国际上存在日益增加的塑料处理以及塑料和橡胶废品(如轮胎) 处理的问题。同时，世界范围的钢铁工业面临将其对环境的影响减到 最小的压力，例如，通过减少燃料(通常为焦炭)消耗。
US5,554,207和JP2004-052002各自公开了一种方法，其中将电弧 炉(EAF)废灰与废塑料结合形成固体，然后将该固体加入EAF。在 另一方面，WO2006/024069(对本申请)教导了将无附聚含碳聚合物 加入EAF。
在鼓风炉中，提出以塑料装料作为替代燃料并减少CO2排放。此 外，US4,175,949公开了将旧的气轮胎切割并装入鼓风炉中以代替一些 焦炭。
US5,322,544公开了一种使用废金属和废汽车轮胎熔化钢的方法。 在该方法中，废金属和整个废橡胶轮胎在电弧炉中堆积，且整个废橡 胶轮胎用空气或氧气燃烧以提供辅助热源从而熔化废金属。该文献教 导了优选整个废橡胶轮胎以控制燃烧(即，若使用切碎的废橡胶轮胎， 燃烧将过快发生并产生不合意的热量，且烟气在顶盖(roof)能被替换 之前从EAF逸出)。在另一方面，US4,175,949教导了在装料之前分解 轮胎，由于在鼓风炉中能容纳过度燃烧和高热(且很可能是合意的)。
US2003/0066387公开了一种在电弧炉中使用废金属和废橡胶熔化 钢的方法。在该方法中，将废金属和废橡胶(其可为整个的、切碎的 或剁碎的)结合并堆积在电弧炉中，并使用氧气或天然气燃烧所述橡 胶。该文献教导了能将来自橡胶轮胎的钢带包含于所述废橡胶中，所 述钢带在电弧炉中变成熔融钢的部分。该文献也教导了优选整个废橡 胶轮胎以控制燃烧速率。
简言之，现有技术教导了当将废橡胶轮胎引入炉中时，在废橡胶 轮胎中存在的钢也如此引入，由于所述钢的加入供应给炉子另外的钢， 且不被视为有害的，因此钢的加入是有利的。

与现有技术的教导相反，本发明第一方面提供一种在电弧炉中制 备铁合金的方法，该方法包含如下步骤：
(i)从包含钢的含碳有机材料中去除钢；以及
(ii)将在步骤(i)中制得的含碳有机材料产物装入所述炉中。
已观察到在EAF过程中从装入EAF的含碳有机材料释放的挥发物 对提高EAF燃烧效率起作用。(i)的产物能更好提高EAF过程的燃烧 效率，因为若不去除钢，则燃烧效率成比例地降低。这是由于从含碳 有机材料释放的挥发物的减少的比例(proportion)。当具有更大比例的 有机材料，则具有更大比例的释放的挥发物。
提高的燃烧效率也由于如下事实：钢比许多含碳有机材料，特别 是聚合物和橡胶，具有相对更低的碳含量。
此外，从有机材料释放的挥发物质相对于钢，提供了增大的表面 积效应，这也改进了燃烧效率。
不存在钢的(i)的产物也具有作为炉渣发泡剂(即相对于含钢材 料在EAF中产生更好的炉渣泡沫)的改进功能。在电弧炉中，增加的 炉渣泡沫更好地覆盖熔融金属浴并更好地抑制浴热(即绝缘)，这导致 在EAF中相当大地减少电力消耗。
此外，不存在钢的(i)的产物也具有作为还原剂、作为燃料和/ 或作为在EAF中制备铁合金的增碳剂的改进功能。对此而言，(i)的 产物可更好地导致在炉进料中存在的和/或在金属加工过程中产生的金 属氧化物的还原；和/或以提高的方式用作燃料源，或作为提高的增碳 剂以增加制得的最终铁合金中与铁一起存在的碳的含量。例如，在电 弧炉中，主要的燃料源为电力。
因此(i)的产物能提高EAF燃烧和能效(导致较少电力的使用)， 能减少如焦炭和煤的常规碳源的消耗(以及因此的费用)，并也可替代 或减少如无烟煤和石墨的昂贵的EAF增碳剂的使用。
在一种形式中，所述含碳有机材料为橡胶材料，因为在工业应用 中，这种材料更有可能用钢增强(例如含钢轮胎)。然而，所述含碳有 机材料也可包含如在钢增强的聚合物复合材料(一种相对较新的复合 材料家族)中发现的聚合物。这种聚合物复合材料能使用热固性和胶 结(cementitious)树脂基聚合物并具有结构和建筑应用。
当在本文使用术语“橡胶”时，其意图包括合成和天然得到的橡 胶材料。合成橡胶材料包括源自如异戊二烯(2-甲基-1，3-丁二烯)、1，3- 丁二烯、氯丁二烯(2-氯-1，3-丁二烯)和异丁烯(甲基丙烯)的单体的 聚合的聚合物。天然橡胶材料源自天然胶乳，该天然胶乳来自三叶 (Para)橡胶树巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)(大戟科)、含有胶乳 的植物(如无花果(印度橡胶树(Ficus elastica))、大戟属植物和普通 的蒲公英。
当在本文使用术语“铁合金”时，其意图包括宽范围的铁-碳合金 (包括钢)和其他铁-碳和/或铁基合金(包括铬铁、硅铬铁、锰铁、硅 锰铁、硅铁、硅镁铁、钼铁、镍铁、钛铁、磷铁、钨铁、钒铁、锆铁 等)。
当在本文使用术语“钢”(即相对于包含钢的有机材料)，其意图 包括标准钢合金、铁合金(如上定义)，和具有一部分或混合(无论大 或小)的这种钢和钢合金的其他金属材料。
在一种形式中，从含碳有机材料去除钢的步骤(i)包含：
(a)将包含钢的含碳有机材料粉碎；以及
(b)从(a)的产物中分离钢。
步骤(a)粉碎可包含纵切、切碎、铲削、研磨或捏碎材料的一种 或多种。例如，所述材料可被粉碎以产生约1毫米以下的粒子大小。 可使用用于粉碎塑料和轮胎的商购装置。
步骤(b)分离可包含使(a)的粉碎产物经受磁场(例如在商购 的磁力分离元件中)以从粉碎产物的剩余物中磁力去除钢。
因此，装入EAF的材料可为最佳粉碎的待燃烧的形式。
在最通常的形式中，含碳有机材料的来源为轮胎，现代轮胎几乎 总是包含用于增加强度的钢和增强件。所述轮胎能来自任何车辆类型。 因此，在步骤(i)中，所述方法包含在将轮胎装入EAF之前从该轮胎 中去除钢。也应注意轮胎由各种橡胶类型制成，如天然橡胶、异戊二 烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、丁基橡胶和氯丁二烯橡胶。苯乙烯-丁二 烯橡胶是最普通的合成橡胶并最广泛地用于轮胎制造。
当装入炉中时，所述含碳有机材料可至少部分燃烧并产生碳质残 余物。当其燃烧时，有机材料能作为燃料。然后所述碳质残余物能氧 化产生炉渣泡沫。所述残余物可另外用作还原剂或增碳剂。因此装入 炉中的所述含碳有机材料能用作炉渣泡沫前体。因此其也可用作增碳 剂前体或还原剂前体。
而在步骤(ii)中，所述含碳有机材料可构成装入炉中的唯一添加 物，在一种形式中，将所述有机材料与另一碳源一起装入炉中。该另 一碳源本身可燃烧以作为燃料。该碳源也可有助于炉渣发泡，并可用 作还原剂或增碳剂。所述另一碳源能为煤、焦炭、活性炭、木炭或石 墨。
作为一个实施例，能将所述含碳有机材料和另一碳源大约以不同 的重量比(如1∶1、3∶7、1∶4、1∶9等)装入炉中。而且，最终选择的比 例可相对于特定炉子的特性确定。
在一种形式中，所述含碳有机材料为废料。将废料装入炉中提供 了一种废料处理的有效方法，否则废料处理将带来环境挑战。
在一种形式中，所述含碳有机材料仅包含C原子、H原子和任选 的O原子。当其他元素(例如N、S、P、Si、卤素等)存在于材料中 时，这些其他元素可干扰铁合金的制备和/或产生污物、污染物、有毒 气体等。因此，通过审慎选择所述含碳有机材料，能避免有毒气体和 其他不利或有害产物的形成。
在第二方面，本发明提供了含碳有机材料在电弧炉中的铁合金制 备中的用途，将钢从所述含碳有机材料中去除以提高EAF燃烧效率。
所述含碳有机材料的用途可存在于根据所述第一方面的方法的铁 合金的制备中。
在第三方面，本发明提供了一种在电弧炉中制备铁合金的方法， 该方法包含如下步骤：
-将铁合金的原料装入炉中；
-将炉中的原料加热至熔融态；以及
-将去除钢的含碳有机材料装入炉中。
所述含碳有机材料能以如下形式装料：其在炉中燃烧并释放热能 至熔融合金/原料，并产生发泡炉渣的物质。对此而言，能将所述含碳 有机材料按照所述第一方面粉碎。
所述含碳有机材料能与另外的试剂一起装料。所述另外的试剂可 为如所述第一方面限定的其他碳源。
所述含碳有机材料也可与原料一起装入炉中。例如，当原料和含 碳有机材料装入炉中时，所述炉子已被加热(即为连续炉操作模式)。
所述第三方面的方法可另外如第一方面所限定的那样。
在第四方面，本发明提供了一种在电弧炉中制备铁合金的方法， 该方法包含如下步骤：
(i)粉碎轮胎；以及
(ii)将步骤(i)的产物装入炉中。
在第四方面中，所述轮胎能通过纵切、切碎、铲削、研磨或捏碎 的一种或多种粉碎。通常粉碎轮胎以产生大约1毫米或1毫米以下的 粒子大小。
当轮胎被粉碎并在装料之前，所述轮胎也能经受分离步骤，在该 分离步骤中去除存在于轮胎中的钢。
在第五方面，本发明提供了一种测定在使用含碳原料的铁合金制 备炉中橡胶的可循环性的系统。所述系统包含如下步骤：
-得出反映橡胶燃烧能力的橡胶参数值；
-将该参数与得自一种或多种其他橡胶、聚合物和/或非有机碳源 的一个或多个参数值进行比较；
-由那些参数值得出一个范围(range)或尺度(scale)。
在一种形式中，所述参数为在炉中的燃烧过程中产生的能量(例 如发热量)。
附图说明
尽管其他具体实施方案可落入发明内容中所限定的制备铁合金的 方法，但现在将参照附图仅以实施例的方式描述所述方法的特定具体 实施方案，其中：
图1显示模拟如实施例1所述的电弧炉的管式沉降炉(DTF)炉 装置的示意图。
图2A和2B分别绘出了对于聚丙烯和轮胎橡胶，燃烧效率相对于 炉中添加的与焦炭的混合物的重量％，所述值使用图1的DTF得出。
图3(a)分别显示了在图1的管式沉降炉中反应之前和之后焦炭 以及70％焦炭、30％聚丙烯混合物的碳质残余物的XRD图谱。
图3(b)分别显示了在图1的管式沉降炉中反应之前和之后焦炭 以及70％焦炭、30％轮胎橡胶(SBR)混合物的碳质残余物的XRD图 谱；以及
图4显示了在图1的管式沉降炉中反应之后70％焦炭、30％轮胎 橡胶(SBR)混合物的XRD图(峰分析)。

在EAF钢制备的广泛研究过程中，应注意含碳有机材料，特别是 聚合物在EAF钢制造中的使用能提供如下：
-辅助燃料或补充能源。在炉内，在非常高的操作温度下，聚合物 链断裂。这些聚合物的断裂产物为具有较低链长的烃，其易于发生燃 烧得到CO和H2。在所述燃烧反应过程中释放的热能够用作补充能量。
-碳源。在焦炭/塑料混合物燃尽之后的碳质残余物能提供有效的 炉渣泡沫。
在令人惊讶的发展中，假定橡胶(例如来自废物或废轮胎)能被 引入EAF钢制备。推测在EAF钢制备中所用的高温下，橡胶一旦引入 炉中，就会燃烧(因此作为燃料)并产生碳质残余产物。然而，在例 如橡胶轮胎中存在的钢会减损所述效应，因此对不存在钢的橡胶(即 在炉装料之前从橡胶去除钢)进行研究。随后，假定其他不存在钢的 含碳聚合物(例如源自废钢增强的聚合物复合材料)也能被引入铁合 金的电弧制备并再次产生碳质残余产物。
进一步观察到所述碳质残余产物能随后导致EAF钢制备中的炉渣 泡沫，并也可任选地用作还原剂(例如在其他铁合金的制备中)，也可 任选地用作增碳剂。
碳质残余物的结构表征在引入管式沉降炉(图1，模拟可在EAF 中经历的操作条件)的各种焦炭-塑料和焦炭-橡胶混合物上进行以观察 燃烧效率。结果列于图2中。
也进行分析以确定碳质残余物，该碳质残余物随后导致在EAF中 液体炉渣的发泡，可具有还原能力和/或提高的在熔融铁合金中的碳溶 解。结构表征结果列于图3和4。
实施例
现在提供制备铁合金的方法的非限制性实施例。
实施例1
实验详情：
如表1所列，首先总结了焦炭、聚丙烯和橡胶样品(后两者不存 在任何钢)的分析。
表1.焦炭、聚丙烯和橡胶的分析

  组分   聚丙烯(PP)   橡胶   碳％   83.8   85.48   氢％   13.9   6.96   硫％   2.3   1.68   氮％   -   0.25   发热量   兆焦耳/千克   45.00   40.16
燃烧研究利用商购的冶金焦炭进行。聚丙烯和轮胎样品(苯乙烯 丁二烯橡胶)自工业获得。两个聚合材料均在颚式(jaw)粉碎机和振 动磨机中压碎以获得1.0毫米以下的粒子大小。所研究的焦炭/聚丙烯 和焦炭/橡胶混合物的组成为70∶30、80∶20和90∶10。
然后在管式沉降炉(DTF)中进行燃烧反应，DTF的示意图显示 于图1中。
操作参数通过重复试验进行微调，且条件进行优化。所用的炉子 的操作条件列于表2中。
表2优化的实验条件
  操作参数   值/条件   温度   1200℃   粒子大小   焦炭-PP/橡胶-0.1毫米   PP/PS制备方法   压碎的   材料注入速率   0.05克/秒   燃烧气体组成   20％ O2；80％ N2
碳质残余物粒子在DTF底部收集，并使用LECO分析机分析碳含 量。
焦炭、焦炭/橡胶和焦炭/聚丙烯混合物的XRD图也使用Siemens D5000粉末衍射仪研究。
结果与讨论
焦炭和其与PP及橡胶的不同比例的混合物的燃烧效率通过下式计 算：
$\eta =(1-\frac{A_0}{A_i}\frac{C_i}{C_0})\times 100\%$
其中，A0和Ai为在燃烧之前和之后的灰末含量，
C0和Ci代表在DTF中燃烧之前和之后的碳含量。
获得得自焦炭、焦炭/橡胶混合物和焦炭/PP混合物的燃烧效率结 果并共同显示于图2中。
塑料和橡胶的性能分析：
如表1的分析可见，聚丙烯塑料和橡胶能够用作潜在的补充燃料， 由于它们相对较高的发热量。所观察到的聚丙烯和橡胶的有利性能包 括它们的挥发物质(在燃烧过程中释放)和碳含量。分析也确定了塑 料和橡胶增加的挥发物和更低的湿气含量。
注意到聚丙烯为具有简单骨架而无任何大基团(bulky groups)的 普通废热塑性塑料，因此能够易于发生链断裂机理，得到为碳源和氢 源的高反应活性的基团。
聚丙烯的重复单元为：

注意到聚丙烯的热降解和热氧化降解为与聚合反应相反的自由基 链机理。氧化降解在碳-碳键断裂时恢复(gave back)高度反应活性的 自由基。因此自由基链引发降解反应，并通过增长(propagation)继续 进行。
注意到苯乙烯-丁二烯为分别以3比1的比例混合的1，3-丁二烯和 苯乙烯的共聚物。SB橡胶(SBR)的重复单元为：

在高温下橡胶降解的机理和动力学在两个步骤中发生。重量损失 和物质降解没有变化，直至达到390℃的温度。降解的第一步在 390℃-520℃的温度范围内发生，其中观察到高至85％的可观的重量损 失，说明在此范围内发生主要降解。降解的第二步在620℃-720℃发 生，其中在此区间内重量损失为5.4％。因此橡胶预期发生可观的脱挥 发份作用，在大约550℃下释放挥发物。
燃烧反应：
在为脱挥发份反应的燃烧反应中，聚合产物(聚丙烯或SB橡胶) 预期主要分解为它们的单体单元、二聚体和三聚体。
参照图2所示的燃烧效率，可见效率随着聚丙烯/SBR含量的增加 而增加，观察到焦炭和聚丙烯/SBR的70∶30组合物具有最高的效率。
在聚丙烯的燃烧中，在达到600℃之后观察到更多的含氧产物。 所述产物大多数为分支的甲乙酮(CH3COR)型。碳原子数为3的倍数 (由C3至C15)的化合物也是普遍的。在任何情况中，在更高的EAF 温度(＞1000℃)下，酮的可获得性是不显著的，且CO2和CO的量 更大。因此，聚丙烯链预期最初被氧化降解为骨架上具有氧原子的较 小化合物，然后所述较小化合物在极端温度下断裂为更简单的烃和碳。
考虑到SB橡胶的燃烧反应，较早进行的气相色谱质谱分析研究显 示了如4-苯基环己烷、4-乙烯基环己烷、苯乙烯、乙基苯、甲基苯和 甲基苯乙烯的低分子量化合物的形成。在较早的热降解研究中，最大 温度为700℃。因此，推断700℃的温度足以使橡胶变为较低烃，该 较低烃在更高温度下进一步降解为更简单的碳源。由于DTF内的温度 为1200℃，确保了聚合链的断裂，由此提高了焦炭/橡胶混合物的燃烧 效率。
在橡胶和聚丙烯两种情况中，炉子的高温(1200℃)确保了聚合 链断裂为烃，使得它们可用于相对较快的燃烧。橡胶比聚丙烯略高的 燃烧效率可由于大分子直接转化为较小化合物，而不是如聚丙烯的情 况那样发生经过含氧化合物的转化。
在燃烧反应之前和之后的焦炭和焦炭与聚丙烯/SBR混合物的 70∶30组合物的XRD图谱显示于图3中，图3具体显示了如下物质的 XRD图谱：(a)在燃烧之前和之后焦炭与聚丙烯的70∶30混合物；以 及(b)在燃烧之前和之后焦炭与SBR的70∶30混合物。也显示了在燃 烧之前和之后的100％焦炭图谱以进行比较。
在聚丙烯混合物的情况中，由于聚合夹杂物(inclusions)，在15-25° 角度范围内的特征峰显示了无定形含量。从烧尽样品的XRD图可见这 些无定形组分的显著降低。因此，聚丙烯部分预期在燃烧过程中释放 挥发物。然而，在燃烧后样品的图中，小峰仍然保持，这表明来自塑 料的碳质物质的残余物被留下。
图4所示的XRD图谱说明了在燃烧之后对含有焦炭/橡胶的样品 进行的峰分析。其表明了碳质和灰末残余物的存在。
将在燃烧反应之后获得的混合物的结晶大小与也在相同条件下燃 烧的焦炭的结晶大小进行比较(表3)。结果反映了在燃烧之后的焦炭/ 橡胶和焦炭/聚丙烯的情况中，样品仍然显示来自聚合物的固体残余物 的存在(图3)。这表明尽管混合物的燃烧效率得以改进(图2)，聚合 物在燃烧反应中没有完全消耗。
进行了结晶大小(Lc)测量(如下表3)，其显示了碳存在于源自 焦炭和聚合物的混合物的残余样品中。这可如下理解。焦炭的Lc为～20 而焦炭/橡胶残余物具有～18的Lc，表明与焦炭相比平均较不有 序的碳残余物的存在。焦炭/聚丙烯残余物具有～22的Lc值。
这些分析说明残余物含有一些聚合材料的剩余物，该剩余物得自 聚合材料向碳的转化，如全部碳峰和相关Lc值所反映。这些Lc值不 同于焦炭的Lc值，表明碳质残余物在源自焦炭和聚合材料的燃烧之后 留下。这些残余物在进一步的炉渣发泡研究中使用。废的聚合剩余物 的存在对炉渣发泡具有显著的影响。因此所述研究建立了对使用有机 废物作为EAF钢制造的能量和碳源的理解。
表3-计算的Lc值

结论：
有机废物、塑料或橡胶作为EAF钢制造的来源的潜在应用通过测 定焦炭/有机废物混合物的燃烧效率进行研究。冶金焦炭/SB橡胶和冶 金焦炭/聚丙烯塑料的混合物显示了优于单独的焦炭的燃烧效率。燃烧 之后的剩余物含有一些也能用于炉渣发泡的碳残余物。
基于燃烧结果和炉渣发泡研究，由于提高的燃烧效率，有可能在 EAF钢制造中使用有机废物替代冶金焦炭用途(usage)。燃烧效率和 炉渣发泡的发现反映了这些废料是用于EAF钢制造的有价值的能量和 碳来源。
实施例2
发明人设想并提出表示橡胶在铁合金制备中的再利用以及作为在 其他非鼓风型炉中的可燃燃料的适用性的指数。该指数称为橡胶绿色 指数(Green Index for Rubber)(或“GIR”指数)。发明人设想该指数 在广义上也能用作与橡胶可循环性相关，但仍然已知为GIR指数。
以此方式，能建立一种机理，通过该机理，一般公众能认识到橡 胶的再循环能力，例如在如钢制造的铁合金制备中。
最后，发明人设想GIR指数然后可以通过发展相关的GIRS指数 建立，其中“S”代表并表明塑料用于钢制造的适用性。
通常，实验也表明对于铁合金而非钢的制造并使用EAF，橡胶能 被装入炉中，能作为燃料燃烧，并能形成可用于炉渣发泡的碳质残余 物，并导致金属氧化物还原和熔融金属(例如铁)的增碳。
此外，实验也表明对于再加热炉子等，橡胶能例如作为如天然气 的其他燃料的补充装入炉中，并仍然作为燃料燃烧。这在如钢成型操 作中的再加热炉的炉中所用的较高温度下(1000℃以上)尤其如此。
因此，提供了使用和消耗社会中的大量废塑料的有效方法。
尽管描述了一些特定的具体实施方案，应理解制备铁合金的方法 能以许多其他方式具体表现。
在权利要求书和前述说明书中，除了上下文需要，否则由于表达 语言或必要的暗示，词语“包含”或其变体以包容性的方式使用，即 指定所述特征的存在，但不排除在各个具体实施方案中另外特征的存 在或加入。
本文对现有技术文献的引用不承认该文献形成了澳大利亚或其他 地方的本领域普通技术人员的公知常识的部分。