Способ получения жидкого чугуна или стального полупродукта из железосодержащего материала и установка для его реализаций

.(56) 1. Патент СССР но заявкеУ 2822601/02, кл. С 21 В 13/00,,(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГОЧУГУНА ИЛИ СТАЛЬНОГО ПОЛУПРОДУКТА Бюл, У 37и Вальтер Лугшайдер 8 ПИСАНИЕПАТЕНТУ ИЗ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛАИ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ,(57) 1. Способ получения жидкого чу-гуна или стального полупродукта изжелезосодержащего материала,включающий его загрузку, подогрев,восстановление и расплавление в кипящем слое из угольных частиц, газифицируемых в кислородсодержащем газе,подаваемом от краев в центр кипяп 1 егослоя, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью снижения расхода энергии, кипящий слой нагревают плазменными горелками в верхней и/илисредней частях.112. Установка рдя реализации способа по п. 1, содержащая плавильный сосуд с огнеупорной футеровкой, отверстия для загрузки сырья, выпуска шпака и металла, отверстия для вво-. да кислородсодержащего газа, выполненные в стенках сосуда в направлении к его середине, и сопла для подачи углерода, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью снижения рас 18292хода энергии, плавильный сосуд снабжен расположенными вверхней и/или средней частях плазменными горелками.3, Установка по и. 2, о т л и -,ч а ю щ а я с я тем, что плазменные горелки выполнены с воэможностью поворота в горизонтальной и/или вертикальной плоскостях, а сосуд снабжен дополнительными соплами для подачи реагентов, расположенными в днище.1Изобретение относится к способамполучения жидкого чугуна или стального полупродукта из материала, содержа.щего окись железа, в частности изпредварительно восстановленной железной руды.Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результату, к предлагаемому является способ получения чугуна или стального полупродукта из содержащего железо материала, включающий его загрузку сверху,подогрев, восстановление и расплавление в кипящем слое из угольныхчастиц, газифицируемых в кислородсодержащем несущем газе, который подают от краев в центр кипящего, слояСпособ осуществляется в установкедля получения чугуна нли стальногополупродукта из железосодержащего 20материала, содержащей плавильный сосуд с огнеупорной футеровкой, отверстия для загрузки сырья, выпуска шлака и металла, а также отверстия дляввода кислородсодержащего несущего 25газа, расположенного на стенкахв направлении середины сосуда 1 11.Недостатком известного способаявляется высокое энергопотребление,вследствие чего тепловой баланс, а З 0также экономичность неудовлетвори"тельны,Цель изобретения - снижение расхода энергии.Поставленная цель достигается тем,35что согласно способу получения жидкого чугуна или стального полупродукта из железосодержащего материала,включающему его загрузку, подогрев,восстановление и расплавление в кипящем слае из угольных частиц, гази 2фицируемых в кислородсодержащем газе,подаваемом от краев в центр кипящегослоя, кипящий слой. нагревают плазменными горелками в верхней и/или сред-.ней частях.В установке для реализации способа получения чугуна или стальногополупродукта, содержащей плавильныйсосуд с огнеупорной футеровкой,отверстия для загрузки сырья, выпуска шлака и металла, отверстия дляввода кислородсодержащего газа, выполненные в стенках сосуда в направлении его середины, плавильный со"суд снабжен расположенными в верхней и/или средней частях плазменными горелками.Причем плазменные горелки выполнены с возможностью поворота в горизонтальной и/или вертикальной плоскостях, а сосуд снабжен дополнительными соплами для подачи реагентов,расположенными в днище.Согласно изобретению к кипящемуслою подводится дополнительнаяэнергия за счет нагрева плазмы, чтодает возможность существенно снизитьобщее потребление энергии благодарялучистой знергопередаче, обусловленной высокими температурами плазмен 1 ного газа,Если нагрев плазмы происходит вверхней и/или примыкающей к ней средней зоне кипящего слоя, там образуется и поддерживается зона с наиболеевысокими температурами в кипящемслое, Вследствие этого в области,расположенной непосредственно вышеповерхности шлакового расплава,температура может быть установленаотносительно более низкой и поэтому3 1118292 4можно предотвратить вторичное окисле- зе) с огнеупорной футеровкой 2,ние восстановленных и уже расплавлен- В верхней стенке 3 плавильного сосуных частиц железной руды непосредст- .да имеются три отверстия 4 - 6. Отслой авенно перед прохождением их через верстие 5 служит для подачиля подачи угля илисло расплавленного шлака.5кокса, преимущественною нно некоксующего-Экономичность способа становится ся угля различной ззернистости, в плавышее, если в качестве газа, образую- вильный осуд 1. Второе отверстие 4щего плазму, используется часть вос- лужит для загрузки частиц исходногостановительного газа из кипящего материала содержащЭ ащего окись железа,слоя. Предпочтительно в факельную 10 пРичем в плавильный с 1сосуд вводитсяобласть плазменного нагрева дополни" железная руда, предварительно восста"тельно вводить носители углерода новленная преимущественно на 50-707о.в твердой и/или жидкой форме. Сниже- Через отверстие 6 в верхней стенкение общего потребления энергии до 503 плавильного сосуда выходит восстановоэможно в том случае, если в качест вительный газ, который используетсяве исходного сырья, содержащего окись для предварительного восстановленияжелеза, в кипящий слой поступают железной руды,и восстанавливаются в нем частицы В боковых стенках 7 и 8 плавильжелезной руды, предварительно вос- ного сосуда 1 размещены плазменныестановленные на 50-О .20горелки 9 направленнаправленные к центральсосуда, т.е. выНосители углерода в твердой и/или ной .оси плавильного сос ажидкой форме предпочтительно подавать в кипящий. слой. снизу. Кислород дугой которые могут работать какили кислородсодержащий газ нагне- на постоянном, так и на переменномтают в кипящий слой снизу, причем 25 токе. Плазменные горелки 9 целесообв качестве конечного продукта в этом Разно размещать в боковых стенкахслучае можно получить стальной полу- по кольцу в одной или несколькихпродукт. Для регулирования процесса плоскостях, причем преимущественнов кипящий слой подают снизу инерт- с возможностью поворота как в вертиные газы.30кальном направлении так и по отноЭПлазменные горелки расположены шению к горизонту.чв верхнеи и/или средней по высоте В качестве газа, образующего плазчастях пространства, заполненного му, Используют часть восстановикипящим слоем, Кроме того, предусмот- тельного газа, возникающего в сосурены сопла для подачи носителей де 1 и вытекающего через отверстие 6.углерода в твердой и/или жидкой З 5 В качестве газа образующегоформах, направленные в факельную плазму, могут применяться такжезону плазменных горелок. Плазменные многоатомные газы и/или двух- илигорелки устанавливают направленными одноатомные инертные газы. Ниже плазк центральной оси плавильного сосу- менных горелок 9 через стенки 7 и 8д располагают по кольцу вокруга и40плавильного сосуда 1 проходят сопэтой оси, причем они размещены в не- ла 10 для подвода углерода преимускольких плоскостях одна над другой, щественно в твердой и/или жидкой фор.Чтобы можно было изменять поло- мах, которые поступают в факельнуюжение зон максимальных температур зону плазменных горелокв ки пящем слое по высоте и по протя 45Кислородсодержащий гаэ-носитель,женности, плазменные горелки выпол- который служит для создания кипяняют поворотными, в частности пово- щего слоя, поступает в плавильныйротными в вертикальной и горизонталь- сосуд 1 через газовые сопла 11Эной плоскостях. В основании плавиль- которые также расположены в боконогоого сосуда предусмотрены сопла для вых стенках сосуда ниже плазменных50подвода носителей углерода и/или кис- горелок, Сопла 1 О и газовые сопла 11лорода, и/или кислородсодержащих га- выполнены, как и плазменные горелки,зов, и/или инертных газов. поворотными. Немного ниже газовыхсопел 11 находится отверстие 12 дляНа фиг. 1 изображена установка для 55 выпуска шлака. Вблизи основания плареализации способа, общий вид. вильного сосуда имеется выпускноеУстановка содержит плавильный со- отверстне 13 для металла. В самомс 1 (уд (схематично изображен в разре- основании находятся несколько со3 1118292 пел 14-18, через которые в плавильный сосуд подаются угольная и/иликоксовая пыль, кислород, инертныегазы, природный гаэ или жидкий носитель углерода. 5Установка работает следующимобразом, 35 764 105 Предварительно восстановленная железная руда, подаваемая сверху . 10 преимущественно путем свободного падения, попадает в кипящий слой, который занимает в сосуде объем от линии, проходящей несколько выше выпуск ного шлакового отверстия 12, до линии, расйоложеннай выше плоскости размещения плазменных горелок 9, проходит через него сверху вниз, нагревается в нем, восстанавливается и плавится. Металлический расплав соби рается в объеме ниже шлакового расплава. Получение восстановительного газа происходит при плазменном нагреве жидких и/или твердых носителей углерода, которые поступают в факель ную зону плазменных горелок 9 через сопла 10, Дальнейший подвод тепла для требуемого теплового процесса происходит за счет частичного сгорания носителей углерода Такое комбинированный процесс дегазации, восстановления и плавления может производиться как при нормальном, так и при повышенном давлении.Носители углерода (угольная и/или коксовая пыль, жидкие углеводороды,35 природный газ, ББр.-синтетический натуральный газ) и газы (кислород и/или инертный газ), поступающие через сопла 14-18 в основании; слу 40 жат для корректировки теплового баланса в кипящем слое и стабилизации условий течения, При применении кислорода в плавильном сосуде 1, служащем для получения стального полупро 45 дукта, может происходить процесс раФинирования (окисления).,Преимущество подвода дополнительной энергии в комбинированный про- цесс восстановления и плавления заключается в том, что передача энер 50 гии осуществляется в основном путем излучения, которое обусловливается высокими температурами плазменного газа (4000-15000 К).Вследствие того, что зона наиболее высоких температур возникает и поддерживается в средней по высоте или верхней части кипящего слоя,температура в зоне кипящего слоя, расположенной немного выше шлаковой щихты, может поддерживаться относительно низкой, так что вторичное окисление уже восстановленных частиц железной руды может быть устранено. Вероятность повторного окисления в верхней или средней по высоте части кипящего слоя значительно меньше,. чем в нижней части, и, кроме того, если повторное окисление все же имеет место, оно уменьшается в зоне кипящего слоя.Диаметр плавильного сосуда может быть выбран сколь угодно большим, что связано с наличием сопел в основании - достигается лучыее перемешивание кипящего слоя. Путем изменения высоты положения или протяженности высокотемпературной зоны, т,е. зоны наиболее высоких температур в кипящем слое, при помощи изменения угла наклона плазменных горелок 9 и сопел 10 и 11 можно для различных условий проведения процесса всегда найти оптимальное решение, например оптимальные скорости тече- ния в плавильном сосуде или оптимальную высоту кипящего слоя, которая зависит от величины частиц вводимой руды и кокса.П р и м е р. При технологическом применении предлагаемого способа следует отметить его большую гибкость с точки зрения возможности использования различных носителей энергии . Наряду с твердыми топливами в качестГ ве добавки можно применять также жидкие или газообразные носители энергии.При режиме работы с одним сортом угля или с аналогичной по качеству угольной смесью 243 летучих состав-., ных частей, 4,5 золы 63,5 Х твердого углерода, при теплоте сгорания 28 800 кДж/кг, при удельной загрузке на 1 т жидкого металла (чугуна) 1 224 кг угля, который неполностью сжигается с 693 норм. м О (до СО и Н 2), получается следующий тепловой баланс:Приход тепла, кДж/т:Уголь 35 233 207Губчатое железо (подогретое) 530 898Остаток послевосстановления 715 787С РезС 1 395 270Р РО 10 638Теплосодержание жидких шлаков 184 242Теплосодержание жидкогочугунаПотери от излучения 419 000Ощутимая теплота газа 3 947 734Химически выделенная теплота газа 1 236 050 27 855 384 1 О1520 35 764 105Уменьшить удельное количествоугля нельзя несмотря на повышеннуютеплоту отходящих газов (в сумме31 803 118 кДж/т), так как большое 25количество газа требуется для восстановления железной руды в губчатое же-.лезо, а также ввиду сравнительно низкой температуры неполного сгоранияс низким коэффициентом полезногодействия теплопередачи.Если, например, определенное количество тепла от угля заменяется наэлектрическую энергию, то коэффициент полезного действия теплопередачи35улучшается вследствие более высокойразности температур между сечениемотдающей тепло среды и воспринимающими тепло веществами, Одновременноснижается количество отходящих газов.40ЕслФкблагодаря этому в предварительно выдержанной восстановительной шихте восстанавливается, например, хотябы более 60 количества кислородажелезной руды и оставшийся остаток403 снижается благодаря углеродупри эндотермической реакции, то несмотря на это общее удельное потребленке угля снижается до 734 кг. Правда необходимо дополнительно вносить50949 кВтфч/т электрической энергии,Для неполного сгорания 734 кг углятребуется 415 норм. м 02.При этом получается следующийтепловой баланс:Приход тепла, кДж/т:55Уголь 21 128 410Губчатое железо,восстановленное час 25 080 191 Расход тепла, кДж/т: Восстановление СРе С3Р- - - Р 02 5Теплосодержание жидкого шлакаТеплосодержание жидкого чугунаПотери от излучения Ощутимая теплота газа Химически вьщеленная теплота газа 2 751 3531 395 27010 638 184 242 1 236 050419 0002 368 984 16 714 64425 080 191Аналогичным образом возможна частичная или полная замена другихносителей энергии, причем необходимо принимать во внимание взаимосвязьмежду достижимыми и применимымитемпературами неполного сгорания,количествами восстановительного газа и количествами тепла. Где ввидузаданных природой условий (преждевсего в отношении температурныхвеличин) существует неувязка теплового баланса, можно с помощью электрической энергии осуществить соответствующее согласование,Количество связанного кислородаруды, подлежащее извлечению на 1 тчугуна, практически всегда постоянно и составляет около 400 кг. В зависимости от количества связанногокислорода руды, извлекаемого при помощи восстановительного газа, определяется потребность в восстановительном газе, удельное вьщелениекоторого различно в зависимости отвида и качества топлива. Если рассматривать экстремум, то из 1 кг природного газа (СН,Д получают около4,2 норм. м СО + Н однако дости 1жимая температура неполного сгорания при применении О, составляеттолько около 400 С, Если при этомнеобходимо получать температуру,требующуюся для производства чугуна,то нужно дополнительно вводить около 6 кВт ч на 1 кг природного газа.Если рассматривать угли упрощенно в виде смеси из кокса и углеводо"родов, то в зависимости от доли углеводородов изменяется выделяющеесяколичество газа и величина температуры от неполного сгорания. Для тогО,18292 10 СоставительО.СавельеведактоР,В.ПетРаш ТехРед Л,МаРтЯшова коРРектоР М,Мак Заказ 7292/46 Тираж 539 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и. открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП "Патент", г,Ужгород, ул,Проектная, 4 9 11 чтобы довести последнюю до требуе.мой величины для расплавления чугуна и шнака, необходимо в зависимости от качества угля или угольной смеси, а также от. добавок жидких или газообразных углеводородов вводить в со ответствуацем количестве электричес" кую энергию (вид энергии без отходящих газов; это могут быть также определенные металлотермические реакции).Таким образом; использование 5 изобретения обеспечивает минимизациюудельного расхода энергии при заранее заданных качественных показателях носителей энергии.