NO822404L - Fremgangsmaate for fremstilling av metall fra finkornet metalloksydmateriale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av metall fra finkornet metalloksyd.

I de senere år er det foreslått flere nye prosesser for fremstilling av metall, primært råjern, fra partikkelformig materiale inneholdende jernoksyd, og det skjer en sta-dig utvikling. Et trekk som er felles for et antall av disse prosesser er at jernoksydmaterialet partielt reduseres i større eller mindre grad mens det befinner seg i fast tilstand før smelting og sluttreduksjon. Et ønske her er å

kunne være istand til partielt å redusere jernoksydmaterialet uten behov for å underkaste materialet en foregående konven-sjonell og kostbar sug-sintring eller pellet-sintringsprosess. I denne henseende anses partiell reduksjon av jernoksydmaterialet i et hvirvelsjikt som en egnet fremgangsmåte fordi det gir et partikkelformig materiale som kan chargeres direkte til smelte- og sluttreduksjonstrinnet.

Sterkt anriket konsentrat såvel som metallurgisk støv inneholdende jernoksyd er imidlertid altfor fint til å kunne muliggjøre tilfredsstillende partiell reduksjon i praksis i et hvirvelsjikt. Dette delvis fordi den hastighet med hvilken det fine materialet blir fluid er så lav at et gitter med urimelig stort areal er nødvendig for å muliggjøre at en tilstrekkelig mengde reduksjonsgass tilføres uten å forårsake at materialet blåses fra sjiktet, og delvis fordi de fine partikler av materialet som skal utgjøre hvirvelsjiktet har en sterk tendens til agglomerering, allerede ved relativt lave temperaturer. Videre krever et slikt finkornet materiale et gitter med så tett anordnede porer at fluidisering- og reduksjonsgassen i sterk grad må være renset for støv for å forhindre tilstopping av porene.

Blant de ovenfor nevnte foreslåtte metallfremstil-lingsprosesser som er under utvikling, primært prosesser for fremstilling av råjern, finnes en plasma-smeltereduksjonspro-sess (PSR-prosessen), hvori partikkelformig metalloksydmateriale partielt reduseres til 50 - 60% i fast fase og deretter sprøytes inn sammen med slaggdannere og reduksjonsmidler til et rom som utgjør en smelte-reduksjonssone i en koksfylt sjakt der det partielt reduserte materialet smeltes og til slutt reduseres under tilførsel av den nødvendige energi ved hjelp av en plasmabrenner. Gassen som forlater sjakten har høy temperatur og er meget rik, primært på karbonmonoksyd. I denne henseende er derfor gassen velegnet for bruk ved gjennomføring av den ovenfor nevnte partielle reduksjonsprosess. Slik partiell reduksjon kan gjennomføres med fordel i et hvirvelsjikt forutsatt at det partikkelformige utgangsmaterialet har en egnet form med henblikk på partikkelstørrelse og partikkel-størrelsesfordeling. Som nevnt tidligere er sterkt anrikede konsentrater og fine støv ikke egnet for direkte bruk i forbindelse med reduksjonsprosesser som utføres i et hvirvelsjikt, noe som begrenser muligheten for optimalisering ved bruk av PSR-prosessen for sterkt anrikede konsentrater og andre finkornede utgangsstoffer blant hvilke skal nevnes støv fra oksy-gengassraffineringsprosesser og f.eks. sinkholdig støv fra elektrostålovner og blåseovner, hvorved disse konsentrater og støv i tillegg til å inneholde et oksyd av Fe også kan inneholde oksyder av Ni, Co, Cr, Mo, W, Mn og Cu, hvilke oksyder også kan "utreduseres" og gjenvinnes, enten i form av en smelte i den ovenfor angitte sjakt eller, slik tilfellet er f.eks. med sink, i form av et kondensat som oppnås fra gassen som forlater sjakten.

I henhold til en annen av de nevnte prosesser som er i utvikling, nemlig en tysk prosess, blir jernoksyd partielt redusert for å danne et sterkt metallisert produkt som deretter chargeres til toppen av en reaktorebeholder inneholdende en råjernssmelte, hvoretter oksygengass og karbon injiseres i smeiten gjennom bunnen i beholderen for dannelse av den energi som er nødvendig for å smelte produktet. Etter hvert dannes det en varm gass som inneholder karbonmonoksyd og hydrogen og som kan benyttes for den partielle reduksjon av jernoksydmaterialet. Skal man dømme fra dagens beskrivelser av denne prosess, er fremstilling av det partielt reduserte produkt, nemlig jernsvamp, foretatt i fast fase i f.eks. konvensjonelle sjaktovner, noe som imidlertid som utgangsmateriale krever et sintrert produkt i klumpform, f.eks. sintrede pellets, idet et slikt utgangsmateriale dog er økonomisk belastende på prosessen. Det ville være mulig å oppnå betydelige tekniske og økonomiske fordeler hvis den partielle reduksjonsprosess i stedet kunne utføres i et hvirvelsjikt som imidlertid i praksis utelukker bruk av finkornet eller støvlignende ut-gangsmaterialer når det brukes på kjente teknikker, alt av de ovenfor angitte grunner.

I henhold til en ytterligere prosess som undergår utvikling, nemlig den såkalte Elred-prosess, blir et finkornet jernoksydmateriale partielt redusert og deretter tilført til en likestrømsdrevet bueovn gjennom en hul elektrode, hvorved reduksjonsmiddel og slaggdannere også chargeres til ovnesn som inneholder smeltet råjern. I denne prosess løses problem-ene i forbindelse med partiell reduksjon av det finkornede utgangsmaterialet ved å gjennomføre den partielle reduksjonpro-sess ved et overtrykk i et såkalt sirkulerende hvirvelsjikt, dvs. en prosess hvori materialet blåses opp gjennom og ut av en sjakt med en høyde på f.eks. 25 meter, hvoretter materialet separeres i sykloner og føres tilbake igjen til bunnen av partielreduksjonssjakten. Reduksjonsgassen med den nødvendige temperatur dannes i sjakten ved å blåse pulverformig karbon og luft inn i denne idet karbon chargeres i overskuddsmengde for sammen med den høye gassmengde å forhindre såkalt "bogging"

ved den gitte temperatur, omtrent 1225 Kelvin. Det vil være åpenbart at det partielle reduksjonstrinn som benyttes i denne prosessen er kostbart ut fra et investeringssynspunkt og den er "også vanskelig å få i drift, spesielt i lys av problemer i forbindelse med separering av behandlede materialer i syk-lonene. Betydelige fordeler kunne vinnes hvis det var mulig partielt å redusere det finkornede jernoksydmaterialet i et hvirvelsjikt som ikke sirkulerte. Videre ville den reduserende gass som dannes under smeltingen og sluttreduksjonspro-sessen i seg selv være tilstrekkelig til partielt å redusere utgangsmaterialet med 50 - 60% uten behov for å tilveiebringe ytterligere reduserende gass fra karbon. I dette tilfelle er det imidlertid nødvendig å tilføre en viss mengde elektrisk energi fra eksterne kilder.

Gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en

ny og fordelaktig reduksjonsprosess hvori de ovenfor angitte mangler elimineres på en enkel og økonomisk måte.

For dette formål foreslås det ifølge oppfinnelsen

en fremgangsmåte for fremstilling av metall fra finkornet metalloksymateriale omfattende oksyd av Fe og eventuelt også oksyder av minst ett av metallene Ni, Co, Cr, Mo, W, Mn og Cu, som omfatter et første reduksjonstrinn under hvilket oksydmaterialet reduseres i det minste partielt i fluidisert tilstand ved en temperatur på omtrent 1025 - 1275° Kelvin med en reduserende gass inneholdende karbonmonoksyd, eventuelt i blanding med hydrogen, og et etterfølgende smeltetrinn og sluttreduksjonstrinn for fremstilling av en metallsmelte, hvorved det for det første reduksjosntrinn benyttes en reduserende gass oppnådd fra nevnte smelte- og sluttreduksjonstrinn, og der finkornet metalloksydmateriale før nevnte første reduksjonstrinn i nærvær av fuktighet og et bindemiddel formes til kaker eller formede stykker hvis størrelse i det vesentlige overskrider den maksimale størrelse som er ønskelig for fluidisering og hvoretter kakene eller de formede stykker tillates å herde og deretter knuses og plasseres for å utgjøre utgangsmaterialet for det første reduksjonstrinn idet materialet gis en slik partikkelstørrelsesfordeling at det danner et hvirvelsjikt som i det vesentlige er stasjonært ved den betydelige gasshastighet som er nødvendig for gjennomføring av reduksjonsprosessen uten "bogging" ved den temperatur som velges for det første reduksjonstrinn. På denne måte kan det på økonomisk måte lages et sjikt med en kornfordeling som er optimal ut fra et fluidiseringsaspekt og som kan velges med henblikk på den nødvendige gasshastighet og mengden tilgjengelig reduserende gass for derved å eliminere eller minimalisere behovet for sirkulering av materiale og gass i systemet mens det mulig-gjøres at nødvendig apparatur forenkles.

Den optimale sjiktstruktur bør fastlegges eksperi-mentelt i hvert spesielt tilfelle, hvorved enhver tendens for det disintegrerte materiale til tett pakning unngås ved under klasseringstrinnet å fjerne partikler som ligger innen et gitt og tilbakeføre nevnte partikler og tildanning av kaker eller formede stykker av disse sammen med finkornet utgangsmateriale. Således kan man sikre seg at kornstørrelsesfordelingen i sjiktmaterialet skiller seg fra den såkalte Fuller-kurve.

For å muliggjøre at det partielle reduksjonstrinn gjennomføres uten tilførsel av ekstern varme og for ytterligere å øke styrken i det disintegrerte og klasserte materialet, kan dette på hensiktsmessig måte forvarmes før nevnte første reduksjonstrinn ved til dette formål å benytte en varm gass som oppnås ved forbrenning av brennbar gass som stammer fra det første reduksjonstrinnet. I denne henseende kan forvarmingstrinnet gjennomføres med spesiell fordel i et hvirvelsjikt. Det disintegrerte og klasserte materialet kan forvarmes til omtrent den temperatur ved hvilken det partielle reduksjonstrinn gjennomføres, dvs. ca. 1025 - 1275° Kelvin, hvorved det kan sikres at forvarmingsgassen er tilstrekkelig oksyderende til å oksydere og flyktiggjøre tilstedeværende sulfid-svovel-urenheter som er tilstede i oksydmaterialet.

Støv som dannes under forvarmingen og/eller den partielle reduksjon av materialet i det første reduksjonstrinn kan f.eks. separeres i en syklon, idet separert støv på hensiktsmessig måte føres tilbake og omgjøres til kaker eller formede stykker sammen med finkornet utgangsmateriale. På denne måte kan støvet gjenvinnes på enkel måte uten behovet for å sirkulere fast materiale i det partielle reduksjonstrinn hhv. forvarmingstrinnet, og uten å kreve et separat trinn for opparbeiding av støvet. Det vil være klart at sogar støv fra smelting og sluttreduksjonstrinnet hvis ønskelig kan separeres f.eks. i en syklon og tilbakeføres for agglomerering sammen med finkornet utgangsmateriale.

Sinkoksyd som er tilstede i det finkornede utgangsmaterialet blir vanligvis ikke redusert til metallform før smeltings- og sluttreduksjonstrinnet, i hvilket trinn sinken fordampes og kan kondenseres i en vanlig sinkkondensator an-ordnet mellom smelte- og sluttreduksjonstrinnet og nevnte første reduksjonstrinn. Tilstedeværende blyoksyd vil reduseres til metallform i smelte- og sluttreduksjonstrinnet og kan i det minste partielt dampes av og kondenseres på samme måte som sink.

Kakene eller de formede stykker kan med fordel til-dannes ved hjelp av et bindemiddel som inneholder stoffer som er ønskelige i smelte- og sluttreduksjonstrinnet slik som slaggdannere, idet disse stoffer fortrinnsvis velges blant brent eller lesket kalk, brent eller lesket dolomitt, sement, blåseovnsslagg, basisk slagg fra frémstilling av råjern og stål, støv oppnådd fra basiske stålraffineringsprosesser og flygeaske oppnådd fra karbonforbrenningsprosesser. Mengden bindemiddel som er nødvendig ligger vanligvis på 2 vekt-%, selv om større mengder kan velges, primært avhengig av de metallurgiske krav, f.eks. slik at det formede og herdede materiale vil inneholde all nødvendig slaggdanner. Slik det vil fremgå av det ovenfor nevnte kan bindemidlet helt eller delvis bestå av et materiale slik som støv eller flygeaske som ikke på annen måte kan benyttes med fordel eller som ska-'per problemer. Tilsetning av kalk og primært dolomitt som bindemiddel tilbyr imidlertid fordeler ut fra dannelsen av basisk slagg og ferritt i forvarmingstrinnet, noe som resul-terer i at forhøyet reduksjonsstyrke ved de partialreduksjons-temperaturer som foreligger og et høyere smeltepunkt som mulig-gjør høyere temperatur med etterfølgende høy reduksjonshastig-het, kan opprettholdes under reduksjonstrinnet uten "bogging".

Hvis som foretrukket det finkornede utgangsmaterialet omdannes til kaker eller formede stykker ved pressing mellom glatte eller profilerte trykkbelastede valser, bør det sikres at fuktighetsinnholdet (vanninnholdet) i utgangsmaterialet som benyttes i det minste så langt det er mulig, tilsvarer mengden bindemiddel som benyttes og dettes evne til å absorbere vann. På samme tid bør det imidlertid sikres at fuktighetsinnholdet er i det vesentlige mindre enn porevolumet i kakene eller stykkene som dannes ved sammenpressing, slik at det ikke finnes noe fri fuktighet på overflaten av agglomeratene da dette ville gjøre sammenpressingen vanskelig. De forannevnte kaker gis relativt liten tykkelse, f.eks. en tykkelse på 4 - 12 mm, slik at de blir relativt hurtig hårde. Kakene eller de form ede stykker kan herdes på et gasspermeabelt belte eller i stabler eller bunkere, gjennom hvilke varmluft eller varme brenngasser inneholdende karbondioksyd føres for å akselerere herdingen. Disintegrering av de hårdgjorte kaker, flak eller formede stykker kan gjennomføres f.eks. på piggvalser eller ved knusing av agglomeratene ved hjelp av f.eks. kjeveknusere, valseknusere eller hammerknusere, hensiktsmessig til den største partikkelstørrelse eller et største partikkeltverr-snitt innen området 6-8 mm. Ved klassering av disintegrert agglomerat vil de partikler som er mindre enn den minste ønskelige partikkelstørrelse, f.eks. partikler hvis størrelse er mindre enn 0,2 mm, fjernes og eventuelt, når det gjelder den harmoniske kornstørrelsesfordeling, vil en del eller alle partikler som ligger innen et valgt kornstørrelsesintervall også fjernes for å bryte den harmoniske fordeling slik at partikkelstørrelsesfordelingen ikke lenger følger en Fuller-kurve.

Smelte- og sluttreduksjonstrinnet kan med fordel gjennomføres i en ovn som i det minste partielt er oppvarmet elektrisk, f.eks. en induksjonsovn, en elektrisk bueovn eller en elektroslaggmotstandsovn, mens man tilfører et reduksjonsmiddel slik som karbon, koks, brunkull, olje eller naturgass. Mengden reduksjonsmiddel som benyttes tilpasses hensiktsmessig slik at gassen som forlater ovnen er tilstrekkelig med henblikk både på kvantitet og reduksjonspotensiale for å redusere materialet i det partielle reduksjonstrinnet til en 50 - 60%-ig reduksjonsgrad hvorved intet ytterligere reduksjonsmiddel må tilføres til partialreduksjonstrinnet.

I henhold til en annen egnet utførelsesform av oppfinnelsen blir smelte- og sluttreduksjonstrinnet gjennomført i en konverter ved å blåse inn karbonholdig materiale og oksygen i smeiten av redusert materiale. Fordi ingen elektrisk energi tilføres til smelte- og sluttreduksjonstrinnet blir i dette tilfelle karbonholdig materiale hensiktsmessig tilført i en mengde som ligger i overskudd i forhold til oksygenet, slik at den reduserende gass som dannes i konverteren er tilstrekkelig til å redusere materialet i partialreduksjonstrinnet i størst mulig grad og fortrinnsvis til minst en reduksjonsgrad på 85%.

For å unngå støv- og blandeproblemer blir det partielt reduserte materialet som dannes ved den partielle reduksjon i det første reduksjonstrinn hensiktsmessig sprøytet inn i smeiten i konverteren eller ovnen.

I henhold til en ytterligere foretrukket utførelses-form ifølge oppfinnelsen utføres smelte- og sluttreduksjonstrinnet av materialet som i det minste partielt er redusert i det første reduksjonstrinn i en høytemperatursone, oppnådd ved hjelp av en plasmabrenner, i en koksfylt ovnssjakt mens man samtidig supplerer reduksjonsmiddel.til sonen.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de ovenfor angitte utførelsesformer, men modifikasjoner kan gjennomføres innen rammen av de ledsagende krav. Således kan det være fordelaktig, og dette ligger innenfor oppfinnelsens aspekt, å benytte to typer bindemiddel av hvilket det ene, f.eks. ben-tonitt, ferrosulfat, kalsiumklorid, molasser, eventuelt nøy-tralisert sulfatvæske osv., er istand til en første binding og herding av kakene eller de formede stykker i en grad tilstrekkelig til å muliggjøre den ønskede disintegrering og klassering, mens det andre bindemiddel, f.eks. et hydraulisk bindemiddel, er istand til å øke partikkelstyrken under de etterfølgende trinn.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av metall fra finkornet metalloksydmateriale omfattende oksyd av Fe og eventuelt også oksyd av minst ett av metallene Ni, Co, Cr, Mo, W, Mn og Cu, inkludert et første reduksjonstrinn i løpet av hvilket oksydmaterialet reduseres i det minste partielt i fluidisert tilstand ved en temperatur på omtrent 1025 - 1075° Kelvin med en reduksjonsgass inneholdende karbonmonoksyd, eventuelt i blanding med hydrogen, og et følgende smelte- og sluttreduksjonstrinn for dannelse av en metallsmelte, idet det for det første reduksjonstrinn benyttes en reduserende gass oppnådd fra nevnte smelte- og sluttreduksjonstrinn, karakterisert ved å forme det finkornede metalloksydmateriale før nevnte første reduksjonstrinn og i nærvær av fuktighet og et bindemiddel til kaker eller formede stykker hvis størrelse i det vesentlige overskrider den maksimale størrelse som erø nskelig for fluidisering; tillater kakene eller de formede stykker å herde og deretter å knuse og klassere de samme for å danne utgangsmateriale for nevnte første reduksjonstrinn, idet materialet gis en slik partikkel-størrelsesfordeling at det danner et hvirvelsjikt som i det vesentlige er stasjonært ved den betydelige gasshastighet som er nødvendig for å gjennomføre reduksjonsprosessen uten "bogging" ved temperaturen som velges for det første reduksjonstrinn.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at enhver tendens for det disintegrerte materiale til tett pakking unngås ved i klasseringstrinnet å fjerne partikler som ligger innen et gitt partikkelstø rrel-sesområde og å føre disse tilbake og omgjøre dem til kaker og formede stykker sammen med det finkornede utgangsmaterialet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det disintegrerte og klasserte metalloksydmateriale før nevnte første reduksjonstrinn forvarmes og herdes ytterligere, fortrinnsvis i et hvirvelsjikt, mens man be- nytter varmgass fra forbrenningen av brennbar gass fra det første reduksjonstrinn.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 3, karakterisert ved at støv som dannes under forvarmingstrinnet og/eller nevnte første reduksjonstrinn, separeres og tilbakeføres og omgjøres til kaker eller formede stykker sammen med det finkornede utgangsmaterialet.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav-ene 1-4, karakterisert ved at det benyttes et bindemiddel inneholdende stoffer som erø nskelige i smelte-og sluttreduksjonstrinnet som slaggdannere, idet disse fortrinnsvis velges blant brent eller lesket kalk, brent eller lesket dolomitt, sement, blåseovnsslagg, basisk slagg fra fremstilling av råjern eller stål, støv fra basiske stål-raffineringsprosser og flygeaske oppnådd fra karbonforbrenningsprosesser.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav-ene 1-5, karakterisert ved at kakene eller de formede stykker dannes ved sammenpressing av utgangsmaterialet mellom glatte eller profilerte trykkbelastede valser.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at mengden fuktighet som benyttes er vesent-lig mindre enn porevolumet for kakene som dannes ved pressing.

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav-ene 1-7, karakterisert vedat smelte- og sluttreduksjonstrinnet gjennomføres i en ovn som oppvarmes i det minste partielt elektrisk, f.eks. en induksjonsovn, en elektrisk bueovn eller en elektroslaggmotstandsovn, under til-førsel av et reduksjonsmiddel slik som karbon, koks, brunkull, olje eller naturgass.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav-ene 1-7, karakterisert ved at smelte- og sluttreduksjonstrinnet gjennomføres i en konverter ved inn-sprøyting av karbonholdig materiale og oksygen i en smelte av redusert metall.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at det i det minste partielt reduserte materiale som dannes i nevnte første reduksjonstrinn sprøytes inn i nevnte smelte.

11. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav-ene 1-7, karakterisert ved smeltingen og sluttreduksjonen av det i det minste partielt reduserte materiale som dannes i nevnte første reduksjonstrinn gjen-nomføres i en høytemperatursone dannet i en koksfylt ovnssjakt ved hjelp av en plasmabrenner mens det samtidig til-føres et reduksjonsmiddel til sonen.

12. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav-ene 1-11, karakterisert ved at enhver metalldamp, primært av sink eller bly, som er tilstede i den reduserende gass som oppnås fra smeltingen og sluttre-duks jonstrinnet , fjernes fra den reduserende gass, fortrinnsvis ved kondensasjon, før den benyttes for nevnte første reduksjonstrinn.

13. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav-ene 1-12, karakterisert ved at kakene eller de formede stykker behandles med varmluft eller varme brenngasser inneholdende karbondioksyd.