СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА И АГРЕГАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C21B13/14 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к процессам жидкофазного восстановления железа из его окислов, и может быть использовано для получения стали в бездоменном (бескоксовом) процессе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ переработки металлургического сырья, включающий его предварительное восстановление до вюстита и расплавление в циклоне, окончательное восстановление за счет ввода твердого углеродсодержащего восстановителя, ступенчатое дожигание технологических газов, образующихся в результате восстановления, на первой ступени в камере окончательного восстановления, а на второй ступени в газоходе, соединяющем газовое пространство камеры окончательного восстановления с циклоном.

Недостатком известного технического решения является то, что восстановление расплава ведется в ванне, а это приводит к науглероживанию металла до чугуна. Цикличность процесса не обеспечивает получение стабильного состава чугуна и отходящих газов, вследствие чего дожигание газов не может быть оптимальным. Кроме того, расход воздуха по ступеням дожигания определить невозможно. В результате получается чугун, состав которого меняется от плавки к плавке, что требует корректировки режима продувки кислородом, при последующем рафинировании.

Задача изобретения заключается в создании способа прямого восстановления железа из его окислов и агрегата для прямого получения стали высокого качества в непрерывном режиме с минимальными энергетическими затратами и воздействиями на окружающую среду.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе прямого производства стали из железосодержащего сырья, заключающемся в расплавлении шихты в циклоне, восстановлении железа из расплава и рафинировании, восстановление осуществляют путем вдувания восстановителя в поверхностный слой металла, движущийся спутно с восстанавливаемым расплавом, по всей длине зоны восстановления до шлакоразделительной перегородки, часть которой расположена ниже уровня металла, и производят непрерывно выпуск шлака с его поверхности через летки, расположенные по обе стороны перегородки, причем шлак в зоне рафинирования формируют вдуванием порошкообразных материалов и организуют встречное движение шлака пограничному слою металла в зоне рафинирования, а отходящие из зон восстановления и рафинирования газы направляют в циклон и используют для предварительного восстановления окислов железа, плавления и подогрева шихты путем ступенчатого дожигания кислородом, несущим порошкообразную шихтовую смесь железосодержащих материалов и извести. По ходу движения расплава снижают интенсивность подачи восстановителя и ввода дополнительного тепла для компенсации затрат энергии на проведение эндотермических реакций восстановления.

Агрегат для осуществления способа прямого производства стали решает поставленную задачу за счет того, что циклон выполнен глуходонным с газоотводящей частью в виде трубы Вентури и отверстием в дне для выпуска расплава, над которым в боковых стенках расположены сопла для ввода отходящих из камер восстановления и рафинирования газов, а на расстояниях 0,5 и 0,75 высоты циклона от его дня расположены два яруса сопл для ввода порошкообразной шихты в токе окислителя, причем все сопла установлены тангенциально к боковой стенке циклона и в одну сторону, а камеры восстановления и рафинирования выполнены в общем проточном желобе, разделенном на зоны шлакоразделительной перегородкой с зазором h от подины 50.100 мм для прохода металла, по обе стороны которой выполнены шлаковые летки, и по всей длине зоны восстановления установлены фурмы для ввода восстановителя и кислорода в горизонтальную плоскость на уровне нижнего среза шлакоразделительной перегородки, причем подина зоны восстановления имеет уклон в сторону циклона, а зона рафинирования имеет горизонтальную подину, заканчивающуюся опускным коленом, на вертикальной оси которого в своде установлена фурма для подачи шлакообразующих и легирующих материалов, а в подине пористая пробка для вдувания аргонокислородной смеси. Сопла для ввода отходящих из камер восстановления и рафинирования газов в циклон имеют прямоугольное сечение с отношением сторон 1 4. Проточный желоб имеет в плане форму трапеции с меньшим основанием у сталевыпускного отверстия, равным 0,8 большего основания, а отношение длины желоба к большему основанию составляет 10 1, причем шлакоразделительная стенка делит длину желоба на части таким образом, что отношение длин восстановительной и рафинировочной зон равно 4 1.Труба Вентури выполнена с соотношением диаметров равным 2. Свод и боковые стенки желоба восстановительной зоны выполнены из водоохлаждаемых панелей, причем свод имеет плоскую форму. Первая по ходу движения расплава фурма для ввода восстановителя и кислорода установлена в одной плоскости с вертикальной осью циклона, а маг между соседними фурмами переменный и составляет величину l/l', где l' ширина желоба, м, в сечении, где установлена предыдущая фурма. Оси фурм расположены в вертикальной и горизонтальной плоскостях, причем ввод четных форм через свод, нечетных попеременно с задней и передней стенок желоба.

Изобретение соответствует критериям патентоспособности: обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом: изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники; практически осуществимо с минимальными энергетическими затратами.

На фиг. 1 представлен продольный разрез агрегата, на котором осуществляется способ прямого производства стали; на фиг.2 разрез по Б Б.

Способ прямого производства стали из железосодержащего сырья состоит из процессов расплавления шихты, восстановления железа из расплава и рафинирования.

Процесс расплавления шихты осуществляют в циклоне. Шихту и окислитель подают по высоте циклона в два яруса. Расход шихты между двумя ярусами подачи устанавливают в равных долях. Для ступенчатого дожигания кислород подают 75% в нижний ярус и 25% от необходимого в верхний ярус. Основной нагрев частиц порошкообразной шихтовой смеси железосодержащего материала и извести и их расплавление производится в нижнем ярусе циклона, температура расплавления достигается на уровне 1650 1700^oС перед контактом с отходящими газами из зон восстановления и рафинирования, которые поступают в циклон. Таким образом, при расплавлении шихты происходит ее предварительное восстановление.

Процесс восстановления железа осуществляют путем подачи восстановителя в поверхностный слой металла по всей длине зоны восстановления, которую отделяют от зоны рафинирования шлакоразделительной перегородкой, часть которой погружают ниже уровня металла, что и обеспечивает относительно тонкий поверхностный слой движущегося металла 50100 мм. Зазор между подиной и перегородкой менее 50 мм может вызвать нарушение потока из-за зарастания зазора шлаком. Зазор более 100 мм может вызвать затягивание первичного шлака в зонд рафинирования. Именно в этот объем поверхностного слоя металла, движущегося спутно с восстанавливаемым расплавом подают восстановитель, что обеспечивает протекание химических реакций только в выше расположенных слоях расплава. По ходу движения расплава снижают интенсивность подачи восстановителя и кислорода. Это позволяет получить низкоуглеродистый металл, минуя стадию чугуна.

В результате описанной организации движения потоков расплава и металла к шлакоразделительной перегородке приходят низкоуглеродистый металл и шлак с низким содержанием окислов железа. Шлак непрерывно удаляется с его поверхности через шлаковую летку, а металл перетекает в зону рафинирования.

Процесс рафинирования осуществляют подачей шлакообразующих и легирующих материалов и продувкой аргонокислородной смесью. При этом организуют встречное движение формируемого в зоне рафинирования шлака пограничному слою металла и его удаление через шлаковую летку.

Выпуск стали осуществляют непрерывно.

Агрегат для осуществления способа прямого производства стали из железосодержащего сырья состоит из камеры плавления в виде глуходонного циклона 1 и проточного желоба 2, разделенного шлакоразделительной перегородкой 3 на зоны восстановления 4 и рафинирования 5.

Плавильный циклон 1 представляет собой цилиндр с охлаждаемыми стенками 6 и гарнисажной футеровкой 7. В дне циклона выполнено отверстие 8 для выпуска расплава. Газоотводящая часть 9 циклона имеет форму трубы Вентури с отношением внутреннего диаметра D циклона к диаметру выходного отверстия d, равным 2. В боковых стенках циклона 1 установлены два яруса сопл для подачи шихты в токе окислителя. Верхний ярус сопл 10 расположен на высоте 0,75 H от основания циклона, где H полная высота циклона, нижний ярус сопл 11 на высоте 0,5 H. Кроме того, в боковых стенках 6 циклона 1 выполнено два сопла 12 прямоугольного сечения для подачи газов из проточного желоба 2 через окно 15 с целью увеличения поверхности, омываемой восстановительными газами. Все сопла расположены тангенциально по отношению к стенке 6 циклона и направлены в одну сторону.

Проточный желоб 2 в плане представляет собой трапецию с меньшим основанием у сталевыпускного отверстия равным 0,8 большего основания L. Длина желоба составляет 10L и желоб разделен шлакоразделительной перегородкой 3 так, что отношение длины зон восстановления 4 и рафинирования 5 равно 4:1. Подина зоны восстановления имеет уклон в сторону циклона, а зона рафинирования выполнена горизонтальной.

Шлакоразделительная перегородка 5 установлена с зазором h, равным 50.100 мм от подины 14. Слева и справа от шлакоразделительной перегородки 3 в задней боковой стенке 15 желоба 2 выполнены шлаковые летки 16 и 17.

В боковых стенках 15 и 18 зоны восстановления, а также в своде 19 установлены фурмы 20 и 21 для подачи восстановителя и кислорода. Подачу восстановителя осуществляют в горизонтальную плоскость, расположенную выше нижнего среза, шлакоразделительной перегородки 3 на величину h, причем четные фурмы 21 установлены в своде 19, а нечетные 20 попеременно через заднюю 15 и переднюю 18 стенки зоны восстановления 4.

Первая по ходу движения расплава фурма 20 для ввода восстановителя и кислорода установлена в одной плоскости с вертикальной осью циклона 1, а шаг между соседними фурмами переменный и составляет величину l/l', где l', м,- ширина желоба в сечении, где установлена предыдущая фурма.

Свод 19 и боковые стенки 15 и 18 зоны восстановления 4 выполнены из водоохлаждаемых панелей, причем свод имеет плоскую форму. Это обеспечивает снижение тепловых потерь и упрощает конструкцию.

Зона рафинирования 5 заканчивается опускным коленом 22 и выпускным отверстием 25, снабженным шиберным затвором 24. Опускное колено 22 имеет форму цилиндра с отношением диаметра к высоте 1:3 для всплытия шлаковых частиц и неметаллических включений. На вертикальной оси опускного колена 22 в своде 25 зоны рафинирования 5 установлена фурма 26 для подачи шлакообразующих и легирующих элементов, а в подине 27 опускного колена 22-пористая пробка 28 для подачи кислорода и аргона.

Осуществление способа прямого восстановления железа из его окислов и получение стали в агрегате происходит следующим образом.

В качестве шихты для плавления в циклоне 1 может быть использовано железорудное сырье, а также отходы металлургического производства: пыль газоочисток, шламы, окалина. Использование такого железосодержащего сырья позволяет уменьшить воздействие металлургического производства на окружающую среду, а выполнение газоотводящей части 9 циклона 1 в виде трубы Вентури с отношением большего диаметра к меньшему D/d равным 2, позволяет довести до минимума вынос шихтовых материалов в окружающую среду.

Такое соотношение диаметров выбрано с тем, чтобы при сохранении момента импульса вращающегося потока повысить орбитальную скорость пылевых частиц, обеспечивая их надежный контакт с поверхностью циклона и последующее расплавление.

Циклон отапливается газами, подводимыми через окно 13 и сопла 12 из зон рафинирования 5 и восстановления 4. Газы из зоны восстановления 4 содержат до 75% CO и 25% H₂, имеют температуру около 1600^oC.

Физическое и химическое тепло этих газов используется в циклоне 1. Площадь сечения окна 13 и сопл 12 выполнена большей, чем площадь отверстия для выпуска расплава 8, на 20% чтобы исключить просос газов через отверстие 8. Дожигание восстановленных газов ступенчатое. В нижний ярус сопел 11 подают 50% шихтовых материалов и 75% окислителя. Остальное подают через верхний ярус сопл 10. Расстояние ярусов от дна циклона 0,5 и 0,75 H и тангенциальный подвод в одну сторону газов и шихты с окислителем обеспечивают необходимую крутку потоков, угловые скорости, обеспечивающие плавление шихты на гарнисажной футеровке 7 охлаждаемых стенок 6 циклона.

Дополнительная крутка газов осуществляется за счет кинетической энергии вдуваемого в нижний ярус фурм кислорода, несущего порошкообразную шихту. Расстояние 0,5 H выбрано из условия сепарации частиц шихты на поверхность футеровки, их прогрева и расплавления до момента контакта с восстановительными газами. В этот ярус подается до 75% кислорода от необходимого количества для полного дожигания восстановительных газов, что обеспечивает расплавление всей массы шихты за счет тепла дожигания.

В верхний ярус подается 50% шихты, но в токе кислорода, составляющего 25% от необходимого для дожигания восстановительных газов. Этого тепла недостаточно для расплавления шихты, но высокая концентрация порошка в кислороде обеспечивает снижение температуры отходящих газов до 1300 - 1350^oС и предварительный подогрев шихты перед контактом с газами на уровне первого яруса. Расстояние между двумя ярусами в 0,25 H выбрано с целью обеспечения не менее 2 витков движения порошкообразной шихты. Дополнительная крутка потока дымовых газов за счет горелок обоих ярусов обеспечивает сепарацию частиц шихты на футеровку циклона и их движение вниз за счет центробежной силы и силы тяжести.

Расплав по стенкам циклона стекает на дно и через отверстие 8 попадает в восстановительную зону 4 проточного желоба 2. По всей длине зоны 4 в расплав вводят восстановитель, например, молотый уголь, или природный газ в токе кислорода. Часть восстановителя сгорает и обеспечивает подвод тепла в зонд реакции восстановления, которая протекает с поглощением тепла. Оставшаяся часть вступает в реакцию с FeO. Происходит восстановление железа и расплав разделяется на металл и шлак. Поскольку желоб 2, проточный металл и шлак движутся спутно к разделительной стенке 3.

По ходу движения расплава уменьшают интенсивность подвода восстановителя и кислорода, так как по ходу движения уменьшается содержание FeO в расплаве. Фурмы 20 и 21 для ввода восстановителя и кислорода расположены с шагом l/l' м, где l' ширина желоба в сечении, где установлена предыдущая фурма. Четные фурмы 21 вводят через свод, а нечетные 20 попеременно в заднюю 15 и переднюю 18 стенки восстановительной зоны 4 желоба 2. Такое расположение фурм обеспечивает обработку восстановителем всей массы расплава.

Из эксперимента установлено, что при продувке с границы раздела металл - шлак при любой интенсивности диаметр зоны продувки не превышает 400 600 мм. Поэтому ширина желоба, выбирается не более 1000 1200 мм и зоны продувки не контактируют между собою. Снижение содержания FeO происходит ступенчато, без науглероживания металла. Такое ступенчатое восстановление позволяет получить низкоуглеродистый расплав железа при низком содержании FeO в шлаке.

Шлак зоны восстановления 4 постоянно удаляется с поверхности через летку 16, а металл через зазор между шлакоразделительной перегородкой 5 и подиной 14 перетекает в зону рафинирования 5. Подина 14 желоба 2 имеет в зоне восстановления 4 уклон к циклону 1, что обеспечивает постоянный слой металла на подине, а удаляется в зону рафинирования лишь поверхностный слой толщиной 50. 100 мм. Желоб 2 в плане имеет форму трапеции с большим основанием L у циклона и меньшим у опускного колена, причем отношение l/L составляет 0,8. Это обусловлено тем, что по мере восстановления FeO количество расплава уменьшается и для сохранения линейной скорости движения расплава живое сечение необходимо уменьшить. Длина желоба составляет 10 L для обеспечения количества продувочных фурм не менее 6.

Шлакоразделительная перегородка 3 делит желоб на восстановительную и рафинировочную зону в отношении 4 1 с тем, чтобы в зоне рафинирования происходила ламинаризация потока и разделение расплава металла от первичного шлака. Такая длина зоны рафинирования обеспечивает обработку металла наводимым в этой зоне синтетическим шлаком, движущимся встречно металлу.

Через зазор h между шлакоразделительной перегородкой 3 и подиной 14 низкоуглеродистый расплав перетекает в зонд рафинирования 5, которая заканчивается опускным коленом 22, выполняющим роль отстойника. На вертикальной оси опускного колена 22 в своде 25 установлена фурма 26, с помощью которой можно вводить кислород для обезуглероживания металла, легирующие и шлакообразующие материалы. Шлак формируется в зоне рафинирования и выпускается с поверхности через летку 17, двигаясь навстречу металлу. В подине 27 опускного колена 22 установлена пористая пробка 28, через которую вводится аргонокислородная смесь, способствующая перемешиванию металла, усреднению химического состава и температуры, удалению неметаллических включений. После доведения химсостава и температуры металла до заданных значений металл выпускают через летку 23, снабженную шиберным затвором 24.

Экономическая эффективность использования агрегата прямого восстановления определяется видом используемого сырья. При использовании рудных материалов себестоимость стали снижается на 20 25% по сравнению с себестоимостью конвертерной или мартеновской стали. При использовании в качестве шихты шламов, пыли, окалины себестоимость снижается в два раза. Использование в процессе иных отходов производства (отсев угля, кокса, пыли известково-обжигательных цехов) себестоимость стали снижается больше.

Использование агрегата для прямого производства стали в составе минизаводов резко снижает объем капитальных вложений, и обеспечивает экологическую безопасность региона.

Источники информации
1. В.А. Роменец. Процесс жидкофазного восстановления железа: разработка и реализация. Сталь, N 8, 1990 г. стр. 20 27.

2. Г. Эльфандер, Г. Омберг. Производство чугуна по способу Инред айрон, Черные металлы, N 17, 1984 г. стр. 42 45.

Изобретение: способ прямого производства стали из железосодержащего сырья и агрегат для его осуществления относится к области металлургии, а именно к процессам жидкофазного восстановления железа из его окислов, и может быть использовано для получения стали в бездоменном процессе. Сущность способа заключается в том, что после расплавления железосодержащего сырья в циклоне восстановление железа проводят путем вдувания восстановителя в поверхностный слой металла, движущийся по проточному желобу спутно с восстанавливаемым расплавом и осуществляют непрерывно выпуск шлака с его поверхности через летку перед шлакоразделительной перегородкой, заглубленной в металл с зазором от подины для прохода металла в зону рафинирования, где формируют шлак вдуванием порошкообразных материалов и организуют встречное движение шлака пограничному слою металла, а шлак удаляют через летку. Отходящие газы из проточного желоба направляют в циклон и используют для предварительного восстановления окислов железа и плавления путем ступенчатого дожигания кислородом, несущим порошкообразную шихтовую смесь железосодержащих материалов и извести. По ходу движения расплава по проточному желобу снижают интенсивность ввода восстановителя и тепла на проведение эндотермических реакций. Агрегат включает в себя глуходонный циклон с газоотводящей частью в виде трубы Вентури и отверстием в дне для выпуска расплава, над которым в боковых стенках расположены сопла для ввода отходящих газов из проточного желоба, а на расстояниях 0,5 и 0,75 высоты циклона от его дна расположены два яруса сопл для ввода порошкообразной шихты в токе окислителя, причем все сопла установлены тангенциально к боковой стенке циклона и в одну сторону, а зоны восстановления и рафинирования выполнены в общем проточном желобе, разделенном шлакоразделительной перегородкой с зазором 50... 100 мм от подины для прохода металла. В зоне восстановления установлены фурмы для вдувания восстановителя на уровне нижнего среза шлакоразделительной перегородки. Зона рафинирования заканчивается опускным коленом, на вертикальной оси которого в своде установлена фурма для подачи шлакообразующих и легирующих материалов, а в подине - пористая пробка для вдувания аргонокислородной смеси. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ переработки железосодержащего материала, включающий его предварительное восстановление и расплавление в циклоне, окончательное восстановление из расплава за счет вдувания твердого восстановителя, раздельный выпуск шлака и металла, отвод отходящего газа, его ступенчатое дожигание посредством кислородсодержащего газа и подачу в зону предварительного восстановления циклона, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют рафинирование восстановленного металла в зоне, которую отделяют от зоны окончательного восстановления шлакоразделительной перегородкой, частично заглубленной в металл, при этом вдувание восстановителя в зоне окончательного восстановления осуществляют в поверхностный слой металла по всей длине зоны восстановления до шлакоразделительной перегородки, а в зону рафинирования вдувают порошкообразные шлакообразующие и легирующие материалы, организуя в зоне рафинирования встречное движение шлака и металла за счет непрерывного выпуска шлака из зон восстановления и рафинирования через летки, расположенные по обе стороны от шлакоразделительной перегородки, причем ступенчатое дожигание осуществляют в циклоне путем подачи кислородсодержащего газа в два яруса совместно с железосодержащим сырьем и известью в порошкообразном виде. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность подачи восстановителя снижают по ходу движения расплава. 3. Агрегат для переработки железосодержащего материала, содержащий камеру предварительного восстановления и расплавления в виде циклона с газоотводящей верхней частью, отверстием для выпуска расплава в нижней части и средством для загрузки шихтовых материалов, расположенную под циклоном камеру окончательного восстановления, оборудованную фурмами для вдувания восстановителя и летками для выпуска шлака и металла, и газоход отходящего газа, соединяющий газовое пространство камеры окончательного восстановления с рабочим объемом циклона, отличающийся тем, что агрегат снабжен камерой рафинирования, расположенной с камерой окончательного восстановления в одном корпусе, выполненной в виде проточного желоба со сводом и отделенной от нее шлакоразделительной перегородкой, установленной на расстоянии 50 100 мм от подины желоба, выполненной в зоне рафинирования горизонтальной, а в зоне окончательного восстановления с уклоном в сторону циклона, газоотводящая часть которого выполнена в виде трубы Вентури, причем фурмы для вдувания топлива в зону окончательного восстановления установлены в своде и в боковых стенках на уровне нижнего среза шлакоразделительной перегородки, по обе стороны от которой расположены летки для выпуска шлака, а зона рафинирования выполнена с опускным коленом, оборудована фурмой для подачи шлакообразующих и легирующих материалов и пористой пробкой для вдувания аргонокислородной смеси, расположенными соответственно в своде и подине желоба на вертикальной оси колена, при этом в боковой стенке циклона выполнены сопла, тангенциально расположенные над отверстием для выпуска расплава и соединенные с газоходом отходящего газа, а средства для загрузки шихтовых материалов выполнены в виде тангенциально направляемых в ту же сторону кислородных сопл, расположенных в два яруса на расстоянии 0,5 и 0,75 высоты циклона от отверстия для выпуска расплава. 4. Агрегат по п.3, отличающийся тем, что проточный желоб имеет в плане форму трапеции с большим основанием в зоне установки циклона с соотношением большего основания и меньшего и соотношением длины и большего основания 1 0,8 и 10 1 соответственно, а соотношение длины камеры окончательного восстановления и длины камеры рафинирования равно 4 1. 5. Агрегат по п.3, отличающийся тем, что отношение внутреннего диаметра циклона к диаметру выходного отверстия газоотводящей части равно 2. 6. Агрегат по п. 3 или 4, отличающийся тем, что свод и боковые стенки камеры окончательного восстановления выполнены из водоохлаждаемых панелей, при этом свод выполнен плоским. 7. Агрегат по п.3, отличающийся тем, что первая по ходу движения фурма для вдувания восстановителя установлена в одной плоскости с вертикальной осью циклона, а шаг между соседними фурмами равен ширине желоба в сечении, где установлена предыдущая фурма. 8. Агрегат по п.3 или 7, отличающийся тем, что четные фурмы ввода восстановителя расположены в своде желоба, а нечетные расположены попеременно с задней и передней стенками желоба.