Способ металлизации железорудных материалов в шахтном реакторе

Союз СоветскихСоциалистическихРеспубпик ОП ИСАНИЕизовеетенияК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1905288 6 ) Дополнительное к ввт. свид-ву 51)М. Кл, С 21 В 13/02) Заявлено 03. 12.79 (21) 2848940/22-02рисоедкиеиием заявки ЭЙ дврстввив 1 й комитет СССР(54) СПОСОБ МЕ МАТЕРИАЛОВ сильно усложняеттельного газа, огристочника восстан дготовку восстанови ичивает применение ической промышленн ырья в м ительного газа, Рас высоте печи произво деление газа а. Эт ию з ичест миров кисло вые ж желез что ии рядовых и зерниов.- металлизация до качественных так соба для металлизац тых рудных материалЦель изобретения и иа степени 90-9 ьЖ как рядовых зернистых ж лов, повышение прои 11 а ел езорудных аГр ительн гата.Посто в иная цель достигается еталлизации железоруи шахтном реакторе,пособе ериал ных м Изобретение относится к технике подготовки металлизованного железорудного сти.Известен способ, в котором кусковыежелезорудные материалы (окатыши, агломераты) металлизуются в шахтных, вращаощих печах и на колосниковых решетках. Для того, чтобы избежать вторичного окисления при транспортировке, металлизованные материалы охлаждаются ввосстановительной среде ,1 1.Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности является способметаллизации железорудных материалов вшахтной печи, включающий противотокшихты и газа, нагрев и восстановлениепри 800-1100 оС с регулируемым отношением СО/Н, которое сверху вниз увеличивается от 0,3 в верхней части печидо 25 в нижней 121.Недостатком способа является необходимость непрерывного изменения соотношения Н 11 и СО по высоте печи, что ЛИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХШАХТНОМ РЕАКТОРЕ без учета распределения скоростейса и распределения газового потоо приводит к произвольному разбиеон нагрева и восстановления и ко- фва подаваемых в эти зоны газа не иораны по балансу газифицируемогоода шихты. Металлизуются кускоелезорудные материалы, содержащиеа более 67% и В 10 не более 17 с,гран вает использование этого спо 3 90чаюшем противоток шихты и газы, нагрев,предварительное и окончательное восстановление при 90 оСфракции материала 5-15 мм или 1-5 мм восстанавливают раздельно газом под давлением 56 втм на входе, удельный расход которого составляет 0,7-0,9 н 1 Экг исходногоматериала и который перераспределяютмежду зонами предварительного и окончательного восстановления, составляющими 0,50-0,55 и 0,20-0,25 высоты реактора, в соотношении 60-707 о и 30-40%соответственно.Содержание Но и СО в газе составляет 60 90 при соотношении (СО 1+ Н 0):: (СО ф Н), равном 0,08-0,01.30-40% обработанного газа сжигают .в сло. в процессе нагрева шихты, а остальной газ рециркулируют,Загрузку и выгрузку шихты осуществ-ляют пневмотрвнспортом, рабочим теломкоторого является технический азот.Газодинамические характеристики агломерата указанных выше фракций позволяют 1продувать газ (воздух) через слой со скоростью 2000-2500 нм /м,ч или 0,55 Э 20,69 м/с при перепаде давления 400500 мм вод. ст. Если учесть увеличениетемпературы процесса до 1000 С и соотЬветствующее увеличение вязкости восстановленных газов, то перепад давления приуказанных нормальных расходах газа превысит 1000 мм, вод. ст., что затруднитнормальное течение противотока в шахтных реакторах. Для сохранения перепададавления газа на допустимом пределе400-600 мм вод. ст./м высоты слоянеобходимо повысить давление газа впечи пропорционально повышению отношения ТК/273 и вязкости газа. Для компенсации расширения объема газа при повышении его температуры до 900-1050 СЬ(Т - 1173-1323 К) требуется повыситьдавление газа до 4,29-4,85 втм, в длякомпенсации увеличения коэффициентавязкости газа требуется повысить егоеще нв 0,708-1,06 втм. Корректируемая величина давления по вязкости основана на расчете коэффициента сопротивления слое по формуле, значение которого при20 ОС 10,44,а при повышении температуры до 1000 ЬС и давления цо 6 втм18,53. За счет повышения вязкости газакоэффициент сопротивления слоя увеличился в 1,77 раза. Высота промышленногореактора может колебаться в пределах8-12 м. Обшее сопротивление слон изусловия поддержания перепада давленияв пределах 400-600 мм вод. ст, 0,45288 40,6 ати. Увеличение его с повышениемвязкости газа и 1,77 раз приводит кнеобходимости повышения давления гвзвна 0,708-106 ати. Общее давление газана входе в слой должно поддерживатьсяв пределах 5-6 ати.Шихта нагревается газообразнымипродуктами горения до 900-950 фС. Поскольку температура начала размягчения 1 О окисленных железорудных материалов лежит в пределах 1050-1200 ьС газ длянагрева шихты должен вводиться в слойс температурой не более 1000-1050 ЬСчтобы не вызвать расплавление мвтериа ла, Высота зоны нагрева определяетсяиз условия тецлообмена между газом ишихтой в интервале изменения температуры газа от 10 ООаЬС до 200-250 ЬСили шихты от 900-950 С до 25 С при 20 заданных отношениях водяных эквивалентов шихты и газа, Для большинства промышленных печей противоточного действия это отношение колеблется в пределах0,7-0,9. Если нагрев шихты в указанных 25 интервалах температур принять за 100%(или за единицу), то при принятых отношениях водяных чисел и температурныхусловиях средняя относительная скоростьнагрева, определяемая по известным фордзо мулам получится в 3,7-4,15 раза больше относительной скорости восстановления железа из окислов. Поскольку вреакторе процессы нагрева и восстановления протекают последовательно, токаждому процессу отводится часть высоты реактора обратно пропорциональноотносительной скорости процесса, Изэтого соотношения следует отнести длязоны нагрева 25-27 обшей рабочей вы О соты реактора. Скорость восстановлениязамедляется с увеличением степени восстановления. Особенно резко снижаетсяона при степенях 60-703 з и выше из-завнутреннего диффузионного сопротивления, 45создаваемого покровным слоем. Поэтомувнешняя диффузия здесь не играет существенной роли. Для завершения восстановления не требуется высокой скорости движения газа, тем более завершаюшая зонаметаллизации приходится к сужающейся 50части реактора (к заплечикам), где увеличение скорости движения газа нежелательноеще с точки зрения обеспеченияровного схода шихты. Эта зона достаточно полно обрабатывается той частью общего количества газа, которое пропорционально доле оставшегося в материалекислорода шихты, т.е. 30-40%, В вышерасположенных слоях, где степень восста5 9052 човления менее 60 Ъ, влияние внешней диффузии существенно. Здесь имеется не 4обходимость увеличения 1 скорости газового потока и это поэволяет соответствующее сечение реактора. Отсюда следует, чтодля нормального течения противотока иускорения восстановительного процессанеобходимо общее количество восстановительного газа распределить на два ярусазоны восстановления в верхний ярус 60- 10 70%, в нижний ярус 30-40%. Такому распределению баланса кислорода шихты, количества восстановительного газа, обеспечивающему стабилизацию восстановительного процесса, соответствует высота нижнего яруса в пределах 20-24%, верхнего яруса 5 о% от общей рабочейвысоты печи.Предлагаемый способ предназначен для восстановительной обработки мелких железорудных материалов, являющихся восновномотходом, металлургической промышленности, для эффективного использования развитой реакционной поверхности мелких руд. Поэтому для нормального 25 протекания процесса решающее значение имеет газопроницаемость столба шихты. Для улучшения газопроницаемости слоя шихта рассеивается на две фракции 515 мм 1-5 мм. Эти фракции в отдельно;- зо сти имеют лучшую газопроницаемость, чем в смеси. Поэтому по предлагаемому способу каждая фракция загружается в определенный реактор, который работает либона фракции 5-15 мм, либо на фракции 1- з5 мм.Относительная высота слоя нагрева 0,25-0,27 при отношении водяных эквивалентов шихты и газа, равном 0,7-0,9,обеспечивает прогрев шихты до 900 С. 40оУменьшение относительной высоты слоя ниже 0,25 приводит к сннкению температуры нагрева шихты и степени использования тепловой энергии газь Увеличение относительной высоты сло, выше 0,27 приводит к уменьшению вы.оты восстановительной зоны и снижению лроизводительности агрегата.Уменьшение относительной высоты зоны первичного восстановления ниже 0,5 приводит к снижению степени использова. ния восстановительного потенциала газа в этой зоне и увеличению количества кислорода шихты, переходящего в нижнюю зону. Увеличение относительной высоты55 этой зоны выше 0,55 приводит к снижению скорости восстановления и производительности агрегата. Относительная высота зоны завершающего восстановления в пределах 0,20-0,24 по времени пребы валия материала и по скорости восатанов" ления обеспечивает довосстаповление же леэа, начиная от 60-.70% до 90-96%.Нижний предел высоты ограничиваетсяуменьшением степени металлиэации материала на выходе, верхний предел - уменьшением степени использования восстановительного газа.Суммарное содержание Н и СО вгазе ниже 60% приводит к необходимостиувеличения общего количества вдуваемогогаза и тем самым вызовет увеличениеперепада давления газа выше 600 ммвод. ст./м, Увеличение перепада давлениягаза выше 600 мм, вод. ст./м недопустимо тем, что при этом появляется опасность подстоя шихты и режим противотока переходит и неустойчивое состояние. При перепаде давления газа ниже 400 мм, вод. стlм недоиспольэуется гаэопроницае мость шихты и снижается производительность агрегата. При этом отношении (СО+ НО): ; СО + Н) больше 0,08 наблюдается резкое снижение скорости восстановления , железа в связи с увеличением концентрации СО и НО. Поэтому необходимо поддерживать это отношение менее 0,08.Распределение количества восстанови тельного газа между зонами первичного и завершающего восстановления обусловлено условиями обеспечения устойчивости газового потока и степени использования газа. Увеличение количества газа, расходуемого в нижнюю сужающуюся зону, выше 40% нецелесообразно из-за нарушения устойчивости газового потока. Уменьшение этого количества газа ниже 30% снижает скорость восстановления иэ-за повышечия концентрации СОи Н 1 О и снижает степень 1 металпизации материала на выходе.Удельный расход газа 0,7-0,9 нм /кг исходного материала обеспечивает оптимальные значения степени использования газа и производительности агрегате. Уде 3 льный расход газа ниже 07 нм./кг приводит к снижению производительности агрегата, а выше 0,9 нм /кг к снижению степени использования восстановительногопотенциала.Отработанный гаэ будет иметь тепло 3творную способность 4000-5500 кДж/нм",Для нагрева шихты до 900 С, достаточно сжигать в слое 30-40% отходящего газа. Ниже 30% количества аза недостаточно для нагрева шихты. Выше 40% нецелесообразно из-аа перегрева шихты.ня низа второго яруса зы ружается метал лизованный железорудный материал фрак - ции либо 5-15 мм, либо 1-5 мм, затем остальная часть рабочего объема печи загружается окисленными железорудными материалами соответствующей фракции, Отработанное рабочее тело пневмотранспорта - азот отводится через гвзоотвод 12.Подается горячий пар во все зонырабочего пространства печи, Через 20 мин после подачи пара и вентиляции им рабочего пространства печи в зоны первичного и завершаюшего восстановления, занимающих соответственно 50-55)о и 20-24% от высоты рабочего пространства печи, подается горячий восстановительный газ в количестве 50% от расхода при полном ходе печи. Общий расход газа распределяется между этими зонами как в период задувки, так и при полном ходе печи в соотношении 60 и 40% соответственно, В исходном газе суммарное содержание Н и СО обеспечивается больше 60 Уо при отношении (СОл + НО) /(СО + Н) меньше 0,08 и давлении перед входом в слой 6 атм и температуре 1100 фС.Через 30 мин после подачи восстановительного газа с помощью пневмотранспорта начинается выгрузка металлизованиых материалов по пневмотрубопроводу 14 и возобновление уровня засыпи загрузкой шихты по пневмотрубопроводу 13, Расход метвллизованного материала на выгрузке также устанавливается в соответствии с удельным расходом газа 0,7-0,9 нм /кг3исходного материала. Через 10-15 мин после начала выгрузки материала 40% отработанного восстановительного газа из зоны первичного восстановления подается в зону нагрева, занимаюшую 27% от рабочей высоты печи, и зажигается до полного горения. Количество и темпера тура продуктов горения регулируются.После организации устойчивого движения шихты повышается расход восстановительного газа дополного хода печи, который характеризуется из расчета установления скорости движения газа в рабочем пространстве печи 1-2 м/с. Расход материала на загрузке и выгрузке устанавливается из условия обеспечения удельного расхода восстановительного газа 0,7- 0,9 нм /кг исходного материала.П р и м е р 2. После загрузки печи и вентиляции ее паром, как в примере 1, через 20 мин в зоны первичного и завершающего восстановления подается горячий восстановительный гаэ, который распределяется в соотношении 70% вверх и ЗОУ 7 9052Давление газа на выходе ниж, 5 атмприводит к увеличению скорости движения и перепада давления газа, результатом чего является неустойчивый газовый поток. Давление выше 6 атм приво 5дит к удорожанию конструкции и оборудования печи из-за необходимости повышения их прочности и герметичности.Указанные выше пределы состава итемпературы газа, размеры частиц железорудного материала позволяют поддерживать степень использования восстановительного потенциала газа в пределах0,45-0,55. Теплотворная способностьотработанного газа будет находиться впределах 900-1500 ккал/нм . И для3нагрева шихты до 900-95 и С, при выше-.оукаэанных отношениях водяных эквивалентов шихты и газов в пределах 0,7-0,9,достаточно сжигать до полного горения30-40% общего отработанного количествагаза. Остальная часть и количестве 6070% отводится на выходе из зоны восстановления и после очистки от пыли направляется в газовый реактор для рециркуляции.Относительно малый размер. фракцииповышает сопротивление слоя. Для того,чтобы успешно протекал восстановительный процесс, газ должен быть достаточно концентрированным, Газопроницаемостьприменяемого слоя позволяет поддерживать удельный расход газа 700-900 нм/трудного материала. Для этого исходныйсостав газа по сумме (СО+ Н) долженбыть в пределах 60-90% при соотношении (СО .г НО) /(СО + Н) в пределах 0,01-0,08.На чертеже изображено устройство,ре шизующее предлагаемый способ.Устройство содержит сопло 1 для подачи обогащенного кислородом воздуха вгорелку, сопло 2 для подачи топлива, камеру 3 горелки или газовый реактор,кольцевой газопровод 4 первого яруса,сопла 5 для подачи газа в первый ярус,кольцевой газопровод 6 второго яруса,сопла 7 для подачи во второй ярус, кольцевой газопровод 8 для отвода газа иэпечи, отводяшие сопла 9, кольцевой воз 50 духопровод 10 для эоны нагрева, сопла 11 для распределения воздуха в зоне на гревв, газопроводы 12 колошникового газа, пневмотрубопровод 13 для загрузки материала, пневмотрубопровод 14 для55 выгрузки и транспортировки металлизироввбного материала.П р и м е р 1. В реактор с помощью пневмотрубопроводв 13 сначала до уров 888905288 10являюшихся возвратом производства, по-. ю ьышает использование металлургического Ъ сырья на 10-15%. 9вниз и имеет давление перед входом вслой 5 атм. В зону нагрева, занимающу25% рабочей высоты печи, подается 30отработанного восстановительного газа изажигается до полного горения, Продуктыгорения нагревают слой шихты до 900 С.оТемпература и количество продуктов горения регулируются. Остальные параметрыи порядок действия поддерживаются, какв примере 1, соП р и м е р 3, Количество восстановительного газа распределяется междузонами первичного и завершающего восстановления в соотношении 65 и 35% придавлении перед входом в слой 5,5 атм.В зону нагрева, занимавшую 26) высотыпечи, подаются продукты горения 35% отработанного восстановительного газа.Остальные параметры и порядок действиясохраняются как в примере 1.2 ОВосстановительный газ получается путем неполного сжигания топлива (природного газа, нефти и газойля) в газовыхреакторах 3 обогащенным кислородомвоздухом. Температура и состав газарегулируется изменением концентрациикислорода в дутье, По экспериментальнымрезультатам слой из фракции 5-1 мм прискорости движения газа 1,0 м/с и давлении 5 атм и температуре 1100 С со- зоздает перепад давления 100 О мм вод.ст.на 1 м высоты слоя. Уменьшение скорости до 0,6 м/с при движении шихты снижают перепад давления до 500-600 мм вод. ст., что является безопасным для про з 5 текания нормального противотока шихты и газа.При этом достигается удельный расход восстановительного газа 0,7:0,9=0 9 нм /кгисходного материала и удельная производительность агрегата около 2,8-3,5 т/м полезного объема реактора. От повышения степени использования восстановительного потенциала от 0,4-0,42 на сушествуюших агрегатах до 0,45-0,55 экономия энергии 8-10%. Использование неаефицитиого материала зернистых фракций, . формула изобретения 1, Способ металлиэации желеэоруаныхматериалов в шахтном реакторе, включающий противоток шихты и газа, нагрев,предварительное и окончательное восстановление при 900-1050 С, о т л и ч аю ш и й с я тем, что, с целью повышечия производительности при металлиэациидо степени 90-98 уо как качественных,так и рядовых зернистых желеэорудныхматериалов, фракции материала 5-15 мми 1-5 мм восстанавливают раздельногазом под давлением 5-6 атм на входе,удельный расход которого составляет 0,70,9 нм /кг исходного материала и который перераспределяют между зонамипредварительного и окончательного восстановления, составляюшими 0,50-0,55 и0,20-0,25 высоты реактора, в соотношении 60-70% и Зо% соответственно.2. Способ по и. 1, о т л и ч а юш и й с я тем, что содержание СО иНв газе составляет 60-90% при соотношении (СО 1 + НО): (СО + Н), равном О, 08-0, О 1,3. Способ попп. 1 и 2, отлича, ю ш и й с я тем, что 30-40%. отработанного газа сжигают в слое в процессенагрева шихты, а остальной газ рециркулируют.4. Способ по пп, 1, 2 и 3, о т л и.ч а ю ш и й с я тем, что загрузку ивыгрузку шихты осушествляют пневмотранспортом, рабочим телом которого является технический азот.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Современные проблемы металлургии. АН СССР, 1958, с,2, 19-220.2. Патент СШн % 3615351,кл. С 21 В 13/02,1971.Составитель П. Савштулинец Техред С. Мигуно дактор Заказ 29 дписное итета скан филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 38ВНИИПИпо де113035,Тираж 586 сударственного к м изобретений и осква, .Ж; Р ицкая а Корректор Г. Назар П СССРйнаб., д. 4/5