CN1016971B - 进行热化学过程的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
在进行热化学过程，尤其是对由冶金炉尘、矿石及其他可熔融和/或可熔融还原的物质，例如SiO2、MgO、TiO2、Ta2O5或相应金属组成的混合物进行熔融和/或熔融还原的方法和装置中，将一定组分的待熔融和/或待熔融还原混合物压成块状，并将这些压块在形成一定空洞几何形状的情况下安置在一个高能量密度的辐射源周围。
Description
本发明涉及进行热化学过程的方法及装置，尤其是在高于高耐火度炉衬熔融温度的工作温度下，对由冶金炉尘、矿石及其他可熔融和/或可熔融还原的物质，例如SiO2、MgO2、TiO2、Ta2O5或相应金属所组成的混合物进行熔融和/或熔融还原的方法及装置。
在高于已知高耐火度炉衬熔融温度的温度范围内，用迄今可用的方法是不能进行热化学过程的。此外，目前常用的熔融法及熔融还原法需要大量能量，并且由于炉尘夹在废气中排出，若不配置昂贵的辅助设备，就会严重损害环境。产生大量冶金炉尘的熔炼过程还遇到一些重大困难。
在DD-AS-215803中曾描述了一种试验，在输入电能的情况下，在通过竖炉上部顶盖中心安装的一个等离子燃烧器和通过竖炉底部的对应电极之间形成等离子焰，并且环绕等离子焰同心地加入炉料，在炉子内壁上固态炉料组分形成一层保护墙，而保护墙内侧的炉料在等离子焰所达到的范围内，以此在竖炉中实现快速熔融和炉料组分间的迅速反应。
然而，这种处理方法不能使等离子焰引起所形的保护墙的熔化和/或化学反应。这样的一种竖炉不能连续工作。反应时产生的废气必须借助炉料来排出，从而引起该处理方法的另一些多少与废气组分的冷凝有关的缺点。
本发明所提出的任务是，提供一种进行热化学过程的方法和装置，尤其是对由冶金炉尘、矿石及其他可熔融和/或可熔融还原的物质，例如SiO2、MgO2、TiO2、Ta2O5，及相应金属所组成的混合物进行熔融和/或熔融还原的方法及装置，用这种方法和装置，可以在大大高于已知高耐火度炉衬熔点的温度范围内进行热化学过程。同时可以准确控制热化学-物理反应，不必受工艺流程中的反应温度限制。此外，同目前已知的方法相比，应当作为主要优点的是，显著节约能量，而且进一步防止粉尘随废气排出。
就本发明方法的方面而言，这个目的是这样达到的，即以本文开始所提到的那种方法，将一定组分的待熔和/或待还原的混合物压成块状并使其形成一定的空洞几何形状，安置在一个高能量密度辐
射源的周围，并且借助混合物压块向中心设置的辐射源的径向移动，相应于熔融和/或熔融还原过程保持这种一定的空洞几何形状。
因此，在本发明的方法中，待压成块状的混合物同时也是反应介质和冶金反应容器的“炉衬”。按熔化速率将块状物再进行挤压，使空洞几何形状始终围绕辐射源例如一个等离子焰均匀保持。此外，熔融和/或熔融还原进行时，使混合物块在径向范围内朝中心设置的辐射源移动。借助适当的措施，如下面将进一步阐明的那样，使等离子焰保持在空洞中。
为了精确向能源进给混合物块，最好使用导向装置。将已成块的炉料适当干燥，而且按照装料装置的要求，块状物必须保持一定的尺寸精度和低温抗压强度。
在利用本发明的方法熔炼冶金粉尘时，可用下述方法顺利进行，而且举例来说，可以用下表所列的配料组分来进行。
表1见文后
将表1中所列的配料组分适当地与约9%（重量）的水均匀混合，压成适当大小的块并随后进行干燥，在保证混合物块精确进给的导向装置的协同作用下，将干燥过的块状物径向地围绕一辐射源安置，并且围绕该辐射源例如等离子焰形成有一定几何形状的空洞。按本发明的一个较佳结构形式，等离子焰可按AT-PS376702中所述的方法形成。在用氩气点燃突出于一个石墨电极的等离子焰之后，利用氩气将烃类物质和/或弥散石墨引入等离子焰。碳（石墨）由于等离子体的高温而转化成气相，而且还原过程由于碳气体的电离而加速。另外，石墨电极的烧损由于高度电离的碳气氛而大大受到阻止。在电极间的等离子焰点燃之后，以空洞围绕等离子焰的混合物块开始熔化。混合物块以同其熔融相等的程度，自外向里移动，以使空洞几何形状始终保持相同。在熔融期间同时发生一种直接还原的热化学反应。
由于在此情况下，反应是在气封下发生，所以在所存在的高温度下，除了作为等离子气体的氩气之外，只能产生作为废气的一氧化碳和氢。这些气体可采用已有技术输向能量回收装置。
炉料中所含重金属部分在所发生的过程中汽化，并且绝大部分能在装在排气罩或排气管中的冷凝器中冷凝。
在该过程中产生的液态铁可连续流出，同样，所产生的渣也连续排出。
此外，本发明的方法还适合熔炼开采铁矿石时产生的矿泥，例如奥地利Steiermark金属矿产生的矿泥。下列表2示出铁矿石矿泥分析的平均值：
表2见文后
正如上表所示，该矿泥的组成已构成一种独立的配料。经与碳按化学计算的要求进行混合之后，可将该炉料压成合适的块状，并以上述方法送到本发明所述的熔融还原反应中。在此对本发明的方法过程有重要意义的，也是在整个操作过程中适当形成并保持空洞几何形状。
按上述原理，各种金属矿石均可用热化学方法来还原。同样，所有在很高温度下进行的熔融过程都可以用本发明的方法来进行。尤为有利的是，对过滤器粉尘的处理和对来自燃烧装置例如废料燃烧装置的炉渣残余物的处理，只要这些被处理物可以熔化，则蒸发出来的重金属就能通过部分冷凝加以回收，以及可能残留下来的痕量元素则包在它们不易再从其中浸出的玻璃陶瓷最终产物中。
尤其有利的应用是，本发明的方法用于将铝土矿直接还原成金属铝。为此，将细磨过的铝土矿按化学计算的要求，同碳充分混合，按上述方法压成相宜的块状并进行干燥，然后按上述方法靠近辐射源放置，形成一定空洞几何形状并在后继反应的移动中保持该形状。在等离焰点燃后，铝土矿混合物表面熔化，此时氧化铁首先被还原并以铁水形态收集在接受容器中。该铁水饱和了铝并富集碳。氧化铝起先作为熔融介质（熔融莫莱石）而产生，并通过进一步供给能量而在高于2000℃的温度下，按
转化成以Al3+及C4-离子为主的碳化铝（Al4C3）（生成热△H＝49.9千卡/克分子）。在由1500℃向下慢慢冷却到660℃左右时，Al4C3按Al4C3→4Al+3C分解成金属铝和石墨态的碳。这也可大概按Al4O3+Al2O3→6Al+3CO的反应，使碳化物与Al2O3进行复分解。
为使所存在的Al2O3或熔融莫莱石充分分解，按下面所述进行是有利的：
将起先作为熔融介质（熔融莫莱石）而产生的Al2O3在所生成的热气体（CO/H2气体）作用下
移向精炼容器方向，生成碳化铝并随后发生歧化。残留下来未转变的Al2O3熔体再送回反应区，以使其完全分解。在精炼区内排出最大碳含量为0.05%、硅含量约1%、钛含量约1%及另一种铁含量最大为1.8%的杂质的金属铝。饱和了铝并富集碳的铁从处于反应区下方的接受容器连续排出。
正如开始所提及的，在本发明的方法中，等离子焰保持在空洞中。为了能充分利用等离子焰的高能密度，必须将等离子焰精确地引入确定的空洞中。此外，应尽可能使熔融过程和还原过程所需的能量，即熔化焓和反应焓最佳化，以使热化学过程尽可能保持精确并使等离焰中石墨的气化最佳地与供给等离子焰的总能量相适应。用传统的等离子焰技术仅能不理想地解决此任务。这种传统的技术规定，在两个电极，即一个顶电极和一个底电极之间和/或在一个顶电极和两个或三个侧电极之间形成等离子焰。但是在此情况下，该等离子焰只能单方面地在炉子里将空洞燃尽，因为空洞不能被控制地进给。
本发明方法的另一种有益的改进使上述精确保持能量输入和在确定的空洞中的等离子焰的控制引入的任务能得到解决。这个任务是通过伸进空洞的主电极即顶电极和多个直接安置在空洞下方的径向电极（a至h）之间点燃等离子焰来解决的。径向电极借助可控硅控制设备用使气氛电离的最低负荷进行加荷，而主负荷通过装在导向装置前缘的热电偶分配在可控硅上，以保证空洞表面内的熔化速率均匀。
另一种有利的实施形式规定，收集在接受容器中的熔融物通过用熔池温度测量控制的底电极可以附加地从径向电极得到能量输入，从而可保持熔池温度恒定不变。
根据另一方面，本发明涉及一种实施开始所述方法的装置。该装置的主要特征是，一种中心安置的、由待熔融和/或待熔融还原的混合物组成的料块形成的具有一定几何形状的空洞;最好径向设置并用来向中心进给混合物块的导向装置;设置在空洞下方、带有金属熔体和液态炉渣排出口的接受容器;中心电极排列;一个设置在空洞上方的顶盖;排气罩和排气管。
附图中举例示出本发明装置的几种结构形式。其中图1示出本发明装置的一种结构形式的横截面图。图2示出该装置的顶视图。图3和图4为本发明的另一种尤其适用于铝土矿直接还原的装置的横截面图和顶视图。图5示出本发明装置的另一种结构形式的略图，用此结构形式可以精确保持能量输入，并将等离子焰控制引入确定的空洞中。
在这些附图中，空洞1由待熔融和/或待熔融还原的混合物形成，该混合物以块状从外向里径向进给，径向设置的导向装置2保证混合物块精确地向中心进给。在空洞1下方的接受容器3中，在适当位置上设有金属熔体和液态炉渣的排出口。上电极以4表示，下电极10置于接受容器3的底部。5代表反应容器的顶盖，6和7为排气罩和排气管。连接管道以8和9表示。图5中伸进空洞1中的上电极或顶电极4具有所需的供电装置和供气装置，并可用一个滑块或类似的部件沿垂直方向操作。直接在空洞1下方同一水平面上安置多个径向电极（a至h），这些电极可在径向上各自前后移动，而且最好能沿各自所在的半径旋转。在空洞1下方的接受容器3中设置一个底电极10。
通过本发明方法的实施，可以使混合物中的氧化物组分直接转化成熔融介质并由该液相还原出金属。该技术与传统方法相比优点在于，譬如Fe2O3首先可以不走弯路，由Fe3O4和FeO还原成Fe，而直接由熔融介质Fe2O3还原成Fe，而且可以利用存在的有利混合间隙，此时通过碳、硅、锰、磷等产生纯净而不含杂质的铁，并与液态Fe2O3处于平衡，对此参见ULLMANNS ENCYKLOPADIE DER TECHNISCHEN CHEMIE第4版第10卷第334页。
表1
配料组分分析
FS 过滤器粉尘
KR Krivoj-Rog（酸性矿尘）
GS 炉顶灰
KS 焦尘（过滤器粉尘）
FS KR GS KS
Fe 46.80 50.35 27.40 31.70
FeO 8.90 - 5.16 -
Fe2O357.06 （71.98） （38.42） 45.33
Mn 1.21 0.09 0.57 -
SiO21.55 16.31 8.08 21.20
Al2O30.33 3.64 1.93 8.70
CaO 15.60 0.13 6.93 13.02
MgO 1.75 0.36 1.73 0.69
P 0.064 0.055 0.050 0.157
S 0.072 0.023 0.42 3.40
Pb 0.54 0.001 0.019 -
Zn 3.18 0.0019 0.0055 0.018
CO2- - 1.13 -
C - - 37.31 79.13
Cu - - 0.007 -
Cr - - 0.02 -
TiO20.08 - 0.50 0.46
Na2O - - 0.15 0.46
K2O - - 0.29 0.94
水分 20.40 4.37 - 0.5
烧损 8.40 2.37 40.60 1.85
灰分 - - - 20
表2
铁矿石矿泥分析＊%
Fe 26
FeO 14.5
Fe2O320.7
烧损（CO2+H2O化合的） 26.6
SiO212.5
CaO 13.3
Al2O35.6
MgO 4.0
SO30.21
P2O50.14
Mn 1.8
Claims (9)
1、进行热化学过程的方法，其中对于冶金炉尘、矿石及其他可熔和/或可熔融还原的物质进行熔融和/或熔融还原的方法，其特征在于，将一定组分的待熔融和/或待还原的混合物压成块，将这些压块沿导向装置进给，围绕高能量密度的辐射源放置呈一定的空洞几何形状，并且借助混合物压块向中心设置的辐射源移动，相应于熔融和/或熔融还原过程保持这种一定的空洞几何形状。
2、权利要求1所述的方法，其特征在于，将等离子焰用作高能量密度的辐射源。
3、权利要求2所述的方法，其特征在于，在点燃突出于石墨电极的等离子焰之后，借助氩气将烃类物质和/或弥散石墨与氩气一起引入。
4、权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在伸进空洞的顶电极与多个直接置于空洞下方的径向电极之间形成等离子焰，并用使气氛电离的最低负荷加荷该等离子焰，而主负荷这样分配到径向电极上，以保持在空洞表面范围内熔化速度均匀。
5、权利要求4所述的方法，其特征在于，置于熔融物接受容器中的底电极由径向电极提供附加能量输入，以保持熔池温度恒定。
6、权利要求1所述的方法，其特征在于，在高于高耐火度炉衬熔融温度的温度下工作。
7、权利要求1所述的方法，其特征在于，对SiO2，MgO、TiO2、Ta2O5或相应金属所组成的混合物进行熔融和/或熔融还原。
8、实施权利要求1至7中任一项所述方法用的装置，其特征在于，其中包括由待熔融和/或待熔融还原的混合物组成的料块所形成的有一定几何形状的空洞（1），径向设置的、使混合物块向中心进给的导向装置（2），一个安置在空洞（1）下方的、带熔融金属出口和液态炉渣出口的接受容器（3），一个中心安置的电极（4），一个安置在空洞（1）上方的顶盖（5），一个排气罩（6）及排气管（7）。
9、权利要求8所述的装置，其特征在于，至少一个附加的用作精炼区的接受容器通过连接管道（8、9）与空洞（1）下方的接受容器（3）或者与另一个接受容器相连接。
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