Способ восстановления металлической руды

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК ПАТЕНТУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик) УДК 669. .421(088,8) писания 28,02.83 та опубликован Инос о Прайс-Фалькон, Э ильберто Гуерра-ГарсРик ВильЯм М акк Иностранная фирмафИльса, С,А" (Мексика) 2) Ав Федер изобретения П 71) Заявитель 54) СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕ РУДЬ заИспользование для загрузки электро- дуговой сталеплавильной печи губчатого железа, содержащего карбид железа, обеспечивает ряд преимуществ во-первых,такое губчатое железо имеет пониженную точку плавления, что облегчает плавление его в процессе изготовления стали. Во-вто рых, углерод в виде карбида железа значительно более активен, чем масса добавляемого углерода, так как является значительно более эффективным восстановительным е с подее из двух орода гув элект для остато ного кижелеза, находящегос еской сущ ту к предИзобретение касается газового восстановления состоящих из частиц металлических руд до губчатого железа в вертикальном реакторе с движущимся .сло- . ем относится к способу получения путем прямого газового восстановления с желательной степенью науглероживания и может быть использовано для обработки руд, помимо железной.Известно получение губчатого железа в вертикальном шахтном реаторвижным слоем, обычно состоящосновных операций: восстановление руды в восстановительной зоне с помощью восстановительного газа, состоящего в основ. ном из угарного газа и водорода с температурой порядка 700-1000 С, предпочтительно 750-950 С; охлаждение полученного губчатого железа газовой охлал- даюшей с.едой до температуры порядка 100-200 С, предпочтительно ниже 100(; 1.Углерод откладывается на металлнесуших частицах и в реакционной и в охлаждаюшей зонах, и при надлежащих условиях отложившийся углерод может вво в реакцию с образованием карбид агентом бчатого япечи.Кроме того, на реакцию карбида железа с остаточной содержащейся в губчатом железе двухвалентной окисью железа требуется меньше тепла, чем на реакцию элементарного углерода с двухвалентной окисью железа,Наиболее близким по технич ности и достигаемому, результалагаемому является способ восстановлениядисперсной металлической руды, включающий восстановление дисперсной руды догубчатого железа в шахтной печи, включающий противоток горячего восстановительного газа из окиси углерода и водорода с рудой в верхней части шахтнойпечи, охлаждение губчатого железа внижней части печи, рециркулирование колошникового газа, его охлаждение и 10обезвоживание2 ,Губчатое железо, полученное по этомуспособу, обычно используется в качествеисточника железа для производства сталив электрической дуговой печи. Такое губчатое железо обычно содержит некоторуюдолю окиси железа, например 10-20 вес.70,поскольку экономически нецелесообразнодобиваться 100%-ной металлизации рудыв реакторе газового восстановления. Помере приближения металлизации железосодержащего материала к 100 процессстановится трудным, отнимающим многовремени и расходующим избыточные количества восстановительного газа для уда- дления остаточного кислорода из материала. Восстановление остаточной двухвалентной окиси железа карбидом железа приФводит к образованию угарного газа, пузырьки которого проходят через расплав,обеспечивая желательное размещениеванны. Газ обеспечивает образование легкого пенистого шлака, обволакивающегоэлектроды и уменьшающий адиационныепотери тепла к кровле и стенкам печи.35Пенистый шлак создает дополнительноепреимущество, когда используется непрерывная загрузка печи губчатым железом.Предварительно нагретые во время падения через шлак гуанулы губчатого желе 46за входят в реакцию еше до того, какони достигнут расплавленной ванны.Все это может быть достигнуто безповышения термической нагрузки электро.печи,При эксплуатации установка газового45восстановления для производства губчатого железа с меньшей, чем максимальновозможная, степенью металлизации и науглероживанием его до уровня, обеспечивающего завершение восстановления вэлектрической печи и эффективное использование высокотемпературной восстановительной способности печи, обещаетэкономические преимушества.Основным недостатком способа является невозможность регулировать степенькарбюризации, так как избыточное наугле,роживание нарушает стабилизацию электрической дуги сталеплавильной .к;чи, тем самым новь.дая интенсивность изцоса. огнеупорной футеровки лечи, Возникает необходимость удлинения периода рафинирования, чтобы обеспечить удаление избыточного углерода. Во многих случаях желательный уровень содержания углерода в губчатом железе составляет 1-3 вес.%,Содержание углерода в губчатом железе должно поддерживаться в узких границах.Науглероживание в восстановительной зоне не легко отрегулировать с требующе ся степенью точности, так как домини рующим требованием; к восстановитель ной зоне является такое регулирование условя. работы, которое способно обеспечить желательный оптимальный уровень восстановления, Оптимальные условия восстановления обычно не совпадают с оптимальными условиями науглероживания.В некоторой степени та же проблема возникает и в охлаждающей зоне в том случае, если в ней происходит одновременнои охлаждение и науглероживание.При попытке обеспечения точного регулирования науглероживания в системевосстановления возникает проблема, обусловленная тем, что возникающая в зоневосстановления степень науглероживанияможет быть настолько большой, что губчатое железо, поступающее; : -. и е лдж.дения, уже может содержать бельа-. у,ле.рода, чем требуется,Известно, что реакции науглероживанияблагоприятно протекают при 500-700 С,в силу чего процесс науглероживаниястремится произойти в центре восстановительной зоны.Интенсивность науглероживания в восстановительной зоне взначительной степени зависит не только от температуры,но также от концентрации угарного газав восстановительном газе, Хотя угарныйгаз в зоне восстановпения потребляется,тем не менее восстановительная зоначасто является четко выраженно генератором угарного газа. Это обусловленоконверсией двуокиси углерода в нижнейчасти зоны восстановления в мсноокисьуглерода.Такая реакция имеет место предпочтительно в нижней части восстановигельной зоны по двум причинам: вследствие относительно высокой температуры в этой точке и вследствие также кат.:питического воздействия, оказываемого гу бчатым железом на реакцию. Эта реакция форсирует отложение углерода и в разулитате уменьшения концентрации двуокисиуглерода в газе и в результате повышения содержания в нем моноокиси углерода,Цель изобретения - регулированиенеобходимой степени карбидизации.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу восстановленияметаллической руды до губчатого железа в шахтной печи, включающему противоток горячего восстановительного газаиэ.окиси углерода и водорода с дисперсной рудой в верхней части шахтной печи,охлаждение губчатого железа в нижнейчасти печи, рециркуляцию колошникового Игаза, его охлаждение и обезвоживание,к горячему восстановительному газупосле ввода в реактор добавляют пар вколичестве 1-20 об.%,Часть пара в количестве 1-15% добавляют в верхнюю часть эоны восстановления реактора со свежим восстановительным газом.В качестве металлической руды используют железную руду. 25При осуществлении предлагаемого способа в результате уменьшения содержания моноокиси углерода в находящемсяв восстановительной зоне газа происходит косвенное уменьшение образования З 0элементарного углерода и карбида железав восстановительной зоне реактора. Содержание водяных паров в газе регулируется с таким расчетом, чтобы сместить ход реакции, т.е, форсировать хорошо 55известную реакцию сдвига равновесно.СО+И, СО+Н ОПравильное регулирование содержанияводяных паров в восстановительном газеможет существенно уменьшить образование углерода в восстановительной зоне,поскольку присутствующая в потоке газамоноокись углерода вступает в реакцию,обеспечивая образование углекислоты, ане по реакции. Приводящей к получению 45элементарного углерода. Содержание. угле.рода в губчатом железе можно такимобразом уменьшить ниже того минимума,который требуется в продукте - губчатомжелезе. Это создает возможность эффективного регулирования и контролированиясодержания углерода в губчатом железев зоне охлаждения без необходимостисущественного вмешательства в условияоптимизации процесса восстановления в55зоне восстановления.Внешняя часть восстановительногоконтура обычно содержит, кроме охладителя газа, циркуляционный насос и нагреватель для повторного подогрева восстановительного газа, через который последовательно проходит вытекающийиз реактора газ. Водяные пары могут вводитьсяв циркулирующий газ, например, непосредственно перед впуском газа в реактор.Его можно также вводить непосредственнов реактор близ верха восстановительнойзоны, Водяные пары или пар могут вводиться в обогашаемый поток восстановительного газа, направляемого в контурвосстановительного газа. Отдельные порции водяного пара могут вводиться в двеили более точки системы; Вместе с тем,в случае относительно высокого содержайния водяного пара в вытекающем восстановительном газе его содержание, можнопонизить путем регулирования подводимого к охладителю газа потока охлаждающей воды,Добавление пара в восстановительныйгаэ неизбежно приводит к раэбавлениювосстановительных компонентов газа. Придобавлении в зону восстановления параотношение Н, (Иа.ф И 0 ) существенноснижается и, соответственно, падает восстановительный потенциал газа в некиейчасти восстановительной зоны, т.е. в тойточке системы, где происходит последняяи самая ответственная часть восстановления и где важно располагать высококачественным газом.Введение пара близ верха эоны восстановления, там, где происходит начальное1и относительно легковозникаюшее восстановление руды, создает, однако, в результате разбавления восстановительного газапаром лишь относительно небольшое воздействие на суммарный эффект восстановления. Требуемая реакция смещения водяного газа (вышеприведенное уравнение),возникающего в результате добавки парав восстановительный газ, носит экзотермический характер и, следовательно, способствует нагреву поступающей свежей руды,Кроме того, находящаяся вверху слоя окисьжелеза является хорошим катализаторомреакции смещения водяного газа и форсирует протекание этой реакции,Добавление пара в газ, вводимый ввосстановительную зону, связано с некоторыми недостатками, однако, в некоторых случаях оно является выгодным, вчастности, когда направляемый в восстановительную зону газ содержит значитель.ное количество метана, например в томслучае, когда направляемый на пополнениевосстановительного газа гаэ представляетсобой газ риформинга, обогащенный мета 7 1001 ном или природным газом или когда для пополнения используется газ коксовых батарей. В этом случае пар вступает В реакцию с метаном и образуются дополнительные. клича восстановительных 5компонентов: моноокиси углерода и водорода,В некоторых случаях оказалось целесообразным прибегнуть к компромисснойпроцедуре, т,е. добавлять небольшую до олю пара в поступающий в реактор восстановительный газ и большую частьпара в верхнюю часть 1 удного тела, находящегося в зоне восстаноВления реак 15На фиг. 1 изображен схематическивертикальный шахтный реактор с подвижным слоем; на фиг, 2 - аналогичнаясистема, предназначенная для осуществления модификации метода по изобретению,20Вертикальный шахтный реактор 1 снаходящейся в его верхней части зонойвосстановления имеет также в нижнейчасти зону 2 охлаждения. Реактор 1 имеет надлежащую теплоизоляцию и изнутри 25футерован огнеупорным материалом. Подлежащая переработке состоящая из частиц руда загружается в реактор 1 позагрузочному трубопроводу 3, Загружаемая руда может быть кусковой или состо-, Зоять из предварительно образованных гранул. Руда опускается через восстановительную зону, где восствнавливаетая догубчатого железа продуваемым вверхвосстановительным газом, затем проходит через охлаждающую зону 2, в которой охлаждается текущим вверх охлаждающимцгазом, и покидает реактор черезвыпускное отверстие 4, Средняя частьреактора имеет Выступ 5 верхний конец 40которого образует совместно с кольцевойрубашкой 6 кольцевую камеру 7, в которую по трубе 8 поступает восстановитель.ный газ, Это приспособление служитдля распределения восстановительногогаза по периферии реактора. Восстановительный газ течет вверх через восстановительную зону 9 и покидает реактор потрубопроводу 10.Нижняя скошенная часть выступа 556входит в распределительную камеру 11,образуя впускную камеру 12 для охлаждающего газа, в которую по трубопроводу 13 поступает охлаждающий газ, Камера обеспечивает распределение охлюкдающего газа по периферии реактора.Охлаждающий газ течет вверх через зону охлаждения в кольцевую выпускнуюкамеру 14 для охлаждаюии"го газа, окон 863 8туренную выступом 5 и имеющей форму усеченного конуса перегородкой 15, Каме. ра. 14 предназначена для накопления охлаждающего газа вверху охлаждающей зоны и направления газа в выпускную трубу 16 дпя охлаждающего газа.Предназначенный для восстановления руды газ подается из надлежащего источника 17 восстановительного газа. Обычно таким источником является система каталитического риформинга, обеспечивающая риформинг смеси природного газа и пара с целью получения моноокиси углерода и водорода. В другом варианте используется газ коксовых батарей, применяемый в том., виде, в каком он выходит из печей или после риформинга.Восстановительный газ может быть также получен из газообразных углеводородов, не являющихся природным газом, или из жидких углеводородов или угля.Восстановительный газ из источника 17 протекает по трубопроводу 18 в контур восстановительного газа, т.е. к регулятору 19 потока, размещенному в трубопроводе 20 и обеспечивающему предопределенный расход потока восста новительного газа, поступающего в реактор 1. Восстановительный газ поступает по трубопроводу 20 в нагреватель 21, где нагревается до 750-950 С и далее по трубе 8 в реактор."Выходящий из реактора газ течет по трубопроводу 10 в нагружной дхладитель 22 с целью конденсации части содержащейся в газе воды и удаленияпыли. Выходя 1 ций из охладителя 22 газ следует по одной из двух трасс В одном случае он течет ло трубе 23, в которую врезан контрольный клапан 24, и через регулятор 25 обратного давления, а потом выдувается в атмосферу или отводится в надлежащее место хранения или используется в качестве топлива. По другой трассе газ из охладителя 22 может рециркулировать- ся по трубе 23, через трубопровод 26, циркулянионный насос 27, трубопровод 28 с клапаном 29, назад в трубопровод 20 и восстановительную зону реактора, Большая часть вытекающего из холодильника газа рециркулируется по трубопроводу 26 насосом 27 контура восстанови 4тельного газа и только незначительнаячасть газа удаляется из контура по трубе 23 для использования в качестветоплива, складирования или выдувания ватмосферу.Восстановленная руда охлаждаетсяохлаждающим газом В охлаждающей зоне9 100 Ы 2 реактора. Охлаждаюший газ поступает в систему по.трубе 30, снабжщюй на-порным клапаном и регулятором 11 расхода потока. Теоретически возможно использование многих охлаждающих газов, включая водород, метан или другие углеводородные газы, моноокись углерода и их смеси, углекислоту или азот, Согласно изобретению, губчатое железо науглероживается в охлаждающей зоне до жела тельного контролируемого уровня. Для этого охлаждаюшая зона .должна содержать значительное количество науглероживаюших компонентов. В некоторых случаях желательно иметь используемый для пополне ния охлаждающий газ с таким же составом, как и поступающий из источника 32 пополняющий восстановительный газ. С этой целью трубу 17 соединяют с трубой 30 трубопроводом 33, снабженным запорным клапаном 34.Поступив в контур, охлаждающий газ поступает к гаэодувке 35, нагнетательная сторона которой присоединена к трубо. проводу 13, содержащему автоматический 25 регулятор 36 расхода потока. Газ, выходяший из эоны охлаждения по трубе 16, проходит через охладитель 37, где охлаждается и обезвоживается. Затем по трубе 38 он возврашае;оя на вход газодувки 35. Охлаждающий газ может быть выпушен из охлаждающего контура по трубе 39, в которой имеется регулятор 40 потока, В некоторых случаях композиция охлаждающего газа такова, что35 ецио выгодно направить в контур восстановительного газа. С этой целью труба 39 присоединена к передаточной трубе 41, оборудованной запорным клапаном 42, подключенным к трубопроводу 26.40 Таким образом, удаленный из контура охлаждения газ может быть введен в контур восстановительного газа. В случае нежелательности передачи отобран-.ного охлаждающего газа в контур вос 45 становительного газа, отработанный газ может быть пропушен через клапан 43 трубы 39 в трубу 23 и,далее выпущен в атмосферу, складирован или использован на топливо. Согласно изобретению, реакция сдвига вода-газ, обычно возникаюшая в верхней части восстановительной зоны, форсируется путем ввода в контур с восстановительным газом воды. Обычно пар вводится в систему по подающей трубе 44 и течет по трубопроводу 45, имеюшему клапан 46, в приточную камеру 47, из которой вводится через сопла 48 в верх 63 10нюю часть рудного тела, находящегосяв восстановительной зоне реактора. Пар может также поступать из трубы 44 по трубопроводу 49, имеющему клапан 50,в трубу 51 и далее через нагреватель21 в нижнюю часть восстановительной зоны 9. Кроме того, часть пара можетбыть введена в восстановительный контур через сопла 48, а вторая, незначительная, часть пара может плдаваться в трубопровод 20 через трубопровод 49.Количество используемого пара зависит от таких факторов, как водосодержаниерециркулируемого газа, текущего по трубопроводу 28, температуры подаваемогов реактор Газа, скорости пропуска руды.Количество добавляемого пара составляет 1-20 об. %, количество введенногочерез трубопровод 49 и контур пара может составлять 1-5 мол.% циркулирующегогаза, а количество пара, вводимого потрубопроводу 45 - 3-15 мол.% циркулируемого газа.В системе, представленной на фиг. 2,в контур восстановительного газа включен обособленный каталитический реактор. Газ, вьгтекаюший из восстановительной зоны 9, поступает по трубе 10 и черезкаталитический реактор 52, а потом через трубу 53 течет в охладитель 22,Пар подается в реактор 52 по трубе 54,оборудованной клапаном 55. При такойформе реализации изобретения требуетсяобособленный агрегат. Зато реакциямежду паром и восстановительным газомможет контролироваться вне зависимости,от протеканияреакции в восстановительнойзоне реактора.В таблице приведены данные для рядапримеров использования с,добавлениеми без добавки пара. Буквами Г - Т 5 обозначены потоки, выраженные в стандартных единицах расхода потока, в каждойиз пяти указанных точках системы:трубопровод 18;- трубопровод 20;- трубопровод 13; Г 4 - трубопровод 45; - трубопровод 49.Приведенные в таблице параметрырасхода потока были получены путем про.извольной оценки добавляемого газа натонну руды (пример 1) 100 единицамирасхода потока.Все остальные показатели расходапотока, которые приведены в таблице, отображают расход потока на 1 т руды применительно к вышеуказанной исходной оценке.Сравнение примеров 1 и 2, с одной стороны, и примеров 3-7, с другой стороны, отчетливо показывает, что добавле11 1001 М 3 12ние водяных паров в циркулируошнй вос- ность эффективного регулирования степенистановительный газ существенно умень- . науглероживания в охлаждающей зоне,шает науглероживание в восстановитель- позволяя осуществить в последней болееной зоне и тем самым создает возмож- точное контролирование,35 0 0 369 О 2 90,4 27 850 О 87,6 3 68 256 70 265 65 240 8 9 85 2 т 2 85. С 21 точники информации,во внимание при экспернт США М 3765872,В 13/02 в 1974.нт США % 3844766,В 13/02, 1974. з Формула изобретения1, Способ восстановления металличес. кой руды до губчатого железа в шахтной печи, включающий противоток горячего восстановительного газа из окиси углерода и водорода с дисперсной рудой в верхней части шахтной печи, охлаждение губчатого железа в нижней части печи, рециркулирование колошникового газа, его охлаждение и обезвоживание, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью достижения необходимой степени карбюризации, к горячему восстановительному газу после ввода в реактор добавляют пар в количестве 1-20 об,% 2. Способ по и. 1, о т л ич а ющ и й с я тем, что часть пара в количестве 1-15% добавляют в верхнюю часть, О зоны восстановления реактора со свежимвосстановительньм газом.3, Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве металлн ческой руды используют железную руду