СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА ИЗ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА Российский патент 1999 года по МПК C21B11/00 

Изобретение относится к способу изготовления чугуна, в частности, чушкового чугуна из соединения железа путем двухстадийного процесса, включающего сначала предварительное восстановление соединений железа в первой камере с вертикальной осью и цилиндрической цепью (вращательно- симметричной), и затем дополнительное восстановление соединений железа во второй камере, расположенной под первой камерой. Во второй камере осуществляется дополнительное восстановление соединений железа подаваемого во вторую камеру топливом и кислородом для образования восстановительного газа, который проходит вверх в первую камеру для осуществления в ней предварительного восстановления. Кислород подается для поддержания горения в восстановительном газе в первой камере с тем, чтобы соединения железа, по крайней мере, частично расплавлялись и проходили вниз во вторую камеру. Изобретение также относится к устройству для осуществления этого способа.

Способ и устройство этого типа известны из патента 257,692 (который соответствует патенту FP-A-1314435), а также из статьи в журнале Times International GB, 1993, N 2, стр. 24. Первоначально известная верхняя камера выполнена в виде плавильного циклона или циклона предварительного восстановления. Также известен другой двухстадийный процесс предварительного восстановления соединений железа, например процесс в реакторе с кипящим слоем. Однако в этом процессе предварительно восстановленные соединения железа из кипящего слоя вводятся в твердом состоянии в металлургический сосуд, так называемый плавильный реактор. Это предъявляет высокие требования к последующему горению (пост-горению) реакционных газов в плавильном реакторе, необходимому для обеспечения необходимого тепла в плавильном реакторе. Плавление только частично происходит за счет этого тепла, высвобождаемого над расплавом. В процессе типа настоящего изобретения, однако, пост-горение происходит в первой камере и тепло, высвобождаемое в этом процессе, передается непосредственно соединениям железа.

Авторы изобретения изучили этот тип процесса и по новому и более глубоко поняли эту технологию.

Целью или задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного и легко практически осуществляемого способа и устройства для производства чугуна из соединений железа и, в частности, для предварительного восстановления соединений железа в плавильном циклоне.

Согласно изобретению создан способ производства чугуна из соединений железа, включающий две стадии:
a) предварительное восстановление соединений железа в первой камере, имеющей стенку, которая, по существу, симметрична при вращении вокруг оси,
b) дальнейшее восстановление соединений железа во второй камере под первой камерой топливом и кислородом, подаваемыми во вторую камеру для того, чтобы в ней образовался восстановительный газ, который проходит вверх в первую камеру для осуществления предварительного восстановления, при этом упомянутые соединения железа и кислород вводят в первую камеру для того, чтобы кислород поддерживал горение в упомянутой первой камере, действуя так, что соединения железа в первой камере, по крайней мере, частично расплавляются и затем стекают вниз по упомянутой стенке упомянутой первой камеры в направлении упомянутой второй камеры.

Этот процесс отличается тем, что
(i) соединения железа вводят в первую камеру в форме частиц посредством газа-носителя, который обеспечивает создание одной или более струй соединений железа в первой камере,
(ii) кислород вводят в первую камеру, по крайней мере, частично, в виде одной или более струй раздельно от струи или струй соединений железа
(iii) скорость введения кислорода в его струе или в струях больше, чем скорость введения соединений железа,
(iv) направление струи или струй кислорода имеет тангенциальную составляющую, так что восстановительный газ приобретает вращательное движение вокруг оси первой камеры, и
(v) скорость введения соединений железа такова, что упомянутые частицы соединений железа достигают стенки первой камеры в по крайней мере частично расплавленном состоянии.

Сочетание этих мер имеет важное значение для способа. Соединение железа и кислород должен вводится раздельно в первую камеру для того, чтобы они обладали отличающимися скоростями. Скорость введения кислорода, предпочтительнее, составляет, по крайней мере, 50 м/сек, и более предпочтительно, по крайней мере, 100 м/сек. В противоположность этому, скорость соединений железа, предпочтительнее, находится в диапазоне от 50 до 40 м/сек. При более низкой скорости соединений железа большая часть соединений железа может достигнуть стенки первой камеры, тогда как при более высокой скорости соединений железа срок службы стенки может быть слишком коротким. Однако, скорость кислорода должна быть выше и иметь тангенциальную составляющую для того, чтобы привести восстановительный газ во вращательное движение за счет передачи количества движения. Это вращательное движение не имеет одинакового значения для всех частиц соединений железа. Частицы большого и самого большого размера достигают стенки первой камеры просто под действием их собственного веса. Однако частицы меньшего размера и самые маленькие частицы имеют тенденцию выносится восстановительным газом в восходящем осевом направлении. Вращательное движение в газе за счет центробежных сил отрабатывает эти частицы, так что они удерживаются в первой камере. Это гарантирует, что соединения железа будут захватываться более эффективно.

Для того, чтобы этот процесс осуществлялся в оптимальном режиме, и соединения железа и кислорода, предпочтительнее, вводят в первую камеру в виде множества струй, предпочтительнее, распределенных по высоте первой камеры. Это гарантирует интенсивное использование объема первой камеры.

Кроме того, предпочтительнее, чтобы струи соединений железа и струи кислорода были вынуждены близко скрещиваться или пересекать одна другую в первой камере с тем, чтобы в точке скрещивания или пересечения струй находилась точка перегрева в горении восстановительного газа для струи соединений железа, в которой теплота сгорания передается, по крайней мере части соединений железа, так что соединения железа, по крайней мере частично, расплавляются. Это усиливает предварительное восстановление соединений железа и за счет химического восстановления, и, возможно, также за счет термического разложения.

Значение аксиальной или осевой скорости восстановительного газа при его восходящем проходе через первую камеру, предпочтительнее, составляет, по крайней мере, 5 м/сек. Давление (абсолютное давление) в первой камере, предпочтительнее, находится в диапазоне 1 - 6 бар (0,1 - 0,6 МПа). Это интенсифицирует процесс в первой камере. Предпочтительнее не подавать в первую камеру избыточного топлива. Установлено, что несмотря на то, что избыточное топливо, подаваемое в первую камеру в дополнение к восстановительному газу, сгорает в первой камере, степень сгорания технологического газа из второй камеры имеет тенденцию к падению (снижению). Поэтому при балансе избыток топлива не приносит ни какой выгоды или пользы в процессе предварительного восстановления.

Соединение железа, предпочтительнее, имеют средний размер зерна в диаметре от 0,05 до 5 мм. Это создает преимущество в том, что может быть использован природный рудный концентрат, добываемый в шахтах, а не отдельная фракция концентрата.

Газом-носителем для соединений железа, предпочтительнее, является кислород. Это усиливает процесс предварительного восстановления.

Предпочтительнее вводить соединения железа на самый низкий уровень в первой камере, например, так, чтобы большая часть соединений железа вводилась в нижнюю половину первой камеры, чем в верхнюю половину. Это поддерживает высокую эффективность захвата или улавливания.

Изобретение также предусматривает устройство для производства чугуна, в частности, используемое для осуществления описанного выше способа, содержащего
(i) первую камеру, имеющую стенку, которая, по существу, симметрична при вращении вокруг вертикальной оси,
(ii) средства подачи соединений железа и кислорода в первую камеру,
(iii) разгрузочный трубопровод для вывода технологических газов из первой камеры,
(iv) вторую камеру, расположенную под первой камерой и находящуюся в открытом соединении с ней для восходящего потока технологических газов в первую камеру и нисходящего прохода расплава соединений железа со стенки первой камеры во вторую камеру,
(v) средство подачи топлива во вторую камеру.

Это устройство отличается тем, что средство подачи соединений железа и кислорода в первую камеру содержит множество первых сопел для обеспечения создания струй соединений железа в форме частиц, взвешенных в газе-носителе, и множество вторых сопел для обеспечения соединения струй кислорода отдельно от упомянутых струй соединений железа, при этом первые и вторые сопла расположены в упомянутой первой камере и по крайней мере одно из вторых сопел создает стадию кислорода, имеющую тангенциальную составляющую относительно оси первой камеры.

Такая конструкция гарантирует высокое использование первой камеры.

Предпочтительнее, первая камера является, по существу, цилиндрической с соотношением высоты к диаметру, по крайней мере, равным 1, и более предпочтительно, по крайней мере, равным 2. Установлено, что, особенно, когда аксиальная скорость восстановительного газа в первой камере высокая, большее отношение высоты к диаметру ведет к лучшей эффективности улавливания.

Предпочтительнее, первые сопла для всех соединений железа расположены в стенке первой камеры на различных высотах. На каждом уровне высоты предпочтительнее, имеется группа, включающая два сопла, которые расположены в диаметрально противоположных местах стенки первой камеры и создают струи, направление которых, по существу, горизонтальное имеет такое же направление вращения относительно оси первой камеры, и расположены по касательной к воображаемому кругу с диаметром в диапазоне от 0,25 до 0,75 диаметра первой камеры. Следовательно, первые сопла могут быть расположены вдоль множества воображаемых винтовых линий на стенке первой камеры. Первые сопла каждой группы, предпочтительнее, расположены по кругу в шахматном порядке вокруг оси со сдвигом на 120^o относительно первых сопел каждой соседней группы.

Такая схема расположения сопел для соединений железа означает, что в первую камеру может быть введено большое количество соединений железа, при этом струи не интерферируют, в результате обеспечивается предварительное восстановление с высоким выходом продукции.

Предпочтительнее, вторые сопла для подачи кислорода аналогичным образом расположены на различных высотах в стенке первой камеры. Вторые сопла, предпочтительнее, расположены в группах на множестве уровней высот и соответственно связаны с вышеупомянутыми группами первых сопел, при этом каждая группа вторых сопел расположена в стенке первой камеры на том же уровне высоты или несколько ниже, чем связанная или ассоциированная группа первых сопел. Аналогичным образом, каждая группа вторых сопел, предпочтительнее, включает два вторых сопла, которые расположены в диаметрально противоположных местах стенки первой камеры и создают струи, направления которых, по существу, горизонтальные и имеют то же самое направление вращения относительно оси первой камеры, и расположены по касательной к воображаемой окружности, имеющей диаметр в диапазоне от 0,25 до 0,75 диаметра первой камеры.

Воображаемая окружность для вторых сопел, предпочтительнее, меньше, чем воображаемая окружность для первых сопел.

Согласовывая схему подачи кислорода со схемой подачи соединений железа таким образом, обеспечивают хорошую передачу тепла соединениям железа, хорошую степень предварительного восстановления и хорошую эффективность улавливания.

Выпуск технологического газа осуществляется, предпочтительнее, через выпускной трубопровод, по существу, коаксиальный с первой камерой. Это предотвращает образование пробок.

Первая и вторая камеры, предпочтительнее, по существу, коаксиальны друг другу. Это делает простой инструкцию установки.

В качестве соединений железа могут быть использованы обычные железорудные концентраты в форме частиц. Могут быть добавлены другие железорудные материалы, как, например, пыли, получаемые при производстве стали.

Далее посредством неограничивающего примера будет описан вариант изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематически изображает устройство согласно изобретению для производства чушкового чугуна, с плавильным циклоном.

Фиг. 2 более детально изображает плавильный циклон фиг. 1.

Фиг. 3 является схематическим поперечным сечением III - III^I фиг. 2 плавильного циклона фиг. 2.

Фиг. 4 является схематическим поперечным сечением VI - IV^I фиг. 2.

Фиг. 5 является схематичным поперечным сечением V - V^I фиг. 2.

Фиг. 6 изображает опытное устройство с плавильным циклоном, в котором испытывалась работа плавильного циклона в процессе, имитирующем настоящее изобретение.

В плавильном циклоне 1 фиг. 1 соединения железа вводят через сопла 2 в форме частиц, взвешенных в кислороде, как в газе-носителе. Соединения железа предварительно восстанавливаются в плавильном циклоне 1 и стекают вниз по стенке 3 плавильного циклона и опускаются в нижний металлургический сосуд 4, который, например, является конвертером. В этот сосуд 4 кислород подают посредством копья 5, а топливо, например уголь, подают через отверстие 6, и соединения железа затем восстанавливаются в чушковой чугун, который вытекает через отверстие 7 вместе с образующимся шлаком. В процессе дальнейшего восстановления соединений железа в металлургическом сосуде 4 образуется горячий газ, содержащий CO (и H₂), который проходит в плавильный циклон 1. В плавильном циклоне при подаче через сопла 8 кислорода происходит горение, в результате которого предварительно восстанавливаются соединения железа. Технологический газ затем выпускается через трубопровод 9 наверху плавильного циклона. Небольшая часть соединений железа неизбежно вытеснится вместе с газом. На фиг. 1 также показана возможность перемешивания расплава у дна металлургического сосуда 4 за счет донного барботирования посредством введения инертного газа, как, например, аргона, через отверстия 10 в днище сосуда.

На фиг. 2 показано, что плавильный циклон имеет отношение высоты к диаметру более 2. Плавильный циклон имеет круглую цилиндрическую камеру, ориентированную вертикально и коаксиальную металлургическому сосуду 4. Плавильный циклон имеет коаксиальный выход 11, образующий выпускной трубопровод 9, водоохлаждаемый корпус 12 и внутреннюю огнеупорную футеровку 13. Металлургический сосуд 4 также имеет огнеупорную футеровку 14. Охлаждающую воду для плавильного циклона подают и выпускают посредством сопел 15 и 16. Плавильный циклон, как считается, должен быть разделен на секции, из которых секции 17, 18 и 19 имеют сопла для подачи соединений железа и кислорода.

Первые сопла 20 для подачи соединений железа расположены в стенке плавильного циклона в секции 17 в плоскости III, как показано на фиг. 3. В плоскости III^I, расположенной несколько ниже, расположены вторые сопла 21 для подачи кислорода, размещенные в стенке плавильного циклона, как показано на фиг. 3. Под плоскостью III - III^I в плоскостях IV - IV^I и V - V^I соответственно расположены сопла 20 и 21 для подачи соединений железа и кислорода, как показано на фигурах 4 и 5, соответственно. Схема расположения впускных сопел для соединений железа и кислорода в секциях 18 и 19 идентична схеме расположения сопел в секции 17.

На фиг. 3 показано, что два первых сопла 20 для подачи соединений железа, также обозначающих группу, расположены в диаметрально противоположных позициях в стенке и направлены в направлениях, которые имеют тангенциальные направляющие и имеют то же самое направление вращения и оба по касательной к воображаемому круглому цилиндру 22, коаксиальному плавильному циклону. Эта схема расположения повторяется на фигурах 4 и 5, при этом понятно, что сопла фигур 4 и 5 расположены в шахматном порядке через 120^o вокруг оси относительно сопел следующего уровня, находящегося выше или ниже. Таким образом, первые сопла для подачи соединений железа могут, как это видно, располагаться по спирали или винтовой линии вверх по стенке плавильного циклона.

Схема расположения вторых сопел 21 для подачи кислорода соответствует вышеупомянутой схеме. Однако, сопла 21 расположены несколько ниже, чем сопла 20, поскольку кислород является веществом с большей подъемной силой, чем соединения железа благодаря аксиальной скорости восстановительного газа в плавильном циклоне. Сопла 21 аналогичным образом направлены в направлении по касательной к воображаемому коаксиальному круглому цилиндру 23, однако, больше, чем воображаемый круглый цилиндр 22.

Струя соединений железа 24, выходящая из сопла 20, и струя кислорода 25, выходящая из сопла 21, скрещиваются или пересекают одна другую в точке 26, где кислород вынуждает гореть восстановительный газ для того, чтобы теплота сгорания передавалась соединениям железа, при этом соединения железа предварительно восстанавливаются и расплавляются по крайней мере частично прежде, чем они достигают стенки сосуда.

Пример испытаний
Опытное устройство фиг. 6 содержит плавильный циклон 1, описанный выше, камеру сгорания 27 и коллекторную емкость 28 для восстановительных соединений железа 29. В этой опытной схеме расположения нет второго металлургического сосуда 4, который используется для имитации двухстадийного восстановительного процесса по изобретению. В камере сгорания 27 природный газ и кислород вводят через отверстия 3, при этом они сгорают с образованием восстановительного газа с температурой примерно 1500^oC, состав которого сравним с составом газа, производимого во втором металлургическом сосуде в реальном процессе. В плавильный циклон соединения железа и кислорода вводят через сопла 2 и 8. Запыленный отходящий газ выпускается по стрелке 31, отходящий газ сжигается в камере сгорания 32, затем охлаждается водой в охладителе 33 и выпускается в газовый скруббер по стрелке 34.

Опытная схема расположения фиг. 3 использовалась для испытания работы плавильного циклона согласно фиг. 2. Размеры плавильного циклона были 2000 мм - чистый внутренний диаметр и 4000 мм - высота. Аксиальная скорость восстановительного газа в плавильном циклоне была 5 м/сек. Железорудный концентрат Carol Lake с содержанием железа 66% вес. и размером частиц порядка 50 - 500 μm подают со скоростью 10 м/сек, кислород со скоростью в диапазоне от 100 до 200 м/сек. Степень восстановления определялась как

и составляла от 10 до 30%.

Эффективность улавливания определялась как

и составляла от 90 до 95%.

Производительность плавильного циклона составляла приблизительно 20 т/час.

Сущность: в способе предусмотрена первая стадия предварительного восстановления соединений железа в первой камере, имеющей симметричную при вращении стенку, и вторую стадию дальнейшего восстановления соединений железа во второй камере, находящейся под первой камерой, подаваемыми во вторую камеру топливом и кислородом. Восстановительный газ проходит вверх в первую камеру для осуществления в ней предварительного восстановления. Кислород подают в первую камеру. Соединения железа в первой камере, по крайней мере, частично расплавляются и затем стекают вниз по стенке в направлении упомянутой второй камеры. Соединения железа вводят в первую камеру в форме частиц посредством газа-носителя, который создает одну или более струй. Кислород подают в первую камеру, по крайней мере, частично, в форме одной или более струй, имеющих тангенциальную составляющую. Скорость введения кислорода больше, чем скорость введения соединений железа в его струях, при этом скорость введения соединений железа такова, что частицы достигают стенки первой камеры в, по крайней мере, частично расплавленном состоянии. Преимуществом способа и устройства является его легкая осуществимость. 2 с. и 23 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ производства чугуна из соединений железа, включающий предварительное восстановление в первой камере со стенкой, по существу симметричной при вращении вокруг ее оси, и окончательное восстановление во второй камере при подаче топлива и кислорода с одновременным образованием восстановительного газа, подаваемого в первую камеру для предварительного восстановления, которое осуществляют при подводе соединений железа и кислорода в виде одной или нескольких струй, обеспечивающих поддержание горения, придание вращательного движения восстановительному газу, по крайней мере, частичное расплавление соединений железа, достижение расплавленного материала стенки первой камеры и стекание его вниз по стенке во вторую камеру, отличающийся тем, что соединения железа вводят в первую камеру посредством газа-носителя отдельно от струй кислорода со скоростью, обеспечивающей их достижение в расплавленном состоянии стенки первой камеры, при этом скорость введения кислорода в струе или струях больше скорости введения соединений железа в его струе или струях. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соединения железа и кислорода подают посредством множества струй. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что струю соединений железа и струю кислорода направляют так, что они проходят близко друг от друга или они пересекают друг друга в точке первой камеры для формирования в точке горения кислорода и восстановительного газа точки перегрева соединений железа, в которой они частично расплавляются. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что восстановительный газ имеет аксиальную скорость при прохождении через первую камеру, равную, по крайней мере, 5 м/с. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что давление в первой камере поддерживают в диапазоне от 1 до 6 бар (0,1 - 0,6 МПа). 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в первую камеру подают дополнительное топливо. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что скорость введения кислорода в первую камеру поддерживают, по крайней мере, 50 м/с. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что скорость введения кислорода в первую камеру поддерживают, по крайней мере, 100 м/с. 9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что скорость введения соединений железа в первую камеру поддерживают в диапазоне 5 - 40 м/с. 10. Способ по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что частицы соединений железа имеют средний размер в диапазоне 0,05 - 5 мм. 11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя для соединений железа используют кислород. 12. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что, по крайней мере, половину соединений железа вводят в нижнюю половину первой камеры. 13. Устройство для производства чугуна из соединений железа, содержащее первую камеру со стенкой, симметричной при вращении вокруг ее вертикальной оси, средствами для подачи соединений железа и кислорода в виде множества расположенных в стенке камеры сопел для создания струй и выпускным трубопроводом для выпуска из нее технологических газов, а также расположенную под ней вторую камеру, оборудованную средствами для подачи кислорода и топлива и имеющую открытое соединение с первой камерой для восходящего потока технологического газа и нисходящего прохода расплава соединений железа из камеры в камеру, отличающееся тем, что средства для подачи соединений железа и кислорода выполнены в виде раздельных сопел, при этом средства для подачи соединений железа представляют собой сопла, обеспечивающие создание струй соединений железа в форме частиц, взвешенных в газе-носителе, а, по крайней мере, одно сопло для подачи кислорода расположено в направлении, имеющем тангенциальную составляющую относительно оси первой камеры. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что стенка первой камеры имеет по существу круглую цилиндрическую форму, при этом отношение ее высоты к диаметру, по крайней мере, равно 1. 15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что отношение высоты к диаметру равно, по крайней мере, 2. 16. Устройство по любому из пп.13 - 15, отличающееся тем, что сопла для подачи соединений железа расположены на различных уровнях высоты первой камеры. 17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что на каждом уровне высоты первой камеры сопла для подачи соединений железа расположены группами, включающими по два сопла для подачи соединений железа, расположенных диаметрально противоположно на ее стенках и обеспечивающих создание струй, направленных с разных сторон точно под прямым углом к оси камеры и тангенциально к воображаемой окружности, имеющей диаметр в пределах 0,25 - 0,75 диаметра первой камеры. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что сопла для подачи соединений железа расположены вдоль множества воображаемых винтовых линий на стенке первой камеры. 19. Устройство по п.17 или 18, отличающееся тем, что сопла для подачи соединений железа каждой группы расположены по окружности в шахматном порядке со сдвигом на 120^o относительно сопел для подачи соединений железа соседней группы. 20. Устройство по любому из пп.13 - 19, отличающееся тем, что сопла для подачи кислорода распределены на множестве различных уровней на высоте первой камеры. 21. Устройство по любому из пп.17 - 19, отличающееся тем, что сопла для подачи кислорода расположены группами на множестве различных уровней по высоте первой камеры и соответственно связаны с группой сопел для подачи соединений железа, при этом каждая группа сопел для подачи кислорода расположена в стенке первой камеры на тех же уровнях или ниже, чем связанная с ними группа сопел для соединений железа. 22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что каждая группа сопел для подачи кислорода включает по два сопла, расположенных диаметрально противоположно на стенке первой камеры и обеспечивающих создание струй кислорода, направленных с разных сторон точно под прямым углом к оси первой камеры и тангенциально к воображаемой окружности, имеющей диаметр 0,25 - 0,75 диаметра первой камеры. 23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что воображаемая окружность для сопел для подачи кислорода меньше, чем воображаемая окружность для сопел для подачи соединений железа. 24. Устройство по любому из пп.13 - 23, отличающееся тем, что выпускной трубопровод первой камеры и сама камера по существу соосны друг другу. 25. Устройство по любому из пп.13 - 24, отличающееся тем, что первая и вторая камеры по существу соосны одна с другой.