СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА Российский патент 2001 года по МПК C21B13/00 

Изобретение относится к способу получения губчатого железа путем прямого восстановления измельченного материала, содержащего оксид железа, где восстановительный газ, образующийся в плавильно-газификационной зоне из носителей углерода и кислородсодержащего газа, вводят в зону восстановления, которая содержит материал, содержащий оксид железа.

Из EP-A 0594557 известен процесс получения расплавленного чушкового чугуна из загрузочных веществ в виде железных руд и флюсов, и по крайней мере частично включающих мелкозернистую фракцию, где загрузочные вещества подвергают прямому восстановлению в губчатое железо в как минимум одной зоне восстановления, в плавильно-газификационной зоне при подаче носителей углерода и кислородсодержащего газа плавится губчатое железо и образуется восстановительный газ, который вводят в зону восстановления, где он вступает в реакцию и выводится в виде экспортного газа. Этот способ допускает экономичное использование мелкозернистой руды за счет того, что первоначально гематитовые и/или магнетитовые мелкозернистые руды и/или их пыль подвергают предварительному нагреву способом псевдоожиженного слоя в зоне предварительного нагрева, и нагретые таким образом загрузочные вещества практически полностью восстанавливаются в как минимум одной последовательно расположенной зоне восстановления способом псевдоожиженного слоя, после чего загрузочные вещества путем принудительной транспортировки загружают в псевдоожиженный слой плавильно-газификационной зоны и там плавят.

Способ упомянутого выше типа известен из EP-A 0217331. В этом способе прямого восстановления мелкозернистой руды используют газ, прошедший обеспыливание в циклоне и в основном содержащий CO и H₂.

Как правило, губчатое железо, получаемое прямым восстановлением материала, содержащего оксид железа, в соответствии с этой известной технологией, имело низкое содержание углерода, в количестве около 1%. Однако для дальнейшей обработки губчатого железа предпочтительно более высокое содержание углерода, чтобы иметь возможность экономии энергии при плавлении губчатого железа и в последующем процессе фришевания, так как отсутствует необходимость дополнительного ввода углерода (науглероживания).

В связи с этим, изобретение ставит своей задачей модификацию способа описанного выше типа таким образом, чтобы губчатое железо имело повышенное содержание углерода, предпочтительно в количестве от 1 до 4%, особенно предпочтительно более 2,5%.

В соответствии с изобретением, эта задача решается путем сочетания следующих отличительных особенностей:
- в зону восстановления подают восстановительный газ, который включает от 20 до 100 г/Нм³ пыли с содержанием углерода от 30 до 70 мас.%, и
- материал, содержащий оксид углерода, подвергают воздействию восстановительного газа в течение периода времени, который превышает период, требуемый для полного восстановления.

Способ производства губчатого железа с содержанием углерода от 0,5 до 2,5% уже известен из WO-A 93/14228; более конкретно, в этом известном способе для регулирования количества углерода используются небольшие количества природного газа, при этом природный газ подают непосредственно в реактор с псевдоожиженным слоем. Однако эта мера сама по себе малоэффективна, так как полное разложение природного газа не достигается при температурах восстановления, предусмотренных для прямого восстановления.

Из US-A 5137566 известен способ получения высококонцентрированного карбида железа из железной руды с помощью восстановительного газа и науглероживающего газа, где, в связи с чувствительностью процесса образования карбида железа ко времени, для превращения дается более длительное время пребывания в реакционной зоне. За счет одного лишь повышения времени пребывания материала, содержащего оксид железа, в зоне прямого восстановления значительно снижается производительность, т.е. происходит существенное снижение выработки восстановленного материала в единицу времени. Следовательно, этот способ требует довольно больших затрат, и поэтому получаемый таким образом карбид железа используется в процессах сталеварения только в виде добавок, тогда как цель, которая должна быть достигнута по изобретению, состоит в том, чтобы все губчатое железо, используемое для сталеварения, имело повышенное содержание углерода, т.е. губчатое железо с повышенным содержанием углерода, вырабатываемое таким образом, не только использовалось в качестве добавки при сталеварении, но и составляло основной материал для этого процесса.

Из US-A Re-32237 известен способ превращения материала, содержащего оксид железа, в карбид железа на первом этапе и затем непосредственного производства стали из карбида железа на втором этапе. В этом известном способе для восстановления используют водородсодержащий восстановительный газ, а для образования карбида железа - углеродсодержащий материал. Один из недостатков, связанных с этим способом, заключается в полном превращении железа в карбид железа, что также требует больших энергетических затрат (существенного потребления углеродсодержащего материала при прямом восстановлении).

В соответствии с изобретением восстановительный газ, вырабатываемый в плавильно-газификационном аппарате, используют для восстановления мелкозернистой руды, причем содержание пыли в упомянутом газе составляет от 20 до 100 г/Нм³, а содержание углерода в пыли - от 30 до 70 мас.%. Содержание пыли и содержание углерода регулируют при помощи циклона горячего газа и при помощи носителя углерода, или путем примешивания, например, металлургического кокса, коксовой мелочи или нефтяного кокса, в плавильно-газификационный аппарат. Возможна также загрузка смесей различных видов угля, склонных к расщеплению (декрепитации) с различной степенью интенсивности. Полностью восстановленную мелкозернистую руду подвергают воздействию этого специфического восстановительного газа до достижения желаемого содержания углерода. Изобретение основано на понимании того, что содержание углерода в полностью восстановленной мелкозернистой руде увеличивается по экспоненциальному закону, если она подвергается воздействию специфического восстановительного газа сверх того времени, которое требуется для полного восстановления.

Восстановительный газ, подаваемый в зону восстановления, предпочтительно содержит от 40 до 90 г/Нм³ пыли.

Другой предпочтительный вариант способа по изобретению состоит в том, что пыль, содержащаяся в восстановительном газе, имеет содержание углерода от 45 до 55 мас.%.

В способе по изобретению прямое восстановление может быть осуществлено в двух или нескольких последовательно расположенных реакторах с псевдоожиженным слоем, а восстановительный газ может подаваться в реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный последним в направлении течения материала, содержащего оксид железа, и затем противотоком относительно течения материала, содержащего оксид железа, проходит через этот реактор и через остальные реакторы с псевдоожиженным слоем.

Увеличение содержания углерода в губчатом железе может быть достигнуто за счет того, что при прямом восстановлении время пребывания материала, содержащего оксид железа, увеличивается по сравнению с минимальным временем пребывания, требуемым для полного восстановления такого материала.

Однако увеличение содержания углерода может также быть достигнуто за счет того, что восстановление осуществляют при повышенном удельном количестве восстановительного газа по сравнению с минимальным удельным количеством газа, требуемым для полного восстановления материала, содержащего оксид железа.

Далее изобретение будет описано более подробно при помощи примерного варианта осуществления, схематически представленного на прилагающемся чертеже, где показана установка, в которой может осуществляться предпочтительный вариант способа по изобретению.

Установка оснащена тремя реакторами с псевдоожиженным слоем 1-3, расположенных последовательно, где мелкозернистая руда через трубопровод подачи руды 4 подается в первый реактор с псевдоожиженным слоем 1, в котором на стадии предварительного нагрева 5 осуществляется предварительный нагрев мелкозернистой руды и, возможно, предварительное восстановление, а затем передается из первого реактора с псевдоожиженным слоем 1 в реактор с псевдоожиженным слоем 2, 3 через транспортировочные трубопроводы 6. Предварительное восстановление осуществляется в реакторе с псевдоожиженным слоем 2 на стадии предварительного восстановления 7, а окончательное восстановление мелкозернистой руды в губчатое железо происходит в реакторе с псевдоожиженным слоем 3 на стадии окончательного восстановления 8.

Через транспортировочный трубопровод 9 полностью восстановленный материал, т.е. губчатое железо, передается в плавильно-газификационный аппарат 10. Восстановительный газ, содержащий CO, H₂ и углеродсодержащую пыль, вырабатывается из угля и кислородсодержащего газа в плавильно-газификационной зоне 11 внутри плавильно-газификационного аппарата 10, а затем при помощи питающего трубопровода восстановительного газа 12 через циклон горячего газа 19 вводится в реактор с псевдоожиженным слоем 3, расположенный последним в направлении течения мелкозернистой руды. При помощи соединительных трубопроводов 13, противотоком относительно течения руды, восстановительный газ последовательно передается из реактора с псевдоожиженным слоем 3 в реакторы с псевдоожиженным слоем 2 и затем 1, выводится из реактора с псевдоожиженным слоем 1 в виде доменного газа через отводной трубопровод доменного газа 14, а затем охлаждается и очищается во влажном скруббере 15.

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 (например, углеводородов), являющихся жидкими или газообразными при комнатной температуре, и для отработанных флюсов. В плавильно-газификационном аппарате 10 ниже плавильно-газификационной зоны 11 собираются расплавленный чушковый чугун или расплавленный полуфабрикат стали и расплавленный шлак, которые отводятся через отвод 18.

В питающем трубопроводе восстановительного газа 12, выходящем из плавильно-газификационного аппарата 10 и открывающемся в реактор с псевдоожиженным слоем 3, имеется циклон горячего газа 19, предназначенный для регулирования количества пыли в восстановительном газе, которое должно обеспечиваться по изобретению, при этом частицы пыли, отделяемые в упомянутом циклоне, подаются в плавильно-газификационный аппарат 10 через рециркуляционный трубопровод 20, при помощи азота в качестве транспортировочной среды, и проходят через горелку 32 при нагнетании кислорода.

Реактор с псевдоожиженным слоем 2, в котором происходит предварительное восстановление мелкозернистой руды, снабжается равным количеством восстановительного газа, но с меньшим восстановительным потенциалом, который, однако, вполне достаточен для предварительного восстановления. Поскольку достигаемая степень восстановления обрабатываемого материала здесь ниже, чем на окончательной стадии восстановления 8, то здесь не наблюдается "спекания". Прореагировавший восстановительный газ, выходящий из этого реактора с псевдоожиженным слоем 2, передается в скруббер 26 через трубопровод 13. Часть промытого и прореагировавшего восстановительного газа выводится через отводной трубопровод экспортного газа 27, а другая часть передается на стадию предварительного нагрева 5, т. е. в реактор с псевдоожиженным слоем 1, через трубопровод 13.

Возможность регулирования температуры восстановительного газа, которая должна составлять 750-950^oC, предпочтительно 800-850^oC, увеличивается благодаря возвратному трубопроводу газа 29, который предусмотрен в предпочтительной конструкции и который выходит из питающего трубопровода восстановительного газа 12; через скруббер 30 и компрессор 31 он передает часть восстановительного газа обратно в этот питающий трубопровод восстановительного газа 12, а именно, в точку, расположенную перед циклоном горячего газа 19.

С целью регулирования температуры предварительного нагрева мелкозернистой руды можно подавать кислородсодержащий газ, такой как воздух или кислород, на стадию предварительного нагрева 5, т.е. в реактор с псевдоожиженным слоем 1, через трубопровод 32, за счет чего осуществляется частичное сгорание прореагировавшего восстановительного газа, подаваемого на стадию предварительного нагрева 5. Регулируя частичное сгорание, можно управлять температурой мелкозернистой руды на стадии предварительного нагрева таким образом, чтобы оптимизировать температуры на последующих стадиях восстановления 7, 8.

Изобретение не ограничивается примерным вариантом осуществления, показанным на чертеже, и может быть различным образом модифицировано. Например, число реакторов с псевдоожиженным слоем может выбираться в зависимости от реальных требований.

Пример
В установке по фиг. 1 в плавильно-газификационный аппарат загружается 31,4 т/ч угля, имеющего химический состав, представленный в табл. I, с целью получения 40 т/ч чушкового чугуна, и газифицируется 31240 Нм³/ч O₂.

В эту же установку загружается мелкозернистая руда (гематит; размер зерна < 8 мм) в количестве 58,6 т/ч, с составом, представленным в табл. II, а также флюсы в количестве 8,6 т/ч в соответствии с табл. III.

В плавильно-газификационном аппарате 10 вырабатывается восстановительный газ в количестве 63440 Нм³/ч с температурой 1000-1200^oC. Этот газ выводится из плавильно-газификационного аппарата 10 и его температура доводится до 800^oC путем примешивания восстановительного газа, который был охлажден в скруббере 30. После выхода из циклона 19 восстановительный газ имеет состав, представленный в табл. IV.

Путем регулирования времени пребывания этого восстановительного газа на стадии окончательного восстановления 8 можно регулировать содержание углерода в губчатом железе. Связь между временем пребывания и содержанием углерода показана на фиг. 2, где ось абсцисс показывает время пребывания в минутах, а ось ординат - содержание углерода в губчатом железе в мас.%.

На фиг. 2 кривая A относится к удельному потреблению восстановительного газа 1500 Нм³/т руды. Кривая В относится к удельному потреблению восстановительного газа 1200 Нм³/т руды. Из фиг. 2 также видно, что содержание углерода в губчатом железе увеличивается при увеличении как времени пребывания, так и удельного потребления восстановительного газа.

Из вышеизложенного становится ясно, что такое повышенное содержание углерода может быть достигнуто только в том случае, если мелкозернистая руда полностью восстанавливается и затем некоторое время продолжает подвергаться воздействию восстановительного газа. Связь между степенью восстановления и содержанием углерода в губчатом железе показана на фиг. 3, где степень восстановления (Fe_Мет/Fe_общ) в % представлена осью абсцисс, а содержание углерода (мас.%) - осью ординат. Кривая C относится к восстановлению при 850^oC, а кривая D - к восстановлению при 800^oC.

Из фиг. 3 видно, что содержание углерода увеличивается только при полном восстановлении руды, при этом "полное восстановление" понимается как максимально достижимая степень восстановления в данных восстановительных условиях. Кривая С соответствует руде, которая была полностью восстановлена при 850^oC до степени восстановления около 90-92%, а кривая D соответствует руде, которая была полностью восстановлена при 800^oC до степени восстановления около 85-87%. Если такая полностью восстановленная руда продолжает оставаться в контакте с восстановительным газом, используемым по изобретению, это приведет лишь к незначительному повышению степени восстановления, в то время как содержание углерода возрастет весьма существенно. Следовательно, таким способом можно получать губчатое железо с повышенным содержанием углерода.

Способ получения губчатого железа включает прямое восстановление измельченного материала, содержащего оксид железа, восстановительным газом, образующимся в плавильно-газификационной зоне из носителей углерода и кислородсодержащего газа. Восстановительный газ содержит от 20 до 100 г/Нм³ пыли с содержанием углерода от 30 до 70 мас.%, а материал, содержащий оксид железа, подвергают воздействию восстановительного газа в течение периода времени, который превышает период, требуемый для полного восстановления, что обеспечивает возможность получения губчатого железа с повышенным содержанием углерода. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 табл.

1. Способ получения губчатого железа путем прямого восстановления измельченного материала, содержащего оксид железа, согласно которому восстановительный газ, образующийся в плавильно-газификационной зоне из носителей углерода и кислородсодержащего газа, вводят в зону восстановления, которая содержит материал, содержащий оксид железа, отличающийся тем, что в зону восстановления подают восстановительный газ, который включает 20 - 100 г/Нм³ пыли с содержанием углерода 30 - 70 мас.%, и материал, содержащий оксид железа, подвергают воздействию восстановительного газа в течение периода времени, который превышает период, требуемый для полного восстановления. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановительный газ, подаваемый в зону восстановления, содержит пыли 40 - 90 г/Нм³. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пыль, содержащаяся в восстановительном газе, имеет содержание углерода 45 - 55 мас.%. 4. Способ по одному или нескольким пп.1-3, отличающийся тем, что прямое восстановление осуществляют в двух или нескольких последовательно расположенных реакторах с псевдоожиженным слоем, а восстановительный газ подают в реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный последним в направлении течения материала, содержащего оксид железа, и затем противотоком относительно течения материала, содержащего оксид железа, проходит через этот реактор и через остальные реакторы с псевдоожиженным слоем. 5. Способ по одному или нескольким пп.1-4, отличающийся тем, что при прямом восстановлении время пребывания увеличено по сравнению с минимальным временем пребывания, требуемым для полного восстановления материала, содержащего оксид железа. 6. Способ по одному или нескольким пп.1-5, отличающийся тем, что восстановление осуществляют при повышенном удельном количестве восстановительного газа по сравнению с минимальным удельным количеством газа, требуемым для полного восстановления материала, содержащего оксид железа.