УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ В ЖИДКОЙ ВАННЕ Российский патент 1997 года по МПК C21B13/08 

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности, к переработке железорудного сырья в полупродукт или сталь в печи роторного типа, обеспечивающей непрерывность процесса плавки.

Известен роторный процесс получения качественных и высококачественных сталей. Роторный процесс осуществляется во вращающихся со скоростью 0,1-4,0 об. мин, горизонтально расположенных цилиндрических печах. В торцовых стенках такой печи выполнены загрузочная и разгрузочная головки с отверстиями. Через одно из отверстий заливается чугун и вводятся твердые металлы и кислород. Через другое расположенное в противоположной торцевой стенке головки отводятся газы и сливается шлак. Перед началом продувки в печь заваливают известь и железную руду и заливают жидким чугуном. Кислород вводится в печь двумя фурмами. Некоторые из роторных печей оборудованы механизмом подъема, который может поднимать один конец печи на 1,5 м, а со стороны выпуска металла на 0,3 м. Наклон печи облегчает выпуск шлака и металла, а также ремонт футеровки.

В роторных печах освоена выплавка качественных и высококачественных сталей с содержанием углерода от 0,3 до 0,6% /1/.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является установка для переработки железорудного сырья в подвижной жидкой ванне, содержащая горизонтальную цилиндрическую футерованную печь, рабочий объем которой разделен на технологические зоны разного диаметра и протяженности и снабжен продольными выступами, расположенными под углом к образующей цилиндра печи, загрузочную и разгрузочную головки с течками, роликовые опоры, узлы для подачи газа и сочлененный с разгрузочной головкой металлоприемник с газоотводом /2/.

Однако упомянутая выше известная установка является малопроизводительной печью, хотя и работоспособной для переработки железорудного сырья.

Это обусловлено тем, что скорость взаимодействия железорудного сырья с энергетическим ресурсом, несущим в себе углерод как восстановитель окислов железа, происходит в основном в жидкой фазе, которая должна присутствовать в достаточном количестве, куда поступают все новые и новые порции шлакообразующих, железорудного сырья и энергоресурсов. Известная конструкция установки, применяемая для переработки железорудного сырья, не располагает такой возможностью и поэтому она может работать только как обычная роторная печь, но с весьма низкой производительностью, т.к. на восстановление окислов железа требуется значительная затрата времени и энергоресурсов.

Технический результат заключается в повышении производительности установки, расширении ее технологической возможности и повышении ресурса узлов оборудования и огнеупорной кладки печи.

Этот технический результат достигается тем, что установка для переработки железорудного сырья в жидкой ванне, содержащая соединенную с приводом вращения горизонтальную цилиндрическую футерованную печь, рабочий объем которой разделен на технологические зоны, имеющие разные диаметры и протяженность и выполненные с продольными выступами, расположенными под углом к образующей цилиндра печи, загрузочную и разгрузочную головки с течками узлы для подачи газа, роликовые опоры и сочлененный с разгрузочной головкой металлоприемник с газоотводом, снабжена охватывающей печь в зоне рабочего объема пустотелой кольцевой обечайкой, погруженной в емкость с жидкостью, а роликовые опоры установлены только в зоне загрузочной головки, при этом рабочий объем разделен на три технологические зоны, средняя из которых имеет диаметр меньше диаметров крайних зон и в ее футеровке выполнены сквозные каналы, соединяющие между собой крайние зоны печи, а продольные выступы выполнены в средней зоне и в зоне со стороны загрузки и расположены под углом 20-45^o к образующей цилиндра печи. Установка снабжена также цилиндрической печью для подогрева шихты, загрузочная головка которой соединена с газоотводом металлоприемника, а разгрузочная головка с загрузочной головкой печи с жидкой ванной.

На фиг. 1,2,3 показана печь в продольном и поперечных разрезах, на фиг. 4 показана поверхность проема печи в развернутом виде, где штрих-пунктиром обозначены осевые линии рифлений и каналов, увязанные с вращением печи, на фиг. 5 показана схема расположения плавильной и нагревательной печей, объединенных технологической связью.

Печь состоит из горизонтально расположенного цилиндрического корпуса 1, проем которого выложен огнеупорной футеровкой 2. Цилиндрическая поверхность корпуса печи опоясана пустотелым кольцевым понтоном 3, который погружен в емкость с жидкостью 4. Торцевые части печи имеют загрузочную 5 и разгрузочную 6 головки. Загрузочная головка снабжена подпорным кругом 7 и установлена на опорные ролики 8. Отверстие на загрузочной головке 5 закрыто огнеупорной пробкой 9, в которой вмонтированы: течки 10 для подачи шихтовых материалов в печь, кислородные фурмы 11, смотровые гляделки и др. узлы технологического назначения. Внутренняя полость печи разделена на три основные технологические зоны: I зону загрузки, восстановления и науглероживания, II реакционную зону и III зону накопления и разгрузки. В реакционной зоне II в массе огнеупорной футеровки выполнены сквозные каналы 12, через которые при вращении печи расплав принудительно возвращается из зоны III в зону I. Поверхность огнеупорной футеровки, зон I и II выполнены рельефными, в виде продольных выступов 13, расположенных под углом к центральной оси печи. Со стороны разгрузочной головки 6 установлен газоотвод 14, а ниже газоотвода установлена металлоемкость 5 чайникового типа. Металлоемкость 15 оснащена: желобами для слива стали и шлака, засыпными аппаратами для подачи легирующих добавок, раскислителей и обессеривающих присадок. Газоотвод печи 14 соединен с загрузочной головкой нагревательной печи 16, через который поступает газ в нагревательную печь. Разгрузочная головка нагревательной печи 16 соединена с загрузочной головкой 5 плавильной печи 1 течкой 17, по которой нагретая шихта поступает в печь зону I. По торцевым сторонам понтона закреплены кольцевые направляющие корытного типа, через которые осуществляется вращение печи.

Привод установлен с возможностью свободы перемещения печи в горизонтальной плоскости.

Установка работает следующим образом.

После монтажа всех элементов конструкции печи, сушки и предварительного нагрева огнеупорной футеровки 2 печь заполняют расплавом чугуна и всеми необходимыми к тому шихтовыми материалами. Пусковой прием ввода печи в работу отличается от обычной плавки в роторной печи тем, что расплав чугуна и шихтовые материалы, поступившие в печь, должны обладать некоторым запасом химического избыточного тепла, с помощью которого по ходу плавки можно было прогреть всю футеровку печи до рабочего состояния. Пусковой прием ввода печи в работу проводят по сценарию обычных рядовых плавок в роторных печах. Однако предложенная конструкция печи позволяет это сделать в темпе, опережающем обычное время плавки, в силу того что при вращении печи некоторая часть расплава многократно и с определенной заданной скоростью перемещается вдоль проема вперед-назад. Это обусловлено тем, что сквозные каналы 12, проложенные в футеровке II зоны, выполнены под определенным углом к продольной оси проема печи, что позволяет с каждым оборотом печи возвращать часть объема расплава из III зоны в зону I, и в таком количестве, которое только за один оборот печи равно внутреннему объему всех каналов 12, вместе взятых. Перемещение расплава позволяет в темпе усреднить температуру вдоль всего проема печи и ускорить процесс готовности стали. Этому способствует возможность изменять положение печи в горизонтальной плоскости за счет изменения уровня жидкости в емкости 4, в которую погружен понтон. И более того, с помощью продольных выступов 13, выполненных на поверхности огнеупорной футеровки вдоль I и II зон, расплав на всем своем пути продвижения вдоль проема этих зон подвергается интенсивному перемешиванию, чем увеличивается площадь тепло- и массо-обменных процессов. Высокая удельная поверхность расплава (отношение площади зеркала расплава к массе расплава под этой площадью) с окислительной фазой обеспечивает интенсивное удаление примесей и отшлакование их в присутствии флюсов, т.к. сталеплавильные процессы регулируются не только скоростью химических реакций, которые при высоких температурах протекают практически мгновенно, но и за счет скорости доставки реагирующих элементов к месту реакций. При достаточной скорости доставки реагирующих компонентов к месту реакции все процессы протекают быстро, а при рассматриваемых условиях, созданных целенаправленно, все процессы протекают в непрерывном потоке.

После того как печь полностью прогрелась и весь объем расплава в печи достиг обусловленной кондиции, в печь подают шихтовые материалы. Все подаваемые в печь шихтовые материалы желательно иметь однородного состава и составляются из обычного сырья, применяемого в доменном производстве. Взамен доменного кокса может применен один из энергетических малозернистых углей, например Кузнецкого бассейна. Тепловой баланс должен быть рассчитан на получение избыточного тепла в готовом продукте, которое в обычных плавках используется на расплавление скрапа, окалины или лома. Избыточное тепло необходимо иметь в возвратной доле расплава, поступающей на поддержание процесса плавки в зоне, куда поступают все новые и новые порции подогретой шихты. Предварительные, а затем практически проверенные расчеты теплового баланса корректируются при изменении состава шихтовых материалов.

Поступление расчетной однородной подогретой шихты в печь зону I, шихта, тут же попадает в окружение возвратной доли перегретого расплава. Высокая температура и окислительная среда немедленно включают в работу реагирование энергетического угля. Образующийся в процессе реакции газ, содержащий окись углерода, тут же используется на восстановление окислов железа и на его науглероживание и, в первую очередь, на науглероживание возвратной доли стали, если плавка ведется на получение стали. Вся масса расплава вспенивается до шлако-металлической эмульсии. При полном расплавлении прогретой шихты она превращается в жидкий полупродукт чугуна, содержащего 2-3% углерода.

В механизме восстановления железа и его науглероживания заложена одна особенность. Взаимодействие окислов железа с углеродом происходит в основном в жидкой фазе, т.е. в начале углерод растворяется в жидком расплаве, в основном в возвратной доле перегретого расплава, поступающего из зоны III, а затем взаимодействует с окислами железа и шлака. Хотя определенное развитие получает и процесс взаимодействия твердого угля с окислами железа и шлака. В отличие от доменного процесса, стадия косвенного восстановления железа происходит только при предварительном нагреве шихты перед поступлением ее в печь. Достаточная скорость процесса протекает в условиях активного массообмена. Важнейшее условие предложенного варианта получения полупродукта или стали из первородного сырья интенсивное использование тепла, поступающего непрерывно с возвратной долей перегретого расплава из зоны III, и тепла, поступающего от сгорания энергетического угля. Для стабильности теплонасыщенности в зоне I в зону подается газ или жидкий энергоноситель как компонент быстрого реагирования.

Завалка железной руды и шлакообразующих в смеси с энергетическим углем не вызывает ускорения износа огнеупорной футеровки, а наоборот, способствует увеличению ее стойкости, т.к. обеспечивается непрерывное всплывание шлака от стенок футеровки за счет барботируемого действия выделяемых углем газов. Температура контакта руды с футеровкой еще не велика, поэтому содержащиеся в руде окислы железа и кремнезема слабо взаимодействуют с огнеупорной футеровкой.

Полупродукт, полученный в зоне I, при поступлении его в зону II уже при температуре выше 1350^oC начинает интенсивно обезуглероживаться, и скорость его достигает максимальных значений. Возрастание скорости обезуглероживания сопровождается дальнейшим восстановлением окислов железа из шлака. Все продолжающие процессы: восстановление окислов, растворение, науглероживание, обезуглероживание и газовыделение проходят в темпе и тесном взаимном контакте реагирующих элементов и фаз.

Так же, как и в первой стадии получения полупродукта в зоне I, в зоне II увеличивается количество шлака. Особенностью предложенного процесса является раннее образование активного шлака. В первых двух зонах весь расплав находится в виде шлако-металлической эмульсии. В этом случае расплав металла и шлака вспенены и вспучены до однородной массы. Этому способствует активный массоперенос реагирующих элементов к местам реакции, достигаемый с помощью интенсивного перемешивания. Вся система стремится к равновесию и концентрации компонентов.

При достижении высокой степени равновесия шлако-металлическая эмульсия разделяется на металл и шлак. Интенсивное разделение продолжается по ходу движения расплава к зоне III. В зону II расплав поступает предварительно готовой сталью, близкой к заданному химсоставу, если расчет теплового баланса был составлен с учетом неоднородности шихты. В зоне III расплава заканчивает свое разделение на металл и шлак. Часть металла из зоны III по каналам, имеющимся в массе футеровки зоны II, возвращается обратно в зону I, а другая часть металла и шлака через разгрузочную головку 6 сливается в промежуточную емкость 15. В промежуточной емкости 15 чайникового типа расплав отстаивается, усредняется и окончательно разделяется на шлак и сталь, которые сливаются раздельно по своим желобам. В процессе отстоя стали сталь подвергается доводке путем раскисления, лигирования, обессеривания и доводки до заданного химсостава.

Современные типы печей роторного типа имеют длину цилиндрической части до 20 м, а диаметр 4,6 м. Исходя из этих же размеров, предложенная печь может иметь примерно эти же размеры.

Однако предложенный вариант установки цилиндрической части печи на кольцевой понтон в перспективе позволит иметь более внушительные размеры, т.к. элементам конструкции печи и хрупкой огнеупорной футеровке не угрожают вибро-механические нагрузки. Размеры зон I, II и III могут быть приняты 6, 10 и 5 м соответственно. Разница в диаметрах II-й и боковых зон может составлять некоторую величину, на которую поднята футеровка II-й зоны, для выполнения в ней сквозных каналов.

Значительная длина проема печи, на которой достигается получение жидкого полупродукта типа чугуна в зависимости от интенсивности процесса и в совокупности c применением предложенных вариантов конструкции элементов печи и элементов огнеупорной футеровки позволяет получать сталь любой рядовой марки, т.к. предложенная печь располагает рядом новых технологических возможностей с помощью которых возможно в широком диапазоне регулировать и управлять процессом сталеварения, например: регулирование массы поступления возвратной доли перегретого расплава в место поступления твердой шихты; регулирование горизонтального положения печи, способствующего возможности изменять скорость перемещения расплава вдоль печи; регулирование температуры шихты, поступающей из нагревательной печи; регулирование скорости вращения печи, воздействующей на интенсивность перемешивания расплава в зонах I и II; регулирование поступления в печь необходимого объема окислительного газа; регулирование поступления в печь только необходимой массы шихты.

Исходя из вышеперечисленных возможностей регулирования ряда параметров технологического процесса плавки, данная установка обладает способностью по ходу плавки исправлять непредвидимые нарушения процесса плавки. Например, когда нарушения вызваны: отклонением шихты от заданного химсостава, снижением энергоресурса в шихте, недостатком или избытком СО в отходящих газах, лимитирующих нагрев шихты, повышенным содержанием примесей в готовой стали и др. отклонениями.

Для этого достаточно снизить темп выпуска расплава из печи и подачу шихты в печь. Увеличить или снизить обороты вращения печи, т.е. изменить возвратную долю расплава. Изменить расход окислителя. Изменить энергоресурс печи. Это можно сделать за счет изменения расхода жидкого или газообразного топлива, подаваемого в зону I, которые обычно используются для стабильности ведения процессов плавки. Опираясь на любой из приемов воздействия на процесс плавки, в любом случае можно достигнуть желаемого результата.

Производительность печи, в основном, зависит от энергонасыщенности в зоне I, куда поступает твердая нагретая шихта. Энергоненасыщенность складывается из поступления в зону угля, тепла, поступающего с возвратной долей расплава, и тепла, поступающего в зону I от сжигания в ней жидкого или газообразного топлива.

Таким образом, чтобы иметь высокую производительность предложенной печи, кроме оптимальных размеров зон печи и достоинств конструкции печи, необходимо иметь оптимальную энергонасыщенность в зоне I. Для этого ведение непрерывного процесса плавки может быть поручено автоматическому управлению. С той и другой стороны такие возможности есть.

Исходя из принятых размеров предложенной печи и особенностей конструкции печи, степени усвоения тепла в роторных печах (75% тогда как в обычных конвертерах эта величина составляет всего лишь около 43%), опираясь на ряд тепловых балансов, проверенных на практике в различных типах печей, просчитав характерную модель и возможности энергонасыщенности в зоне I предложенной печи, расчет-прогноз показывает, что предложенная печь при самых низких показателях прогноза производительности в совокупности с непрерывностью процесса может выплавлять: полупродукта до 100 т/час, стали 60 т/час.

Представляет интерес и является весьма выгодным применение набивных и заливных масс для ремонта огнеупорной футеровки цилиндрической части предложенной печи и торкрет масс для текущего ремонта. Применение набивных и заливных масс широко применяется на НЛМК. Освоено факельное торкретирование. Набивка может осуществляться с помощью установок типа "Орбита". Форма проема предложенной печи, ее вращение полностью способствует этому.

Сопоставляя и анализируя возможности предложенной печи и действующих в настоящее время ряда разновидностей сталеплавильных печей, в том числе и доменных печей, предназначенных для получения полупродукта, напрашивается однозначный вывод: предложенная печь выгодно отличается от всех ранее известных печей тем, что затраты на получение определенной доли полупродукта или стали в печах жидкой подвижной ванны будут значительно ниже. Затраты на оборудование и обслуживание печи также будет ниже. Отпадает необходимость в дорогостоящем коксе. Подготовка шихтовых материалов не потребует такого обилия оборудования, какое имеется на современных аглофабриках. В печи жидкой подвижной ванны можно плавить практически все: железную руду, окалину, шлам отвалов, имеющий до 60% железа, металлизованные окатыши и мелкую чугунную стружку. Печь может стать экологическим санитаром. Если смотреть в перспективу, то она видится в отказе от доменного производства вообще.

Использование: предложение относится к области металлургической промышленности, в частности, к переработке железорудного сырья в полупродукт или сталь. Сущность: установка содержит вращающуюся горизонтальную цилиндрическую футерованную печь с жидкой ванной, рабочий объем которой разделен на 3 технологические зоны с разными диаметрами. Диаметр средней технологической зоны меньше диаметров крайних зон, и в ее футеровке выполнены сквозные каналы, соединяющие между собой крайние зоны печи. Кроме того, средняя технологическая зона и зона со стороны загрузки выполнены с выступами, расположенными под углом 20-45^o к образующей цилиндра печи. Печь установлена средней частью на кольцевой понтон, а в разгрузочной части имеется роликовая опора. В установке предусмотрена цилиндрическая печь для подогрева шихты, загрузочная головка которой соединена с газоотводом металлоприемника, а разгрузочная головка с загрузочной головкой печи с жидкой ванной. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка для переработки железорудного сырья в жидкой ванне, содержащая соединенную с приводом вращения горизонтальную цилиндрическую футерованную печь, рабочий объем которой разделен на технологические зоны, имеющие разные диаметры и протяженность и выполненные с продольными выступами, расположенными под углом к образующей цилиндра печи, загрузочную и разгрузочную головки с течками, узлы для подачи газа, роликовые опоры и сочлененный с разгрузочной головкой металлоприемник с газоотводом, отличающаяся тем, что она снабжена охватывающей печь в зоне рабочего объема пустотелой кольцевой обечайкой, погруженной в емкость с жидкостью, а роликовые опоры установлены только в зоне загрузочной головки, при этом рабочий объем разделен на три технологические зоны, средняя из которых имеет диаметр меньше диаметров крайних зон и в ее футеровке выполнены сквозные каналы, соединяющие между собой крайние зоны печи, а продольные выступы выполнены в средней зоне и в зоне со стороны загрузки и расположены под углом 20 45^o к образующей цилиндра печи. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена цилиндрической печью для подогрева шитхы, загрузочная головка которой соединена с газоотводом металлоприемника, а разгрузочная головка с загрузочной головкой печи с жидкой ванной.