CN101568656A - 采用微波能量对生球团的处理 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于生产含有赤铁矿的铁矿球团的方法和设备。含有磁铁矿的球团暴露于热处理炉中的微波能量，从而在氧化条件下将磁铁矿转化为赤铁矿。

Description

采用微波能量对生球团的处理

技术领域

本发明涉及采用微波能量对含有铁的生球团的处理，以实现磁铁矿到赤铁矿的转变。

本发明尤其但非排他地涉及使用微波能量来加热含有铁的生球团，通过采用微波能量以便于随后对矿石的处理以回收铁。

背景技术

世界上的铁矿石生产主要包括对赤铁矿(Fe₂O₃)的简单切割操作，以生成容易开采并能直接销售的块产品，经过提炼，以使铁含量＞63％Fe。磁铁矿(Fe₃O₄)也是容易获得的铁的来源，但是由于其低的含Fe量(30％-40％Fe)，需要额外的提炼才能生成可销售的产品。

WO03/102250描述了微波能量在处理矿石中的使用，以便于随后的矿石处理，该处理用于从矿石中回收有价值的成分，例如金属。微波能量引起矿石颗粒某些结构形式的改变，但不会显著地改变矿物学性质，也即矿石的成分。该结构改变是由于暴露于微波能量中的矿物颗粒内的矿物的热膨胀不同而引起的，其导致矿物颗粒内形成高应力/应变的区域，进而导致矿物颗粒内的微破裂或其他物理变化。该微破裂提高了随后破碎的易滤性和易感性，以减小颗粒的颗粒尺寸。

发明内容

根据本发明的方法，微波能量被用于提供热量到含有铁的生球团，从而以比通过采用气体燃烧加热器或燃油器加热球团更可控的方式将磁铁矿转化为赤铁矿。而且，采用微波能量引起的加热本质上是即时的，比起使用传统的旋转烘干炉、高炉和炉排烘干炉，极大地减少了处理时间和运行成本。本发明还基于这样的认识，即确保连续的空气流通过旋转烘干炉有利于磁铁矿矿石更加完全地氧化。

根据本发明的一个方面，提供用于生产包含赤铁矿的铁矿球团的方法，其通过将含有磁铁矿的球团在热处理炉中暴露于微波能量，从而在氧化条件下将磁铁矿转化为赤铁矿。

在一种形式中，在将生球团暴露于微波能量之前，生球团含有至少60-80％的磁铁矿。在将生球团暴露于微波能量之前，生球团可以具有小于15mm的主要尺寸，或者在将生球团暴露于微波能量之前，生球团具有大于6mm且小于15mm的主要尺寸。

当该方法还包括在将生球团暴露于微波能量之前筛选生球团以移除细粒的步骤时，产生等离子体的风险得以减小。有利地，在筛选步骤中除去的细粒可以回收，以用于形成供应到造球装置的磁铁矿精矿的一部分。

在一种形式中，该方法还包括在传送器上将生球团传送到热处理装置的入口端，并且将微波处理过的球团从热处理装置的出口端传送到传送器上的步骤。

在一种形式中，生球团是在造球装置中生成的，供应给造球装置的物质包括液体，最好是水，和磁铁矿精矿。为了获得最好的效果，供应到造球装置的磁铁矿精矿中多于百分之五十的颗粒的尺寸小于63微米。

在一种形式中，供应到造球装置的物质还包括粘合剂，而且该粘合剂以3、5或10倍于0.3-15公斤/吨正常剂量率的剂量率添加到造球装置的供应物中。

在一种形式中，该方法还包括在将生球团暴露于热处理装置中的微波能量之前烘干生球团的步骤，并且该烘干的步骤可以包括采用微波能量将生球团加热到小于300摄氏度的温度以排除水分的步骤。

在一种形式中，微波能量用于在热处理装置中将生球团加热到300-1300摄氏度的温度范围。优选地，热处理装置包括结合有波导管并与其协作的微波，该波导管用于控制微波进入到热处理装置的分配。当热处理装置具有进料端和排料端时，该方法可以包括经由波导管供应微波能量到热处理装置的进料端或者排料端的步骤。替换性地，该方法可以包括经由波导管同时供应微波能量到热处理装置的进料端和排料端的步骤。

在一种形式中，微波能量经由第一波导管供应到氧化区，且微波能量经由第二波导管供应到熟化区，而且供应到熟化区的微波能量等级与供应到氧化区的微波能量等级不同。热处理装置的氧化区内的氧化作用可以采用空气或氧气富集作用提高，例如，通过采用喷杆将额外的空气喷射到热处理装置中。

在一种形式中，生球团是多孔的。在一个实施例中，通过添加粗颗粒到造球装置上游的磁铁矿精矿供应物中而提高孔隙率。优选地，磁铁矿精矿供应物包括占总的磁铁矿精矿供应物的3-10％的粗颗粒。

在一种形式中，该方法还包括在磁铁矿氧化为赤铁矿之后熟化球团的步骤，最好在1200-1300摄氏度的温度范围中进行。

在一种形式中，该方法还包括在热处理装置的下游冷却球团和利用冷却球团生成的热气预热或烘干热处理装置上游的生球团的步骤。

根据本发明的第二方面，提供用于生产包含赤铁矿的铁矿球团的设备，其通过将含有磁铁矿的球团暴露于热处理炉中的微波能量，从而在氧化条件下将磁铁矿转化为赤铁矿。

在一种形式中，该设备还包括在将生球团暴露于热处理炉中的微波能量之前筛选生球团以除去细粒的筛选装置。在另一种形式中，该设备还包括用于将生球团传送到热处理装置的入口端的第一传送器和用于传送从热处理装置的出口端出来的微波处理过的球团的第二传送器。

在一种形式中，该设备还包括在将生球团暴露于热处理装置中的微波能量的步骤之前用于烘干生球团的烘干装置。在另一种形式中，该热处理装置还包括结合有波导管并与其协作的微波，该波导管用于控制微波进入到热处理装置的分配。

当热处理装置具有进料端和排料端时，该方法可以包括经由波导管供应微波能量到热处理装置的进料端或者排料端的步骤，或者可以包括经由波导管同时供应微波能量到热处理装置的进料端和排料端的步骤。

在一种形式中，微波能量经由第一波导管供应到氧化区，且微波能量经由第二波导管供应到熟化区，而且供应到熟化区的微波能量等级与供应到氧化区的微波能量等级不同。为提高氧化作用，该设备还可以包括用于将额外的空气或氧气导入热处理装置的氧化区内的喷杆。

根据本发明的第三方面，提供采用本发明第一方面的方法或者本发明第二方面的设备生产的铁矿球团。

附图说明

为便于更详细地理解本发明的特点，下面将通过例子并结合附图详细介绍几个实施例，其中：

图1示例说明本发明的第一实施例的处理流程图；

图2示例说明用于生成磁铁矿精矿的传统采矿方法的处理流程图；

图3是竖直轴式微波炉的侧视图。

具体实施方式

现在描述本发明的优选实施例。这里所使用的术语只用于描述专门的实施例的目的，而不旨在限定本发明的范围。除非另外地限定，这里使用的所有技术和科学术语具有与本发明的本领域技术人员共同理解的含义。在本说明书中，术语“造球”用于指典型地采用水和一种或多种粘合剂将精细的粉末或精矿形成为大的聚集体的过程。在特别的应用场合中，还可以添加熔剂。

术语“固结”用于描述在聚结球团内颗粒的高温粘结。该术语意味着矿物颗粒通过固态机制粘结在一起，而不同于术语“烧结”，“烧结”意味着发生液态粘结。

术语“微波”通常覆盖在300MHz和300GHz之间的电磁频谱部分，其对应于从1m到1mm的波长范围。

现在参考图1描述用于生产铁矿球团的设备10的一个实施例。典型地含有～70％铁的磁铁矿精矿与液体、最好是水一起被供应到造球装置12中，以形成“生球团”。为了获得最好的结果，生球团的水分含量应当在8-15％的范围内，因为过多的水分会由于毛细作用力的减弱而导致更大的、劣质的生球团。供应到造球装置12中的磁铁矿精矿可以包含磁铁矿形式的铁或同时具有磁铁矿和赤铁矿形式的铁，这取决于要被处理的具体的含铁矿石。

供应到造球装置12的磁铁矿精矿可以采用任何合适的方法生产。在图2的处理流程图中，磁铁矿精矿通过采用传统的采矿方法(或者是露天采矿，或者是地下采矿)对含有磁铁矿的矿石进行处理而生成。矿石经受***(步骤200)、压碎(步骤210)和研磨(步骤220)，接着是传统的选矿处理(步骤230)，在本例中为湿的、低密度的磁力选矿，随后是浮游选矿(步骤240)，然后是精矿浓密(步骤250)。精矿浓密之后，磁铁矿精矿被过滤和脱水(步骤260)，生成含8-15％水分的潮湿的磁铁矿精矿产品(步骤270)。供应到造球装置的磁铁矿精矿同样也可以来源于尾矿。

造球装置12的具体类型对于本发明而言并不是关键点，尽管造球装置优选的类型包括圆筒造球机、鼓式造球机、圆盘造球机或锥体造球机。

当鼓式造球机用作造球装置12时，在其内部安装孔网，供应的磁铁矿精矿粘附于孔网上。孔网用于减少内部的滑动，并提供粗的纹理，以用作球形成的初始点。当鼓式造球机旋转时，产生滚球效应，使得生球团形成在孔网上并粘附在孔网上。在孔网上形成的层的厚度采用安装在内部的往复切削条进行控制，当层形成到预定尺寸时，该切削条持续地破碎生球团。

当圆盘造球机用作造球装置时，圆盘造球机包括一个或多个旋转的大直径的平底盘或圆盘，其陡峭地倾斜着，典型地与水平面成45到55度角。造球装置的供应物保持在该旋转圆盘内，直至形成预定尺寸的球。对于相同的生产量，圆盘造球机比鼓式造球机要求有更大的净空高度而更小的地面空间。

供应到造球装置12的磁铁矿精矿的颗粒尺寸对于生成的生球团的尺寸和强度具有直接的影响。为了生产最合适的球团，磁铁矿精矿中最好有多于50％的颗粒的尺寸小于63微米。采用传统采矿和选矿方法生产的大多数磁铁矿精矿典型地包括尺寸远小于63微米的颗粒，这是因为需要有精细的研磨，以释放在一些矿石中的测量成分(SiO₂，S，P，Ca等)。精矿颗粒尺寸与能接受的测量矿物的所需球团规格直接成比例。

能生成两类铁矿球团，即“BF球团”和“DRI球团”，BF球团适合于鼓风炉的供应物，而DRI球团适合于作为直接还原铁炉供应物。典型地，DRI球团的SiO₂含量必须小于1％，在大多数情形下其需要非常精细的研磨(约80％-35微米)。相反，鼓风炉要宽松得多，其允许BF球团小于5.5％的SiO₂含量。当生产的生球团倾向于满足BF球团典型的规格要求时，磁铁矿精矿的颗粒可以采用更合适的更粗的研磨进行生产。

除了供应到造球装置12的液体和磁铁矿精矿，如果需要还可以添加一种或多种粘合剂。粘合剂被添加用于提高生球团的强度，并有助于在生球团的筛选、运输和运动过程中球团的塑性，该运输和运动过程发生在它们从造球装置12运动到下游干燥装置16的时候。粘合剂还有助于干燥后干燥的球团强度的保持。粘合剂可以分为四种一般类型，称为可溶盐、膨润土、无机粘合剂和有机粘合剂(或者天然或者合成的)。对于粘合剂的选择，一部分要取决于是否生成BF或者DRI球团。商业上可获得的高级膨润土典型地含有20-65％之间的SiO₂。从而膨润土最好作为BF球团生产的粘合剂。合适的粘合剂的例子包括Carbocel 3V(由Lamberti生产)、Alcotac(由Ciba-Geigy生产)或者Peridur(由Akzo Nobel生产)。膨润土添加比率随着磁铁矿精矿供应的颗粒尺寸和膨润土的等级而改变，膨润土添加比率通常在5-15公斤/吨之间。

有机粘合剂用于更加有选择性的DRI球团市场，其中减少的SiO₂认为是有利的。有机粘合剂，尽管更加昂贵、在加热/固结过程中燃烧、从而产生多孔球团，然而有助于在下游钢铁制造过程中球团的氧化、减少球团的不纯度(SiO₂，S，P)并提高还原性。类似地，有机粘合剂用量比率也随着精矿等级、所需的球团规格而改变，商业上的添加比率约为传统高级膨润土用量比率的1/10，也即0.03-0.1％或者0.3-1公斤/吨。

仅仅采用粘合剂添加物生产的球团称为“酸”球团，其用于中和装入到鼓风炉的烧结细粒的碱性。除了粘合剂，还可以添加一种或多种熔剂到磁铁矿精矿，以生成所谓的“碱”球团。碱球团主要用于DRI炉，以助于炉渣的形成和耐高温寿命。合适的熔剂的例子包括氢化钙、白云石和石灰石。

造球装置12的下游是筛选装置14，其用于控制生球团的尺寸，该生球团供应到烘干装置16进行下一级处理。供应到烘干装置16的生球团的优选尺寸在6-15mm的范围内。该筛选装置14用于除去细粒，这些细粒被循环用于形成供应到造球装置12的磁铁矿精矿的一部分。可以采用任何合适的筛选装置，例如一个或多个滚筒筛、振动筛或者并联或串联设置的独立滚轴筛。为了获得最好的效果，生球团在造球装置12和烘干装置(如下所述)之间最好受到最少的处理，以使生球团破碎和过多细粒生成的风险最小。为了便于生球团在尺寸筛14上有更加均匀的分布，造球装置或造球鼓12提供有排放流道18，其最好设置为螺旋结构，以使生球团更均匀更平缓地分布在筛选装置14的筛子上。

筛选过的生球团在烘干装置16中的烘干是在中等温度下进行的，温度范围在环境温度到300摄氏度之间，以便于除去水分。烘干最好采用逐渐增加的温度，从而防止球团破碎、“芯壳分离”现象(过快地烘干时)或者球团结构全面弱化的危险。本发明部分地基于这样的事实，即在烘干和固结过程中的传热率会影响最终的球团质量和强度。控制传热率对于确保球团不通过结构破碎而弱化是重要的。如果生球团烘干得太快，过多的水分蒸发/排出将增加球团的变形，也即破碎、***和破裂。烘干阶段典型地具有2-15分钟的停留时间，这依赖于使用的烘干装置的容量和类型、生球团的含水量和球团成分。该烘干装置16可以是任何合适的加热设备，例如旋转烘干炉、固定床或流动床的烘干器或高炉或炉烘干器。

在本发明的一个实施例中，烘干装置16采用微波来实现生球团的充分加热以驱除水分。为此，具有连续带的微波烘干装置是非常适合的。传统的烘干装置通过将热的燃烧气体从被烘干的球团当中通过或在其上面通过的方式实现烘干，也即热从外表面传送通到内部。相反，微波烘干装置依赖于导入到球团体积/质量中的微波能量，其中，穿透深度是微波波长的函数。

微波能量可以单独使用，或者与热的燃烧气体结合使用，以实现生球团的烘干。烘干区域的长度、在烘干装置16中的停留时间和热气体(如果使用)的流速以及微波强度可以选择，以确保生球团在下游的固结阶段之前被彻底地烘干。“彻底地烘干”并不意味着100％地排除任何水分，而是指球团基本没有水分。由于固结是在高温(300-1300摄氏度)下进行的，在烘干阶段基本排除生球团中的所有水分是重要的，这减轻了球团在随后的预热和固结阶段过程中破碎或过度膨胀的风险。有利地，在烘干处理过程中，在进入到下游发生固结的热处理装置20之前，生球团在烘干装置16中得以有效地预热到环境温度之上。该预热减小了对热处理装置20的能量需求。

来自烘干装置16的烘干了的球团然后在热处理装置20中进行固结，该热处理装置处于氧化气氛中，并在300-1300摄氏度的温度范围内。对于给定类型的生球团，固结温度比在热处理装置20中的温度下实际的停留时间更为重要。固结在热处理装置20内的两个区即氧化区22和熟化区24内进行。为了获得最好的效果，供应到热处理装置20中的烘干了的球团在氧化和熟化过程中需要受到搅动，最好是翻滚，以提高反应动力性能，并确保球团更加均匀地暴露于热处理装置20中的氧化气氛，从而使磁铁矿更加完全地转化为赤铁矿。合适的热处理装置包括旋转烘干炉、垂直高炉、直炉排炉、炉排烘干炉或者流化床炉。对于炉排炉，固结时间在4-5分钟，而在高炉中，时间将达到2小时。由于增加的停留时间(该时间基于供应速度、旋转速度、烘干炉的角度和能量输入等容易地确定)，最好采用旋转烘干炉，从而优化氧化和熟化过程。

在采用本发明的处理方法时，用于实现固结的至少一部分热量是单独通过微波能量提供，或者采用微波能量与传统加热源结合而提供，这些传统加热源例如是天然气或柴油/油燃烧器，或者以煤和焦煤加热作为替代。为便于微波能量传送到热处理装置20，采用外部微波30与波导管32协作的方式，该波导管用于控制进入到热处理装置20的微波能量的分配。外部微波30可以均等地包括多个微波单元，每个单元传送由相应的多个磁控管生成的微波能量，并经由一个或多个波导管32引导进入热处理装置20。

参见图1，该热处理装置20是具有进料端26和排料端28的旋转烘干炉。该旋转烘干炉20具有倾斜角度，以促使球团从进料端26运动到排料端28。氧化区22朝向旋转烘干炉20的进料端26定位。熟化区24朝向旋转烘干炉20的排料端28定位。来自微波30的微波能量经由设置用于引导微波能量的波导管32供应到采用微波能量的加热最有效的进料端26或排料端28或者二者中。这样，供应到氧化区22和熟化区24的微波能量的水平可以相同，也可以不同。同样可以采用的是，多个微波设置在相应的多个不同位置，每个提供有单个的波导管。

热处理装置20在反馈环上设有温度传感器34，以助于控制通过波导管32分配到炉20的微波能量。微波能量向热处理装置20的分配率是多个相关变量的函数，包括但是不限于，热处理装置20的容量、球团的添加率和用于完全氧化和熟化的能量需求。

为进一步便于采用微波能量加热烘干的球团，热处理装置20的内衬由不吸收微波同时能够经受固结热的材料构建。NASA为航天飞机开发的专门的陶瓷，其具有不吸收微波的属性，如同材料科学领域所已知的金属合金，适合于阻止微波的吸收。

根据如下的放热反应，即4Fe₃O₄+2O₂-＞6Fe₂O₃，在热处理装置20的氧化区22中，球团中的磁铁矿氧化为赤铁矿。

可以理解的是，当氧化区22内的温度提高到400摄氏度以上时开始氧化。更高的温度将提高氧化率和随后在熟化过程中发生在球团的矿物颗粒之间的颗粒间桥接。氧化区22中不完全的氧化导致不均匀的磁铁矿和赤铁矿球团成分，这导致球团的破碎强度减弱，而在氧化完全的情况下，是可以实现强的破碎强度的。

为促进在固化过程中发生完全的氧化，必须在氧化区22中获得充足的空气/氧气，从而使磁铁矿基本完全地氧化为赤铁矿。经由一个或多个设置用于喷射氧气或空气进入到热处理装置20的氧化区22的喷杆40加浓空气，可以提高氧化效果。通过确保在热处理装置20的氧化区22内有一个增加的富含空气/氧气的环境，可以促进空气扩散到球团内。

为促进空气在球团内的扩散，球团呈多孔状是十分有利的。在本发明的一个实施例中，球团的孔隙率通过在造球装置12的上游将粗的颗粒(磁铁矿、赤铁矿、硅石等)添加到赤铁矿精矿供应物中而提高。这样做的目的在于提高可用气体在球团内部的渗透能力。添加的粗颗粒的体积可以改变，当粗颗粒的体积在3％-10％的范围中时，可以获得最好的效果。

替换性地或附加地，球团的孔隙率可以通过添加超过“正常”剂量率的粘合剂而提高。对于膨润土，正常的剂量率典型地是5-15公斤/吨。对于有机粘合剂，正常的剂量率典型地是0.3-1公斤/吨。通过添加3倍、5倍和10倍于正常剂量率的超额的粘合剂添加物可以最好地提高球团的孔隙率。

固结过程中经历的传热率将影响最终球团的质量和强度。氧化区22中太快的预热率将导致劣质的球团，因为球团外表面的烧结将导致产生外壳或半不渗透层(所谓的“芯壳效应”)，这严重地限制氧气扩散进入球团的中心。这样生成的球团显示出硬壳和软芯结构，导致差的整体物理强度。在氧化区，球团产生足够的强度，以对抗在熟化区内滚转动作可能会导致发生的破损和破碎。

控制传热率以确保球团不因为结构破裂而变弱，这也是重要的。如果生球团烘干或加热得太快，水分的过度蒸发/排出将增加球团的变形，也即破碎、***和破裂。采用烧油或气装置的传统的预热从外壳到内部地加热球团。采用本发明的热处理装置20，由于微波的固有属性，热/能从球团中心传送到外部。这减小了结构破碎的风险。

在氧化区22进行预热之后，平均温度在800-1000摄氏度的球团被供应或传送到热处理装置20的熟化区24。该熟化区24运行在1200-1300摄氏度的最优温度范围内。由于赤铁矿颗粒大范围的颗粒间桥接，在球团内的固态粘合发生在熟化区中。这样，球团内的颗粒尺寸和尺寸分布对于熟化球团的最终强度是重要的因素。

在本例中，熟化之后，通过在传送器上传送，球团从热处理装置20进入冷却区48，周围空气吹过所述冷却区48。在冷却区48生成的热气体被循环用于在烘干装置16中烘干生球团或用于预热供应到热处理装置20的烘干了的球团。这用于提供最优的能量利用。冷却之后，熟化了的球团被存储以运走，如供应到鼓风炉或直接还原炉。硬的、熟化了的球团的直径约为10-16mm。烘干、固结和冷却周期大约用去20-45分钟，这依赖于如下这些相关参数，例如磁铁矿供应源的成分和性质、运行参数和设备选择。

在如图3所示的本发明的另一个实施例中，该热处理装置20是具有竖直壳50(圆形或矩形)的竖直轴微波高炉。在使用中，生球团通过流道52供应并放置于竖直轴微波高炉20内的床54的顶部。球团以每分钟12-35cm的速度向下通过炉。来自微波30的热经由波导管32供应到炉20中，该热或者是单独的，或者是与来自位于竖直轴微波高炉20的外周边的燃烧腔58的热结合。在本例中，氧化区22朝向竖直轴微波高炉20的上部定位，而熟化区24朝向竖直轴微波高炉20的下部定位。冷却气体通过竖直轴微波高炉20的基底60泵入以冷却熟化了的球团。泵进竖直轴微波高炉20的空气从球团中吸热，该热空气可以用于预热通过流道52供应到炉20中的烘干了的球团。

通过本发明不同实施例生成的、用来提供良好的可运送的产品和优良的炉供应物的球团的优选的规格包括：

●约68％Fe，

●球团直径尺寸接近6-15mm；

●细粒(＜1.5mm)被除去并不超过装运产品的1-2％。

●良好的抗侵蚀性，孔隙率约为20-35％。

●处理、运输和运送过程中良好的抗破碎性。

●评估以确定对抗性，包括下落测试、滚转测试和压缩测试。

●均匀高级的化学成分；形成氧化物(氧化硅、氧化铝、氧化钙)的矿渣需维持在合同条款的0.2％内。

●磁铁矿完全氧化为赤铁矿，

●在炉中良好的还原性，

●还原/固化过程中抗膨胀和分解性(CaO-SiO₂比率很重要)。

为便于对本发明方法的更好的理解，提供下面非限制性的例子。可以期待的是，本领域技术人员能够在不脱离本发明范围的情况下发明其他方法。所有这样的变形认为是在本发明的范围之内，下面的例子只旨在示例。在方法最后的球团强度测量采用压缩测试单元进行，典型地为Instron^R(Instron Corporation的注册商标)压缩单元，其具有10kN或以上的加载能力，采用平坦的平行的压缩压板和10mm/min-20mm/min的速度设置。熟化之后，球团强度必须最小为1780N(178kgf)，以满足可接受的平均的、世界公认的球团规格(其在200-300kgf)。

例1：成批试验

实验室规模尺寸的1米直径的圆盘造球机用于生球团的生产。该圆盘造球机在与水平面成45度圆盘角上以约30rpm的速度运行。生球团借助不同的粘合剂类型(即膨润土和由所有者为Carbocel的Lamberti生产的有机粘合剂)生成。该有机粘合剂是优选的，因为膨润土的氧化硅含量(29-52％)太高，因为其增加了整个球团的SiO₂含量，进而降低铁的等级。采用有机粘合剂的另外的优点在其在加热熟化处理过程中能够减少，从而生成多孔球团，多孔球团适于DRI或鼓风炉应用，并有助于在微波处理中氧化。

对生球团进行筛选以除去细粒并且用手来确定尺寸(＞15mm的球团返回作为供应材料)。对选中的球团进行下落试验，在球团破碎之前的平均下落次数平均为可接受的2-4次。

采用在传统的220V/15A电源下操作的2.45GHz可变输入1.3kW微波炉在“生”磁铁矿球团上进行成批微波试验。

每次采用5-8个球团进行试验，并改变如下参数：

●温度变量

●微波加热持续时间

●空气喷射(喷杆)

●磁铁矿等级和尺寸

●粘合剂添加率和类型

●马弗炉与微波加热装置的比较

为了成批试验目的，四个不同商业等级的磁铁矿精矿结合两种粘合剂进行测试。磁铁矿精矿的属性如下面的表1所列：

表1

球团强度采用Instron压缩测试单元确定。球团的强度随着采用喷杆供应到炉内的空气的添加而提高。强度还通过添加过量的Carbocel粘合剂(10倍于0.04公斤/吨的正常的添加量)而提高，其导致更多孔的球团，氧气通过其进行扩散。

低到中等的烘干温度在减少内芯和外层的“洋葱”效应中是有利的，这在球团快速烘干和预热时更加有利。球团受到高的微波能量的持续时间是控制球团最终强度的重要因素。平均5-10分钟的时间发现可以用于提供充足的最终强度。

根据多个如下面的表2所列的不同变量，压缩试验结果具有0.4-3.5kN的可观改变：

表2

能量源	磁铁矿/粘合剂	测试细节	压缩强度范围[kN]
				2.45GHz微波	UM超细+膨润土	快速烘干、1200摄氏度下加热约5-10分钟	0.4-4.1
2.45GHz微波	UM超细+膨润土	中度烘干、1000摄氏度下预热2分钟，在1200摄氏度下加热3分钟(用喷杆添加空气)	0.8-4.1(平均1.86)
				2.45GHz微波	UM中等&TM细(膨润土&Carbocel的混合)	1000摄氏度下加热5分钟、1200摄氏度下加热10分钟	0.5-2.25
2.45GHz微波	UM细+Carbocel	缓慢烘干、预热、1000摄氏度下持续10分钟	平均1.72
				马弗炉	TM细+CarbocelTM细+膨润土	2小时加热到950摄氏度并且保持15分钟/1小时加热到1200摄氏度并且保持20分钟	平均5.5
2.45GHz微波	TM细+过量的Carbocel(10倍)	缓慢烘干接着在1000摄氏度下加热5分钟并且在1200摄氏度下加热5分钟	平均2.8

从表2可以推出，利用下面多个因素的结合能够有利地实现＞2kN的所需的压缩强度：

●缓慢的烘干和预热阶段

●延长在微波场内温度下的时间，即在所需的温度下5-10分钟

●通过空气喷杆在炉腔内的空气喷射

添加过度的Carbocel粘合剂以生成更多孔的球团，从而提高磁铁矿到赤铁矿的转化。

例2：连续试验

旋转烘干炉用于连续试验，采用100mm内部旋转烘干炉管，约1.5米长，在可变速度驱动下，和6个内部8mm×8mm的提升器。该烘干炉管由不锈钢/镍合金制成，以经受高温(约1150摄氏度)，带有外部覆层，以实现热回收。该旋转烘干炉具有可调节的烘干炉角度，微波节流口结合在供应和排料端，以限制微波辐射。烘干炉的供应和排料端采用外部轴承装置支撑并引导。供应到炉中的微波能量采用5Kw、2.45GHz的微波发生器，微波经由铝波导管(62mm宽×30mm高)引入到烘干炉内。波导管设置以允许选择从进料端或排料端或从这二端将微波引入到烘干炉中。烘干炉进一步装备有可变速的振动供应器，用于球团通过氧化硅玻璃管供应到炉内。试验在大约3rpm的名义烘干炉速度下进行。

生球团首先成批地在微波中烘干，并放置到振动供应器中。随着烘干炉的旋转开始供应，从而放置“载荷”在烘干炉内，在那里可以吸收微波。微波能量然后随着输入能量引入，调节到约2kW。随着非常快地形成热区，球团非常快速的内部加热是明显的。在加热该热区时，等离子体开始形成(等离子体主要由高的电场引起)。等离子体的形成需要避免，因为其减少了可用于加热的微波能量，并可能导致对微波发生器潜在的损坏。需要注意的是，大多数等离子体是由于非常精细的尘土/细粒进入到氧化硅管中并与波导管中间的微波直接接触而引起的。

可通过如下方式减轻等离子体的形成：减少场中的细粒、在连续的ON/OFF循环中提供微波能量、增加炉腔容量或者提高炉中的供应载荷。更大直径的烘干炉减少等离子体形成效应，并有助于提高微波能量进入烘干炉中专门区域内的利用，从而提供调节氧化区和熟化区尺寸的灵活性。将波导管***到烘干炉管(进料端和排料端都有)策略性地提高了目标微波能量的输入。将等离子体保护装置(例如石英窗)安装到波导管中也有利于磁电管的保护。

试验通过旋转烘干炉并添加4.5kW的微波而继续。球团的加热是明显的，因为一些球团发红。这在一开始时认为是问题，因为球团显现为不均匀地加热，但是在较长的持续运行中，一旦烘干炉自身达到运行温度，这可以被克服，其时球团和烘干炉壳之间的热传送是相等的。一旦床达到可视的热、发红状态，等离子体形成，并引起最小可获得的能量输入的直接负效应。

从上面例1和2的测试结果证明从磁铁矿精矿形成的球团容易地快速吸收经由放热反应产生的微波能量和热，该放热反应在存在氧气下引起，以促进磁铁矿在热条件下转化为赤铁矿(氧化反应)。下面的多个成批试验、压碎试验在微波熟化磁铁矿球团上进行，采用的是如在ISO4700的“铁矿球团——压碎强度的确定”中概括的国际标准方法。试验的球团具有＞2kN每球团的压缩结果，这被认为是用于出口质量球团的可接受的规格基准。

至此已经详细描述了本发明的优选实施例，本发明相对于现有技术具有多个优点，包括如下：

a)以微波技术代替传统的气/油燃烧应用用于铁球团的熟化，使生产单元小型化、模块化、紧凑化，并且具有改进的质量&运行控制及减少的气体散发；和

b)其中的热回收和利用的增加具有减少整个能量消耗的潜力，对于炉排烘干炉***，整个能量消耗＜20kWh/吨，对于直炉排***，整个能量消耗＜35kWh/吨，通过采用微波技术，这将得以再次减少。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离基本的发明概念的情况下可以有许多的变形和改变。例如，基本水平的直炉排微波炉可以与连续运行的炉排一起使用，在该炉排上放置生球团床。在本例中，炉排通过氧化区，或者只采用微波能量或者与生自热气体的热结合加热球团，所述热气体被泵送通过球团床。氧化了的球团然后通过进入熟化区。在熟化之后，球团得以冷却。类似地，可以使用炉排/烘干炉，其包括连续运动的炉排，随后是旋转烘干炉装置。熟化了的球团在隔开的环形冷却器中冷却，而热气传送到烘干/预热部用于废热利用。旋转烘干炉的采用是有利的，因为其在基本均匀的温度下提供连续的混合，从而形成高质量的球团。所有这样的变形和改变都认为是在本发明的范围之内的，其性质可以从前面的说明和后面的权利要求中确定。

可以清楚理解的是，尽管这里参考了一个和多个现有技术公开出版物，但是这种参考并不等于承认任何这些文件形成在领域一般公知常识的一部分，无论是在澳大利亚或在任何其他国家均是如此。在本发明中，在说明书和随后的权利要求中，除非上下文基于表达语言或必要的暗示要求，否则词语“包括”或其变形，例如“包含”或“含有”，用于包含的理解，也即说明所陈述的特征的存在，但是不排除在本发明不同实施例中其他特征的存在。

Claims (37)

1、一种用于生产包含赤铁矿的铁矿球团的方法，其通过将含有磁铁矿的球团暴露于热处理炉中的微波能量而在氧化条件下将磁铁矿转化为赤铁矿。

2、根据权利要求1所述的方法，其中生球团在暴露于微波能量之前含有至少60-80％的磁铁矿。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其中生球团在暴露于微波能量之前具有小于15mm的主要尺寸。

4、根据权利要求1或2所述的方法，其中生球团在暴露于微波能量之前具有大于6mm且小于15mm的主要尺寸。

5、根据权利要求1-4中任一项所述的方法，还包括在将生球团暴露于微波能量之前筛选生球团以除去细粒的筛选步骤。

6、根据权利要求5所述的方法，其中在筛选步骤中除去的所述细粒被回收以形成供应到造球装置的磁铁矿精矿的一部分。

7、根据权利要求1-6中任一项所述的方法，还包括在一传送器上将生球团传送到热处理装置的入口端，并且将微波处理过的球团从热处理装置的出口端传送到一传送器上的步骤。

8、根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中生球团是在造球装置中生成的，并且供应至造球装置的供应物包括液体和磁铁矿精矿。

9、根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中供应至造球装置的磁铁矿精矿中多于百分之五十的颗粒的尺寸小于63微米。

10、根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中供应至造球装置的供应物还包括粘合剂，而且该粘合剂以0.3-15公斤/吨的剂量率添加到供应至造球装置的供应物中。

11、根据权利要求1-10中任一项所述的方法，还包括在将生球团暴露于热处理装置中的微波能量之前烘干生球团的烘干步骤。

12、根据权利要求11所述的方法，其中烘干步骤包括采用微波能量将生球团加热到小于300摄氏度的温度以排除水分的步骤。

13、根据权利要求12所述的方法，其中使用微波能量将热处理装置中的生球团加热到300-1300摄氏度的温度范围。

14、根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述热处理装置包括结合有波导管并与其协作的微波，该波导管用于控制微波进入到热处理装置的分配。

15、根据权利要求14所述的方法，其中所述热处理装置具有进料端和排料端，并且该方法包括经由波导管供应微波能量到热处理装置的进料端或者排料端的步骤。

16、根据权利要求14所述的方法，其中所述热处理装置具有进料端和排料端，并且该方法包括经由波导管供应微波能量到热处理装置的进料端和排料端的步骤。

17、根据权利要求1-16中任一项所述的方法，其中经由第一波导管将微波能量供应到氧化区，且经由第二波导管将微波能量供应到熟化区，而且供应到熟化区的微波能量等级与供应到氧化区的微波能量等级不同。

18、根据权利要求1-17中任一项所述的方法，还包括采用空气或氧气富集作用来增强热处理装置的氧化区内的氧化作用的步骤。

19、根据权利要求18所述的方法，其中通过采用喷杆将额外的空气添加到热处理装置中而增强氧化作用。

20、根据权利要求1-19中任一项所述的方法，其中生球团是多孔的。

21、根据权利要求1-20中任一项所述的方法，还包括在造球装置上游添加粗颗粒到所供应的磁铁矿精矿的步骤。

22、根据权利要求1-21中任一项所述的方法，其中所供应的磁铁矿精矿包括占总的所供应的磁铁矿精矿的3-10％的粗颗粒。

23、根据权利要求1-22中任一项所述的方法，还包括在磁铁矿氧化为赤铁矿之后熟化球团的熟化步骤。

24、根据权利要求1-23中任一项所述的方法，其中熟化步骤在1200-1300摄氏度的温度范围中进行。

25、根据权利要求1-24中任一项所述的方法，还包括在热处理装置的下游冷却球团和利用冷却球团所生成的热气体预热或烘干热处理装置上游的生球团的步骤。

26、一种用于生产包含赤铁矿的铁矿球团的设备，其通过将含有磁铁矿的球团暴露于热处理炉中的微波能量而在氧化条件下将磁铁矿转化为赤铁矿。

27、根据权利要求26所述的设备，还包括在将生球团暴露于热处理炉中的微波能量之前筛选生球团以除去细粒的筛选装置。

28、根据权利要求26或27所述的设备，还包括用于将生球团传送到热处理装置的入口端的第一传送器和用于从热处理装置的出口端传送微波处理过的球团的第二传送器。

29、根据权利要求26-28中任一项所述的设备，还包括用于在将生球团暴露于热处理装置中的微波能量的步骤之前烘干生球团的烘干装置。

30、根据权利要求26-29中任一项所述的设备，其中所述热处理装置包括结合有波导管并与其协作的微波，该波导管用于控制微波进入到热处理装置的分配。

31、根据权利要求30所述的设备，其中所述热处理装置具有进料端和排料端，并且该方法包括经由波导管供应微波能量到热处理装置的进料端或者排料端的步骤。

32、根据权利要求30所述的设备，其中所述热处理装置具有进料端和排料端，并且该方法包括经由波导管供应微波能量到热处理装置的进料端和排料端的步骤。

33、根据权利要求26-30中任一项所述的设备，其中微波能量经由第一波导管供应到氧化区，且微波能量经由第二波导管供应到熟化区，而且供应到熟化区的微波能量等级与供应到氧化区的微波能量等级不同。

34、根据权利要求26-33中任一项所述的设备，还包括采用空气或氧气富集作用来提高热处理装置的氧化区内的氧化作用的喷杆。

35、采用权利要求1-25中任一方法或者权利要求26-34中任一设备生产的铁矿球团。

36、用于生产铁矿球团的方法，该方法基本如在这里参考附图所述并如附图中所示。

37、用于生产铁矿球团的设备，该设备基本如在这里参考附图所述并如附图中所示。

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