Способ прямого получения железа из руды твердым углеродом

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК за) С 21 В 13/02 У 38 А.И. ИвПономарев нов,Степн 97347,%СО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬГПФ(54) (57) СПОСОБ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯЗКЛЕЗА ИЗ РУДЫ ТВЕРДЫМ УГЛЕРОДОМ,включающий загрузку шихты в восстановительный агрегат, ее предварительную обработку и последующеевосстановление, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения расхода восстановителя, руду загружаюткрупностью 15-25 мкм и предварительную обработку ее осуществляют оки,сью углерода, при 450-500 С.1118Изобретение относится к риформингу углерода и может быть использовано для получения железа из окисных рудИзвестны способы прямого получения железа иэ руд, заключающиеся в восстановлении руды как газообразными (водород, окись углерода или их смеси) восстановителями, так и твердым (углеродом) 1 13.1 ОПрямое восстановление железной руды газообразным восстановителем требует подготовки восстановительного газа - чистого водорода или смеси водорода с окисью углерода и другими газами, получаемой риформингом природного газа, паровым риформингом угля либо другим способом, для чего необходимо дополнительное устройство для получения восстано-вительного газа, затем очистка газа, а также необходимое при использовании окиси углерода увеличение ее концентрации с ростом температуры и т.д. 25Использование для прямого восстановления газообразных восстановителей требует избытка их по сравнению со стехиометрическими соотношениями порядка 10-50 раз из-за реализации30 гетерогенных реакций, что резко снижает эффективность процесса.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ прямого получения железа из руды твердым углеродом, включающий загрузку шихты в восстановительный агрегат, ее предварительную обработку и последующее восстановление и заключающийся в том, что кон центрат железной руды смешивают с углем таким образом, что соотношение окись железа - углерод соответствует стехиометрическому, Размеры частиц 10-100 мкм. Шихту наг ревают до 950-1200 С и выдерживают при 1050 С 30 мин.С целью ускорения процесса добавляют хлорид железа, который служит зародышеобразователем и активатором реакции газификации 2 .Известный способ имеет ряд недостатков, связанных с зольностью угля и заключающихся в следующем; наличие в угле значительных коли честв серы, песка и другого балас" та делает уголь с содержанием угле - рода менее 803 практически непригод 688 2 ным для применения, так как затруднено создание контакта твердых поверхностей окись железа - углерод, в связи с чем кинетика процесса резко ухудшается. Процесс восстановления через газовую фазу (посредством окиси углерода) осуществляется при той же температуре ( - 1100 С)что и процесс восстановления твердым восстановителем - углеродом.Оптимальный уровень температур для восстановления окисью углерода 570- 740 С, а сама реакция носит экзоотермический характер. Сера, зола и др. остаются внутри заготовки либо. в виде твердых растворов, либо от; дельными фракциями, что определяет необходимость переплава, Соотношение окись железа- углерод после подачи в зону восстановления изменить нельзя, это является жестким требованием к составу концентратаи угля, а также необходимо в ходе приготовления шихты проводить экспресс-аналиэы. В случае использования магнетита процесс образования гомогенной шихты затруднен из-за магнитного слипания частиц руды,Таким образом, недостатки способа - использование высококачественных и стабильных по составу углей.Цель изобретения - снижение расхода восстановителя.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу прямого получения железа из руды твердым углеродом, включающему загрузку шихты в восстановительный агрегат, ее предварительную обработку и пос,ледующее восстановление, руду загружают крупностью 15-25 мкм и предварительную обработку руды осуществля" ют окисью углерода при 450-500 С.При реализации предлагаемого способа одновременно в разных устройст" вах протекают" по крайней мере три процесса: подготовка окиси углерода, высаждение углерода из окиси на шихте и восстановление, после высаждения углерода на шихте устройство, в котором реализовался этот процесс, нагревается до температуры восстановления.Состав отходящего газа с 53 СО свидетельствует о том, что полнота реакции высаждения углерода при укаэанных параметрах 953. Окись углерода возвращается не в зону восстановления, а в зону, заполэ 1118 ненную рудой, которая после высаждения углерода подвергается восстановительному нагреву.При реализации изобретения получают губчатое железо со степенью металлизации -,94%, время восстановления при заданной температуре не превышает 6 мин. Конечный продукт содержит 86% металлического железа и не более 0,02% серы. Состав его зависит 10 от исходного концентрата, а уголь, применяемый в предлагаемом способе, не влияет на качество получаемого продукта, так как все нежелательные компоненты, содержащиеся в угле 15 (сера, фосфор и т.д), остаются на стадии подготовки окиси углерода. Расход природного угля, содержащего 75% углерода, не превышает 1,90 кг на 1 т губчатого железа (19 г на 100 г конечного продукта).Температура реакции взаимодействия карбоната кальция с углем 650- 700 С. Для быстрого протекания необходимо выдерживать 100-кратный избыток частиц одного вещества (угля) по сравнению с другим (углекислый кальций).Размеры частиц углекислого кальция (15-40 мкм) и угля - (10- 30 25 мкм) подобраны .экспериментально и отражают условия быстрого протекания твердофазных реакций,Для стехиометрического взаимодей" 35ствия магнетита и получаемого угле"рода необходимо, чтобы 232 г магнетита взаимодействовали с 48 г углерода. Воспользовавшись значениемплотности магнетита (5,2 г/см ) и 40плотности углерода (2 г/см), определяют, что 44,6 см магнетита взаизмодействуют с 24 см углерода: значит,объем частиц магнетита (1,5 .10 ) смз,а углерода (2 .10) см , и частиц 45магнетита оказывается 13,2 10штук, а углерода - 3 10штук,частиц углерода по крайней мере в 200 раз больше, чем магнети 3 10 "50та ( ----- = 227)..13,2 10 5Размеры частиц из изложенных выше условий подобраны экспериментально. При размере частиц менее 15 мкмневозможно выдержать условия постоян ного контакта между частицами. Приразмере частиц руды более 25 мкмрезко ухудшается кинетика реакции,688 ачто обусловлено составом руды ивлиянием формы частиц.На фиг. 1 и 2 приведены экспериментальные результаты состава газа на выходе иэ печи и изменение температуры концентрата, на фиг. 3-7 количества выделившихся газов по объему й, концентрации в них СОи скорости реакции 0 в зависимости от времени восстановления углеродом, высажденным при .450-500 С.На основе анализа кривых, приведенных на фиг. 5-7., выбраны размеры частиц согласно критериям, изложен" ным вышеТемпература концентрата, в которой высаждался углерод, в пределах (450-400) С. Состав газа на выходе из печи и изменение температуры концентрата приведены на фиг. 1 и 2. При восстановлении полученной шихты содержание СО 2 доходит до 50%, что непригодно для достижения поставленной цели. На фиг. 3 показаны кривые; зависимость объема выделившегося газа - ь, концентрации СО в , О скорость реакции - 0 от времени восстановления Лебединского концентрата углеродом, высажденным притемпературе концентрата 450-400 фС,Подбор размеров частиц магнетитарезультата не дал, все кривые восстановления аналогичны приведенным на фиг, 3. При анализе последующих экспериментов оказалось, что при 400-450 С высаждаются частицы разных размеров (от 2 мкм до долей миллиметра), поэтому надо высаждатьуглерод в концентрате, регулируятемпературу в более высокотемпературном интервале (450-500)С. Этот интервал, выдержан в предыдущемэксперименте, но преимущества вначале не предполагал.Температура концентрата, в котором высаждается. углерод, в пределах 500-450 С,при этом состав газа на выходе из печи и изменение температуры шихты показаны на фиг. 4.Размер частиц углерода порядка 2 мкм, более точного распределения частиц по размерам квантиметр показать не смог. Первоначально этот углерод высажден иа неотсортированных частицах магнетита размером до 100 мкм. Полученные экспериментальные кривыене внесли разнообразия в ранее полученные зависимости(фиг. 31П р и м е р 1Уголь предварительно подвергают взаимодействиюс карбонатом кальция, выделяют получаемую окись углерода и направляют ее на стадию переработки, а рудуиспользуют с толщиной помола 1,52,5 мкм. Взаимодействие угля с карбонатом кальция осуществляют при650-700 С.Использование окиси углерода осуществляют путем возвращения ее настадию восстановления при 450500 С.Процесс осуществляют, как в известном способе, но затрачивают вдва раза меньше углерода,Получая в шихте мелкодисперсныйуглерод с размерами частиц 1-2 мкмс целью достижения постоянного контакта поверхностей реагентов, магнетита и углерода, используют магнетит толщиной помола 1.,5-2,5 мкм,при этом устраняется присущий прототипу недостаток, т.е. от процессавосстановления через газовую фазу -окись углерода. Высажденный мелкодисперсный углерод полностью покрывает конгломераты частиц магнетита,что уменьшает слипание его частиц,П р и м е р 2Исходные компоненты: уголь макеевский марки Т, содержание углерода 757, летучие компоненты удалены, концентрат Лебединского ГОКа, железа металлического68,47,64 г угля толщиной помола 1025 мкм перемешивают с 400 г углекис"лого кальция с толщиной помола 1540 мкм, Количество углерода в углесоответствует стехиометрическомусоотношению компонентов реакции.Полученную смесь нагревают до700 С. Зона осуществления процессасоединена с зоной восстановления,вкоторой находится 234,0 г концент 118688рата, нагретого до 500 С. В зоневосстановления высаждается мелкодисперсный углерод, частицы углерода при указанных условиях имеют размер 1-2 мкм. С целью достижения постоянного контакта поверхностей реагентов используют магнетит толщинойпомола 1,5-2,5 мкм,После окончания газовыделения в 10 зоне процесса ее отсоединяют отзоны восстановления, которую затем быстро нагревают до 1100 С.При этой температуре в зоне восстановления протекает процесс с 15 выделением окиси углерода, которуюнаправляют. в аналогичную зону восстановления, но нагретую, как указывалось выше, до 500 С, туда жеподают окись углерода из зоны про цесса взаимодействия угля с .карбонатом кальция, в которой уже нахо-.дится смесь угля (32 г) и углекислого кальция (200 г), нагретая до6700 С. В зоне восстановления дости гают степени металлизации 957, чтонаходится в соответствии с анализомгаза, выходящего из зоны восстановления шихты и содержащего до 57. окиси углерода.ЗО Предлагаемый способ пригоден рляиспользования тепла таких источников энергии, как высокотемпературные атомные реакторы и солнечныеконцентраторы.35Затраты угля марки Т на тоннугубки, полученной иэ Лебединского концентрата и содержащей до 910 кг металлического железа, не превысят 140 176 кг, что существенно снижает расход восстановителя, Отказ от такого дефицитного восстановителя, как кокс при получении железа высокого качества значительно снизит себесто имость конечного продукта, так какреализация изобретения требует стандартного оборудования.Ц 8688 Синицкая Коррект аз 7378/20 - Тираж 539 ВНИИПИ Государственного .комитета по делам изобретений и открыт 113035,. Москва, Ж"35, Раушская наб