Способ получения металлического расплава из измельченного железорудного материала

(31) 7507696-8 (331 Швеция . С 21 В 13/12 Госудвретвеииый комитет СССР Опубликовано 23,11,82 Бюллетень43 по делом изобретений и открытий(53) УДК 669,181. .27(088.8) Дата опубликования описания 23,11,82 Иностранцы Ингвар Антон Олоф Эденволл, Дуглас Северин Экман,Ханс Ивар Элвандер, Карл Геран Герлинг, Карл-Иохан Сигвард Хеллестам н Карл-Аксель Мелкерссон(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА ИЗ ИЗМЕЛЬЧЕННОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МАТЕРИАЛАили мгновенного спекания. Основной принцип методов мгновенного спекания заключается в. обеспечении падения тонкоизмельченного окисного материала в вертикально установленной, цилиндрической в общем случае, р".акционной камере, выполненной, ттапример, в виде шахты или кодонны,.в контакте с горячими газами -1 продуктами сгорания, причем указанный материал нагревают до температуры, при которой в нижней части шахты образуется спеченная масса или расплав окйслов. Обработанный материал охлаждают и выгружают из шахты с применением ряда различных способов 2 .Однако мгновенное спекание до сих пор не получило широкого распространения, так как расплавленный окисел воздействуеп на кирпичную облицовку шахты, Эта проблема, однако, южет быть решена за счет охлаждения шахты таким образом, чтобы ее сгенки оказывались покрытыми коркой застывшего материала.Кроме того, возникают трудности в управлении процессом, спекшийся материИзобретение относится к способам йолучения восстановленного продукта из тонкоизмельченных материалов на основе окислов металла, гаких как концентраты руд илн окисные промежуточные продукты.Известен способ получения восстановленного продукта по которому гонкои мельченный сырьевой материал, содержащий окислы железа, частично восстанавливают в реакторе с псевдоожиженным що слоем, после чего тонкоизмельченный часгично восстановленный материал вводят вместе с тяжелыми жидкими углеводородами во второй реактор с псевдоожиженным слоем, в когором образуются агло мерагы,состоящие из частично воссгановленного окисла железа и кокоа, причем кокс получают из указанного углеводорода и он служит в качестве связующего между тонноизмельченными часгицами вос-Зт сгановленного окисла железа 13До появления указанйых спосрбов агломерации разработки в данной области техники были направлены на совершенствование различных видов спекания в пламени 2 а О П И С А Н И Е ц 976856ИЗОБРЕТЕН Ия3 9768 ал легко приобретает такую консистенцию, которая затрудняет восстановление материала в ходе последующего процесса обработки. Возникают серьезные механические проблемы при выгрузке подобного компактного спекшегося материала из нижней части шахты, поскольку спекшийся материал после охлаждения приобретает псевдомонолитный характер, т,е. ведет себя подобно монолитному материалу, будучи 10 при . этом продуктом спекания. Наиболее бш 1. 1 ким по технической сушности и достигаемому результату являетсяспособ получения металлического расплава из измельченного материала, включаюший его загрузку в печь, частичнсе восстановление газообразными продуктамигорения и последукцее окончательное восстановление углеродом3 3 .20Согласно известному способу применяют чистый газ богатый СО, из котороговыпадает сажа и осаждается на материале.состояшем из окислов железа, при относи-.тельно низкой температуре (400-600 С). р 5Полученный частично восстановленный.продукт еще содержит 80-85% от первоначального колнчества кислорода в исходном сырье. Основная часть восстановительного процесса проводится на следую- З 0шей высокотемпературной стадии, утораяиз за низкой степени восстановления,достигнутой на стадии первого восстановления, требует подачи значительного количества энергии.35Цель изобретения - интенсификацияпроцесса,Поставленная цель достигается тем,что по способу получения металлическогорасплава из измельченного железорудного40материала, включаюшему загрузку егов печь, частичное восстановление газообразными продуктами горения и последуюшее окончательное восстановлениеуглеродом, частичное восстановление осу 45шествляют совместно с расплавленнымпутем тангенциальной подачи железоруд.ного материала, твердого углеродистоговосстановителя и, кислородсодержашэго;газа в факел горения, а довосстановление осуществлякл остаточным твердымвосстановителем, присутствующим в расплавленном материале.Предусматривается полное или частичное использование сульфидного сырья дляпроизводства частично восстановленногопродукта.На фиг. 1 схематически изображенаустановка для реализации способа; на 56 ффиг, 2 и 3 - два варианта модифицировайных конструкций шахты,Установка. состоит из шахты или колонны 1, в которой окисел железа плавитсяи частично восстанавливается, Нижняячасть шахты 1 входит непосредственнов реакторную зону 2, в которой частично восстановленный окисел железа окончательно восстанавливается и плавитсяс образованием расплавленного железа,Образуемые газы вместе с некоторымколичеством пыли и испарившихся илигазифицированных компонентов загруженных материалов отводятся из верхнейчасти шахты 1 через выходной трубопровод 3, который позволяет к приспособлениям для очистки указанных газов и иэ-;влечения содержащегося в них тепла,Эти приспособления содержат паровой бойлер 4, циклонное устройство 5 игазоочис-.тительное приспособление 6, спроектиро; -ванное например на мокрую газоочистку,из которого очищенные газы (основнаячасть содержащегося в них тепла извлечена) выводятся через трубопровод 7 вдымовую трубу. Верхняя часть шахты 1и трубопровод выхлопных газов выполнены из металлических труб, по которымциркулирует кипящая вода. Трубопровод3 выхлопных газов для удобства снабженприспособлениями для очистки облицованных стенок труб от отложений. Зашитноепокрытие можно обеспечить иэ железоокисного материала, намороженного настенки шахты, оборудованные трубами.Эти стенки могут быть снабжены шпильками или штырями, введенными в стенкудля облегчения намораживания расплавленного материала. Образуемый в трубахпар отделяется вместе с паром паровогобойлера 4 в колпаке 8, из которого отделенныйпар пропускается потрубопрово -.дам 9 и 10 к конденсаторной турбине11 по перегревной части (не показана)образующей часть бойлера 4. Пропускаемый через турбину пар конденсируетсяв охладителе 12 и образуемый в охладителе конденсат, отводимый по трубопроводу 13, может возврашаться в бойлер4, Когда пар низкого давления или горячая вода требуются для другого применения, турбина 11 может быть замененатурбиной противодавления. В своде шахты 1 располагается кольцо из горелок 14 для подачи в шахту 1 тонкоизмельченных окисла железа, угля или другого углеродистого или углерод-. содержащего восстановительного реагента,5 976известняка и/или других шлакообразовегедей или флюса, возвратной пыли из пароваго бойлера 4 и циклонного устройстве5 и кислородного или другого газа, предназначенного для процесса горения, например воздуха, или воздуха, обогошенного кислородом. В этом случае кислородсодержащий газ, подаюшийся к горелке14, получают на установке 15 производства кислородного газа, на которую пода ется сжатый воздух из компрессора 16,приводимого турбиной 11, Компрессор 16,снабжен трубопроводами ввода 17 и вывода 18 воздуха,Окисел железа, уголь известняк и воз вратная пыль накапливаются в бункерах19-22, из которых они выводятся в надлежащих пропорциях и загружаются в смесительный и уравновешиваюший бункер 23с помощью ленты конвейера 24. Эта смесь 20материалов подается из бункера 24 кгорелкам 14 по трубопроводам 25 и 26.ФКислородный газ подеется к горелкампо трубопроводам 27 и 28, из которыхон поступает в трубопроводы 26, 25Горелки 14, из которых две показанына фиг,. 1, направлены наклонно вниз ипо касательной к воображаемой окружности в нижней части шахты 1. Диаметрэтой воображаемой окружности составляет Э 0приблизительно четверть диаметра шахты,а расположение и угол наклона горелоктаковы, что выбрасываемый из них материал направляется на периферию воображаемой окружности в областях, располагак.Э 5шихся симметрично по кругу. Дополнительный 1 кислородсодержаший газ дляокончательного сжигания материала подается к верхней части шехгы 1 по горизонтальным форсункам 29, которыеподпитываюгся из трубопровода 27, огвегвляюшегося ог трубопровода 30. форсунки 29 направлены гангенциально главным образом для того, чтобы потоки кислородного газа, посгупаюшего из них,были гангенциальны воображаемой окружности, диаметр которой составляет приблизительно треть диаметра шахты.Во время своего прохождения из горелок 14 вниз по шахте 1 окисел железа50плавится и частично восстанавливается,уголь преобразуется к кокс, а известняквыгорает. Возвратная пыльсостоящая.главным образом из окисла железа, такжеплавится и частично восстанавд 1 ивается.55Расплавленный и частично восстановленныйй окисел железа вместе с коксом и выгоревшим известняком достигает верхнейповерхности слоя материала реакгорной 856 бзоны, расположенной в нижней части шахты. В верхней зоне указанного слоя материала расплавленный окисел железа реагирует с коксом с обеспечением дальнейшего частичного восстановления окисла железа с охлаждением, Образуюшийся в слое материал затем преобрегаег полужидкую или пасгообразную консистенцию,Х(елезоокисный материал окончательно восстанавливается и плавится в реакгорной зоне 2 с дальнейшим потреблением кокса, в результате чего образуется расплавленное:келезо. Последнее собирается вместе с расплавленным шлаком в нижней части реакгорной зоны, откуда они отводятся либо непрерывно, либо периодически через выпускное приспособление 31. Загружаемое количество угля подбирают так, чтобы на ванне железа и шлака поддерживался слой кокса, При прохождении через слой кокса, содержание железа в расплавленном шлаке понижается, при восстановлении образуется кремний, а образовавшееся расплавленное железо науглероживается.Энергия, требуемея для плавления и окончательного восстановления окисла железа, подается в реакгорную зону 2 спомошью элекгроиндукгивного нагрева содержащегося в ней материала. С этой целью вокруг реакгорной зоны 2 установлена индукционная обмотка 32, питаемая переменным током ог генератора 33 через преобразователь 34.При таком индукционном нагреве, вырабатываемая на единицу обьема энергия в слое материала возрастает ог центра реакгорной зоны к ее периферии, Соответственно, загружаемый в слой материал будет перемешаться наклонно вниз и наружу в ходе продолжающегося восстановления окисла железа и плавления (фиг. 1 ).Состоящая главным образом из окисла железа пыль отделяется в бойлере 4 и циклонном устройстве 5. Эта пыль выводится на конвейерные ленты 35 и 36 и пропускается с помощью приспособлений (не показаны) к одномуиз бункеров 19 - 22, использующемуся для хранения возвратной пыли. Выделяемые из материала в ходе процесса металлы, такие как свинец и цинк в виде мелкозернистых окислов и грехокись мышьяка в перообрезной форме, проходят через паровой бойлер 4 .и циклонное устройство 5 и отделяются в твердом виде в газоочистном устройстве 3, Высаживаемая в газоочистительном стройстве 6 пыль удаляется по трубопроводу 37 на отдельную обработку и таким976856 или некоторые другие газы, гакие как воздух или обогащенный кислородом воздух, для поддержания горения или обжига. В агом варианге исполнения усгройсгва твердый материал пропускается к горелкам 40 по трубопроводам 41 и .42, а кислородный газ - по трубопроводу 43 и трубопроводам 44 и 45, огвегЪляющимся от трубопровода 43. Горелки ( показаны только две) направлены наклонно вниз и по касательной к воображаемой окружности, диаметр которой меньше наименьшего размера в сечении шахты, гак, чтобы в шахте возникало вихревое. движение. Кислородный газ также подается в шахту 1 через горизонтальные форсунки 46, которые подпитываюгся от трубопроводов 44 через трубопроводы 47, ответляющиеся ог трубопроводов 44, Эти форсунки направлены тангенцивльно с тем, чтобы поддерживалось создаваемое ими вихревое движение.Могут быть предусмотрены также дополнительные форсунки 48 и 49 для подачи кислородного газа на требуемые уровни зоны 38 и/или зоны 39, которые подведены от трубопроводов 44 (фиг.2). форсунки 50 размещены, по существу, тем же образом, что и горелки 40. Через них в шахту подается твердый углеродистый или углеродсодержаший восстановительный реагент, который поступает из трубопроводов 51 и 52, причем он подвергается преобразованию в кокс при температуре, доминирующей в шахте. В этом варианте газоносигелем для восстановительного реагента является кислородный газ, который поступает к форсункам 50 по трубопроводам 53, огветтвляющимся от трубопроводов 44. образом невозврашаегсяв бункеры 1922.Нарабатываемый в шахте 1, грубопроводе 3 огходящих газов и паровом бойлере 4 пар используется для работы турби-ны 11, которая в дополнение к компрессору 16 также приводит во вращение генератор 33,За счет регулирования подачи горючего материала, энергия вырабатываемаяв шахте 1 мгновенного плавления, можетбыть отрегулирована так, чтобы количество пара, нарабатываемого в системе, было достагочным для покрытия энергии,требуемой для плавления и восстановления и для работы оборудования 15 повыработке кислородного газа,Для работы этой установки, имеющейпроизводительность 30 тонн расплавленного чугуна в час, полный процесс требует около 590 кг угля на тонну чугуна с геплогворной способностью 26,4ГДж/г (6,3 Гкал/т)., В этой ситуациипроцесс становигся самообеспечивающимся в отношении энергии, требуемой для 25плавления и восстановления окислов железа и производства кислородного газа принормальных условиях эффективности наразличных стадиях преобразования энергии, таких как бойлер, турбина, генера- ЗОтор, преобразователь и т,п. Такими обрезом, процесс характеризуется в первичной энергии в виде угля, сосгавляющейвсего 15,6 ГДж (3,7 Гкал) на тонну чугуна. Для сравнения потребность в первич-ной энергии для обычного доменного процесса составляет 18,2 Г 1 Ьк/т. (4,35 Гкал/г), включая производство кокса. Крометого, при осуществлении предлагаемогоспособа может использоваться уголь много худшего качества, чем уголь, применяемый для производства доменного кокса.Шахта показанная на фиг, 2 имеетверхнюю 38 и нижнюю 39 зоны и является частью установки того же общеготипа, что изображенная на фиг. 1 ноприспособлена для производстве расплавленного чугуна из тонкоизмельченныхпиритных концентратов, Нижняя частьшахты непосредственно сливается с реак- оторной зоной, в которой частично воссгановленный окисел железа окончательновосстанавливается и плавится с образованием расплавленного чугуна. В сводешахты 1 располагается кольцо горелок40, которые в шахту подается тонкоизмельченный концентрат, известняк и/илидругие шлакообразователц или флюс, возвратная пыль и кислородсодержаший газ В ходе прохождения от горелок 40 через зону 38 шахты 1 концентраты обжигаются, а возвратная пыль вместе с обожженными продуктами плавится. При продолжающемся прохождении этих продуктов через зону 39 шахты окисел железа и возвратная пыль частично восстанав,ливаюжя. в определенной степени, Расплавленный и частично восстановленный окисел железа вместе с образованным из восстановительного реагента коксом и прогоревшим известняком подают на поверхность 54 слоя материала, присуп. ствующего в нижней части шахты 1 и реактьрной зоне 2. Расплавленный окисел железа реагирует в верхней зоне слоя с коксом с одновременным дальнейшим восстановлением и охлаждением. Затем9 976материал в слое приобретает полужидкоеили пастообразное состояние,Белезоокисный материал окончательновосстанавливается и плавится в реакторной зоне 2 с потреблением дальнейшего 5количества кокса, в результате чего образуется жидкий чугун, а расплавленныйшлак накапливается в нижней части реакторной зоны. В ходе процесса восстановления образуются газы, содержащие окись оуглерода, которые проходят вверх черезшахту вместе с газами, образукяцимися входе коксования. Эти газы частично окисляются в ходе реагирования с расплавленным окислом материала в зоне 39 и окон чательно сгорают с кислородным газом,пропускаемым через форсунки 46, или вслучае необходимости, через форсунки 48.Расплавленный чугун и шлак выводитсячерез приспособление 31. Количество вос становительного реагента, загружаемое вшахту, подбирают таким, чтобы на ваннечугуна и шлака поддерживался слой кокса,При прохождении через слой кокса в расплавленном шлаке снижается содержаниежелеза, при восстановлении образуетсякремний, а расплавленный чугун науглероживаетсяТребуемая для осуществления плавления и окончательного восстановления час- ЗО.тично восстановленного окисла железаэнергия подается в реакторную зону посредством электроиндуктивного нагревасодержашегося в ней материала. Дляэтого вокруг реакторной зоны предусмот- ЗЮрена индукционная обмотка, которая питается переменным током,Частьфизического тепла выпускаемого шлака может быть извлечена за счетиспользования указанного тепла для обжига известняка, который впоследствиииспользуется в процессе в качестве шлакообразователя, С этой целью чугун и шлакпропускается из выпускного приспособления 31 к шлакоотделяющемуся приснособлению 55, из которого расплавленныешлак и чугун выгружаются по разным каналам. Благодаря простоте устройства дляреализации предлагаемого способа и тому,что установка не требует наличия коксопроизводяших систем спекания, а в некоторых случаях даже и отдельных обжиговых систем, капитальные затраты оказываются существенно ниже, чем сопряженные с обычным доменным процессом, даже для относительно небольших установокв расчете на тонну емкости,П р и м е р . В зону обжига шахтызагружают 20 440 кг/ч концентратасульфида свинца, имеюшего 75 вес,%свинца. В печь эа тот же период загружают 1500 кг известняка, 310 кг кокса,1 Часть шлака пропускается в резервуар 56, где он взаимодействует с содержащим известняк материалом, который загружается в резервуар 56 через ввод 57, Затем известняк обжигается, а шлак затвердевает, при выделении двуокиси углерода, выводимой через выпуск.58, Горячая смесь шлака и обожженного известняка размалывается в устройстве 59 да требуемого размера:частиц, затем она загружается в шахту, предпочтительно еще в нагретом состоянии, и либо через бункер для хранения шлакообразователя, либо прямо, поступает к горелкам 40, Остаточный шлак, не Используемый для обжига известняка, выгружается по трубопроводу 60.Из зоны 38 (фиг, 3) может быть использован. газ, имеющий относительно высокое содержание серы, из которого может быть извлечена сера в элементар.ной форме, например, с применением про- . цесса Клауса. Для этого необходимо чтобы газ содержал и Нби 50, которые в процессе Клауса реагируют друг с другом с образованием НО и Б . С этой целью используется смесь паров воды и кислородного газа в качестве газа-носителя для материала, поступающего через горелки 40, Подобная смесь загружается также через форсунки 46. Когда в верхней части зоны 38 есть форсунки 48, они могут подавать газ, более обогащенный паром, чем тот, который поступает через форсунки 46. Газ-носитель, используемый для загружаемого через трубопроводы 51 и 52 восстановительного реагента, состоит, по существу, полностью иэ кислорода, который подается по трубопроводам 60, от которых могут ответвляться трубопроводы 61 для питания форсунок 62. Последние могут быть расположены тем же образом, что и форсунки 49 на ,фиг. 2, и служат для, по меньшей мере, частичного сжигания горючего газа в верхней части шахтовой зоны 39. Выго,; ревший газ отбирается из зоны 39. через выпускной трубопровод 63 с тем, чтобы предотвратить разбавление обжигового газа. Остаточное теплосодержание выводного газа может быть извлечено в паровом бойлере тем же путем, что и показанное,: на фиг. 1.976856кВтч идут для производства кислородного газа, а 560 кВтч - для работы реактора,170 кг тяжелого топливного масла и6000 кг возвратной ныли, по существув виде супьфатов свинца, Потребность вкислороде составляют 3000 нм /ч в расЗчете на 100% О, 5 формула изобретенияРасплавленный в пламени и частично восстановленный материал, из которого . в пересчете на содержащийся свинец 30 вес,% окислились до РвО, имеет темпе- ф ратуру 1200 С при достижении реактора индуктивного нагрева, соединенного с нижней частью шатгы. Каждый час выпускают из реактора 15000 кг расплавленного свинца при 800 Си 2700 кг шпака при ф 1250 С. Из шахты ежечасйо; выводят 4100 нм газа, имеющего температуру31200 С. Газ содержит 52 об.% 30 и 4400 кг пыли в виде РЬО, причем указанная пыль сульфатируется двуокисью ф серы в газе и отделяется в бойлере и газоочистительном аппарате, после чего она возвращается в шахту в виде возв- ращается в шахту в виде возвратной пыли, содержащей сульфат свинца. Ежечас но в бойлере нарабатывается пар высоко. го давленияимеющий энергосодержание 2100 кВтч. Этот пар используют для привода паровой турбины мощностью 690кйтч электроэнергии, из которых 130 Зф Способ получения металлического расплава из измельченного железорудногоматериала, включающий загрузку его впечь, частичное восстановление газообразными продуктами горения и последующее окончательное восстановление углеродом, о т л и ч а ю ш и й с я тем,,что, с целью интенсификации процесса,частичное восстановление осушествляютсовместно с расплавлением путем тангенциальной подачи железорудного материале, твердого углеродистого восстановителя и киспородсодержащего газа в факел горения, а довосстановление осушествлякп остаточным твердым восстановителем, присутствующим в расппавленномматериале.. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США3607217,кл. 75-4 1974.2. Патент США1930010,кл. 75-4, 2.958.3. Авторское свидетельство СССР45304, кл, С 21 В 1302, 1935.(. фсеФсЭ1ФФ Составитель Л. П анниюва ова Техред Ж.Кастелевич КорреРедактор Н. Е р,О. 02 8/80 Тираж 587 Подписное ВНИИПИ Государственного цо делам изобретений 113035; Москва, Ж, Рюмитета СССРи открытийаушская наб., д. 4 илиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 УФ97 у фФсВч.сттссСтт Фсс сесф.еф фмфвс..счФ рф ф есс М 57 У 7 Ж Ж зг РГ