Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ В ДВУХЗОННОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к области черной и цветной металлургии и может быть использовано в процессах получения жидкого металла из окисленного железосодержащего сырья, техногенных отходов черной и цветной металлургии, в том числе содержащего примеси цветных металлов.

В черной металлургии известен пирометаллургический способ непрерывной переработки окисленного сырья цветных, черных металлов - процесс Ромелт [«Процесс Ромелт» / Под ред. В.А. Роменец, М.: МИСИС, Изд. дом «Руда и металлы», 2005. - 400 с.].

Шлаковая ванна печи Ромелт барботируется дутьем с содержанием кислорода 50-99%. В шлаковой ванне поддерживается температура на уровне 1400-1500°C. На поверхность шлаковой ванны подаются железосодержащие материалы, энергетический уголь, флюсующие добавки.

Уголь, попадающий на шлаковую поверхность, попадает в нижние зоны ванны, где за счет кислорода дутья происходит его горение до СО. Оксиды железа и других металлов восстанавливаются в шлаковой ванне углеродом.

Компенсация дефицита тепла в восстановительной зоне обеспечивается частичным дожиганием отходящих из ванны горючих газов кислородом дутья фурм верхнего ряда. Из практики работы печи Ромелт известно, что устойчивая работа зоны восстановления при степенях дожигания (CO₂/(CO₂+CO)) выше 0,85 приводит к переокислению расплава, повышению содержания железа в отвальном шлаке и может привести к вскипаниям ванны. При этом повышаются удельные расходы угля и кислорода.

К недостаткам процесса Ромелт следует отнести:

- восстановление высших оксидов железа и других металлов углеродом до CO;

- разложение части влаги шихты с использованием твердого углерода;

- малая степень полезного использования летучих угля;

- перерасход углерода угля на взаимодействие с CO₂ карбонатов;

- ограничение по крупности шихтовых материалов;

- ограничение по степени дожигания отходящих из ванны газов.

Наиболее близким по технической сущности, приемам и достигаемому эффекту является «Способ переработки сырья, содержащего цветные металлы и железо», патент RU 2194781 C2, опубликованный 20.12.2002 г. В технической литературе этот процесс получил название «Двухзонного процесса Ванюкова».

В соответствии с патентом, переработка окисленных руд, содержащих цветные металлы и железо, происходит в двухзонной печи. В окислительную зону через фурмы нижнего ряда подают смесь воздуха и технического кислорода. В расплав окислительной зоны загружают руду, уголь и флюсующие добавки. При переработке окисленного сырья в окислительную зону печи подают углеродсодержащий материал и кислород в количествах, необходимых для полного сгорания углерода с максимальным выделением тепла. В окислительной зоне протекают процессы горения угля до СО₂, реакции восстановления гематита руды до магнетита.

В окислительной зоне происходит также разложение карбонатов флюса, испарение влаги, нагрев и расплавление шихтовых материалов. Расплав из зоны плавления передается в восстановительную зону. В ту же зону подают уголь. Компенсация дефицита тепла в восстановительной зоне обеспечивается частичным дожиганием отходящих из ванны горючих газов кислородом дутья фурм верхнего ряда.

К недостаткам способа относятся:

- повышенный расход углеродсодержащих материалов и кислорода;

- высокая окисленность железистого расплава зоны плавления;

- недостаточное использование химического тепла отходящих газов.

Перечисленные недостатки приводят к перерасходу энергоносителей и снижают производительность печи.

Техническим результатом изобретения является возможность комплексной переработки железосодержащего сырья и техногенных материалов в двухзонной печи из неподготовленного сырья и отходов с применением рядовых углей.

В плавильной зоне происходит горение угля в слое расплава, барботируемого кислородсодержащим дутьем, подаваемым через фурмы нижнего ряда. В отличие от двухзонного процесса Ванюкова, горение углерода ведут с α<1. Присутствие небольших количеств СО в отходящих из расплава зоны плавления газах позволяет избежать переокисления железистого расплава и поддерживать железо в расплаве в двухвалентном состоянии. Так же, как и в двухзонной печи Ванюкова, влага шихтовых материалов испаряется без разложения на Н₂ и СО, диоксид углерода карбонатов удаляется из ванны практически без взаимодействия с углеродом угля, восстановление высших оксидов железа до FeO идет косвенным путем.

Преимуществом предлагаемого способа является также возможность переработки железосодержащих материалов и углей крупностью свыше 20 мм, шихтовых материалов повышенной влажности, смерзшихся конгломератов шихтовых материалов. В целом, единственным требованием к шихтовым материалам, поступающим в плавильную зону, является возможность дозирования и подачи в рабочую зону печи.

Подготовленный в зоне плавления железосодержащий расплав через переток передается в зону восстановления. В восстановительную зону печи загружается уголь и, при необходимости, специальные добавки. Дефицит тепла в зоне восстановления компенсируется частичным дожиганием отходящих горючих газов кислородным дутьем фурм верхнего ряда. Отходящие из зоны восстановления газы после дожигания содержат от 10 до 40% СО и от 5 до 20% Н₂.

Принципиальным отличием предлагаемого способа от способа Ванюкова является то, что газы, отходящие из зон восстановления и плавления, охлаждаются и очищаются отдельно, при этом очищенные газы плавильной зоны удаляются в вытяжную трубу, а отходящие газы зоны восстановления после охлаждения и очистки компремируются и подаются в фурмы нижнего ряда зоны плавления. На фурмах нижнего ряда зоны плавления происходит окончательное дожигание СО и Н₂. Выделяющееся при этом в расплаве тепло позволяет уменьшить расходы угля и кислорода в зоне плавления и существенно улучшает тепловой КПД установки.

При работе двухзонной печи на чистых по вредным примесям рудах и концентратах целесообразно поддерживать перепад давления между зонами плавления и восстановления в пределах 0,5-2,5 атм. Это позволит подавать горячий газ зоны плавления на фурмы нижнего ряда зоны плавления без промежуточного компремирования. В этом случае тепловой КПД установки становится еще выше.

Снижение перепада давления между зонами ниже 0,5 нецелесообразно, т.к. становится невозможной продувка железистого расплава зоны плавления без промежуточного компремирования. При перепадах давления выше 2,5 атм затрудняется переток расплава из зоны плавления в зону восстановления.

Пример.

Для сравнения показателей работы двухзонных печей по предлагаемому способу и по способу Ванюкова в качестве сырья выбрана смесь доменных и кислородно-конвертерных шламов.

Химический состав этих шламов является достаточно стабильным для условий работы крупных металлургических комбинатов (НЛМК, ЧерМК, ММК, ЗСМК). В настоящее время эти шламы практически не перерабатываются из-за повышенного содержания цинка и свинца, а складируются в шламовых отстойниках.

Химический состав шлама:

Fe_общ=51,3%; FeO=17%; Fe₂O₃=54,4%; SiO₂=6,7%; CaO=7,9%; ZnO=0,62%; PbO=0,11%; S=0,3%; P₂O₅=0,11%; С=9,2%; прочие=3,66%. Влажность шлама - 10%.

В качестве энергоносителя принят уголь энергетический, по составу близкий к Анжерскому ОС, СС.

Технический состав угля:

W_p=10%; A^c=10,8%; V^c=14%; S^c=0,4%; С_ф=74,8%.

Элементный состав летучих:

С=3,66%; Н=4,3%; О=4,00%; N=2,04%.

Химический состав золы угля:

Fe₂O₃=10%; SiO₂=54%; Al₂O₃=27,0%; CaO=3,8%; MgO=1,0%; P₂O₃=0,7%; прочие=3,5%.

Количество перерабатываемого шлама - 40 т/час. Для сравнения площадь печей принята равной 20 м². Расход дутья на фурмы нижнего ряда принят на уровне 10000 нм³/час, содержание кислорода в дутье - 70%.

Пылеунос шихтовых материалов во всех вариантах принят на максимальном уровне - 3%. Выход чугуна по трем вариантам составил около 18,6 т/час. Содержание FeO в отвальном шлаке во всех вариантах - 3%. Показатели работы печей по трем вариантам приведены в табл.1.

Из табл.1 видно, что удельные расходы энергоносителей по предлагаемому способу на 24-29% ниже, чем в двухзонной печи по способу Ванюкова.

Следует отметить, что при повышении производительности печи по чугуну до 30 т/час удельные расходы энергоносителей по всем вариантам могут быть снижены на 10-20%. При этом относительная разница между вариантами остается неизменной.

В приведенном расчете в качестве железосодержащего материала принят высокозакисный железорудный материал. Не учитывалась необходимость офлюсования получаемого шлака из-за повышенной основности сталеплавильных шламов. При переработке гематитовых материалов с офлюсованием известняком разница в удельном расходе энергоносителей в предлагаемом способе по сравнению с двухзонным процессом Ванюкова - 35-40%.