СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА Российский патент 2000 года по МПК C21B11/00 C21B13/14 

Изобретение относится к способу получения жидкого металла, в частности чушкового чугуна или жидких полуфабрикатов стали, из загрузочных веществ, состоящих из руды, в частности железной руды, и из флюсов, в котором руду непосредственно восстанавливают в губчатый металл как минимум в одной зоне восстановления, губчатый металл плавят вместе с флюсами в плавильно-газификационной зоне при подаче носителей углерода и кислородсодержащего газа, и вырабатывается CO- и H₂-содержащий технологический газ, служащий восстановительным газом, который подают в зону восстановления, где он вступает в реакцию и затем выводится, при этом шлакообразующие флюсы, в частности карбонат кальция, доломит и т.д., кальцинируют с помощью технологического газа в зоне кальцинирования, которая отделена от зоны восстановления и плавильно-газификационной зоны; а также к установке для осуществления этого способа.

Известен способ примешивания к руде шлакообразующих веществ, таких как CaCO₃, доломит и т.д., и осуществления кальцинирования в то же время и в той же емкости, что и восстановление руды, то есть в зоне восстановления, где кальцинирование осуществляется с помощью восстановительного газа. В многоступенчатом технологическом процессе восстановления, то есть когда имеется несколько последовательно соединенных зон восстановления, полное кальцинирование происходит лишь на последней стадии, если только на этой стадии восстановительный газ имеет температуру, необходимую для полного кальцинирования. Недостаток этого способа заключается в ухудшении качества восстановительного газа и в том, что за счет процесса кальцинирования, являющегося эндотермическим, снижается температура восстановительного газа. Другой недостаток состоит в том, что при восстановлении тонкоизмельченной руды шлакообразующие добавки должны иметь примерно такой же размер зерна, чтобы псевдоожиженный слой, образуемый тонкоизмельченной рудой в восстановительном реакторе, оставался практически ненарушенным. Крупнозернистые флюсы в данном случае использованы быть не могут.

Из DE-A-4240197 известен способ вышеописанного типа, в котором шлакообразующие добавки обрабатывают в отдельной кальцинирующей зоне кальцинатора, при этом для кальцинирования используют восстановительный газ, вырабатываемый в плавильно-газификационном аппарате. В соответствии с DE-A-4240197, кальцинированные флюсы загружают в зону восстановления восстановительного реактора и вместе с уже частично восстановленной рудой продвигают далее по восстановительной шахте и, наконец, загружают в плавильно-газификационный аппарат вместе с восстановленной рудой.

Еще один недостаток этого способа заключается в том, что размер зерна флюсов не может выбираться свободно. Напротив, размер зерна или диапазон размеров зерна флюсов должен соответствовать размеру зерна или диапазону размеров зерна тонкоизмельченной руды, проходящей через восстановительную шахту. Кроме того, неправильно выбранный размер зерна может неблагоприятно влиять на процесс восстановления, в частности полного восстановления, поскольку характер течения сырья и газа, а также температурный профиль при загрузке флюсов нарушаются.

Изобретение направлено на устранение этих недостатков и трудностей и ставит своей целью создание способа вышеописанного типа, а также установки для осуществления этого способа, обеспечивающих применение шлакообразующих добавок с любым желаемым размером зерна. В частности, процесс восстановления руды не должен нарушаться при введении флюсов, а также должно быть допустимым использование крупнозернистых флюсов, так, чтобы в плавильно-газификационной зоне обеспечивалась удовлетворительная пористость.

В способе вышеописанного типа эта цель достигается за счет того, что кальцинирующая зона размещена в технологической цепочке параллельно зоне восстановления относительно движения сырья, и кальцинированные флюсы подают непосредственно в плавильно-газификационный аппарат.

Если имеется достаточное количество горячего технологического газа, то кальцинирующую зону удобно также разместить параллельно зоне восстановления относительно движения газа: технологический газ после отвода из плавильно-газификационной зоны предпочтительно очищать и охлаждать, и затем часть технологического газа подавать в зону восстановления, а часть технологического газа подавать в зону кальцинирования.

Технологический газ, который после выхода из зоны кальцинирования все еще остается очень горячим, примешивают к технологическому газу, выходящему из зоны восстановления и предпочтительно используют для предварительного подогрева и/или частичного восстановления руды в зоне предварительного восстановления.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом способа, зона кальцинирования размещена в технологической цепочке после зоны восстановления относительно движения технологического газа, так что технологический газ проходит сначала через зону восстановления, а затем через зону кальцинирования.

Поскольку в этом варианте технологический газ уже до некоторой степени охлажден, то в зону кальцинирования предпочтительно подают кислородсодержащий газ, и часть технологического газа сжигают.

Установка для осуществления этого способа, включающая как минимум один восстановительный реактор, в который в одном направлении через транспортировочный трубопровод вводят руду, а в противоположном направлении через питающий трубопровод восстановительного газа вводят восстановительный газ, а также включающая плавильно-газификационный аппарат, в который входит транспортировочный трубопровод для ввода продукта восстановления из восстановительного реактора, и который оснащен питающими трубопроводами для ввода кислородсодержащих газов и носителей углерода, а также отводом для жидкого металла и шлака и питающим трубопроводом восстановительного газа, открывающимся в восстановительный реактор для подачи в него восстановительного газа, вырабатываемого в плавильно-газификационном аппарате, отличается тем, что кальцинатор размещен в технологической цепочке параллельно восстановительному реактору относительно движения твердых веществ, причем кальцинатор соединен по течению с плавильно-газификационным аппаратом посредством питающего трубопровода, подающего в плавильно-газификационный аппарат кальцинированные вещества.

Из питающего трубопровода восстановительного газа, который ведет к восстановительному реактору, предпочтительно выходит боковой трубопровод, идущий в кальцинатор.

В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения, в питающем трубопроводе восстановительного газа имеются средства газовой очистки, а боковой трубопровод выходит из питающего трубопровода восстановительного газа в точке, расположенной после средств газовой очистки.

Другой предпочтительный вариант исполнения отличается тем, что кальцинатор соединен по течению с реактором предварительного подогрева руды при помощи трубопровода отработанного газа.

Одно из удобств заключается в том, что из восстановительного реактора выходит отводной трубопровод для прореагировавшего восстановительного газа, а от упомянутого отводного трубопровода отходит боковой трубопровод, ведущий в кальцинатор, причем в кальцинатор предпочтительно открывается трубопровод для кислородсодержащего газа.

Кальцинатор предпочтительно выполнен в виде шахтной печи, или цилиндрической барабанной печи, или движущейся колосниковой решетки, или многоподовой печи, или одноступенчатого или многоступенчатого реактора с псевдоожиженным слоем, или газового циклона, или в виде многоступенчатого каскада газовых циклонов.

Далее изобретение будет описано более подробно на примере двух вариантов исполнения, представленных на рисунках, где фиг. 1 и фиг. 2, лишь в качестве примеров, представляют собой схематическое изображение установки для производства расплавов металла, в частности чушкового чугуна или жидких стальных полуфабрикатов.

Установка по фиг. 1, а также по фиг. 2 включает три восстановительных реактора, соединенных последовательно и имеющих конструкцию реакторов с псевдоожиженным слоем 1-3. Руду, по меньшей мере часть которой составляет тонкоизмельченное сырье, такое как сырье, содержащее оксид железа, например тонкоизмельченную руду, через питающий трубопровод 4 руды подают в первый реактор с псевдоожиженным слоем 1, в котором, на стадии предварительного подогрева 5, осуществляют предварительный подогрев тонкоизмельченной руды и, возможно, ее частичное восстановление, после чего сырье переходит из реактора с псевдоожиженным слоем 1 в реактор с псевдоожиженным слоем 2, 3 через транспортировочный трубопровод 6. В реакторе с псевдоожиженным слоем 2, на стадии предварительного восстановления 7, осуществляют частичное восстановление, а в реакторе с псевдоожиженным слоем 3, на стадии окончательного восстановления 8, осуществляют окончательное, или полное, восстановление тонкоизмельченной руды в губчатое железо с помощью восстановительного газа на каждой стадии.

Через транспортировочный трубопровод 9 полностью восстановленный материал, то есть губчатое железо, подают в плавильно-газификационный аппарат 10. Внутри плавильно-газификационного аппарата 10, в плавильно-газификационной зоне 11, из носителей углерода, например угля, и кислородсодержащего газа вырабатывается CO- и H₂-содержащий технологический газ, служащий восстановительным газом, который подают в реактор с псевдоожиженным слоем 3, расположенный последним в направлении движения тонкоизмельченной руды. Затем восстановительный газ противотоком относительно движения руды, а именно - через соединительный трубопровод 13, подают из реактора с псевдоожиженным слоем 3 в реактор с псевдоожиженным слоем 2 и 1, выводят из реактора с псевдоожиженным слоем 1 в виде колошникового газа через отводной трубопровод колошникового газа 14 и затем охлаждают и очищают во влажном скруббере 15. После этого его можно подавать потребителю.

Плавильно-газификационный аппарат 10 оснащен питающим трубопроводом 16 для твердых носителей углерода, питающим трубопроводом 17 для кислородсодержащих газов, а также, возможно, питающими трубопроводами для носителей углерода, являющихся жидкими или газообразными при комнатной температуре, таких как углеводороды, и для кальцинированных флюсов. Внутри плавильно-газификационного аппарата 10, ниже плавильно-газификационной зоны 11, собираются расплавленный чушковый чугун (или расплавленные стальные полуфабрикаты) и расплавленный шлак, которые отводят через отвод 18.

В питающем трубопроводе восстановительного газа 12, выходящем из плавильно-газификационного аппарата 10 и входящем в реактор с псевдоожиженным слоем 3, имеется обеспыливающее устройство 19, например циклон горячего газа, и частицы пыли, отделяемые в этом циклоне, подают в плавильно-газификационный аппарат 10 через возвратный трубопровод 20, при посредстве азота в качестве транспортировочного средства, и проходят через горелку 21 при нагнетании кислорода.

Возможность регулирования температуры восстановительного газа обеспечивается трубопроводом рециркуляции газа 22, которым предпочтительно оснащена установка и который выходит из питающего трубопровода восстановительного газа 12 и служит для подачи части восстановительного газа обратно в упомянутый питающий трубопровод восстановительного газа 12 через скруббер 23 и компрессор 24, в точке, расположенной впереди циклона горячего газа 19.

Для регулирования температуры предварительного подогрева тонкоизмельченной руды предусмотрена возможность подачи на стадию предварительного подогрева 5, то есть в реактор с псевдоожиженным слоем 1, кислородсодержащего газа, такого как воздух или кислород, через трубопровод 25, за счет чего осуществляется частичное сжигание прореагировавшего восстановительного газа, подаваемого на стадию предварительного подогрева 5.

В соответствии с вариантом выполнения, изображенным на фиг. 1, имеется отдельный кальцинатор 26, который включен в установку параллельно реакторам с псевдоожиженным слоем 1-3 относительно движения материала, то есть относительно шлакообразующих добавок, загружаемых в кальцинатор 26 через питающий трубопровод 27, и относительно транспортировки кальцинированных флюсов в плавильно-газификационный аппарат 10 через питающий трубопровод. В качестве технологического газа для операции кальцинирования, восстановительный газ отбирают от питающего трубопровода восстановительного газа 12 и подают в зону кальцинирования 26' кальцинатора 26 через боковой трубопровод 29. Отработанный газ, выходящий из кальцинатора 26, примешивают к колошниковому газу при помощи трубопровода отработанного газа 30, входящего в отводной трубопровод колошникового газа 14, или используют для предварительного подогрева и/или частичного восстановления в реакторе с псевдоожиженным слоем 1, для чего отработанный газ, который отводят из кальцинатора 26, направляют в реактор с псевдоожиженным слоем 1 через питающий трубопровод отработанного газа 31. Последний предпочтительно входит в соединительный трубопровод 13, который идет в упомянутый реактор с псевдоожиженным слоем 1 и через который прореагировавший восстановительный газ из реактора с псевдоожиженным слоем 2 проходит в реактор с псевдоожиженным слоем 1.

Если необходимо воздух или другой кислородсодержащий газ, или же чистый кислород, может быть подан в кальцинатор 26 через трубопровод 32, за счет чего происходит частичное сжигание восстановительного газа, подаваемого в кальцинатор 26, так что его температура увеличивается, и процесс кальцинирования может происходить в желаемом режиме.

Подача кальцинированных флюсов в плавильно-газификационный аппарат 10 может быть осуществлена через отдельный питающий трубопровод 33, открывающийся или непосредственно в плавильно- газификационный аппарат 10, как показано на фиг. 1, или в транспортировочный трубопровод 9 для губчатого железа, или же в питающий трубопровод 16 для твердых носителей углерода.

В соответствии с вариантом выполнения, показанным на фиг. 2, кальцинатор 26 также размещен параллельно реакторам с псевдоожиженным слоем 1-3 относительно движения материала, но относительно движения газа кальцинатор 26 размещен последовательно с реакторами 1-3. Для использования в качестве технологического газа в операции кальцинирования, в кальцинатор 26 подают колошниковый газ, который отводят из отводного трубопровода колошникового газа 14 через боковой трубопровод 34, оснащенный компрессором 35. Чтобы получить температуру, необходимую для процесса кальцинирования, в кальцинатор 26 через питающий трубопровод 32 подают воздух или кислородсодержащий газ, или же кислород, за счет чего происходит частичное сжигание восстановительного газа, и таким образом осуществляется требуемый подъем температуры.

Таким образом, изобретение дает следующие преимущества:
Для шлакообразующих флюсов снимаются ограничения относительно размеров зерна; может быть использован любой желаемый размер зерна, в частности, крупнозернистые флюсы, так как в данном случае внутри псевдоожиженного слоя в плавильно-газификационном аппарате 10 не происходит снижения пористости.

Другое существенное преимущество заключается в том, что во время восстановительного процесса не происходит никаких изменений состава восстановительного газа ни на одной из стадий 5 (предварительного подогрева) и/или 7,8 (восстановления).

Обеспечивается возможность использования колошникового газа, который еще обладает некоторой теплотворной способностью.

Температурный профиль флюсов не оказывает влияния на зоны восстановления.

Сущность: руду и флюс подают в зону восстановления и руду восстанавливают в губчатый металл, который затем плавят вместе с флюсами в плавильно-газификационной зоне при подаче носителей углерода и кислородсодержащего газа. В этой зоне одновременно вырабатывается СО- и H₂-содержащий технологический газ, служащий восстановительным газом, который подают в зону восстановления, где он вступает в реакцию и затем выводится. Предусмотрено кальцинирование шлакообразующих флюсов, в частности карбоната кальция, доломита и т. д., с помощью технологического газа в зоне кальцинирования, которая отделена от зоны восстановления плавильно-газификационной зоны. Чтобы получить возможность использования шлакообразующих флюсов любого желаемого размера зерна без нарушений процесса восстановления, зона кальцинирования размещена в технологической цепочке параллельно зоне восстановления и плавильно-газификационной зоне относительно движения сырья. Кальцинированные флюсы подают непосредственно в плавильно-газификационный аппарат. Устройство содержит кальцинатор, соединенный с плавильным газификационным аппаратом посредством питающего трубопровода. Реализация изобретения позволит использовать шлакообразующие добавки с любым размером зерна при достаточно простом оборудовании. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения жидкого металла, в частности чушкового чугуна или жидких полуфабрикатов стали из руды, в частности железной, и флюсов, включающий восстановление руды до губчатого металла в как минимум одной зоне восстановления, последующее его плавление в плавильно-газификационной зоне при подаче носителей углерода и кислородсодержащего газа с получением H₂ и СО-содержащего восстановительного газа, кальцинирование флюсов в зоне кальцинирования, отделенной от зоны восстановления, подвод получаемого в плавильно-газификационной зоне восстановительного газа в зону восстановления и в зону кальцинирования для восстановления руды и кальцинирования флюсов и его отвод, отличающийся тем, что зона кальцинирования расположена параллельно зоне восстановления относительно движения материала, а флюсы из зоны кальцинирования подают непосредственно в плавильно-газификационный аппарат. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зона кальцинирования размещена параллельно зоне восстановления относительно движения восстановительного газа. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что восстановительный газ из плавильно-газификационной зоны подвергают очистке и охлаждению, после чего часть его подают в зону восстановления, а часть - в зону кальцинирования. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что газ, выходящий из зоны кальцинирования примешивают к газу, выходящему из зоны восстановления. 5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что газ, выходящий из зоны кальцинирования, используют для предварительного подогрева и/или частичного восстановления руды в зоне предварительного восстановления. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что зона кальцинирования размещена последовательно после зоны восстановления относительно движения восстановительного газа, который проходит сначала через зону восстановления, а затем через зону кальцинирования. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в зону кальцинирования подают кислородсодержащий газ и сжигают часть восстановительного газа. 8. Установка для получения жидкого металла, в частности чугуна или жидких стальных полуфабрикатов стали, содержащая как минимум один восстановительный реактор, оборудованный транспортировочным трубопроводом для вводы руды, кальцинатор и плавильно-газифицированный аппарат, оборудованный питающими трубопроводами для кислородсодержащего газа и носителей углерода и средствами для отвода жидкого металла и шлака, и соединенный с восстановительным реактором посредством транспортировочного трубопровода для ввода в плавильно-газификационный аппарат восстановленного продукта из восстановительного реактора и питающего трубопровода для подачи восстановительного газа из плавильно-газификационного аппарата в восстановительный реактор в направлении, противоположном движению руды, отличающаяся тем, что кальцинатор размещен параллельно восстановительному реактору относительно движения руды и соединен с плавильно-газификационным аппаратом через питающий трубопровод, подающий в него кальцинированные вещества. 9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что питающий трубопровод для подачи восстановительного газа из плавильно-газификационного аппарата в восстановительный реактор выполнен с боковым трубопроводом, соединенным с кальцинатором. 10. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что питающий трубопровод для подачи восстановительного газа из плавильно-газификационного аппарата в восстановительный реактор снабжен средствами очистки газа, после которых расположен боковой трубопровод, соединенный с кальцинатором. 11. Установка по п.9 и 10, отличающаяся тем, что она содержит реактор предварительного подогрева для руды и кальцинатор соединен с ним через трубопровод отработанного газа. 12. Установка по п.9, отличающаяся тем, что восстановительный реактор оснащен отводным трубопровод для прореагировавшего газа с боковым трубопроводом, соединенным с кальцинатором. 13. Установка по п. 12, отличающаяся тем, что к кальцинатору подведен трубопровод для подачи кислородсодержащего газа. 14. Установка по одному или нескольким пп.8 - 13, отличающаяся тем, что она дополнительно включает по меньшей мере один дополнительный восстановительный реактор с псевдоожиженным слоем, при этом реакторы размещены последовательно и оборудованы транспортировочным трубопроводом для подачи руды из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор в одном направлении и питающим трубопроводом для подачи восстановительного газа от одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем в противоположном направлении, при этом плавильно-газификационный аппарат соединен транспортировочным трубопроводом для подачи восстановленного продукта и питающим трубопроводом для подачи восстановительного газа в противоположных направлениях с реактором с псевдоожиженным слоем, расположенным последним в направлении движения руды. 15. Установка по одному или нескольким пп.8 - 14, отличающаяся тем, что кальцинатор выполнен в виде шахтной печи, или цилиндрической барабанной печи, или движущейся колосниковой решетки, или многоподовой печи, или одноступенчатого, или многоступенчатого реактора с псевдоожиженным слоем, или газового циклона, или в виде многоступенчатого каскада газовых циклонов.