Способ получения металлического железа

Способ получения металлического железа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается усовершенствования технологии производства металлического железа путем нагревания и восстановления источника железа, такого как железная руда, с использованием углеродсодержащего восстановителя, такого как кокс, и, более конкретно, настоящее изобретение касается технологии эффективного производства металлического железа, имеющего заранее заданную концентрацию углерода. В этой технологии оксид железа восстанавливается и одновременно науглероживается, и металлическое железо, полученное таким образом, эффективно отделяется от образующих шлак компонентов, которые находятся в виде примесей, например, в сырьевой минеральной руде как компоненты пустой породы и тому подобные.

Уровень техники, к которой относится изобретение

Один из авторов настоящего изобретения предложил способ, раскрытый в Патентном Документе 1, как новый тип способа прямого получения железа, и после этого было также проведено исследование для усовершенствования вышеупомянутого способа прямого получения железа.

Этот способ представляет собой технологию получения металлического железа путем нагревания и восстановления смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и оксид железа. В этом способе после того как корка из металлического железа формируется и нарастает при восстановлении оксида железа при действии восстанавливающего газа, получающегося из углеродсодержащего восстановителя, восстановление далее развивается в твердом состоянии, пока оксид железа по существу не перестанет присутствовать внутри корки из металлического железа, с последующим дальнейшим непрерывным нагреванием для образования шлака, который образуется внутри, вытекает из-под корки металлического железа так, что металлическое железо отделяется от шлака.

Когда вышеназванный способ проводится путем расплавления корки из металлического железа, образованного при нагревании и восстановлении, можно создать условия для того, чтобы расплавленный шлак, присутствующий внутри корки из металлического железа, вытекал из нее наружу. Чтобы расплавить корку из металлического железа, температура плавления корки из металлического железа может быть снижена путем растворения углерода, поступающего от углеродсодержащего восстановителя, присутствующего внутри корки из металлического железа, в металлическом железе (это явление в некоторых случаях может быть названо «науглероживанием»).

В этом способе после того как шлак вытечет из корки из металлического железа, металлическое железо, полученное таким образом, и образовавшийся шлак затем охлаждаются и затвердевают, металлическое железо, затвердевшее в виде частиц, может быть отделено с использованием магнитного сепаратора или сита, тогда как шлак размалывается, или же затвердевшее металлическое железо и образовавшийся шлак могут быть расплавлены нагреванием, с последующим разделением, основанным на разнице удельных весов. В результате может быть получено металлическое железо, имеющее высокую чистоту в 95 массовых процентов или более или 98 массовых процентов или более.

В дополнение, были сделаны разнообразные предложения относительно способа, как стимулировать отделение металлического железа с помощью контроля состава образующегося шлака, который присутствует в ходе реализации вышеописанного способа прямого получения железа.

Например, в Патентном Документе 2 был представлен способ отделения гранулированного металлического железа от содержащего FeO шлака с низкой температурой плавления, в котором в качестве источника оксида железа используются отходы сталелитейного производства, которые смешиваются с углеродсодержащим восстановителем (далее в ряде случаев называемым как «углеродсодержащий материал») и дополнительным сырьевым материалом (шлакообразующим агентом) так, чтобы состав образующегося шлака был скорректирован для достижения соотношения CaO/SiO₂ (основность), варьирующего в диапазоне от 1,4 до 1,6 по массе, с последующим нагреванием до температуры от 1250 до 1350°С для восстановления с образованием гранулированного металлического железа.

Однако этот способ представляет собой способ, использующий отходы сталелитейного производства как источник оксида железа. В дополнение, корректирование степени основности шлакового компонента, применяемого в этом способе, выполняется, когда сырьевые материалы смешиваются вместе, и поведение шлака, образуемого при нагревании и восстановлении, и поведение оксида железа, содержащегося в нем, не были в достаточной мере исследованы.

Кроме того, в Патентном Документе 3 был представлен способ, в котором степень основности шлакообразующего компонента в сырьевом материале контролируется в диапазоне от 0,4 до 1,3, и по меньшей мере в течение одной трети времени нагревания и восстановления, выполняемых на поду, температура регулируется в диапазоне от 1200 до 1350°С, чтобы довести степень восстановления железа до уровня от 40% до 80%, с последующим расплавлением восстановленного продукта.

Корректирование степени основности, применяемое в этом способе, выполняется с помощью расчета в ходе смешивания сырьевых материалов между собой. Однако в этом способе влияние невосстановленного оксида железа, содержащегося в сырьевом материале, на образование расплавленного шлака, динамическое поведение оксида железа, содержащегося в расплавленном шлаке, влияние оксида железа на расплавленное состояние металлического железа, полученного при восстановлении, и тому подобное совершенно не были изучены.

В дополнение, авторы настоящего изобретения далее провели интенсивное исследование, и в результате была предложена технология, раскрытая в Патентном Документе 4. Базовая концепция этого изобретения состоит в том, что когда металлическое железо получается путем нагревания и восстановления смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и оксид железа, то с помощью регулирования жидкой фракции в твердо-жидкой смешанной фазе многокомпонентного шлака, который образуется при восстановлении и плавлении смеси сырьевых материалов и который содержит компоненты пустой породы, упрощаются науглероживание и плавление получаемого твердого металлического железа. В частности, технология характеризуется тем, что кроме контроля температуры расплавления металлического железа контролируется содержание углерода (концентрация углерода, далее будет применяться то же выражение, как выше) в получаемом металлическом железе.

Однако когда жидкая фракция шлака в твердо-жидком смешанном состоянии регулируется этим способом, операция становится усложненной, как описано выше. То есть необходимо, чтобы взаимосвязь жидкой фракции с температурой и/или составом шлакообразующего компонента, содержащегося в смеси сырьевых материалов, была выявлена заблаговременно, было скорректировано количество сырьевого железооксидного компонента и количество зольного компонента в углеродсодержащем восстановителе, который примешивается в расплавленный шлак, и, в дополнение, также было скорректировано дополнительное количество шлакообразующего компонента, который дополнительно добавляется по мере необходимости. Таким образом, путем дальнейшего усовершенствования этого способа стало желательным разработать способ эффективного получения металлического железа, имеющего заданную концентрацию углерода, с помощью более легкой технологической операции.

В дополнение, чтобы понять явление науглероживания железа в доменной печи, один из авторов настоящего изобретения провел интенсивное фундаментальное исследование восстановления оксида железа в присутствии расплавленного шлака и динамического поведения передельного чугуна (Fe-C), который производится восстановлением и который растворяет углерод путем науглероживания, и в результате следующее явление было подтверждено и представлено в Непатентном Документе 1.

Этот Непатентный Документ 1 касается восстановления оксида железа в доменной печи и характеристик науглероживания восстановленного железа (металлического железа), получаемого восстановлением. В этом документе, как в схематическом виде показано в Фиг.1, было представлено протекание процесса, в котором оксид железа (FeO) восстанавливается в расплавленном шлаке (S) действием углеродсодержащего материала (G: графит) и в котором полученное металлическое железо (Fe) науглероживается. В частности, оксид железа (FeO) в расплавленном шлаке (S) восстанавливается и науглероживается углеродом (С), поступающим из углеродсодержащего восстановителя (то есть углеродсодержащего материала, G), с образованием науглероженного расплавленного железа (Fe-С). Соответственно этому концентрация FeO в шлаке, который находится в контакте с углеродсодержащим материалом, снижается и становится отличной от концентрации FeO в шлаке, который находится в контакте с восстановленным железом. Таким образом, науглероженное расплавленное железо (Fe-С) имеет тенденцию к перемещению в направлении удаления от углеродсодержащего материала; таким образом, оно быстро перемещается по направлению в сторону твердого восстановленного железа (S-Fe) и осаждается на нем с образованием сплошного тела, тем самым производя науглероживание твердого восстановленного железа.

Однако не было понятным, как явление, характерное для доменной печи, описанное выше, может быть использовано для усовершенствования вышеназванной технологии прямого получения железа, разработанной авторами настоящего изобретения.

Патентный Документ 1: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка №9-256017.

Патентный Документ 2: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка №10-147806.

Патентный Документ 3: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка №2000-45008.

Патентный Документ 4: Японская Нерассмотренная Патентная Заявка №2005-48197.

Непатентный Документ 1: ISIJ International, том 44 (2004), №12, стр.2033-2039.

Настоящее изобретение было создано при обсуждении вышеназванных обстоятельств, и целью настоящего изобретения является представление способа получения железа, имеющего более высокую производительность и эффективность производства, чем таковые для способа прямого получения железа, раскрытого в вышеприведенном Патентном Документе 4, который был разработан авторами настоящего изобретения.

Таким образом, настоящее изобретение представляет способ получения металлического железа из смеси сырьевых материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель и материал, содержащий оксид железа, и вышеназванный способ включает стадию определения целевой температуры формирования первичного расплавленного шлака, соответствующей заранее заданной целевой концентрации углерода в металлическом железе, при которой первичный расплавленный шлак, содержащий компонент пустой породы, невосстановленный оксид железа и зольный компонент углеродсодержащего восстановителя, первоначально образуется в смеси сырьевых материалов при ее нагревании; стадию приготовления смеси сырьевых материалов с формированием состава первичного расплавленного шлака соответственно целевой температуре; и стадию нагревания смеси сырьевых материалов для восстановления и расплавления смеси сырьевых материалов и для образования первичного расплавленного шлака.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематический вид, концептуально показывающий перемещение расплавленного оксида железа и действие переносчика углерода, выполняемое расплавленным железом в расплавленном шлаке, содержащем углерод, открытое одним из авторов настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой многокомпонентную фазовую диаграмму для СаО, SiO₂, Al₂O₃ и FeO, которые являются главными компонентами расплавленного шлака.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий пример взаимосвязи между степенью металлизации и остаточным количеством невосстановленного FeO при нагревании и восстановлении.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий изменение степени восстановления (несколько раз называемой в этом описании как «степень металлизации») со временем для нагревания и восстановления.

Фиг.5 представляет собой график, показывающий влияние содержания оксида железа (FeO) в шлаке на температуру формирования первичного расплавленного шлака и температуру начала образования газообразного монооксида углерода СО.

Фиг.6 представляет собой график, показывающий влияние содержания оксида железа (FeO) в шлаке на температуру формирования первичного расплавленного шлака и температуру начала образования газообразного монооксида углерода СО.

Фиг.7 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между температурой формирования первичного расплавленного шлака и концентрацией углерода в расплавленном металлическом железе (металлическое железо как продукт), полученном при вышеуказанных температурных условиях.

Вариант осуществления изобретения

Далее настоящее изобретение будет описано подробно. Как описано выше, наиболее существенным признаком настоящего изобретения является то, что когда смесь сырьевых материалов, содержащая материал, содержащий оксид железа, такой как железная руда, оксид железа или частично восстановленный материал, и углеродсодержащий восстановитель, такой как кокс или уголь, нагревается для получения металлического железа путем восстановления и расплавления, определяется «целевая температура формирования первичного расплавленного шлака» соответственно заранее заданной целевой концентрации углерода в металлическом железе, и готовится смесь сырьевых материалов, обеспечивающая первичный расплавленный шлак соответственно при указанной температуре, и затем смесь нагревается с образованием первичного расплавленного шлака; то есть, другими словами, путем контролирования температуры формирования первичного расплавленного шлака регулируется концентрация углерода в полученном металлическом железе. В настоящем изобретении первичный расплавленный шлак представляет собой шлак, который сначала образуется в смеси сырьевых материалов и который содержит компоненты пустой породы, невосстановленный оксид железа и зольный компонент в углеродсодержащем восстановителе.

Когда авторы настоящего изобретения проводили исследование по дальнейшему усовершенствованию технологии, представленной в вышеназванном Патентном Документе 4, представлялось, что если эффективно использовать явление, представленное в вышеуказанном Непатентном Документе 1, то есть восстановление оксида железа и характеристики науглероживания в расплавленном шлаке в доменной печи, может быть далее улучшен способ получения железа, раскрытый в Патентном Документе 4. В способе получения железа, примененном в Патентном Документе 4, для эффективного отделения и извлечения высокочистого металлического железа при более низкой температуре важно расплавлять твердое восстановленное железо при более низкой температуре и, в дополнение, также важно, каким образом эффективно отделять расплавленный шлак (далее в ряде случаев называемый как «побочный шлаковый продукт»), который образуется как побочный продукт в процессе нагревания и восстановления. Для этой цели является важным, насколько быстро производится науглероживание твердого восстановленного железа для его расплавления (в этом описании явление, при котором твердое восстановленное железо расплавляется с помощью науглероживания, в некоторых случаях называется «расплавление восстановленного железа»).

Соответственно этому авторы настоящего изобретения рассматривали возможность, что если представленную в вышеназванном Непатентном Документе 1 технологию использовать для прямого получения железа, когда полученное науглероживанием расплавленное восстановленное железо, при продолжающемся восстановлении с использованием углеродсодержащего материала в расплавленном шлаке, перемещается по направлению в сторону твердого металлического железа в соответствии с вышеназванным явлением и затем объединяется с ним, то расплавленное восстановленное железо может быть использовано в качестве носителя, переносящего углерод к твердому металлическому железу, и, основываясь на этом допущении, далее было проведено исследование.

Таким образом, как было описано, способ (представленный в Патентном Документе 4), разработанный одним из авторов настоящего изобретения, основывается на вновь обнаруженном в это время факте, который выявляет тесную взаимосвязь между жидкой фракцией побочного шлакового продукта и расплавлением металлического железа, и этот способ состоит в осуществлении контроля с использованием новой концепции, то есть в жидкой фракции в твердо-жидкой смешанной фазе побочного шлакового продукта, без расплавления всего количества побочного шлакового продукта. Согласно этому способу при надлежащем контроле жидкой фракции науглероживание твердого металлического железа, полученного нагреванием и восстановлением, может быть выполнено при более низкой рабочей температуре, и в результате этого температура плавления может быть быстро снижена. В дополнение, поскольку этим способом расплавление металлического железа может быть выполнено при более низкой температуре, отделение от побочного шлакового продукта может быть эффективно выполнено при низкой температуре, и, кроме того, также может контролироваться концентрация углерода в металлическом железе, которая оказывает сильное влияние на качество полученного металлического железа.

Существенным техническим признаком вышеуказанного изобретения является то, что при получении металлического железа путем нагревания, восстановления и расплавления вышеназванной смеси сырьевых материалов эффективно используется обстоятельство, подтвержденное состоянием побочного шлакового продукта, состоянием науглероживания полученного металлического железа и расплавленным состоянием его в системе, содержащей углеродсодержащий восстановитель. Таким образом, используется эффект, в котором, когда вместе со шлаком в расплавленном состоянии присутствует углеродсодержащий восстановитель, образованное из находящегося в жидком состоянии расплавленного шлака расплавленное металлическое железо функционирует как носитель, переносящий углерод, и затем быстро приходит в контакт с поверхностью твердого металлического железа, и тем самым эффективно производится науглероживание твердого металлического железа. Более того, эффект, в котором благодаря сосуществованию углеродсодержащего восстановителя и расплавленного шлака, как описано выше, имеет место действенное стимулирование науглероживания, не ограничивается только той ситуацией, в которой все количество шлака находится в расплавленном состоянии, и при надлежащем контроле жидкой фракции шлака в смешанном твердо-жидком состоянии стимулируется науглероживание твердого металлического железа, и температура расплавления может быть снижена.

В этом варианте осуществления жидкая фракция означает массовую долю жидкости, которая располагается между линией солидуса и линией ликвидуса при некоторых температурных условиях, в твердом состоянии и в жидкости (то есть в двух фазах, твердой фазе и жидкой фазе), и определяется термодинамическим равновесным состоянием многокомпонентной системы, содержащей SiO₂, Al₂O₃, CaO и MgO, которые главным образом наличествуют в компонентах пустой породы, содержащихся в сырьевых материалах, и FeO в качестве главного компонента, поступающего из источника железа.

Эта жидкая фракция может быть количественно определена при наблюдении за поведением смеси сырьевых материалов в ходе ее нагревания, восстановления и расплавления, с использованием высокотемпературного лазерного микроскопа, с последующим проведением анализа изображений. Однако неожиданно оказалось затруднительным достоверно контролировать жидкую фракцию, и тем самым было желательным дальнейшее усовершенствование в плане эффективности производства.

В процессе интенсивного исследования, проведенного авторами настоящего изобретения, было установлено, что и без выполнения относительно сложного контроля, такого как контроль жидкой фракции шлака, когда должным образом контролируется температура образования первичного расплавленного шлака, который формируется в процессе восстановления и расплавления смеси сырьевых материалов и который может быть получен из компонентов пустой породы, невосстановленного оксида железа (FeO) и зольного компонента углеродсодержащего восстановителя, не только эффективно получается металлическое железо, но также может контролироваться и концентрация углерода в металлическом железе; в результате этого было реализовано настоящее изобретение.

После того как невосстановленный расплавленный оксид железа (FeO), поступающий из сырьевого оксида железа, содержащегося в расплавленном шлаке, который образуется в процессе нагревания и восстановления смеси сырьевых материалов, приходит в контакт с углеродом (или монооксидом углерода), действующим как восстановитель для проведения реакции восстановления в расплаве, полученное расплавленное железо далее науглероживается с нарастанием концентрации углерода, и в результате его температура плавления еще более снижается. Благодаря этой реакции, поскольку концентрация FeO в шлаке, который находится в контакте с углеродсодержащим материалом, снижается и отличается от концентрации FeO в шлаке, который находится в контакте с восстановленным железом, расплавленное железо проявляет тенденцию перемещаться в направлении удаления от углеродсодержащего материала. Более того, как в ситуации с вышеназванным Непатентным Документом 1, а также в способе прямого получения железа, расплавленное железо, которое является науглероженным, может быстро перемещаться в фазе расплавленного шлака по направлению в сторону твердого восстановленного железа и затем может объединяться с ним. Соответственно этому после объединения с твердым восстановленным железом углеродный компонент с высокой концентрацией, который внедряется в расплавленное железо в ходе науглероживания, быстро диффундирует в твердое восстановленное железо, и в результате концентрация углерода во всем твердом восстановленном железе повышается. Таким образом, как и в способе прямого получения железа, когда расплавленный шлак образуется на ранней стадии, металлическое железо, полученное в расплавленном шлаке путем восстановления расплавленного оксида железа, действует как носитель, который переносит углеродный компонент в расплавленный шлак по направлению в сторону твердого восстановленного железа, и в результате ускоряется науглероживание твердого восстановленного железа.

Как очевидно из термодинамической фазовой диаграммы Fe-С-системы, концентрация углерода в расплавленном железе может быть повышена при температуре 1147°С до таковой, какая представляет собой точку эвтектики в состоянии равновесия, то есть может быть повышена до 4,3 массового процента, и также из вышеназванной фазовой диаграммы очевидно, что вплоть до эвтектической температуры концентрация углерода возрастает по мере снижения температуры системы.

Таким образом, когда металлическое железо в расплавленном состоянии получается нагреванием и восстановлением смеси сырьевых материалов, для повышения концентрации углерода в получаемом расплавленном железе является предпочтительным, чтобы расплав шлакообразующего компонента, содержащего невосстановленный оксид железа, производный из источника железа, был сформирован при как можно более низкой температуре, чтобы стимулировать восстановление оксида железа (образование восстановленного железа) и способствовать его перемещению по направлению в сторону твердого металлического железа, и чтобы еще более ускорить формирование расплавленного железа путем науглероживания. Таким образом, является предпочтительным, чтобы была снижена температура формирования расплава (то есть первичного расплавленного шлака), образованного из содержащего оксид железа шлакообразующего компонента, который сначала образуется в смеси сырьевых материалов в стадии нагревания и восстановления. Другими словами, эта температура формирования шлака предпочтительно снижается при нагревании смеси сырьевых материалов по мере того, как восстановление развивается с наружной части этой смеси сырьевых материалов с момента формирования в этом месте шлака. В этом процессе восстановления, даже когда наружная часть частично восстановлена, в некоторых случаях может быть образован вышеназванный первичный расплавленный шлак.

В дополнение, по мере понижения температуры формирования первичного расплавленного шлака, образуемого в процессе нагревания и восстановления в смеси сырьевых материалов, скорость науглероживания твердого восстановленного железа увеличивается, и тем самым может быть получено расплавленное железо, имеющее высокую концентрацию углерода. Таким образом, при эффективном использовании этого явления, путем регулирования температуры формирования первичного расплавленного шлака может контролироваться концентрация углерода в получаемом металлическом железе. Кроме того, когда науглероживание твердого восстановленного железа стимулируется, как описано выше, температура плавления (температура расплавления) такового также снижается, и в результате рабочая температура получения металлического железа может быть снижена.

В этой связи для определения температуры формирования первичного расплавленного шлака, которая инициирует науглероживание и плавление (расплавление) твердого восстановленного железа на конечной стадии восстановления смеси сырьевых материалов, является весьма существенным регулирование количества невосстановленного оксида железа, поступающего из источника железа, компонентов пустой породы и зольного компонента в углеродсодержащем материале, которые являются компонентами расплавленного шлака (то есть компонентами шлака). Температура формирования многокомпонентного первичного расплавленного шлака может быть определена из многокомпонентной термодинамической фазовой диаграммы, включающей SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, FeO и тому подобные. С недавних пор стало возможным определять это с помощью компьютерной программы для фазовой диаграммы многокомпонентного шлака.

Например, Фиг.2 представляет собой фазовую диаграмму, полученную комбинированием системы SiO₂-Al₂O₃-CaO и системы SiO₂-Al₂O₃-FeO. Согласно этой фигуре температура плавления вышеуказанной четырехкомпонентной шлаковой системы достигает наименьшего значения в случае, в котором состав расплавленного шлака соответствует системе SiO₂-Al₂O₃-CaO, когда состав отвечает показанному пунктиром кружку А, в котором количество Al₂O₃ приблизительно составляет 20%, а соотношение СаО/SiO₂ составляет приблизительно 5/5, или когда состав соответствует показанному пунктиром кружку В, в котором количество Al₂O₃ приблизительно составляет 15%, а соотношение СаО/SiO₂ составляет приблизительно 30/70. Кроме того, температура плавления вышеназванной четырехкомпонентной шлаковой системы имеет наиболее низкое значение в случае, в котором состав расплавленного шлака представляет собой систему SiO₂-Al₂O₃-FeO, когда состав такой, как показанный жирной линией С, где содержание FeO варьирует в диапазоне приблизительно от 35% до 50% (более предпочтительно приблизительно 40%), и соотношение SiO₂/Al₂O₃ составляет приблизительно 45/55 или 40/60.

Соответственно этому температура формирования первичного расплавленного шлака может быть снижена до наиболее низкой температуры, опираясь на эти фазовые диаграммы, когда конкретные композиционные составы шлакообразующих компонентов регулируются в заданных диапазонах так, чтобы состав шлака, образуемого в процессе нагревания и восстановления, имел наиболее низкую температуру, как описано выше.

В качестве конкретного способа корректировки шлакообразующих компонентов может быть использован способ, в котором сообразно шлакообразующим компонентам в компонентах сырьевых материалов (включающих компоненты пустой породы в источнике железа, зольный компонент углеродсодержащего восстановителя, компонент неорганического связующего средства и тому подобные) могут быть добавлены дополнительные материалы, такие как СаО, SiO₂ или Al₂O₃. В этом случае добавление чаще всего производится в ходе приготовления смеси сырьевых материалов; однако корректировка также может быть выполнена путем дополнительного введения компонентов на ранней стадии нагревания и восстановления. Кроме того, что касается оксида железа (FeO) как компонента шлака, количество остающегося в невосстановленном состоянии оксида железа, которое может прослеживаться по степени металлизации, может быть использовано для корректирования, притом что вышеназванный оксид железа является одним из источников оксида железа, содержащихся в смеси сырьевых материалов.

Когда способ прямого получения железа реализуется так, как в настоящем изобретении, количество металлического железа, полученного из оксида железа в сырьевом материале, представляется степенью металлизации, и по ней делается вывод, что чем выше степень металлизации, тем лучше производительность. Так, в прошлом много сил тратилось на поиски путей повышения степени металлизации. Однако очень трудно повысить степень металлизации до 100% путем восстановления всего источника оксида железа, и степень металлизации, достигнутая при общеупотребительных условиях, приблизительно составляет от 90 до 95%, и невосстановленный оксид железа остается в количестве нескольких процентов.

Однако, с другой стороны, настоящее изобретение непосредственно использует невосстановленный оксид железа, который остается в процессе нагревания и восстановления. То есть в дополнение к снижению температуры формирования первичного расплавленного шлака путем примешивания невосстановленного оксида железа в шлаке невосстановленный оксид железа в расплавленном состоянии, смешанный со шлаком, восстанавливается и науглероживается, чтобы обеспечить возможность полученному таким образом науглероженному железу действовать как носитель, переносящий углерод по направлению в сторону твердого восстановленного железа. В результате эффективность получения металлического железа в целом может быть улучшена.

Соответственно этому в настоящем изобретении, сообразно типам и/или количествам шлакообразующих компонентов в смеси сырьевых материалов и добавок для корректирования шлакового компонента, степень металлизации (степень восстановления материала, содержащего оксид железа) источника оксида железа может регулироваться, чтобы оставшееся количество невосстановленного оксида железа получалось соответствующим оптимальному содержанию FeO. В частности, пока достигается заданная степень металлизации, регулируется профиль температуры нагревания или восстановительный потенциал, и вместе с тем может нагреваться смесь сырьевых материалов. В качестве средства регулирования профиля температуры нагревания может быть упомянут, например, контроль температуры, времени или скорости повышения температуры при нагревании и восстановлении. В дополнение, в качестве средства регулирования восстановительного потенциала, например, может быть упомянут контроль количества углеродсодержащего восстановителя, количества восстановителя, используемого в качестве защитного материала пода, или газа, составляющего внутреннюю атмосферу печи.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий результат исследования взаимосвязи между степенью металлизации и остаточным количеством FeO в источнике оксида железа, который был получен, когда материал, произведенный в Южной Америке и поставленный бразильской фирмой MBR, был использован в качестве источника оксида железа (железная руда), уголь фирмы Oak Grove, добытый в Северной Америке, был использован в качестве углеродсодержащего материала, и нагревание и восстановление проводились при температуре от 1250 до 1350°С (в каковых композиционное соотношение шлакообразующих компонентов по массе было установлено, чтобы удовлетворялось соотношение CaO/SiO₂/Al₂O₃=4/68/28, и количество углеродсодержащего материала было установлено на уровне 0,95 раза от теоретического количества углерода, которое необходимо для восстановления всего оксида железа самим углеродсодержащим материалом), и понятно, что существует некоторая взаимосвязь между степенью металлизации и остаточным FeO. Вышеописанная взаимосвязь может до некоторой степени варьировать в зависимости от типов источника оксида железа и/или углеродсодержащего материала, отношения компонентов в их смесях, условий нагревания и восстановления и тому подобного; однако, когда взаимосвязь между ними выявляется заблаговременно с помощью предварительного эксперимента, остаточное количество FeO может быть отрегулировано путем контроля степени металлизации смеси сырьевых материалов, и в результате может быть обеспечено надлежащее содержание FeO в формируемом шлаке.

Кроме того, Фиг.4 представляет собой график, показывающий изменения температуры и степени металлизации (то есть степени восстановления) со временем, который был получен в случае, когда температура печи для нагревания и восстановления была установлена при 1400°С, в печь была введена смесь сырьевых материалов, подобная вышеописанной, и затем были произведены нагревание и восстановление. Как можно видеть из этого графика, несмотря на небольшие изменения, обусловленные характеристическими свойствами печи для нагревания и восстановления, степень металлизации повышается по мере протекания времени нагревания и быстро повышается через 4-5 мин после начала нагревания при использованной в этом случае температуре нагревания, и степень нарастания степени металлизации быстро снижается приблизительно через 9 мин после начала. Однако, тем не менее, степень металлизации достигает приблизительно 90 массовых процентов примерно через 8 мин после начала нагревания, и на этой стадии количество остаточного оксида железа в невосстановленном состоянии составляет приблизительно 10 массовых процентов.

Тем самым температура формирования первичного расплавленного шлака может регулироваться до наиболее низкой температуры в соответствии с композиционными составами и содержанием шлакообразующих компонентов в сырьевых материалах, использованных в этом технологическом процессе, когда ход восстановления контролируется в плане обеспечения степени металлизации источника оксида железа, то есть количества остаточного оксида железа, так, чтобы вышеупомянутое остаточное количество оксида железа соответствовало вышеназванному заданному композиционному отношению (то есть уровню содержания, при котором получается состав шлака, соответствующий заданной концентрации углерода).

Фиг.5 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между концентрацией оксида железа (FeO) в шлаке и температурой формирования первичного расплавленного шлака (и температурой начала выделения газообразного монооксида углерода СО), который был получен, когда массовое отношение CaO/SiO₂ в шлаке поддерживалось постоянным при значении 0,38. Как показано на фигуре, по мере повышения содержания FeO в шлаке температура формирования первичного расплавленного шлака (температура расплавления шлака) снижается, и в дополнение, температура начала выделения газообразного СО также снижается, причем выделение газообразного СО вызывается восстановлением расплавленного оксида железа (FeO).

Фиг.6 представляет собой график, показывающий результат эксперимента, подобного описанному выше, за исключением того, что массовое соотношение CaO/SiO₂ в шлаке было изменено на значение 0,92, и хотя состав шлака изменился, тенденция к снижению температуры формирования первичного расплавленного шлак