СПОСОБ КАРБОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКИСЛОВ АЛЮМИНИЯ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C21B5/00 C22B21/02 

Изобретение относится к черной и цветной металлургии, выплавляющей металлы из окислов, содержащихся в рудных ископаемых, а именно к восстановлению окислов алюминия в шахтных доменных печах.

Известны устройство и способ восстановления алюминия из его окислов, содержащихся в бокситах, в шахтных электрических печах, где восстановителем служит углерод, а высокотемпературным источником тепла технологическая электроэнергия /1, 2/. Недостатком этого устройства и способа является невозможность получить алюминий без значительных примесей других металлов, в частности кремния или железа, содержание которых в сплаве превышает содержание алюминия в нем. Другим недостатком является необходимость расходования большого количества электроэнергии на получение сплавов, а следовательно, требуется большой расход топлива с учетом его расхода на получение электроэнергии. Использование электрической дуги с чрезвычайно высокими температурами, в несколько раз превышающими оптимальное значение, приводит к восстановлению из проплавляемых сырых материалов металлов, имеющих температуру начала восстановления выше той, которая необходима для восстановления окислов алюминия. Это приводит к загрязнению ненужными примесями получаемого алюминиевого сплава.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту являются современная доменная печь, выплавляющая чугун /железо с небольшими примесями углерода и других добавок/, и используемый в ней способ восстановления окислов металлов.

Современная доменная печь практически полностью отвечает всем требованиям, необходимым для организации процесса выплавки алюминия в ней. Имеющиеся в нижней части печи температура образующихся газов /так называемая теоретическая температура горения /адиабатическая/ топлива в горячем дутье/, достигающая уровня 2300^oC /3/, а при желании и значительно выше, присутствие углерода кокса в горне вполне удовлетворяют всем условиям, необходимым для восстановления окислов алюминия. Оптимальной температурой для восстановления Al₂O₃ является температура в пределах 2050 - 2150^oC. Такое предположение подтверждается рядом патентов на выплавку алюминия в доменной печи /4, 5, 6/, причем некоторыми из авторов /6/ проведены эксперименты, подтверждающие реальность этого предположения /7/. Однако трудности, встречающиеся при реализации этих предложений, настолько велики, что воспрепятствовали промышленному применению их.

Основным недостатком конструкции современной доменной печи и протекающих в ней процессов является невозможность прогреть жидкие продукты плавки до 2050 2150^oC вне зависимости от того, какая температура имеет место в зоне сжигания топлива в фурменных очагах его горения. В /7/ вдували в печь чистый кислород, что обеспечивает получение теоретической температуры выше 3000^oC, а центральная часть высокотемпературной установки на уровне ванны жидких продуктов плавки оставалась настолько недогретой, что в ней шли процессы обратного окисления алюминия, несмотря на то, что диаметр внутреннего профиля установки в этой зоне был равен всего лишь 200 мм. В то же время из-за чрезмерно высоких температур в печи имело место интенсивное испарение элементов проплавляемой шихты /бокситов, содержащих окислы алюминия, кремния и железа/ в основном в виде моноокиси кремния и субоксидов алюминия, т.е. промежуточных продуктов восстановления кремния и алюминия, имеющих относительно низкие температуры кипения. В то же время отмечается, что снижение температуры пламени у фурм введением в кислород CO₂ приводило к увеличению выхода алюминиевого сплава, т.е. к подавлению процессов испарения. Действительно в нижней части промышленных доменных печей /в горне/, где происходят процессы сжигания углерода топлива в кислороде вдуваемого горячего воздуха /дутья/, распределение температур по радиусу горна имеет очень большую неравномерность. Если у фурм /в периферийной зоне горна/ она держится на уровне около 2200^oC, то в центре горна имеет место лишь 1350 - 1400^oC /8/, что явно недостаточно для восстановления окислов алюминия. Это объясняется тем, что в доменной печи, где сжигание топлива производится в окислительных зонах у фурм, вводящих дутье в горн, имеет место целый ряд промежуточных процессов, не учитывающихся в общих тепловых балансах плавки, но приводящих к фактическому переносу тепла из осевой зоны горна /низкотемпературной/ к периферийной /высокотемпературной/. К ним относятся процессы повторного окисления в фурменных очагах металлов, восстановленных в вышележащих слоях шихты фурм, в том числе и в центральной части горна. К процессам другого типа относятся процессы испарения некоторых видов материалов в фурменных зонах, не позволяющие повысить действительную температуру газов выше 2200^oC вне зависимости от того, насколько высоко повышается теоретическая /адиабатическая/ температура горения у фурм. Это также не способствует повышению температуры в осевой зоне горна, что и было зафиксировано в /7/. Отмеченные выше недостатки современных доменных печей могут быть устранены одним мероприятием, касающимся конструкции печи и технологии процесса плавки. Таким мероприятием является ввод горячего дутья в печь не выше уровня жидких продуктов плавки, а непосредственно в ванну жидкого металла при условии, что температура кипения металла превышает оптимальную температуру, требующуюся для процесса плавки, и при наличии углерода в ванне жидкого металла. В данном случае оба необходимых фактора имеют место в печи. Температура кипения алюминия 2520^oC, что значительно превышает требующиеся 2050 2150^oC, а наличие углерода в металле обеспечивается такими факторами, как наличие карбида алюминия Al₄C₃ в металле и наличие нижней части столба кокса в верхней части металлической ванны, обусловленное давлением столба шихтовых материалов в шахтной печи.

Горение углерода топлива в этом случае происходит не по обычной реакции
C + 0,50₂ CO + Q₁ /1/,
а по реакции Me + 0,50₂ MeO + Q₂ /2/
и Me + C Me + CO Q₃ /3/,
что в итоге дает C + 0,50₂ CO + Q₄ /4/,
где Q₄ Q₁ в полном соответствии с теми процессами, которые имеют место в современных конвертерах, перерабатывающих чугун в сталь.

Перенос основного источника выделения тепла в печи в металлическую ванну делает в принципе невозможной сильную неравномерность распределения температур металла по радиусу горна из-за высокой теплопроводности металла и образования зон циркуляции металла у фурм, вводящих дутье в него. Испарение материалов, имеющее место ранее, также исключается. Необходимость в наличии излишне высоких температур непосредственно у фурм отпадает. Параметры дутья, такие как температура нагрева до 1300^oC или обогащение дутья кислородом на 2 6% выше естественного содержания его в воздухе при более низких температурах дутья, давно освоенные металлургами всех стран, вполне обеспечивают создание необходимых условий для восстановления окислов алюминия в нижней части предлагаемой высокотемпературной доменной печи.

Из сказанного вытекает, что в доменной печи, оборудованной устройством для подачи в горн дутья на уровне верхней части металлической ванны, можно организовать выплавку алюминия, если в качестве сырья загружать в нее те же материалы, которые используются в настоящее время при получении алюминия электролитическим способом, а именно глинозем и углеродосодержащее кусковое твердое топливо типа боя электродов, применяемых в электролитических ваннах, или специально изготовленных для этой цели из аналогичного материала брикетов с размерами ребра куба или диаметра шара порядка 20 80 мм, а также малозольных видов коксов, древесного угля и т.п.

Колошниковый засыпной аппарат для загрузки в печь шихты сверху должен обеспечивать возможность загрузки в печь шихтовых материалов /глинозема и топлива/ порциями различной величины и в разной последовательности в полном соответствии с тем, как это делается на современной доменной печи, и возможность равномерного распределения гребней опускаемых в печь материалов по окружности печи.

Характер распределения газов по радиусу печи в верхней части шахты должен контролироваться периодическим или постоянным контролем температуры газов в нескольких точках по радиусу печи. Контроль распределения температур по высоте печи осуществляется при помощи термопар, закладываемых в отверстия в кладке печи по нескольким горизонтам и не менее, чем в четырех точках по окружности печи на каждом горизонте.

Дутье /нагретый до 1000 1300^oC воздух/ получает нагрев в трех регенеративных воздухонагревателях, любая пара из которых способна обеспечить полноценный нагрев дутья, и подается в печь через фурменные устройства современного типа выше уровня жидких продуктов плавки, а также через ряд фурм, установленных ниже /нижний ряд фурм/, вводящих дутье в жидкую металлическую ванну. Оба ряда фурм подсоединены к общему кольцевому трубопроводу, получающему горячее дутье от воздухонагревателей.

Качество взаимодействия дутья и качество взаимодействия печных газов с шихтой, обрабатываемой в печи, контролируется и регулируется при помощи измерения пульсаций давления дутья в фурмах нижнего ряда и давления газов на выходе из печи, обработки результатов измерений и выработки командных сигналов для регулирования системой контроля и регулирования параметров на основе микроЭВМ.

Вводимые в настоящее время в дутье доменных печей такие добавки как кислород, водяной пар, природный и другие горючие газы, мазут, пылеугольное топливо и т.п. могут также вводиться и в высокотемпературную печь. При этом система ввода добавок к дутью должна обеспечивать возможность регулирования их расхода на каждую отдельную фурму.

Наличие фурм нижнего ряда и значительное повышение температуры жидких продуктов плавки дают возможность вводить в горн печи через эти фурмы кусковые материалы компонентов шихты и других корректирующих добавок, которые, будучи введенные в зону циркуляции металла, быстро усваиваются им. Процесс регулирования теплового состояния печи и химического состава выплавляемых продуктов плавки становится малоинерционным в отличие от современных доменных печей, где корректирующие изменения состава шихты доходят до низа печи лишь через несколько часов.

Для возможности ввода шихтовых материалов в горн печи последняя оборудуется специальным горновым загрузочным устройством, использующим принцип колошникового двухконусного загрузочного устройства. Материалы из шихтовых бункеров этого устройства вводятся в горн под действием собственного веса при помощи вдуваемого с ними газа, нагнетаемого в герметичный загрузочный бункер, или при помощи части холодного дутья, имеющего всегда более высокое давление, чем давление газов в печи.

Выходящие из печи колошниковые газы направляются в пылеуловители, а далее в систему тонкой очистки газов в полном соответствии с тем, как это делается на доменных печах. Очищенный газ направляется в топки воздухонагревателей для нагрева дутья /около 45% всего количества/ и топки энергоблока, вырабатывающего тепловую и электрическую энергии /остальные 55%/.

При переплавке указанной выше шихты жидкие продукты плавки представляют собой жидкий алюминий и небольшое количество шлака /3 5% от веса алюминия/. Выпуск жидких продуктов плавки из печи производится периодически по мере их накопления в горне через специальные выпускные отверстия /летки/ так же, как это делается на современных доменных печах. Очистка металла от примесей шлака и карбидов алюминия производится так же, как это делается на современных алюминиевых заводах при выплавке алюминия в руднотермических печах и в электролитических ваннах.

На чертеже показаны высокотемпературная малоинерционная доменная печь и схема материальных потоков, иллюстрирующая общую систему установки, выплавляющей алюминий из глинозема по предлагаемой методике.

Печь имеет зону загрузки шихтовых материалов в печь колошник 1. Ниже колошника располагается зона сушки и нагрева материалов шихты шахта 2. Далее вниз, по ходу опускания шихты в печи, следует зона начала плавления глинозема и прокаливания угольных компонентов шихты распар 3, зона полного плавления и начала восстановления окислов алюминия заплечики 4, зона горения углерода шихты в кислороде дутья и накопления расплавленных продуктов плавки горн 5.

Перерабатываемая шихта /глинозем и топливо/ загружается скипами 6 в приемную воронку 7. Днищем приемной воронки 7 служит малый конус 8. Когда малый конус опускается, шихтовые материалы ссыпаются в загрузочную камеру 9. После этого малый конус поднимается и герметично закрывает загрузочную камеру 9. Днищем камеры 9 служит большой конус 10, который тоже может опускаться для загрузки шихты в печь. После этого большой конус 10 поднимается и герметично закрывает печь.

Малый конус 8 опускается после загрузки на него материалов из каждого скипа 6. Большой конус опускается после загрузки на него нескольких скипов /4 8 скипов/.

Дутье вводится в горн печи 5 через фурмы 11, расположенные выше уровня жидких продуктов плавки, и фурмы нижнего ряда 12, расположенные в районе металлической ванны горна.

Объем жидкой ванны в горне разбит на две зоны: зону временного наполнения жидким алюминием 13 и зону постоянного наполнения 14, куда и вводится дутье из нижнего ряда фуры 12. Сюда же через фурмы 12 могут загружаться горновым загрузочным устройством 15 дополнительные корректировочные элементы шихты.

Кислород дутья, подаваемого в горн через фурмы 11, вступает во взаимодействие с углеродом загружаемого сверху в печь топлива и вдуваемых с дутьем топливных добавок по приведенной выше реакции /1/. Кислород дутья, подаваемого в горн через фурмы 12, реагирует с углеродом топлива и углеродом карбидов алюминия по реакциям /2/, /3/ и /4/.

Сжигание углерода и расплавление глинозема приводят к созданию свободных объемов в печи, куда устремляются новые порции шихтовых материалов, опускающихся навстречу горячим газам, образующимся у фурм и в каждой металлической ванне, где углерод карбида алюминия сгорает в кислороде окислов металла. В основном эти газы состоят из азота, окиси углерода и водорода. Поднимаясь, печные газы отдают свое тепло шихтовым материалам и покидают печь с температурой 100 400^oC через четыре газоотвода 16, расположенных в верхней части печи.

Печные газы удаляются из печи под напором дутья и через газоотводы 16 поступают в сухой пылеуловитель 17, затем в мокрый скруббер 18 и устройство для тонкой очистки газа 19. Часть газа после этого направляется в энергоблок 20 для производства тепловой и/или электрической энергии. Другая часть газов направляется в регенеративные воздухонагреватели 21 для нагрева дутья. Воздух для сжигания этого газа подается вентилятором 22.

Блок воздухонагревателей состоит из трех аппаратов. Газовоздушная смесь для нагрева керамической насадки нагревателей 21 подается в камеры горения нагревателей горелками, снабженными противопульсационными устройствами, обеспечивающими высокую полноту сжигания газов и предотвращение возникновения пульсаций давления газов в камерах горения и вибрации оборудования при помощи системы контроля и регулирования технологическими параметрами на основе микроЭВМ, обрабатывающей результаты измерения пульсаций давления газовых сред в горелках и выдающей командные сигналы для регулирования работы горелок. Продукты сгорания, покидающие аппараты 21, имеют температуру около 200^oC и по дымовому борову 23 уходят в дымовую трубу 24. В эту же трубу 24 сбрасываются продукты сгорания из энергоблока 20 по дымовой трассе 25.

Газовоздуходувка 26 подает дутье в воздуханагреватели 21, затем в линию горячего дутья 27, идущего к кольцевому распределительному трубопроводу 28, расположенному в нижней части печи. Кольцевой трубопровод 28 имеет целых ряд отводов 29 и 30, расположенных равномерно по окружности горна и подводящих дутье к фурмам 11 и 12.

Давление газов в печи, создаваемое газовоздуходувкой 26, имеет такую величину, которой достаточно для проталкивания газов по всей системе от горна 5 до дымовой трубы 24.

Расплавленные жидкие продукты плавки накапливаются в горне 5 и периодически выпускаются из печи через летку 31. В случае появления необходимости обновить металл в зоне продувки 14 последний выпускается из печи через летку 32. Часть жидких продуктов плавки остается все время в печи в зоне 33 и выпускается из печи только при крупных ремонтах через летку 34. Обычный рядовой металл выдается из печи в ковш 35, обновляемый металл из зоны 14 в ковш 36. Обработка металла из ковшей 35 производится в отделении 37, а металла из ковшей 36 в отделении 38.

Пример. В печь загружается глинозем в количестве 1920 кг на 1 т выполняемого алюминия и топливо из расчета расхода углерода 3500 кг на 1 т алюминия.

Состав глинозема,
SiO₂ 0,05; Fe₂O₃ 0,04; TiO₂ 0,03; ZnO 0,03; Na₂O; п.п.п. 0,3; Al₂O₃ 99,15
Состав топлива /анодная масса АМ1/,
зола 1,0; сера 1,4; углерод 97,6
В печь вдувается нагретое до 1673К дутье в виде атмосферного воздуха с добавкой 2% кислорода, 1% водяного пара, 3% природного газа в количестве 15929 кг/т.Al. 50% дутья подается на фурмы верхнего ряда и 50% на фурмы нижнего ряда.

Весь глинозем загружается через колошниковое засыпное устройство. Сюда же загружается 50% топлива в кусках размером /по условному диаметру куска/ 20 80 мм. Остальные 50% этого топлива загружаются горновым загрузочным устройством непосредственно в ванну жидкого металла через фурмы нижнего ряда.

Из печи периодически выпускают /из расчета на 1 т металла/ через летку 31 1000 кг алюминия и 30 кг шлака. Шлак отделяется от металла на выпускных желобах. Смесь восстановленных из примесей глинозема металлов /железо, кремний, титан, цинк; всего 1,8 кг на 1 т алюминия/ выпускают по мере накопления один раз за несколько дней через летку 34. Леткой 32 пользуются несистематически, а тогда, когда нужно по какой-то причине заменить металл в зоне продувки 14.

Весь металл из печи не выпускается никогда, так как отсутствие жидкой металлической ванны в печи делает невозможным нормальное течение процесса плавки алюминия.

Расход дутья, подаваемого в печь в единицу времени, поддерживается системой контроля и регулирования параметров на основе микроЭВМ на таком уровне, чтобы возникающие при взаимодействии дутья с металлом на нижних фурмах пульсации давления дутья удерживались в заданном диапазоне частот. При снижении частот ниже допустимого уровня расход дутья увеличивается, при повышении частот выше заданного уровня расход дутья снижается. Этим достигаются оптимальные условия взаимодействия дутья с жидким металлом, при которых в металле возникают зоны циркуляции, способствующие выравниванию температур жидких продуктов плавки по радиусу горна и полноте выжигания углерода из карбидов металлов.

При появлении пульсаций давления газов на колошнике с амплитудами, превышающими допустимые значения, принимаются меры по их подавлению изменением порядка загрузки шихтовых материалов в печь.

Из 3500 кг углерода загруженного в печь топлива /на 1 т алюминия/ расходуется на восстановление алюминия 667 кг, а остальные 2833 кг расходуются на сжигание в кислороде дутья для обеспечения необходимых тепловых и температурных условий плавки.

Тепловой баланс плавки алюминия в высокотемпературной доменной печи приведен в табл. 1.

В доменной печи выход колошниковых газов 16369 м³/т Al. Калорийность газа 1220 ккал/м³. Температура горения газа в холодном воздухе 1750^oC, что вполне может обеспечить нагрев дутья в воздухонагревателях, обогреваемых этим газом, до 1600^oC.

Всего в колошниковом газе "содержится" 20040000 ккал. тепла /если его сжечь/, из которых 45% необходимо потратить на нагрев собственного дутья, а 55% можно продать другим потребителям /11022000 ккал/. Можно отметить, что на сторону можно отдать почти столько же тепла, сколько израсходовано на получение алюминия.

Для сравнения с известными методами получения алюминия в табл. 2 приведен тепловой баланс процесса получения алюминия в электролитической ванне, имеющего в настоящее время преимущественное распространение во всем мире /см. /1/, стр. 359, табл. 27 в пересчете на 1т алюминия/:
Из сравнения табл. 1 и 2 видно, что расход тепла в доменной печи ниже расхода в электролизере на 12% Но если учесть, что в электролизере расходовалось тепло от электроэнергии /83,5% от общего расхода/, произведенной за счет тепла сжигаемого угля с КПД, не превышающим 40% то общий расход тепла (см. табл. 2) возрастет до 30105000 ккал/т. Это в 2,5 раза больше, чем в доменной печи.

Если к этой эффективности добавить еще возможность использования тепла от сжигания товарного колошникового газа, то расход тепла на выплавку алюминия в доменной печи снижается не в 2,5 раза, а более чем в 5 раз, по сравнению с традиционными методами получения алюминия в электролитической ванне.

Источники информации:
1. Троицкий И.А. Железнов В.А. Металлургия алюминия. Москва, "Металлургия", 1984, с. 376 386.

2. Гасик М.И. Лякишев Н.П. Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. Москва, "Металлургия", 1986, с. 510 530.

3. Воскобойников В.Г. Кудрин В.А. Якушев А.М. Общая металлургия, Москва, "Металлургия", 1985, с. 89.

4. US patent 4,299,619, Nov. 10. Int. Cl. C 22 D 3/12.

5. US Patent 4,394,167. Jul, 19, 1983, Int. Cl. C 22 B 21/02
6. US Patent 4,681,626, Jul. 21, 1987, Int. Cl. C 22 B 21/02, C 22 B 7/04.

7. M. Dokiya, M. Fujishige, I. Kameyama, H. Yokokawa, S. Ujiie, K. Fukuda and M. Motoe. Aluminum blast furnace. Light Metals, 1983, Proc. Techn. Ses. 112 AIME. Ann. Meet. Atlanta, 6 10, March 1983. Warrendale, Pa. S.a. 651 670.

8. Вегман Е.Ф. Жеребин Б.Н. и др. Металлургия чугуна. Москва, "Металлургия", 1989, с. 261.

Изобретение относится к металлургии. Сущность изобретения: в шахтную печь загружают сверху глинозем и кусковое твердое углеродсодержащее топливо, снизу вдувают выше уровня жидких продуктов плавки нагретый воздух с добавками кислорода, водяного пара, газообразного топлива и/или мазута, пылеугольного топлива. Часть дутья с добавками вдувают в ванну жидкого металла через фурмы нижнего ряда. Сюда же подают частично и шихтовые материалы загрузочным устройством для оперативной корректировки теплового состояния печи и химического состава продуктов плавки. Указанные процессы осуществляют в высокотемпературной доменной печи. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ карботермического восстановления окислов алюминия в высокотемпературной доменной печи, включающий загрузку сверху в печь шихтовых материалов, состоящих из глинозема и кускового твердого топлива, ввод в нижнюю часть печи выше уровня жидкого металла горячего комбинированного дутья с топливными добавками, периодический вывод из нижней части печи жидкого металла и шлака, а из верхней части образующихся печных газов, очистку газов от пыли и подачу их на сжигание, отличающийся тем, что по крайней мере часть горячего комбинированного дутья с топливными добавками вводят непосредственно в ванну жидкого металла, часть шихтовых материалов, необходимых для корректировки теплового состояния печи и химического состава плавки, вводят также в ванну жидкого металла, осуществляют вывод жидкого металла на двух уровнях, обеспечивающих постоянное сохранение части жидких продуктов плавки в горне печи, измеряют пульсацию давления газов у ввода и вывода их из печи, обрабатывают результаты измерений, вырабатывают командные сигналы системой контроля и управления технологическими параметрами на основе микроЭВМ и на их основе корректируют параметры дутья и порядок загрузки шихтовых материалов в печь. 2. Устройство карботермического восстановления окислов алюминия в высокотемпературной доменной печи, включающее колошниковое загрузочное устройство для подачи шихтовых материалов, расположенные в нижней части печи воздушные фурмы для подачи горячего комбинированного дутья с топливными добавками, летки для выпуска жидкого металла и шлака, оборудование для вывода, очистки и сжигания образующихся печных газов, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным нижним рядом воздушных фурм, расположенных на уровне ванны жидкого металла, дополнительным загрузочным устройством, расположенным на том же уровне, дополнительной леткой для жидкого металла, причем летки для выпуска жидкого металла расположены на разных уровнях, обеспечивающих постоянное сохранение части жидких продуктов плавки в печи, а также оборудованием для измерения пульсации давления газов у ввода и вывода их из печи, обработки результатов измерений, системой контроля для выработки командных сигналов и системой управления технологическими параметрами на основе микроЭВМ, а также системами корректировки параметров дутья и порядка загрузки материалов в печь.