СПОСОБ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА Российский патент 1997 года по МПК C21B13/00 

Способ относится к металлургии, а именно к получению углеродистого металла на основе железа.

Доменная плавка включает получение чугуна (поз. 1, ABC) и последующее рафинирование (поз.2, СД). При этом используется кокс, специфический промежуточный продукт, для изготовления которого требуются особые угли. Состав угольных месторождений, как правило, не совпадает с составом коксуемых шихт, чем обусловлены встречные перевозки углей, весьма разорительные, особенно в условиях перегруженности железнодорожного транспорта.

Производства малоуглеродистого губчатого железа (поз.3, AB) является малоинтенсивным низкотемпературным процессом и требует последующего непростого переплава (ВД). Его масштабы не превышают 3% от мировой выплавки.

Восстановительная плавка предусматривает плавление оксидов (АЕ) до восстановления (поз. 4, ЕД), и это создает самостоятельные проблемы, связанные вспениванием железистого шлака и его неустранимым агрессивным воздействием на огнеупоры.

Экономичность способа определяется расходом углерода на процесс. Восстановление железа углеродом (карботермическое) протекает со значительным поглощением тепла, потребность в котором можно покрыть, окисляя дополнительное количество углерода свободным кислородом или подводя тепло извне, в частности в форме электроэнергии. Самостоятельной является проблема эффективности передачи тепла от зоны его выделения в зону поглощения.

Теоретически [1] процесс автотермичен, не требуя подвода тепла извне, при восстановлении 77% железа из Fe₂O₃ твердым углеродом и 23% - газом, т.е. CO. Относительный расход углерода при этом составляет 248 кг С/т Fe. С увеличением степени восстановления твердым углеродом возрастает выход окиси углерода и ее содержание в отходящем газе, т.е. калорийность последнего. При полном восстановлении железа твердым углеродом его расход выше (322 кг С/т Fe), а в системе возникает избыток тепла в 0,82 Гкал/т Fe. Расчеты здесь проведены в предположении полного окисления отходящего газа и передачи всего выделяемого тепла в зону реакции без потерь.

Практически, из-за потерь тепла подвод его извне необходим во всех случаях, но его количество зависит от схемы процесса.

В существующих процессах не используется особое термохимическое свойство углерода. Оно состоит в том, что в нарушение общего правила присоединение к углероду первого атома кислорода выделяет тепла меньше (в 2,5 раза), чем присоединение второго.

В доменной плавке переход от CO к CO₂ используется не для нагрева, а для восстановления при низких температурах, а тепловая потребность процесса покрывается окислением углерода до CO в горне, т.е. наименее выгодным способом. Сжигание колошникового газа вне печи позволяет вернуть часть тепла в горн с нагретым дутьем. Огнеупорность кладки воздухонагревателей ограничивает нагрев дутья температурой 1300-1350^oC и позволяет использовать лишь 30-35% отходящего газа. Остальной газ расходуется в смежных цехах, что позволяет оприходовать около 1,8 Гкал/т чугуна. Сквозное энергопотребление в цикле, включающем передел, составляет 4,9 Гкал/т при потреблении в аглококсодоменной его части примерно 5,7 Гкал/т.

В трубчатых вращающихся печах при получении губчатого железа последнее восстанавливается почти исключительно твердым углеродом, а выделяемый газ полностью дожигается в объеме над шихтой. Условия теплообмена здесь, однако, крайне неблагоприятны: уголь и флюсы, обладая меньшей плотностью, располагаются поверх железорудного материала, экранируя зону восстановления от лучистого нагрева. Шихта греется, главным образом, кондуктивно, снизу, футеровкой печи. В результате теплота дожигания уносится с газом в дымовую трубу и расход на процесс достигает 28 Гкал/т губки или крицы, т.е. 3,4 4 т условного топлива (завод Бенсиху в КНР).

Еще менее эффективно дожигание газа, отходящего из электродуговой печи (способ Ремина), из-за слабого использования тепла на наклонном поду (лотке
"глетчере").

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ получения углеродистого расплава в индукционных печах непрерывного действия, включающий подачу под зеркало расплава компонентов шихты, содержащей руду, углеродистый восстановитель и флюс, проплавление ее и частичное дожигание CO в подсводовм пространстве печи над расплавом [2]
Недостаток этого способа и отличие от предложенного состоит в раздельной подаче компонентов шихты внутрь металлической ванны. Металл в этом случае не защищен от обратного окисления продуктами дожигания газа и оно может быть лишь неполным.

Цель изобретения состоит в осуществлении способа получения жидкого металла с полным использованием восстановительной и теплотворной способности углерода в одном агрегате с интенсивностью и экономичностью, сопоставимыми с такими в аглококсодоменном цикле, в дополнение к нему и для частичной его замены без коксования углей и агломерации руд.

На фиг.1 схематически изображены существующие способы получения углеродистого железа; на фиг.2 полученный рудоугольный брикет.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

Полное окисление углерода в агрегате кислородом оксидов и дутья, т.е. восстановление железа и дожигание газа достигается брикетированием рудоугольных материалов в дисперсном состоянии. Восстановление в микрообъемах здесь становится совместным с высоким окислительным потенциалом газа в межкусковых полостях. Зоны восстановления железа углеродом и окисления CO разделены защитной газовой оболочкой вокруг такого брикета, возникающей и возобновляемой в ходе процесса.

Предложенный процесс в данном отношении выгодно отличается от попыток дожигания газа в гетерогенных углеродсодержащих средах (в доменной печи или в низкошахтных печах с двухрядным дутьем на заводах в Мюльхайме и Калькутте). Доживание газа вдуваемым кислородом при температуре выше 900-1000^oC не может быть результативным ввиду неизбежной регенерации CO при взаимодействии CO₂ с углеродом кокса. Доокисление CO на верхних холодных горизонтах шахты свободным или связанным оксидом ограничено термодинамическими условиями окислительно-восстановительных равновесий.

В качестве исходного сырья используются железорудные недефицитные углеродистые флюсующие м связующие материалы. После измельчения, дозировки в необходимой пропорции и смешивания их брикетируют методом горячей экструзии или с помощью шнековых (ленточных) прессов, используемых в промышленности огнеупоров.

Необходимой прочности брикета можно достичь добавками бентонита или других катионитов в количестве 1-3 от массы шихты, каменноугольного или нефтяного пека, нефтебитума, сульфитноспиртовой барды и других связующих. Сообщалось о хороших результатах, полученных при использовании в качестве флюсующеупрочняющей добавки карбонатной извести известняка с низкой степенью обжига.

Перспективно брикетирование в смеси с жирным углем, пластометрические свойства которого могут обеспечить достаточную прочность брикета при содержании в нем до 70% рудного концентрата. Потенциальным источником таких углей являются крупные месторождения восточных районов: Улугхемский бассейн Тувы (угли марки Ж с пластическим слоем толщиной 40 мм), Чульмаканское месторождение Южно-якутского бассейна и др. Освоенные аналоги месторождений таких углей и имеются в Кузнецком бассейне.

Применение угля в качестве не только восстановителя и энергоносителя, но и связующего снижает содержание минералов в шихте и уменьшает выход шлака.

Использование жирных углей, не обладающих самостоятельной коксуемостью, для прямого получения железа можно рассматривать как частный существенный признак изобретения, обеспечивающий достижение дополнительного положительного эффекта.

Для получения необходимой прочности брикета осуществимо также продольное армирование заготовки одновременно с формированием в шнековом прессе.

Полученный рудоугольный брикет 1 (фиг.2) неограниченной длины погружают в расплав металла 2 в индукционной печи 3, нагреваемый вихревыми токами с помощью индуктора 4. Железо брикета восстанавливается углеродом и образует расплав с содержанием углерода, которое определяется составом шихты.

Высокая интенсивность процесса достигается дисперсностью компонентов шихты и развитой поверхностью их контакта. В жидкометаллической ванне при циркуляции металла в индукционном поле брикет нагревается интенсивнее, чем в "кипящем шлаковом слое" (КШС) или в газовом потоке (ваграночный агрегат завода Джу Дже в КНР, карусельная печь завода в Элвуд Сити в США.) Здесь нагрев характеризуется коэффициентом теплоотдачи порядка 0,9 Вт/см².град. Разность температур металла и брикета в 200^oC отвечает плотности теплового потока порядка 180 Вт/см².

В отличие от восстановительной плавки в процесс развито карботермическое восстановление до расплавления оксидной фазы и использовано наивыгоднейшее сочетание агрегатных состояний реагентов: восстановление твердого оксида растворенным углеродом, впятеро более быстрое, чем свободным. На схеме (фиг. 1) процессу отвечает кратчайший путь (поз. 5, АД) перехода системы от начального состояния к конечному.

В процессе реализуется также аномально быстрое растворение железа в углеродистом расплаве со скоростью на 3 порядка более высокой, чем отвечающая закономерностям диффузии.

Выделяемая CO дожигается кислородсодержащим газом, подаваемым через сопло 5 в своде, а продукты горения уходят по дымоходу 6 на рекуперацию. Через летки 7 и 8 выпускают и металл.

Теплота окисления CO до CO₂ передается расплаву и в зону карботермического восстановления радиацией свода, чем достигается также расплавление шлака, невосприимчивого к нагреву индукционными токами промышленной частоты. Возможность такого нагрева подтверждена работой аналогичного агрегата производительностью 5 т/ч, где было выплавлено 98 т чугуна с содержанием 3,4-3,9% C и 27 т высокоосновного светлосерного шлака с отношением (CaO + MgO) SiO₂, равным 1,8-1,9. Шлак содержал всего 1% FeO.Сходные результаты получены проведением восстановительной плавки с дожиганием газа в агрегатах конвертерного типа, где шлак нагревателя излучением футеровки конусообразной горловины.

Примеры.

В 1985-1986 гг Отделении ВНИИЭТО (г.Истра) проплавляли рудоугольные брикеты весом 17 кг, длиной 0,8 м и диаметром 0,12 м в открытой тигельной печи КИПП-0,25 емкостью 250 кг в составе установки ИСТ-0,25/0,32 И1 мощностью 320 кВт. В качестве связующего при брикетировании на Макеевском металлургическом заводе, где они изготовлялись, использовали добавку 1% бентонита. При температуре ванны 1570-1690^oC шлак оставался твердым и содержал до 45% FeO. Такой результат свидетельствует о важности использования закрытой печи с дожиганием газа. Удельные потери тепла особенно велики при проведении малотоннажных плавок полупромышленного масштаба.

Позже, для уменьшения теплопотерь предприняли утолщение магнезитовой набойки той же печи, что уменьшило емкость тигля до 140 кг и мощность до 160-170 кВт. В металлургическом цехе изготовили вручную 70 рудоугольных брикетов общим весом около 1,5 т. Брикеты из стехиометрической смеси Лебединского магнетикового концентрата и отсева некоксующихся углей содержали примерно 50% Fe, 18% C, имели длину 660 мм, диаметр 100 мм и были армированы по оси стальным прутком.

В качестве начального наполнителя тигля в каждой плавке использовали 50-80 кг продукта предыдущей, наплавляя в опыте из 10-12 брикетов примерно по 60 кг металла. Процесс вели при 1620± 20^oC при темпе погружения брикета 0,5 мм/с. Было проплавлено 50 брикетов и получено в общей сложности около 300 кг малоуглеродистого (около 0,1% C) железа.

Коэффициент использования мощности по предварительным оценкам составлял от 20 до 40% возрастая по мере наполнения тигля металлом. Для печи указанного малого объема этот результат представляется удовлетворительным. Однако шлак в условиях открытого тигля оставался железистым.

Предложен способ производства литого углеродистого металла на основе железа без агломерации руды и коксования углы. Целью изобретения является дополнение и частичная замена существующего аглококсодоменного производства. Способ включает тонкое измельчение, дозировку в необходимой пропорции компонентов шихты - железорудных материалов недефицитных углеродистых, флюсующих и связующих компонентов, - их смешение, брикетирование с помощью шнекового пресса и погружение рудоугольного брикета неограниченной длины в расплав железа в индукционной электропечи. Новым в способе является проведение процесса в закрытой печи, дожигание газа, выделяемого брикетом, в подсводовом пространстве подаваемым туда воздухом или кислородом и передача теплоты горения излучением свода в зону карботермического восстановления. Этим достигается полное использование теплотворной и восстановительной способности углерода в одном агрегате, снижение энергоемкости процесса до величины 4-5 Гкал/т Fe, сопоставимой с затратами в существующем аглококсодоменном цикле, а также расплавление шлака, невосприимчивого к индукционному нагреву промышленной частоты. 2 ил.

Способ прямого получения железа, включающий подачу компонентов шихты, содержащей руду, углеродистый восстановитель и флюс, проплавление ее в закрытой индукционной печи и дожигание окиси углерода в подсводовом пространстве печи над расплавом, отличающийся тем, что компоненты шихты измельчают, дозируют в необходимой пропорции, смешивают и брикетируют, полученный рудоугольный брикет неограниченной длины подают путем погружения в расплав металла, а окись углерода дожигают полностью для передачи тепла расплаву.