СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО ЧУГУНА И СТАЛИ

Настоящее изобретение относится к производству чугуна и стали и является усовершенствованием патента заявителя US 6409790, опубликованного 25.06.2002.

В патенте US 6409790 раскрыты способ и устройство для металлургии на углеродной основе и, в частности, для производства жидкого чугуна, включающего две отдельные стадии. Первая стадия включает получение железоуглеродного продукта в горизонтальном цилиндрическом реакторе, в котором содержащий кислород газ вдувается из горизонтальной фурмы, введенной с разгрузочного края горизонтального реактора, в то время как образованный горячий железоуглеродный продукт (промежуточный продукт) выгружается в вертикальный реактор. Вторая стадия включает плавление железоуглеродного продукта в вертикальном реакторе, называемом "плавильной печью/гомогенизатором", путем вдувания содержащего кислород газа с использованием вертикальной фурмы для превращения железоуглеродного продукта в жидкий чугун, направляемый в накопительную емкость.

В частности, настоящее изобретение относится к улучшениям, вводимым в патент US 6409790, так как связано с производством жидкого чугуна, аналогичного жидкому чугуну, вырабатываемому в доменной печи, который широко известно в сталеплавильной промышленности как "жидкий металл".

Уровень техники

В сталеплавильной индустрии в марте 1998 года была выпущена обстоятельная публикация под названием "Дорожная карта технологий сталеплавильной промышленности", в которой заявлено следующее:

Конечной задачей в области плавления чугуна является развитие процесса на основе угля, в котором жидкий чугун вырабатывается непосредственно из угля и рудной мелочи или концентрата. Жидкий чугун предпочтительнее чугуна в твердой фазе, так как в нем отсутствуют примеси, и он сохраняет физическое тепло. Очевидно, что уголь предпочтительнее кокса или природного газа из-за его распространенности и низкой стоимости. По возможности, использование мелочи или концентрата исключит затраты на агломерацию. Эти новые процессы должны обладать высокой интенсивностью плавления или производительностью. Высокая производительность и исключение производства кокса и агломерации значительно снизят капитальные затраты.

Фактически конечной целью дорожной карты было и все еще остается замещение нескольких производств одним эффективным производством. В патенте US 6409790 предполагалось, что раскрытое в нем решение обеспечивает достижение конечной цели, то есть непосредственного производства жидкого чугуна, в котором используются уголь и рудная мелочь или концентрат.

Для внедрения этой концепции далее в практику была создана опытная установка и проведены ее испытания. При этом, однако, было выявлено множество проблем. Наиболее серьезные проблемы заключались в следующем.

№1. Случайные выбросы, вызванные перегретым паром, образующимся из-за утечки воды через проплавления наружной трубы из нержавеющей стали (кожуха) возле медного наконечника водоохлаждаемой фурмы для вдувания кислорода, которые воздействовали на операторов, в результате чего один из них получил серьезные ожоги и нуждался в госпитализации. Для предотвращения проплавления кожуха из нержавеющей стали были предприняты меры по увеличению размера медного наконечника. К сожалению, это привело к возникновению избыточных отложений у наконечника фурмы, приводивших к нарушению распределения потока кислорода.

№2. Неоднородность потока содержащего кислород газа из наконечника фурмы наиболее критична с точки зрения получения гомогенного продукта, то есть промежуточного железоуглеродного продукта приблизительно с 50% металлизации и содержанием углерода приблизительно 6%, пригодного для конвертирования в насыщенный углеродом жидкий чугун с качеством, соответствующим полученному из доменной печи. Проблемы, вызванные отложениями у наконечника фурмы, включали преждевременное расплавление, избыточное окисление, слишком низкую металлизацию и не восстановившийся полностью подаваемый материал.

№3. Избыточная потеря тепла, происходившая в горизонтальном реакторе, в частности ближе к его разгрузочному краю, и вызванная отбором тепла водоохлаждаемой фурмой.

№4. Отложения у разгрузочного края самого горизонтального реактора, приводящие к физическому перекрытию, препятствующему продвижению содержимого горизонтального реактора толкателем загрузчика, и таким образом вынуждающее незапланированные перерывы в работе.

№5. Также возникали отложения в вертикальной секции ниже по потоку горизонтального металлизационного реактора и выше по потоку накопителя, где должен располагаться гомогенизатор/плавильная печь, что приводило к остановкам, связанным с перемещением оборудования с целью обеспечения доступа и сбиванием скопившегося материала штангой для высвобождения прохода.

№6. Железоуглеродный промежуточный продукт, подаваемый в плавильную печь, легче жидкого чугуна и плавает по верху плавильной ванны и задерживается там вместо того, чтобы растворяться в металле, содержащемся в плавильной ванне, и такая флотация промежуточного продукта исключает быстрое и полное его конвертирование в жидкий чугун.

В отношении проблем №1, №2 и №3 было решено переместить инжекционную фурму, так чтобы она вводилась с холодного края через загрузчик горизонтального металлизационного реактора, и наряду с этим повысить давление вдувания содержащего кислород газа для создания мощной струи из наконечника фурмы, проникающей до разгрузочного края горизонтального металлизационного реактора, и при этом наконечник фурмы расположить там, где температура железной руды и шлака ниже начальной температуры их плавления. Это потребовало разработки нового загрузчика, в котором предусмотрено размещение фурмы, проходящей через центр оправки, в результате чего конструкция фурмы проходит через оправку, и оправка через поршень.

В отношении проблемы №4, связанной с перекрытием, создаваемым отложениями у разгрузочного края металлизационного реактора, был разработан новый загрузчик, конструктивно более надежный, чем прежний, а также повышено гидростатическое давление путем введения вспомогательного гидронасоса с новой системой управления, повышающего усилие проталкивания нового загрузчика для преодоления перекрытия.

В отношении проблемы №5 для предотвращения отложений ниже по потоку металлизационного реактора и выше по потоку накопителя было решено полностью исключить гомогенизатор/плавильная печь (позиция 11), описанный в патенте US 6409790, и выполнять плавление железоуглеродного промежуточного продукта в канальной индукционной электропечи, как это делается у Ajax Magnethermic с некоторой модификацией, более подробно описанной далее, при этом печь служит как плавильным аппаратом, так и накопителем жидкого чугуна.

В отношении флотации промежуточного продукта по верху плавильной ванны был разработан вертикально осциллирующий механический топитель, снабженный графитовым блоком, выполненным с возможностью воздействия на плавающий промежуточный продукт, погружая его ниже уровня высокотемпературной ванны, где в промежуточном продукте завершается восстановление непрореагировавших оксидов железа, а именно Fe₂O₃, Fe₃O₄ и FeO, которые не вступили в реакцию в горизонтальном металлизационном реакторе.

Благодаря введенным изменениям заявитель достиг успехов в преодолении вышеупомянутых проблем и в получении приемлемого промежуточного продукта, в котором углерод из угля полностью внедрен в металлизованное железо, полученное из рудной мелочи или концентрата в горизонтальном металлизационном реакторе.

Кроме того, одновременно получаются два ценных газа: один в процессе металлизации железной руды в горизонтальном металлизационном реакторе и другой в процессе плавления промежуточного продукта.

Суммируя вышесказанное, можно сказать, что фактически заявителем созданы новые способ и устройство, пригодные для действия при различных соотношениях руды и угля, и в которых все же производится жидкий чугун путем получения промежуточного продукта, чей состав вполне пригоден для конвертирования в жидкий чугун, который впоследствии может быть конвертирован в недорогую сталь.

Задачи изобретения

Главная задача настоящего изобретения заключается в производстве жидкого чугуна непосредственно из рудной мелочи и концентрата с использованием дешевого угля в соответствии с конечной целью, заявленной в Дорожной карте технологий сталеплавильной промышленности в марте 1998 года, которая упоминалась выше.

Другая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении эффективного способа и устройства, выполняющих это при конвертировании смеси железной руды и угля в жидкий чугун с эффективностью, превышающей эффективность, достигаемую при производстве жидкого чугуна в доменной печи при использовании кокса и гранулированной железной руды. Поэтому другая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа и устройства, в которых значительно снижаются тепловые потери по сравнению с обычным процессом производства жидкого чугуна в доменной печи, использующей кокс и гранулированную железную руду.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства, значительно снижающих выбросы в атмосферу по сравнению с обычными процессами, в которых гранулы, агломерат и кокс подаются доменную печь, являющуюся в свою очередь основным источником выбросов диоксида углерода (CO₂).

Еще одна задача изобретения заключается в том, чтобы повысить эффективность канальной индукционной электропечи (КИЭП) и при этом защитить ее внутреннюю облицовку путем введения топильного средства, способствующего погружению железоуглеродного промежуточного продукта в ванну расплавленного чугуна в КИЭП для ускорения его реакции и смешивания с содержимым ванны, приводящего к быстрому расплавлению и взаимодействию с ванной расплавленного чугуна.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в объединении канальной индукционной электропечи (КИЭП) со сталеплавильной печью, например с конвертерной печью или электродуговой сталеплавильной печью, известными в промышленности как КП и ЭДП, соответственно, но в качестве примера в нижеследующем описании будет раскрыто объединение КИЭП с КП, при этом КИЭП выполнена с возможностью конвертирования железоуглеродного промежуточного продукта в расплавленный чугун, в то время как КП конвертирует расплавленный чугун и скрап в сталь. КИЭП и КП конструктивно соединены друг с другом таким образом, что получается гибридная компоновка двойного назначения, снижающая капитальные и эксплуатационные затраты, повышающая эффективность и сводящая к минимуму выбросы в атмосферу.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в обеспечении физической взаимосвязи между КИЭП и КП, обеспечивающей непосредственный слив расплавленного чугуна прямо из КИЭП в КП путем радиального поворота КИЭП и КП без необходимости в использовании грузоподъемного крана.

Другая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении самой КИЭП для случая, когда производится только расплавленный чугун в ситуации, в которой требуется только усовершенствованный способ производства чугуна без производства стали.

Другая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа и устройства, способных конвертировать диоксид углерода (CO₂), то есть парниковый газ, в полезный продукт, например в удобрение.

Другие задачи данного изобретения будут понятны из нижеследующего описания и приложенной формулы изобретения. В описании делается ссылка на прилагаемые чертежи, раскрывающие некоторые конструктивные отличия устройства, реализующего данный способ производства железоуглеродного промежуточного продукта, конвертируемого в жидкий чугун, который затем конвертируется в сталь. Должно быть понятно, что раскрытые способ и устройство не ограничены только обработкой железосодержащей руды, так как изобретение может использоваться для других, нежелезосодержащих руд.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение рассмотрено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - установка прямого производства жидкого чугуна из угольной и рудной мелочи или концентрата;

на фиг.2 - металлизационный реактор в перспективе и в сечении;

на фиг.2А - реальный желзоуглеродный промежуточный продукт с углеродом, физически внедренным в металлизованное железо;

на фиг.3 - вид в перспективе батареи металлизационных реакторов, вырабатывающих промежуточный продукт;

на фиг.4 - крупный план и частичный вырез канальной индукционной электропечи с системой доставки промежуточного продукта;

на фиг.5 - вид сбоку установки, включающей газоочистку и попутное производство удобрения (оксамида) из содержащего CO₂ газа;

на фиг.6 - объединение сталеплавильной печи, широко известной как конвертерная печь (КП), с чугуноплавильной печью, широко известной как канальная индукционная электропечь (КИЭП);

на фигурах 7-18 - различные стадии выработки жидкого чугуна и его конвертирования в сталь, которые совместно выполняются при производстве жидкого чугуна в КИЭП и стали в КП.

Перед подробным описанием настоящего изобретения нужно понять, что данное изобретение не ограничено подробностями или компоновкой деталей, показанных на прилагаемых чертежах, так как изобретение может реализовываться в других вариантах выполнения. Кроме того, должно быть понятно, что введенная терминология предназначена только для описания, а не для ограничения объема изобретения.

Подробное описание осуществления изобретения

На фиг.1 концептуально представлена установка, состоящая из двух батарей, обозначенных позициями 20(a) и 20(b) и содержащих по нескольку идентичных металлизационных реакторов, один из которых обозначен позицией 21, двух плавильных печей, обозначенных через A и B, и конвейеров, подающих горячий железоуглеродный промежуточный продукт, полученный в металлизационных реакторах, в две плавильные печи.

В представленной установке более детально будет описана только батарея 20(a) и печь A, так как две батареи и две печи идентичны.

Под каждой батареей расположены два конвейера, обозначенные позициями 22(a) и 23(a), при этом конвейер 22(a) фиксирован, а конвейер 23(a) выполнен с возможностью перемещения как конвейер челночного типа. Конвейер 23(a) челночного типа выполнен с возможностью движения не только до печи A, но также на всем протяжении вплоть до конца печи B для обеспечения резервирования. Печи имеют по три одинаковых проема подачи, обозначенных позицией 24 и равномерно разнесенных по длине обеих печей, обеспечивая конвейеру 23(a) челночного типа возможность распределения горячего железоуглеродного промежуточного продукта вдоль длины печи A, а также печи B. В головной части конвейера 23(a) челночного типа расположен топитель, обозначенный позицией 25 и предназначенный для погружения в плавильную ванну железоуглеродного промежуточного продукта, подаваемого в печь А или печь В. Следует заметить, что конвейер 23(b) может обслуживать как печь А, так и печь В.

На фиг.2 изображен в перспективе и в сечении железоуглеродный металлизационный реактор 21 с подающим бункером 26, выполненным с возможностью подачи угля, и подающим бункером 27 для подачи смеси руды и угля. Позиция 28 относится к загрузчику, состоящему из оправки 29 и главного поршня (толкателя) 30, при этом фурма 31 проходит через центр оправки 29 и достигает загрузочного края реактора 21. Угольная сердцевина показана как закрашенный материал, обозначенный позицией 32, через который проходит фурма 31, а кольцо 33, состоящее из смеси железа и угля, полностью охватывает угольную сердцевину 32. Выход реактора 21, состоящий из излучающей тепло камеры, обозначенной позицией 34, имеет входное отверстие 35 для монтажа поджиговой горелки. Шиберный затвор, обеспеченный ниже по потоку выходной камеры 34 и обозначенный позицией 35(a), служит устройством регулирования подачи, предназначенным для прерывистой подачи содержимого из емкости металлизационного реактора 21 на основной конвейер 22(a) (показан на фиг.1) в определенной последовательности, так как конвейер 22(a) принимает железоуглеродный промежуточный продукт с нескольких металлизационных реакторов. Следует заметить, что металлизационный реактор 21 выстлан изолирующим и огнеупорным материалом с нагревательными воздуховодами, встроенными в огнеупор для подачи тепла в реактор 21 с целью подвода тепловой энергии к горячему кольцу 33 с двух направлений. Нагревательные воздуховоды не показаны, так как они широко используются в промышленности и всегда вводятся в стальную оболочку, обозначенную позицией 39. На фиг.2A представлена фактическая структура железоуглеродного промежуточного продукта, на которой ясно виден углерод, получившийся из угля, который распределен в железе, полученном из руды. Такой промежуточный продукт является исходным сырьем для производства жидкого чугуна путем его плавления. В процессе металлизации железной руды углем вырабатывается обогащенный водородом (H₂) газ, весьма ценный как источник энергии, который удаляется через выходной канал 37.

На фиг.3 изображена батарея 20(a), большинство элементов которой описаны в связи с фигурами 1 и 3 за исключением позиции 40, относящейся к распределительному конвейеру подачи в бункеры-питатели 26 и 27. Другое представленное оборудование следующее: скиповая лебедка под номером 41 для доставки исходного материала с уровня земли, выхлопная труба печи под номером 42, вытяжной вентилятор под номером 43, канал выброса отходящих газов под номером 44 и сортировочное сито под номером 45, отделяющее мелочь от железоуглеродного промежуточного продукта, вводимого в печь А, для минимизации выброса пыли при подаче промежуточного продукта.

На фиг.4 показаны часть батареи 20(a), канальная индукционная электропечь A и часть печи B. Кроме изображенного на предыдущих фигурах печь A показана с удаленной передней частью для иллюстрации внутреннего объема печи с графитовым погружным блоком, обозначенным номером 46, в левой части печи A. Другие части включают верхний компонент топителя 25, давящего на плавающий по верху расплавленного чугуна железоуглеродный промежуточный продукт, погружая его в плавильную ванну 72, подвижное соединение 47, позволяющее поворачивать печь при сохранении все же постоянного отвода отходящих газов из печи A, подину 48 печи, причем изображено также горение над подиной CO, высвобождающегося в реакции кислорода из оксидов железа с углеродом, содержащимся в прогруженном железоуглеродном промежуточном продукте.

На фиг.5 дан вид сбоку установки, в которой конвейеры 22(a) и 23(a) заменены на стояк, обозначенный позицией 49, за которым следуют вентили 50 и 51, регулирующие подачу железоуглеродного промежуточного продукта непосредственно в канальную индукционную электропечь A и отводящие отходящий газ (N₂+CO₂) из печи A в нижнюю часть стояка 49. Трубопроводная система, обозначенная позицией 52, связана с теплообменником 53, подающим относительно холодный газ, содержащий ртуть, в используемые попеременно фильтры 54(a) или 54(b) с очистным слоем, в которых содержится активированный уголь для извлечения из газа ртути. Ниже по потоку обменника 53 десульфуратор 55 образует нижнюю по потоку часть очистки горячего газа с регенератором 56 сорбента, установленным выше десульфуратора 55. Ниже по потоку десульфуратора 55 установлены два реактора 59(a) и 59(b), служащие для превращения монооксида углерода (CO) в хлорциан, и ниже по потоку регенератора сорбента система извлечения серы, обозначенная номером 57, которая служит для выделения серы в элементной форме, являющейся товаром, имеющим спрос на рынке. Во втором теплообменнике, которому присвоен номер 58, обрабатывается обессеренный газ. Реакторы 59(a) и 59(b) переключаются с выработки хлорциана на выработку регенератора катализатора. Ниже по потоку ректоров 59(a) и 59(b) под номером 60 обеспечен ожижитель, за которым следуют сепаратор 61 и насос 62, поднимающий хлорциан для гидратирования в колонне 63 с образованием оксамида, компонента удобрения длительного действия. Отстойный резервуар 64 расположен выше по потоку фильтровального пресса 65, за которым следует сушилка 66. Затем укладчик 67 транспортирует выходной продукт в виде товарного удобрения на склад 68.

На фиг.6 показано объединение производства стали и производства чугуна с помощью конвертерной печи и канальной индукционной электропечи, на которые имеется ссылка в секции постановки задачи данного описания; такое объединение выполнимо при суммирования следующих трех стадий в одном дешевом, эффективном, физически интегрированном способе, включающем:

- металлизацию железной руды в виде мелочи или концентрата углем с образованием промежуточного продукта;

- плавление промежуточного продукта с получением жидкого чугуна; и

- продувку жидкого чугуна кислородом с получением стали.

Так как способ металлизации и плавления подробно описан выше, по фигурам 7-18 будут описаны стадии подачи железоуглеродного промежуточного продукта, расплавления его в жидкий чугун и получения стали.

На фиг.7 изображен конвейер 23(a) челночного типа или конвейер 23(b) подающий железоуглеродный промежуточный продукт в канальную индукционную электропечь, в которой материал, обозначенной номером 71, плавает по поверхности плавильной ванны, в то время как кислород вдувается в конвертерную печь с помощью вертикальной фурмы 69, превращая чугун в сталь при одновременном сборе отходящих газов в вытяжном коробе 70; подъемное устройство, обозначенное номером 73, служит для подъема и опускания фурмы 69.

Фиг.8 аналогична фиг.7 за исключением того, что топитель 25 поместил графитовый блок 46 на промежуточный продукт, который все еще плавает на поверхности плавильной ванны.

На фиг.9 показано, как графитовый блок 46 погружает плавающий промежуточный продукт в ванну 72.

На фиг.10 изображен слив шлака из конвертерной печи в шлаковый ковш 75, при этом используется шток затвора, обозначенный номером 74, для предотвращения потока жидкого чугуна из канальной индукционной электропечи, поскольку конвертерная печь находится в наклонном положении. На фиг.11 показан выпуск стали со дна конвертерной печи в ковш 76 металла с использованием затвора 77. Следует отметить, что слив шлака и выпуск металла из конвертерной печи могут выполняться по другим схемам.

На фиг.12 показано, что плавка из конвертерной печи слита, и материал 78 для заделки выпускной летки падает в конвертерную печь на отверстие летки, обозначенное номером 79. На фиг.13 показан заделочный материал 78 в процессе заполнения отверстия 79 летки, и на фиг.14 показано заделанное отверстие 79 летки.

На фиг.15 показан выпуск шлака из канальной индукционной электропечи путем ее наклона против часовой стрелки, при котором шлак, образовавшийся при плавлении промежуточного продукта и обозначенный номером 80, выливается из канальной индукционной электропечи. На фиг.16 показан наклон канальной индукционной электропечи по часовой стрелке, обеспечивающий возможность загрузки в конвертерную печь скрапа, обозначенного номером 81, по желобу 82, при этом шток 74 затвора находится в опущенном положении для предотвращения перетекания расплавленного чугуна из канальной индукционной электропечи в конвертерную печь во время загрузки скрапа. На фиг.17 показано, что при нахождении канальной индукционной электропечи и конвертерной печи в наклоненном положении шток затвора поднят, обеспечивая перетекание жидкого чугуна, обозначенного номером 83, из канальной индукционной электропечи в конвертерную печь и распределение жидкого чугуна поверх скрапа 81. В этом состоянии канальная индукционная электропечь повернута из своего наклоненного положения в вертикальное положение, короб 70 повернут в положение над проемом конвертерной печи, подъемное устройство 73 кислородной фурмы опущено в конвертерную печь для начала конвертирования жидкого чугуна в сталь путем вдувания кислорода из фурмы 69, в то время как конвейер 23(a) или (b), находящийся над загрузочным проемом 24 канальной индукционной электропечи, продолжает подачу железоуглеродного промежуточного продукта в канальную индукционную электропечь для плавления его, при этом жидкий чугун и скрап превращаются в сталь, как показано на фиг.18, которая аналогична фиг.7, отображающей те же функции подачи железоуглеродного концентрата конвейером 23(a) или (b), плавления его в жидкий чугун в канальной индукционной электропечи с образованием ванны 72 и превращения жидкого чугуна и скрапа в сталь, в то время как мелочь железной руды или концентрат металлизируются в присутствии угля в металлизационном реакторе 21, описанном в связи с фигурами 1-5 включительно.

Что касается применения изобретения к металлам, отличным от черных, то могут быть внесены различные изменения, так что изобретение не будет выходить за объем, определенный в данном описании. В итоге представляется, что настоящее изобретение обеспечивает коренное усовершенствование обычной практики в металлургии, согласно которому могут использоваться исходное сырье низкой стоимости, и которое энергетически эффективно и экологически благоприятно при низких требованиях к капитальным затратам.