Способ восстановления дисперсной окиси железа и получения расплавленного чугуна и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК ПА УВНУУ Союз СоветскихСоциалттстттчесааРеспублик 11338747(72) Авторы изобрете странныЧарльз Уолтер СанзеКомбз Скарлетт Дона Беги Дж) СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ОКИСИ ЖЕЛЕ И ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО ЧУГУНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ рячим восстае иным газификанепреры вномси углеродв ротивотоке с г м .газом, получ ого топлива, вудвления двуок железо в новительнь цией тверд цессе бези соеднне хтную печь,из камеры, вместеиспольный газние дого газаочке, накак нес1200 Сосущест Известны комбинированные методы получения жидкого металла из диспероных руд ( 1,Однако эти методы отличаются сложностью технологических процессов, срав- анительно низкой эффективностью использования энергии и ттриродного топлива,большими анергозатратами и проведениемотдельных процессов на разных агрегатах.Наиболее близкттм к предлагаемому по 10технической сущности и достигаемому результату является способ восстановттениядисперсной окиси железа и получения жидкого металла, вюпочающий восстановлениев шахтной печи горячим восстановительным 1газом, выпуск .горячего продукта в камеру плавления-газогенератор, в которуюподают природное топливо и кислород дляплавления продукта и газификации топлива, охлаждение, увлажнение и очистку 20газов, отходящих из камеры, с последующей подачей их в шахтную печь2.Целью изобретения. является созданиеаффективного способа восстановления дисперсных окислов железа в расплавленное М Цель достигается тем, что согласноспособу восстановления дисперсной окисижелеза и получения расплавленного чугунавключающему восстановление в шахъной печи горячим, восстановительнымгазом, выпуск горячего продукта экамеру плавления-газогенератор, вкоторую подают природное топливо икислород для плавления продукта и газификации топлива, охлаждение, увлажнениеи очистку газов, отходяцтих из камеры,с последующей подачей нх в шачастицы, уловленные в газах,плавления возвращают и подаютс природным топливом в камерузуя полученный восстановительущую среду, а охлаждеи увлажнение отходящевляют подачей воды в т. Грице Чураж 587Государсвен ног о изобретений и осква, Ж Зб,э 4496/81ВНИИ ПИпо дела113035 но комитета СССР открытииРауюскаи наб., д. 4 иал ППП фПатент", г, Ужгород, ул. Проектнан7 фНа фнг, 1 схематически изображена шахтная печь с плавильной емкостью со средством для ввода твердого топпи ва и кислорода, на фнг. 2.- то же, с вводом топлива и кислорода под поверхность расзцава; на фиг. 3 - шахтная печь с подам в центральной части,Шахтная печь 1, имеющая стальной кожук 2, снабжена футеровкой 3 (фиг. 1 ", Наверху печи установлен бункер 4 для загрузки в нее твердой сьшучэй шихты 5, которая состоит из окиси железа в форме гранул или кусков, Шихта опускается под действием силы тяжести по одной .,ьл нескольким трубам 6 для образования уплотненного слоя или шнхты 7 в печи 1 иэ сыпучего твердого исходного мвтериала, Восстановленный гранулированный материал 8 разгружается из печи 1 по выпускной трубе 9 в уплотнительную камеру 10, затем по выпускной трубе 11 материал поступает в камеру 12 по разгрузочному конвейеру 13, скорость которого регулирует скорость опускания шкх. ты через печь 1 Разгрузочный конвейер 13 является дозирующим средством для желеэосодержащей шихты в этом процессе,Сыпучий восстановленный материал 8 свободно падает с разгрузочного коиьейера 13 по трубе 14, снабженной экраном излучения, в установку состоящую нз плавильной емкости 1 5 с газогенератором. имеющую стальной кожух 16.н футеровку 17. Труба 14 с экраном излучения служит для уменьшения излучения тепла из плавильной емкости 15 с газогенератором, температура которой равна примерк; 1200 С, в выпускную конвейерную квмеру, в которой температура равна примерю 800 С, Это препятствует перегреву воо становленного мематериала и обеспечивает свободный поток материела.Восстановленный сытучий матеЯыл 8 падает в расплавленнро ванну 18 и плавится. Восстановленный расплавленный продукт удаляется из плавнльюй э:.:.костт 1 5 через чугунную летку 1 Ы.,в в :Плавленный материал вьпгсжается кэ емкостя 1 5 перподически или непрерывно, однако выпуск материала координирован с выпуско;. Восстановленного сыпучего материала 8 из печи 1 непрерывного действия для поддержания уровня 20 расплав в емкоо:. ти 15 ниже труб 21 для ввода угля н кисларода (показана только одна труба) и нцже труб 22 .Показана одне) рля Ввода воды.Все железосодержащие материекж:ускаются под действием скпы тяжести кэ 3 93874ходящейся выше подачи топлива, но нижеуровня отвода газов.Известны устройства, испольэукавесяпри комбинированных способах полученияжидкого металла иэ окислов железа,восстанавливаемых горячими восстановительными газами 1.Недостатком этих устройств являетсяпроведение отдельных процессов на несвязанных между собой установках, олсутствие единого непрерывного процессаполучения жидкого чугуна из .окисловжелеза,Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности и достигаемомурезультату является устройство, содерЖащее шахтную печь с вводом и выводомруды и восстанавливающего газа, плавильную емкость-газогенератор, трубопроводдля подачи горячего продукта в камеру,средства для подачи и сжигания топливав кислороде и увлажнения отходящего газа, трубопровод для подачи восстановительного газа с пылеулавливвющим ирегулировочным механизмами21.Цель изобретения - осуществление щтем применения предлагаемого устройстваэффективного способа получения чугуна итазообразного топлива в процессе непрерывного восстановления окислов жеЗОлеза В шахтной печи горячими восстановительными газами, образующимися вплавильной камере при газификации твердно топлиВа кислородом.Бель достигается тем, что устройстводля осуществления предлагаемого способа, зфвключающее шахтную печь с вводом ирыводом руды и восстанавливающего газа, плавильцую емкость.газогенератор,,трубопровод для подачи горячего продук 46та В камеру, средства для подачи и сжи ф.гама топливе В кислороде и увлажненияотходящего газа, трубопровод для подачиВосстановительного газа с пылеулавливаюшим и регулировочиым устройствами,. Снабжено трубопроводом, соединяющим фпылеулавливаййю камеру со средствамидля падачн топлива и восстановительногогаза В камеру плавлиияр а также сбплОмдля ввода воды, располозсенным вьппе токи ввода топлива, но нике точки вьаода 50Отходящих газовКроме того, устройство снабженоуплотнвтельной камерой, расположенноймежду шахтной печью и камерой ппаав-ния, выполненной,с узлом ввода инертно 6 БЗгО" багаза е а, днище камеры ПВэвленияВыполнейб с ООдбм В центре и кольцеВымметаллоприимником вокруг.5 81 бункера 4 в чугунную летку 19. Все материалы, не содержащие железо, поднимаются через плавильную емкость-газогенератор 15 и шахтную печь 1 в противотоке по отношению к опускающимся железосодержащим материалам, Это позволяет наиболее эффективно и просто использовать энергию (для получения жидкого чугуна) из угля и кислорода.Каждая инжекционная труба 21 пред ставляет собой 2-канвльную трубу, имеющую центральный канал для природного топлива, которая сообщается с источником 23 топлива через трубу 24, и кольцевой канал для вдувания кислорода, сообщающийся посредством трубы 25 с источником 26 кислорода. Измельченный уголь или другой углеродистый материал пневматически подается по трубе 24.в инжекционную трубу 21, которая проходит через отверстие 27 в боковой, стенке плавильной емкости-газогенератора 1 5, при подаче небольшого потока сжатого газа из трубы 28. Предпочтительно, чтобы рабочий газ сжимался в компрессоре 25 29 и использовался как передающая среда.Измельченный уголь вводится через центральную трубу инжекционной трубы 21 на поверхность жидкой ванны 1 8 в точке, расположенной немного выше подъема уровня 20 жидкости, Рекомендуется поддержать уровень жидкости немного ниже трубы 21, так, чтобы поток угля и кислорода падал на поверхность расплавленного материала с целью обеспечения хорошей35 теплопередачи и устойчивого горения угля, Кислород из источника 26 сжимаеъся до соответствующего давления и вдувается через кольцевой канал инжекционной трубы 21, в результате потоки кислорода и измельченного угля встречаются на выходе из соответствующих труб инжекционной трубы 21. Уголь горит с кчслородом на поверхности расплавлен ной ванны 18 и выше нее. Горение угля и кислорода проходит экзотермически, при этом выделяется достаточное количество тепла для плавки горячего сыпучего материала 8 в емкости 15. Отношение количества угля и кислорода регули 50 руется дпя того, чтобы горение проходило при теоретической адиабатической температуре пламени, т. е. примерно при 1950 С, Количество сгораемого угля регулируется в соответствии с количест, вом восстановленного сыпучего матерИала,55 измеренного посредством разгрузочного конвейера 1 3, а их отношение регули,руется дпя поддержания соответствующего количества отходящих газов в плавильнойемкости-газогенераторе с целью восстановления всей окиси железа до .металлического железа в печи 1.Горячие отходящие газы, богатыевосстановителем 30, оставляют поверхность ванны расплавленного тметалла приотемпературе примерно 1400 С. Их количество (отношение восстановителей кокислителям) и температуре выше, чемэто требуется для применения в шахтнойпечи. Иэ источника 31 подается черезтрубы 22 вода для снижения температурыгазов примерно до 1200 С и для достижения требуемого качества газа для воостановления. Увлажненный отходящий газвыходит сверху из плавильной емкостигазогенератора 1 5 через выпускную трубу 32. Горячие твердые частицы отделяются от увлажненного отходящего газа вциклонном сепараторе 33, Отделенныетвердые частицы могут рециркулироватьв плавильную емкость-газогенератор пооредством ввода,их по трубе 34 в трубу24 е измельченным углем,Увлажненный отходящий газ, оставляющий циклонный сепаратор 33 через трубу 35, охлаждается до заданной температуры газа для восстановления. Горячийгаз проходит через узкое отверстие 36,через которое может проходить толькоконтролируемое количество газа. Остальной газ, также в контролируемом количестве, проходит по трубе 37 через водоохлаждаемый теплообменник 38, гдеон охлаждается. Часть охлажденного газапроходит в трубу 28 с целью приготовления сжатого газа для прохождения егопо трубе 24, по крторой подается уголь,Остальная часть охлажденного газа проходит по трубе 39 и соединяется с потоком горячего газа в трубопроводе 40.Температура восстановительного газа втрубопроводе 40 контролируется посредством автоматического регулирования потока холодного газа в трубопроводе, Можно применять теплообменник 38 прямогоили косвенного типа. Для этого процессане требуется пар, однако, если он потребуется для каких-либо целей,можно применять котел-утилизатор тепла отходящих газов. Если пар не требуется,то для теплообменника 38 можно применять простой водяной холодильник прямого типа,Рекомбинированный восстановительныйгаз требуемой температуры и качестваи в необходимом для восстановления количестве входит в шахтную печь 1 через7 9387 систему 41 кольцевых труб и фурм. Восстановительный газ проходит внутрь и вверх через .опускающуюся шихту 7 для нагрева измельченной окиси железа и восстановления ее до металлического желе эа. В реакции восстановления окиси железа восстановительный гаэ частично окисляется и охлаждается. Затем такой газ оставляет восстановительную шахтную печь 1 через выпускную трубу 42 1 О для отходящих печных газов и входит в водоохлаждаемый скруббер 43, где он охлаждается и очищается от пыли. Холодные очищенные отходящие печные газы, удаленные через трубу 44, содержат СО и 5 Н и алеют теплотворную способность примерно 1900 ккал/м, являясь ценным газообразным топливом, которое может ,применяться в сталелитейной установке или еше где-либо. 20Кислород и уголь вводятся в плавильную печь-газогенератор под высоким давлением для предупреждения падения давлейия бт прохождения.; через плавильную устаиоВку И шахтиую печь ,потока газов ,25 и для подачи топлива из отработанных газов под соответствующим давлением, Давление газа в газогенераторе-плавиль ной установке выше давления в шахтной печи, Количество холодного газа вводится через впускную трубу 45 в нагнетательную камеру 10 между разгрузочной печной трубой 9 и разгрузочной трубой 25 уплотнительной камеры. Давление в камере 10 поддерживается немного выше35 давления в днище шахтной печи и в каЬмере 12. разгрузочного конвейера, таким 47 8образом часть холодного инертного уплотняюшего газа проходит вверх в шахтнуюпечь и вниз в камеру 12 разгрузочногоконвейера. Это препятствует. газам, имеющим температуру 12000 фС, проходить изплавильной установки-газогенератора непосредственно вверх в днище шахтной печи,Для эффективного использования некоксуюшего, твердого топлива с целью одновременного получения жидкого металлаизмельченной окиси железа и ценного га-зообмечного топлива применяют непрерывный процесс в противотоке.Результаты проведения процесса даныв табл. 1 - 3, Процесс основан на применении типичного суббитуминозного угляс Запада США в качестве углеродистого материала,В табл. 1 приведены характеристикипотоков газа и их температура; в табл. 2 -- характеристики шихты и требования красходу энергии.Качество восстановительного угляопределено как отношение восстановителей (СО плюс Ня) и окислителям СОплюс Н О) в газовой смеси. Для использования полного преимушества хилическойэффективности шахтной восстановительнойпечи с противотоком качества горячеговосстановительного газа должно составлять по меньшей мере 8,Рабочая температура в шахтной печиколеблется между 769 и 900 С н зависит от восстанавливаемой окиси железа.Для большинства материалов применяетсятемпература 81 5 С.Таблица 150 30 1 869 32 8,0 37 Кислород Гаэ иэ плавильнойустановки- гаэогенера- тора Увлажненныйй газ иэ плавильной установки- газогенера- тора Обводнойгаз 16 9 1400 8 О 1200938747 10 Продолжение табл, 1 В осста- новитель 40 1 983 8,0 815 газ Печной отходящийгаз 42 1983 Топлив изчистого отходящего газа 44 1850 60 Таблица 2 6,71 01% УгольКислородОкись. 576 1420 Вода дляувлажнения 31 117 Топливо ИЗ ОТХОДЯщего газа(3,47) 1 850 Требуемаячистаяэнергия 4,25На каждую тонну расплавленного чугуна, выпущенного из плавильной установка- газогенератора, требуется 1,035 т прямо восстановленного измельченного материала для загрузки в плавильную установку- газогенератор. Типичная металлизация прямо восстановленного материала составляет 92%. Материал загружается в плавильную установку при 700 ЯС. Расплавленный металл выпускается при 1350 С. Следовательно, в плавильной емкости образуется достаточное количество тепла для нагрева прямо восстановленного ма-. териала, имеющего температуру 700 С, до 1350 С, восстановления остаточной окиси железа до железа, увегпчения содержания углерода, нагрева шлаковых материалов до 1350 С и удовлетворения требований к тепловым потерям системы. Для этого требуется 403 000 ккал на Энергия (НН) угля, необходимогэффективности.Из-за химической термодинамики в процессе восстановления окиси железа до металлического железа твлько часть исходных восстановителей (СО плюс Н) могут вступать в реакцию до окислителей (СО плюс Н 0), которые образуются и45 замедляют реакции восстановления. Такая термодинамика приводит к тому, что обработанный восстановительный газ, остав ляющий шахтную печь через выпускное отверстие, имеет качество примерно 1,550 для эффективной работы печи. Следовательно, восстановительный газ при величине качества 8 Окисляется до величины 1,5 в процессе восстановления. Расходуемое количество СО плюс Н определяет требуемое количество восста новительного газа. Для эффективной работы обычно применяют 1800-2100 м газа на тонну восстановленного железа. о для получения 576 при 30%1193874712 тонну расплавленного металла. Требуемое охлаждения продуктов горения до тепло поставляется в результате акэо 140 ООСтемической реакции угля и кислорода в В табл 3 приведен химический сосплавюьной установке-газогенераторе и тав газа на укаэанных стадиях процесса.ТаблицаЗХимический состав газа Обозначе- СО СО, Н Ц О Остальние ное Наименование Гаэ из плавильной установки"-т В юсстановительный газ 66,9 2,3 26,2 3,2 1,4 30 40 63,0 2,2 24,7 8,8 1,3 Отходящий печной гаэ 36,6 28,1 21,7 12,3 1,3 Топливо изчистОГО Отходящего газа 44 388 29 8 230 Хотя предпочительным природным топливом, подаваемым по трубопроводу 24, является некоксующийся уголь или лигнит, способ может татке осуществляться с коксующнмся углем, древесным углем или коксом, Твердое топливо должно измельчаться до размера частиц меньше 174 дюйма (6 мм). Способ может быть также осуществлен с топливом, полученным иэ жидкой нефти, либо с природным39 ГазоыеУголь и кислород могут вводиться в емкость 1 5 и под поверхность ванны 1 8 (фиг. 2). Из емкости 15 периодически выпускают жидкий металл и шлак для поддержания уровня жидкости 20 выше р.,згрузочного конца труб 46 (показана только одна) и для ввода угля и кислорода и ниже труб 22 для подачи воды (показана только одна). Уровень подъема жидкости 20 не является критическим, но зависит от конструкции емкости 15 и расстояния по вертикали между подье-; мом труб 46 и 22. Рекомендуется у аеньшить подъем уровня жидкости над выпуск иым концом трубопровода 46 для поддержания давления по возможности низким, такйм, при котором уголь и кислород должны сжиматься для впрыскивания.Камера 47 плавильной установки-га- фй зогенератора, имеющая стальной кожух, футерована огнеупорными кирпичами 48 в верхней зоне и угольными кирпичами 49 в нижней зоне. Предпочтительно, чтобы . камера 47 имела круглое сечение, В ракией зоне камеры может быть предуомотрен приподнятый плавильной под 50 (фиг. 3). Этот под расположен внутри ка 6,0 2,4меры, образуя приемник для расплавленного материала 51 и шлака 52. Для периодического удаления горячей жндЮкости иэ приемника 53 применяется летка19 дпя металла н шлака, Под 50 представляет собой расположенную предпочтительно в центре площадку, окруженную круглой ванной расппавленного металла, Под может быть изготовлен из груды гранулили другого материала, лежащего наднище печи.В стенке камеры установлено множество фурм 54, которые наклонены вниз понаправлению к верхней зоне плавильногопода 50. В верхней зоне камеры расположено сопло дли распыления воды в камеру.В верхней части камеры проходит выпускная труба 32 для газа и расположеновпускное отверстие 55 для окатышей восстановленного железа,Шахтная печь 1 для прямого восста =новпеиия соединена с верхней зоной камеры 47 плавильной установки-газогенератора.Горячие Окатыши из восстановлеинОГОжелеза выпускаются з:. азгпу"зочкой трубы 9 (,с контролируемой скоростью посрддством разгрузочного фндера 56 для образования опускающейся под действием силы тяжести шихты 7, Разгрузочным фидером 56 может быть обычное подающееустройство для Бапуска горячего материала, например штанга с протиром или ленточный питатель из жаростойкого сплава,Горячие Окатыши восстановленного мате -,.риала, разгруженные прн помощи питателя,падают под действием силы тяжести иапод 50, где образуется стопа или пак57 с естественным углом. В загрузочныйбункер 4, содержащий частицы окиси,можно добавлять небольшое клколичествокускового кокса (для обеспечения источника углерода), смешанного с горячим 5прямо восстановленным железом на подус противоударным слоем, Кокс будет, двигаться , через восстановительнуюпечь 1, не вступая в реакцию, Когда онбудет падать на днище печи, которое вэтом случае не обязательно должно бытьприподнятым поддоном, он будет образовывать вертикальный под с противоударнымслоем вместе с находящимся на нем железными окатышами, Кокс будет обеспечивать богатую углеродом среду в зонеплавки.Измельченный уголь, который долженгаэифицироваться в камере 47 плавильнойустановки-газогенератора, подается в фур.20мы 54 из источника 23 измельченногоугля, а кислород для газификации посту-пает в фурмы 54 иэ источника 26 кислорода. Фурмы направлены таким образом,чтобы поток ударялся о поверхность стопы горячих восстановленных окатышей,находящийся на поДу 50. Это позволяетне только ускорить горение для газифи.кации,но также ускорять плавку окатышей. Когда окатыши плавятся, нагретый 30расплавленный чугун н шлак непрерывнокапают над кромкой,пода 50, стекаявниз вкруглый приемник 53 для расплавленного чугуна и шлака. Расплавленныйметалл и шлак периодически выпускаются зчерез чугунную летку 19. Когда окатыши в стопе 57 плавятся, и усаживаютсяв размере, зонд для определения уровня(не показан) приводит в действие разгрузочный фидер 56 восстановительной печидля замены расплавленных окатышей горячими окатышами восстановительногожелеза иэ восстановительной печи 1 .Для регулирования количества горячего газа иэ трубы 35, которая проходитчерез обводной холодильник 38, применяется клапан 58 регулирования потока,реагирующий на срабатывание элемента59 для определения температуры газапри помощи обычного средства управления Оне показано). Этот клапан служит длярегулирования температуры газа, входящего в трубу 41,Для обеспечения номинальной текучеоти расплавленного шлака и десульфуриэа 55тора чугуна, например, применяемого вобычной доменной печи, куски известнякаили доломита подаются вместе с окатышами окиси железа в загрузочный бункер 4 восстановительной печи. Кроме того, измельченный известняк или доломит могут вводиться через фурмы 54.Предлагаемый способ и устройство для непрерывного прямого восстановления в противотоке окиси железа до расплавлен- ного железа дают возможность применять некоксующееся природное топливо как основной источник восстановителя и одновременно получать пенное газообразное топливо.Формула изобретения1. Способ восстановления дисперсной окиси железа и получения расплавленного чугуна, включающий,восстановление в шахтной печи горячим восстановительным газом, выпуск горячего продукта в камеру плавления-газогенератор,. в которую подают природное топливо и кислород дляплавления продукта и для газификациитоплива, охлаждение, увлажнение н очистку газов, отходящих из камеры, с последующей подачей их в шахтную печь, о тл и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью повышения эффективности получения чугуна и газообразного топлива, частицы, уловленные в газах, иэ камеры плавления возвращают и подают вместе с природным топливом плавления в камеру, используя полученный восстановительный гаэ как несущую среду, а охлаждение до 1200 Сои увлажнение отходящего газа осуществляют подачей воды в точке, расположенной выше подачи топлива, но ниже уровня отвода газов.2. Устройство для осуществления способа, содержащее шахтную печь с вводом и вь:водом руды и восстановительного газа, плавильную емкость-газогенератор, трубопровод для подачи горячего продукта в камеру, средства для подачи и сжигания топлива в кислороде и увлажнения отходящего газа, трубопровод для подачи восстановительного газа с ,пылеулавливаюшим и регулировочных механизм- ми, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что устройство снабжено трубопроводом, соединяющим пылеулавливаюшую камеру со ;средствами для подачи топлива и восстановительного газа в камеру плавления, и соплом для ввода воды, расположенным в точке выше ввода топлива, но ниже выхода отходящих газов.3. Устройство по п. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что оно снабжено уплотнительной камерой, расположенной между1593874 шахтной печью и камерой плавлецмя, вы,полненной с узлом ввода инертного газа. 4. Устройствопоп, 1, отличало ш е е с я тем, что днище камеры плав- леюа выполнено с подом в центре и кольцевым металлопрнемником вокруг. 716Источники информации,принятые во вещание при экспертизе1, Похвиснев А,Н, и др. Внедоменноеполучение железа за рубежом. М., Металлургия", 1964, с, 293-297,2, Патент фРГ М 2424932,кл. С 21 В 13/24, опублик. 1976.