本發明涉及一種熔煉（smelting）含金屬原料的方法。更具體地，本發明涉及一種產生顯著降低的碳排放的熔煉含金屬原料的方法。

背景技術：

1、在現有技術中，電弧爐（electric?arc?furnaces，eaf）通常用于熔煉直接還原鐵（direct?reduced?iron，dri），由于使用了高導電性的廢鋼和dri，所以加入泡沫渣以覆蓋電弧。

2、在這方面，us?5,611,838公開了一種方法，該方法包括在開放式直流電弧爐（electric?arc?open?bath?direct?current?furnace）中利用泡沫渣和中空電極來熔煉廢料（scrap）和dri鋼。該方法使用噴槍（lances）穿過爐殼進行氧氣噴射。然而，該方法無法將低品味（low-grade）材料供給至eaf中，在這種情況下，由于eaf內形成氧化環境，導致目標金屬的回收率較低，且產生過量的爐渣。

3、wo?99/36581公開了一種雙爐系統，其包括用于初步還原礦石的窯以及隨后進行熔煉的eaf，其旨在優化預還原和熔煉之間的相互作用。前述的公開文件通過采用轉底爐解決了預還原階段，從而使得預還原和熔煉能夠在兩個不同的處理單元中進行。該系統包括將含有礦石和還原劑的球團（pellets）從預還原爐轉移到熔煉爐。此外，還提供了連接外殼，用于連接這兩個處理單元。然而，采用兩個不同的單元進行預還原和熔煉，會對工藝過程中的能量保持產生不利影響。因此，需要向熔煉爐輸入更多的電能，進而導致操作成本更高、效率降低，并對環境產生負面影響。

4、us2021/301359解決了直接還原鐵(dri)熔化步驟與dri生產步驟的集成。與wo99/36581類似，其教導了用于還原和熔化的兩種不同的處理單元，由dri熔化爐和直接還原豎式爐組成。排料槽將豎式爐的排料出口連接至dri熔爐的入口。該槽同時輸送dri和來自豎式爐的還原氣體，其中還原氣體在控制熔爐氣氛以維持還原環境方面起著關鍵作用。值得注意的是，還原氣體由上游工藝產生，然后被引入eaf中。此外，該文件還教導了使用螺旋給料機或旋轉給料機來調節dri進入熔爐的進料速率，其中所述熔爐接受的是高品味原料。還采用節流進料排放方式，以便根據dri熔爐內的休止角形成料堆（piles）。

5、wo2023/281153教導了一種鐵處理方法，其中將來自dri裝置的還原氣體引入eaf中，以控制熔爐氣氛。該方法重點在于先降低磷含量和脫硫，然后再將中間鐵產物引入鋼轉化單元。盡管該方法生產得到高碳含量的產物，但終產物中1%-4%的高碳含量通常伴隨著較高含量的硅，使得終產物不太理想，因為這種終產物可以視為冷料。由于終產物溫度低且硅含量高，下游工藝必須額外補充能量和/或進行精煉，才能進一步處理從熔爐獲得的產物。因此，有必要最小化終產物中的硅含量，以利于下游工藝的進行。

6、最值得注意的是，us5,611,838、wo99/36581和us2021/301359的方法均采用eaf來完成熔煉過程。最明顯的是，eaf在氧化環境中運行，并利用泡沫渣來實現直接還原鐵的還原，而這自然也意味著一些目標金屬以氧化物的形式存在。此外，eaf適合間歇式運行，需要定期更換爐襯耐火材料，而這往往導致生產中斷、維護頻繁以及維護成本增加。此外，eaf的另一個缺點是它只能接受高品味原料。當將低品味原料加入到eaf中時，會產生過量爐渣產物，導致回收率低，使得eaf難以適應進料礦石質量參差不齊的情況。

7、因此，已知的工藝路線在使用低品味原料時，既不能展現出高效率的產出，也不能實現減少的碳排放。鑒于這些挑戰，迫切需要創新的熔煉技術，可以高效處理更廣泛的材料質量，減少環境足跡，減少對下游深加工的依賴，且能夠連續運行。

8、出于本說明書的目的，應當理解，以下首字母縮略詞與以下引用的短語同義。

9、

10、發明目的

11、因此，本發明的目的是提供一種熔煉含金屬原料的新方法，該方法至少部分克服上述缺點和局限，和/或為現有技術提供一種有用的替代方案，從而在使用低品味原料時，能顯著降低碳足跡并實現高效率產出。

技術實現思路

1、根據本發明的第一方面，提供了一種熔煉含金屬原料的方法，所述方法包括以下步驟：

2、(i)?通過從外圍至側壁或從外圍至電極供給含金屬原料，將含金屬原料、還原劑和助熔劑（fluxes）供給至開放式爐（obf）中，其中所述obf可以在開弧模式（短開弧和長開弧控制模式）、刷弧模式及埋弧（immersed?arc）模式下運行，其中在從外圍至側壁的供給過程中，形成至少一個料堆排列；

3、(ii)?在1400℃-1800℃的溫度下，在obf中加熱含金屬原料，充分熔煉含金屬原料，從而形成液態金屬產物、液態爐渣產物以及含co氣體；

4、(iii)?通過將碳源引入obf中，對金屬產物進行滲碳；和

5、(iv)確保含金屬原料、還原劑和助熔劑持續供給至obf中，以維持在從外圍至側壁的供給過程中所形成的至少一個料堆排列；

6、其中，所述液態金屬產物的碳含量高于4.0%（m/m%），硅含量低于1.5%（m/m%）。

7、本發明所述的含金屬原料為含鐵原料。

8、在本文中，“熔煉”應理解為從含鐵原料中提取鐵的過程。

9、在本文中，“料堆”應理解為一種材料疊放在另一材料的頂部，并基本垂直地堆疊形成的集合體。

10、應當理解，所述含鐵原料可以是任何材料，例如礦石、廢料、精礦或這些材料的任意組合，所述材料或所述材料的組合包含金屬鐵(fe)或含金屬鐵(fe)的化合物。

11、含鐵原料可以是預還原鐵原料。

12、本發明所述的預還原鐵原料是預還原鐵礦石。

13、所述預還原鐵礦石可以選自由熱壓鐵(hot?briquetted?iron，hbi)、冷dri（cdri）和熱dri（hdri）組成的組。

14、在本發明的實施方式中，所述預還原鐵礦石可以為缺碳或無碳的hbi、cdri或hdri。應當理解，所述預還原鐵礦石可以為低鐵品味的hbi、cdri或hdri。

15、在本發明的其它實施方案中，所述預還原鐵礦石可以包括回收的廢料。

16、本發明也可采用100%氫氣生產低品味hbi或冷dri或熱dri，從而進一步降低co2足跡。應當理解，采用100%氫氣生產的hbi或dri的碳含量極低甚至為0%。

17、應當理解，當hdri不可獲得時，本發明可在惰性氣氛中對hbi和cdri進行預熱后再供給至obf。

18、因此，在本發明的實施方式中，obf可以包括預熱系統，將hbi或cdri預熱至供給至obf所需的溫度，從而提高電能效率。

19、本發明通過選擇從外圍至側壁或從外圍至電極供給含鐵原料至obf中，實現含鐵原料、還原劑和助熔劑的連續補充，從而確保重量損失與功率-進料平衡（power-to-feedbalance）得到優化。

20、選擇從外圍至側壁或外圍至電極供給含鐵原料，使得可以在obf內壁外圍周圍或obf的至少一個電極周圍加入含鐵原料。

21、應當理解，重量損失與功率-進料平衡在本文是不可或缺的。

22、熔煉過程的比能需求(specific?energy?requirement，ser)可以簡單地表示為每公噸總進料所消耗的mwh或功率(mw)與進料速率(噸/h)之比。ser是指將25℃的進料轉化為離開熔爐所需溫度的產物流所需的能量。因此，ser本質為功率-進料比。應當理解，如果原料的化學組分或溫度偏離理論基線，則理論ser將發生顯著變化。

23、就本發明而言，obf的功率容量至高為120mw，典型的為400-700?kwh/噸熔融金屬，還原劑的典型用量為40-60?kg/噸熔融金屬，使得所生產的液態金屬產物的碳含量高于4.0%。

24、在本發明的實施方式中，液態金屬產物的溫度可以為1330℃-1550℃。

25、在本發明的實施方式中，obf可以為交流(ac)obf(ac爐)。

26、在本發明中，obf可以為圓形爐。在本發明的另一實施方式中，obf可以為矩形爐。

27、應當理解，如果含金屬原料的品味低于高爐球團的品味，則ser可能高于上述數值。

28、本發明所述的還原劑可以為低品味還原劑，例如無煙煤、細粒（finer?fraction）焦炭或石油焦。還原劑可以以顆粒形式加入obf中，顆粒尺寸等于或小于0-50?mm。

29、助熔劑可以選自由煅燒白云石、煅燒石灰石、石英巖、鋁土礦及它們中的一種或更多種的組合組成的組。

30、在本發明中，液態金屬產物材料可以通過加熱和熔化或至少部分熔化含鐵原料、還原劑和助熔劑來形成。

31、可以控制含鐵原料在obf中的停留時間，以控制含鐵原料在obf中的還原程度。

32、在將含鐵原料供給入obf的步驟之前，可以先進行將含鐵原料制粒的步驟。制?？稍谥屏ＴO備中完成。

33、根據本發明，爐渣產物可以在下游用于水泥等應用中。

34、在所述方法中，含鐵原料中的鐵的金屬化程度可以為86%至94%。

35、應當理解，滲碳包括取低碳金屬產物，并將其轉化為高碳金屬產物。這可以通過將金屬產物暴露于富碳氣氛中來完成。通過在富碳氣氛中加熱金屬產物，使碳原子在分子水平上附著于金屬產物的表面。

36、根據本發明，滲碳可以通過在obf中將碳注入到熔融金屬中來實現。

37、在本發明的替代實施方式中，滲碳可以在魚雷（torpedo）或合適類型的容器中進行。

38、在本發明的實施方式中，如果需要的話，obf可以包括碳噴槍，以將碳引入obf中，從而促進金屬產物的滲碳。

39、應當理解，通過使用碳注入，可使得液態金屬產物富含碳，超過根據該方法的物料平衡所認為的可能達到的碳含量水平。從物料平衡的角度來看，若在液態金屬產物中實現高于4.0%的高碳含量，往往不可避免地增加其中雜質(例如硅)的含量，這進而不利地影響液態金屬產物的高溫，從而影響下游處理。

40、還應理解，由于通過碳注入對液態金屬產物進行滲碳，這使得可以減少還原劑的用量，現在出人意料地發現，可以在液態金屬產物中獲得比不使用碳注入時更低的硅含量。

41、液態金屬產物的特征在于在化學分析上與典型的高爐熔融金屬相似。

42、液態金屬產物具有以下提供的特征值：

43、。

44、本發明提供了一種針對obf的反應、動力學以及不同轉換模式的多物理計算流體力學模型。

45、應當理解，出爐口后的操作可以無縫集成到本發明的方法中。

46、鑒于以上所述，應當理解，通過考慮特別是方法的目標參數（如下文具體實施方式中所述），包括更低的比能量需求以及在更高能量輸入（增加的功率密度）下運行obf的能力，可以實現更少的溫室氣體排放，從而將所述方法的凈碳足跡降低至傳統bf路線的20%-40%。

47、應當理解，根據本發明的方法的步驟不一定必須按順序執行，因為該方法可以以間歇、半間歇或連續的方式進行操作。此外，可以設想所提供的方法的步驟不一定需要按照本文列出的順序來執行。