СПОСОБ МОНТАЖА АГРЕГАТА ДЛЯ СПОСОБА ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРЕДЕЛЬНОГО ЧУГУНА, АГРЕГАТ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ, СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРЕДЕЛЬНОГО ЧУГУНА Российский патент 1999 года по МПК C21B11/00 

Изобретение относится к способу применения установки для производства передельного чугуна из окислов железа посредством процесса восстановительной плавки, в которой окислы железа восстанавливаются посредством угля и кислородсодержащего газа. Изобретение также относится к установке, полученной посредством способа, и к способу производства передельного чугуна, осуществляемого в этой установке.

В течение многих лет передельный чугун производили, используя известный процесс доменной плавки в доменной печи, в котором окислы железа в агломерированной форме, например, в спеченном виде или в виде окатышей, восстанавливаются, по существу, с помощью кокса и горячего дутья (воздуха). Доменная печь является металлургическим сосудом, образующим часть реальной доменной установки, включающей, например, бункеры для хранения железной руды и кокса, скиповый подъемник для подачи железной руды и кокса в доменную печь, воздухонагреватели, литейку со средствами выпуска чугуна и шлака, газоотводящую систему доменной печи с пылеотделением и водоохлаждающую систему для охлаждения огнеупорной футеровки доменной печи. Кокс готовят на коксовальной установке из угля путем сухой перегонки при температуре приблизительно 1000^oC. Она обеспечивает выделение летучих компонентов из угля и производит кокс, который имеет прочную пористую структуру в доменной печи. Производство кокса является дорогостоящим и вредным для окружающей среды.

Современная доменная печь обычно имеет диаметр горна от 12 до 14 м, производительность от 3 до 4 миллионов тонн чушкового чугуна в год, и строительство новой печи требует капитальных вложений приблизительно 600 миллионов американских долларов.

В течение рабочей компании доменная печь работает непрерывно, при этом рабочая компания для доменной печи с современной огнеупорной футеровкой может продолжаться более 10 лет, и ее окончание определяется необходимостью замены огнеупорной футеровки. В конце рабочего периода доменная печь останавливается и ремонтируется (перефутеровывается).

В разных местах мира в течение нескольких десятилетий продолжается работа по разработке альтернативных процессов производства передельного чугуна путем восстановительной плавки, при которой окислы восстанавливаются, по существу, углем и кислородом или кислородсодержащим газом. В специальной литературе эти процессы известны под названием (фабричными марками) AISI Direct Ironmaking, CCF, Corex, DIOS и Hismelt. Преимуществом этих процессов является то, что при производстве передельного чугуна нет необходимости в коксе, и в некоторых процессах, а именно, CCF, DIOS и Hismelt исключен процесс подготовки руды аггломерацией (окатыванием). Процессы AISI Direct Ironmaking, CCF и DIOS являются так называемыми процессами восстановительной плавки в ванне шлакового расплава, в которых окончательное восстановление железной руды осуществляется в шлаковом слое, плавающем на поверхности жидкого чугуна. Процесс CCF описан в патентах EP-A-690136, EP-A-686703 и заявках на Европейский патент 96200246.5 и 96200774.6, которые вскоре будут опубликованы и на которые необходимо сослаться для больших подробностей. Hismelt является так называемым процессом восстановительной плавки в ванне расплава чугуна.

На сегодня только Corex процесс используется в промышленном масштабе. Однако этот процесс имеет высокое потребление угля и создает много газа.

Хотя при разработке других названных процессов были получены многообещающие результаты, на сегодняшний день нет прорыва вперед в промышленном применении, частично в связи с тем, что стоимость капитальных вложений в установки для этих процессов не намного меньше, чем для установки доменной печи, а также в связи с тем, что цена передельного чугуна не меньше, чем при получении передельного чугуна в доменной печи.

Экспериментальные работы на CCF процессе описаны в "Steel Time" (опубликованы на Украине), май 1993, стр. 220. В первой попытке при прямой плавке железной руды доменную печь трансформировали для проведения испытаний прямого восстановления с использованием угля вместо кокса, но железная руда использовалась в форме аггломерата. Для исключения необходимости аггломерации железной руды была сконструирована новая печь, известная как циклонная и конвекторная печь (CCF), имеющая реактор полного восстановления, по форме подобный конвертеру, как ее нижнюю часть, и циклонный реактор, установленный непосредственно над ним. Руда предварительно восстанавливается в циклонном реакторе посредством восстановительного технологического газа, образующегося в нижнем реакторе. В нижнем реакторе руда окончательно восстанавливается посредством угля и кислорода. Кислород обеспечивает дожигание газа в нижнем реакторе для получения тепла.

Как уже упоминалось выше, в патентах E-A-3608150 и E-A-3720648 также описаны процессы и реакторы для прямого восстановления окислов. В частности, в патенте E-A-3720648 предлагается адаптация доменной печи путем добавления апертур для инжектирования воздуха на двух уровнях.

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения установки, установки и способа производства передельного чугуна посредством восстановительной плавки с более низкими капитальными вложениями и более низкой стоимости передельного чугуна, чем получаемый в доменной печи.

Согласно одному аспекту изобретения предусмотрен способ получения установки для осуществления процесса восстановительной плавки для производства передельного чугуна, в котором окислы железа восстанавливаются посредством угля и кислородсодержащего газа, включающий этапы трансформирования существующей доменной печи в установку для процесса восстановительной плавки путем замены доменной печи в агрегате доменной печи устройством, включающим по крайней мере один металлургический реактор, пригодный для осуществления процесса восстановительной плавки, в то же время сохраняя по крайней мере, частично, по крайней мере один из следующих компонентов существующего агрегата доменной печи:
i) бункеры для хранения железной руды, подаваемой в металлургический реактор,
ii) бункеры для хранения кокса в качестве бункеров для хранения угля, подаваемого в металлургический реактор,
iii) литейную, имеющую средства для выпуска чугуна и шлака и пробивания летки металлургического реактора,
iv) газоотводящую систему для отвода горячего газа из доменной печи, включающую пылеотделительное средство, для регулирования выпуска газа из процесса восстановительной плавки, и
v) систему питания охлаждающей водой для металлургического реактора.

Любая комбинация двух или более вышеупомянутых компонентов существующего агрегата доменной печи может быть сохранена в новом агрегате.

Другой аспект настоящего изобретения предусматривает агрегат, полученный посредством вышеупомянутого способа изобретения.

Изобретение дополнительно включает способ производства передельного чугуна, использующий уголь и кислородсодержащий газ, в агрегате, полученном посредством вышеупомянутого способа изобретения.

Предпочтительнее, процесс восстановительной плавки изобретения является типом процесса, включающего процесс предварительного восстановления окислов железа, использующий восстановительный технологический газ, и процесс окончательного восстановления предварительно восстановленных окислов железа, в которых предварительно восстановленные окислы железа окончательно восстанавливаются в реакторе окончательного восстановления, главным образом с помощью угля и кислород, в котором образуется восстановительный технологический газ. Более предпочтительно, в реакторе окончательного восстановления, в котором происходит процесс окончательного восстановления, удельная производительность передельного чугуна на единицу площади поперечного сечения реактора окончательного восстановления находится в пределах 40-120 т/м²/24 час. Процессы AISI Direct Ironmakihg, CCF, DIOS и Hismelt пригодны для этого. Corex процесс имеет меньшую удельную производительность. Для этих процессов средняя скорость вертикального потока технологического газа через пустое внутреннее поперечное сечение реактора окончательного восстановления составляет, например, 1 - 5 м/сек. Предпочтительная удельная производительность передельного чугуна в реактор окончательного восстановления, который используется вместо доменной печи по крайней мере равна удельной производительности доменной печи относительно поперечного сечения горна и составляет более 60 т/м²/24 час. Процессы AISI Direct Ironmaking, CCF и DIOS также пригодны для этого. С точки зрения конструкции реактора окончательного восстановления Hismelt процесс наименее пригоден для использования вместо доменной печи.

Предпочтительнее, процесс предварительного восстановления окислов железа проводят в плавильном циклоне, в котором при подаче кислорода поддерживается сжигание в восстановительном технологическом газе (CCF процесс). CCF-процесс особенно пригоден вследствие компактности предварительного восстановления. Процессы DIOS и AISI Direct Ironmaking менее пригодны вследствие размеров и сложности их предварительного восстановления, которые, возможны, лечение приспособить к агрегату доменной печи.

Авторы пришли к удивительному выводу, что с точки зрения удельной производительности доменный процесс и процесс восстановительной правки в некоторой степени схожи, и что могут быть получены значительные преимущества посредством трансформирования установки доменной печи в установку восстановительной плавки. Трансформирование можно осуществить в конце рабочего периода доменной печи или раньше.

При в какой-то степени эквивалентной удельной производительности количества подаваемых железной руды и угля или кокса, и узлы установки для хранения и их подачи также являются сходными. Узлы для выпуска передельного чугуна, шлака и технологического газа также сходны.

При использовании настоящего изобретения можно достичь значительно более низкой, чем в доменном процессе цены за тонну чугуна до приблизительно 30 американских долларов за тонну, без кокса и с использованием некоторых процессов восстановительной плавки без окатышей для более низких капитальных вложений, которые сравнимы со стоимостью ремонта печи.

Предпочтительнее, давление в реакторе окончательного восстановления находится в пределах 1 - 5 атмосфер. Это давление выбирают, соответственно, в зависимости от необходимой удельной производительности. Таким образом, в некоторых случаях удельная производительность процесса плавки может быть получена фактически такой же, как и для доменной печи, так что оба процесса и установки фактически полностью схожи.

Предпочтительнее, радиальную удельную производительность передельного чугуна поддерживают более низкой, чем удельная производительность чушкового чугуна, имеющая самое низкое возможное потребление угля на тонну передельного чугуна, производимого в используемой установке, и фактическая скорость образования восстановительного технологического газа возрастает в сравнении со скоростью его образования, соответствующей этой удельной производительности передельного чугуна, имеющей самое низкое возможное потребление угля. Следовательно, фактическая удельная производительность передельного чугуна может быть ниже, чем удельная производительность передельного чугуна, имеющая наинизшее возможное потребление угля, на 0-30%, и фактическая скорость образования восстановительного технологического газа может быть выше, чем скорость его образования, соответствующая удельной производительности, имеющей наинизшее возможное потребление угля, на 0-30%.

Для доменной печи целью является достижение всеми возможными средствами как, например, пылеугольное инжектирование, наинизшего возможного потребления кокса, поскольку кокс является дорогостоящим сырьем. Однако минимальное количество, необходимое для доменного процесса, составляет 300 кг кокса на тонну чушковского чугуна. Для процесса восстановительной плавки и, в частности, для CCF-процесса, имеется возможность увеличить потребление угля, соответственно, до минимального потребления угля порядка 500-640 кг/т (газификация угля). Это снижает удельную производительность и увеличивает количество и энергосодержание технологического газа, выходящего из установки восстановительной плавки, при этом этот технологический газ может быть использован для генерирования энергии.

Как указано выше, металлургический реактор, который заменяет доменную печь, предпочтительно, содержит реактор окончательного восстановления и плавильный циклон непосредственно над реактором восстановительной плавки с открытым сообщением между ними.

Когда агрегат доменной печи включает стальные конструкции вокруг доменной печи, металлургический реактор, предпочтительнее, устанавливают внутри стальных конструкций, которые сохраняются. Если устройство для осуществления восстановительной плавки включает котел, в котором вода нагревается газом, выпускаемым из процесса восстановительной плавки, котел также может быть установлен внутри стальных конструкций.

Металлургический реактор, следовательно, может содержать реактор окончательного восстановления, имеющий определяющий наибольший диаметр, который не больше определяющего диаметра упомянутой доменной печи, которую он заменяет.

Таким образом работы по трансформированию агрегата доменной печи осуществляются не очень дорого, и стоимость капиталовложений может сохраняться низкой.

В зависимости от определенного процесса восстановительной плавки, используемого в изобретении, кислородсодержащим газом может быть воздух, обогащенный кислородом воздух или кислород. Для CCF процесса требуется кислород, который может быть получен посредством добавления кислородной установки в процессе трансформирования агрегата доменной печи. Кислород используется в производстве стали, так что заводы по производству чугуна и стали уже имеют мощности для производства кислорода, но строгие требования низкого содержания азота в кислороде для производства стали не применимы для производства чушкового чугуна посредством CCF процесса. Поэтому к агрегату доменной печи, трансформируемой в соответствии с настоящим изобретением, может быть добавлена кислородная установка для кислорода более низкого качества.

Следовательно, когда кислородсодержащим газом является кислород и металлургический реактор содержит реактор окончательного восстановления и плавильный циклон, в который подается кислород, способ трансформирования может включать добавление кислородсодержащей установки к существующей установке доменной печи.

Далее будет описан один из вариантов настоящего изобретения посредством неограничивающего примера со ссылкой на приложенный чертеж, который является схематическим изображением вида сбоку установки для производства передельного чугуна, воплощающей настоящее изобретение.

На чертеже схематически изображена ситуация последовательной трансформации существующего агрегата доменной печи, в которой для производства передельного чугуна процесс доменной плавки заменен CCF процессом восстановительной плавки. Однако изобретение не ограничивается этим процессом восстановительной плавки, как, например, описанные выше процессы. Пунктирной линией на чертеже показаны те части существующей доменной печи, которые не нужны для последующей трансформации и удаляются. Новые установки, добавленные при трансформировании, показаны жирной линией.

В следующем агрегате доменная печь 1 питается посредством скипового подъемника 2 и транспортера 3 железной рудой в спеченном виде или в форме окатышей из бункеров для хранения сырья 4 и коксом из бункеров для хранения кокса 5. Горячее дутье (воздух) подается из воздухонагревателей 6 и через магистраль горячего дутья 7. При трансформировании доменная печь 1 заменяется металлургическим реактором 8 для восстановительной плавки соединений железа. На чертеже показано, что этот реактор для восстановительной плавки является реактором типа CCF (циклонно-конвертерная печь), имеющим циклонный реактор 9, в котором происходит предварительное восстановление и плавление окислов железа, и реактор окончательного восстановления 10, в котором находится расплав чугуна 11 и плавающий на его поверхности шлаковый слой 12. Циклонный реактор 9 находится непосредственно над реактором окончательного восстановления 10 с образованием единого блока, и оба они находятся в прямом открытом сообщении друг с другом.

Окислы железа подаются из бункера для хранения 4 посредством питающей системы 13 в циклонный реактор 9 CCF реактора 8. Эти окислы железа могут содержать и конгломерат железной руды, и колошниковую или конвертерную пыль. В случае CCF-процесса железная руда может подаваться в неаггломерированном виде.

Уголь подается из бункеров для хранения 5 посредством питающей системы 14 в реактор окончательного восстановления 10. Кислород подается посредством питающего трубопровода 15 в циклонный реактор 9 и посредством питающего трубопровода 16 в реактор окончательного восстановления 10, при этом оба трубопровода выходят из новой кислородной установки 17.

Большие преимущества настоящего изобретения в стоимости капитальных вложений достигаются вследствие того, что после трансформирования продолжают использоваться множество узлов существующего доменного агрегата, которые могут не требовать адаптации. Оставшиеся от существующей доменной печи, в данном случае, литейная 18 со средствами для выпуска передельного чугуна 19 и шлака 20 и система подачи охлаждающей воды 25 теперь приспосабливаются для охлаждения циклона 9 и реактора окончательного восстановления 10, так же, как и бункеры для хранения материалов 4 и 5. Кроме того, циклон 9 и реактор окончательного восстановления 10 устанавливаются внутри стальных конструкций 21 исходной доменной печи 1. Технологический газ, образующийся в процессе прямого восстановления, выпускается из циклона с температурой от 1400 до 1800^oC посредством нового водонагревательного котла 22 и посредством газоотводящей системы 23 со средствами обеспыливания 24 существующей доменной печи.

Сущность: агрегат для процесса восстановительной плавки для производства передельного чугуна с использованием угля и кислородсодержащего газа получают путем трансформирования существующего агрегата доменной печи путем замены доменной печи устройством, включающим по крайней мере один металлургический реактор для осуществления процесса восстановительной плавки, в то же время сохраняя по крайней мере, частично, один из следующих компонентов существующего агрегата доменной печи: бункеры для хранения железной руды, бункеры для хранения кокса в качестве бункеров для хранения угля, литейную для выпуска чугуна и шлака из металлургического реактора, газоотводящую систему для выпуска горячего газа, включающую средства обеспыливания, систему подачи охлаждающей воды. Преимуществом изобретения являются более низкие капитальные вложения и более низкая стоимость получаемого передельного чугуна. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования доменной печи в агрегат восстановительной плавки для производства передельного чугуна, в котором окислы железа восстанавливаются посредством угля и кислородсодержащего газа, отличающийся тем, что осуществляют этап преобразования существующего агрегата доменной печи в агрегат для процесса восстановительной плавки путем замены доменной печи (1) в агрегате доменной печи устройством, содержащим, по крайней мере, один металлургический реактор (8), пригодный для осуществления процесса восстановительной плавки, в то же время сохраняя, по крайней мере, частично, по крайней мере, один из следующих компонентов существующего агрегата доменной печи: i) бункеры для хранения (4) железной руды, ii) бункеры для хранения (5) кокса в качестве бункеров для хранения угля, iii) литейную (18), имеющую средства для выпуска передельного чугуна и шлака и средства для пробивания летки в металлургическом реакторе, iv) газоотводящую систему (23) для выпуска горячего газа из доменной печи, включающую средства для обеспыливания (24), для регулировки выпуска газа из процесса восстановительной плавки, v) систему подачи охлаждающей воды (25) доменной печи в качестве системы подачи охлаждающей воды для металлургического реактора (8). 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлургический реактор (8) включает реактор окончательного восстановления (10) и плавильный циклон (9), расположенный непосредственно над реактором окончательного восстановления (10) и находящийся в открытом сообщении с ним. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что агрегат доменной печи включает стальные конструкции (21) вокруг доменной печи и металлургический реактор (8, 9) устанавливают внутри стальных конструкций, которые сохраняются. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что устройство для осуществления восстановительной плавки включает котел (22), в котором воду нагревают газом, выпускаемым из процесса восстановительной плавки, при этом котел устанавливают внутри упомянутой стальной конструкции. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что металлургический реактор (8) включает реактор окончательного восстановления (10), имеющий определяющий наибольший диаметр, который не больше, чем определяющий наибольший диаметр доменной печи, которую он заменяет. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что кислородсодержащим газом является кислород и металлургический реактор (8) включает реактор окончательного восстановления (10) и плавильный циклон (9), в которые подают кислород, при этом способ включает этап добавления кислородопроизводящей установки к существующему агрегату доменной печи. 7. Агрегат для осуществления способа восстановительной плавки для производства передельного чугуна, полученный посредством способа преобразования согласно любому из пп.1 - 6. 8. Способ производства передельного чугуна путем проведения восстановительной плавки окислов железа, отличающийся тем, что используют уголь и кислородсодержащий газ, при этом способ осуществляют в агрегате по п.7. 9. Способ производства передельного чугуна по п.8, отличающийся тем, что металлургический реактор (8) агрегата включает реактор окончательного восстановления (10) и осуществляют восстановительную плавку, включающую этапы: а) проведения предварительного восстановления окислов железа посредством восстановительного технологического газа, полученного в этапе б) ниже, и б) проведения окончательного восстановления предварительно восстановленных окислов из этапа а), при этом окончательное восстановление осуществляют в реакторе окончательного восстановления (10), в который подают уголь и кислород и в котором производят восстановительный технологический газ. 10. Способ производства передельного чугуна по п.9, отличающийся тем, что этап окончательного восстановления б) в реакторе окончательного восстановления имеет удельную производительность передельного чугуна на единицу площади поперечного сечения упомянутого реактора окончательного восстановления в пределах от 40 до 120 т/м² • ч. 11. Способ производства передельного чугуна по п.9 или 10, отличающийся тем, что металлургический реактор (8) агрегата включает в дополнение к реактору окончательного восстановления (10) плавильный циклон (9), при этом этап предварительного восстановления а) осуществляют в плавильном циклоне путем подачи в него кислорода таким образом, чтобы поддерживать горение в восстановительном технологическом газе. 12. Способ производства передельного чугуна по любому из пп.9 - 11, отличающийся тем, что в реакторе окончательного восстановления поддерживают давление в диапазоне от 1 до 5 атм. 13. Способ производства передельного чугуна по любому пп. 8 - 12, отличающийся тем, что фактическую удельную производительность передельного чугуна поддерживают более низкой, чем удельную производительность передельного чугуна, имеющую наинизшее возможное потребление угля на тонну производимого передельного чугуна, и фактическую скорость образования восстановительного технологического газа увеличивают соответственно до скорости образования его, соответствующей удельной производительности передельного чугуна, имеющей наинизшее возможное потребление угля. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что фактическая удельная производительность передельного чугуна ниже, чем удельная производительность передельного чугуна, имеющая наинизшее возможное потребление угля, на 0 - 30%, и фактическая скорость образования восстановительного технологического газа выше, чем скорость образования его, соответствующая удельной производительности передельного чугуна, имеющая наинизшее возможное потребление угля, на 0 - 30%.