СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО ЖЕЛЕЗА

Настоящее изобретение относится к способам получения расплавленного железа. В частности, настоящее изобретение относится к способу для эффективного получения расплавленного железа с высокой чистотой при термическом восстановлении материалов на основе оксидов железа, таких как железная руда, с помощью углеродсодержащих восстановителей, таких как углеродсодержащие материалы.

В настоящее время расплавленное железо получают путем восстановления материалов на основе оксидов железа, таких как железная руда, в основном, с помощью схемы производства, включающей доменную печь и конвертор. Этот способ производства всегда требует кокса в качестве восстановителя. Кроме того, данный способ делает экономические соображения, связанные с масштабом производства, главными; следовательно, способ не может соответствовать ограниченному производству разнообразных продуктов при изменении экономических тенденций.

Прямые способы получения железа, такие как MIDREX, являются пригодными для ограниченного производства разнообразных продуктов. К сожалению, эти способы используют природный газ в качестве восстановителя; по этой причине набор мест для строительства установок являются ограниченными.

Другой способ для получения расплавленного железа представляет собой способ SL/RN, который включает в себя производство восстановленного железа с помощью углеродистых восстановителей на основе угля и плавление восстановленного железа в электрической печи. Известно также множество способов прямого получения железа, в которых печь с вращающимся подом и электрическая плавильная печь используются для восстановления оксида железа и плавления восстановленного железа. Поскольку эти способы потребляют большое количество электрической энергии, строительство установок является ограниченным теми площадками, к которым может быть легко подведена электрическая энергия.

При таких обстоятельствах интенсивно изучаются возможности усовершенствования способа восстановительного плавления, в котором производится расплавленное железо с использованием источников железа, таких как железная руда, и углеродсодержащих восстановителей, таких как уголь. Типичными примерами способов являются DIOS и HIsmelt с использованием сочетания печи для предварительного восстановления и плавильной восстановительной печи. Ключевыми моментами при практическом использовании этих способов являются высокий коэффициент дожигания и высокая эффективность теплопереноса в плавильной восстановительной печи. Однако в таких условиях шлак, который получается в качестве побочного продукта во время восстановительного плавления из компонентов пустой породы в источнике железа, таком как железная руда, неизбежно имеет высокое содержание оксида железа (FeO). Оксид железа значительно разрушает огнеупорные материалы футеровки печи. Известный способ включает в себя водяное охлаждение печи для понижения эрозии огнеупорных материалов. Этот способ, однако, обуславливает большие тепловые потери в печи, значительно понижая производительность по расплавленному железу и эффективность использования тепловой энергии.

Один из способов прямого получения железа включает в себя нагрев углеродсодержащих гранул (окатышей или брикетов), которые представляют собой формованные смеси источников железа, таких как железная руда, и углеродсодержащих восстановителей, таких как углеродистые материалы, в печи с вращающимся подом для восстановления источников железа, и восстановление продукта в плавильной восстановительной печи. В этом способе горячий отходящий газ, образующийся в плавильной восстановительной печи, вводят в печь с вращающимся подом и используют тепло отходящего газа в плавильной восстановительной печи с целью улучшения общей тепловой эффективности оборудования. Однако горячий отходящий газ из плавильной восстановительной печи содержит большое количество пыли, который осаждается не только на внутренних стенках труб, но также на стенках печи с вращающимся подом, затрудняя стабильную непрерывную работу.

Этот способ связан также и со следующей проблемой. Если в плавильной восстановительной печи происходит изменение температуры, количество тепла в горячем газе, подведенное к печи с вращающимся подом, и восстановительный потенциал газа изменяются, приводя к нестабильной работе оборудования. Такая нестабильная работа вызывает изменения в эффективности восстановления оксида железа и металлизации в печи с вращающимся подом. В результате произведенное железо не имеет постоянной чистоты. Кроме того, побочный продукт - шлак - содержит повышенное количество оксида железа (FeO), которое разрушает огнеупорный под.

В дополнение к этому в способе восстановительного плавления большие количества кислорода и тепла подводятся в плавильную восстановительную печь. Таким образом, обслуживание огнеупорных материалов печи и фурмы является необходимым, для чего используются устройства для качания и поступательного перемещения печи, что приводит к увеличению стоимости производства расплавленного железа.

Целью настоящего изобретения является создание способа для эффективного получения расплавленного железа высокой чистоты из смеси оксидов железа и углеродсодержащего восстановителя, при сведении к минимуму эрозии огнеупорных материалов печи с вращающимся подом и плавильной печи, с помощью необходимого регулирования условий работы в способе производства расплавленного железа, который использует сочетание печи с вращающимся подом и плавильной печи.

Способ получения расплавленного железа в соответствии с настоящим изобретением включает в себя стадии введения смеси исходных материалов, содержащей материал на основе оксидов железа и углеродсодержащий восстановитель, в нагревательную восстановительную печь с целью восстановления оксида железа в смеси с углеродсодержащим восстановителем до твердого восстановленного железа; транспортировку твердого восстановленного железа в плавильную печь; и сжигание углеродистого материала, поступающего в качестве топлива, для плавления твердого восстановленного железа в плавильной печи, с целью получения расплавленного железа, причем после того как степень металлизации твердого восстановленного железа увеличивается, по меньшей мере, до 60%, твердое восстановленное железо транспортируется в плавильную печь, и количество кислорода и углеродсодержащего материала, поступившего в плавильную печь, контролируют таким образом, что коэффициент дожигания газообразного CO в плавильной печи уменьшается до 40% или меньше.

Коэффициент дожигания в плавильной печи по настоящему изобретению вычисляется на основании анализа отходящих газов из плавильной печи с помощью следующей формулы:

Коэффициент дожигания =

100×(CO₂+H₂O)/(CO+CO₂+H₂+H₂O)

Эффективность теплопереноса вычисляется из значений температур газа и расплавленного железа, выпускаемых из плавильной печи, и указанного выше коэффициента дожигания.

В смеси исходных материалов, используемых в настоящем изобретении, содержание углерода (A), исключая летучие компоненты, в углеродсодержащем восстановителе и в углеродсодержащем материале предпочтительно является равным или более высоким, чем суммарный химический эквивалент, необходимый для восстановления оксида железа в смеси, конечное содержание углерода в расплавленном железе и количество, соответствующее количеству выделяемого тепла, необходимого для плавления твердого восстановленного железа.

При таких условиях ряд стадий, включающих в себя твердофазное восстановление оксида железа в смеси исходных материалов, восстановление, плавление и получение расплавленного металлического железа, может быть осуществлен без особых проблем и с высокой эффективностью.

Содержание углерода (A) может быть установлено с помощью, по меньшей мере, одного углеродсодержащего компонента, включенного в смесь исходных материалов, которые должны вводиться в нагревательную восстановительную печь, например углеродсодержащего восстановителя, содержащегося в восстановленном железе, которое производится в нагревательной восстановительной печи, или углеродсодержащего материала, поступающего в плавильную печь.

Газ, содержащий кислород, поступающий в плавильную печь, предпочтительно представляет собой газообразный кислород высокой чистоты, содержащий, по меньшей мере, 90% кислорода, который увеличивает коэффициент дожигания в плавильной печи, облегчает контроль температуры при дожигании и эффективный теплоперенос к ванне с расплавленным железом и уменьшает количество отходящих газов и, таким образом, генерирование пыли. Газообразный кислород высокой чистоты может подаваться в плавильную печь с помощью нижнего дутья, верхнего дутья, бокового дутья или их сочетания. Вдувание газообразного кислорода высокой чистоты сверху и сбоку по отношению к слою шлака предпочтительно увеличивает эффективность горения введенного углеродистого материала в слое шлака, что приводит к увеличению эффективности теплопереноса. Предпочтительно эффективность теплопереноса от процесса дожигания к расплавленному железу увеличивается, по меньшей мере, до 60%.

Плавильная печь может быть стационарного (то есть некачающегося) типа или качающегося типа. Предпочтительный способ облегчения плавления с помощью простых операций включает в себя введение твердого восстановленного железа, углеродистого материала и флюса для установления композиций шлака из верхней части плавильной печи под действием силы тяжести. Предпочтительно в плавильной печи в расплавленное железо вдувается инертный газ с целью перемешивания расплавленного железа. Плавление твердого восстановленного железа дополнительно облегчается, и время обработки сокращается.

В случае использования стационарной плавильной печи предпочтительно предусматривается выпускное отверстие в боковой стенке для выпуска расплавленного железа и расплавленного шлака на такой высоте, с которой инертный газ не может вдуваться поверх слоя шлака, тем самым предотвращается зарастание фурмы при вдувании газа.

Материал на основе оксида железа, используемый в настоящем изобретении, как правило, представляет собой железную руду, и в том числе измельченную руду; пыль, содержащая оксид железа, в частности доменная пыль или конверторная пыль; и оксид железа, содержащий нежелезистые металл или его оксид, то есть руду, содержащую нежелезистые металлы, такие как никель, хром, марганец и титан, и их оксиды, и пыль или шлак, возникающие на оборудовании для переплава металла. Эти нежелезистые металлы и их оксиды могут иметь возможность для перехода в шлак, который образуется во время получения расплавленного железа, так что нежелезистые металлы высокой чистоты и оксиды нежелезистых металлов извлекаются в качестве продуктов или исходных материалов.

В способе плавления твердого восстановленного железа в плавильной печи расплавленное металлическое железо содержит заметное количество серы, которое приходит из углеродистых материалов. В этом способе предпочтительно адекватное количество материала, содержащего CaO, добавляют таким образом, что основность (CaO/SiO₂) шлака, сформированного в плавильной печи, равна, по меньшей мере, 1,2. При этом количество серы, переходящее в расплавленный шлак, легко увеличивается, что приводит к понижению содержания серы в металлическом железе. Предпочтительно количество углеродистых материалов, поступающих в плавильную печь, устанавливается таким образом, что содержание углерода в расплавленном металлическом железе составляет, по меньшей мере, 2%. Коэффициент распределения серы со шлаком тем самым увеличивается, дополнительно понижая содержание серы в расплавленном железе.

Твердое восстановленное железо, произведенное в нагревательной восстановительной печи, непосредственно вводят в плавильную печь, при этом поддерживая высокую температуру. Таким образом, тепло твердого восстановленного железа эффективно используется для его плавления. С точки зрения ограничения площади размещения оборудования, твердое восстановленное железо может временно храниться во дворе, а затем может поступать в плавильную печь.

В указанном выше способе отходящий газ, генерируемый в плавильной печи, содержит заметное количество тепла. Это тепло может быть использовано при нагреве восстановительной печи. В таком случае топливный газ охлаждается и подвергается извлечению пыли с целью уменьшения объема пыли в газе до 5 г/м³ (н.у.) или меньше. Осаждение пыли на внутренних поверхностях труб и на стенках нагревательной восстановительной печи тем самым предотвращается. Предпочтительно отходящий газ из нагревательной восстановительной печи используется для предварительного нагрева воздуха. Этот горячий воздух используется, по меньшей мере, в одном из следующих применений: в качестве воздуха для сжигания топлива в нагревательной восстановительной печи, для сушки смеси исходных материалов и для сушки материалов на основе оксида железа и углеродистого восстановителя, для увеличения общей тепловой эффективности способа.

Далее приводится описание со ссылкой на чертежи, на которых показано:

Фиг.1 представляет собой блок-схему общей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой график, демонстрирующий зависимость между расходом углеродистого материала и степенью металлизации при различных коэффициентах дожигания в плавильной печи.

Фиг.3 представляет собой график, демонстрирующий зависимость между расходом углеродистого материала и коэффициентом дожигания при различных значениях степени металлизации.

Фиг.4 представляет собой график, демонстрирующий зависимость между эффективностью теплопереноса к расплавленному железу в плавильной печи и коэффициентом дожигания при различных температурах отходящего газа из плавильной печи.

Далее варианты настоящего изобретения будут описываться подробно, со ссылками на чертежи. Поскольку множество различных вариантов настоящего изобретения может быть осуществлено без отклонения от его замысла и рамок, необходимо понимать, что настоящее изобретение не является ограниченным конкретными вариантами.

Фиг.1 представляет собой блок-схему общей системы в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. Железная руда 1, в качестве источника железа, предпочтительно представляет собой мелкодисперсную руду, имеющую размер частиц примерно 8 мм или меньше. Железную руду 1 сушат в сушилке 2 и измельчают в мельнице 3 для руды. Сушилка 2 использует воздух 4 в качестве источника тепла, причем воздух предварительно нагревается путем теплообмена с отходящим отработавшим газом из печи 14 с вращающимся подом и поступления дополнительного тепла от вспомогательного топлива 5, если это необходимо. Уголь 6, используемый в качестве углеродсодержащего восстановителя, измельчают в дробилке 7 для угля и вводят в смеситель 8. В смесителе 8, измельченная железная руда 1, измельченный уголь 6 и необязательно связующее 9 и соответствующее количество воды смешиваются и формируются в куски 12, такие как окатыши, гранулы или брикеты, в агломерационной машине 11. На этой стадии могут использоваться вспомогательные материалы 10, такие как окись алюминия, окись кремния и окись кальция. Вспомогательные материалы 10 используются при восстановительном плавлении в плавильной печи. Вспомогательный материал 10 может добавляться отдельно или в сочетании.

В настоящем примере смесь исходных материалов формируется в виде кусков. В настоящем изобретении использование таких кусков является наиболее предпочтительным, и варианты, использующие куски, будут описываться ниже. Вместо кусков, однако, в настоящем изобретении может использоваться порошкообразная смесь или слегка компактированная смесь. Типичный источник железа представляет собой железную руду. Пыль от доменной печи и отходы от дробилки, которые содержат оксид железа, могут использоваться вместе с железной рудой. В дополнение к этому могут использоваться другие материалы, содержащие оксид железа, и нежелезистые металлы и соответствующие оксиды, такие как пыль, генерируемая оборудованием для переплавки металла.

Когда углеродистые материалы, такие как уголь 6, используют в качестве углеродсодержащих восстановителей, летучие компоненты, содержащиеся в углеродистых материалах, испаряются при температуре выше 600°C и, по существу, не участвуют в восстановлении оксида железа. Таким образом, по отношению к содержанию углерода, исключая содержание летучего углерода, в углеродистом материале количество углеродистого материала, используемого в настоящем изобретении, определяется суммарным химическим эквивалентом, необходимым для восстановления оксида железа, для целевого содержания углерода в расплавленном железе, для выделения количества тепла, необходимого для плавления твердого восстановленного железа в плавильной печи, и небольшим избыточным количеством, соответствующим потерям в способе.

Агломерационная машина 11, используемая при производстве кусков 12, представляет собой, например, гранулирующую или брикетирующую машину. Предпочтительно куски 12 имеют объемную плотность, по меньшей мере, 1,2 г/см³, а более предпочтительно, по меньшей мере, 1,8 г/см³. Это объемная плотность устанавливается таким образом, чтобы тепло, переносимое к поверхностям кусков 12, быстро поступало внутрь агломератов 12 в нагревательной восстановительной печи (печи с вращающимся подом).

Предпочтительно куски 12 сушат в сушилке 13 до содержания влажности 1% или меньше и вводят в печь 14 с вращающимся подом (нагревательную восстановительную печь). Воздух 4 для сушки, используемый в этом способе, предпочтительно предварительно нагревается путем теплообмена с теплосодержащим отходящим газом из печи с вращающимся подом 14 для эффективного использования высвобождаемого тепла. Предпочтительно температура воздуха 4 для сушки составляет примерно 200°C или меньше для предотвращения взрывного растрескивания кусков 12, вызываемого внезапным улетучиванием воды. Затем высушенные куски 12 вводятся в печь 14 с вращающимся подом для восстановления плавлением.

Предпочтительно степень металлизации восстановленного железа 15, полученного путем восстановительного плавления, составляет, по меньшей мере, 60%, более предпочтительно, по меньшей мере, 80%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 90%, что по затратам тепла на плавление соответствует плавлению металлолома, как описано ниже со ссылкой на фиг.2. Восстановительный газ, выходящий из плавильной печи 16, используется в качестве топлива для процесса восстановительного плавления. Восстановительный газ сжигается в горелке, предусмотренной на боковых стенках печи 14 с вращающимся подом, для нагрева кусков 12.

Для поддержания указанной выше степени металлизации восстановленного железа 15 на стадии термического восстановления состояние горения в горелке должно всегда быть стабильным. Предпочтительно отработавший газ из плавильной печи 16 охлаждается и подвергается извлечению пыли для понижения объема пыли в газе до 5 г/м³ (н.у.) или меньше, а более предпочтительно 1 г/м³ (н.у.) или меньше. В дополнение к этому природный газ или порошкообразный уголь предпочтительно используются в качестве дополнительного топлива 17, которое подается на начальной стадии работы оборудования и при тепловой компенсации для печи 14 с вращающимся подом.

В печи 14 с вращающимся подом газообразный CO, образующийся благодаря реакциям, представленным ниже, с помощью формул (2) и (4), подвергается дожиганию в присутствии предварительно нагретого воздуха 4 для сушки, как представлено в уравнении (1):

Теплота этой реакции используется для термического восстановления кусков 12. На этой стадии моноокись углерода полностью окисляется, так что кислород в отходящем газе по существу отсутствует. Это означает, что энергия углеродистого материала полностью потребляется в печи 14 с вращающимся подом. Соответственно этот способ имеет высокую энергетическую эффективность.

Восстановленное железо 15, полученное в печи 14 с вращающимся подом, может подаваться во внешнее пространство производственной линии, но предпочтительно вводится в плавильную печь 16, поскольку оно нагревается для увеличения тепловой эффективности. Предпочтительным является, чтобы восстановленное железо 15 непрерывно вводилось из верхней части плавильной печи 16 под действием силы тяжести. На этой стадии углеродистый материал 18 в качестве источника тепла для плавления восстановленного железа 15 и вспомогательный материал 19 для регулирования состава шлака также вводятся из верхней части плавильной печи 16. Такое введение сверху облегчает обслуживание узла ввода.

Углеродистому материалу 18 обеспечивают возможность для взаимодействия с источником кислорода 20 в плавильной печи 16 для восстановления оксида железа, остающегося в восстановленном железе 15, и для плавления восстановленного железа с целью получения расплавленного железа, имеющего содержание углерода, предпочтительно равное 2% или более, более предпочтительно равное от 2,5% до 4,5%.

Предпочтительно количества источника 20 кислорода и углеродистого материала 18 контролируются таким образом, что коэффициент дожигания газообразного CO, генерируемого в плавильной печи 16, составлял 40% или меньше, а более предпочтительно находится в пределах от 20% до 40%. В результате тепловая эффективность переноса тепла от дожигания к расплавленному металлу может быть увеличена, по меньшей мере, до 60%, более предпочтительно, по меньшей мере, до 75%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, до 80%. Причины для ограничения этих параметров будут описаны ниже.

Предпочтительно используемый источник кислорода 20 представляет собой газообразный кислород высокой чистоты, содержащий, по меньшей мере, 90% кислорода, который вдувают по направлению к слою шлака, покрывающего расплавленный металл в плавильной печи 16, путем верхнего дутья, бокового дутья или нижнего дутья для перемешивания ванны. Верхнее вдувание и боковое вдувание газообразного кислорода высокой чистоты являются предпочтительными из-за облегчения обслуживания фурмы. Кроме того, такой способ дутья не требует наклона плавильной печи 16; следовательно, конструкция плавильной печи может быть упрощена.

Использование газообразного кислорода высокой чистоты, содержащего, по меньшей мере, 90% кислорода, облегчает контроль коэффициента дожигания и контроль теплосодержания восстановительного газа, вводимого из плавильной печи 16 в печь 14 с вращающимся подом, а именно необходимый и достаточный контроль для поддержания теоретической температуры горения. Предпочтительно инертный газ 21 вдувается в расплавленное железо с помощью нижнего дутья для перемешивания расплавленного железа. Плавление твердого восстановленного железа 15 при этом дополнительно облегчается.

По меньшей мере, часть или весь углеродистый материал 18, поступающий в плавильную печь 16, и/или другой углеродистый материал могут непосредственно поступать в печь 14 с вращающимся подом в дополнение к кускам 12. Эти другие углеродистые материалы могут вводиться в качестве засыпки на под печи 14 с вращающимся подом, могут поступать вместе с кусками 12 в печь 14 с вращающимся подом или могут поступать в печь 14 с вращающимся подом после поступления туда кусков 12. Все другие углеродистые материалы могут быть в виде пыли, когда они используются в качестве засыпки на под. Однако все остальные углеродистые материалы необязательно являются порошкообразными и могут представлять собой куски, которые одновременно вводятся вместе с кусками 12 или поступают после поступления кусков 12, в печь 14 с вращающимся подом. Поскольку летучие компоненты во всех остальных углеродистых материалах испаряются и используются в качестве сырья для нагрева, объем дополнительного топлива 17 уменьшается.

Все дополнительные углеродистые материалы представляют тип, отличный от углеродистого материала 18, поступающего в плавильную печь 16. Например, когда углеродистый материал 18, поступающий в плавильную печь 16, представляет собой кокс, другой углеродистый материал представляет собой уголь. Соответственно другой углеродистый материал в настоящем изобретении необязательно представляет собой совершенно отличный тип. Возможен вариант, когда дополнительный углеродистый материал и углеродистый материал 18 могут представлять собой один и тот же тип.

Углеродистый материал нагревается для обугливания в печи 14 с вращающимся подом и поступает в плавильную печь для плавления восстановленного железа. В этом процессе летучие компоненты углеродистого материала удаляются, и нагретый уголь поступает в плавильную печь. Таким образом, объем отработавшего газа, когда углеродсодержащий материал поступает в плавильную печь, понижается по сравнению со случаем использования в качестве углеродистого материала 18 для плавильной печи, что приводит к упрощению конструкции устройств для отработавшего газа и к уменьшению объема отработавшего газа 26. Как и углеродистый материал 18, все остальные углеродистые материалы могут представлять собой уголь, древесную стружку, пластиковые отходы или отслужившие срок покрышки. Альтернативно все остальные углеродистые материалы могут представлять собой кокс, древесный уголь или коксовую мелочь, не содержащие летучих компонентов.

Плавильная печь 16 снабжается выпускным отверстием на боковой стенке для выпуска расплавленного железа 22 и расплавленного шлака 23. Выпускное отверстие предпочтительно предусматривается на высоте, с которой не может выпускаться инертный газ 21. Предпочтительно плавильная печь 16 имеет замкнутую структуру, так что весь газ или его часть, образующийся в плавильной печи 16, вводится в печь 14 с вращающимся подом и эффективно используется в качестве источника тепла. Как показано на чертежах, газ, образующийся в плавильной печи 16, охлаждается, поступает в узел удаления пыли 24 для уменьшения объема пыли примерно до 5 г/м³ (н.у.) или меньше, а более предпочтительно 1 г/м³ (н.у.) или меньше и вводится в печь 14 с вращающимся подом. Осаждение пыли на внутренних поверхностях труб и на внутренних стенках печи 14 с вращающимся подом тем самым предотвращается. Для эффективного использования тепла отходящего газа из нагревательной печи 16 для восстановления предпочтительно тепло отходящего газа утилизируется с помощью, например, бойлера с радиационным теплообменом, который расположен на выходе из плавильной печи 16 и связан с узлом 24 для удаления пыли.

Газ поступает в бустерную воздуходувку 25 для контроля давления и поступает для сжигания в горелку печи 14 с вращающимся подом. Предпочтительно избыток газа 26 передается в наружное пространство и используется в качестве топливного газа для находящегося рядом оборудования. Предпочтительно кислород под высоким давлением вдувают в плавильную печь 16, имеющую замкнутую конструкцию, для создания повышенного давления во внутреннем пространстве плавильной печи 16. В таком способе бустерная воздуходувка 25 не является необходимой.

Отходящий газ из печи 14 с вращающимся подом по существу не имеет скрытой теплоты, но по-прежнему находится при высокой температуре. Таким образом, отработавший газ предпочтительно передается для извлечения тепла в бойлер 27 и используется для предварительного нагрева воздуха в теплообменнике 28. Отходящий газ после извлечения тепла в теплообменнике 28 очищается в узле 30 для удаления пыли и выпускается в атмосферу посредством откачивающего вентилятора 31. Откачивающий вентилятор 31 регулирует внутреннее давление в печи 14 с вращающимся подом.

Способ по настоящему изобретению осуществляется в соответствии с указанной выше схемой процесса. Условия работы печи 14 с вращающимся подом и плавильной печи 16 теперь будут описываться с дополнительными подробностями, поскольку эти условия являются особенно важными в настоящем изобретении.

Сначала будет описываться печь 14 с вращающимся подом, главный компонент оборудования для получения восстановленного железа. Когда смесь материала, содержащего оксиды железа и углеродсодержащий восстановитель или предпочтительно куски этой смеси, вводятся в печь с вращающимся подом и нагреваются в ней, происходят реакции, представленные уравнениями (2) - (4):

При этом восстанавливается оксид железа. Количество образующегося CO и CO₂ зависит от количества углеродсодержащего восстановителя, содержащегося в кусках, и от условий нагрева.

Смесь исходных материалов, поступающая в печь с вращающимся подом, нагревается под действием теплоты горения топлива в горелке и под действием радиационного тепла, поступающего от боковых стенок и свода печи. Поскольку излучение тепла пропорционально четвертой степени температуры, достигаются быстрый нагрев и восстановление. Оксид железа в смеси исходных материалов может восстанавливаться до металлического железа путем нагрева в течение очень короткого времени, например, в течение 6-12 минут.

Тепло, полученное поверхностью смеси исходных материалов, переносится по направлению к внутренней части смеси теплопроводностью, чтобы способствовать реакциям, представленным уравнениями (2)-(4). Предпочтительно смесь исходных материалов представляет собой куски, имеющие объемную плотность, равную, по меньшей мере, 1,2 г/см³, а более предпочтительно 1,8 г/см³, для облегчения теплопроводности по направлению к внутренней части смеси исходных материалов.

Отношение материала на основе оксида железа к углеродистому восстановителю должно определяться таким образом, чтобы количество твердого углерода (A), исключая летучие компоненты, в углеродсодержащем восстановителе и в углеродистом материале было равным или большим, чем химический эквивалент, необходимый для восстановления оксида железа. Предпочтительно это отношение определяется с точки зрения тепла горения, необходимого для плавления в плавильной печи, и целевого содержания углерода в расплавленном железе, получаемом путем восстановления плавлением.

В смеси исходных материалов, используемых в настоящем изобретении, содержание углерода (A), исключая летучие компоненты, в углеродсодержащем восстановителе и в углеродистом материале предпочтительно является равным или большим, чем суммарный химический эквивалент, необходимый для восстановления оксида железа в смеси, для целевого содержания углерода в продукте расплавленного железа, и количество, соответствующее количеству тепла, необходимого для плавления твердого восстановленного железа. Содержание углерода может быть установлено с помощью, по меньшей мере, одного из компонентов: (1) углеродсодержащего восстановителя, включенного в смесь исходных материалов, которая должна поступать в нагревательную восстановительную печь, (2) углеродсодержащего восстановителя, включенного в восстановленное железо, которое получают в печи для восстановления и которое еще не поступило в плавильную печь, и (4) любого другого углеродистого материала, поступающего в нагревательную восстановительную печь. Когда большое количество углеродистого материала включается в смесь на стадии приготовления смеси исходных материалов, количество углеродистого материала, добавленного в твердое восстановленное железо, полученное путем восстановительного плавления, и количество углеродистого материала, поступающего в плавильную печь, могут быть соответственно уменьшены.

При восстановительном плавлении в плавильной печи в плавильную печь предпочтительно добавляется материал, содержащий CaO, отдельно или в сочетании с твердым восстановленным железом, таким образом, чтобы основность побочного продукта шлака составляла, по меньшей мере, 1,2. При основности 1,2 или более сера, содержащаяся в расплавленном железе, переходит в расплавленный шлак, и, таким образом, полученное металлическое железо содержит уменьшенные количества компонентов серы.

Когда содержание FeO в побочном продукте - шлаке - понижается, коэффициент распределения серы увеличивается, и, таким образом, содержание серы в расплавленном железе понижается. Поскольку содержание FeO понижается, когда в расплавленном железе увеличивается содержание углерода (B), содержание углерода (B) в расплавленном железе предпочтительно составляет по меньшей мере, 2%, а более предпочтительно, по меньшей мере, 3%, для увеличения коэффициента распределения компонентов серы и, таким образом, для понижения содержания серы в расплавленном железе. Поскольку FeO разрушает огнеупорные материалы футеровки, такое понижение содержания FeO является предпочтительным для понижения эрозии. Содержание углерода (B) в расплавленном железе может быть установлено с помощью, по меньшей мере, одного из компонентов: (1) углеродсодержащего восстановителя, включенного в смесь исходных материалов, которая должна поступать в нагревательную восстановительную печь, (2) углеродсодержащего восстановителя, включенного в восстановленное железо, которое получают в нагревательной восстановительной печи и которое еще не поступило в плавильную печь, (3) углеродистого материала, поступающего в плавильную печь, и (4) любого другого углеродистого материала, который поступает в нагревательную восстановительную печь.

Для осуществления восстановительного плавления в плавильной печи эффективным образом ключевым моментом является то, как увеличивается степень металлизации источника железа (восстановленного железа), которое поступает в плавильную печь. Таким образом, в печи с вращающимся подом металлизация восстановленного железа должна увеличиваться.

По этой причине условия нагрева исходных кусков в печи с вращающимся подом должны адекватно контролироваться. Таким образом, свойства топливного газа для такого нагрева должны стабилизироваться настолько, насколько это возможно. Когда газ, образующийся в плавильной печи, используется в качестве топливного газа в печи с вращающимся подом, дополнительное тепло делает возможным быстрый нагрев и облегчает контроль температуры в печи с вращающимся подом. Это указывает на то, что коэффициент дожигания в плавильной печи понижается для понижения содержания CO₂. Для обеспечения стабильного горения в горелке в течение длительного времени предпочтительным является, чтобы объем пыли в топливном газе был сведен к минимуму для предотвращения осаждения пыли на входных трубах и горелке для топливного газа и закупорки сопел.

По этой причине перед печью с вращающимся подом предусматривается устройство для охлаждения газа из плавильной печи и удаления пыли. В процессе удаления пыли является предпочтительным, чтобы количество пыли в газе составлял 5 г/м³ (н.у.) или меньше, а более предпочтительно 1 г/м³ (н.у.) или меньше. Рабочая температура в узле для удаления пыли предпочтительно составляет примерно 800°C или меньше по соображениям теплостойкости и безопасности узла.

Далее будут описываться рабочие условия в плавильной печи для восстановительного плавления твердого восстановленного железа. Углеродистый материал, поступающий в ванну с железным расплавом, в плавильной печи взаимодействует с вводимым одновременно кислородом высокой чистоты с образованием газообразного CO, как показано в уравнении (5):

Газообразный CO дожигается в газовой фазе над расплавом, как показывает уравнение (6):

Поскольку эти реакции являются экзотермическими, тепло переносится в ванну и используется для дополнительного восстановления и плавления твердого восстановленного железа.

Фиг.2 представляет собой график, демонстрирующий соотношение между расходом углеродистого материала и степенью металлизации, и фиг.3 представляет собой график, демонстрирующий соотношение между расходом углеродистого материала и коэффициентом дожигания. Эти графики демонстрируют, что расход углеродистого материала следует понижать при увеличении металлизации поступающего источника железа (фиг.2) и с увеличением коэффициента дожигания (фиг.3).

Фиг.2 показывает, что расход углеродистого материала не увеличивается при металлизации 60% или более, при коэффициенте дожигания 40% или меньше. Эти условия являются очень благоприятными для стабильной работы, поскольку потребление углеродистого материала является стабильным вне зависимости от степени металлизации.

Соответственно металлизация источника железа (восстановленного железа), поступающего в плавильную печь, предпочтительно увеличивается настолько, насколько это возможно, по меньшей мере, до 60%, более предпочтительно, по меньшей мере, до 80%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, до 90%, что соответствует значению для железного лома в целом для понижения потребления углеродистого материала и стабилизации процесса.

Металлизация, равная, по меньшей мере, 60%, достигается, например, с помощью соответствующего регулирования количества углеродсодержащего восстановителя, добавленного во время получения смеси исходных материалов, и условий термического восстановления в печи с вращающимся подом. В частности, когда углеродсодержащий восстановитель добавляют в необходимом и достаточном количестве для восстановления оксида железа на стадии получения смеси исходных материалов, рабочая температура печи с вращающимся подом находится в пределах между 1100 и 1400°C, а более предпочтительно, между 1250 и 1350°C, и время выдержки составляет, по меньшей мере, 6 минут, а более предпочтительно, по меньшей мере, 8 минут.

Фиг.3 демонстрирует, что более высокий коэффициент дожигания является предпочтительным для эффективного уменьшения потребления углеродистого материала в плавильной печи и составляет, более предпочтительно, по меньшей мере, 20%. Однако при коэффициенте дожигания, превышающем 40%, потребление углеродистого материала дополнительно не уменьшается. Соответственно коэффициент дожигания предпочтительно равен 40% или меньше, а более предпочтительно 30% или меньше.

Коэффициент дожигания изменяется с содержанием углеродистого материала и с содержанием газообразного кислорода в плавильной печи. Таким образом, количества углеродистого материала и газообразного кислорода регулируются для достижения коэффициента дожигания, равного 40% или меньше, а более предпочтительно 20%-40%.

Дожигание увеличивает температуру газовой фазы в плавильной печи и имеет жесткое термическое воздействие на огнеупорные материалы футеровки. Пониженная металлизация источника железа соответствует повышенному содержанию невосстановленного оксида железа (FeO) в источнике железа и, таким образом, ускоренной эрозии огнеупорных материалов футеровки из-за увеличенного содержания FeO в расплавленном шлаке. Водяное охлаждение, которое осуществляется для понижения эрозии огнеупорных материалов, вызывает потери тепла, которые отрицательно влияют на эффективность и стоимость производства.

Перемешивание ванны расплава является эффективным для облегчения плавления источника железа (восстановленного железа), добавленного в плавильную печь. Однако энергичное перемешивание вызывает увеличение количества пыли в отходящем газе из плавильной печи примерно до 100 г/м³ (н.у.), что приводит к понижению выхода железа и к закупориванию труб для горячего газа из-за осаждения пыли.

Соответственно в настоящем изобретении металлизация восстановленного железа, поступающего в плавильную печь, увеличивается, по меньшей мере, до 60%, а более предпочтительно, по меньшей мере, до 80%, для понижения потребления углеродистого материала, и коэффициент дожигания в плавильной печи уменьшается до 40% или меньше, более предпочтительно, до 20%-40%, а наиболее предпочтительно, до 20%-35%, для предотвращения избыточного увеличения температуры газовой фазы и для понижения воздействия на плавильную печь.

Источник кислорода, поступающего в плавильную печь, может представлять собой воздух. В таком случае, однако, азот, который содержится в количестве, превышающем содержание кислорода в четыре раза, также нагревается, что приводит к повышению потерь на предварительный нагрев и к увеличению объема отходящего газа. Соответственно источником кислорода предпочтительно является кислород высокой чистоты, а более предпочтительно газообразный кислород высокой чистоты, содержащий, по меньшей мере, 90% кислорода, для увеличения тепловой эффективности и для предотвращения увеличения объема отходящего газа. Кислород высокой чистоты также может уменьшить образование пыли.

Фиг.4 представляет собой график, демонстрирующий соотношение между эффективностью теплопереноса и коэффициентом дожигания при различных температурах отходящего газа из плавильной печи, для сравнения настоящего изобретения с обычными примерами.

Фиг.4 демонстрирует, что температура отходящего газа увеличивается, когда увеличивается коэффициент дожигания, при постоянной эффективности теплопереноса, и что увеличенное количество тепла не используется в плавильной печи. Когда температура отходящего газа поддерживается постоянной, эффективность теплопереноса увеличивается вместе с коэффициентом дожигания, демонстрируя эффективное использование тепла. В примере A на фиг.4 металлолом используется в качестве источника железа, поступающего в плавильную печь, где эффективность теплопереноса достигает 89%, и температура отработавшего газа достигает примерно 1650°C при коэффициенте дожигания, равном 20%.

В примере B восстановленное железо, имеющее степень металлизации 30%, используется в качестве источника железа, поступающего в плавильную печь. Поскольку коэффициент дожигания достигает примерно 45%, температура отработавшего газа составляет 1900°C, вызывая повышенное термическое воздействие на огнеупорные материалы футеровки, и эффективность теплопереноса понижается до 85%. Поскольку в примере B металлизация источника железа составляет 30%, содержание FeO в побочном продукте - шлаке, образующемся во время восстановительного плавления, увеличивается, ускоряя эрозию огнеупорных материалов футеровки.

В соответствии с этими результатами предпочтительные условия для работы объединенного оборудования, включающего устройство для термического восстановления (печь с вращающимся подом) и плавильную печь для восстановительного плавления восстановленного железа, полученного в печи с вращающимся подом, являются следующими: (1) металлизация в печи с вращающимся подом увеличивается, по меньшей мере, до 60%, а более предпочтительно, по меньшей мере, до 80%, для восстановления остаточного FeO, настолько, насколько это возможно; (2) коэффициент дожигания в плавильной печи контролируется на уровне 40% или меньше, а более предпочтительно, в пределах от 20% до 40%, так что отходящий газ из плавильной печи имеет теплосодержание, которое является необходимым для топлива в печи с вращающимся подом; и (3) коэффициент дожигания понижается до 40% или меньше, для замедления увеличения температуры отходящего газа и, таким образом, для понижения эрозии огнеупорных материалов футеровки в плавильной печи. На фиг.4 заштрихованная область показывает предпочтительные условия.

Как показано на фиг.2 и 3, количества кислорода и углеродистого материала, поступающие в плавильную печь, контролируются, и эффективность теплопереноса тепла дожигания к расплавленному железу увеличивается, по меньшей мере, до 60%, а более предпочтительно, по меньшей мере, до 75%, так что металлизация восстановленного железа в печи с вращающимся подом увеличивается, по меньшей мере, до 60%, и коэффициент дожигания газообразного CO, образующегося в плавильной печи, понижается до 40% или меньше.

Эффективность теплопереноса (Ef) тепла дожигания к расплавленному железу определяется следующим образом:

Ef(%)={1-(H₃+H₄-H₂)/H₁}×100,

где H₁ представляет собой теплоту дожигания газообразных CO и H₂, образующихся в печи, как представлено с помощью следующих реакций:

CO+1/2O₂=CO₂

H₂+1/2O₂=H₂O.

H₂ представляет собой теплосодержание газа, образующегося в печи, где объем и композиция газа вычисляются из материального баланса, и температура газа, как предполагается, является такой же, как температура расплава; H₃ представляет собой теплосодержание газа, выпускаемого из печи; и

H₄ представляет собой потери тепла в газовой фазе, в которой осуществляется реакция вторичного горения, потери тепла соответствуют 10-20% от общего поступления тепла.

При таких условиях продлевается срок службы огнеупорных материалов футеровки плавильной печи. Когда плавильная печь представляет собой стационарный тип, она может работать в течение длительного времени без обслуживания и ремонта. Однако в настоящем изобретении плавильная печь качающегося типа может использоваться вместо стационарной плавильной печи.

В соответствии с настоящим изобретением при производстве расплавленного железа путем введения смеси исходных материалов, содержащей углеродсодержащий восстановитель, в нагревательную восстановительную печь, такую как печь с вращающимся подом, восстановлении оксида железа содержащегося в смеси с получением твердого восстановленного железа, и дополнительном восстановлении и плавлении восстановленного железа в плавильной печи,

(1) металлизация твердого восстановленного железа в нагревательной восстановительной печи увеличивается, по меньшей мере, до 60%;

(2) количества кислорода и углеродистого материала регулируется таким образом, что коэффициент дожигания CO, образующегося в плавильной печи, уменьшается до 40% или меньше;

(3) эффективность теплопереноса тепла дожигания увеличивается, по меньшей мере, до 60%; и

(4) плавильная печь имеет замкнутую конструкцию, и весь газ, образующийся в плавильной печи, или часть его, поступает в нагревательную восстановительную печь с целью нагрева твердого восстановленного железа в плавильной печи. Расплавленное восстановленное железо, имеющее содержание углерода примерно 1,5%-4,5%, тем самым может производиться с высокой производительностью и с высокой энергетической эффективностью при понижении вредного воздействия на нагревательную восстановительную печь и плавильную печь.

Примеры

Настоящее изобретение далее будет описываться в дополнительных подробностях с помощью примеров. В соответствии с блок-схемой, изображенной на фиг.1, операции осуществляются с использованием сырой руды и угля, имеющих составы, представленные в таблице 1, при условиях, представленных в таблице 2. Результаты также представлены в таблице 2.

В экспериментах 1-3, приведенных в таблице 2, степень металлизации восстановленного железа, получаемого в печи с вращающимся подом, поддерживается на уровне 90%, коэффициент дожигания в плавильной печи поддерживается на уровне 40% или меньше, и эффективность теплопереноса поддерживается при 60%-90%. В эксперименте 1 весь газ, образующийся в плавильной печи, вводят в печь с вращающимся подом, и вспомогательное топливо (природный газ) восполняет недостаток тепла.

В эксперименте 2 эффективность теплопереноса и образование газа увеличиваются, так что в печи с вращающимся подом вспомогательное топливо не используется. Хотя объем пыли в отходящем газе из плавильной печи слегка увеличивается, это не влияет на работу. Небольшой избыток отходящего газа, который может быть использован как внешний источник тепла, образуется в плавильной печи.

В эксперименте 3 все параметры процесса оптимизируются не для использования вспомогательного топлива и не для генерации избыточного газа из плавильной печи. Работа с замкнутым энергетическим циклом, с точки зрения энергии, достигается при объединении печи с вращающимся подом и плавильной печи.

В эксперименте 4 коэффициент дожигания достигает 30%. Поскольку эффективность теплопереноса к расплавленному железу в плавильной печи составляет 73%, что представляет собой несколько заниженный уровень, расходы угля и кислорода повышаются. Таким образом, количество газа и концентрация пыли также слегка увеличиваются. В эксперименте 6 количество углеродистого материала, поступающего в плавильную печь, увеличивается для увеличения содержания углерода в расплавленном железе до содержания углерода, соответствующего насыщению. В соответствии с настоящим изобретением содержание углерода в расплавленном железе может быть увеличено до содержания, соответствующего насыщению, путем регулировки количества углерода, поступающего в плавильную печь.

В эксперименте 5 коэффициент дожигания в плавильной печи существенно увеличивается. Хотя эффективность теплопереноса увеличивается, объем отходящих газов, поступающих в нагревательную восстановительную печь, и количество тепла (восстановительный потенциал) понижаются. В результате в печи с вращающимся подом необходимо дополнительное сжигание топлива.

Эти результаты показывают, что оптимизация рабочих условий дает возможность для производства расплавленного железа с высокой чистотой при высокой энергетической эффективности и высокой производительности посредством ряда стабильных операций от твердофазного восстановления до восстановления в расплаве без избыточного термического воздействия на плавильную печь. Как показано в эксперименте 3, работа с замкнутым энергетическим циклом с точки зрения энергии достигается с использованием этого оборудования для производства расплавленного железа.

При производстве расплавленного железа в соответствии с экспериментом 3 добавляют дополнительный углеродистый материал для нагрева плавильной печи и оксид кальция (CaO), так что основность (отношение CaO/SiO₂) шлака находится в пределах от 1,5 до 1,6. Определяют содержание серы в расплавленном железе. На начальной стадии работы содержание серы постепенно увеличивается и достигает примерно 0,04 процента спустя 40 минут. После этого содержание серы устанавливается при 0,04 процента массового. Вероятно, увеличение основности из-за добавления CaO способствует переходу серы из расплавленного железа в шлак.

Способ для получения расплавленного железа в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает эффективное производство расплавленного железа при пониженном потреблении энергии по сравнению с обычными способами. Это способ уменьшает повреждения огнеупорных материалов и обеспечивает гибкость производства в процессе получения железа.