CN116529395A

CN116529395A - 由铁熔体制造钢

Info

Publication number: CN116529395A
Application number: CN202180071899.4A
Authority: CN
Inventors: J·乌尔姆; R·米尔纳; N·雷因
Original assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-08-01
Also published as: CA3198632A1; HUE068709T2; ES2991774T3; EP3992309A1; RS65979B1; KR20230097107A; WO2022090390A1; MX2023004971A; AU2021370921A1; AU2021370921A9; EP4237587B1; EP4237587A1; PL4237587T3; JP2023551367A; FI4237587T3; US20240052442A1

Abstract

本申请涉及制造钢的方法，其包括‑由含氧化铁的原材料(11)通过用还原气体(13)直接还原制造铁海绵(10)，其中还原气体(13)由至少20体积％的氢气H2组成，以及‑由所述铁海绵制造碳含量为1‑5质量％的铁熔体。在此，铁海绵经受处理，其包括：‑能量供应和加入添加剂以产生熔体和炉渣，其中能量供应基本上由电力实现，并且其中炉渣具有小于1.3，优选小于1.25，特别优选小于1.2的碱度B2，‑调节熔体中的碳含量，‑使至少一部分量的包含在铁海绵中的氧化铁还原。在处理期间和/或之后分离出炉渣。由这样的铁熔体制造钢。

Description

由铁熔体制造钢

技术领域

本发明涉及通过用还原气体直接还原获得的铁海绵制造铁熔体来制造钢的方法。

现有技术

目前的大部分炼钢是在高炉路线上进行的，随后的钢厂基于吹氧工艺(LD/BOF)。通过该工艺路线，可以加工范围广泛的铁矿石，因为可以从高炉中以低铁损排出炉渣形式的脉石部分，并且可以在下游的BOF中制造优质的通用粗钢。

较少比例的炼钢基于用还原气体直接还原形成铁海绵，也称为直接还原铁DRI，随后通过电弧炉(EAF)炼钢。与高炉路线相比，在此必须使用脉石比例较低的更优质原材料，以限制传统EAF中出现的炉渣量或铁损以及能源和原材料成本。传统的EAF还需要铁海绵的高金属化程度。由于工艺技术的原因，可达到的粗钢品质也较低，或者为了达到相当的钢品质，必须对EAF中获得的粗钢进行复杂的后处理。

为了减少工业CO2排放，希望降低高炉路线在全球炼钢中的比例，因为其基于煤炭或焦炭的使用。原则上，增加直接还原在全球炼钢中的比例提供了一种补偿方式，因为为此也可以CO2排放较少的路线生产——例如通过基于天然气或氢气的还原气体。然而，与高炉路线相比，与该路线相关的缺点限制了将钢生产转向直接还原方向的可能性。

发明概述

技术目的

本发明的目的是提出方法和装置，利用它们可以避免所提到的缺点或至少减小其程度。

技术方案

该目的通过制造钢的方法实现，

其包括

-由含氧化铁的原材料通过用还原气体直接还原制造铁海绵，其中还原气体由至少20体积％的氢气H2组成，

以及

-制造碳含量为1-5质量％的铁熔体，其中至少一部分量的由含氧化铁的原材料通过用还原气体直接还原制成的铁海绵经受处理，

其中该处理包括：

-能量供应和加入添加剂以产生熔体和炉渣，其中能量供应基本上由电力实现，并且其中炉渣具有小于1.3，优选小于1.25，特别优选小于1.2的碱度B2，

-调节熔体中的碳含量，

-使至少一部分量的包含在铁海绵中的氧化铁还原，

并且其中在处理期间和/或之后分离出炉渣，

以及

-使用铁熔体来制造钢。

该方法包括直接还原，其通过还原气体进行，该还原气体由至少20％的氢气组成。由此，与使用高炉路线还原含氧化铁的原材料或使用较低氢气比例进行直接还原相比，钢生产的CO2污染可以更少。直接还原在不添加固态碳或固态含碳物质作为还原剂的情况下进行。

直接还原发生在直接还原反应器中，该反应器例如可以设计为固定床反应器或流化床反应器或流化床反应器。

直接还原的还原气体中的氢气比例越高，铁海绵中的碳含量越低。这会影响处理过程中熔化过程的温度范围。这也会影响制造钢的方法过程中出现的含碳排放量，并可影响所制造的钢的碳含量。

根据本发明的方法的处理是浴法，而不是固定床法。其用于基于直接还原方法中的铁海绵制造类似于高炉产品-液态生铁-的产品。该液态产品的碳含量应为1-5质量％，其中该范围的两个限值也包括在内。质量百分比质量％表示质量比例。为此，向铁海绵供应能量并加入添加剂，这导致形成基于铁的熔体和形成基于包含在铁海绵中的基础矿石中的脉石的炉渣。添加剂例如是石灰石和/或白云石(其中两者可以是未煅烧的或——优选——煅烧的)、石英。炉渣的碱度B2小于1.3，优选小于1.25，特别优选小于1.2。这种炉渣类似于高炉炉渣，可以相应地用于例如水泥工业。碱度越低，产生的炉渣量越少，由此使得根据本发明的方法的操作在能量上也越有利。

氧化钙与二氧化硅的质量百分比之比CaO/SiO₂称为碱度B2。

在制造铁熔体过程中，铁海绵经受处理。铁海绵与其它铁载体–例如废铁或生铁–的组合可用作铁熔体中的铁来源，或者可以仅将铁海绵用作铁熔体中的铁来源。

将熔体的碳含量调节到所需的程度–由该方法产生的铁熔体的碳含量应为1-5质量％，相应地进行调节；例如通过向熔体供应碳载体和/或通过供应用于降低熔体中碳含量的试剂，例如氧气。

该处理还包括使至少一部分量的包含在铁海绵中的氧化铁还原成金属铁，以使得熔体中的金属铁的量大于其所基于的铁海绵中；这发生在能量供应期间和/或之后。

能量供应基本上由电力实现。基本上，这被理解为是指所供应能量的至少大于50％，所供应能量的优选大于65％，所供应能量的特别优选大于80％。特别地，随着可再生能量源发电的电力比例增加，该方法或基于类似于生铁的液态产品制造的钢的CO2平衡因此得到改善。

在高炉路线中，从生铁中分离出所产生的炉渣，这例如通过使生铁和炉渣流出并且由于它们彼此不溶和不同密度通过重力将它们分开。根据权利要求，在处理期间和/或之后分离出炉渣。熔体作为类似于生铁的液态产品获得，其碳含量为1质量％-5重量％。例如，通过倾倒而去除炉渣。通过分离出基于包含在铁海绵中的脉石和添加剂的炉渣，去除包含在含氧化铁的原材料中的脉石。

根据本发明制造的具有1.0质量％-5重量％的碳含量的铁熔体主要由铁组成–其是类似于生铁的液态产品；术语类似于生铁的液态产品在本申请中与术语铁熔体同义用于根据本发明制造的铁熔体。具有1.0质量％-5重量％的碳含量的类似于生铁的液态产品从炼钢工艺-例如LD/BOF-的角度来看“类似于”高炉生铁，即其加工方式基本上与高炉生铁相同，即除高炉外遵循炼钢的高炉路线。碳含量越高，越多的冷却废钢可用于后续钢加工；较高的冷却废钢量减少每数量单位由根据本发明制造的类似于生铁的液态产品生产的钢的CO2排放。类似于生铁的液态产品的碳含量优选为至少1.25质量％，特别优选至少1.5质量％。类似于生铁的液态产品的碳含量优选为最多4质量％，特别优选最多3.5质量％，非常特别优选最多3质量％。

在进行根据本发明的方法时可能有利的是，将铁海绵装入其中已存在少量铁熔体作为底料的容器中；该底料可以例如在先前使用根据本发明的方法之后排空容器时保留在容器中，但它也可以来自另一来源，例如来自例如高炉的生铁。

发明有利效果

本发明开辟了在不使用传统EAF操作的情况下从铁海绵开始工业化高效和经济地制造钢的可能性。在此可以使用对于生铁而言已知的炼钢路线。用于制造钢的传统EAF操作在高温和高碱度的用于降低碳的氧化条件下操作。铁海绵中的高金属化程度和低脉石比例是必要的，以使由于炉渣中的氧化铁所致的铁损保持为低。因此，在生产向传统EAF操作供应的铁海绵时必须使用优质的铁载体——在此，优质意味着铁载体中几乎没有脉石；通过铁海绵引入EAF中的脉石越少，EAF中的炉渣量越少。炉渣量越少，作为炉渣中的氧化铁损失的铁越少。金属化程度越高，铁海绵中所含的氧化铁越少，因此由于炉渣损失氧化铁的风险相应降低。

在根据本发明的方法流程中存在碳；因此，至少一部分量的包含在铁海绵中的氧化铁可以被碳还原，因此与传统EAF操作相比，所用的铁海绵也可以较低金属化的形式使用。由于氧化铁的还原，与在传统EAF中加工铁海绵相比，由于炉渣中氧化铁部分所致的铁损较少。

由于熔体中碳的存在，还降低熔化过程的温度范围，即类似于生铁的产品从固态转变为液态聚集态的温度范围降低，因此液化所需的能量供应较少。这意味着在通过使用根据本发明的方法从铁海绵开始炼钢时，与传统EAF操作相比，需要相对少的能量消耗。

对于产生类似于生铁的产品，没有必要将炉渣的碱度调节得与传统EAF操作一样高，因为与传统EAF操作不同，该方法的重点不在于制造钢。相应地，在通过使用根据本发明的方法从铁海绵开始炼钢时，与传统EAF操作相比，产生的炉渣更少-或者可以在与传统EAF操作相比相当的炉渣量的情况下处理来自低价值原材料的脉石比例更高的铁海绵。与传统EAF路线相比较少的炉渣量的事实在于，根据本发明的程序是在炉渣碱度较低和因此添加剂量较少的情况下进行的，因为与EAF路线相比，重点更多地在于去除脉石，而非提高钢品质。较少的炉渣量还意味着加热或熔化所需的能量需求较少，因为需要加热的材料较少。根据本发明的方法优选在低于1.3的碱度B2，特别优选低于1.25的碱度B2，非常特别优选低于1.2的碱度B2下操作。

通过使用根据本发明的方法，可以加工范围广泛的铁矿石，因为已在制造具有1.0％-5％碳含量的类似于生铁的液态产品时以低铁损排出炉渣形式的脉石部分。因此，炼钢时加工类似于生铁的液态产品的步骤不会受到已去除的炉渣的影响。与此相反，加工铁海绵的传统EAF操作会受到明显更大量的炉渣的影响。

由于具有1.0质量％-5重量％的碳含量的类似于生铁的液态产品从炼钢工艺-例如LD/BOF-的角度来看的加工方式可以基本上与高炉生铁相同，可以制造具有相应品质和通用可能性的钢；由此可以克服由于使用传统EAF路线而在这方面的限制，或者可以省去复杂的后处理。

根据该方法的一个优选实施方案，借助由大于45体积％的氢气H2组成的还原气体进行直接还原。氢气比例越大，根据本发明的方法或基于类似于生铁的液态产品制造的钢的CO2平衡越低。

根据一个有利的实施方案，直接还原发生在直接还原反应器中，处理发生在处理反应器中，其中直接还原反应器和处理反应器在空间上彼此分开。通过输送装置，铁海绵可以从直接还原反应器输送至处理反应器。将直接还原反应器和处理反应器布置在共同的装置中，即在空间上不彼此分开地直接相邻，也是可行的。

根据一个有利的实施方案，能量供应通过电弧实现。

根据一个有利的实施方案，能量供应通过电阻加热实现。这可以是指例如进行电解。

根据一个有利的实施方案，能量供应通过由电力产生的氢等离子体实现。

根据一个有利的实施方案，能量供应部分地通过引入氧气以将以固态或液态形式供应到熔体中的碳或溶解在熔体中的碳气化来实现。在实践中，这例如通过燃烧器或通过喷枪来实现。优选引入至少技术纯的氧气。

根据一个有利的实施方案，熔体中的碳含量通过所供应的碳载体来调节。其可以是固态碳载体和/或液态碳载体和/或气态碳载体。碳载体可以包括例如煤粉、焦粉、石墨粉或天然气。碳载体也可以部分地或完全来自碳中性来源，例如生物质，如木炭；这改善所述方法中的CO2平衡。可以例如通过喷枪或浴下喷嘴引入碳载体。

根据一个有利的实施方案，熔体中的碳含量通过所供应的氧气来调节。如果碳含量高于铁熔体的所需值，可以通过氧气供应来实现碳含量的氧化减少，例如，碳可以在熔体中反应形成CO并以气态形式从熔体中逸出。

根据一个有利的实施方案，至少一部分量的包含在铁海绵中的氧化铁的还原通过所供应的铁载体来实现。其可以是固态碳载体和/或液态碳载体和/或气态碳载体。碳载体可以包括例如煤粉、焦粉、石墨粉或天然气。碳载体也可以部分地或完全来自碳中性来源，例如生物质，如木炭；这改善所述方法中的CO2平衡。

根据一个有利的实施方案，至少一部分量的包含在铁海绵中的氧化铁的还原通过包含在铁海绵中的碳来实现。在铁海绵中，碳可以例如以渗碳体(Fe3C)的形式结合和/或溶解，和/或作为单质碳存在。

根据一个有利的实施方案，至少一部分量的包含在铁海绵中的氧化铁的还原至少部分地通过电流来实现。这可以例如通过电解或通过氢等离子体实现。

根据一个有利的实施方案，在处理时通过所供应的固态碳载体和/或液态碳载体和/或气态碳载体来降低熔程。其例如是煤粉、焦粉、石墨粉、天然气。碳载体也可以部分地或完全来自碳中性来源，例如生物质，如木炭；这改善所述方法中的CO2平衡。降低应被理解为与铁熔点相比。根据本发明的方法优选在低于1550℃的温度，优选低于1500℃的温度，特别优选低于1450℃的温度下操作。

根据一个有利的实施方案，在制造钢时使用LD/BOF方法。这优选通过至少10质量％，优选至少15质量％,特别优选至少20质量％的废铁使用来实现。

本申请的另一主题是具有机器可读程序代码的信号处理装置，该程序代码具有用于进行根据本发明的方法的控制指令。本申请的另一主题是用于这种信号处理装置的机器可读程序代码，其中该程序代码具有使信号处理装置进行根据本发明的方法的控制指令。根据本发明的方法的另一主题是存储介质，其上存储有这种机器可读程序代码。

附图简述

现在借助实施例更详细地解释本发明。该图是示例性的，虽然应解释本发明的思想，但绝不会缩小其范围或甚至排他性描绘。其中：

图1显示了根据本发明的方法流程的示意图。

实施方案简述

实施例

图1示意性地显示了根据本发明的制造铁熔体的方法流程。由含氧化铁的原材料11在直接还原反应器12中用还原气体13直接还原制造铁海绵10。还原气体13由至少20体积％的氢气H2组成。铁海绵10供应到处理反应器20。在处理反应器20中，其经受处理。所述处理包括能量供应，其由箭头30表示。能量供应基本上由电力实现。所述处理包括加入添加剂40。在处理时产生熔体50和炉渣60。炉渣具有小于1.3的碱度B2。该处理包括调节熔体50中的碳含量；示例性地通过加入碳载体70来表示。该处理包括使至少一部分量的包含在铁海绵10中的氧化铁还原。在处理期间和/或之后，分离出炉渣60，其未额外示出。熔体50是具有1-5质量％的碳含量的所需铁熔体。其可以例如用虚线箭头表示供应到转炉80，以使用吹气喷枪90根据LD工艺制造钢。

由含氧化铁的原材料通过用还原气体直接还原获得铁海绵10；在此，还原气体可以例如由至少20体积％的氢气H2组成。

直接还原发生在直接还原反应器中，处理发生在处理反应器20中。直接还原反应器和处理反应器20可以在空间上彼此分开，其中铁海绵可以通过输送装置从直接还原反应器输送至处理反应器。将直接还原反应器和处理反应器20布置在共同的装置中，即在空间上不彼此分开地直接相邻，也是可行的。

附图标记列表

10 铁海绵

11 含氧化铁的原材料

12 直接还原反应器

13 还原气体

20 处理反应器

30 能量供应

40 添加剂

50 熔体

60 炉渣

70 碳载体

80 转炉

90 吹气喷枪。

Claims

1.制造钢的方法，

其包括

-由含氧化铁的原材料(11)通过用还原气体(13)直接还原制造铁海绵(10)，其中还原气体(13)由至少20体积％的氢气H2组成，

以及

-制造碳含量为1-5质量％的铁熔体，其中至少一部分量的由含氧化铁的原材料(11)通过用还原气体(13)直接还原制成的铁海绵(10)经受处理，

其中该处理包括：

-能量供应和加入添加剂以产生熔体(50)和炉渣(60)，其中能量供应基本上由电力实现，并且其中炉渣(60)具有小于1.3，优选小于1.25，特别优选小于1.2的碱度B2，

-调节熔体(50)中的碳含量，

-使至少一部分量的包含在铁海绵(10)中的氧化铁还原，

并且其中在处理期间和/或之后分离出炉渣(60)，

以及

-使用铁熔体来制造钢。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直接还原借助由大于45体积％的氢气H2组成的还原气体(13)进行。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述直接还原发生在直接还原反应器(12)中，所述处理发生在处理反应器(20)中，并且直接还原反应器(12)和处理反应器(20)在空间上彼此分开。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量供应通过电弧实现。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量供应通过电阻加热实现。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量供应通过由电力产生的氢等离子体实现。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量供应部分地通过引入氧气以将以固态或液态形式供应到熔体(50)中的碳或溶解在熔体中的碳气化来实现。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，借助供应的碳载体(70)来调节熔体(50)中的碳含量。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，通过供应的氧气来调节熔体(50)中的碳含量。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，至少一部分量的包含在铁海绵(10)中的氧化铁的还原通过供应的碳载体(70)来实现。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，至少一部分量的包含在铁海绵(10)中的氧化铁的还原通过包含在铁海绵(10)中的碳来实现。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，至少一部分量的包含在铁海绵(10)中的氧化铁的还原至少部分地通过电流来实现。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，在所述处理过程中，通过供应的固态碳载体(70)和/或液态碳载体(70)和/或气态碳载体(70)来降低熔程。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中在制造钢时使用LD/BOF方法。