Способ пирометаллургической переработки оксидных материалов

Изобретение относится к области черной металлургии и предназначено для получения углеродсодержащих металлов из природных (руды, концентраты и другое промышленное сырье) и техногенных (пыли, шламы, шлаки, окалина и другие отходы) оксидов металлов.

Известен способ переработки окисленного сырья, содержащего цветные металлы и железо (RU 2194781, опублик. 20.12.2002), который включает в себя подачу в окислительную зону двухзонной печи в шлаковый расплав шихты, состоящей из исходного сырья флюсов, жидкого или твердого перерабатываемого шлака, углеродсодержащего материала и кислородсодержащего дутья, расплавление шихты с образованием шлака, поступающего в восстановительную зону, в которую подают углеродсодержащий материал, кислородсодержащее дутье и дополнительные флюсы, выпуск продуктов плавки, причем при переработке окисленного сырья в окислительную зону печи подают углеродсодержащий материал и кислород в количествах, необходимых для полного сгорания углерода с максимальным выделением тепла и образования жидкого шлака, а в восстановительную зону углеродсодержащий материал и кислород подают в количествах, необходимых для восстановления оксидов извлекаемых металлов и компенсации тепловых затрат, при этом отношение удельного расхода углеродсодержащего материала на тонну извлекаемого металла в окислительной и восстановительной зонах поддерживают в пределах 0,3-2,5, а отношение удельных расходов кислорода в этих зонах - в пределах от 0,7-3,0.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности регулировать восстановительно-окислительные процессы в плавильной и восстановительной зонах двухзонной печи без определения соотношения газов СО/СO₂ и Н₂/Н₂O.

Известно (Процесс Ромелт / под ред. В.А. Роменца. - ИД. «Руда и Металлы», что при избытке углерода в высокотемпературной жидкой ванне и соотношении СО/CO₂ и Н₂/H₂O - 1,8 над расплавом идут реакции восстановления металлов. Задачей плавильной зоны по предлагаемому способу является расплавление загружаемых материалов без восстановления основных промышленных металлов (железа, никеля, меди и других), что решается регулированием состава газовой фазы, а именно поддержкой соотношения СО/CO₂ и Н₂/H₂O в пределах 0,01-0,5 и 0,01-0,4 соответственно. Нижний предел соотношений обусловлен практически полным отсутствием восстановительных процессов в зоне плавления, верхний придел обуславливается возможностью восстановления некоторых металлов, например натрия, калия, цинка.

Техническим результатом является возможность минимизировать расходы углесодержащих и кислородосодержащих материалов на единицу готовой продукции и таким образом повысить техническую и экономическую эффективность процесса за счет обеспечения регулирования состава газовой фазы, а именно поддержкой соотношения СО/CO₂ и Н₂/H₂O в пределах 0,01-0,5 и 0,01-0,4 соответственно.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ пирометаллургической переработки материалов, содержащих оксиды железа, включает подачу шихты, состоящей из перерабатываемого сырья, флюсов и углеродсодержащего материала, в плавильную зону двухзонной барботажной печи в предварительно расплавленные материал и флюс, передачу расплава в восстановительную зону и подачу в нее кислородсодержащего дутья, в которую подают углеродсодержащий материал, кислородсодержащее дутье, и выпуск продуктов плавки. При плавлении материалов в плавильную зону печи подают углеродсодержащий материал и кислородсодержащее дутье в количествах, обеспечивающих сгорание углерода с образованием газов, состоящих из оксида СО и диоксида CO₂, Н₂ и паров H₂O, причем соотношение газов поддерживают в пределах СО/CO₂ 0,01-0,5, а Н₂/H₂O 0,01-0,4, а в восстановительную зону подают углеродсодержащий материал, кислородсодержащее сырье в количествах, обеспечивающих восстановление оксидов извлекаемых металлов в металлическую фазу и компенсации тепловых затрат, причем соотношение газов в восстановительной зоне поддерживают в пределах СО/CO₂ 0,2-1,5, а Н₂/H₂O 0,1-0,9.

Верхний предел СО/CO₂ 0,5, а Н₂/H₂O 0,4 обуславливается возможностью восстановления некоторых оксидов металлов, например натрия, калия, цинка, при отсутствии восстановления оксидов железа, никеля. Верхний предел соотношений получен для плавки пыли печей ДСП с содержанием цинка 12,3%, когда при превышении данного придела соотношений в плавильной зоне начиналось восстановление железа. Для шихты с более низким содержанием цинка предельное соотношение СО/CO₂ и Н₂/H₂O, после которого начиналось восстановление железа, было ниже.

В восстановительной зоне процессы восстановления могут иметь место только при восстановительном потенциале состава газовой фазы, определяемого соотношением СО/CO₂ 0,2-1,5, а Н₂/H₂O 0,1-0,9. Нижний предел соотношений обусловлен необходимостью основного запаса химического тепла отходящих газов вернуть в ванну восстановительной зоны, не подавляя при этом процессы восстановления, верхний предел обусловлен необходимостью максимально возможного запаса химического тепла отходящих газов восстановительной зоны вернуть в ванну плавильной зоны. Выбор соотношения газов СО/CO₂ и Н₂/H₂O определяется производительностью агрегата, химическим составом сырья и угля, состоянием теплового баланса каждой зоны, что позволяет минимизировать расходы углесодержащих и кислородосодержащих материалов на единицу готовой продукции и таким образом повысить техническую и экономическую эффективность процесса.

Изобретение поясняется примерами.

Пример 1

Шихту в составе необогащенной железной руды с содержанием оксида железа 52,2% в количестве 56 т/ч, энергетического угля с содержанием твердого углерода 77,1% в количестве 6,7 т/ч, извести с содержанием оксида кальция 88,8% в количестве 0,4 т/ч непрерывно загружают в плавильную зону. Расплав продувают кислородосодержащим дутьем объемом 8000 нм³/ч, образующийся расплав в количестве 49 т/ч перетекает в восстановительную зону, куда дополнительно подают углесодержащий материал в количестве 14 т/ч, кислородсодержащие дутье на продувку расплава и дожигание горючих газов над расплавом в количестве 16000 нм³/ч, при этом соотношения газов СО/СO₂ и Н₂/Н₂O поддерживается 1,19 и 0,34 соответственно. Отходящий газ из восстановительной зоны переходит в плавильную зону, где взаимодействует с воздухом верхних фурм данной зоны в количестве 28700 нм³/ч, при этом поддерживается соотношение газов СО/СO₂ и Н₂/Н₂O 0,02 и 0,03 соответственно.

Пример 2

Шихту в составе доменного шлама с содержанием железа общего 49,2% в количестве 55 т/ч, энергетического угля с содержанием твердого углерода 77,1% в количестве 5,7 т/ч, извести с содержанием оксида кальция 88,8% в количестве 4,4 т/ч непрерывно загружают в плавильную зону. Расплав продувают кислородосодержащим дутьем объемом 9100 нм³/ч, образующийся расплав в количестве 52,4 т/ч перетекает в восстановительную зону, куда дополнительно подают углесодержащий материал в количестве 15,9 т/ч, кислородсодержащие дутье на продувку расплава 6000 нм³/ч дожигание горючих газов над расплавом в количестве 12000 нм³/ч, при этом соотношения газов СО/СO₂ и Н₂/Н₂O поддерживается 0,84 и 0,23 соответственно. Отходящий газ из восстановительной зоны переходит в плавильную зону, где взаимодействует с кислородом верхних фурм данной зоны в количестве 6000 нм³/ч, при этом поддерживается соотношение газов СО/СО₂ и Н₂/Н₂О 0,01 и 0,02 соответственно.

Пример 3

Доменный шлам с содержанием железа общего 49,2% в количестве 55 т/ч в соответствие с примером 2, энергетический угль с содержанием твердого углерода 77,1% в количестве 4,7 т/ч, известь с содержанием оксида кальция 88,8% в количестве 4,4 т/ч непрерывно загружают в плавильную зону. Расплав продувают кислородосодержащим дутьем объемом 6500 нм³/ч, образующийся расплав в количестве 52,4 т/ч перетекает в восстановительную зону, куда дополнительно подают углесодержащий материал в количестве 17,9 т/ч, кислородсодержащие дутье на продувку расплава 8000 нм³/ч, дожигание горючих газов над расплавом в количестве 12000 нм³/ч, при этом соотношения газов СО/СO₂ и Н₂/Н₂О поддерживается 1,10 и 0,31 соответственно. Отходящий газ из восстановительной зоны переходит в плавильную зону, где взаимодействует с кислородом верхних фурм данной зоны в количестве 7600 нм³/ч, при этом поддерживается соотношение газов СО/СО₂ и Н₂/Н₂O 0,01 и 0,02 соответственно.

Из примеров видно, что при одинаковой нагрузке по железорудной составляющей расплавление и восстановление материала идет при разных соотношениях газов СО/СO₂ и Н₂/Н₂O (0,84 и 0,23, пример 2, и 1,10 и 0,31, пример 3, в восстановительной зоне при равных соотношениях в плавильной зоне). Однако расчет удельного расхода углесодержащего материала на тонну металл показал, что для примера 2 расход угля на 4% ниже, чем для условий примера 3, что подтверждает возможность более эффективного управления процессом плавки в двухзонной печи посредством регулирования соотношения газов СО/СO₂ и Н₂/Н₂O в заявляемых пределах.

Предложенный способ позволяет более эффективно управлять процессом плавки в двухзонной печи и снизить удельный расход угля на 2-4%. Способ позволяет полноценно использовать твердое топливо, повысить коэффициент использования топлива до величины более 97%, снизить концентрацию СО до 150-170 мг/м³, снизить концентрацию NO до величины менее 90 мг/м³.