Изобретение относится к способу загрузки свежего топлива в вертикальную печь, в которой, независимо от свойств твердого топлива, может осуществляться непрерывная выплавка чушкового чугуна с высокой эффективностью и при низком расходе материала и топлива за счет использования в качестве сырья порошка, содержащего железо, и/или железных скрапов, и/или восстановленного железа, имеющего малое содержание примесей, а также к способу эксплуатации вертикальной печи.
К настоящему времени разработаны различные способы производства чушкового чугуна из невосстановленной руды, и сейчас в основном используют доменный процесс. В соответствии с этим доменным процессом загружаемое через верх печи исходное сырье достаточно хорошо подогревается посредством подаваемого снизу вверх нагретого до высокой температуры газа по мере опускания исходного сырья, и происходит непрямое восстановление оксида железа окисью углерода (CO) до степени по меньшей мере 60%. Для получения такой степени непрямого восстановления в доменном процессе пространство зоны циркуляции расположено перед фурмой, а выход восстановительного газа ηCO(=CO2/(CO+CO2)) = 0. Для подъема температуры газообразных продуктов горения, служащих в качестве описанного выше высокотемпературного газа, температуру дутья устанавливают не ниже, чем 1000oC.
В плавильной печи, в которой используется такое сырье, как содержащей железо порошок и/или железный скрап в качестве исходного материала, снижается таким образом потребность в производстве восстановительного газа в фурменной части печи. Поэтому предполагается эффективно использовать сжигание кокса перед фурмой в качестве средства обеспечения источника тепла для нагрева загружаемого материала, плавящего железное сырье.
Например, в случае использования ваграночного способа, который предназначен, главным образом, для плавления такого железного сырья, как железный скрап, литейный скрап, чушковой чугун и т.п., но не требует процесса восстановления, исходное сырье и топливо обычно загружаются в виде смеси, и плавление железного сырья, как правило, выполняется при условии ηCO (степень использования газа) = 40 - 50%. Для получения такой газовой композиции в ваграночном способе используют литейный кокс, который имеет размер кусков от 100 до 150 мм и предотвращает потери при реакции растворения после сгорания кокса. Из-за большого диаметра кокс для литья является дорогим, поэтому считают, что эффективно использовать кокс, имеющий частицы меньшего диаметра, чтобы снизить стоимость топлива. Однако в этом случае уровень потерь при реакции растворения как эндотермической реакции возрастает, и степень использования ηCO газа из кокса падает, за счет чего калорийность плавления падает, и на практике становится трудно поддерживать стабильность процесса.
С другой стороны, существует не так уж много примеров использования вертикальной печи, в которой применяется способная к самовосстановлению крупнокусковая руда и железный скрап в качестве основного исходного сырья, и требуется реакция восстановления вплоть до плавления. В отличие от доменной печи в такой вертикальной печи отсутствует зона циркуляции, и процесс осуществляется при установке температуры дутья не выше 600oC.
Goksel с соавторами (Transactions of American Foundrymen's Society. Vol. 85, AFS Des Plaines, III, (1977), pp. 327 - 332) сообщают об эксперименте с горячей вагранкой, в которой используется 5 вес.% C-содержащих окатышей при температуре дутья 450oC, однако, отсутствуют более ранние публикации в данной области техники, которые имеют отношение к эксплуатации вагранки при нормальной температуре дутья или эксплуатации вертикальной печи, когда используются C-содержащие окатыши в больших количествах.
В публикации по неутвержденному патенту Японии (Kokai) N 1-501401 описана установка, состоящая из доменной печи, имеющей первичную фурму, вторичную фурму и подину, диаметр которой больше, чем у доменной печи. В соответствии с такой конструкцией печи через ее верх загружается только железное сырье, а топливо добавляется непосредственно в топливный слой, находящийся на стыке между доменной печью и подиной. Таким образом, поскольку внутри доменной печи находится слой руды, потерь топлива, связанных с реакцией растворения, не происходит, и можно ожидать достижения высокой эффективности процесса при составе отходящего газа, имеющего высокую величину CO2/(CO + CO2). В этой печи способная самовосстанавливаться руда как основное сырье вступает в реакцию с коксом внутри коксового слоя на подине, и восстановление при плавлении происходит как экзотермическая реакция. Однако, поскольку в зоне вторичной фурмы происходит эндотермическая реакция, выражаемая следующей ниже формулой (2), это тепло используется для подогрева, нагрева или плавления железного сырья, и предполагается возможность получения чушкового железа:
CO + 1/2 O2 ---> CO2 + 67590 ккал/кмоль CO ...(2)
Поскольку топливо не загружают через верх доменной печи, а загружается только руда, то кокс внутри коксового слоя расходуется нежелательным образом за счет науглероживания железа в ходе процесса, если непрерывный процесс осуществляется в течение длительного времени. Как ясно из диаграммы равновесия Fe-C-O, восстановление газом из FeO до Fe происходит нелегко даже в способной самовосстанавливаться руде, содержащей C, если состав газа имеет высокую степень окисления ηCO ≥ 30%, а температура составляет не ниже 1000oC. Вследствие этого становится неизбежным восстановление при плавлении в нижней части печи, а увеличение количества потребляемого кокса, снижение нагрева печи или увеличение давления дутья вследствие увеличения количества расплавленной жидкости требует дальнейшей разработки. Кроме того, когда руда, будучи размягченной и оплавленной в высокотемпературной зоне, приходит в контакт со стенкой печи, происходит налипание, что приводит к так называемому "наслоению".
Помимо описанных выше проблем, в связи с усложнением формы печи, возникает проблема охлаждения корпуса печи по мере образования наслоений. Таким образом, в печи с большими наслоениями возникают трудности с оборудованием.
С другой стороны, упомянутая выше публикация по неутвержденному патенту Японии (Kokai) No1-501401 не вносит ясности относительно взаимосвязи между положением добавки, когда топливо добавляется на участке стыка между доменной печью и подиной и первичной фурмой. Первичная фурма расположена, как показано, между соседними местами добавления топлива.
Если, как описано выше, первичная фурма находится в среднем положении между соседними местами добавления топлива в печи, имеющей средний диаметр D ≥ 1,00 м, то добавление топлива, сжигаемого перед участком первичной фурмы, становится эффективным при осуществлении загрузки непосредственно выше него. Поэтому в таком случае руда, опускающаяся из верхней части печи, замещает сгоревший кокс и препятствует постепенному опусканию добавляемого топлива, что увеличивает вероятность остановки процесса работы.
Исходя из предшествующего уровня техники, использование кокса чрезмерно большого диаметра в процессе плавления железного сырья в печах является неизбежным. В противоположность этому, в публикации по неутвержденному патенту Японии (Kokai) No1-501401 предложена плавильная печь, имеющая сложную конструкцию печного корпуса, и технология, направленная на достижение высокой степени ηCO использования газа и на снижение расхода топлива при использовании кокса небольшого диаметра и большого количества способной самовосстанавливаться крупнокусковой руды. Однако, возможность возникновения проблем, связанных с так называемым "наслоением" внутри печи и расходом коксового слоя в нижней части печи, еще не нашла решения, и эти проблемы препятствуют стабильной работе печи в течение продолжительного времени. Кроме того еще остается проблема внедрения при увеличении масштаба.
Когда за основу принимается использование большого количества мелкокускового твердого топлива, исходя из предшествующего уровня техники, когда в процессе плавления используют способную самовосстанавливаться крупнокусковую руду, железный скрап и так далее, предполагается, что длительная стабильная работа, ориентированная на низкий расход топлива, будет сопряжена с трудностями.
Технической проблемой настоящего изобретения является получение возможности эффективно осуществлять работу печи на твердом топливе без снижения степени использования ηCO газа и при устранении так называемого "наслоения", даже когда используется твердое топливо, имеющее более мелкий размер частиц, чем у использующегося литейного кокса.
В способе эксплуатации, по которому в вертикальную печь загружают по меньшей мере один вид железного сырья, выбранный из тех видов, которые не требуют процесса восстановления, таких как крупнокусковая руда с примесью порошка, способная к самовосстановлению крупнокусковая руда (C-содержащая крупнокусковая руда), восстановленное железо, имеющее низкую степень металлизации (содержащее восстановленный железный порошок), и т.д., и тех, которые требуют только выполнения процесса плавления, таких как HBI, DRI, железный скрап, бой чушкового чугуна, оборотный скрап и т.д., и твердое топливо, и по которому осуществляют восстановление и плавление железного сырья посредством продувки содержащего кислород газа при температуре от нормальной до температуры не выше 600oC из фурмы, предусмотренной в поверхности стенки вертикальной печи, при этом согласно настоящему изобретению можно использовать твердое топливо, имеющее малый размер частиц, регулировать ηCO= = (CO2/(CO + CO2)), как показатель реакции и тепловой коэффициент полезного действия печи в соответствии с сортом железного сырья, и эффективно осуществлять восстановление и плавление железного сырья при низком расходе топлива.
Способ эксплуатации вертикальной печи согласно настоящему изобретению, по которому в вертикальную печь загружают по меньшей мере один вид железного сырья, выбранный из тех видов, которые требуют процесса восстановления, таких как крупнокусковая руда с примесью порошка, способная к самовосстановлению крупнокусковая руда (C-содержащая крупнокусковая руда), восстановленное железо, имеющее низкую степень металлизации (содержащее восстановленный железный порошок) и т.д., и тех, которые требуют только выполнения процесса плавления, таких как HBI (горячебрикетированное восстановленное железо), DRI (восстановленные посредством применения прямого восстановления), железный скрап, бой чушкового чугуна, оборотный скрап и т.д., и твердое топливо, сущность которого раскрыта здесь в следующих ниже пунктах.
В способе регулирования степени использования ηCO газа внутри печи по настоящему изобретению предполагается использование следующих средств:
регулировать высоту загрузки (уровень исходного сырья), состоящей из железного сырья и твердого топлива, внутри вертикальной печи;
регулировать по меньшей мере одно из: высоту коксового слоя, величину продувки, диаметр фурмы и положение выступающей части фурмы в соответствии с размерами частиц твердого топлива; и
использовать две или более ступени фурмы в направлении высоты печи и регулировать степень продувки для каждой фурмы, расположенной в направлении высоты в соответствии со средней степенью металлизации железного сырья.
В способе загрузки один цикл состоит из двух или более загрузок, при этом весовое отношение железное сырье/твердое топливо, и/или сорт железного сырья, и/или размер частиц твердого топлива изменяются для каждой загрузки в каждом цикле, а одинаковая загрузка повторяется в элементах цикла для того, чтобы отрегулировать величину ηCO до более стабильного значения степени восстановления/плавления описанного выше железного сырья.
Когда железное сырье и твердое топливо загружаются в печь через ее верхнюю часть, то железное сырье, имеющее высокую степень металлизации, смешивают с твердым топливом и загружают в центральную часть вертикальной печи, тогда как железное сырье, имеющее низкую степень металлизации, смешивают с твердым топливом и загружают в периферийную часть вертикальной печи. В этом примере высоту коксового слоя в нижней части вертикальной печи регулируют до предварительно определенной высоты в соответствии с размером частиц твердого топлива, включающего кокс, которое должно загружаться в вертикальную печь, и в условиях продувки через фурму.
Кроме того, размер кусков твердого топлива, загружаемого по периферийной части вертикальной печи, ограничивается до размера не более 60 мм, тогда как установлено, что размер кусков твердого топлива, подлежащего загрузке в центральную часть печи, должен быть больше, чем размер кусков топлива, подлежащего загрузке по периферийной части, предпочтительно, по меньшей мере 60 мм. Помимо этого, когда твердое топливо и железное сырье смешиваются и загружаются в центральную часть вертикальной печи, весовое отношение C, содержащегося в твердом топливе, к Fe, содержащемуся в железном сырье, ограничено до 0,01-0,05.
Помимо этого, высота загружаемого сырья, состоящего из железного сырья и твердого топлива, подлежащего загрузке в периферийную часть вертикальной печи, по отношению к центральной части печи (уровень сырья), при загрузке должна соответствовать степени металлизации железного сырья.
На фиг. 1(а) приведена схема, иллюстрирующая пример реакционной установки и загрузочного устройства, на фиг. 1(b) показана загрузка в центральную часть печи, а на фиг. 1(c) показана загрузка в периферийную часть печи.
На фиг. 2(а) показан способ загрузки сырья со степенью металлизации больше средней, на фиг. 2(b) показан способ загрузки со степенью металлизации меньше средней, а на фиг. 2(c) показана схема, поясняющая взаимосвязь центральной и периферийной части на фиг. 2(а).
На фиг. 3 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь средней степени металлизации железного сырья и уровня ηCO, при которых может быть выполнено восстановление и плавление железного сырья без возникновения проблем.
На фиг. 4(а) приведен график, показывающий зависимость между высотой коксового слоя и ηCO, когда изменяется размер кусков кокса, при скорости газового потока в печи 0,35 N м/сек, на фиг. 4(b) показана аналогичная зависимость при размере кусков кокса 30 мм, на фиг. 4(c) показана аналогичная зависимость при переменной скорости газового потока в печи.
На фиг. 5 приведен график, иллюстрирующий взаимосвязь между уровнем сырья и ηCO,
На фиг. 6(а) показан график, иллюстрирующий зависимость между температурой печи и ηCO, когда содержащий железо порошок (способная самовосстанавливаться крупнокусковая руда) смешивается с коксом, на фиг. 6(b) показан график зависимости между температурой в печи и степенью восстановления в зависимости от наличия/отсутствия кокса в смеси.
На фиг. 7(a)-(d) приведены данные, иллюстрирующие типичные примеры способа загрузки.
На фиг. 8 приведен пример данных по эксплуатации.
На фиг. 9 приведен другой пример данных по эксплуатации.
Предпочтительный вариант изобретения
Сначала будет представлено устройство и способ его эксплуатации по настоящему изобретению.
Реакционная установка по настоящему изобретению показана на фиг. 1(а)-1(с). На фиг. 1(b) и 1(с) показана верхняя часть загрузочного устройства, приведенного на фиг. 1(а). Загрузочное устройство состоит из ковша 1, конуса 2, подвижного дозатора 3 и загрузочной направляющей 4, выпускная газовая труба 6 находится в верхней части корпуса печи 5, а в нижней части находится фурма 7. Загрузка сырья может осуществляться раздельно в центральной части 9 и периферийной части 8. Кроме того в нижней части может быть образован коксовый слой 10 с возможностью регулирования при этом его высоты.
Реакционная установка имеет фурмы по меньшей мере на двух ступенях в направлении высоты, а в верхней части печи предусмотрено загрузочное устройство, которое способно обеспечить раздельную загрузку в радиальном направлении (см. фиг. 1). Дутье осуществляется при нормальной температуре или при высокой температуре, но не выше 600oC, а что касается диаметра фурмы, то он устанавливается таким, чтобы не вызывать избыточного дутья с учетом обогащения кислородом. Выступающее положение вторичной фурмы изменяют в соответствии с загружаемыми сырьевыми материалами.
Сырьевые материалы представляют собой главным образом те виды железного сырья, которые имеют высокую степень металлизации, такие как железный скрап, чушковой чугун, литейный скрап, горячебрикетированное железо (HBI), восстановленное железо DRI и т.д., и те виды, которые имеют низкую степень металлизации, такие как крупнокусковая руда с примесью порошка, способная самовосстанавливаться крупнокусковая руда, частично окислившаяся восстановленная крупнокусковая руда, порошкообразная руда и т.п., а топливо представляет собой в основном твердое топливо, такое как кокс, бездымный кокс и так далее.
В качестве способа загрузки используют обычный способ загрузки, когда кокс загружают так, чтобы образовался коксовый слой, а затем загружают топливное сырье либо полностью, либо в виде смеси, или послойно, и новый способ загрузки, по которому топливное сырье загружают раздельно в радиальном направлении.
На фиг. 2(а) показана загрузка, при которой в центральной части 16а осуществляют плавление только сортового железного сырья, кокс с порошковыми сортами находятся в периферийной части 17а, а уровни коксового слоя 10 составляют 13а в центральной части 16 и 14а в периферийной части. На фиг. 2(b) показана загрузка, при которой кокс, железное сырье и порошок находятся в центральной части 16, кокс с порошковыми сортами находятся в периферийной части 17b, а уровни коксового слоя 10 составляют 13b в центральной части и 14b в периферийной части. На этих фигурах такие газы, как кислород, подаются через первичную фурму 11 и вторичную фурму 11, в печи образуется поток газа 15, и происходит восстановление/плавление сырья.
На фиг. 2(с) показана взаимосвязь между степенью использования газа ηCO внутри печи и расстоянием от первичной фурмы в центральной части и периферийной части на фиг. 2(а).
Новый способ загрузки можно вообще-то разделить на способ, который направлен на эксплуатацию, имеющую высокую эффективность реакции, и способ, направленный на использование больших количеств мелкодисперсного железного сырья. По первому способу загружаемые сырьевые материалы разделяют в соответствии со средней степенью металлизации, определяемой по среднеарифметической степени металлизации каждого из загружаемых сырьевых материалов, и загрузка сырьевых материалов, имеющих высокую степень металлизации, осуществляется в центральной части, а сырьевых материалов, имеющих низкую степень металлизации - в периферийной части в виде их смеси с мелкодисперсным коксом с тем, чтобы получить высокую эффективность реакции. Этот метод изображен на фиг. 2(а) и 2(b). По другому способу смешивают мелкие гранулы (5 мм) железного сырья с мелкими гранулами твердого топлива, и эти смеси загружают по периферийной части, а железное сырье, имеющее крупный размер частиц, загружают в центральную часть с тем, чтобы обеспечить использование больших количеств мелкодисперсного железного сырья в условиях стабилизированного потока газа.
Процесс работы реакционной печи контролируется посредством регулирования высоты коксового слоя и положения уровня сырья и использованием способа раздельной загрузки и изменением выступающего положения вторичной фурмы в соответствии с используемым сортом сырьевого материала и топлива. Оптимальная высота коксового слоя изменяется в зависимости от того, направлен ли процесс работы главным образом на плавление железного сырья или на восстановление железного сырья, а верхнее положение коксового слоя устанавливается на уровне, соответствующем ηCO фурмы. К тому же внутри коксового слоя происходит реакция горения кокса и потери при реакции растворения после сгорания, и скорости обеих реакций регулируют посредством размера частиц твердого топлива, скорости газового потока и температуры дутья.
Положение уровня сырья связано со скоростью роста температуры топливного сырья и особенно влияет на уровень потерь при реакции растворения твердого топлива. Таким образом, положение уровня сырья используется как средство контроля для недопущения снижения эффективности реакции. Что касается способа раздельной загрузки в радиальном направлении, то внутреннее пространство реакционной установки разделено на участок, в котором степень металлизации высокая, и участок, в котором она низкая. Первый используется для процесса, предназначенного главным образом для плавления и достижения верхнего предела степени использования газа ηCO как цели. Второй участок предназначен в основном для восстановления. В целом, может быть достигнута более высокая эффективность процесса работы посредством регулирования степени использования газа, необходимой для восстановления в соответствии со средней степенью металлизации сырьевых материалов и с содержанием C. Вторичная фурма эффективно используется для участка, где имеет место высокая степень металлизации, и основным процессом является плавление, цель состоит в достижении верхнего предела степени вторичного сгорания при дутье из вторичной фурмы. Если участок, в котором основным является плавление, находится ближе к центральной части при способе раздельной загрузки в радиальном направлении, можно получить более высокий эффект посредством установления выдвинутого положения вторичной фурмы на границу между центром и периферией печи.
Далее последует описание способа регулирования степени использования газа ηCO. Пример способа регулирования ηCO по настоящему изобретению включает следующие ниже этапы. Будет пояснена сущность регулирования по настоящему изобретению потока в печи. Данный способ регулирования может быть обобщен в приведенных ниже этапах (1) - (5):
(1) Средняя степень металлизации (средняя M.Fe/T.Fe) определяется из количества компонентов и смесей (использованные количества) загружаемого железного сырья.
Когда стремятся к более эффективному процессу работы, то выполняют раздельную загрузку в радиальном направлении, и при использовании этого способа средняя степень металлизации определяется по железному сырью, загружаемому в центральную и периферийную части, соответственно.
(2) Диапазон подходящего для процесса работы уровня ηCO определяется из средней степени металлизации (среднее M.Fe/T.Fe) данного загружаемого железного сырья и от содержания C в железном сырье, в соответствии с формулой (1) (фиг. 3);
в случае способа раздельной загрузки подходящая ηCO определяется в центральной и периферийной частях, соответственно,
1,5 • C% ≤ ηCO - 0,7 • (среднее M.Fe/T.Fe) ≤ 3,0 • C% (1)
где C - содержание C в железном сырье,
0% ≤ C% ≤ 20%,
ηCO - степень использования газа (%),
(среднее M.Fe/T.Fe) - средняя степень металлизации (%),
степень металлизации - количество металлического железа в железном сырье (М.Ее)/полное количество железа в железном сырье (T/Fe).
средняя степень металлизации - степень металлизации, полученная по среднеарифметическому значению для нескольких сортов железного сырья.
(3) Поскольку средняя скорость течения газа (N м/сек) внутри печи определяется условиями процесса работы (критерием количества выпущенного металла) плавильной печи, то высота коксового слоя от первичной фурмы определяется в соответствии с размером частиц использованного твердого топлива, из данных, приведенных на фиг. 4.
В случае использования способа раздельной загрузки приемлемая высота определяется в центральной и периферийной частях, соответственно.
(4) Что касается уровня сырья, то уровень сырья H (м) (высота поверхности загруженного сырья от первичной фурмы), соответствующий ηCO у фурмы, определяют и устанавливают в соответствии с формулой (3) (фиг. 5).
Аппроксимирующее уравнение (3) представляет собой линейную аппроксимацию методом наименьших квадратов и предположительно изменяется до некоторых пределов в зависимости от сорта железного сырья и от степени металлизации. Тем не менее, уровень сырья H (м) устанавливается на основе ηCO фурмы.
H = -0,02775 ηCO +4,755 (3)
В случае использования способа раздельной загрузки уровень сырья определяют в центральной и периферийной частях, соответственно.
(5) Что касается топливного соотношения, то уровень топливного соотношения (кг/т) может быть определен из равновесия тепло - материал, как только определено описанное выше ηCO фурмы, в дополнение к излучению тепла корпусом печи (ккал/час) как характеристик печи, плановому количеству выпущенного из печи металла (т/день) и условиям процесса работы, включающих сорт железного сырья, количество и т.д. При определенных условиях процесс работы выполняется таким образом, чтобы поддерживать плановый уровень ηCO посредством точного регулирования объема вторичного дутья и точной регулировки уровня сырья.
В случае использования способа раздельной загрузки топливное соотношение определяют и используют при загрузке в центральной и периферийной частях, соответственно.
Следует рассмотреть причину, по которой ηCO внутри печи следует регулировать и контролировать в соответствии со средней степенью металлизации (M. Fe/T. Fe) железа, содержащегося в железном сырье, когда происходит восстановление и плавление железного сырья.
Функция восстановления не требуется в процессе плавления железного сырья, имеющего высокую степень металлизации, по меньшей мере 90%, такого как железный скрап, чушковой чугун, литейный скрап, HBI, восстановленное железо DRI и т. д. Таким образом, предпочтительными являются условия, при которых имеет место высокая степень ηCO, так что задачей процесса работы является осуществление процесса при низком расходе топлива, и величина ηCO > 80%.
С другой стороны, когда осуществляют восстановление и плавление железного сырья с низкой степенью металлизации, такого как крупнокусковая руда с примесью порошка, способная к самовосстановлению крупнокусковая руда, частично окисленное восстановленное железо, восстановленный железный порошок и т. д., то для стабилизации процесса работы и улучшения качества чушкового чугуна предпочтительно достигать восстановления посредством взаимодействия твердое сырье-газ для получения большого количества железа в твердом состоянии, а затем плавить его. Для осуществления этой цели требуется, например, как термодинамическое условие (на основании теории равновесия) для восстановления чистого вюстита (FeO) до железа выполнить условие по газу ηCO < приблизительно 30% в температурном диапазоне по меньшей мере 1000oC.
К видам железного сырья, требующим таких условий, относится вюстит (FeO), имеющий степень металлизации 0%, окалина, окатыши, крупнокусковые руды, используемые для загрузки в доменную печь, и т.д.
С другой стороны, подтверждается, что для случая C-содержащей крупнокусковой руды, такой как C-содержащая способная самовосстанавливаться крупнокусковая руда, используемая по настоящему изобретению, или C-содержащая крупнокусковая руда с примесью порошка, можно использовать, например, внутри крупнокусковой руды условие ηCO < приблизительно 30%, благодаря присутствию C в крупнокусковой руде, и восстановление до металлического железа происходит даже при условии, когда газовая атмосфера снаружи крупнокусковой руды соответствует ηCO > приблизительно 30%, и теоретически, исходя из принципа равновесия, восстановления FeO в железо не должно происходить.
Например, при использовании 50% самовосстанавливающейся крупнокусковой руды, содержащей 12% C и 50% железных скрапов, процесс работы происходит ровно, даже при газовом режиме в верхней части печи ηCO около 50%, а это подтверждает, что этот режим приемлем для осуществления внутрипечного восстановления.
Как сказано выше, нельзя ожидать высокого ηCO в условиях, когда используются большие количества порошков, имеющих низкую степень металлизации, как в случае, когда основным является процесс восстановления железного сырья, однако, можно принять во внимание, что процесс работы с высоким ηCO возможен в случае процесса переплава железных скрапов, направленного главным образом на плавление железного сырья, или процесса с использованием большого количества железного сырья, имеющего высокую степень металлизации, или процесса с использованием малого количества порошка, имеющего низкую степень металлизации.
Другими словами, предпочтительно регулировать и контролировать уровень ηCO в пределах диапазона, когда отсутствуют проблемы в процессе реакции восстановления, в соответствии с сортом железного сырья и с соотношением M. Fe/T.Fe.
Далее последует описание способа регулирования ηCO.
В качестве способа регулирования ηCO в настоящем изобретении предложено: (1) регулировать положение высоты загрузки сырья (уровень сырья), (2) регулировать высоту коксового слоя и т.д., (3) использовать многоступенчатые фурмы и (4) использовать раздельную загрузку в радиальном направлении. После этого последует поэтапное описание технологии.
Во-первых, последует объяснение, почему изменение внутри вертикальной печи высоты загрузки (уровня сырья) загружаемого сырья, состоящего из железного сырья и твердого топлива, является эффективным для регулирования ηCO.
Что касается уровня сырья, то отношение H/D высоты (H) от фурмы нижней ступени до уровня сырья к диаметру печи (D) обычно устанавливают от 4 до 5, например, в процессе плавления в вагранках железного скрапа, литейного скрапа и т.п., при использовании крупнокускового литейного кокса. Что касается использования в вертикальной печи мелкокускового литейного кокса, такого как доменный кокс, требующего процесса восстановления, такого как восстановление порошкового сырья, то пока результатов экспериментов по уровню сырья не обнаружено. Исходя из этого, испытания по изменению уровня сырья выполняли в условиях, когда использовали железный скрап с разными диаметрами кусков, и связь с ηCO отходящего газа проанализирована и показана на фиг. 5.
Результаты эксперимента по использованию вертикальной печи, имеющей диаметр рабочего пространства D = 1,4 м, показали, что при установке значения соотношения H/D = 2,0 может поддерживаться высокое ηCO отходящего газа ηCO > 70%, и ηCO отходящего газа может быть понижено посредством увеличения уровня сырья.
В том случае, когда уровень сырья растет, передача тепла от газа к сырью и топливу становится чрезмерной, и разогрев и подъем температуры твердого топлива происходит в более высокой части печи, при этом процесс потерь при растворении в верхней части печи выражается формулой (4). В результате потребление C возрастает, а ηCO снижается.
C + CO2 = 2CO, (4)
Как описано выше, изменение уровня сырья играет роль регулятора роста температуры сырья и топлива внутри печи и служит средством регулирования ηCO отходящего газа.
Далее последует объяснение, как достичь, чтобы изменение высоты коксового слоя в нижней части вертикальной печи, а также изменение объема дутья, диаметра фурмы и выдвинутого положения фурмы оказалось эффективным при регулировании ηCO..
На фиг. 4(а) - 4(с) приведены результаты эксперимента на отдельной моделирующей установке для изучения высоты коксового слоя от фурмы и изменения ηCO на этом участке при изменении размера кусков кокса и объема дутья (скорости течения газа). В соответствии с фиг. 4(а) - 4(с) кислород и кислород из обогащенного им воздуха, выдуваемый из фурм, сгорает вместе с коксом с образованием CO2, и полное сгорание достигается на участке, где O2 исчезает, в соответствии со следующей формулой (5):
C + O2 ---> CO2. (5)
На этом участке температура более высокая, и потери в процессе растворения по формуле (5) как эндотермической реакции на этом участке выше, поэтому ηCO падает, а также падает температура.
Когда размер частиц кокса уменьшается, то скорость сгорания по формуле (5) возрастает. Поэтому участок, имеющий более высокую температуру газа (О2 = 0, а ηCO = 100%) приближается к фурме. Когда объем дутья увеличивается и скорость потока газа возрастает, то внутри печи возрастает и скорость кислорода, подаваемого из фурмы, и его контакт с C вблизи фурмы становится более кратковременным. Как следствие этого, процесс горения по формуле (5) распространяется в верхнюю часть печи. Поэтому, когда скорость потока увеличивается при одинаковом размере частиц, то ηCO внутри печи в целом становится выше, чем когда скорость потока является низкой, как можно видеть из фиг. 4(а) - 4(с). Устройство, в котором первичная фурма может выдвигаться в печь, или диаметр фурмы может сужаться для увеличения скорости течения с соответствующим уменьшением времени контакта между вдуваемым кислородом и C, обеспечивает эффект, подобный подъему скорости потока внутри печи. В этом случае изменение высоты коксового слоя в нижней части вертикальной печи и изменение объема дутья, диаметра фурмы и ее положения посредством выдвижения являются эффективными средствами регулирования ηCO внутри печи.
Далее последует объяснение причин, почему способ раздельной загрузки в радиальном направлении является эффективным средством регулирования ηCO без снижения эффективности горения в вертикальной печи, даже когда используется топливо с малым диаметром частиц, и почему расположение множества многоступенчатых фурм на стенке шахтной части вертикальной печи в продольном направлении является более эффективным способом регулирования ηCO..
Твердое топливо сгорает на участке первичной фурмы в соответствии с формулой реакции (5), а затем образуется газ CO по реакции потерь при растворении, выражаемой формулой (4). С другой стороны, газ CO, поднимающийся снизу, сгорает по реакции, выраженной формулой (2), на участке первичной фурмы, расположенной выше участка вторичной фурмы. Железное сырье подогревается за счет использования этой экзотермической реакции, что сопровождается получением высокого ηCO и сокращением расхода топлива. Согласно экспериментам, можно достичь повышения ηCO более чем на 15%, при условии отношения количества дутья из вторичной фурмы к количеству дутья из первичной фурмы = 1/4, а дутье на верхней ступени при использовании многоступенчатых фурм может быть средством для регулирования ηCO внутри печи.
Однако на участке вторичной фурмы происходит также сопровождающаяся потерями реакция растворения, выражаемая формулой (4), и поэтому используется способ раздельной загрузки в радиальном направлении, который, насколько это возможно, снижает степень этой реакции и обеспечивает работу вертикальной печи без снижения степени использования газа в печи, даже когда используют твердое топливо с мелким размером частиц.
Этот способ загрузки состоит в том, что загрузка объема, железного сырья и твердого топлива осуществляется раздельно в центральной и в периферийной частях печи. В случае использования способа, при котором весовое отношение железное сырье/твердое топливо увеличивают в центре печи, то есть, уменьшают весовое отношение железное сырье/твердое топливо в периферийной части печи, и загружают большое количество топлива с мелким размером частиц в периферийной части, поток газа можно направить, например, в центр, поэтому оказывающий высокое сопротивление при продувке мелкокусковой кокс используется в периферийной части, и расход кокса при реакции растворения в периферийной части печи можно сократить, поскольку температура здесь ниже, чем в центре печи, также и за счет влияния охлаждения корпуса печи распыляемой водой. Количество газа повышено в центре печи, но поскольку количество загружаемого сюда кокса мало, то потери при реакции растворения по формуле (4) могут быть ограничены значительно существенней, чем при способе загрузки обычной смеси или при способе послойной загрузки. Таким образом, способ раздельной загрузки в радиальном направлении является эффективным средством регулирования ηCO без снижения коэффициента полезного действия сгорания в вертикальной печи, даже когда используют топливо с мелкими частицами.
Далее будет пояснен тот факт, что способ восстановления/плавления железного сырья с применением способа раздельной загрузки в радиальном направлении эффективен для стабилизации процесса работы при низком расходе топлива, и можно осуществлять эффективный процесс работы независимо от сорта железного сырья и размера его частиц.
Что касается способа раздельной загрузки в радиальном направлении, то он является приемлемым способом загрузки, зависящим от сорта железного сырья. Одним из таких примеров является способ раздельной загрузки, который направлен на эффективную работу и зависит от M.Fe/T.Fe железного сырья, а другим является способ раздельной загрузки, зависящий от размера частиц железного сырья.
Во-первых, последует объяснение причины, по которой способ раздельной загрузки, зависящий от степени металлизации (M.Fe/T.Fe) железного сырья, способствует стабильной работе и может обеспечить эффективный процесс работы.
Когда железное сырье, используемое для восстановления/плавления, состоит из нескольких сортов железного сырья и может быть классифицировано в соответствии со степенью M.Fe/T.Fe, то в центр печи загружается имеющее высокую степень металлизации железное сырье, такое как чугунные чушки (лом чушкового чугуна), железный скрап, литейный скрап, восстановленное железо, HBI, DRI и т.д., а в периферийную часть печи загружается железное сырье, имеющее низкую степень металлизации (крупнокусковая руда с примесью порошка, способная к самовосстановлению руда, частично окислившееся восстановленное железо, окатыши и т.д.). Этот способ обеспечивает процесс плавления в центральной части печи и процесс восстановления в периферийной части печи. Причина, почему используется загрузка железного сырья, имеющего высокую степень металлизации, в центральную часть печи, а имеющего низкую степень металлизации в периферийную часть печи, состоит в легкости регулирования высоты коксового слоя в центре печи, создании потока газа в центре и в обеспечении процесса работы при низком расходе топлива.
Когда предполагается такой процесс работы, то вторичная фурма имеет конструкцию, по которой ее свободный конец выдвигается как можно больше внутрь печи относительно ее стенки, и представляется абсолютно идеальным располагать свободный конец вторичной фурмы на границе между центром печи и ее периферийной частью. Когда поток газа проходит через центр, а процесс восстановления является основным процессом в сырье, загружаемом в периферийную часть печи, то твердое топливо в периферийной части предпочтительно состоит из мелких частиц, а твердое топливо в центре предпочтительно состоит из крупных частиц.
Причина, почему вторичная фурма устанавливается на границе между центральной и периферийной частями печи, состоит в предотвращении использования дутья из вторичной фурмы для сжигания твердого топлива, находящегося в периферийной части, и направлении вторичного дутья на сжигание газа CO, выражаемое формулой (2). Поскольку центральная часть печи предназначена главным образом для выполнения функции плавления, наиболее эффективно осуществлять процесс в центре печи при ηCO > 90%, а количество твердого топлива в центре печи может быть снижено до необходимого для науглероживания, при самом низком расходе топлива. Таким образом, резкое изменение высоты коксового слоя может быть ограничено и, более того, поскольку в качестве коксового слоя используют кокс с определенным диаметром частиц, то процесс работы может выполняться при низком расходе топлива с обеспечением проницаемости газа и жидкости.
В таком процессе работы приемлемое количество вторичного дутья определяется в зависимости от высоты коксового слоя. Как описано выше, высота коксового слоя изменяется в зависимости от размера частиц кокса и скорости газового потока внутри печи и т.д., но когда верхняя граница коксового слоя устанавливается в оптимальном положении (ηCO > 90%), необходимость во вторичной продувке отпадает. Когда в положении у верхней границы коксового слоя ηCO не превышает 90%, то можно установить ηCO > 90% посредством вторичного дутья, и в центральной части печи процесс работы может выполняться идеально.
Что касается кокса в центре печи, то, в принципе, можно предусмотреть эффективный процесс работы посредством установки высоты коксового слоя на более низком уровне, чем когда используется крупнокусковой кокс, или посредством регулирования объема дутья, без изменения ηCO,, даже когда используется мелкокусковой кокс, как показано на фиг. 4(а) - 4(с).
Поскольку железное сырье плавится в положении у верхней границы коксового слоя, то оптимальное положение коксового слоя по высоте в процессе плавления железного скрапа и т.п. предпочтительно устанавливать в положении, в котором температура газа возрастает до самого высокого уровня, то есть в положении, близком к ηCO = 100%, при O2 = 0.
При проведении испытаний в вертикальной печи при отношении объем вторичного дутья/объем первичного дутья, равном 1/4, увеличение ηCO может достигать более 15% за счет описанного выше дутья, и если учесть эти экспериментальные результаты, то предпочтительна установка коксового слоя на высоте, удовлетворяющей условию ηCO > 65%, по меньшей мере в положении у верхней границы коксового слоя, если предполагается работа при ηCO > 80%.
С другой стороны, в периферийной части, куда загружается железное сырье с низкой средней степенью металлизации, восстановление должно происходить в положении выше верхней границы коксового слоя, необходимо регулировать ηCO у верхней границы коксового слоя посредством установки ηCO = 100% при O2 = 0, как предельного значения для нижнего положения, и установить высоту коксового слоя в самом верхнем положении в соответствии с сортом железного сырья, M.Fe/T.Fe, и так далее.
Высота коксового слоя устанавливается в предварительно определенном положении перед началом процесса работы. В процессе работы высота коксового слоя может поддерживаться посредством загрузки из верхней части печи в количестве, соответствующем потребляемому внутри печи количеству.
Когда предполагается осуществлять процесс работы при ηCO > 65% на участке верхней границы коксового слоя при использовании крупнокускового кокса диаметром 80 мм и при скорости газового потока внутри печи 1 Nм/сек, подходящая высота коксового слоя находится в пределах расстояния от 60 до 90 см от фурмы нижней ступени, как можно видеть из фиг. 4(а) - 4(с). Когда предполагается осуществлять процесс работы при ηCO < 30% на участке верхней границы коксового слоя, то подходящая высота коксового слоя находится в пределах расстояния от фурмы нижней ступени более 130 см при крупнокусковом коксе размером 80 мм и более 120 см при доменном коксе размером 30 мм.
Далее последует объяснение причин, почему эффективен способ загрузки, по которому железное сырье смешивается с твердым топливом, когда загружаемое железное сырье имеет низкую степень металлизации.
Если в процессе работы достигается высокий ηCO, то становится возможной работа при низком расходе топлива. Когда выполнили эксперимент по восстановлению железного сырья, имеющего низкую степень металлизации при условии ηCO > 30%, было обнаружено, что, когда железное сырье не было смешано с коксом, то реакция восстановления из вюстита в железо в железном сырье не происходит, а происходит плавление/восстановление, которое оказывает неблагоприятное влияние на процесс работы в высокотемпературной части печи. В противоположность этому, результаты эксперимента на отдельной моделирующей установке обнаружили, что может быть достигнут эффект повышения степени восстановления по меньшей мере на 20%, даже для железного сырья, имеющего низкую степень металлизации, посредством его смешивания с коксом и загрузки смеси, по сравнению с вариантом, когда железное сырье не смешивали с коксом, как показано на фиг. 6(b).
Вышеприведенный факт показывает, что в процессе работы при загрузке железного сырья, имеющего низкую степень металлизации, способ загрузки, при котором железное сырье смешивают с твердым топливом (коксом), обеспечивает более высокий эффект восстановления железного сырья, чем способ работы, при котором его не смешивают с твердым топливом (коксом), и в результате может быть уменьшено количество шлака, образующегося при плавлении, а также может быть устранено так называемое "наслоение".
Что касается способа облегчения восстановления железного сырья, имеющего низкую степень металлизации, предназначенного для загрузки в периферийную часть печи и для повышения степени восстановления железного сырья перед плавлением, то он эффективен для добавления C в содержащий железо порошок для увеличения содержания C. Верхний предел содержания подлежащего добавлению C составляет около 20% от ограничения по составу.
На фиг. 3 приведен пример результатов изучения связи между средней степенью металлизации железного сырья и уровнем ηCO, при котором может быть успешно выполнено восстановление/плавление железного сырья. Хотя уровень ηCO отчасти изменяется в зависимости от содержания C, добавляемого в содержащий железо порошок, уровень ηCO можно считать способным к регулированию в зависимости от средней степени металлизации загружаемого сырья.
В качестве твердого топлива обычно используют кокс, однако, могут также использоваться сорта угля растительного происхождения, такие как антрацит.
Далее, на фиг. 7(а) - (d) приведены типичные примеры способов загрузки для крупнокусковой руды с примесью порошка, способной самовосстанавливаться крупнокусковой руды, крупнокускового восстановленного железа (HBI, DRI), железного скрапа, литейного скрапа, чугунных чушек (лом чушкового чугуна), руд, окатышей, восстановленного железного порошка и т.д. По этим способам, приведенным на фиг. 7(а) и 7(b), в центральную часть печи загружают железное сырье, имеющее высокую степень металлизации, то есть, чушковой чугун, железный скрап и крупнокусковое восстановленное железо и крупнокусковой кокс для добавления в коксовый слой и для науглероживания, а в периферийную часть печи загружают железное сырье, имеющее низкую степень металлизации (крупнокусковую руду с примесью порошка, способную самовосстанавливаться крупнокусковую руду, частично окисленное восстановленное железо, окатыши) в смеси с мелкокусковым коксом. Они предусматриваю процесс работы, имеющий высокую эффективность горения при низком расходе топлива и являющийся наиболее эффективным. Между прочим, что касается частично окисленной крупнокусковой восстановленной руды, то она может загружаться и в центральную часть печи, что показано на фиг. 7(с).
В случае, когда, например, через верх печи загружается большое количество восстановленного железного порошка, имеющего размер частиц 5 мм, процесс работы направлен на увеличение выхода железа, до некоторой степени в ущерб эффективности реакции внутри печи. Например, можно смешивать восстановленный железный порошок с мелкодисперсным твердым топливом и загружать смесь в периферийную часть печи и загружать железное сырье, имеющее низкую степень металлизации, такое как кусковая руда с примесью порошка, имеющая большой размер кусков, способная самовосстанавливаться крупнокусковая руда и т.п., в центральную часть печи. В этом случае необходимое для восстановления твердое топливо должно загружаться в центральную часть печи, и можно получить пользу за счет использования большого количества мелкодисперсного железного сырья, хотя скорость реакции внутри печи до некоторой степени снижается.
Таким образом, благодаря использованию способа раздельной загрузки в радиальном направлении можно осуществлять процесс работы, имеющий разнообразные функции, в соответствии с сортом и свойствами железного сырья.
Далее последует объяснение, почему эффективным является изменение уровня загрузки в вертикальной печи в соответствии с загружаемым количеством исходного сырья и топлива, подлежащим загрузке в радиальном направлении.
Например, когда в центральную часть печи загружается железный скрап, чушковое железо, литейный скрап и т.п., не требующие восстановления, предпочтительно, чтобы величина ηCO была как можно выше. Когда целью является достижение ηCO > по меньшей мере 70%, то приемлемый уровень загрузки (высота загрузки H от первичной фурмы)/(диаметр рабочего пространства печи D) составляет < 2,0. Когда загружается и плавится крупнокусковая руда с примесью порошка, способная к самовосстановлению крупнокусковая руда и восстановленное железо, необходимо снизить ηCO. Если в этом случае целью является, например, достижение ηCO = 50%, то уровень загрузки можно устанавливать до H/D = около 2,4. Таким образом, приемлемый уровень загрузки в радиальном направлении определяется в соответствии с сортом железного сырья.
Далее последует описание способа регулирования для поддержания высоты коксового слоя.
Причины, почему трудно регулировать высоту коксового слоя, состоят в следующем. Во-первых, коксовый слой находится в нижней части середины печи. Если расход кокса является неприемлемым, то плавление и восстановление невосстановленного количества FeO происходит в нижней части печи, и при этом расходуется коксовый слой, таким образом, происходит ненормальное потребление коксового слоя. Если происходит такое ненормальное расходование коксового слоя, особенно в самом низу центральной части печи, то возникает проблема с плавлением железного сырья, и возможна остановка процесса работы из-за затвердевания шлака, и так далее.
Таким образом, в центральную часть печи в основном загружается, как описано выше, железное сырье, имеющее высокую степень металлизации, то есть лом чушкового чугуна, железный скрап, литейный скрап и т.п., так что возникновение трудностей в процессе работы, связанных с плавлением/восстановлением в центральной части печи, и ненормальным расходованием коксового слоя в центре печи, ограничивается.
Для того, чтобы как можно больше сократить потери кокса, связанные с реакцией растворения, твердое топливо, загружаемое в центральную часть печи, отличается от твердого топлива, загружаемого в периферийную часть печи, и используется крупнокусковой кокс. Вследствие этого, ненормальное расходование коксового слоя в центральной части печи может быть ограничено, и процесс работы может происходить при высокой степени ηCO использования газа в нижней части печи.
Приемлемое положение установки фурмы верхней ступени выбирают в соответствии с различными параметрами, такими как размер частиц кокса, объем дутья и т.д., однако, основополагающей единой шкалой является уровень ηCO на участке вторичной фурмы 65% < ηCO < 90%.
Положение верхней границы коксового слоя варьируется в соответствии с сортом загружаемого железного сырья, а что касается загружаемого количества железного сырья, не требующего процесса восстановления, то верхнее положение границы регулируется на уровне ниже вторичной фурмы так, чтобы сократить насколько возможно расходование кокса. С другой стороны, в загружаемом количестве железного сырья, требующего процесса восстановления, верхнее положение границы коксового слоя предпочтительно находится выше вторичной фурмы. Так что ηCO у верхнего положения границы коксового слоя должно регулироваться в соответствии с пропорцией M.Fe/T.Fe для железного сырья.
Простым способом регулирования или мониторинга высоты коксового слоя является визуальное инспектирование участка вторичной фурмы и оценка по величине падения давления внутри печи. При инспектировании участка вторичной фурмы можно по меньшей мере определить, находится ли зона плавления выше или ниже вторичной фурмы. Верхнее положение границы коксового слоя может быть подтверждено путем определения падения давления между первичной и вторичной фурмами. Согласно примерам процесса работы падение давления между первичной и вторичной фурмами можно оценить как существенное, если граница верхней части коксового слоя находится ниже вторичной фурмы. Так что наличие зоны плавления повышает величину падения давления.
Высота коксового слоя может быть точно измерена посредством измерения показаний при опускании вертикального пробника, вставленного через верхнюю часть печи, или посредством железной проволоки. В случае использования вертикального пробника участок, в котором температура внутри печи сильно возрастает и достигает по меньшей мере 1200oC, соответствует участку верхней границы коксового сдоя, а в случае использования железной проволоки участок, в котором скорость опускания тормозится, соответствует участку верхней границы коксового слоя.
Далее последует объяснение причин, почему загрузка железного сырья, имеющего более низкую степень металлизации, в виде смеси с твердым топливом, использование кокса с мелким размером частиц для загрузки в периферийную часть печи и способ загрузки, при котором изменяют соотношение железное сырье/твердое топливо в радиальном направлении, эффективны для устранения так называемого "наслоения".
Как правило, когда используют большое количество содержащих железо порошков, возможно образование налипания на стенки печи. Например, реакция восстановления замедляется, и в результате образуются шлаки, содержащие большое количество FeO. Затем шлак в процессе плавления/восстановления как эндотермической реакции охлаждается и налипает на стенки печи. В другом случае большое количество содержащего FeO шлака переполняет нижнюю часть печи, и происходит его выброс и прилипание к стенкам печи. В следующем случае невосстановленный FeO плавится в верхней части печи из-за поступления высокотемпературного газа, окомковывается или оплавляется, находясь рядом с железным сырьем, и налипает на стенки печи. Во всех этих случаях большое количество расплавленного шлака образуется вблизи стенок печи и сопровождается адгезией, результатом которой является так называемое "наслоение".
Поэтому для того, чтобы избежать такого наслоения, необходимо сократить количество образовавшегося расплава в периферийной части печи и насколько возможно предотвратить возникновение взаимного контакта с ним находящегося поблизости железного сырья.
Для сокращения количества образовавшегося в периферийной части печи расплава следует повысить степень восстановления железного сырья, и в этой части эффективно смешивать железное сырье, которое подлежит загрузке в периферийную часть печи, с твердым топливом и загружать эту смесь. Предпочтительно, чтобы частицы твердого топлива в этом случае были мелкого размера. Так что, если загружается некоторое количество кокса, то количество частиц в твердом топливе, имеющем более мелкий размер частиц, больше, и взаимного контакта с железным сырьем можно по существу избежать. Между прочим, термин "твердое топливо с мелким размером частиц", используемый здесь, относится, например, к коксу для доменной печи (имеющему размер кусков не более 60 мм) и мелкокусковому коксу для доменной печи, имеющему размер частиц около 30 мм.
Эффективно также загружать твердое топливо в периферийную часть печи в большем количестве, чем количество твердого топлива, загружаемое в центральную часть печи. Для осуществления этого весовое соотношение железное сырье/твердое топливо должно быть разным для центральной и периферийной частей печи, и железное сырье, имеющее высокую степень металлизации, загружается в центральную часть печи с тем, чтобы сократить количество топлива, подлежащего загрузке в центральную часть, а количество кокса, загружаемого в периферийную часть, насколько возможно увеличивается.
Отношение твердого топлива, подлежащего загрузке в периферийную часть печи, до некоторой степени варьируется в зависимости от степени металлизации подлежащего загрузке железного сырья, такого как крупнокусковая руда с примесью порошка, способная к самовосстановлению крупнокусковая руда, восстановленное железо и так далее. В случае, когда использовали, например, 75% способной к самовосстановлению крупнокусковой руды, содержащей 12% C, 15% восстановленного железа и 10% железного скрапа, при проведении эксперимента было подтверждено, что наслоения можно избежать при условии, что, за исключением железного скрапа отношение железного сырья, не требующего восстановления, к твердому топливу, то есть (способная самовосстанавливаться крупнокусковая руда + восстановленное железо)/твердое топливо составляет не более 5.
Это условие соответствует случаю, когда отношение (вес металлического железа M.Fe в железном сырье)/твердое топливо < 1,24.
Когда используется железное сырье, имеющее низкую степень металлизации, то должно быть дополнительно увеличено количество твердого топлива, подлежащего загрузке в периферийную часть печи. Наоборот, когда используется железное сырье, имеющее высокую степень металлизации, то количество твердого топлива, подлежащего загрузке в периферийную часть печи, может быть сокращено.
Далее последует объяснение, почему является эффективным регулирование весового отношения C в твердом топливе, загружаемом в центральную часть печи, и Fe, содержащегося в железном сырье, в диапазоне 0,01 ≤ C/Fe ≤ 0,05, когда железное сырье, имеющее низкую степень металлизации, такое как твердое топливо с мелким размером частиц, восстановленное железо, способная к самовосстановлению крупнокусковая руда, крупнокусковая руда с примесью порошка и т.д. и твердое топливо загружаются в периферийную часть печи, в то время как железное сырье, имеющее высокую степень металлизации, такое как железный скрап, литейный скрап, чушковой чугун и т.д. и твердое топливо загружаются в центр печи.
Когда железное сырье, загружаемое в центральную часть печи, представляет собой железный скрап, литейный скрап или чушковой чугун, то железное сырье, за исключением железного скрапа, содержит C. Таким образом, необходимое для науглероживания количество C добавляется только к железному скрапу, и к этой добавке можно прибавить количество твердого топлива, которое требуется для замены частично сгоревшего топливного слоя. Величина науглероживания в железном скрапе внутри печи составляет от и до 4 вес.% от количества железного скрапа. Результаты экспериментов обнаруживают, что расходуемое количество коксового слоя в центральной части печи составляет около 10 кг/т (соответствующее приблизительно 0,01 в пропорциональном выражении).
Самое большое количество загружаемого кокса необходимо для железного сырья, подлежащего загрузке в центр печи, когда используется железный скрап. В этом случае, поскольку C/Fe - 0,02 - 0,04, то для науглероживания требуется 0,03 ≤ C/Fe ≤ 0,05, если в расчет принят также расход коксового слоя. Загружаемое количество кокса становится минимальным, когда в качестве железного сырья, подлежащего загрузке в центральную часть печи, загружается литейный скрап или чушковой чугун, но не загружается железный скрап. В этом случае нет необходимости в коксе для науглероживания, и твердое топливо может загружаться при соотношении C/Fe = 0,01, в соответствии с расходуемым количеством коксового слоя в центральной части печи. Поэтому загрузочная пропорция твердого топлива и железного сырья может быть получена посредством регулирования весового отношения C и Fe, содержащегося в твердом топливе, загружаемом в центральную часть печи, в диапазоне 0,01 ≤ C/Fe ≤ 0,05.
Что касается способа загрузки, то подтверждено, что загрузка в предварительно определенном количестве может выполняться путем использования дозатора в загрузочном устройстве конусообразного типа, например, при изменении весового отношения железное сырье/твердое топливо для каждой загрузки, и при выполнении первой загрузки в центральную часть печи и второй загрузки в периферийную часть печи. Когда в верхней части печи используется загрузочное устройство открытого типа, которое часто можно встретить в плавильных печах, таких как вагранка, оно обеспечивает эффективный способ раздельной загрузки, загрузка в центральную часть печи с помощью загрузочного устройства показана на фиг. 1(а) - (с).
В качестве способа предотвращения так называемого наслоения, независимо от степени металлизации железного сырья, можно использовать способ, по которому твердое топливо загружают только вблизи стенок печи, а железное сырье в виде смеси - во внутренней части, когда производится загрузка периферийной части печи, как показано на фиг. 7(d), хотя способ загрузки несколько усложняется. Более конкретно, один загрузочный цикл состоит из трех этапов загрузки, на первом этапе загрузки вблизи стенки периферийной части печи загружается только твердое топливо, смесь железного скрапа и твердого топлива загружается в центральную часть печи на втором этапе загрузки, а смесь железного сырья и твердого топлива загружается на третьем этапе загрузки. Таким образом, становится возможным предварительное планирование загрузки.
По настоящему изобретению положение границы между центральной частью печи и периферийной частью печи отчасти перемещается в радиальном направлении печи, в зависимости от степени металлизации железного сырья, размера частиц кокса и пропорционально используемому содержащему железо порошку.
Когда определяют количество железного сырья и твердого топлива, подлежащих загрузке в каждую часть печи, то положение границы ri между центральной и периферийной частями печи можно определить в соответствии со следующей формулой (6):
где ri - радиус безразмерной границы центральной части и периферийной части (-);
Wm (c) - вес железного сырья, загружаемого в центральную часть (кг/загрузка);
Wc (c) - вес твердого топлива, загружаемого в центральную часть (кг/загрузка);
Wm (p) - вес железного сырья, загружаемого в периферийную часть (кг/загрузка);
Wc (p) - вес твердого топлива, загружаемого в периферийную часть (кг/загрузка);
ρ
ρ
ρ
ρ
При этом радиус ri выражен в безразмерной форме и представляет собой положение границы, когда скорость опускания при загрузке является постоянной в центральной части и в периферийной части печи.
В качестве способа загрузки возможно использование различных методов при регулировании положения границы, выраженного посредством этой величины r1. Если используется загрузочное устройство конического типа, то предварительно определенная граница может быть установлена с помощью использования дозатора и выполнения при каждой загрузке попеременно и с повторением процесса загрузки в центральную часть печи и в периферийную часть печи, даже если при этом частично образуется слой смеси.
Далее здесь последует более подробное описание особенностей настоящего изобретения со ссылкой на примеры.
В следующих ниже примерах использована печь типа вертикальной печи с открытым верхом, имеющая конструкцию с двухступенчатыми фурмами и подвижным типом слоя, диаметр рабочего пространства которой составлял 1,4 м, количество первичных фурм было 6, вторичных фурм также было 6, а верхний предел положения уровня сырья находился в положении на 5,0 м выше первичной фурмы. Загрузочное устройство представляло собой тип, позволяющий выполнять раздельную загрузку в радиальном направлении печи.
При этом состав отходящего газа в верхней части печи определялся следующей формулой:
η
В числе параметров процесса работы содержание влаги в дутье составляло 15 г/N м3 как атмосферной влажности, и потребное удельное количество загружаемой через верх печи извести по отношению к шлаковой основе составляло = 1,0.
Подлежащее загрузке железное сырье представляло собой способную самовосстанавливаться руду, содержащую (4-20%) C (полученную смешиванием вторичной золы доменной печи и порошкового кокса с восстановленным железным порошком, имеющим размер не более 3 мм и размер кусков 40 мм х 20 мм х 30 мм), а крупнокусковая руда с примесью порошка, полученная смешиванием вторичной золы доменной печи как основного компонента и железного порошка после помола в мельнице и перемешивания, имеющегося в продаже железного скрапа и восстановленного железного порошка, имеющего размер частиц от 3 до 5 мм и 5 мм и более.
В качестве твердого топлива для периферийной части печи использовали мелкокусковой кокс для доменной печи с размером кусков около 30 мм, тогда как в качестве добавки для науглероживания в центральной части печи использовали крупнокусковой кокс, имеющий размер кусков около 80 мм.
В таблице приведены подробные результаты экспериментов.
Примеры 1(а) и 1(b) и Сравнительный пример 1 представляют собой процессы работы, в которых весовое отношение способная к самовосстановлению крупнокусковая руда (T. Fe= 59,5%, M.Fe/T.Fe=0,19, C=4%) : крупнокусковая руда с примесью порошка (T. Fe= 50,81%, M.Fe/T.Fe=0,057) : измельченный железный автомобильный скрап (T. Fe=90%, M.Fe/T.Fe=0,99) : восстановленная железная крупнокусковая руда (T.Fe=87%, M.Fe/T.Fe=0,80) = 50:10:30:10. Средняя степень металлизации загружаемого железного сырья составляла 56%. В примере 1(а) и 1(b) способную к самовосстановлению крупнокусковую руду, крупнокусковуто руду с примесью порошка и восстановленную крупнокусковую железную руду и мелкокусковой кокс смешивали и загружали в периферийную часть, а измельченный железный автомобильный скрап и крупнокусковой кокс для науглероживания загружали в центр. В Сравнительном примере 1 железное сырье и твердое топливо, описанные выше, были все целиком перемешаны и загружены. Однако, степень использования газа внутри печи имела низкий уровень ηCO= 20%, температура нагретого металла опустилась низко, и выпуск шлака был затруднен. В отличие от этого, в примерах 1(а) и 1(b), в которых использовали раздельный способ загрузки, степень использования газа была высокой, а температура нагретого металла выросла приблизительно до 1500oC, и стал возможным стабильный процесс работы. По сравнению с примером 1(а), пример 1(b) представляет собой случай, где крупнокусковой кокс, загружаемый в центральную часть, частично заменяли мелкокусковым коксом, и стал возможен процесс работы, имеющий более высокую эффективность, благодаря установке высоты коксового слоя в положение, близкое к тому, при котором температура горения газа достигает наивысшей величины, то есть, в положение 40 см от фурмы нижней ступени.
Пример 2 и Сравнительный пример 2 представляют собой примеры испытания восстановления/плавления при использовании 20 вес.% крупнокусковой руды с примесью порошка и 80 вес.% измельченного железного автомобильного скрапа. В то время как в Сравнительном примере 2 топливное сырье полностью смешивали и загружали в печь, в примере 2 регулировали уровень сырья. Примеры 2(b) и 2(d) представляют собой случай, когда 20 вес.% крупнокусковой руды с примесью порошка и мелкокусковой кокс смешали и загрузили в периферийную часть, а 80 вес.% измельченного железного автомобильного скрапа и крупнокусковой кокс для науглероживания загружали в центральную часть. Если в процессе работы в примере 2(b) крупнокусковой кокс частично был заменен мелкокусковым коксом, то пример 2(с) представляет собой случай, где фурма нижней ступени была выдвинута приблизительно на 20 см в печь, а диаметр фурмы изменили от 50 мм до 40 мм, а пример 2(d) представляет собой случай, где дутье увеличивали так, чтобы повысить скорость течения газа внутри печи до 0,8 м/сек. По сравнению со Сравнительным примером в примерах по настоящему изобретению можно было использовать большее количество мелкокускового кокса, и процесс работы мог быть более эффективным. Эти примеры подтверждают, что изменения уровня сырья и конструкции фурмы и оптимизация скорости газового потока внутри печи были эффективными.
Пример 3 и Сравнительный пример 3 представляют собой примеры процессов работы, где использовали соотношение способная самовосстанавливаться крупнокусковая руда (C 12%) : крупнокусковая руда с примесью порошка (C 4%) : измельченный железный автомобильный скрап: восстановленный железный порошок (T. Fe= 87%, M.Fe/T.Fe=0,80) - 50:10:30:10. Способную самовосстанавливаться крупнокусковую руду, крупнокусковую руду с примесью порошка, восстановленный железный порошок и мелкокусковой кокс смешали и загрузили в периферийную часть, а измельченный железный автомобильный скрап и крупнокусковой кокс для науглероживания загрузили в центральную часть. Средняя степень металлизации железного сырья составляла 56%, а степень металлизации железного сырья, загруженного в периферийную часть печи, соответствовала 29,6%.
Сравнительный пример 3 представляет собой случай, относящийся к уровню сырья при нормальных условиях процесса работы, то есть случай, когда уровень сырья был установлен в положение на 4,2 м выше первичной фурмы. Пример 3(а) представляет собой вариант, когда уровень сырья был установлен на 3,2 м, для того чтобы получить ηCO = 55% согласно формуле (1) и фиг. 3, пример 3(b) представляет собой вариант, когда уровень сырья изменяли в соответствии со степенью металлизации как в центральной, так и в периферийной частях в соответствии с формулой (1) и фиг. 3, пример 3(с) представляет собой вариант, когда температура дутья из первичной фурмы составляла 200oC, а обогащение кислородом равнялось 0%, пример 3(d) представляет собой вариант, когда дутье использовалось только на одной стадии при температуре дутья 550oC, пример 3(е) представляет собой вариант, когда в качестве способной самовосстанавливаться крупнокусковой руды использовали железное сырье, содержащее 20% C, а условия дутья изменяли, и пример 3(f) представляет собой вариант, где ηCO изменяли в соответствии с формулой (1) и фиг. 3, когда изменяли сорт загружаемого железного сырья. Во всех этих примерах, по сравнению со Сравнительным примером, процесс работы мог выполняться более удовлетворительно, и стало очевидно, что более высокую эффективность процесса работы можно получить посредством регулирования уровня сырья в радиальном направлении в соответствии с железным сырьем и посредством изменения температуры дутья.
Пример 4 и Сравнительный пример 4 представляют собой случаи, когда в центральную часть печи загружали 80 вес.% измельченного железного автомобильного скрапа и 20 вес.% боя чугунных изложниц вместе с крупнокусковым коксом, тогда как в периферийную часть загружали мелкокусковой кокс. Сравнительный пример представляет собой случай, когда уровень сырья установили на 4,2 м, а пример 4 представляет собой вариант, когда посредством изменения уровня сырья можно получить высокую эффективность процесса работы.
Пример 5 и Сравнительный пример 5 представляют собой случай, когда в центральную часть печи загружали 80 вес.% измельченного железного автомобильного скрапа и крупнокусковой кокс, тогда как в периферийную часть загружали 20% крупнокусковой руды с примесью порошка и мелкокусковой кокс. В Сравнительном примере 5 уровень сырья установили на 4,2 м, тогда как в примере 5 можно было получить высокую эффективность процесса работы посредством изменения уровня сырья.
Пример 6(b) представляет собой случай, когда в центральную часть печи загружали 100 вес.% измельченного железного автомобильного скрапа и крупнокусковой кокс, тогда как в периферийную часть загружали мелкокусковой кокс. Перед выполнением примера 6(b) железное сырье и кокс все целиком смешивали посредством процедуры, подобной той, которая обычно используется на вагранке, а затем полученную смесь загрузили, и процесс работы выполняли при установке коксового слоя на высоту около 1 м выше первичной фурмы, а уровень сырья на 4,2 м, как в обычном процессе работы (Сравнительный пример 6). В отличие от этого, хотя была загружена целиком вся смесь, процесс работы выполняли путем установки высоты коксового слоя на 60 см выше первичной фурмы, а уровень сырья на 3 м, так чтобы получить ηCO = 80-90% на верхнем уровне коксового слоя, с учетом того, что средняя скорость газового потока внутри печи составляла 0,7 м/сек (пример 6(а)). В Сравнительном примере 6 процесс работы можно было выполнять только при низком уровне ηCO, около 20%, а соотношение кокса неизбежно должно было расти, с другой стороны, в варианте примера 6(а) процесс работы мог выполняться при ηCO = 50%, даже когда использовали большое количество мелкокускового кокса. Было подтверждено таким образом, что регулирование уровня коксового слоя, как и уровня сырья было эффективным. В примере 6(b)A смогли получить более высокое ηCO (>90%) посредством раздельной загрузки в радиальном направлении, и было подтверждено, что можно осуществлять процесс работы с более высокой эффективностью (см. фиг. 8).
Пример 7 представляет собой случай, когда не был использован железный скрап, а использовали большое количество мелкодисперсного восстановленного железного порошка.
Для обеспечения проницаемости газа внутри печи в случае, когда в качестве железного сырья загружали 50% C-содержащей крупнокусковой руды с примесью порошка, содержащей 7% C, и 50% восстановленного железного порошка, имеющего размер частиц от 3 до 5 мм, C-содержащую крупнокусковую руду с примесью порошка смешивали с мелкокусковым коксом и загружали в центральную часть печи, тогда как восстановленный железный порошок также смешали с мелкокусковым коксом, имеющим размер кусков 30 мм, и загрузили в периферийную часть. Как C-содержащая крупнокусковая руда с примесью порошка, так и восстановленный железный порошок имели степень металлизации (M.Fe/T.Fe) 60%. Для достижения в процессе работы ηCO = 50% коксовый слой был установлен в положение на 1,0 м выше первичной фурмы, а уровень сырья был установлен в положение на 3,0 м выше первичной фурмы.
Перед началом процесса работы по примеру 7 C-содержащая крупнокусковая руда с примесью порошка и восстановленный железный порошок все целиком были смешаны, и процесс работы выполнили сам по себе, без регулирования коксового слоя и уровня сырья как Сравнительный пример 7. В этом Сравнительном примере 7 внутреннее давление в печи превысило 2500 мм водяного столба, и продолжать процесс работы стало трудно. С другой стороны, в примере 7 внутреннее давление переместилось до уровня 1800 мм водяного столба, и исходная задача - процесс работы при величине ηCO приблизительно 50% мог выполняться стабильно (фиг. 9).
Применение в промышленности
В настоящем изобретении предложен способ эксплуатации, имеющий более высокую эффективность, и, благодаря разработке этого способа, процесс можно выполнять непрерывно, горение становится более эффективным, и можно использовать экономичные виды твердого топлива, имеющего частицы более мелкого размера, в способе эксплуатации, использующем новый способ загрузки топливного сырья при производстве чушкового чугуна с использованием содержащего железо порошка и/или железного скрапа в качестве основного сырьевого материала. Поэтому процесс работы может выполняться с большей эффективностью и при более низких расходах топлива.
Сущность: способ эксплуатации вертикальной печи включает загрузку в печь железного сырья, имеющего низкую степень металлизации и поэтому требующего восстановления, железного сырья, имеющего высокую степень металлизации и поэтому не требующего ничего, кроме плавления, и твердого топлива, и продувку печи через фурму содержащим кислород газом при нормальной или повышенной температуре вплоть до 600oС для восстановления и плавления железного сырья. Определяют оптимальную величину ηCO (степень использования газа) по средней степени металлизации железного сырья и работу вертикальной печи контролируют так, чтобы отходящий из печи газ имел оптимальную величину ηCO. Контроль выполняют посредством регулирования высоты загрузки, высоты коксового слоя, объема дутья, диаметра фурмы и положения выдвижения фурмы, используя многоступенчатые фурмы и раздельную загрузку в радиальном направлении. Таким образом восстановление и плавление железного сырья может выполняться эффективно при низком расходе топлива. 3 с. и 15 з.п.ф-лы, 1 табл, 19 ил.
1,5 • C% < ηCO - 0,7 • (средняя Feмет/Feобщ) < 3,0 • C%, (1)
где C - содержание C в железном сырье, вес.%, при этом 0% < С% < 20%;
ηCO - степень использования газа, %;
средняя Feмет/Feобщ - средняя степень металлизации, полученная по средневзвешенному значению для нескольких сортов железного сырья.
1,5 • C% < ηCO - 0,7 • (средняя Feмет/Feобщ) < 3,0 • C%, (1)
где C - содержание C в железном сырье, вес.%, при этом 0% < С% < 20%;
ηCO - степень использования газа, %;
средняя Feмет/Feобщ - средняя степень металлизации железного сырья, полученная по средневзвешенному значению для нескольких сортов железного сырья,
при этом упомянутую степень использования газа контролируют посредством регулирования по меньшей мере одного из параметров процесса, таких, как высота коксового слоя, объем дутья, диаметр фурмы и положение выдвижения фурмы.
1,5 • C% < ηCO - 0,7 • (средняя Feмет/Feобщ) < 3,0 • C%, (1)
где C - содержание C в железном сырье, вес.%, при этом 0% < С% < 20%;
ηCO - степень использования газа, %;
средняя Feмет/Feобщ - средняя степень металлизации, полученная по средневзвешенному значению для нескольких сортов железного сырья.
Приоритет по пунктам:
16.05.96 по пп.1 - 3, 5 - 8, 10 - 18;
17.04.96 по пп.4 и 9.
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| SU A, 825644, 30.04.81 | |||
| Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
| Способ крашения тканей | 1922 |
|
SU62A1 |
| Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков | 1922 |
|
SU6A1 |
