[发明专利]用于氧化铁还原的微波加热方法和装置

说明书

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本申请要求2006年10月3日提交的序列号为60/849,098和2006年11月14日提交的序列号为60/865,672的美国临时专利申请的受益权；并且是2005年9月6日提交的序列号为11/220,358的美国专利申请的部分继续申请案，该序列号为11/220,358的美国专利申请要求了2004年9月3日提交的序列号为60/607,381和2004年9月3日提交的序列号为60/607,140的美国临时专利申请的受益权。 

目前钢铁由两类经营单位生产：综合炼钢厂和小型炼钢厂。在综合炼钢厂，烧结的铁矿石球团、焦炭和石灰被送入高炉(BF)，并高速吹入热空气以燃烧焦炭，从而产生一氧化碳和热。烧结的铁矿石球团被一氧化碳还原成高温金属并熔融形成液态铁。之后，液态铁被送入氧气顶吹转炉(BOF)，在这里向液态铁中鼓入纯氧气以除掉过量的碳，使铁转变为钢。与此生产工艺相伴随的根本问题是需要焦炭和强烈的高温燃烧。焦炭生产是高污染性的工业生产过程之一，并且高温燃烧产生大量的粉尘并因废气排放而浪费能源。 

小型炼钢厂采用电弧炉(EAF)来熔融含有或不含有DRI(直接还原铁)的废旧钢铁以生产低质量的钢。小型炼钢厂一直以来享受着废旧钢铁来源丰富的优势，但近期国际市场对废旧钢材的强烈需求已经使其价格翻番。DRI的价格也因昂贵的重整天然气而激增，导致许多DRI工厂关闭。 

本发明的发明者已开发了一项基于微波能利用的革命性的炼钢技术(美国专利No.6,277,168)。这一技术能够从由氧化铁粉、碳粉和助熔剂的混合物中生产DRI、铁或钢。这一技术抛弃了诸如炼焦、烧结、高炉炼铁、氧气顶吹转炉炼钢等许多现有的炼钢中间工序。 

这一技术可比传统的炼钢工艺节省高达50％的能耗，并大幅度减少CO₂、SO₂、NO_x、VOCs、粉尘和空气有毒物质的排放，实质性地降低废物排放控制成本，大大降低资本支出，使钢的生产成本显著下降。 

与依赖于燃烧加热的高炉相比，微波加热技术的优势在于它能够将氧化铁给料更迅速地加热，因为它不需依赖空气或其它气体来将热传导到给料中，而是利用给料吸收微波辐射直接产生的内热。同时，微波加热是选择性的，即它只加热需要被加热的给料成分，即还原赤铁矿或磁铁矿而不直接加热给料中的氧化硅、磷、硫，或其它非铁组分，因此，能量得到了更加充分的利用，且达到的最高温度可以低得多。当采用微波辐射加热法来还原时，也不要求给料导电。 

钢铁冶炼的另一个问题是铁中残留的硫和磷可影响所生产的铁或钢的质量。这一问题源于传统的还原氧化铁技术需要用燃烧天然气或煤来达到的非常高的温度。因为只有将球团或生球或其它给料的外部加热到比所需温度高得多的温度，以实现整个球团或生球内部的充分加热，才有可能在短时间内使整个球团或生球中的氧化铁还原。在这样的高温环境中，硫和磷也被还原，并以元素形式残留在铁或钢中。如果用煤来作为矿石或其它给料的还原剂，这个问题还会因煤中有时含硫而恶化，最终增加铁中硫的含量。 

传统的还原工艺所需要的高温造成的更进一步的问题是必须为窑炉选用昂贵的耐火材料，资本支出因此增加。同样，任何存在的氧化硅也会被还原，进而在很多情况下污染铁并使铁的质量变坏。 

给料中的过量的氧化硅，不论其来源于矿石采掘过程还是来源于矿床中，都是一个不容忽视的问题。矿石中的氧化硅的含量因矿石来源而异。尽管氧化硅可以通过作为形成于熔融的铁水之上的熔渣的一部分而得以去除，但如形成过量的熔渣则会阻碍向熔融金属中鼓气的作业并因此干扰了工艺过程。因此，若铁矿石或球团中含有过量的氧化硅，则必须首先将其剔除或至少将其含量降到最低。这就需要把铁矿石粉碎成很细的粉末，以便从矿石中机械地分离氧化硅。处理这类矿石需要相当高的花费和能耗。事实上，有许多矿石因硅含量高而失去商业价值。 

传统炼铁工艺的另一个不利之处是为还原铁矿石而进行的鼓风加热造成了混入给料中的所有碳燃烧形成二氧化碳，这让本来有用的碳可燃物被浪费掉，且为该工艺过程增加了碳“足迹”。 

本发明的目的是为金属特别是铁和钢的冶炼，提供一种新的使用微波加热的方法及装置，以发挥在铁和钢的生产过程中使用微波加热的潜在优势。 

本发明的另一个目的是回收在还原工艺中产生的碳可燃物，并使其有用。 

本发明的更进一步的目的是以较低的成本、使用最低能量来控制生产过程中磷、硫或氧化硅对铁的污染。