專利名稱：鐵合金的生產的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種使用新型添加劑在電弧爐(EAF)中生產鐵合金(例如鋼)的方法。在其主要的功能中，所述新型添加劑起熔渣起泡劑、還原劑的作用。然而，所述添加劑可以另外作為燃料和/或作為再增碳劑。
背景技術：
在過去50年中，塑料行業經歷了巨大的發展，使得塑料材料和產品現在對社會是必不可少的。塑料生產在例如日本的國家中已經達到每年約1500萬噸，這導致每年約9百萬噸的相關廢物，其中50％與城市固體廢物相關。
塑料處理的問題越來越多，國際上塑料再循環使用只占材料回收的小部分，余下的通過填埋或在焚化爐中焚燒處理。塑料材料不易降解并且在填埋場滲出有毒元素，同時傳統的燃燒通常產生有害排放例如二類化合物。。
世界范圍內，鋼鐵工業面對通過改進能效和資源利用最小化它們對環境的影響的壓力。例如，已經做了具體的努力來減少鼓風爐的碳強度。鼓風爐能源管理的一個策略包括降低燃料或焦炭的消耗。作為替代燃料，已經提出將塑料注入鼓風爐的風口中來減少CO2排放，這是因為塑料的燃燒能至少與通常注入的粉末化煤一樣高，而且其氫與碳的比率較高，產生較少的作為燃燒產物的CO2。
向其它類型的煉鋼爐中加入塑料是已知的，包括電弧爐(EAF)。例如，US5,554,207公開了一種方法，其中EAF廢粉塵與廢塑料結合以形成固體，其然后被加入到EAF中。類似地，JP公開了一種方法，其中廢塑料與煉鋼粉塵捏合(knedaded)在一起形成軟固體，然后加入EAF中。沒有一個文獻涉及加入添加劑來促進熔渣起泡。

發明內容
本發明的第一方面中，提供了在電弧爐中生產鐵合金的方法，其包括用未結塊的含碳聚合物裝料所述爐的步驟，使得所述聚合物起熔渣起泡劑的作用。
術語“未結塊的含碳聚合物”包含微細的和粗糙的微粒化和顆粒化聚合物，并且排除與EAF廢粉塵或煉鋼粉塵一起形成的聚合物。這種結塊固體不起熔渣起泡劑的作用。
事先沒有預期，在電弧爐中未結塊的含碳聚合物可以用來引起熔渣起泡。在電弧爐中，增加的熔渣起泡更好地覆蓋熔融的金屬并且更好的保持熱量(即絕熱)，這樣導致EAF中的電消耗顯著的降低。
在生產鐵合金方法中，未結塊的含碳聚合物可以另外起還原劑的作用，起燃料和/或再增碳劑的作用。隨后所述聚合物可以使得爐進料中存在的和/或金屬加工期間產生的金屬氧化物還原；和/或作為燃料源；和/或作為再增碳劑來增加最終的鐵合金中碳與鐵一起存在的碳的量。例如，在電弧爐中主要燃料源是電。
因此，廢塑料可以提高能量效率(即通過利用較少的電)，并且可以減少傳統碳源例如焦炭和煤的消耗(并因此降低成本)。廢塑料還可以代替或減少昂貴的再增碳劑的使用，例如無煙煤和石墨。
當術語“鐵合金”用于本文時，它包括寬范圍的鐵-碳合金(包括鋼)和其它鐵-碳和/或鐵-基合金，包括鉻鐵、硅鉻鐵、錳鐵、硅錳鐵、硅鐵、鎂硅鐵、鉬鐵、鎳鐵、鈦鐵、磷鐵、鎢鐵、釩鐵、鋯鐵等。
典型地將未結塊的含碳聚合物裝料于爐中，使得其至少部分燃燒并產生含碳殘渣。由于其燃燒，聚合物作為燃料。含碳殘渣可以氧化以引起熔渣起泡。殘渣可以另外起還原劑或再增碳劑的作用。因此，裝料于爐中的未結塊含碳聚合物通常起熔渣起泡前體的作用。其還可以起再增碳劑前體或還原劑前體的作用。
盡管未結塊的含碳聚合物可以包含裝料到爐中的唯一添加劑，但是在典型的實施方案中，未結塊的含碳聚合物與其它的碳源一起裝料于爐中。這種其它的碳源可以燃燒以作為燃料。它還可以有助于熔渣起泡，并可以起還原劑或再增碳劑的作用。其它的碳源可以是煤、焦炭、碳焦(carbon char)、木炭或石墨。
作為實施例，可以將未結塊的含碳聚合物和其它碳源大約以1∶1的重量比裝料于爐中，盡管這個比值可以根據爐而改變。
在典型的變化的方法中，所述含碳聚合物是廢塑料。將廢塑料裝料于爐中提供了有效的處理廢塑料的方式，否則其造成環境問題。
典型地，含碳聚合物只包含C、H和任選的O原子。盡管聚合物中可以存在其它元素(例如N、S、P、Si、鹵素等)，但是這些其它元素可以干擾鐵合金的生產和/或產生雜質、污染物、有害氣體等。因此，通過明智的選擇含碳聚合物，可以避免有害氣體和其它不利的和有害產物的形成。一種適合的塑料是聚乙烯，但也可以使用其它塑料例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯苯乙烯、ABS等，甚至可以使用很難再處理的塑料例如酚醛樹脂。
典型地，裝料于爐中的未結塊含碳聚合物是聚合物顆粒形式的，典型的顆粒尺寸為100μm或更小。
雖然生產的典型鐵合金為鋼，但是其它鐵合金(如上所述)的生產也可以使用未結塊含碳聚合物的裝料。
本發明的第二方面中，提供了未結塊含碳聚合物在電弧爐中鐵合金的生產中作為熔渣起泡劑的用途。
通常，未結塊含碳聚合物的典型用途在于通過第一方面的方法實現的鐵合金的生產。
本發明的第三方面中，提供了在電弧爐中生產鐵合金的方法，所述方法包括下列步驟-向爐中裝入鐵合金原料；-將在爐中的原料加熱至熔融狀態并且在合金/原料的熔融表面上形成熔渣；和-向爐中裝入起熔渣起泡劑作用的未結塊的含碳聚合物。
典型地，裝入未結塊的含碳聚合物，以在爐中燃燒并且釋放熱能至熔融的合金/原料，產生使熔渣起泡的物質。
任選地，所述物質除了使熔渣起泡之外，可以-引起熔渣中各種金屬氧化物的化學還原以生產鐵合金；-對得到的鐵和碳的合金再增碳。
未結塊的含碳聚合物可以與其它試劑一起裝入。其它試劑可以是第一方面中定義的其它碳源。
未結塊的含碳聚合物還可以與原料一起裝入爐中。例如，向爐中裝入原料和含碳聚合物時，爐可以已經被加熱(即以連續的爐操作模式)。
第三方面的典型的方法另外如第一方面中所定義的。
本發明人還推測，未結塊的含碳聚合物通常可以用作再加熱爐中的燃料。
因此，本發明的第四方面中，提供了操作再加熱爐的方法，其包括用未結塊的含碳聚合物裝料所述爐以作為燃料的步驟。
典型地，所述再加熱爐在足以燃燒含碳聚合物的溫度下操作，典型的溫度大于1000℃。
另外，未結塊的含碳聚合物可以以顆粒形式并且任選與其它燃料例如天然氣一起裝料于爐中。
本發明的第五方面中，提供了一種系統，其確定含碳聚合物在使用含碳原料的生產鐵合金的爐中的再循環能力。所述系統包括下列步驟-導出給定聚合物的參數值，所述參數值反映了聚合物的熔渣起泡能力；-將所述參數與由一種或多種其它聚合物導處的一個或多個參數值比較；-由那些參數值形成范圍或刻度。
所述參數可以是泡沫熔渣的高度和/或泡沫熔渣的壽命。


盡管其它實施方案可能落入發明內容中定義的鐵合金的生產方法中，現在將參考附圖僅以舉例的方式描述本方法的具體實施方案，附圖中·圖1示出固滴法(sessile drop approach)的水平管電阻爐裝置的示意圖，如實施例1中所述的；·圖2A-2F各個圖示了一滴熔渣，并且順次示出石墨/熔渣體系與時間相關的熔渣起泡，其利用圖1的水平管電阻爐裝置；·圖3A-3F各個圖示了一滴熔渣，并且順次示出焦炭/熔渣體系與時間相關的熔渣起泡，其利用圖1的水平管電阻爐裝置；·圖4A-4C分別圖示了石墨、石墨/塑料和焦炭的一滴熔渣，各個具有熔渣體系，并利用圖1的水平管電阻爐裝置；·圖5示出了滴管爐(drop tube furnace)裝置的示意圖，如實施例4中所述的；·圖6示出了50％塑料和50％石墨混合物在滴管爐中反應之后的含碳殘渣的XRD譜圖，如實施例5中所述的；·圖7示出了由各種含碳材料引起的熔渣起泡的CCD圖像，如實施例5中所述的；·圖8示出了石墨基底和工業熔渣之間反應的IR結果，如實施例5中所述的；·圖9示出了50％塑料和50％石墨基底與工業熔渣之間反應的IR結果，如實施例5中描述的；·圖10示出了焦炭基底和工業熔渣之間反應的IR結果，如實施例5中描述的；·圖11示出了感應(碳溶解)爐的示意圖，如實施例7中所述的；·圖12標示將出圖11的感應爐中熔融鐵合金中碳溶解％與時間的關系，如實施例7中所述的；·圖13A和B圖示了一滴焦炭/熔渣(上列)和焦炭/HDPE塑料/熔渣(下列)隨時間的變化，利用圖1的水平管電阻爐裝置；·圖14標示出焦炭和焦炭與塑料混合物在1200℃時的燃燒效率η，如實施例9中所述的；·圖15示出了1550℃時70％焦炭-30％塑料殘渣/熔渣體系的與時間相關的熔渣起泡的CCD圖像，如實施例10中所述的；·圖16標示出CO和CO2氣體產生與時間的關系，如實施例10中所述的；·圖17標示出熔渣與焦炭和30％塑料+70％焦炭混合物相互作用期間除去的氧的摩爾數，如實施例10中描述的；和·圖18示出了1550℃時焦炭和30％塑料+70％焦炭混合物的Vt/Vo圖，如實施例10中所述的。
具體實施例方式
再對EAF鋼生產的深入研究期間，注意到溶質碳/固體碳和熔渣之間的化學反應引起熔渣起泡過程。由于熔渣中氧化鐵被碳還原產生的CO氣體以及由于碳的氧化發生熔渣起泡。注意到，熔渣起泡強烈地取決于碳原料的性質，并且高溫時材料的特性控制熔渣起泡現象。
另外注意到，泡沫狀的熔渣覆蓋了金屬浴并且保持熱量以及屏蔽電弧，這導致顯著的能量節約(即降低電消耗)。注意到，恒定的熔渣起泡水平對有效的EAF鋼生產是關鍵的。
在令人驚奇的發展中，假定未結塊含碳聚合物(例如廢塑料、典型地是顆粒形式)可以被引入EAF鋼鐵生產中。推測在用于EAF鋼鐵生產的高溫下，廢塑料一旦引入爐中就會燃燒(因此作為燃料)并且產生含碳殘渣產物。隨后，假定含碳聚合物還可以被引入其它鐵合金的生產中，并且也產生含碳殘渣產物。
觀察到，含碳殘渣產物隨后可以引起EAF鋼生產中的熔渣起泡，并可以任選地起還原劑的作用(例如在其它鐵合金的生產中)，任選地也可以起再增碳劑的作用。
試驗期間，假定原始塑料中的化學組成、結構和鍵網絡(bondnetwork)確定了含碳殘渣的性能。另外，注意到來自給定塑料的碳溶解動力學基于含碳殘渣溶解于液態鋼中的速率。假定塑料中相對高度有序的碳(例如與焦炭中的碳比較)可以導致液態鋼中碳溶解的增加。
含碳殘渣的結構表征通過將塑料-石墨混合物引入滴管爐(drop-tube furnace)(模擬EAF中可能經歷的操作條件)中來進行，以觀察隨后引起EAF中液態熔渣起泡的那些含碳殘渣，并且確定那些含碳殘渣可具有還原能力和/或在熔融鐵合金中的增強的碳溶解性。結構表征的結果如以下的實施例5中所述的。
在其它鐵合金生產中注意到，使用各種含碳還原材料。已知包含碳的還原劑材料例如焦炭、煤和炭和由不同類型木頭生產的木炭形式的生物碳。再次注意到，這些含碳材料的材料特性和反應在控制還原劑性能中起顯著的作用。
因此其中主要的實驗考慮包括，研究還原劑的氣化，碳溶解入熔融金屬和固體碳直接還原熔渣。
還注意到，熔渣的形成在除鋼以外的鐵合金的生產中是常見的。錳和鉻在固體和液體狀態都被還原。認為MnO還原的主要機理是MnO溶于熔渣中，隨后通過固體碳或溶解在液態金屬中的碳從熔渣中還原。類似地，注意到，通過Fe-Cr熔體中溶解的碳還原液態熔渣中的鉻鐵礦對于鉻鐵的生產很重要。碳和包含溶解的礦石(鉻、錳的氧化物)的液體熔渣之間的反應在還原過程中起至關重要的作用。因此假定，來自廢塑料的含碳殘渣也能夠用作其它合金生產中的還原劑(并且需要時作為熔渣起泡劑)。
實施例現在提供生產鐵合金方法的非限制性實施例。
實施例1為了研究熔渣起泡，首先在實驗室規模的利用固滴法的水平管電阻爐中研究熔渣/碳的相互作用。圖1示出實驗裝置的示意圖。所用熔渣的重量為～0.20g。最初，將樣品放在樣品座上，它可以借助于不銹鋼桿被推入爐中的加熱區域中心。
將熔渣/碳的組合保持在爐的冷區直到得到期望的溫度(1550℃)并且在爐的熱區平衡。將所述組合在研究期望的溫度下插入熱區。這排除了可能在低溫發生并且可能影響待在感興趣溫度研究的現象的任何反應。在整個試驗期間用氬氣吹掃爐管。用質量流量計控制氬氣流速。
利用嚴密控制和視覺監控的固滴技術研究熔渣/碳體系的起泡行為。使用裝備IRIS鏡頭的高質量、高分辨率電荷耦合器件(CCD)相機來捕捉爐內的實時原位現象。相機的輸出被導入錄像機(VCR)和電視(TV)監視器來隨時間而記錄整個過程。這可以使得利用幀接收器隨時間從錄像帶將顯示熔渣與含碳材料接觸的具體圖像捕捉于計算機中。在所述系統中利用時間-日期發生器來顯示過程持續的時間。使用特殊設計的計算機軟件基于曲線擬合實踐從捕捉到的圖像確定體積。為了更好地理解反應反應動力學，大多數情況記錄圖像最長達2小時。
熔渣組成如下CaO 30.48％，MgO 11.72％，SiO213.34％，Al2O35.24％，Fe2O333.33％，MnO 5.24％。
首先對石墨和焦炭進行熔渣起泡研究。其后對塑料進行熔渣起泡研究。
結果和討論石墨/熔渣體系圖2A-2F中隨時間示出石墨/熔渣體系中熔渣起泡的初步結果。
石墨對鋼生產熔渣顯示出良好的熔渣起泡特性。在圖2A中，在T＝13秒時，顯示熔渣粉末剛剛開始熔化。在圖2B中，在T＝47秒時顯示液滴正在成型，在圖2C中，在T＝57秒時顯示完全形成。然后小滴尺寸開始變大，在圖2D中，在T＝1分7秒時觀察到明顯更大的液滴，在圖2E中，在T＝1分22秒時表明正在發生熔渣起泡。在圖2F中，在T＝1分57秒時小滴稍微破裂，表明一些氣態產物部分逃逸。因此，發現石墨/熔渣體系中的熔渣起泡非常迅速和廣泛。
焦炭/熔渣體系在圖3A-3F中隨時間示出焦炭/熔渣體系中熔渣起泡的初步結果。
焦炭對鋼生產熔渣顯示不太可靠的起泡特性。在圖3A中，T＝9秒時，顯示熔渣粉末剛剛開始熔化。在圖3B中，液滴在T＝1分20秒時開始成型。在圖3C-3F中，顯示了從T＝2分15秒到T＝21分37秒范圍內的圖像。經過該時期，液滴已經完全形成。四個液滴在尺寸和體積上顯示了很小的波動，表明在焦炭/熔渣體系中相當低水平的熔渣起泡。因此焦炭/熔渣體系中熔渣起泡的速率比石墨/熔渣體系的速率慢。
碳溶解研究揭示，焦炭的溶解速率常數小于石墨的。這兩種碳類型的熔渣起泡行為相當不同，石墨/熔渣體系中熔渣起泡的速率和范圍比焦炭/熔渣體系的大得多。因此，假定碳溶解速率和熔渣成泡之間的關系。
實施例2分析運行EAF的工廠操作數據得知，提高焦炭注入水平導致氧消耗得增加，盡管它們不產生任何每噸裝料鋼消耗能量的明確模式。
EAF操作在其操作中使用兩種不同形式的碳。與含～90％C的焦炭一起，使用幾噸含4％C的扁鐵。扁鐵熔化時，扁鐵中存在的碳已經溶解，而焦炭中存在的碳以固體狀態存在。
觀察到，碳的形式(溶質或固體碳)對平均能量消耗/噸鋼有顯著影響。隨著扁鐵裝料量的增加(相當于較高水平的溶質碳)，能量消耗明顯降低。根據含碳材料起的作用來解釋這種趨勢，并且表明熔渣起泡的增加導致每噸裝料鋼的能量消耗降低。因此，發現EAF鋼生產中扁鐵碳的效率比相應的焦炭得效率高得多。
本發明人注意到1.碳溶解于液態鐵的動力學很大強烈地依賴于含碳材料的性質。例如，焦炭的溶解速率常數小于石墨的。
2.實施例1的石墨/熔渣和焦炭/熔渣體系的結果顯示，石墨的熔渣起泡速率和范圍遠大于焦炭的。
3.預期對于溶質碳和對于焦炭的碳/熔渣相互作用動力學相當不同，這導致它們的熔渣起泡行為變化很大。
這些結果表明，含碳材料的適當選擇對熔渣起泡具有重要作用，并因此對EAF操作的能量效率起重要作用。所述結果還使發明人推測，可以將含碳聚合物加入EAF，作為燃料部分燃燒并且產生含碳材料殘渣，其可以引起熔渣起泡和/或金屬氧化物還原和/或再增碳作用。
實施例3本發明人現在試驗向EAF過程加入廢塑料代替至少一些傳統碳源(例如焦炭)。將下面的原材料結合在一起模擬進料于EAF的原材料。
原材料使用以下的含碳材料、塑料和熔渣進行熔渣起泡比較實驗。
含碳材料石墨；焦炭；石墨和塑料混合物(1∶1)產生的殘渣(圖6提供了這種殘渣的XRD譜圖)。1∶1的比率可以根據爐改變。
塑料材料得到線性低密度聚乙烯(LLDPE)代表塑料廢品的主要成分。所用聚乙烯樣品的顆粒尺寸小于100微米。
熔渣制備下面的熔渣組合物(％wt)30.48％ CaO；11.72％ MgO；13.34％ SiO2；5.24％ Al2O3；33.33％ Fe2O3；5.24％ MnO。
通過在2.2×108Pa壓力下的液壓制備碳酸鹽材料粉末的基質。石墨和焦炭粉末以它們供應的形式使用。石墨和塑料混合物的制備方法記載于實施例4中。
通過將以上述混合比的氧化物成分的均勻混合物加熱至1650℃，然后在完全熔化約30分之后在銅模中鑄造熔體來制備熔渣。
儀器使用圖1的水平爐進行固滴實驗。陶瓷爐管的尺寸為內徑Φ50mm，長度1000mm。通過爐蓋插入氧化鋁或石墨制成的樣品座。所述儀器使樣品在爐被加熱到期望溫度時保持在爐的冷區，在該實施例中期望溫度典型地為1550℃。
實驗步驟為了研究熔渣起泡，首先在水平管電阻爐中研究熔渣/碳相互作用。熔渣/碳組合保持在爐的冷區域到得到期望的溫度(1550℃)并且在爐的加區平衡。隨后將所述組合在期望的溫度插入熱區。這個步驟排除了可能在低溫發生并且可能影響在感興趣溫度研究的現象的任何反應。在整個試驗過程期間用氬氣吹掃爐管。
利用嚴密控制和視覺監控的固滴技術再次研究熔渣/碳體系的起泡行為。再次使用裝備IRIS鏡頭的CCD相機來捕捉爐內的實時原位現象。相機的輸出再次被導入錄像機(VCR)和電視(TV)監視器來隨時間記錄整個過程。利用幀接收器隨時間從錄像帶捕捉顯示熔渣與含碳材料接觸的圖像于計算機中。再次利用時間-日期發生器來顯示過程持續的時間。使用計算機軟件基于曲線擬合實踐從捕捉到的圖像確定體積。
將熔渣粉末(約0.20g)放置在保持于樣品座上的含碳材料基質上。一旦達到期望的爐溫，就將樣品座從爐的冷區推入熱區，開始實驗。通過CCD相機監控整個過程并且用錄像帶記錄。進一步分析圖像來計算樣品體積。整個實驗過程中，以1l/min的流速吹掃惰性氣體氬氣。為了得到可以用來估計反應速率的CO和CO2含量，排出氣體通過IR分析儀。
實驗結果進行本實驗來研究由熔渣中的氧化鐵與含碳材料石墨、石墨/塑料殘渣混合物、和焦炭之間的反應引起的熔渣起泡行為。圖4A-4C示出了典型的圖像。
觀察到石墨和熔渣之間的反應產生最強烈的熔渣起泡。如圖4A中清楚地示出的，起泡熔渣的滴體積最大。
在50％石墨/50％塑料混合物的反應期間，從熔渣小滴發展出氣泡。石墨/塑料混合物情況下的熔渣起泡現象的出現是建立在如圖4B中示出的高溫可視化圖像基礎上以及建立在排出氣體中CO產生的基礎上，表明氧化鐵的還原。這表示塑料可以加入EAF中作為燃料燃燒，并且含碳殘渣可以產生熔渣起泡和/或金屬氧化物還原和/或再增碳作用。
實施例4石墨/塑料混合物的制備方法利用滴管爐(DTF)進行塑料-石墨摻合物的高溫氣相反應。圖5中示意性示出滴管爐。
在DTF中進行的每次試驗在1200℃時完成，一旦爐達到這個操作溫度，就將氧氣和氮氣以期望的流速導入爐中。在這些實驗期間利用自動流速控制儀控制氣體流速和組成。每次試驗期間冷卻水循環通過爐注入器，以便防止過熱和在爐反應區內氧和注入的燃料相互作用之前發生反應。收集器也用來保留每次實驗期間產生的未燃燒炭。
利用干物質進料器通過水冷進料導管將塑料-石墨摻合物引入實驗反應器中。使用氧和氮氣體的混合物運送塑料和石墨固體反應物進入反應區。實驗細節如下

這個實驗表明，在模擬EAF中的那些的操作條件下，塑料可以裝料于EAF，作為燃料燃燒，并且形成引起熔渣起泡、金屬氧化物還原和熔融鐵再增碳的含碳殘渣。
實施例5伴隨熔渣和含碳材料之間的反應的EAF熔渣起泡現象進行實驗來研究實際的EAF熔渣樣品，更具體地說，在惰性氬氣氣氛下的熔渣和含碳基質之間的反應期間的熔渣成泡現象。所述熔渣組成為27.0％ CaO；40.3％ FeO；7.9％ Al2O3；8.8％ MgO；10.9％ SiO2；和4.8％MnO。所述熔渣的堿度為2.5(％CaO/％SiO2)。選擇三種含碳材料進行實驗。它們是純石墨；石墨和塑料以1∶1比率混合的混合物的含碳殘渣；和工業焦炭。1∶1的比率可以根據不同EAF改變。每次試驗使用大約0.075g熔渣。溫度設定為1550℃。
圖6示出50％塑料和50％石墨混合物在滴管爐(DTF)中反應之后產生的殘渣的XRD譜圖。可以清楚地看到塑料和石墨的峰。
利用CCD相機記錄熔渣/碳起泡現象。圖7示出了在約200秒時與各種含碳基質反應的起泡熔渣滴的典型圖像。在與石墨基質反應的情況下熔渣起泡最劇烈。盡管熔渣與石墨以及塑料和石墨的混合物之間的反應不那么劇烈，但是結果表明，塑料可以作為EAF熔渣的熔渣起泡劑和還原劑。
利用IR分析儀分析DTF排出氣體中CO和CO2的含量。結果示于下面的圖8、9和10中。在石墨基質的情況下，排出氣體中CO和CO2含量只稍微大于其它情況的。這意味著所有三種含碳材料都出現了由于氧化鐵還原的氣體生成并且所有三種含碳材料都有助于熔渣起泡。
另外，實施例5的結果與前面的實施例的結果一致，盡管工業熔渣和實驗室制備熔渣之間的組成不同。
實施例6研究廢塑料的燃燒效率來檢驗廢塑料作為EAF或其它非鼓風型爐的燃料的適合性。使用圖5的滴管爐(DTF)在與實施例4種相同的條件下評估燃燒效率。每次檢驗進行之前和之后(即在各個樣品通過DTF之后)確定樣品中的％C。使用LECO碳含量分析儀來確定碳含量。
各個樣品包含與粉末化焦炭混合的變化水平的粉末化廢塑料，由0wt％塑料開始上升至50wt％塑料。結果在下面的表格種列出

上面的表格列出了得到的燃燒效率(最后一欄)，還列出了粗wt％C分析。wt％C的降低是碳反應(燃燒)生成一氧化碳和二氧化碳氣體的結果。
結果顯示，焦炭的燃燒效率非常低，但是當焦炭和廢塑料混合時，燃燒效率提高。另外，燃燒后留下的殘渣隨后參與EAF或其它非鼓風型爐內的其它反應。
實施例7
為了研究廢塑料在鐵合金生產中作為再增碳劑的功能，在如圖11中示意性圖示的實驗室規模的感應爐中研究含碳殘渣的碳溶解。
爐的溫度控制在達到1550℃的熔融鐵浴溫度(模擬EAF操作溫度)。在這點上，在整個過程中冷卻水循環通過圍繞爐的“夾套”熱交換器結構，以防止過熱和保持通常恒定的浴溫。在熔融浴上通過N2入口創造氮氣氛。
將廢塑料的粉末直接進料于爐中，所述粉末進料于熔融鐵浴上。該塑料燃燒以產生含碳殘渣，該殘渣可以起再增碳劑的作用。作為選擇，可以將來自例如圖5的滴管爐的廢塑料導入熔融鐵浴上。
滲碳劑覆蓋法(carburiser cover method)是研究碳溶解的標準方法。在這點上，含碳材料實際上位于金屬浴頂部并且形成滲碳劑覆蓋物。這是因為，在實驗過程中廢塑料材料被進料于金屬浴頂部。測量浴溫的熱電偶和取出金屬樣品以隨時間逐步測量碳溶解的石英取樣管，延伸通過滲碳劑覆蓋物。隨后使用LECO碳含量分析儀分析提取的金屬樣品的碳含量。
圖12示出碳溶解的結果。從圖12可以看出，最初(時間＝0)所述浴的溶解碳含量為1.67重量％。然后加入塑料殘渣，溶解的碳含量增至2.97重量％，然后在3％的水平上持平。在時間＝25分時，將另外的塑料殘渣加入浴中，溶解的碳含量在T＝30分時增至3.89％。
這個實驗證明塑料殘渣可以用作有效的再增碳劑，通過逐步引入塑料殘渣可以實現溶解碳水平的逐步增加。在EAF或其它非鼓風型爐內，用于再增碳的殘渣典型地通過如下步驟產生將廢塑料自身引入爐內，使其燃燒產生含碳殘渣，隨后促使其混入熔融金屬浴并且留出時間以增加碳含量到期望的水平。廢塑料可以代替更昂貴的再增碳劑例如無煙煤和石墨。
實施例9焦炭/塑料混合物的燃燒效率焦炭和它與塑料(最高50wt％)的混合物在1200℃的在含20％O2的氧化氣氛下的DTF中燃燒。進料速率為約0.0278g/s。收集含碳殘渣并且測量其碳含量。假設在DTF中的燃燒期間可以忽略灰分損失，燃燒效率η如下計算η=(1-A0AiCiC0)×100%]]>其中A0和Ai是燃燒前后的灰分含量，C0和Ci分別代表在DTF中燃燒前后的碳含量。圖14中示出焦炭/塑料混合物的燃燒效率的實驗結果。由于燃燒效率的變化較大，沿著y-軸使用對數刻度。
在這個實施例中觀察到焦炭/塑料混合物的整體燃燒效率接近單獨焦炭的燃燒效率的40倍，即焦炭-塑料混合物為～10而焦炭為0.25。焦炭/塑料混合物的較高燃燒效率在一定程度上歸因于塑料燃燒期間揮發物的大量釋放。盡管焦炭和塑料混合物通常具有比焦炭非常更高的燃燒效率，但是混合比率的影響沒有觀察到明確的趨勢。然而，增加塑料組分沒有觀察到燃燒效率降低。
實施例10含碳殘渣的熔渣起泡將在DTF中燃燒之后的焦炭和塑料混合物的含碳殘渣在9噸/cm2的載荷下壓入模具并且用作熔渣起泡實驗的基質。達到期望溫度之后，熔渣開始熔化，熔渣中存在的氧化鐵開始與含碳基質反應產生CO和CO2氣體和金屬鐵。通過熔渣相的CO和CO2氣體的產生引起熔渣起泡。使用CCD相機監控反應過程并且記錄在DVD碟中用于進一步的圖像分析。圖15顯示了熔渣和30％塑料+70％焦炭混合物之間的反應的典型圖像。熔渣熔化之后，立即觀察到從熔渣相放出氣泡。由于氣泡的產生和破裂，熔渣小滴在基質劇烈滾動。約600秒之后，熔渣小滴逐漸平靜下來，產生的氣體也顯著減少。
在熔渣和焦炭/塑料基質的反應期間，熔渣中的FeO和基質中的C反應生成CO和CO2氣體。利用IR光譜儀測量排出的氣體混合物中這些氣體的濃度。
圖16中示出得到的典型CO和CO2氣體含量。可以看到，CO和CO2氣體含量急劇增加至最大值，穩定大約300秒然后隨反應時間降低。在排出氣體中檢測到的CO2氣體遠少于CO。利用標準氣體方程式，將由排出氣體分析得到的CO和CO2的體積轉換為摩爾數。如圖17所示，除去的氧的摩爾數反應了熔渣和含碳材料之間還原反應的動力學。
結果表明，熔渣與焦炭的還原反應比相應的與塑料-焦炭混合物的反應快得多，導致更大體積的排出氣體。這些氣體引起熔渣起泡并且改變熔渣小滴的體積。
隨后以Vt/Vo測量熔渣小滴中的氣體保持量(Gas hold-up)，Vt是時間t時熔渣小滴體積，Vo是最初體積。圖18標示出焦炭和30％塑料+70％焦炭混合物的Vt/Vo與時間的關系。結果顯示，與焦炭相比，30％塑料+70％焦炭混合物具有非常更高的熔渣起泡水平。在焦炭/塑料混合物情況下，小滴的尺寸變得很大，與焦炭相比，這種尺寸增加維持非常更長的時間。很大程度上，這可能因為塑料混合物和熔渣之間的反應速率相當慢(圖17)，導致慢的氣體排出速率，因此導致較小的氣泡并保持起泡更長的時間。對于焦炭，氣泡生長迅速，而且由熔渣小滴逃逸的氣體量多。
實施例9和10對焦炭和焦炭/塑料混合物范圍的研究進一步表明在EAF煉鋼中利用廢塑料的可行性。焦炭/塑料混合物顯示出比純焦炭非常更好的燃燒。發現焦炭/塑料混合物的熔渣起泡特性比純焦炭的好。熔渣小滴的體積增長更大，并且體積變化保持更長的時間。結果還表明，用焦炭/塑料混合物部分代替焦炭可以增強碳燃燒。
實施例11在類似實施例3中描述的和圖4中圖示的實驗過程中，研究了焦炭/熔渣體系和50％焦炭/50％塑料/熔渣體系的起泡特性。在這種情況下，塑料是顆粒尺寸小于100微米的高密度聚乙烯(HDPE)。熔渣類似于實施例5的熔渣，并且兩種體系分別使用0.078克和0.092克的熔渣。在不同時間進行試驗，因此熔渣重量不完全相同。然而，這種重量差異不影響實驗結果。
圖13A和B并排圖示了在0、30、45、60、90、150、210和300秒時間間隔時兩種體系的小滴形成行為比較。可以看到，焦炭/塑料/熔渣體系的起泡特征比焦炭/熔渣體系的更迅速。
換句話說，塑料例如HDPE也可以向EAF或其它非鼓風型爐提供增強的熔渣起泡特性，這表明很多其它塑料可以提供類似的增強的性能。
實施例12本發明人設想并提出了一個指數，用于指示塑料在鐵合金生產中和在其它非鼓風型爐中作為可燃燒燃料的再利用的適合性。所述指數稱為塑料的綠色指數(Green Index)(或“GIP”指數)。本發明入設想，所述指數還可以在一般意義上涉及塑料的再循環能力，但目前仍稱作GIP指數。
這樣，可以建立一種機制，通過這種公眾可以認識到塑料的再循環能力，例如在鐵合金生產如煉鋼中。本發明人注意到，目前使用的鑒定塑料類型的系統不提供任何關于塑料再循環能力的信息。目前的系統只是提供關于塑料類型的信息(例如數字1代表PET等)。
最后，本發明人推測，GIP指數隨后可以通過開發相關的GIPS指數來建立，“S”代表和指示塑料用于煉鋼的適合性。
一般而言，實驗還表明，對于EAF的除了鋼以外的鐵合金生產，可以將未結塊的塑料裝料于爐中，可以作為燃料燃燒，可以形成用于熔渣起泡的含碳殘渣，并且引起金屬氧化物的還原和熔融金屬(例如鐵)的再增碳。
另外，實驗還指出，對于再加熱爐等，未結塊塑料可以裝料于爐中，例如作為其它燃料例如天然氣的補充，并且目前仍作為燃料燃燒。在高溫時(大于1000℃)用于例如在鋼鐵成型操作的再加熱爐中尤其如此。
因此，本發明提供了利用和消耗大量社會廢塑料的有效方法。
盡管描述了許多具體實施方案，應該理解，生產鐵合金的方法可以以很多其它形式來實施。
權利要求
1.一種在電弧爐中生產鐵合金的方法，其包括用未結塊的含碳聚合物裝料所述爐的步驟，使得聚合物起熔渣起泡劑的作用。
2.權利要求1的方法，其中將所述未結塊的含碳聚合物裝料于所述爐中，使得其至少部分燃燒并且產生含碳燃燒殘渣，隨后氧化所述殘渣以引起熔渣起泡。
3.權利要求2的方法，其中所述殘渣還可以作為還原劑或起再增碳劑的作用。
4前述權利要求任一項的方法，其中除了未結塊的含碳聚合物之外，將其它碳源裝料于所述爐中。
5.權利要求4的方法，其中與所述含碳聚合物一起裝料于所述爐中的其它碳源是煤、焦炭、碳焦(carbon char)、木炭和/或石墨。
6.權利要求4或5的方法，其中所述未結塊的含碳聚合物與所述其它碳源以約1∶1的重量比裝料于所述爐中。
7.前述權利要求任一項的方法，其中所述未結塊的含碳聚合物是廢塑料。
8.前述權利要求任一項的方法，其中所述含碳聚合物僅包含C、H和任選的O原子。
9.前述權利要求任一項的方法，其中所述未結塊的含碳聚合物以聚合物顆粒的形式裝料于所述爐中。
10.前述權利要求任一項的方法，其中生產的鐵合金是鋼。
11.未結塊的含碳聚合物在電弧爐中的鐵合金生產中作為熔渣起泡劑的用途。
12.權利要求13的用途，其中所述鐵合金的生產通過權利要求1-10任一項的方法實現。
13.一種在電弧爐中生產鐵合金的方法，所述方法包括下列步驟-用鐵合金原料裝料所述爐；-將在爐中的原料加熱至熔融狀態并且在合金/原料的熔融表面上形成熔渣；和-用起熔渣起泡劑作用的未結塊的含碳聚合物裝料所述爐。
14.權利要求13的方法，其中裝料所述未結塊的含碳聚合物以在所述爐中燃燒、并且對熔融的合金/原料釋放熱能以及產生使熔渣起泡的試劑。
15.權利要求14的方法，其中除了使熔渣起泡之外，-引起熔渣中各種金屬氧化物的化學還原以生產鐵合金；和/或-使熔渣起泡；-對得到的鐵和碳的合金再增碳。
16.權利要求13-15任一項的方法，其中所述未結塊含碳聚合物與引起熔融熔渣中各種金屬氧化物化學還原的添加劑一起裝料。
17.權利要求16的方法，其中所述添加劑是權利要求4-6任一項中定義的其它碳源。
18.權利要求13-17任一項的方法，其另外如權利要求2-10任一項所限定的。
19.一種操作再加熱爐的方法，其包括用未結塊的含碳聚合物裝料所述爐以作為燃料的步驟。
20.權利要求19的方法，其中所述再加熱爐在足以燃燒所述未結塊的含碳聚合物的溫度下操作。
21.權利要求19或20的方法，其中所述爐的溫度大于1000℃。
22.權利要求19-21任一項的方法，其中所述含碳聚合物以微粒形式裝料于所述爐中。
23.權利要求19-22任一項的方法，其中所述未結塊的含碳聚合物與其它燃料一起裝料于所述爐中。
24.權利要求23的方法，其中所述其它燃料是天然氣。
25.一種確定含碳聚合物在使用含碳原料的生產鐵合金的爐中的再循環性的系統，所述系統包括下列步驟-導出給定聚合物的參數值，所述參數值反映所述聚合物的熔渣起泡能力；-將所述參數與由一種或多種其它聚合物導出的一個或多個參數值比較；-從那些參數值導出范圍或刻度。
26.權利要求25的系統，其中所述參數是起泡熔渣的高度和/或起泡熔渣的壽命。
全文摘要
本發明公開了一種在電弧爐中生產鐵合金的方法。所述方法包括用未結塊的含碳聚合物裝料所述爐的步驟，使得所述聚合物起熔渣起泡劑的作用。
文檔編號C22C1/00GK101035920SQ200580033761
公開日2007年9月12日 申請日期2005年5月20日 優先權日2004年9月3日
發明者威那·薩哈瓦拉 申請人:紐索思創新有限公司