СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В ПЕЧИ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ПОДОМ И УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ПЕЧНОЙ АППАРАТ

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения твердого железоуглеродистого продукта из материала на основе оксида железа для производства железа высокой чистоты и к усовершенствованному печному аппарату для осуществления данного способа.

Уровень техники

В 1987 г. фирмой Мидрекс (Midrex) был получен патент США №4701214, в котором были описаны восстановление железа в печи с вращающимся подом и способ обеспечения ее функционирования, требующий меньших затрат энергии и меньшего рабочего пространства печи благодаря подаче газов, способствующих восстановлению железа, и топлива внутрь печи с вращающимся подом.

Все основные методы производства стали требуют использования в качестве сырья железосодержащих материалов. При выплавке стали с применением базового кислородного процесса обычно железосодержащими материалами являются горячий доменный металл и стальной лом. Широко используемым источником железа является продукт, известный как "железо прямого восстановления" (ЖПВ), который получается восстановлением железной руды в твердом состоянии без образования расплавленного железа. ЖПВ и/или стальной лом используются в сталеплавильном производстве с применением электродуговых печей.

В металлургической промышленности продолжается поиск новых решений по модификации печей и усовершенствованию способов их функционирования, которые обеспечили бы эффективное производство железа высокой чистоты с низким содержанием углерода (<5%), с эффективным восстановлением окислов железа в очищенное железо на поверхности пода печи при отделении шлаков от очищенного железа при повышенной температуре.

В 1998 г. заявителем настоящего изобретения, фирмой Мидрекс Интернешнел (Midrex International), был получен патент США №5730775, в котором описан усовершенствованный способ, известный под торговым наименованием (товарным знаком) FASTMET™, а также аппарат для получения железа прямым восстановлением из сухого оксида железа и прессованных брикетов углерода, которые укладываются слоями, не более двух слоев по толщине, на вращающийся под с последующей металлизацией при нагреве брикетов до температур приблизительно в интервале от 1316°С до 1427°С в течение короткого периода времени. Для более полной характеристики уровня техники содержание патента США №5730775 включено в данное описание посредством ссылки на него.

В качестве наиболее близкого аналога предложенной группы изобретений может быть принят процесс восстановления оксида железа в печи с вращающимся подом, описанный в международной заявке WO 97/06281. В данном документе раскрыт процесс получения твердого железоуглеродистого продукта из материала на основе оксида железа, включающий использование печи с вращающимся подом с подстилающей (открытой) поверхностью, загрузку на поверхность пода агломерированных материалов, содержащих оксид железа и углерод, их нагрев и восстановление. Описана также печь для восстановления материала на основе оксида железа, которая содержит под, средство загрузки агломерированных материалов, содержащих оксид железа и углерод, средства нагрева поверхности пода и агломерированных материалов и средство восстановления агломерированных материалов. Однако технические решения, раскрытые в данном документе, не обеспечивают производство железа высокой чистоты при эффективном отделении шлаков от очищенного железа.

Сущность изобретения

Таким образом, настоящее изобретение направлено на создание способа, обеспечивающего эффективное получение железа высокой чистоты, с содержанием в нем углерода от 1% до 5%, при повышенных температурах в печи с вращающимся подом и с отделением шлака от очищенного железа на поверхности пода печи при повышенных температурах.

Вторая задача, решаемая изобретением, заключается в создании способа, обеспечивающего эффективное восстановление оксида железа при повышенных температурах в реактивной и восстанавливающей печи.

Дополнительная задача состоит в создании усовершенствованного печного аппарата для получения железа высокой чистоты и для охлаждения железа высокой чистоты на поверхности пода для более легкого отделения компонентов шлака внутри печи.

Таким образом, настоящее изобретение направлено на улучшение использования печи с вращающимся подом при прямом восстановлении железа с использованием способа производства продукта железа высокой чистоты из сырьевого материала, представляющего собой оксид железа и дополнительно содержащего соединения углерода.

Задачи, поставленные перед настоящим изобретением, решаются, в первую очередь, созданием способа получения твердого железоуглеродистого продукта из материала на основе оксида железа, содержащего соединения углерода. Способ по изобретению включает использование печи с вращающимся подом, загрузку на поверхность пода (верхний слой которой может представлять собой слой огнеупорного материала) агломерированных материалов, содержащих оксид железа и углерод, и их восстановление путем нагрева. При этом способ по изобретению характеризуется тем, что восстанавливают агломерированные материалы, содержащие оксид железа и углерод, до образования на поверхности пода железоуглеродистых капель и частиц шлака, затем отделяют указанные капли от частиц шлака на верхнем слое поверхности пода внутри печи. По завершении операции отделения железоуглеродистые капли охлаждают до образования твердых железоуглеродистых гранул, выгружают гранулы из печи и удаляют из печи частицы шлака отдельно от указанных гранул.

При этом для охлаждения железоуглеродистых капель предпочтительно устанавливают в печь охлаждающую поверхность.

В соответствии с предпочтительным вариантом способа по изобретению используют печь с открытой или с подстилающей поверхностью пода. При осуществлении данного варианта способа до подачи указанных агломерированных материалов осуществляют нанесение на поверхность пода модифицирующих материалов, содержащих соединения оксида железа, углерода и диоксида углерода, и нагрев указанных модифицирующих материалов с образованием на указанной поверхности пода стекловидного слоя, содержащего, по меньшей мере, оксид железа и соединения диоксида кремния. В данном варианте образование железоуглеродистых капель и частиц шлака, а затем твердых железоуглеродистых гранул, отделенных от частиц шлака, происходит на указанном стекловидном слое.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом способа по изобретению на стекловидный слой или на подстилающую поверхность пода печи наносят дополнительные покрывающие материалы с образованием защитного слоя. Покрывающие материалы, которые в предпочтительном варианте представляют собой смесь, предпочтительно выбирают из группы, состоящей из соединений оксида магния, соединений оксида кремния, соединений оксида алюминия, соединений оксида железа и соединений углерода. Соответственно в данном варианте образование железоуглеродистых капель и частиц шлака, а затем твердых железоуглеродистых гранул происходит на защитном слое.

Нагрев указанных агломерированных материалов предпочтительно осуществляют с использованием тепловых излучателей, которые способны обеспечить температуру внутри печи, в зоне их установки, от, по меньшей мере, 1450°С до 1600°С. В этом случае восстановление агломерированных материалов предпочтительно ведут в интервале температур внутри печи от, по меньшей мере, 1450°С до 1540°С, что соответствует интервалу температур на поверхности пода, от, по меньшей мере, 1400°С до 1500°С, в частности, от, по меньшей мере, 1410°С до 1480°С.

Задачи, поставленные перед настоящим изобретением, решаются также созданием печного аппарата для прямого восстановления материала на основе оксида железа в твердый железоуглеродистый продукт при повышенных температурах внутри печи с вращающимся подом, у которой имеется нереактивная поверхность пода, полученная нанесением покрывающих материалов. Печной аппарат по изобретению содержит печь с подом и средство загрузки агломерированных материалов, содержащих оксид железа и углерод, средства нагрева поверхности пода и агломерированных материалов и средство восстановления этих материалов. Данный печной аппарат характеризуется тем, что поверхность пода снабжена слоем огнеупорного материала, а средство восстановления указанных агломерированных материалов выполнено с возможностью образования железоуглеродистых капель и частиц шлака и отделения их от частиц шлака. Далее печной агрегат снабжен средством подачи смеси покрывающих материалов на поверхность пода, средством нагрева покрывающих материалов, средством охлаждения указанных капель на поверхности пода с образованием твердых железоуглеродистых гранул, а также средством выгрузки указанных гранул из печи и средством удаления частиц шлака из печи.

В предпочтительном варианте выполнения поверхность пода печи выполнена из огнеупорного материала и имеет возможность вращения. Кроме того, эта поверхность дополнительно содержит стекловидный слой из соединений оксида железа и диоксида кремния, который образован путем нанесения покрывающих материалов на указанную поверхность огнеупорного материала до подачи смеси.

Средство подачи смеси покрывающих материалов предпочтительно содержит транспортер для сыпучих материалов, выполненный с возможностью подачи покрывающих материалов на поверхность пода печи. При этом смесь покрывающих материалов может дополнительно содержать слой углеродосодержащего материала, который, как и указанная смесь покрывающих материалов, нанесен на поверхность пода до загрузки на нее агломерированных материалов посредством указанного средства подачи. Средство выгрузки твердых железоуглеродистых гранул предпочтительно содержит выгружающий механизм, включающий в себя транспортер, выполненный с возможностью приема указанных гранул на выходе из печи.

Используемое в печном аппарате средство нагрева предпочтительно выполнено в виде множества тепловых излучателей, обеспечивающих достижение в внутри печи и, в частности, на поверхности пода требуемых температур, указанных выше при описании способа по изобретению.

Средство охлаждения указанных капель на указанной поверхности пода содержит в предпочтительном варианте охлаждающую поверхность, выполненную в виде охлаждающей плиты, установленной в непосредственной близости от верхнего слоя поверхности пода (в частности, от указанных стекловидного или защитного слоев, в случае их наличия) или от огнеупорной поверхности пода и перекрывающей по ширине поверхность пода.

Усовершенствованный печной аппарат в сочетании при осуществлении в нем способа по изобретению обеспечивает получение твердых гранул железа высокой чистоты, включающих углерод. При этом данные гранулы отделены от частиц шлака и могут быть выгружены без существенных потерь конечного продукта железа на внутренних поверхностях печи. Содержание железа в выгружаемых гранулах получаемого материала составляет примерно 95%, при содержании углерода примерно 5% или менее.

Перечень фигур чертежей

Далее будет подробно описан предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения.

Фиг.1 представляет, на виде в плане, печь с вращающимся подом для восстановления оксида железа и получения расплавленных железоуглеродистых капель, у которой имеется средство охлаждения железоуглеродистых капель с низким содержанием углерода внутри печи.

Фиг.2 иллюстрирует, на виде в плане, нанесение распылением покрывающего материала на поверхность пода с формированием защитного слоя для подачи на этот защитный слой, в соответствии с настоящим изобретением, агломератов оксида железа и углерода.

Фиг.3 иллюстрирует, на виде в плане, нанесение твердого покрывающего материала на поверхность пода с формированием защитного слоя для подачи на этот защитный слой, в соответствии с настоящим изобретением, агломератов оксида железа и углерода.

На фиг.4 представлено перспективное изображение множества частиц покрывающих материалов, распыляемых на верхний слой поверхности пода и формирующих защитный слой, на который, в соответствии с изобретением, подаются с выравниванием агломераты оксида железа.

На фиг.5 представлено перспективное изображение множества твердых частиц покрывающих материалов, формирующих множество слоев, наносимых на верхний слой поверхности пода и формирующих вместе с ним защитный слой, на который, в соответствии с изобретением, подаются с выравниванием агломераты оксида железа.

Фиг.6 представляет собой вид сбоку на железоуглеродистые капли с низким содержанием углерода, находящиеся, в соответствии с настоящим изобретением, на верхнем слое поверхности пода, отдельно от частиц шлака.

Фиг.7 представляет собой вид сбоку на средство охлаждения железоуглеродистых капель с низким содержанием углерода, установленное, в соответствии с настоящим изобретением, в непосредственной близости от верхнего слоя поверхности пода.

На фиг.8 представлено перспективное изображение механизма выгрузки, служащего для удаления, в соответствии с настоящим изобретением, железоуглеродистых гранул с низким содержанием углерода с верхнего слоя поверхности пода.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На чертежах и, в частности, на фиг.1 представлена печь 10 прямого восстановления, которая используется для восстановления исходного материала в виде оксида железа. Печь 10, которая может представлять собой печь с вращающимся подом (ПВП), по размерам соответствует типовой подовой печи, используемой в черной металлургии, с шириной активной поверхности пода от 1 до 7 м и более. У ПВП 10 имеется поверхность 30 пода, изготовленная из огнеупорного материала или покрытая стекловидным слоем. Эта поверхность выполнена с возможностью вращения от зоны 12 загрузки материала с проходом через две или три зоны 14, 16, 17 горелок (используемых в качестве тепловых излучателей), реакционную зону 17 и зону 18 выгрузки (см. фиг.1). Поверхность 30 из огнеупорного материала или со стекловидным слоем при своем дальнейшем вращении переходит из зоны 18 выгрузки к зоне 12 загрузки материала и далее для обеспечения непрерывной работы проходит через зоны 12, 14, 16, 18. В каждой из зон 14, 16, 17 горелок используется множество горелок, работающих на топливовоздушной смеси, нефти, угле или на горючем, обогащенном кислородом.

Зона 12 загрузки материала снабжена окном 24 и средством (механизмом) 26 загрузки, посредством которого в печь подаются агломераты 28 оксида железа и углерода. Выравнивание слоя агломератов 28 на заданном уровне над огнеупорной поверхностью 30 пода или стекловидным слоем производится выравнивателем 29, который перекрывает поверхность 30 по всей ее ширине. Агломераты 28 непрерывно загружаются в ПВП 10 механизмом 26 загрузки в процессе вращения поверхности 30 пода вокруг оси ПВП 10 от привода переменной скорости (не изображен). Благодаря этому время пребывания агломерата внутри ПВП 10 и в каждой из зон 14, 16, 18 может задаваться настройкой данного привода.

В зоне 12 загрузки материала перед механизмом 26 загрузки, обеспечивающим подачу агломератов 28 от загрузочного бункера 27, установлено средство подачи покрывающих материалов 36, таких как угольный порошок, кремний, соединения оксида железа, графита или мелких фракций ("мелочи") сырьевых материалов на основе оксида железа. Средство подачи может быть выполнено в виде распылителя 32 (фиг.2) или, по меньшей мере, одного транспортера 34 для сыпучих материалов (фиг.3). Данный транспортер 34 может быть также использован для подачи дополнительных покрывающих соединений 38 в виде отдельного слоя, наносимого на огнеупорную поверхность или на стекловидный слой. Если материалы 36, 38 представляют собой мелкие частицы, они могут быть смешаны с жидким носителем и поданы посредством распылителя 32. Распылитель 32 может иметь внутреннее охлаждение для того, чтобы обеспечить ввод покрывающих материалов в виде мелких частиц в потоке распыленной жидкости на поверхность 30 (фиг.2). Если материалы 36, 38 подаются в ПВП 10 без помощи жидкого носителя, транспортер 34 доставляет покрывающие материалы 36 и дополнительные покрывающие материалы 38 как можно ближе к огнеупорной поверхности 30 или стекловидному слою и наносит их на него по всей его ширине (фиг.3).

Дополнительные покрывающие материалы 38 могут включать любые из следующих соединений: оксид железа, диоксид кремния, оксид магния (МgО), оксид алюминия (АlО₃), оксид кремния SlO₂, частицы, образующиеся при восстановлении и плавке оксидов железа, а также углеродосодержащие материалы. Покрывающие материалы 36 и/или соединения 38 могут иметь различные размеры частиц или кусков, но не более 10 мм, предпочтительно около 1 мм или менее. Объемная масса материалов 36, 38 может составлять около 0,5 г/см³ или более. Толщина слоя покрывающих материалов может составлять около 0,1 мм или превышать это значение.

Поверхность 30 пода из огнеупорного материала или со стекловидным слоем, находящаяся внутри ПВП 10, вместе с нанесенными на нее покрывающими материалами 36, 38 может быть подвергнута термообработке при температурах пода в интервале примерно от 1500°С до 1600°С. Предпочтительный интервал температур пода составляет от 1530°С до 1550°С. После прохождения, в процессе вращения, через зоны 14, 16, 17 покрывающие материалы подвергают охлаждению. Средство охлаждения может представлять собой охлаждающую плиту 48, которая находится перед зоной 18 выгрузки и внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. Плита 48 находится в непосредственной близости к поверхности 30 пода и перекрывает ее по ширине для того, чтобы создать вблизи поверхности 30 зону более низкой температуры.

Температура в зоне 17 (фиг.1) предпочтительно составляет от 1450°С до 1600°С. Агломераты 28 оксида железа и углерода могут поддерживаться в интервале температур примерно от 1400°С до 1500°С. Предпочтительная температура для агломератов оксида железа примерно от 1410°С до 1480°С.

Средство нагрева поверхности 30 пода, покрывающих материалов 36 и наносимых поверх них дополнительных соединений 38, может содержать либо горелки, работающие на соответствующем топливе, либо другие тепловые излучатели для нагрева ПВП 10, устанавливаемые в полости печи в зонах 14, 16 или 17 горелок. Топливо, используемое в горелках, может представлять собой топливные смеси, обычно используемые при производстве железа, например коксовый газ, природный газ, жидкое топливо и/или пылевидный уголь, сжигаемый с воздухом или с воздухом, обогащенным кислородом.

После того, как покрывающие материалы 36 и/или дополнительные покрывающие вещества 38 нанесены на поверхность 30, производится загрузка агломератов 28 оксида железа и углерода, а также углерода на верхний слой поверхности 30, покрытый материалами 36, 38 путем подачи агломерированных материалов, включая агломераты 28 оксида железа и углерода, а также прочие загружаемые материалы механизмом 26 загрузки или любым стандартным ленточным, или спиральным транспортером, работающим в непрерывном или прерывистом режиме (фиг.1).

Агломераты 28 оксида железа и углерода нагревают и перемещают на вращающейся поверхности 30 из первой зоны 14 во вторую зону 16 или (в случае необходимости) в третью зону 17. Восстановление агломератов 28 оксида железа происходит в зонах 14, 16 и 17 горелок. Образование капель расплавленного металла и затвердевание капель происходит при указанных выше температурах в реакционной зоне, также снабженной охлаждающим устройством 48. В течение фазы восстановления покрывающие материалы 36 и вещества 38 снижают тепловую нагрузку на поверхность 30 пода печи. Покрывающие вещества 38 позволяют создать барьер для высокореактивного очищенного жидкого железа, выделяющегося из агломератов 28 оксида железа, заставляя жидкое железо оставаться поверх покрывающего слоя, нанесенного на поверхность 30 пода.

Оптимальным вариантом промежуточной фазы, соответствующей образованию жидкого металла в процессе осуществления способа по изобретению, является формирование железоуглеродистых капель 41, т.е. капель жидкого расплавленного раствора, содержащего углерод и железо в соотношении около 95% железа и около 5% углерода. Предпочтительным соотношением углерода и железа в жидком расплаве, образующем капли на поверхности 30 пода, является около 95,5-97,5% железа и около 2,5-4,5% углерода.

Существенным преимуществом нанесения на поверхность 30 покрывающих веществ 38 является формирование физически разделенных железоуглеродистых капель 41, формируемых в результате восстановления агломератов 28 оксида железа и углерода, образования расплава и разделения его на железоуглеродистые капли 41, шлак и примеси (не показаны). Железоуглеродистые капли 41 формируются на поверхности 30 пода печи, внутри агломератов 28 или вне их. Образование железоуглеродистых капель 41 имеет место в зонах 14, 16 и/или в реактивной зоне 17. Железоуглеродистые капли 41 остаются отделенными от шлака и примесей на поверхности 30 пода. При этом железоуглеродистые капли 41 не поглощаются поверхностью 30 пода благодаря тому, что на эту поверхность было предварительно нанесено покрытие. Таким образом, в зоне 18 выгрузки из печи могут быть извлечены затвердевшие гранулы 42 высокочистого твердого продукта с содержанием железа свыше 95%, не загрязненного какими-либо примесными частицами или шлаком на поверхности 30 пода или на каких-либо других внутренних поверхностях ПВП 10.

Покрывающий слой из материалов 36 и покрывающих веществ 38 может обновляться посредством периодической или непрерывной подачи покрывающих материалов 36 и веществ 38 на протяжении рабочих циклов ПВП 10, во время выгрузки твердых железоуглеродистых гранул 42, перед тем, как на поверхность 30 пода подают агломераты 28 оксида железа и углерода.

Восстановленный и очищенный материал на основе железа в форме гранул 42 с низкой концентрацией углерода выводится из зоны 18 выгрузки с помощью соответствующего средства выгрузки материала с вращающейся поверхности, например, посредством выгружающего механизма, включающего в себя транспортер 50. Данный транспортер может представлять собой постоянно или периодически работающий ленточный конвейер, винтовой или спиральный конвейер, расположенный над поверхностью 30 пода (фиг.8). Железоуглеродистые гранулы 42 после отделения от них, в процессе охлаждения, остаточного шлака имеют большую степень чистоты и более высокое содержание углерода, чем аналогичные гранулы, получаемые в подовых печах по известным технологиям, таким как EASTMET™.

В альтернативном варианте способа по изобретению, реализуемого в ПВП 10, предварительно формируют стекловидный слой 36 из оксида железа и диоксида кремния и слой 38 из модифицирующего материала в качестве верхнего слоя поверхности 30 пода. Стекловидный слой 36 оксида железа и диоксида кремния способствует предотвращению воздействия расплавленных капель 41 железа на поверхность пода.

В другом альтернативном варианте покрывающие вещества 38, такие как оксид железа, оксид магния (МgО), оксид алюминия (Аl₂О₃) и диоксид кремния (SiO₂), угольный порошок, частицы углерода, образующиеся при восстановлении и расплавлении оксидов железа, могут быть введены в состав поверхности 30. После прохождения, в процессе вращения, через зоны 14, 16, 17 покрывающие вещества 38 подвергают охлаждению. Средство охлаждения может представлять собой охлаждающую плиту 48, которая находится перед зоной 18 выгрузки и внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. Плита 48 находится в непосредственной близости к поверхности 30 пода и перекрывает ее по ширине для того, чтобы создать вблизи поверхности 30 зону более низкой температуры.

В другом альтернативном варианте на поверхность 30 пода может быть нанесен углеродосодержащий покрывающий материал для создания отдельного слоя углерода (не изображен). Углеродосодержащий материал служит в качестве нереактивного расходуемого слоя углерода, который способствует образованию расплавленных железоуглеродистых капель 41 (см. фиг.6), а также твердых железоуглеродистых гранул 42, предотвращая при этом воздействие указанных капель 41 или гранул 42 на поверхность 30 пода. Благодаря тому, что обеспечивается отделение расплавленных железоуглеродистых капель 41 или твердых железоуглеродистых гранул 42 от частиц шлака и от поверхности 30 пода, обеспечивается возможность получения железа высокой чистоты с содержанием примерно 95% при содержании углерода примерно 5%.

Из приведенных данных с очевидностью следует, что настоящее изобретение обеспечило создание печного аппарата и способа получения твердого железоуглеродистого продукта с целью эффективного производства в печах с вращающимся подом, в больших объемах и при более высокой чистоте, твердого продукта на основе железа с низким содержанием углерода. При этом данный результат достигается без существенного роста затрат, длительности процесса или применения чрезмерно высоких температур. По существу, достижение согласно изобретению существенно более высокого качества очистки продукта на основе железа с низким содержанием углерода обеспечивается дополнительным использованием перечисленных выше покрывающих материалов для формирования на поверхности 30 пода защитного слоя из оксида железа, диоксида кремния, оксида алюминия, МgО или из соединений кремния и/или соединений углерода. Слои 36, 38 из материалов различного состава формируют путем ввода покрывающих материалов перед загрузкой агломератов оксида железа и углерода на вращающуюся поверхность пода печи, выполненную из огнеупорного материала (фиг.7).

Преимущества, обеспечиваемые использованием изобретения, обусловлены тем, что при нормальной температуре в печи покрывающие материалы формируют защитный слой 38, связанный с поверхностью 30, выполненной из огнеупорного материала или покрытой стекловидным слоем. Тем самым предотвращается связывание очищенного продукта на основе железа при низком содержании углерода с указанной поверхностью 30, снабженной огнеупорным или стекловидным слоем. Подобное связывание с поверхностью делает затруднительным удаление или выгрузку из печи продукта высокой чистоты на основе железа с низким содержанием углерода. Настоящее изобретение, определяемое прилагаемой формулой изобретения, решает эту проблему потери очищенного железоуглеродистого продукта внутри ПВП 10.

Выше, со ссылками на определенные предпочтительные варианты, было приведено подробное описание настоящего изобретения с целью - дать читателю возможность практически реализовать изобретение без чрезмерного экспериментирования. При этом следует учитывать, что данное описание, включая конкретные примеры осуществления, приведено только в качестве иллюстрации возможных вариантов изобретения, так что специалистами в данной отрасли могут быть внесены различные модификации и дополнения в конструкцию печного аппарата, не выходящие за границы идеи и объема изобретения.