СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО МЕТАЛЛА В ШАХТНОЙ ПЕЧИ Российский патент 1994 года по МПК C21B13/02 

Изобретение относится к металлургии и касается получения губчатого металла, например железа, никеля, кобальта, в шахтной печи.

Целью изобретения является снижение удельных энергетических затрат и упрощение газовой схемы процесса за счет конверсии природного газа кислород-азотной смесью в слое металлизованного материала.

Цель достигается тем, что в способе получения губчатого металла в шахтной печи, включающем загрузку оксидов металла на колошник шахты печи, восстановление шихты в противотоке с горячими продуктами конверсии природного газа, подачу в печь на конверсию газа с отношением кислорода к углероду (О/C) в пределах 0,98-1,10 при 600-1000^оС; восстановительный газ на весь процесс металлизации получают в рабочем пространстве печи, причем отношение объема зоны конверсии печи к объему зоны восстановления составляет 0,04-0,4.

Нагрев кислород-азотной смеси до 960-1485^оС и природного газа до 20-400^оС проводят раздельно, а их смешивание производят непосредственно перед вводом в шахтную печь.

При проведении поиска по патентной и научной литературе на соответствие критерию "существенные отличия" не было обнаружено решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками предложения, что позволяет сделать вывод о его соответствии этому критерию.

Суть способа заключается в том, что в нижнюю часть (зону конверсии) шахтной печи для получения губчатого металла одновременно подаются метансодержащий (природный) газ и кислород-азотная смесь (обогащенный или обедненный кислородом воздух). На поступившем из верхней части печи (зоны восстановления) свежевосстановленном губчатом металле происходит конверсия метана кислородом по реакции:
CH₄+0,5O₂=CO+2H₂- Δ H^o (35,6 кДж)
Полученный по этой реакции восстановительный газ используется в верхней зоне печи для металлизации оксидов металла. Таким образом осуществляется полная конверсия метаносодержащего газа и использование его продуктов в одной шахтной печи.

Соотношение объемов зон конверсии и металлизации шахтной печи определяется отношением экспериментально полученных объемных интенсивностей конверсии метана (200-6000 м³СН₄/м³ зоны конверсии в 1 ч) и потребления конвертированного газа по метану. Последняя величина в металлургической практике колеблется от 80 м³ CH₄/м³ зоны восстановления в 1 ч - для шахтных печей с низкой температурой металлизации (680-700^оС) и низким давлением в рабочем пространстве печи - не более 2 бар (например, процесс "Мидрекс"); до 240 м³ CH₄/м³ зоны восстановления в 1 ч - для агрегатов работающих при повышенном давлении - до 5 бар и при высоких температурах - до 1000^оС (процессы ХИЛ-Ш, НСК).

Результаты эксперимента показывают (табл.1), что при соотношении объема зоны конверсии к объему зоны восстановления более 0,4 (табл.1), и низких температурах, в зоне восстановления не достигается необходимый удельный расход конвертированного газа, что приводит к снижению степени металлизации продукта. При этом удельные энергетические затраты на получение кондиционного продукта возрастают до 1,13 усл.ед. по сравнению с уровнем 1,0 по номинальной технологии (табл.1). При отношении объема зоны конверсии к объему зоны восстановления менее 0,04 (табл.1), резко снижается восстановительный потенциал газа до значения 6,7, что ниже предельно допустимого значения, принятого в мировой практике эксплуатации шахтных печей и равного 10,0. В этом случае конвертированный газ содержит ≈ 13% (отн.) окислительных газов CO₂ и H₂O и ухудшается кинетика металлизации, снижается конечная степень металлизации. Удельные энергетические затраты на производство товарного продукта увеличиваются до 1,21 усл.единицы.

Учитывая невозможность совместного нагрева компонентов фурменного газа и экспериментально подтвержденную невозможность нагрева природного газа выше температуры 400^оС (без сажеобразования) проводят раздельный нагрев кислород-азотной смеси (воздуха) до 960-1485^оС и природного газа 20-400^оС, причем смешивание компонентов производят непосредственно в газоподводящих устройствах шахтной печи.

Для получения газовоздушной смеси с температурой в заявленном интервале 600-1000^оС воздух нагревали до 960-1485^оС.

Процессы нагрева воздуха и природного газа, конверсии реакционной смеси и металлизации протекали нормально, без нарушений технологии (табл.2).

При увеличении температуры воздуха или природного газа выше предельных значений наблюдаются нарушения процесса, выражающиеся в спекообразовании (температура конвертированного газа больше 1000^оС) и сажеобразование при нагреве природного газа.

Снижение температуры воздуха или природного газа ниже предельных значений приводит к нарушению технологии, связанное со снижением температуры реакционной смеси ниже 600^оС и горением окатышей в зоне конверсии. Кроме того, необходима операция охлаждения газа, которая не заявляется из-за ее технологической неэффективности.

Способ поясняется фиг.1-2.

На фиг. 1 изображено: 1 - предельный уровень сажи, отфильтровываемой губчатым металлом; 2 - выход сажи при температуре газовоздушной смеси 1000^оС, как функция O/С.

На фиг.2 показано: 1 - удельные энергетические затраты на процессе при температуре газовоздушной смеси 600^оС; 2 - удельные энергетические затраты на процесс при температуре газовоздушной смеси 1000^оС.

Диапазон пределов отношения атомарных кислорода и углерода в смеси на конверсию определен следующим образом. Нижний предел соотношения О/С относится к температуре нагрева газовоздушной смеси 1000^оС и определяется тем, что при более низких значениях наблюдается выпадение сажи в количествах, превышающих экспериментально определенное предельное содержание сажи 0,35% (см.фиг.1, линия 1), которое может быть отфильтровано губчатым металлом. Это приводит к выносу сажи из печи через колошник, снижению восстановительного потенциала и соответствующему повышению удельных энергетических затрат на производство губчатого металла. При увеличении соотношения О/С>0,98 повышается температура конвертированного газа и степень конверсии метана, что стабилизирует его окисленность, поэтому уровень удельных энергетических затрат остается на примерно постоянном уровне до О/С=1,03, выше которого удельные энергетические затраты резко повышаются (фиг.2, табл.3). Верхний предел О/C= 1,1 соответствует температуре вдуваемой газовоздушной смеси 600^оС (фиг.2, крив.1), когда процесс протекает в условиях недостатка тепла. Поэтому увеличение температуры конвертированного газа компенсирует ухудшение качества газа до значительно более высоких значений порядка О/C= 1,1. Повышение соотношения О/С до уровня более 1,1 приводит к повышению удельных энергетических затрат на производство губчатого металла (фиг.2, табл.3).

Нижний предел температуры, вдуваемой в шахтную печь реакционной смеси, содержащей ≈ 15% свободного кислорода, определяет температура возгорания металлизованных окатышей. Экспериментально установлено, что температура возгорания металлизованных окатышей в азоткислородных смесях с содержанием кислорода 21-15% составляет 270-370^оС соответственно. В случае замены части азота эквивалентным количеством метана перед торцевой частью фурмы также создается ситуация, когда металлизованное сырье контактирует с газовой смесью, содержащей свободный кислород, так как молекула метана вступает во взаимодействие с кислородом не сразу, а через некоторый период времени, называемый временем индукции.

Экспериментальное исследование процесса воздушной конверсии метана в слое металлизованного сырья показывает, что при температурах метанвоздушной смеси менее 600^оС наблюдается возгорание губчатого металла. При более высоких температурах продукты конверсии успевают защитить губчатый металл от окисления (табл.3).

Верхний предел температуры определяется допустимой для шахтного процесса металлизации склонностью продукта металлизации к спеканию. Нормальный сход неофлюсованных окатышей наблюдается на промышленных печах (ОЭМК) при температуре металлизации до 740^оС, когда усилие на разрыв одного контакта, определенное в лабораторных условиях составляет 0,5 кг. Поэтому в качестве верхнего предела принята температура газовоздушной смеси 1000^оС, которая соответствует температуре конвертированного газа 1080^оС и обеспечивает прочность на разрыв для одного контакта ≈ 0,5 кг для наиболее устойчивых против спекания Михайловских офлюсованных окатышей с меловым покрытием.

Увеличение температуры вдуваемого в печь газа выше 1000^оС приводит к увеличению прочности спека и нарушениям в сходе шихты, настылеобразованию на стенках шахты (табл.3).

Кроме того, при необходимости повышения степени металлизации годного губчатого металла на 1% увеличивают содержание кислорода на 0,14-0,30% путем добавления технического кислорода в поток воздуха (табл.4). Этой операцией по экспериментальным данным увеличивают работоспособность газа по вюститу на 1%, что эквивалентно увеличению степени металлизации (при постоянной производительности и степени использования восстановительной способности газа). Остальные параметры газа даже при существенном изменении содержания кислорода остаются практически постоянными. Например, увеличение содержания кислорода на 10% вызывает повышение температуры конвертированного газа всего на 10-17^оС. При этом нижний предел увеличения содержания кислорода (0,14% ) относится к естественной концентрации кислорода в воздухе 20-21%. Верхний предел относится к содержанию кислорода в азоткислородной смеси 35% (табл. 4). Это значение определено как максимально возможное для нагрева в воздухонагревателях, так как уже при 36% азоткислородная смесь в случае продува действует как автоген и приводит к быстрому разрушению кожуха. Содержание кислорода менее 20% не достижимо без дополнительной операции добавления азота к атмосферному воздуху, которая не заявляется из-за ее неэффективности (повышается удельная энергоемкость процесса металлизации на 0,02 ГДж/т на каждый процент азота).

Операции воздушной конверсии природного газа в слое губчатого металла и восстановление шихты проводят в цилиндрической части шахты последовательно, в направлении, противоположном движению шихтовых материалов между уровнем ввода газа и уровнем засыпи на колошнике печи. Существенным отличием здесь является проведение в рабочем пространстве печи новой технологической операции - воздушной конверсии природного газа в слое металлизованного материала. Воздушная конверсия природного газа с раздельным нагревом реагирующих компонентов является единственным вариантом, позволяющим полностью обеспечить теплом конверсию и провести ее в рабочем пространстве печи. Слабая экзотермичность этого процесса обеспечивает незначительное увеличение 70-290^оС температуры конвертированного газа по сравнению с температурой вдуваемого в печь газа.

Другие варианты конверсии (паром, углекислотой) обладают значительным эндотермическим тепловым эффектом, для компенсации которого необходим перегрев вдуваемого в печь газа над температурой конвертированного газа - на 700-1000^оС учитывая возможный интервал колебаний температур в фурменной зоне 670-1070^оС, реализация этого перегрева не представляется возможной.

Пример осуществления способа.

В качестве исходных материалов для металлизации использованы железорудные сфлюсованные (CaO/SiO₂=0,6) окатыши Михайловского ГОКа, окускованные оксиды никеля и кобальта.

Исследования проводили на опытной установке металлизации со слоевой воздушной конверсией. Воздушная конверсия с коэффициентом избытка О/С=0,98; 1,0; 1,1 проводилась в слое металлизованных окатышей в рабочем пространстве печи, причем соотношение объемов зон конверсии и металлизации составило 0,04; 0,17; 0,4 (табл.5). Температура нагрева воздуха составила 960-1485^оС, природного газа 20-400^оС; смешивание нагретых компонентов производилось непосредственно перед вдуванием в печь, а температура газовоздушной смеси составила 600-1000^оС (табл.5).

При температуре газовоздушной смеси (соотношение О/С до 0,98) 1000^оС и более наблюдался вынос сажи из печи. (См.фиг.1, табл.2). При увеличении соотношения О/С более 0,98 (t_г=1000^оС) выноса сажи не было. При температуре газовоздушной смеси 600^оС и соотношении О/С до 1,1 увеличение температуры конвертированного газа компенсировало ухудшение качества газа, при О/C более 1,1 такой компенсации не происходило, что привело к повышению удельных энергетических затрат на процесс. Исследования показали, что семейство кривых для температур газовоздушной смеси в пределах 600-1000^оС, подобных кривым 1 и 2 (фиг.2), лежит в пространстве, ограниченном последними.

На опытной установке экспериментально показано, что при температуре метановоздушной смеси менее 600^оС наблюдается возгорание губчатого металла.

При температуре газовоздушной смеси 600-1000^оС продукты конверсии успевают защитить губчатый металл от окисления. При температуре смеси выше 1000^оС наблюдались спеки (табл.3) окатышей губчатого металла с величиной на разрыв выше предельной (0,5 кг на один контакт). Нарушался равномерный сход шихты и выгрузка металлизованного продукта.

Изменение степени металлизации производили изменением содержания кислорода в поток воздуха из расчета 0,14-0,3% на 1% степени металлизации (табл.4).

При необходимости повышения степени металлизации товарного губчатого металла (т.е. для регулирования этого показателя) экспериментально определены пределы увеличения содержания кислорода в потоке воздуха (табл.4). Установлено, что на каждый 1,0% увеличения степени металлизации необходимо добавлять кислород в пределах 0,14-0,30%.

Учитывая, что совместный нагрев компонентов фурменного газа невозможен. На физической модели были отработаны режимы раздельного нагрева природного газа и воздуха. Для получения газовоздушной смеси с температурой 600-1000^оС воздух нагревали до температуры 960-1485^оС, а природный газ до температуры 20-400^оС, при этом смешивание компонентов производили непосредственно в газоподводящих устройствах шахтной печи (табл.2). При достижении температуры компонентов выше или ниже предельной наблюдается нарушение процесса (табл. 2), выражающееся в спекообразовании окатышей, высоком сажевыделении.

За базовый объект при расчете ожидаемого экономического эффекта принята технология металлизации в шахтной печи (производительность 400000 т/год) на Орско-Халиловском металлургическом комбинате.

При реконструкции старых доменных цехов с печами малого объема на работу по схеме металлизации со слоевой воздушной конверсией природного газа может быть использовано имеющееся оборудование:
- приемки, хранения, транспорта, дозировки и загрузки железорудного сырья;
- газоочистки и водяного хозяйства;
- оборудования по компрессии и нагреву воздушного дутья;
- мощности по производству кислорода (при наличии);
- энергетические объекты.

Сущность: способ получения губчатого металла в шахтной печи включает загрузку оксидов металла, таких, как оксида железа, никеля, кобальта на колошник шахты печи и восстановление шихты в противотоке с горячими продуктами конверсии природного газа. Отношение кислорода к углероду [О/С] в подаваемом на конверсию газе поддерживается в пределах 0,98 - 1,10 при температуре газа 600 - 1000°С, восстановительный газ на весь процесс восстановления получают в рабочем пространстве печи, причем отношение объема зоны конверсии печи к объему зоны восстановления составляет 0,04 - 0,4. Нагрев кислород-азотной смеси до 960 - 1485°С и природного газа до 20 - 400°С проводят раздельно, а их смешивание производят непосредственно перед вводом в шахтную печь. 2 ил., 5 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО МЕТАЛЛА В ШАХТНОЙ ПЕЧИ, например железа, никеля, кобальта, включающий загрузку оксидов металла на колошник шахты печи и восстановление шихты в противотоке с горячими продуктами конверсии природного газа, осуществляемой при отношении кислорода к углероду в подаваемом на конверсию газе в пределах 0,98 - 1,10 и при температуре газа 600 - 1000^oС, отличающийся тем, что, с целью снижения удельных энергетических затрат и упрощения газовой схемы процесса, конверсию природного газа осуществляют в рабочем пространстве печи при отношении объема зоны конверсии печи к объему зоны восстановления 0,04 - 0,4. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве реагентов, подаваемых на конверсию природного газа, используют нагретую кислород-азотную смесь. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют раздельный нагрев кислород-азотной смеси до 960 - 1485^oС и природного газа до 20 - 400^oС, а их смешивание производят непосредственно перед вводом в шахтную печь.