專利名稱：：利用對(duì)環(huán)境有益的可再生或可再循環(huán)的還原劑生產(chǎn)鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及熔煉鐵礦，更具體地，涉及從鐵礦生產(chǎn)余屬鐵的組合物和方法。
背景技術(shù)：
：向卩J以來(lái)，都是利用含有游離碳的燃料如煤或木炭等產(chǎn)生熱量和還原鐵礦石所^的還原氣體從鐵礦石提煉鐵。與煤(12,000-15，000BTU/lb)和焦炭(約12,000-15,000BTU/lb)相比，木材本身產(chǎn)生的熱量很少，只有約6,000-8,000BTU/lb。早期使用的小咽熔爐和簡(jiǎn)單的吹氣設(shè)備，溫度不足以形成碳化鐵，故而最初以此方式形成的鐵使用價(jià)值不高，而且制鐵業(yè)者必須要等到爐火熄滅才能夠取出"鐵坯"，即含有小量碳的25-50磅的物質(zhì)，用來(lái)鑄造武器。直到大約1860年才丌始使用木炭，之后由煤生產(chǎn)得到的焦炭成為冶煉鐵的標(biāo)準(zhǔn)燃料。煤主要由游離碳組成。硬煤含有約6%揮發(fā)性物質(zhì)，軟煤含有稍微多一些的揮發(fā)性物質(zhì)。焦炭具有更多游離碳，在大約iooo°c節(jié)1300°C的溫度下用有限的氧氣燃燒煤，裂解大分子可得到焦炭，除去揮發(fā)性物質(zhì)后剩下的焦炭具有更高的機(jī)械強(qiáng)度并含有約85-90%游離碳，這種焦炭提供冶煉鐵所要求的高溫。在現(xiàn)代熔爐中，鐵礦石、石灰石和焦炭各層交替地放置在熔爐內(nèi)。焦炭提供所需的熱量以及把鐵礦石轉(zhuǎn)化為金屬鐵所需要的還原氣體，因此，在一個(gè)典型熔爐內(nèi)，2，000噸鐵礦石(Fe304)、500噸焦炭和400噸石灰石每FJ可以生產(chǎn)1,000噸生鐵、500噸礦渣和大量的可燃燒氣體。過(guò)去幾年已經(jīng)研究了一些方法來(lái)直接生產(chǎn)鐵；也稱從鐵礦中生產(chǎn)鐵塊，例如可參照以F期刊文章KobayashiL,TanigahiY.andUragamiA,ANewProcesstoproduceIronDirectlyFromFineOreandCoal,/awawd5fee/應(yīng)fer,Vol.28,No.9,2001，pp.19-22;NegamiT.，2001,ITMK3PremiumIronmaldngProcessfortheNewMienium，TsugeO.，KikukuchiS.，andTokudaK.，SuccessfulIronNuggetProductionatITmk3PilotPlant，W/raw腸A:/"gAto/m7/e，7fe""e逗e,2002;AnamericB.andKawatraS.K.,LaboratoryStudyRelatedtotheProductionandPropertiesofPigIronNuggets，M^era/sam/M"cr//wrg7a7/尸rac^swz'"g，Vol.23,No1,February2006(a)，pp.52-56;AnamericB.，RundmanK.B.andKawatraS.K.，CarburizationEffectsonPigIronNuggetMaking,M'wera/saw/她^7〃wrg7a2/尸rac^s一，Vol.23，No3,March2006，pp，139-151;AnamericB.andKawatraS.K.，PigIronNuggetsVersusBlastFurnacePigIron,PresentedatTMSFallExtractionandProcessingMeeting,/Voceetiz"gs5"o/m/她r脂〃.o,7a/i5戶/7as7.應(yīng)，SanDiego，California,Vol,5，2006(b)，pp,136-156;AnamericB.andKawatraS.K.，ConditionsforMakingDirectReducedIron,TransitionDirectReducedIronandPigIronNuggetsinaLaboratoryFurnace-TemperatureTimeTransformations,Sw6脂'股t/，M"era/sMay2006(c),PreprintnoMMP-06-027;AnamericB.andKawatraS.K.，MicrostructuralInvestigationofthePigIronNuggetsProducedatLaboratoryConditions,ISIJInternational,Nol，January2007(a);AnamericB.andKawatraS.K.,LaboratoryScaleInvestigationsontheFormationofPigIronNuggets,Sw6冊(cè)U/br/57J/艦r"加'o""/,January2007(b);AnamericB.andKawatmS.K.，TransformationMechanismsofSelfReducingFluxingDriedGreenballsintoPigIronNuggets,Presentedat2007SMEAnnualMeeting,2007(c)。在這些直接煉鐵法中，煤被用作金屬氧化物的還原劑。直至本發(fā)明之甜，商業(yè)上的直接煉鐵法依賴煤作為還原劑。常規(guī)煉鐵技術(shù)中，為了產(chǎn)生所需要的熱，鼓風(fēng)爐要求有焦炭或者直接還原鐵需要有天然氣。作為化石燃料，煤和天然氣無(wú)法長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)，而且導(dǎo)致增加大氣中的二氧化碳水平。所以，在本發(fā)明之前，普遍認(rèn)為只有能量含量至少與煤一樣多的燃料才可以產(chǎn)生足夠的熱和把氧化鐵還原為金屬鐵塊的還原氣體。因此，迄今為止，只有含有大量游離炭的物質(zhì)，例如煤或焦炭，才可以應(yīng)用在煉鐵法中。不過(guò)，煤除了是有限的非再生資源之外，燃燒煤也把重金屬如汞排放到環(huán)境中以及產(chǎn)生已被廣泛認(rèn)為不利于大氣的溫室氣體，從而引致環(huán)境問(wèn)題?；诂F(xiàn)有技術(shù)中這些及其他缺點(diǎn)，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種從鐵礦生產(chǎn)金屬鐵的新穎組合物和方法，不需要木炭、煤或焦炭，但仍能夠從鐵礦直接生產(chǎn)金屬鐵，以致于可以例如在非常接近鐵礦現(xiàn)場(chǎng)的地方生產(chǎn)金屬鐵產(chǎn)物，這樣，金屬鐵可以直接售賣(mài)給各個(gè)廢鐵再熔爐和其他煉鋼廠，無(wú)需使用常規(guī)煉鐵的鼓風(fēng)爐過(guò)程。本發(fā)明另一個(gè)目的是采用可再生或可再循環(huán)的物質(zhì)從鐵礦生產(chǎn)金屬鐵，不需要對(duì)可再生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，例如制造木炭。木發(fā)明再-個(gè)「1的是提供一種從鐵礦直接生產(chǎn)鐵的方法，該方法對(duì)環(huán)保持續(xù)有利。本發(fā)明更具體的目的是提供一種直接煉鐵的新穎組合物和方法，其中還原劑本Q"I作為把物質(zhì)結(jié)合在一起的粘結(jié)劑，不需要仟何添加劑。木發(fā)叨再一個(gè)(1的是提供一種從鐵礦生產(chǎn)鐵的新穎組合物和方法，得到的成品11'污染物含量少，而且爐渣的數(shù)量比較少。本發(fā)明乂-個(gè)目的是提供一種上面提及的那種方法，其中爐渣容易與產(chǎn)生的金屬鐵分離。本發(fā)明又一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的生產(chǎn)金屬鐵的方法和組合物，所生產(chǎn)的金屬鐵耐腐蝕、容易運(yùn)送、適合作為電爐中再熔化煉鋼的原料或者替換氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐屮的鐵屑，也能夠使用各種各樣容易獲得的原料。其他優(yōu)點(diǎn)和好處將在以下描述中史加明顯。本發(fā)明的這些和其他更詳細(xì)和具體的目的參照所附權(quán)利要求書(shū)和附圖會(huì)更加清楚，但這些權(quán)利要求書(shū)和附圖只以落在所附權(quán)利要求書(shū)限定的范圍內(nèi)的幾種方式舉例實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明一方面涉及使用一種組合物從鐵礦生產(chǎn)金屬鐵，所述組合物包括由鐵礦石微粒和還原劑微粒的混合物形成的一團(tuán)物質(zhì)，其中所述還原劑是顆粒狀生物質(zhì)或者顆粒狀塑料樹(shù)脂物質(zhì)。還原劑也可以是這兩種物質(zhì)以任何比例混合的混合物。所用的物質(zhì)可以是任何尺寸的物質(zhì)塊，較佳地鐵和還原劑都是顆粒狀。這團(tuán)物質(zhì)較好是粘結(jié)物質(zhì)以形成具有選定形狀的坯體，選定的形狀適合冶煉鐵，如小球、碎片或者團(tuán)塊，所述組合物具有足夠的粘結(jié)力以保持該團(tuán)物質(zhì)已經(jīng)成型的形狀。術(shù)語(yǔ)"粘結(jié)物質(zhì)"指的是一團(tuán)物質(zhì)的粘結(jié)力至少足以維持它自身的形狀，即維持它的整體。本發(fā)明另一方面是提供一種從鐵礦煉鐵的新穎方法，所述方法包括把鐵礦石細(xì)分成選定尺寸的微粒，把細(xì)分后的鐵礦石微粒與生物質(zhì)微?；蛘咚芰蠘?shù)脂物質(zhì)微粒或者它們的混合物一起混合，使混合物形成適合熔爐冶煉的預(yù)定形狀，把成型后的改團(tuán)混合物放入熔爐內(nèi)并使其與足夠的熱接觸，升高混合物的溫度至其內(nèi)含的鐵到達(dá)熔煉溫度，從而直接從鐵礦生產(chǎn)金屬鐵?？赏ㄟ^(guò)任何方便的方式產(chǎn)生熱，例如電加熱、輻射、或者在爐內(nèi)燃燒氣體、液體或固體燃料。雖然放置在混合物中的還原劑實(shí)質(zhì)上不含有游離碳，但本發(fā)明的方法對(duì)熔煉鐵礦石來(lái)生產(chǎn)金屬鐵體非常有效，尤需用到在本發(fā)明之前商業(yè)煉鐵法中使用的煤、焦炭、木炭或者任何常規(guī)高能燃料來(lái)產(chǎn)生所要求的高溫和煉鐵所需要的還原氣體。本發(fā)明的其他特征將結(jié)合附圖和以下舉例說(shuō)明本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)作更詳細(xì)描述。閣1是根據(jù)本發(fā)明還原鐵礦石的熔爐的垂直剖視示意圖。圖2是圖1所示坩堝垂直剖視放大圖，其中坩堝內(nèi)的鐵礦石物質(zhì)為在熔爐內(nèi)熔煉甜的樣子。圖3是熔煉后典型小球的外觀，顯示金屬鐵體與爐渣分離。圖4是本發(fā)明以工業(yè)規(guī)模使用的一個(gè)實(shí)施例的縱向剖視示意圖。具體實(shí)施例方式以氧化鐵礦石為起始材料，一般采用鐵燧石、赤鐵礦石或者褐鐵礦石，它們可以是商業(yè)上可提供的任何合適的顆粒，優(yōu)選為細(xì)顆粒。當(dāng)使用的顆粒直徑是0.25英、j或以匕處理時(shí)間會(huì)不必要地延長(zhǎng)，而且粒子不會(huì)形成粘結(jié)團(tuán)塊。所以，使用細(xì)粒子是較佳的，最好是把粒子研磨得很細(xì)。術(shù)語(yǔ)"研磨得很細(xì)"指的是這樣的粒子，它們至少有90%能夠通過(guò)75pm篩網(wǎng)，最好有90%能夠通過(guò)50(am篩網(wǎng)。若使用的礦石粒子有90。/。能夠通過(guò)25pm篩網(wǎng)，得出來(lái)的結(jié)果非常好。也可以使用市售各種粒徑的其他氧化鐵礦石微粒。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用研磨得很細(xì)的粒子，得率和處理時(shí)間可能是最佳的，鐵礦石也能夠很好地形成粘結(jié)物質(zhì)，如小球、煤餅或塊狀，下文將作詳細(xì)描述。例如，鐵燧石可以通過(guò)商業(yè)途徑從精礦廠得到，其中精礦廠把鐵礦石變成粒子，使其中90。/。通過(guò)25pm篩網(wǎng)，它們由95。/。Fe304和5%二氧化硅組成。一般而言，粒子越細(xì)，它們?cè)饺菀仔纬烧辰Y(jié)物質(zhì)，處理時(shí)間也越快。使用粘結(jié)劑對(duì)成功實(shí)施本發(fā)明不是絕對(duì)必要的，這是因?yàn)榭梢允褂萌魏畏椒ò蚜Ｗ訅簩?shí)成壓縮團(tuán)。本發(fā)明的方法在開(kāi)始時(shí)，把氧化鐵微粒與基本上不含游離碳的還原劑混合。合適的還原劑可以是生物質(zhì)或者塑料樹(shù)脂物質(zhì)，例如合成樹(shù)脂尤其是顆粒狀可循環(huán)或可再生的塑料樹(shù)脂物質(zhì)或其任何比例的混合物。術(shù)語(yǔ)"生物質(zhì)(biomass)"在McGrawHillChemicalEncyclopediaofScienceandTechnology2005中被定義為"由工廠產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)，例如樹(shù)葉、根、種子和莖"。在某些情況下，也認(rèn)為微生物和動(dòng)物的代謝廢物是生物質(zhì)。術(shù)語(yǔ)生物質(zhì)指的是不會(huì)直接變成食品或商品，但有其他替換的工業(yè)用途的物質(zhì)。生物質(zhì)通常來(lái)自1.)農(nóng)業(yè)廢料，如玉米莖、稻草和殼或肥料等等；2.)木質(zhì)材料、木材或樹(shù)皮、鋸屑和研磨廢料；3.)市政廢棄物，如廢水、草、落葉和院了修剪下來(lái)的植物；4.)能源作物，例如白楊、柳樹(shù)、柳枝稷、紫花苜蓿、。:原須芒草、玉米淀粉和大豆油。但足，本文所用的術(shù)語(yǔ)"生物質(zhì)"所涵覆的范圍比上述定義寬，指的是任何有機(jī)物質(zhì)，特別是含有有機(jī)聚合物并且沒(méi)有或者基本上沒(méi)有游離碳的植物和動(dòng)物物質(zhì)。除了生物質(zhì)之外，本發(fā)明還可使用合成聚合物作為還原劑，所述合成聚合物不含有或者基本.卜.不含有游離碳，例如預(yù)先沉積在垃圾堆填區(qū)的可循環(huán)或可再生的塑料。生物質(zhì)與常規(guī)煉鐵法以及上述提到的直接煉鐵法中采用的煤、木炭或焦炭截然不同，這是因?yàn)楹笳甙ǜ吣苋剂?，它們大部分或者幾乎全部都是游離碳。相反，本發(fā)明使用的生物質(zhì)如果有的話，也含有極少的游離碳。碳存在于有機(jī)聚合物分子中，例如對(duì)于木材，碳存在于多糖、纖維素、淀粉和木素中。木材由70%-80%纖維(一種有機(jī)多糖聚合物)和20%-30%木素(一種非多糖有機(jī)聚合物)組成。除了木屑或木漿、鋸屑外，本發(fā)明還使用各種各樣非木質(zhì)的生物質(zhì)，例如草、谷物、莖等等，它們主要由纖維素和其他糖類(lèi)聚合物組成。如上面已經(jīng)作了簡(jiǎn)要說(shuō)明，以前依賴煤、焦炭或木炭來(lái)產(chǎn)生所需要的還原氣體。以甜，也一般相信只有高熱值燃料才是有效的。例如，木材的熱值僅是煤的熱值的一半，不到焦炭熱值的一半。所以，過(guò)去在煉鐵之前，要用另外的方法把木材轉(zhuǎn)化為木炭。所以，現(xiàn)有的商業(yè)做法不會(huì)教導(dǎo)人們使用生物質(zhì)作為熔煉氧化鐵的還原劑。本發(fā)明可以使用的生物質(zhì)包括碳水化合物和其他有機(jī)聚合物以及除煤、焦炭或木炭之外的碳?xì)浠衔?。例如，本發(fā)明的生物質(zhì)包括紙、紙漿、纖維紙廠廢污泥、磨木漿、小麥粉、玉米粉、干甜菜廢漿、修剪下來(lái)的草、樹(shù)葉和莖、剁碎稻草、玉米桿、鋸木廠廢棄物、干消費(fèi)后有機(jī)廢物、干污泥、泥炭、淀粉、麩質(zhì)、木素、生產(chǎn)酒精得到的干蒸酒谷物和其他固體殘余物、糖蜜(液體)、柳枝稷以及其他生物質(zhì)農(nóng)作物。也可以使用可循環(huán)或可再生的塑料樹(shù)脂，最好是非氯化塑料樹(shù)脂。在鐵礦石微粒和還原劑混合后，它們形成一團(tuán)粘結(jié)物質(zhì)。該團(tuán)物質(zhì)可包括任何所希望的尺寸的碎片或結(jié)塊，最有用的是小球、煤餅或其他聚合團(tuán)塊，其屮微粒由粘結(jié)劑粘結(jié)在一起，所述粘結(jié)劑可包括還原劑本身或加入在該團(tuán)物質(zhì)的一種粘結(jié)齊'J。雖然粘結(jié)或結(jié)合可通過(guò)很多不同的方式實(shí)現(xiàn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，似最方便的做法是向氧化鐵和還原劑混合物加水以形成漿泥，特別是當(dāng)有機(jī)物質(zhì)來(lái)「1生物質(zhì)，或者通過(guò)熔化有機(jī)塑料樹(shù)脂物質(zhì)并使其熱塑進(jìn)入氧化鐵粒子。如果還原劑開(kāi)始就有粘結(jié)性質(zhì)，就不需要加水。正常情況下，生物質(zhì)本身作為粘結(jié)劑可以提供粘結(jié)力，把氧化鐵和生物質(zhì)的混合物保持在粘結(jié)物質(zhì)內(nèi)，即粘結(jié)成聚合團(tuán)塊以對(duì)物質(zhì)作進(jìn)-歩處理。富含淀粉如面粉的生物質(zhì)是很好的粘結(jié)劑。如果使用的主要生物質(zhì)i-l.有相對(duì)小的粘結(jié)能力，如磨木漿，可以加入小量谷物面粉作為粘結(jié)劑，也能冇很好的粘結(jié)力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，加入的谷物淀粉量占鐵礦石重量約1%-2%，增加濕度后得到的粘結(jié)劑"r獲得突出的效果。木素、麩質(zhì)和其他具有粘結(jié)性質(zhì)的有機(jī)物質(zhì)也適合用作還原劑，它們的天然粘結(jié)性質(zhì)使得它們能夠用作粘結(jié)劑。雖然鐵礦石和還原劑的物質(zhì)團(tuán)可以是任何合適的尺寸，但最好提供一個(gè)個(gè)尺寸足夠小的小球或煤餅，使得熱量能夠很快到達(dá)每個(gè)小球或煤餅的內(nèi)部，最有用的尺寸是直徑小于4至8cni，較佳是直徑約0.25cm至約4cm，最好的直徑為約1/2cm至2.5cm。利用任何公知的方式可以很方便地把粘結(jié)物質(zhì)形成大致圓的小球，例如利用造粒機(jī)，其配置了旋轉(zhuǎn)表面以支持混合物，向該混合物噴射水，形成薄霧，或吝可利用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何其他合適的造粒機(jī)。如果形成的碎塊或小球是潮濕的，它們最好干燥至小球能夠至少自己維持成球體，但最好是干燥至小球足夠結(jié)實(shí)，使得它們被放置在約6英寸深的床層上也不會(huì)崩解。在鐵礦石和還原劑稱重后，把它們放在市售的任何合適的攪拌機(jī)(如高速混合機(jī)(kneader-mker))中徹底地混合。繼續(xù)攪拌，同時(shí)稍稍弄濕混合物，直到該混合物開(kāi)始聚合成團(tuán)塊。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方法中，使聚合團(tuán)塊滾動(dòng)并加壓，形成各含有例如約25克精鐵礦石和7.5克還原劑的球體或小球。再把它們?cè)诶缂s105°C的間歇式或連續(xù)式干燥機(jī)中干燥。這時(shí)，形成的粘結(jié)物質(zhì)是堅(jiān)實(shí)的，并具有足夠硬度可以自我維持并可以放在工業(yè)熔爐內(nèi)約6-8英寸深的小球或塊、煤餅床層上。不過(guò)，床層的深度不是關(guān)鍵的。測(cè)試目的的小批量可包括一個(gè)或任何數(shù)目的小球或碎片?？捎萌魏喂姆绞綄?duì)熔爐進(jìn)行加熱，與放置在熔爐內(nèi)的物質(zhì)裝料量無(wú)關(guān)，例如加熱的方式可以是燃燒固體或液體燃料如天然氣、丙垸、燃油，或者熔爐可使用屯阻加熱器以屯加熱方式進(jìn)行加熱。一個(gè)用于實(shí)驗(yàn)試運(yùn)轉(zhuǎn)的合適熔爐是Thermolyne型號(hào)F46128CM高溫屯加熱熔爐。可使用各種工業(yè)規(guī)模熔爐屮的任何一種?，F(xiàn)在參看附圖，附圖以舉例說(shuō)明方式闡明本發(fā)明。圖l所示是用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡?個(gè)也加熱熔爐的垂直剖視圖。熔爐IO包括耐火爐體12，所述爐體具有爐腔M、山耐火材料制成的爐底座板16和坩堝18。由兩套電加熱組件20和22供熱。23是熱電偶。坩堝18由粘土和石墨制成，含有耐火支撐床24，所述支撐床24不進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)或冶鐵過(guò)程，但用來(lái)把鐵礦石小球26適當(dāng)?shù)爻型性谌蹱t內(nèi)并且接收產(chǎn)生的金屬鐵。本文所用的術(shù)語(yǔ)"耐火"指的是當(dāng)承受熔爐高溫時(shí)仍能保持自身物理形狀和化學(xué)特性，并且不會(huì)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入鐵礦石還原過(guò)程的物質(zhì)。加熱過(guò)程可能在20分鐘內(nèi)完成，在此期間，包含在小球26內(nèi)組成還原劑的有機(jī)物質(zhì)分解，正是有機(jī)物質(zhì)的分解產(chǎn)物把氧化鐵還原為金屬鐵。金屬鐵熔化，而雜質(zhì)以爐渣產(chǎn)物的形式從鐵熔化物排出，留下一或多個(gè)小滴28和30,這些小滴冷卻后固化成金屬鐵塊，適合用來(lái)煉鋼。在煉鐵過(guò)程中，金屬鐵吸收來(lái)自有機(jī)物質(zhì)的過(guò)量碳，這些碳與鐵結(jié)合，這樣鐵可以在較低溫度(約1200。C)下熔化，比純鐵的熔化溫度1539°C低。其他物質(zhì)如氧化鈣或碳酸鈣也可以作為熔劑被加入以改善熔化過(guò)程和爐渣與金屬鐵的分離。把得到的成品聚合團(tuán)塊或其他粘結(jié)物質(zhì)團(tuán)放在任何公知的市售分離器內(nèi)作進(jìn)--歩處理，以分離和收集金屬鐵。從上文可見(jiàn)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是使用可再生和可再循環(huán)的有機(jī)物作為還原劑，而且不必首先處理有機(jī)物以制備木炭或者要為煉鐵過(guò)程做準(zhǔn)備工作。因此，有機(jī)物未經(jīng)加工就可以使用，因?yàn)樗鼈兇蠖鄶?shù)都是剩余下來(lái)的或者被認(rèn)為是廢棄物，所以本發(fā)明的煉鐵法成本很低。此外，從可再生的有機(jī)物生產(chǎn)鐵對(duì)煉鐵成為持續(xù)的環(huán)保工業(yè)是很重要的。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是生物質(zhì)或其他有機(jī)物用作粘結(jié)劑，把小球粘結(jié)在一起直到反應(yīng)完成。這樣，就不需要使用額外粘結(jié)劑如膨潤(rùn)土。不使用額外粘結(jié)劑的好處是對(duì)產(chǎn)品的污染少，爐渣數(shù)量少，以及簡(jiǎn)化對(duì)爐渣性質(zhì)的控制。產(chǎn)生的鐵塊28和30的尺寸是這樣控制的把小球支撐在耐火床上，所述耐火床最好由不會(huì)被熔化金屬弄濕的微粒組成，以致于小滴與耐火支撐介質(zhì)不同并能與耐火支撐介質(zhì)分離。圖3所示是熔煉后的鐵塊。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，把鐵礦石和還原劑26的粘結(jié)物質(zhì)支撐在由耐火微粒24組成的床上，所述微粒24適宜是不會(huì)被熔化鐵塊28和30弄濕的精細(xì)微粒，可以控制產(chǎn)生的鐵塊尺寸。當(dāng)小球26或其他坯體被轉(zhuǎn)化為金屬鐵塊28和30，液態(tài)鐵熔化并流至小球下面的耐火床凹處被收集。一些液態(tài)鐵小滴合并，但大部分仍然是分離的小滴28和30，這些小滴冷卻后形成各個(gè)余屬體或金屬塊?？梢允褂酶鞣N耐火材料。例如，合適的耐火材料包括氧化鋁(八1203)與氮化硼的混合物或者莫來(lái)石(硅線石)(2Si02:3Al203)與氧化鋯(Zr02)的混合物。另-種可用的合適耐火材料是石墨粉末或碳粒如石油焦炭。在生產(chǎn)如圖所示的樣品量金屬鐵時(shí)，可使用包括磨細(xì)石油焦炭床的耐火材料，這些耐火材料大部分裝填在坩堝內(nèi)。耐火材料不會(huì)損耗，只用來(lái)當(dāng)聚合團(tuán)塊熔化形成游離金屬鐵時(shí)支撐這些團(tuán)塊，而小球26或者鐵礦石與生物質(zhì)的其他聚合團(tuán)塊留在耐火材料24的活動(dòng)床上?，F(xiàn)在參看圖4，圖4示意地示出了本發(fā)明工業(yè)熔爐的熔煉運(yùn)作，該工業(yè)熔爐的煉鐵是商業(yè)規(guī)模。圖中所示的熔爐裝設(shè)了傳輸帶。不過(guò)，本發(fā)明可應(yīng)用于各種熔爐，包括轉(zhuǎn)底爐、豎爐或浴煉爐。以附圖標(biāo)記32表示的熔爐主要由耐火材料制成，包括具有入口36的爐腔34以及具有傳送帶的輸送機(jī)，圖4僅示出輸送機(jī)其中一部分，包括鐵礦石承載器38，所述承載器38在操作過(guò)程中經(jīng)入口36進(jìn)入熔爐32的加熱爐內(nèi)部34。當(dāng)承載器38進(jìn)入熔爐時(shí)，它們裝滿了一層含有上述鐵礦石和還原劑的預(yù)制坯體26，這些預(yù)制坯體可被堆積成任何所希望的深度，或者放置成單層，其單層高度等于一個(gè)預(yù)制坯體的高度，這樣，每一個(gè)預(yù)制坯體被支撐在承載器38朝向上的耐火表面上，所述承載器可以是固體耐火材料或者包括由任何合適的市售耐火粉水形成的活動(dòng)微粒。待熔爐32內(nèi)的熔煉過(guò)程完成后，卸下承載器38的物質(zhì)，金屬鐵與剩余的爐渣分離。得到的鐵片或鐵塊容易運(yùn)送，耐腐蝕，并且可用作氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中鐵屑的替換物或電爐中再熔化煉鋼的替換物。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用本發(fā)明可使熔煉過(guò)程在相對(duì)低的溫度下進(jìn)行。使用生物質(zhì)作為還原劑生產(chǎn)鐵塊的溫度為1350°C-1450°C，處理時(shí)間為約20至40分鐘。熔爐使用的最高溫度只受熔爐生產(chǎn)能力的限制。有可能的是，允許額外時(shí)間使包含在生物質(zhì)或合成樹(shù)脂的碳擴(kuò)散進(jìn)入金屬，從而降低金屬的熔化溫度，因此利用本發(fā)明生產(chǎn)金屬鐵的溫度可能比1350。C稍低，例如1300°C。在工業(yè)運(yùn)作中，如上所述，能夠到達(dá)所希望溫度的任何熱源都是合適的，包括電加熱、天然氣、燃燒煤或者燃燒任何其他經(jīng)濟(jì)的高溫燃料。本發(fā)明能夠獲得很高的得率。常規(guī)鼓風(fēng)爐中每2,000噸赤鐵礦(Fe203)生產(chǎn)得到只有1,000噸生鐵，得率為71.4%,與之相比，本發(fā)明已經(jīng)取得的得率可以高達(dá)84.5%，這是非常好的效果。熔煉過(guò)程完成后，對(duì)粘結(jié)在一起的聚合團(tuán)塊進(jìn)行冷卻，發(fā)現(xiàn)多孔低密度爐渣含冇大部分雜質(zhì)，容易與生產(chǎn)得到的金屬鐵塊分離。雖然用還原鐵所需的理論化學(xué)量W'生產(chǎn)金屬鐵，但實(shí)際上為確保有足夠的還原劑，實(shí)際使用的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量比理論上還原鐵的所需量要多。鐵礦石較好地含有約60%-90%(重量)有機(jī)物質(zhì)，最好含有約65%-85%(重量)有機(jī)物質(zhì)。用本發(fā)明可成功地生產(chǎn)鐵塊，使用的生物質(zhì)附加材料約是小球或其他聚合團(tuán)塊物質(zhì)的氧化鐵的20%-30%(重量)，基本上可把氧化鐵全部還原為鐵。磁鐵礦(Fe304)和赤鐵礦(Fe203)都可通過(guò)本發(fā)明來(lái)成功地還原為金屬鐵。得到的金屬鐵的含碳量在約2%至約4%的范圍內(nèi)；生鐵產(chǎn)物的含鐵量高達(dá)約4%(重量)。常規(guī)方法生產(chǎn)的生鐵含鐵量平均為約92%-94%，其余為碳和其他雜質(zhì)。本發(fā)明生產(chǎn)的生鐵耐腐蝕，容易運(yùn)送，是煉鋼的良好原料，可以在電爐再熔化或者替換了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中的鐵屑。本發(fā)明也可以用任何一種熔爐以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)生鐵塊，所述熔爐包括轉(zhuǎn)底爐、豎爐或浴煉爐。除了電熱阻爐之外，也可以使用其他類(lèi)型的熔爐，例如感應(yīng)加熱爐，它是利用了導(dǎo)電物質(zhì)的交變磁通量來(lái)產(chǎn)生熱，或者通過(guò)電弧爐等其他方式。如上文已經(jīng)提到，熔煉所需要的熱由轉(zhuǎn)化過(guò)程作為還原劑的物質(zhì)另外提供，而把氧化鐵轉(zhuǎn)化為游離金屬鐵的還原能力由碳?xì)浠衔锘蛱妓衔锞酆衔锾峁@些碳?xì)浠衔锘蛱妓衔锞酆衔锸墙M成小球、煤餅或其他聚合團(tuán)塊的粘結(jié)物質(zhì)的一部分。在本發(fā)明之前，煉鐵工業(yè)不能夠利用大量的生物質(zhì)和可循環(huán)的有機(jī)物質(zhì)(例如可循環(huán)的合成塑料樹(shù)脂)來(lái)熔煉鐵礦石，而這些物質(zhì)現(xiàn)在被本發(fā)明充分利用。本發(fā)明有許多優(yōu)點(diǎn)和好處。因?yàn)檫€原劑來(lái)自于可再生資源，所以本發(fā)明的方法K期而g都不會(huì)純?cè)黾哟髿獾亩趸?。還原劑也可以在煉鐵設(shè)備附近的當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生，不需要長(zhǎng)途運(yùn)輸。此外，還原劑的含氫量有助于還原金屬氧化物。本發(fā)明的氫氣不'j人氣氧反應(yīng)而消耗，本發(fā)明的氫氣是用來(lái)還原金屬氧化物的。本發(fā)明的還原劑不是主耍熱源。如上所述，可通過(guò)任何方便的形式提供外熱。這使得選擇還原劑完全基于它們作為還原劑的性能而不用考慮它們的熱值成為可能。另外，熱源也可以優(yōu)化，選擇熱源時(shí)只需基于它們的熱效率而不用考慮它們是否能夠把氧化鐵還原為金屬鐵。這使得本發(fā)明的方法比現(xiàn)在使用煤、焦炭、木炭為還原劑和加熱燃料的方法更有效率。另一個(gè)好處是許多生物質(zhì)具有粘結(jié)性質(zhì)，這些生物質(zhì)用作粘結(jié)劑把鐵礦石和還原劑粘結(jié)在一起，成為一團(tuán)粘結(jié)物質(zhì)再作處理。因此，不必使用無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，例如膨潤(rùn)土，這些無(wú)機(jī)粘結(jié)劑會(huì)污染鐵礦石并導(dǎo)致?tīng)t渣量增加。此外，大部分生物質(zhì)中無(wú)機(jī)化合物含量低，所以產(chǎn)生的爐渣量比含有較多無(wú)機(jī)物質(zhì)的還原劑如煤或焦炭要少。本文引用的全部文獻(xiàn)納入作為參考，以致于它們?cè)诒景l(fā)明的上下文內(nèi)可以再現(xiàn)。本發(fā)明結(jié)合以下實(shí)施例會(huì)更容易理解。實(shí)施例1把精鐵礦石與磨細(xì)的木材混合，其中所述精礦石包含來(lái)自IshpemingMI的帝國(guó)礦山(Kmpiremine)的磁鐵礦石(Fe304)，山90%通過(guò)25pm篩網(wǎng)的微粒組成，并含有5%:M化硅，所述木材包括Carbondry⑧木屑，長(zhǎng)度平均約1英寸，厚度約1/8英寸，濕度約5%，卜llCarbontec，EnergyCorporationofBismarckND提供。木屑在桿磨機(jī)千燥研磨，通過(guò)4.75mm篩。因?yàn)槟ゼ?xì)的木材沒(méi)有足夠的粘結(jié)力以形成粘結(jié)物質(zhì)，所以加入小量小麥粉作為粘結(jié)劑。分別稱重磁鐵礦石、磨細(xì)的木材和小麥粉，在高速攪拌機(jī)內(nèi)攪拌在一起，攪拌機(jī)加濕以產(chǎn)生薄薄的濕氣，直至混合物丌始結(jié)集成團(tuán)塊。然后，混合物形成小球，含有約25g精鐵礦石和約7.5g磨細(xì)的木屑和小麥粉，結(jié)果還原劑重量約是磁鐵礦石的30%(重量)。形成聚合團(tuán)塊的小球直徑平均約2cm，在105。C干燥，放置在圖1和圖2所示的粘土石墨坩堝內(nèi)，該坩堝含有由石油焦炭組成的耐火支持座，用于支承小球但其本身不會(huì)消耗，也不進(jìn)入反應(yīng)。形成聚合團(tuán)塊的小球在約1475。C的溫度下加熱25分鐘。冷卻后，產(chǎn)生的金屬鐵很容易與有粘結(jié)性的爐渣分離。實(shí)施例2在4個(gè)實(shí)驗(yàn)中用磁鐵礦石生產(chǎn)金屬鐵，其過(guò)程與實(shí)施例l基本一樣，但加熱溫度下降到1425。C和1400°C。進(jìn)料混合物由大約100g磁鐵礦石、30g磨細(xì)的木材和2g小麥粉組成。把組合后的混合物分成4份，形成各含25g磁鐵礦石、7.5g磨細(xì)的木材和0.5g小麥粉的聚合團(tuán)塊。當(dāng)加熱時(shí)間至少有20分鐘，可得到良好的金屬鐵產(chǎn)物。實(shí)施例3在第三次運(yùn)行中，進(jìn)料混合物由大約100g磁鐵礦石、20g磨細(xì)的木材和2g小麥粉組成。把組合后的混合物分成4份，形成各含25g磁鐵礦石、5g磨細(xì)的木材和0.5g小麥粉的聚合團(tuán)塊。然后，在1375°C至1425°C的溫度范圍內(nèi)加熱各個(gè)小球。在熔爐加熱后，得到良好的金屬鐵塊產(chǎn)物。實(shí)施例2和3得到的結(jié)果列于下表1中。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>"初始小球重量"一欄是包括磁鐵礦石還原劑和粘結(jié)劑在內(nèi)的各個(gè)小球的總重量。估計(jì)的鐵回收率百分比是基于產(chǎn)生的原金屬鐵的重量，不包括爐渣所含的小金屬珠的重量。結(jié)論是，在所采用的熔爐條件下，最小需要20分鐘完成還原過(guò)程以及把金屬鐵與爐渣成功地分離。用較少量磨細(xì)木材生產(chǎn)鐵塊，其鐵回收率與用較多量木材生產(chǎn)鐵塊的鐵回收率相比稍微有所下降，這表示20%的木材含量不足以把熔爐內(nèi)的全部氧化鐵還原為金屬鐵。也發(fā)現(xiàn)，溫度低至1375°C也能成功地生產(chǎn)金屬鐵。生產(chǎn)得到的鐵塊的平均表觀密度為7.3g/cr^，比目前用煤粉和鐵微粒的混合物生產(chǎn)的直接還原鐵的密度大，與鼓風(fēng)爐生產(chǎn)的生鐵差不多。碳的含量約4%。實(shí)施例4在另一次運(yùn)行中，包含小球的聚合團(tuán)塊組成如下50g磁鐵礦石和20g聚丙烯樹(shù)脂?；旌虾螅鸦旌衔锓旁谖⒉t內(nèi)加熱以使聚丙烯熔化，然后徹底地混合，分成兩半，壓制成2團(tuán)緊密的物質(zhì)，每團(tuán)的直徑約2cm，接著冷卻，硬化。在第二次試運(yùn)行中，用20g小麥粉和小量水代替聚丙烯，制成足夠硬的料團(tuán)。揉捏該混合物并使其形成2個(gè)直徑約2cm的小球，然后加熱至100。C，直至干燥。對(duì)兩種組成的小球作如下處理粘土石墨坩堝設(shè)有由焦炭粒(碳)組成的耐火支持座，以適當(dāng)?shù)刂С辛蠄F(tuán)，如圖2所示。坩堝放在已被加熱至1475°C的電加熱箱形爐內(nèi)(圖l)。載有形成聚合團(tuán)塊的小球的坩堝留在爐內(nèi)20分鐘，然后取出，自然冷卻至室溫。產(chǎn)生的金屬鐵產(chǎn)物是高密度金屬鐵體28,含有大部分原本存在于氧化鐵有機(jī)聚合塊中的鐵，多孔低密度爐渣含有大部分雜質(zhì)，容易從產(chǎn)生的金屬鐵體表而分裂出來(lái)。實(shí)施例5按照實(shí)施例2的方式還原鐵礦石，除了在另外的產(chǎn)品運(yùn)行中使用以下還原劑代f々磨細(xì)的木材紙粒、紙漿、纖維紙廠廢污泥、磨木漿、千甜菜廢漿、修剪下來(lái)的草、可循環(huán)和可再生的塑料樹(shù)脂、小麥粉、玉米粉、剁碎稻草、玉米桿、鋸木廠廢棄物、干消費(fèi)后有機(jī)廢物、干污泥、泥炭、淀粉、麩質(zhì)、木素、生產(chǎn)酒精得到的固體殘余物、糖蜜和柳枝稷。本文提到的所有數(shù)量是按份給出或者以重量百分比計(jì)。一H理解了上述原則，對(duì)本發(fā)明作許多落在所附權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)的變型對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯易而見(jiàn)的。權(quán)利要求1.一種從鐵礦石生產(chǎn)金屬鐵的組合物，包括由鐵礦石微粒和還原劑微粒組成的混合物形成的一團(tuán)物質(zhì)，所述還原劑選自生物質(zhì)和塑料樹(shù)脂物質(zhì)粒子或其混合物，該團(tuán)物質(zhì)的選定形狀適合在熔爐內(nèi)被熔煉以生產(chǎn)金屬鐵。2.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)是包括小球、煤餅、碎片或團(tuán)塊的粘結(jié)物質(zhì)。3.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述還原劑粒子的粘性較差，在該團(tuán)物質(zhì)中存在粘結(jié)劑以把各微粒相互粘結(jié)在一起。4.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)包括約60%至約90%(重量)鐵礦石。5.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述鐵礦石選自磁鐵礦石、赤鐵礦石或褐鐵礦石。6.如權(quán)利耍求1所述的組合物，其特征在于，所述塑料樹(shù)脂物質(zhì)是基本上不含氣的塑料樹(shù)脂。7.要從鐵礦石生產(chǎn)金屬鐵，把鐵礦石微粒與還原劑微?；旌闲纬?團(tuán)粘結(jié)物質(zhì)，其屮所述還原劑選自基本上不含游離碳的生物質(zhì)和塑料樹(shù)脂粒子或其混合物，該團(tuán)物質(zhì)形成坯體，在熔爐內(nèi)被熔煉以生產(chǎn)金屬鐵。8.如權(quán)利耍求7所述的組合物，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)是包括小球、煤餅、碎片或團(tuán)塊的粘結(jié)物質(zhì)。9.如權(quán)利要求7所述的組合物，其特征在于，所述還原劑粒子的粘性較差，在該團(tuán)物質(zhì)中存在粘結(jié)劑以把各微粒相互粘結(jié)在一起。10.如權(quán)利要求7所述的組合物，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)包括約60%至約90%(重量)鐵礦石。11.如權(quán)利要求7所述的組合物，其特征在于，所述鐵礦石選自磁鐵礦石、赤鐵礦石或褐鐵礦石，并包括約65%至約85%(重量)該團(tuán)物質(zhì)。12.—種從鐵礦石生產(chǎn)金屬鐵的方法，所述方法包括如下歩驟提供鐵礦石微粒，提供還原劑微?；蜻€原劑流體，把所述還原劑與所述鐵礦石微粒混合，形成一團(tuán)物質(zhì)，所述還原劑選自生物質(zhì)和塑料樹(shù)脂粒子或其混合物，把熔爐內(nèi)的該團(tuán)物質(zhì)加熱至一溫度，所述溫度足以把所述鐵礦石還原為金屬鐵并使鐵熔化，由此鐵形成至少一種金屬鐵體和爐渣。13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述爐渣隨后與所述金屬鐵體分罔。14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)被加熱到至少約1300°C的溫度。15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)是形成聚合團(tuán)塊的粘結(jié)物質(zhì)，所述聚合團(tuán)塊包含直徑約1/2至4cm的小球。16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述還原劑和所述鐵礦石與粘結(jié)劑混合，把該團(tuán)物質(zhì)內(nèi)的微粒相互粘結(jié)在一起。17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)是形成直徑約1/2至約21Z2cm的坯體的粘結(jié)物質(zhì)。18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供磨細(xì)的磁鐵礦石、赤鐵礦石或褐鐵礦石微粒作為所述鐵礦石微粒的歩驟。19.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)是由形成聚合坯體的微粒組成的粘結(jié)物質(zhì)，所述坯休放在熔爐內(nèi)支持所述坯體的耐火材料上。20.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供一種物質(zhì)作為所述生物質(zhì)的歩驟，所述物質(zhì)選自紙、紙漿、纖維紙廠廢污泥、磨木漿、小麥粉、::K米粉、千甜菜廢漿、修剪下來(lái)的草、剁碎稻草、玉米桿、鋸木廠廢棄物、干消費(fèi)后有機(jī)廢物、干污泥、泥炭、淀粉、麩質(zhì)、木素、生產(chǎn)酒精得到的干蒸酒谷物和固體殘余物、糖蜜、柳枝稷、以及包括碳?xì)浠衔锏乃芰蠘?shù)脂物質(zhì)，其中所述碳?xì)浠衔锇ň郾┧芰蠘?shù)脂、聚乙烯塑料樹(shù)脂、聚氯乙烯塑料樹(shù)脂或其混合物。21.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述生物質(zhì)是以下物質(zhì)紙、紙漿、纖維紙廠廢污泥、磨木漿、小麥粉、玉米粉、干甜菜廢漿、修剪下來(lái)的草、剁碎稻草、玉米桿、鋸木廠廢棄物、干消費(fèi)后有機(jī)廢物、干污泥、泥炭、淀粉、麩質(zhì)、木素、生產(chǎn)酒精得到的干蒸酒谷物和固體殘余物、糖蜜、柳枝稷，所述塑料樹(shù)脂物質(zhì)選自聚丙烯塑料樹(shù)脂、聚乙烯塑料樹(shù)脂、聚氯乙烯塑料樹(shù)脂。22.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括把該團(tuán)物質(zhì)放置在耐火材料支撐床上。23.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括把該團(tuán)物質(zhì)放置在耐火材料支撐床上，所述支撐床包括粒狀耐火材料形成的活動(dòng)粒子。24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該團(tuán)物質(zhì)被放置在耐火材料上，所述耐火材料包括氧化鋁和氮化硼、莫來(lái)石和氧化鋯、碳?；蚴Ｈ恼獜蔫F礦石生產(chǎn)金屬鐵，一種組合物包括由鐵礦石微粒和還原劑微粒組成的混合物形成的一團(tuán)物質(zhì)，所述還原劑是生物質(zhì)粒子和塑料樹(shù)脂物質(zhì)粒子。還原劑也可以是生物質(zhì)和塑料樹(shù)脂物質(zhì)以任何比例混合而成的混合物。該團(tuán)物質(zhì)包含至少一種坯體，其形狀適合熔煉，例如小球、煤餅、碎片或塊狀。小球的粘結(jié)力足以維持它們已經(jīng)成型的形狀。本發(fā)明還提供一種從鐵礦石生產(chǎn)金屬鐵的新穎方法，所述方法包括把鐵礦石細(xì)分成選定尺寸的微粒，把細(xì)分后的鐵礦石微粒與生物質(zhì)粒子和塑料樹(shù)脂物質(zhì)粒子或其混合物混合，形成一團(tuán)物質(zhì)，該團(tuán)物質(zhì)的坯體形狀適合在熔爐內(nèi)熔煉，以及把所述坯體放在熔爐內(nèi)并對(duì)其充分加熱，使所述坯體內(nèi)的鐵到達(dá)爐內(nèi)的煉鐵溫度，從而從鐵礦石直接生產(chǎn)金屬鐵。文檔編號(hào)C22B11/00GK101443465SQ200780016732公開(kāi)日2009年5月27日申請(qǐng)日期2007年3月12日優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日發(fā)明者S·K·卡瓦特拉,T·C·艾瑟勒申請(qǐng)人:密歇根理工大學(xué)