步骤产出热的含碳金属化铁，此后用一个电熔炉来接受予还 原步骤中产出的热的含碳金属化铁，第二个热过程步骤中包括将上述电 熔炉放在旋转平底炉的邻近。在旋转平底炉步骤以后，将所产生的热的 固态含碳金属化铁材料直接连续装入一个电熔炉。进的料应放到电熔炉 内部中央区靠近熔融铁槽/电极的界面，或者在使用其它电熔炉时，放到 炉渣最少的区域，快速加热含碳金属化铁到液化温度同时尽量不让氧进 入，以保证最适宜的还原条件。最后电熔炉中的高纯铁产品定期从炉中 取出，而并不妨碍炼炉的连续运行。从旋转平底炉中通过加热含碳氧化 铁压块而产出的予还原的物料它们是热的固态含碳金属化铁，将被直接 连续和密封地从这个炼炉加入到一个电熔炉中，从而提供一个碳含量高 的高铁产品，这个产品已经高度脱硫，高度地将氧化硅还原为硅，以及 将氧化锰还原为锰。
附图简要描述
下面对附图的详细描述将对上面所说过的所有目的提供进一步的阐 明：
图1是本发明生产高纯铁方法的流程图。
图2是本发明所用旋转平底炉的顶视图。
图3是本发明所用的一个典型的三相电弧熔炉的纵剖面图。
发明的详细描述
这里将结合附图详细描述本发明，并给出本发明的一个较好的实施 例。本发明可以有多种不同形式的实施例，并不局限于这里提出的一种实 施例。举出这一个实施例是为了彻底和全面的描述本发明，使有经验者 能对本发明有一个全面的了解。同样的单元使用同样的编号，前后一致。
关于图1，整个方法10使用第一和第二热处理过程来生产所希望的 最终产品。加入的原料包括：氧化铁12，或者含铁的废料例如屑粒，矿 泥，轧屑或其混合物22；还原剂14和煤粉，煤细屑及其它含碳材料；成 渣物16例如SiO2，CaO，Al2O3，CaF2(氟石)和/或MgO；以及一个粘合剂18。 这些材料压成块19，较好的为大小均匀的块或者小球。这些压块充满料 斗20，由此连续运输到旋转平底炉28的进料口。含氧化铁的压块以一层 或多层形式铺填在炉底表面42。炉底旋转使氧化物通过两个或者多个热 区，使氧化物未变成液态时即被还原。放出的是予还原铁，这个第一热 处理过程所产生的直接还原铁(DRI)是70％-95％金属化铁，其温度大 约为700℃-1100℃。这个予还原DRI料通过进料装置29被从旋转炉直 接连续和密封地运输到一个电熔炉34。DRI被直接连续送到熔炉的中央 部位，在那里很快(几秒钟内)被液化。熔炉在同时也进一步精炼了液 态铁料。最后铁料的化验结果可以通过控制炉内条件来调节。如果需要， 可以用炉渣改进剂32或者含碳材料31来控制最终产品和/或炉渣的粘度。 熔炉定期放出炉渣38的一部分，然后放出液态铁产品36。含碳材料31 可以在放料时加入。表1给出本方法在出料温度大约1300℃-1700℃时 所产生的指定碳和硅含量和超低硫的高纯熔化铁的指标。在每一个范围 内可以指定其位置。
              表1                最终产品     Fe     98.8％     93.4％     C     1.0％     5.0％     Si     0.2％     1.5％     S     ～0.00％     0.10％
以上是本方法的一个简要概述。下面通过讨论所用设备来深化其细 节。
图2是有关旋转平底炉28的各个单元。热处理过程可以通过固定气 体燃烧器，倾斜式燃烧器，或者其他装置加热炼炉来完成。从料斗20装 入的原料为压块19，它含有氧化铁12和/或含铁废料22，还原剂14例如 煤粉煤末和其他碳质材料；炉渣构成物16如SiO2，CaO，Al2O3，CaF2(氟石) 和/或MgO，以及一个粘合剂18。输送机21可以是一个震动进料输送 机或者其他小球状材料用的标准连续带式，气动的或者螺旋输送机。 压块19包含加有CaO和/或MgO的炉渣构成物进料16。其C/S比(％CaO/％ SiO2)和/或“V”比(％CaO+％MgO)/(％SiO2+％Al2O3)可以调节到一 个指定的组成，这样可以由熔炉中生成的炉渣来影响槽液的脱硫。参阅 表2。
                         表2                              炉渣比 比例  定义     大致     最小值     大致     最大值 C/S  ％CaO/％SiO2     0.5     2.2  V  (％CaO+％MgO)/(％SiO2+％Al2O3)     0.4     1.4
在旋转平底炉中原料的铺放包括将含氧化铁材料压块19在炉底表面 42铺放一层(100％装载)或者多层(例如200％装载)。压块装入炉内的 速度结合炉底表面上方平料杆44的高度来完成装载。这个步骤给予压块 均匀受热并使DRI产品的化学组成均匀。
予还原步骤中从旋转平底炉28放出的金属化铁材料包括：硫，磷和 从含铁进料中所含炉渣构成物来的金属氧化物，以及还原剂灰。热的DRI 产品含有足够的碳来完成电熔炉34中热金属的渗碳，残余FeO的还原以 及其他氧化物例如SiO2，MnO的部分还原(大约1％-99％)，加上还有过 程所需任何额外的碳。从旋转平底炉28放出的料的温度最好在大约700 ℃到1100℃范围内。从旋转平底炉28来的含碳金属化铁产品在炉底表面 被金属化到含铁大约70％到95％。这个料用进料装置29直接连续密封地 运输装入一个电熔炉，这个进料装置是一个出料输送机。
图3是一个典型的电熔炉34的切面图。在这个应用中可以采用不同 类型的电熔炉。有两种基本类型，即电弧型和感应型。任何一种都可以 用，但电弧型比较受欢迎。电弧熔炉也有许多不同的设计。这里举出的 电弧熔炉34使用一个不导电的炉底48和交流(AC)三相动力54。电炉 是同时用来熔化和精炼装的料。优选的电炉有一个绝缘的顶52，电极50 穿过它。举例说明的电极使用一个三相动力源供电的。单相AC和DC电 也可以用。驱动电极的变压器的次级线圈表明了输入功率，因而温度是 可以方便地调节。
作为进料步骤的一部分，热的DRI是直接装入电弧炉34，最好放在 炉的中心，邻近电极和熔铁槽间发生电弧的区域。如果需要可以再加碳 化合物31和炉渣改进剂32包括石灰，硅酸盐和助熔剂32到电弧熔炉中 去，以便增加从旋转平底炉28排出热DRI的组成。在装入电弧熔炉34 后，DRI压块的熔化只需几秒钟。
在电熔炉加热步骤中，应用予烘干的碳电极或者石墨电极比用 Soderburg(自烘干)型电极为好。这可以简化操作，减少成本费用和改 善电气效率。保持大气的完整性包括消除进入熔炉的空气和其他不希望 有的气体或者将它们减到最少。将进入的空气减小到最小就可以防止熔 化铁中的还原铁，熔化铁和任何其他已还原的物种或合金了的物种再被 氧化。对电弧熔炉来说需要应用一个特殊的具有清除气体功能的密封， 它将被安置在三角形电极或者其他形状的电极周围，在那里电极50通过 炉顶52穿过熔炉。
由于一个电熔炉并不依赖于燃料与空气或者富氧空气的燃烧，也不 依赖于熔化铁槽中释出的可燃物与空气，富氧空气或者氧的后燃烧，因 而还原大气是可以保持的。例如有些杂化熔炼的还原过程是依赖熔化铁 槽汽化器中释出的CO和H2气的后燃烧来输入能量和处理予热铁矿和/或 含予还原氧化铁材料。事实上，基于燃烧的熔融或熔炼过程可以产生与 熔化铁平衡的燃烧后产品，也可以是，这些过程有利于含氧化铁材料的 还原，但仍可以氧化成其他还原或合金物种，这些物种例如S，和Mn是 熔化铁中所希望有的成分。在本发明的操作中，电熔炉34显然比基于燃 烧的熔炉和/或熔炼炉更为优越。
电熔炉中加热步骤需要做的事是保持电熔炉中炉渣具有的低的密 度，这一点非常关键，因为低密度炉渣有利于热的DRI压块进入电熔化 区。再者低密度炉渣赋予DRI一个高的热传导，这样就可以改善电熔炉 中DRI的熔化速率。要做到炉渣的密度较低可以通过使DRI中所含的少 量残余FeO与熔铁槽中所溶解的碳或进料中炉渣相中的碳起反应，这种 反应释出一氧化碳CO，它造成炉渣起泡。电熔炉中炉渣发泡程度依赖于 进入的DRI的金属化反应。当进入的DRI金属化程度不是很高时，即材 料的铁金属化水平低于90％时，炉渣的发泡程度很低。如果进入的DRI 高度金属化，即铁金属化程度大于90％时，炉渣发泡也较低，这会传导 给DRI的热也较低。由于在电熔炉中控制炉渣发泡很重要，最好的做法 是从旋转平底炉向电熔炉送去热的DRI压块，它的铁金属化程度在70％ 到92％范围内，最好在80％-90％范围内。虽然用较高金属化的DRI比 用较低金属化的DRI在电熔炉中作处理时需用较少的电能，但这个做法 还是被优选。
予还原步骤以及然后用一个电熔炉的一个好处是直接装入熔炉的热 DRI中的SiO2和MnO将处于电熔炉34中的熔化环境，这时熔炉接通使 SiO2和/或SiO还原为[Si](熔化铁所含硅)，使MnO还原为[Mn](熔 化铁所含锰)，这些都很容易被同化到熔化铁中，氧化硅和氧化锰的还原 程度可以很容易通过槽的温度来调节，也就是说温度越高，氧化硅或氧 化锰的还原程度越高，以及液态铁槽中硅和锰的回收率越高。通过改变 熔炉中电极的输入电功率就可以控制电熔炉槽的温度。另一种方法是向 电熔炉添加氧化硅，氧化铝和其他炉渣调节材料32。
最合适的在电熔炉中进行热DRI压块的脱硫操作，是由高温和DRI 压块中所含基本成分(CaO和MgO)来完成的。当DRI压块中所含SiO2被还原为Si时，在炉渣中的有效石灰对硅的比(CaO/SiO2)提高，这就 依次增加炉渣的脱硫潜力。这个现象结合低FeO含量的炉渣可以使电熔 炉34生产出含硫量极低的液态铁。炉渣/热金属中硫的分配系数K，已被 观察到是在大约50-150范围内。
K＝(S)/[S]
式中(S)是炉渣相中硫的浓度，[S]是金属相中硫的浓度。这个过 程条件使热金属中硫的水平当炉的出料温度大约1450℃-1550℃时在大 约0.01-0.016％范围内。如果出料温度更高时，热金属中硫的水平还可 以更低。也就是炉的出料温度大约1550℃-1630℃时，％S大约在0.005％ -0.009％范围内。
电容炉34在出料时应保持一定的熔化铁的剩余量，其量大约为放出 量的一到四倍。正常使用电熔炉来还原氧化硅时的合适出铁温度是在大 约1450℃-1550℃范围内。电炉应定期放出热金属及炉渣而不妨碍连续 进料和熔化操作。出铁孔随即用熟知的方法封上。
电熔炉34的合适运行要求尽量少进入氧，同时还维持上述的温度。 改进法10的产品36是具有低而指定最高含硫量和指定含碳和硅量的高 纯铁。炉渣38含有少量铁在电熔炉34中被分离并与高纯铁产品36分别 取出。具有上述特性即一个含碳量高和含硫量低的铁，对制钢者来说是 特别希望得到的。因为对这种铁，炼钢时正常脱硫操作可以减到最少或 者干脆不需要。上面描述的方法和操作可以导致在炼钢工业中高纯铁产 品的产率增加和运行成本的降低。
达到本发明目的的总结
如上面所述，很明显，我们发明了一个方法。它达到了在一系列炼 铁炉中在高温下有效地还原含氧化铁材料，有效地连续生产高纯液态铁， 其高温下含碳量在大约1％-5％，还将炉渣成分从纯化液态铁-碳最终产 品中分离开，同时通过向一个电熔炉连续加料，实现了高纯铁的脱硫和 直接还原铁中杂物的还原。
已详细描述本发明，参照一些优选的实施例来补充，其目的在于使 读者可以实施这个发明而不需要做一些不该做的试验。不言而喻，上面 的描述和指定实施例只是本发明做法的方式和原理，这方面有经验者在 不偏离所附权利要求的精神和范围内，可以对所用的设备作各种改进和 补充，但都属于本发明权利要求的精神和范围。
相关申请的前后参照
本申请要求保护1998年10月30日提交的美国临时专利申请号U.S. Provisional Application No.60/106,433的利益。