Способ получения губчатого железа в шахтной печи

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА В ШАХТНОЙ ПЕЧИ, включающий металлизацию железорудной шихты в противотоке с продуктами конверсии метана, полученными на свежевосстановленном губчатом железе в зоне конверсии, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности печи, при содержании в шихте CaO + MgO, равном 0,2% расход метана на конверсию в печь устанавливают равным 200 м³ CH₄ / ч м³ рабочего пространства зоны конверсии, а при увеличении содержания CaO + MgO в шихте на каждый процент в пределах от 0,2% до 4,2% расход метана на конверсию увеличивают на 135 385 м³CH₄ / м³ ч.

Изобретение относится к черной металлургии и касается получения губчатого железа в шахтной печи из железорудной шихты в противотоке с продуктами конверсии метана.
Известен способ получения губчатого железа в шахтной печи, включающий обработку горячим метансодержащим восстановительным газом и охлаждение губчатого железа, а также рециркуляцию колошникового газа, причем с целью равномерного восстановления железной руды и повышения эффективности преобразования углеводородсодержащего газа в восстановительный газ вдувают пульсирующим потоком в центральном направлении или с переменной скоростью, или радиально в секторообразный участок поперечного сечения зоны восстановления, положение которого периодически смещают вдоль окружности. Кроме того, между зоной охлаждения и основным потоком восстановительного газа (промежуточная зона) вдувают углеводородсодержащий газ с добавками до 25% колошникового газа так, чтобы в зоне температур 600-700^оС cоотношение колошникового газа и углеводородсодержащего было максимум 1:3.
В известном способе основным недостатком является то, что совершенно не учитываются возможности регулирования интенсивности и полноты взаимодействия газов с помощью изменения каталитических свойств продукта металлизации. Кроме того, при соотношении углеводородсодержащего газа и колошникового газа 3: 1 наиболее вероятной является не конверсия, а реакция пиролиза метана. Основной идеей известного способа является, таким образом, использование физического тепла окатышей для пиролиза углеводородов в интервале темпеpатур 600-740^оС. Этот вариант не является оптимальным, так как при указанных температурах термодинамически реален пиролиз только высших углеводородов, содержание которых в природном газе незначительно (например, на ОЭМК < 1%). Для наиболее выгодной (в отношении выхода восстановительных газов) реакции конверсии природного газа при соотношении углеводородный газ колошниковый газ 3: 1 создаются весьма неблагоприятные условия из-за нехватки окислительных составляющих (реакции: СН₄ + CO₂ 2CO + 2H₂; СH₄ + H₂O CО + 3H₂).
Наиболее близким из известных решений по технической сущности и достигаемому результату к предложенному является способ получения губчатого железа в шахтной печи, при котором восстановительный газ получают конверсией природного газа при взаимодействии его с колошниковым газом двумя путями: в конверсионной установке вне печи и в зоне конверсии восстановительной печи. По второму пути нагретую смесь природного и колошникового газов подают в нижнюю часть зоны конверсии и здесь при каталитическом воздействии восстановительного Fe получают при 800-1000^оС газ, в котором (H₂O + CO₂):(Н₂+CО₂) < 1 и CH₄: (H₂O+CO₂) > 1. Этот газ поступает в зону восстановления, куда также подают нагретый восстановительный газ, полученный по первому пути, т.е. в специальной конверсионной установке.
В описанном способе конверсия природного газа производится в слое металлизованных окатышей при их каталитическом воздействии. При этом не решен вопрос о соотношении между интенсивностью конверсии метана и уровнем каталитических свойств шихты, без чего невозможно управление процессом конверсии и повышение производительности шахтной печи.
Целью изобретения является повышение производительности печи.
Указанная цель достигается тем, что в способе получения губчатого железа в шахтной печи, включающем слоевую металлизацию железорудной шихты в противотоке с горячими продуктами конверсии метана на свежевосстановленном губчатом железе, при содержании в шихте СаО+MgO 0,2% расход метана на конверсию в печь устанавливают равным 200 м³ CH₄/ч м³ рабочего пространства зоны конверсии, а при увеличении содержания СаО+MgO в шихте на каждый процент в пределах от 0,2% до 4,2% расход метана на конверсию увеличивают на 135 385 м³ СН₄/м³ ч.
Предлагаемымй способом производят превращение метана (природного газа) в восстановительные газы непосредственно в шахтной печи на губчатом железе, которое является катализатором реакций конверсии. Продукты конверсии используются в качестве восстановителей в самой шахтной печи, причем установлена взаимосвязь между каталитическими свойствами шихты (содержанием СаО+MgO) и оптимальным уровнем интенсивности конверсии метана в зоне конверсии шахтной печи.
В агрегатах прямого получения существуют значительные резервы по кинетике металлизации столба шихты. Например, для восстановления окатышей до степени металлизации 92% в условиях Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) необходимо 7-9 ч, в том числе 60% в зоне восстановления, в лабораторных масштабах 0,5-1,5 ч в сопоставимых условиях. В условиях цеха металлизации ОЭМК экспериментально показано, что в широком диапазоне производительностей шахтной печи (до 70 т/ч) cтепень использования восстановительного газа оставалась примерно на постоянном уровне 43-46% а степень приближения к равновесию в зоне вюстита 95-99% Поэтому увеличение часового расхода восстановительного газа не сопровождается снижением степени его использования и появляется возможность пропорционального увеличения удельной и агрегатной производительности печи. Увеличение интенсивности конверсии в слое свежевосстановленного губчатого железа при постоянных каталитических свойствах приводит к ухудшению качества конвертированного газа, снижению его восстановительного потенциала, причем в ряде случаев ниже уровня 10-11, принятого в условиях ОЭМК в качестве минимально допустимого (табл.1).
В предложенном способе при содержании в шихте СаО+MgO 0,2% расход метана на конверсию в печь устанавливают равным 200 м³ СH₄/ч на 1 м³рабочего пространства зоны конверсии (колонка 1, табл.2). При добавлении в шихту жерновского известняка, гашеной извести и доломитизированного известняка на каждый процент увеличения СаО+MgO расход метана на конверсию увеличивают на 385, 159, 135 м³ СH₄/м³ ч соответственно (колонки 1 (база), 2-6).
При увеличении интенсивности конверсии менее чем на 135 м³ СH₄/м³ ч (на 125 м³ СH₄/м³ ч) на каждый процент повышения содержания СаО+MgO понижается выход восстановительного газа (на 145 м³/ч) (колонки 4 и 10, табл.2). Производительность при объеме зоны конверсии 20 м³ снижается на 2 т/ч.
При увеличении интенсивности конверсии более чем на 385 м³ СH₄/м³ ч на каждый процент повышения СаО+MgO cнижается восстановительный потенциал продуктов конверсии до уровня 10, неприемлемого для использования в шахтной печи (колонка 11, табл. 2). При этом нижний предел относится к флюсованию окатышей СаО, вводимых в шихту в виде известняка, а верхний к Са(OН)₂. Все остальные флюсующие, известные в металлургической практике или существующие в виде чистых веществ, занимают промежуточное положение по влиянию на каталитические свойства продукта металлизации (табл.2, колонки 1-6). В то же время увеличение содержания СаО+MgO свыше 4,2% приводит к снижению каталитических свойств губчатого желез (табл.2, колонки 7-9), поэтому увеличение основности выше этого предела не производят из-за ухудшения качества конвертированного газа.
В табл.3 представлены данные о конверсии метана на металлизованных окатышах, офлюсованных известняком до содержания СаО 2,1. Результаты указывают на то, что в диапазоне 850-1000^оС (характерном для эксплуатации шахтных печей) влияние температурного фактора и типа конверсии незначительно.
Способ осуществляется следующим образом.
П р и м е р 1. Металлизацию окатышей производят в шахтной печи, включающей зоны восстановления, охлаждения и промежуточную зону. Окатыши офлюсованы жерновским известняком до содержания СаО 0,3% Производительность реформера восстановительного газа 80000 м³/ч. В промежуточную зону печи (зона конверсии) подают 4050 м³/ч природного газа (t 400^оС), 1,18 т/ч пара и 1292 м³/ч кислорода. Интенсивность конверсии природного газа составила 238 м³ СH₄/м³ ч. В результате конверсии в промежуточной зоне шахтной печи генерируют 11440 м³восстановительного газа в 1 ч. Производительность печи 65,9 т/ч. Производят анализ потока шихтовых материалов на содержание СаО+MgO.
В случае изменения химического состава шихты, связанного с увеличением содержания СаО на 0,08% соответственно увеличивают интенсивность конверсии в промзоне шахтной печи на 0,008х 385 31 м³CH₄/м³ ч. При этом выход восстановительного газа составит 15260 м³/ч, а производительность печи поддерживают на уровне 67,1 т/ч. Для увеличения интенсивности конверсии увеличивают расход природного газа в промзону на 523 м³/ч, пара на 0,06 т/ч и кислорода на 225 м³/ч.
Следует отметить, что независимо от направления изменения химсостава шихты при описанном порядке действий поддерживается производительность печи, максимальная для текущих шихтовых условий.
П р и м е р 2. Металлизацию окатышей производят в шахтной печи, включающей зоны восстановления, охлаждения и промежуточную зону. Содержание CaО+MgO находилось на естественном уровне 0,2% основность окатышей 0,086. Производительность риформера поддерживают 80000 м³восстановительного газа в 1 ч. В промежуточную зону печи подают 3400 м³природного газа в 1 ч (t 400^оС), 1,13 т перегретого пара и 1000 м³технического кислорода, интенсивность конверсии составляет 200 ед. Производительность печи составляла 64,4 т/ч.
При переходе на металлизацию привозных окисленных окатышей, офлюсованных доломитизированным известняком до содержания СаО+MgO 0,53% увеличивают интенсивность конверсии на (0,53-0,2)х 159 53 м³СН₄/м ч. Для этого повышают расход природного газа до 4260 м³/ч, расход пара до 1,21 т/ч, кислорода до 1381 м³/ч. Выход восстановительного газа из промежуточной зоны составит 13920 м³/ч. Производительность поддерживают на уровне 66,4 т/ч.
П р и м е р 3. Металлизацию проводят в шахтной печи, включающей зоны восстановления, охлаждения и промежуточную на окатышах, офлюсованных гашеной известью. Шахтная печь работает на двух компрессорах первой ступени, в результате чего расход восстановительного газа из риформера составил 67514 м³/ч. Для увеличения производительности в промежуточную зону через четыре фурменных подвода подается смесь природного газа (t 400^оС), перегретого пара и кислорода. При естественной основности СаО 0,2% расход природного газа составил 3400 м³/ч пара 1,1 т/ч и 1000 м³/ч кислорода (интенсивность конверсии 200 м³СH₄/м³ ч, см. табл.2, колонка 1 описания). При активном объеме 17 м³выход восстановительного газа составит 11400 м³/ч. Производительность шахтной печи 55,6 т/ч, расход восстановительного газа 1420 м³/т.
При необходимости увеличения производительности печи повышают подачу гашеной извести в шихту до содержания в окисленных окатышах СаО 0,44%
В соответствии с изобретением (135 м³ СH₄/м³ ч на каждый процент СаО+MgO) увеличивают интенсивность конверсии до 200+(0,44-0,2) 135 232 м³ CH₄/м³ ч. Для этого повышают расход природного газа в промзону до 3950 м³/ч, пара до 1,17 т/ч и кислорода до 1250 м³/ч. Производительность печи поддерживают на уровне 56,9 т/ч (выход восстановительного газа из промзоны 13300 м³/ч).
Для расчета ожидаемого экономического эффекта принимаются условия примера 2 настоящего описания. Увеличение производительности печи составляет 3,1% В этих условиях ожидаемый годовой экономический эффект может быть определен по формуле
Э Т_факт (А₂-А₁) П Д_уп, где П расходы по переделу;
А₁ и А₂ производительность в базовый и опытный периоды работы;
Т_факт фактическое время работы печи;
Д_уп доля условно постоянных расходов.
Сущность: металлизацию окатышей проводят в шахматной печи восстановительным газом, поступающим из риформера. Между зонами восстановления и охлаждения расположена промежуточная зона, в которую подают смесь природного газа и окислителей. Здесь протекает реакция конверсии на свежевосстановленном горячем губчатом железе, в результате чего образуется дополнительное количество восстановительного газа. Оптимальный расход метана в промежуточную зону регулируют в зависимости от каталитических свойств шихты. При содержании CaO + MgO в шихте, равном 0,2% расход метана устанавливают равным 200 м³/ч на 1 м³ рабочего пространства промежуточной зоны, а при увеличении содержания CaO + MgO на каждый процент в пределах 0,2 4,2% расход метана увеличивают на 135-385 м³/ч м³. 3 табл.