本公開內(nèi)容涉及直接還原鐵球團(tuán)和這樣的球團(tuán)的用途。更具體地，本公開內(nèi)容涉及如獨(dú)立權(quán)利要求的介紹部分中所限定的直接還原鐵球團(tuán)和這樣的球團(tuán)的用途。

背景技術(shù)：

1、鋼是世界上最重要的工程和建筑材料。在現(xiàn)代世界中，難以找到任何不包含鋼或不依賴鋼來進(jìn)行其制造和/或運(yùn)輸?shù)奈矬w。以這種方式，鋼復(fù)雜地涉及我們現(xiàn)代生活的幾乎每個方面。在2018年，粗鋼的總?cè)虍a(chǎn)量為1810百萬噸，遠(yuǎn)超任何其他金屬，并且預(yù)計(jì)在2050年達(dá)到2800百萬噸，其中50％預(yù)計(jì)源自原鐵來源。

2、直接還原是越來越普遍的對鐵礦石進(jìn)行加工以生產(chǎn)煉鋼所需的粗鐵的方法。在直接還原中，礦石在低于鐵的熔點(diǎn)的溫度下在固態(tài)還原過程中被還原。基于豎爐的直接還原過程利用球團(tuán)狀鐵礦石作為原料并生產(chǎn)多孔的粗鐵產(chǎn)品，所述多孔的粗鐵產(chǎn)品稱為海綿鐵或直接還原鐵(direct?reduced?iron，dri)。

3、大多數(shù)現(xiàn)有的基于豎爐的直接還原設(shè)備是綜合鋼廠的一部分，并且所生產(chǎn)的dri直接現(xiàn)場用于煉鋼。然而，一些dri也被運(yùn)輸?shù)竭b遠(yuǎn)的鋼廠或出售給第三方，并且這樣的dri必須能夠容易地進(jìn)行處理、運(yùn)輸和儲存。隨dri的生產(chǎn)變得更加普遍，dri的這樣的商品用途預(yù)計(jì)增加。例如，鐵礦石生產(chǎn)商lkab近來宣布了這樣的戰(zhàn)略：到21世紀(jì)30年代，他們將從礦石球團(tuán)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向基于氫的海綿鐵生產(chǎn)。

4、由基于豎爐的直接還原設(shè)備生產(chǎn)的冷dri球團(tuán)(cdri)通常不太適合于這樣的目的。由于其高孔隙率、低密度、大表面積和低熱導(dǎo)率，因此其具有經(jīng)歷快速腐蝕和再氧化反應(yīng)的傾向。這些反應(yīng)中許多是放熱的，如果不進(jìn)行控制，則導(dǎo)致自加熱并最終自燃和著火。dri的腐蝕和氧化反應(yīng)還可以產(chǎn)生氫氣(比空氣輕的爆炸性氣體)和一氧化碳(高毒性氣體)。這些問題由于這樣的事實(shí)而加重：dri通常相對弱，并且在處理期間傾向于破碎而產(chǎn)生粉塵和細(xì)屑。dri粉塵傾向于比塊狀dri甚至更具反應(yīng)性，并且具有自熱和引起著火的高傾向。例如，分散在空氣中的dri粉塵可能在閃火或爆炸中點(diǎn)燃。

5、響應(yīng)在運(yùn)輸和處理cdri中的困難而開發(fā)了熱壓塊鐵(hot?briquetted?iron，hbi)。hbi通過在高溫(≥650℃)下將dri壓縮成團(tuán)塊來生產(chǎn)。將dri壓實(shí)成致密的團(tuán)塊增加了其強(qiáng)度并減少了其反應(yīng)表面積，意味著hbi具有低得多的反應(yīng)性，并因此與cdri相比，對于處理和運(yùn)輸而言更安全且更實(shí)用。

6、cdri的處理、運(yùn)輸和儲存的其他相關(guān)注意事項(xiàng)詳述于來自國際鐵金屬協(xié)會(international?iron?metallics?association)的報(bào)告“直接還原鐵(dri)：運(yùn)輸、處理和儲存指南(2022年4月)(direct?reduced?iron(dri):guide?to?shipping,handling?andstorage(april?2022))”中。該報(bào)告特別指出，與鐵氧化物球團(tuán)和許多其他常見的塊狀材料相比，dri相對弱，并且在處理期間傾向于破碎而產(chǎn)生粉塵和細(xì)屑。此外，該報(bào)告指出碳含量(呈鐵碳化物/滲碳體/fe3c的形式)使dri的反應(yīng)性降低。

7、kim和pistorius(kim?g,pistorius?p.c.,“strength?of?direct?reduced?ironfollowing?gas-based?reduction?and?carburization”,metallurgical?and?materialstransactions?b,2020,第51卷，第2628至2641頁)描述了還原氣體組成、還原的程度和滲碳程度對dri球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度的影響的研究。測試了各種工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室還原的dri球團(tuán)。發(fā)現(xiàn)還原氣體中的一氧化碳有助于球團(tuán)強(qiáng)度發(fā)展，這可能是通過在dri中形成“內(nèi)部晶須”。發(fā)現(xiàn)僅使用氫氣(或氫氣和蒸汽的混合物)還原的dri具有差的強(qiáng)度，并且作者得出結(jié)論，在沒有co的情況下生產(chǎn)的球團(tuán)的低強(qiáng)度可能意指較弱的dri可能是將使用基于h2的直接還原的無化石煉鐵工藝的固有特征。

8、仍然需要適合于處理、運(yùn)輸和儲存的直接還原鐵產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到生產(chǎn)適合于處理、運(yùn)輸和儲存的dri的現(xiàn)有技術(shù)方法的許多缺點(diǎn)。如上所述，傳統(tǒng)的冷dri不特別適合于這樣的目的，并且在運(yùn)輸這樣的產(chǎn)品時(shí)必須采取大量的預(yù)防措施。此外，為了將反應(yīng)性降低至可控制的程度，冷dri通常需要在生產(chǎn)之后在受控氣氛中鈍化許多天，這進(jìn)一步增加了過程的費(fèi)用。將dri壓塊以生產(chǎn)hbi有效地解決了反應(yīng)性問題，但代價(jià)是向制造過程增加另外的步驟，這導(dǎo)致另外的費(fèi)用。

2、實(shí)現(xiàn)克服或至少減輕以上提及的缺點(diǎn)中的至少一些的方法將是有利的。特別地，在不需要訴諸于將dri壓塊的另外的費(fèi)用的情況下提供容易適合于處理、運(yùn)輸和儲存的dri產(chǎn)品將是期望的。此外，如果這樣的dri產(chǎn)品可以通過容易適合于連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)并且在環(huán)境上更溫和的方法獲得，則將是期望的。為了更好地解決這些問題中的一者或更多者，提供了具有獨(dú)立權(quán)利要求中限定的特征的直接還原鐵產(chǎn)品。

3、根據(jù)第一方面，提供了直接還原鐵球團(tuán)，其中所述dri球團(tuán)的平均金屬化率大于或等于97％。所述dri球團(tuán)基本上不含碳，或者所述dri球團(tuán)包含小于或等于2重量％的碳。所述dri球團(tuán)的進(jìn)一步特征在于它們：

4、(i)具有大于或等于1.5μm的中值孔徑；

5、和/或

6、(ii)具有小于或等于0.5m2/g的平均bet表面積；

7、和/或

8、(iii)具有小于或等于60％的平均孔隙率。

9、也就是說，所述dri球團(tuán)的進(jìn)一步特征可以在于以下中的任一者：(i)；(ii)；(iii)；(i)和(ii)；(i)和(iii)；(ii)和(iii)；以及(i)、(ii)和(iii)。優(yōu)選地，所述dri球團(tuán)的特征在于至少(i)，即(i)；(i)和(ii)；(i)和(iii)；或者(i)、(ii)和(iii)。

10、這樣的dri球團(tuán)可以通過在工業(yè)直接還原過程中使用氫氣作為還原氣體來獲得。出乎意料地發(fā)現(xiàn)，與使用基于化石的直接還原生產(chǎn)的傳統(tǒng)dri球團(tuán)相比，滿足以上規(guī)格的dri球團(tuán)顯示出優(yōu)異的機(jī)械特性和老化(反應(yīng)性)特性。更具體地，與使用基于化石的還原氣體生產(chǎn)的傳統(tǒng)dri相比，這樣的dri球團(tuán)顯示出更好的冷抗壓強(qiáng)度、更好的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)(tumbling?index)、更慢的環(huán)境老化和更慢的水中加速老化。這樣的dri球團(tuán)在從dr豎爐排出之后可能已經(jīng)具有低反應(yīng)性，并且可能不一定需要任何進(jìn)一步的特定鈍化程序。

11、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)可以具有大于或等于98％的平均金屬化率，例如大于或等于99％的平均金屬化率，例如大于或等于99.5％的平均金屬化率。

12、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)的中值孔徑可以大于或等于2.0μm，例如大于或等于2.5μm。發(fā)現(xiàn)較大的中值孔徑提供了具有降低的反應(yīng)性(即優(yōu)異的老化特性)和改善的強(qiáng)度(即優(yōu)異的機(jī)械特性)的dri球團(tuán)。

13、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)的平均bet表面積可以小于或等于0.4m2/g。低表面積預(yù)計(jì)與dri球團(tuán)的降低的反應(yīng)性相關(guān)。

14、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)的平均孔隙率可以小于或等于58％。低孔隙率預(yù)計(jì)與dri球團(tuán)的降低的反應(yīng)性相關(guān)。這也用于進(jìn)一步將dri球團(tuán)與在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上生產(chǎn)的球團(tuán)區(qū)分開，所述在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上生產(chǎn)的球團(tuán)不適于大規(guī)模生產(chǎn)并且不一定具有相同的有益屬性。dri球團(tuán)的平均孔隙率可以小于或等于56％。

15、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)的平均總鐵含量可以大于或等于94重量％，例如大于或等于96重量％，例如大于或等于98重量％。使用這樣的低殘留dri允許生產(chǎn)低殘留鋼，例如暴露的汽車板，同時(shí)仍然為在熔體中使用較高殘留的廢料提供了大的余地。

16、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)可以包含平均小于或等于3重量％的feo。發(fā)現(xiàn)低的方鐵礦含量與優(yōu)異的機(jī)械特性，具體地高dri抗壓強(qiáng)度相關(guān)。dri球團(tuán)可以包含平均小于或等于2重量％的feo，例如小于或等于1重量％的feo，例如小于或等于0.5重量％的feo。

17、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)可以包含平均小于或等于0.5重量％的fe3o4。發(fā)現(xiàn)低磁鐵礦含量與優(yōu)異的機(jī)械特性，具體地高dri抗壓強(qiáng)度相關(guān)。

18、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)可以通過在逆流直接還原豎爐中，在包含大于90體積％氫的氫氣以及任選的蒸汽和惰性氣體的還原氣體中直接還原而可獲得。還原氣體可以基本上由氫氣以及任選的蒸汽和惰性氣體組成。發(fā)現(xiàn)與使用基于化石的還原氣體例如天然氣或合成氣生產(chǎn)的dri相比，在適當(dāng)條件下在氫氣中的直接還原提供了具有優(yōu)異的機(jī)械特性和老化(反應(yīng)性)特性的dri。

19、根據(jù)一些實(shí)施方案，在直接還原豎爐的還原氣體入口處的還原氣體的溫度可以大于或等于750℃。發(fā)現(xiàn)較高的還原氣體溫度有助于為生產(chǎn)優(yōu)異的高度金屬化的dri提供合適的條件。在直接還原豎爐的還原氣體入口處的還原氣體的溫度可以大于或等于800℃，例如大于或等于850℃，例如大于或等于900℃，例如大于或等于950℃。

20、dri球團(tuán)可以包含小于或等于1.5重量％的碳，例如小于或等于1.0重量％的碳。由于滲碳不是直接還原過程的組成部分，因此可以獨(dú)立于諸如金屬化率的其他特性來控制碳含量。這是一個優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閐ri中的碳通常在隨后的熔化過程期間損失，并因此可能期望提供僅包含隨后的加工步驟嚴(yán)格所需的碳的dri。

21、根據(jù)一些實(shí)施方案，在dri球團(tuán)包含碳的情況下，這樣的球團(tuán)可以通過在直接還原之后在滲碳?xì)怏w中滲碳而可獲得。發(fā)現(xiàn)與在滲碳?xì)怏w中同時(shí)進(jìn)行還原和滲碳(即傳統(tǒng)的基于化石的直接還原)相比，在氫氣中還原之后進(jìn)行滲碳對dri的機(jī)械特性和老化特性無害。在一些情況下，含碳的dri可能是期望的，例如作為通過傳統(tǒng)的基于化石的直接還原生產(chǎn)的dri的即用替代物(drop-in?replacement)。

22、滲碳?xì)怏w可以包含選自以下的氣體或者基本上由選自以下的氣體組成：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、一氧化碳、氫氣、氮?dú)饧捌浣M合，條件是其包含至少5體積％的碳質(zhì)組分，例如至少10體積％，例如至少20體積％，例如至少30體積％。

23、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)的如通過iso?4700:2015方法測量的平均冷抗壓強(qiáng)度可以大于160dan。

24、根據(jù)一些實(shí)施方案，dri球團(tuán)的如通過iso?3271:2015方法測量的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)可以大于或等于96％。轉(zhuǎn)鼓指數(shù)可以大于或等于97％，例如大于或等于98％。

25、根據(jù)一些實(shí)施方案，在環(huán)境溫度下避免沉淀而儲存28天之后，dri球團(tuán)的金屬化率的損失可以小于1％。在這樣的儲存之后，dri球團(tuán)的金屬化率的損失可以小于1％。

26、根據(jù)另一個方面，提供了根據(jù)第一方面的dri球團(tuán)作為用于生產(chǎn)鋼的熔煉爐中的原料的用途。在這樣的用途之前，dri球團(tuán)可以不進(jìn)行壓塊。熔煉爐可以位于距dri球團(tuán)的生產(chǎn)地點(diǎn)至少100千米的距離處。由于與傳統(tǒng)的dri球團(tuán)(類型(b)dri)相比，根據(jù)第一方面的dri具有優(yōu)異的機(jī)械特性和老化特性，因此其非?？蛇\(yùn)輸，而不需要預(yù)先壓塊成hbi(類型(a)dri)。熔煉爐可以位于距dri球團(tuán)的生產(chǎn)地點(diǎn)至少500千米，例如至少1000千米的距離處。在進(jìn)給至熔煉爐之前，dri球團(tuán)可以儲存至少30天的持續(xù)時(shí)間。由于與傳統(tǒng)的dri球團(tuán)(類型(b)dri)相比，根據(jù)第一方面的dri具有優(yōu)異的機(jī)械特性和老化特性，因此其非常可儲存并且方便處理，而不需要預(yù)先壓塊成hbi(類型(a)dri)。在進(jìn)給至熔煉爐之前，dri球團(tuán)可以儲存至少60天的持續(xù)時(shí)間，例如至少90天的持續(xù)時(shí)間，例如至少120天的持續(xù)時(shí)間。

27、根據(jù)以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的另外的目的、優(yōu)點(diǎn)和新特征對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得明顯。