СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО УГЛЕРОДИСТОГО МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Российский патент 2003 года по МПК C21B13/12 

Способ относится к металлургии, а именно к получению жидкого углеродистого металла на основе железа без применения агломерации руд и коксования углей.

Традиционный аглококсодоменный цикл обладает существенными и принципиально неустранимыми недостатками.

Доменная плавка требует производства узкоспецифического промежуточного продукта - кокса из особых углей, запасы которых ограничены. В ЮАР их 6-8% от общих, в Китае - 6% при полном отсутствии природного газа. Не лучше положение в Корее, Австралии, Индии. Японская металлургия работает целиком на привозном сырье. В СНГ коксующиеся угли недефицитны - 58% общих запасов. Однако ввиду естественного несоответствия марочного состава залежей составу шихт для коксования применяется межбассейновая шихтовка, включающая убыточные встречные перевозки углей в условиях протяженных коммуникаций [1]. Экономичность производства железа определяется полнотой использования теплотворной способности углерода в агрегате. Углерод обладает необычным термохимическим свойством, выделяя при начальном окислении менее 40% теплотворной способности (эта особенность сродства углерода к кислороду не находит объяснения до сих пор, хотя попытки истолкования предпринимались [2]). Этому свойству углерода как энергоносителя не отвечает принцип доменной плавки: переход СО в СО₂ в шахте - главный потенциальный источник энергии - ограничен равновесиями металл - оксиды, а горн нагревается наименее выгодным образом, окислением С до СО. Сжигание газа вне печи и использование теплоты горения для нагрева дутья ограничено огнеупорностью купольной кладки воздухонагревателей. Таким путем используется не более 35% колошникового газа.

Отмечаемое обстоятельство, с одной стороны, объясняет сходство энергозатрат в аглококсодоменном цикле и в процессах с использованием электроэнергии: коэффициент преобразования энергии первичного топлива в электрическую составляет 0,31-0,37, причем для ее производства пригодно любое топливо.

С другой стороны, рассматриваемое обстоятельство стимулирует поиски рационального способа производства железа с учетом отмеченной аномалии.

Известны попытки дожигания газа с применением в низкошахтных печах двухрядного дутья. Неудачной была попытка дожигания газа, отходящего из электродуговой печи, в подготовительной камере, с нагревом шихты на наклонном ("глетчерном") поду. Для той же цели также предлагалось использовать низкошахтную печь НИИЦемента. Дожигание газа при наличии в системе свободного углерода неосуществимо ввиду неизбежной регенерации СО при взаимодействии CO₂ с углеродом.

Освоение в последние годы производства рудоугольных материалов (брикеты и окатыши) из тонкодисперсных компонентов открывает новые возможности. Сугубо количественные отличия этих материалов от рудоугольных шихт (степень дисперсности компонентов, площадь поверхности контакта реагентов) сообщили системе новые качества. Здесь интенсивное восстановление в объеме брикета совместимо с высоким окислительным потенциалом в межкусковых полостях, т.е. возможно доокисление газа в агрегате восстановления, недостижимое при раздельной загрузке. Обе зоны разделены защитной газовой оболочкой вокруг брикета, возникающей и непрерывно возобновляющейся в процессе.

Производство рудоугольных брикетов или окатышей хорошо освоено, и процессы с их использованием заведомо осуществимы.

В запатентованном способе, являющемся наиболее близким аналогом заявленного [3], брикеты изготавливают из тонкодисперсных компонентов, подают их в закрытую индукционную тигельную электропечь, дожигают выделяющийся газ кислородом или воздухом в объеме над ванной и передают тепло дожигания в зону реакции излучением свода. Этот способ предусматривает погружение в расплав индукционной печи единого крупного рудоугольного брикета неограниченной длины, изготовляемого с помощью шнекового (ленточного) пресса типа применяемых в промышленности огнеупоров. Априори предполагали, что в гомогенной смеси тонкодисперсных компонентов брикета процесс протекает с одинаковой скоростью повсюду в его объеме. Практически это означает, что производительность агрегата не зависит от размера брикетов и определяется только темпом загрузки.

При проведении опытных плавок проплавляли рудоугольные брикеты массой 17 кг, длиной 0,8-1,2 м в тигельной индукционной печи емкостью 250 кг мощностью 320 кВт. Процесс вели при температуре 1570-1690^oС при темпе погружения брикета 0,5 мм/с. Было проплавлено 50 брикетов и получено около 300 кг малоуглеродистого (0,1%) железа. По местным условиям отходящий газ не сжигался. Поэтому, а также из-за высоких потерь тепла, при использовании столь малотоннажного агрегата шлак не плавился и содержал до 45% FeO. Эти недостатки вполне устранимы при использовании печей большей емкости, что продемонстрировано в аналогичном процессе [4].

Задача изобретения и его сущность состоят в создании таких условий использования рудоугольных материалов (режим работы, выбор агрегата), при которых процесс протекал бы с интенсивностью, многократно более высокой, чем достигнутая в промышленной практике.

Заявляемый способ включает изготовление из тонкодисперсных компонентов рудоугольных материалов - окатышей или брикетов, подачу их в закрытую индукционную тигельную электропечь, дожигание выделяющегося газа кислородом или воздухом в объеме над ванной, передачу тепла дожигания в зону реакции излучением свода и плавление. Компоненты шихты для изготовления рудоугольных материалов и металлодобавки дозируют в расчете на получение металла, содержащего не более 3% С, при крупности рудоугольных материалов не более 2,5 см.

Способ предусматривает переработку рудоугольных материалов в индукционной тигельной электропечи на промышленной частоте. В пользу такого выбора свидетельствует сравнение с электродуговыми и индукционными канальными печами.

Индукционные печи по ряду параметров предпочтительнее дуговых. Их работа сопровождается меньшими колебаниями электрического режима. При заданной подводимой мощности температуру металла легко регулировать скоростью подачи сырья. Здесь отсутствуют зоны высоких температур, как под электрическими дугами, и легче избежать перегрева и угара металла. Интенсивная циркуляция металла в индукционной печи обеспечивает высокую теплоотдачу шихте. Электрический и термический кпд мощных индукционных печей сопоставимы с коэффициентами дуговых: соответственно 0,87 и 0,81, что дает сквозной коэффициент 0,70 [5] . Капитальные и эксплуатационные затраты на производство стали в индукционных и дуговых печах близки, но при непрерывности процесса затраты в первом случае ниже благодаря упрощению конструкции зданий и газоочистки, устранению расходов на борьбу с шумом, на огнеупоры и обслуживание.

Канальные индукционные печи обладают некоторыми преимуществами перед тигельными. Их электрический кпд при плавке чугуна достигает 95%, а коэффициент мощности 0,8. Выпуск без наклона канальных печей обеспечивает стабильность температурного режима работы футеровки и исключает механические напряжения в ней при сливах.

Тем не менее, канальные печи существенно проигрывают тигельным в связи с вынужденным расположением индуктора по горизонтальной оси печи для перегона металла из секции загрузки в зону реакции, либо ниже подины для нагрева ванны с использованием конвекции [6, 7]. Здесь отсутствуют условия для возбуждения вихревых токов Фуко, которые в тигельных печах вызывают интенсивную циркуляцию металла, существенно ускоряющую процесс: плотность теплового потока к поверхности брикета здесь достигает 2 ГВт/м². Здесь также реализуется наивыгоднейшее сочетание агрегатных состояний реагентов - восстановление железа из твердых оксидов растворенным в металле углеродом, а также необычайно быстрое растворение железа в ванне. От восстановительной плавки процесс отличается развитием карботермического восстановления до расплавления оксидной фазы. Дожигание газа над расплавом и передача тепла излучением свода обеспечивает плавление шлака, невосприимчивого к индукционному нагреву. Вопросы шлакоудаления при индукционной плавке, выбора связующих и другие обсуждены в [8].

Существенный вклад в понимание механизма процесса внесли исследования последнего времени [9, 10]. Рудоугольные брикеты крупностью 10-25 мм нагревали в лабораторной трубчатой печи в струе азота, последовательно извлекая их для анализа. В отсутствие жидкометаллического растворителя железо образовывало оболочку, содержало 1,7% С и легко отделялось от шлака, содержавшего всего 0,18% FeO. Оказалось, что из-за поглощения тепла реакцией
Fe₂O₃+3С=2Fe+3СО-4,19 МДж/т Fe
процесс в ядре брикета отстает, его скорость определяется кондуктивным теплоподводом к брикету сквозь пористые полупродукты, т.е. зависит от суммарной площади наружной поверхности брикета и интенсивности нагрева.

Использование единого крупного рудоугольного брикета нерационально ввиду малой удельной площади поверхности реагирования, приходящейся на единицу массы. Предлагаемое ограничение крупности загружаемого материала позволяет существенно увеличить интенсивность плавки.

Если, например, цилиндрический брикет заменить шаровидными брикетами той же плотности, то для сохранения темпа загрузки брикетов их потребуется
n=3HD²/(2d³),
где n - количество шаровидных брикетов, шт.;
Н, D - соответственно длина и диаметр заменяемого цилиндрического брикета;
d - диаметр шаровидного брикета (окатыша).

При D=0,12 м и Н=1 м (типа брикетов, изготовленных на Макеевском металлургическом заводе) и замене их окатышами крупностью 2,5 см (обычной при производстве на тарельчатых грануляторах) эквивалентное их количество составит 1383 шт. Площадь поверхности и интенсивность плавки возрастут при этом более чем в 7 раз.

Не менее существенным фактором ускорения процесса оказалось ограничение содержания углерода в ванне. Работа [11] показала, что при насыщении металла углеродом скорость восстановления парадоксально снижается до значений, присущих восстановлению свободным углеродом, в десятки раз. Скорость восстановления железа из вюститного расплава растворенным в железе углеродом в зависимости от активности углерода в железе приведена на чертеже. По-видимому, здесь играет роль зародышеобразование, тормозящее влияние которого устраняется растворением зародышей восстановленного железа в ванне. Растворение в ней даже компактного металла происходит со скоростью, на 3 порядка более высокой, чем вытекающая из теории конвективной диффузии (установлено методом вращающегося диска с равнодоступной поверхностью [12]). Отсутствие общепринятого объяснения этих закономерностей не мешает использовать их в процессах, включающих рассматриваемые стадии, например в заявляемом. Учитывая сильную антибатную зависимость скорости процесса от содержания (активности) углерода в жидкометаллической фазе, это содержание нецелесообразно доводить до насыщения. Между тем, это практиковалось практически во всех аналогах способа. Исходные компоненты рудоугольных материалов следует дозировать в расчете на содержание не более 3% С в ванне (желательно 2-3% С). Например, при температуре расплава 1570^oС и активности углерода в ванне около 0,2 скорость восстановления в ванне по сравнению с наличием свободного углерода будет больше примерно в 7 раз (см. чертеж). Это в совокупности с фактором увеличения реакционной поверхности в 7 раз дает почти 50-кратное ускорение процесса (49 раз).

При шихтовке загружаемых материалов следует учитывать также состав и количество металлодобавок, переплав которых в данном случае совместим с основным процессом. Изобретенный способ позволяет утилизировать вторичный металлолом, для чего непригодны ни доменные печи, ни конвертеры, и сократить масштабы мартеновского производства, которым в СНГ выплавляется до 40% стали. В стране накоплено более 2 млрд. т металлофонда. Это позволяет ежегодно перерабатывать 60-70 млн. т вторичного сырья. Способ расширяет арсенал средств для этой цели. Индукционные печи в настоящее время используются как переплавные. Здесь предлагается использование их по новому назначению.

Источники информации
1. Щедрин В.М. Основы альтернативной металлургии железа: теоретические и экспериментальные предпосылки. // Сталь - 2001 - 12 - с.8-13.

2. Щедрин В. М. Закономерности процессов получения железа. // Ин-т металлургии АН СССР - М.1991 - Деп. в ВИНИТИ 05.08.91, 3340 - В91.

3. Щедрин В.М., Орехов А.П. Способ прямого получения железа. Патент РФ 2080391, кл. 6 С 21 В 13/00. Опубл. 27.05.97. Бюл. 15.

4. Elwander H.I., Edenwall L.A. et al. Boliden Inred process for smelting reduction of fine-grained iron oxides and concentrates. // Ironmaking and Steelinaking - 1979. - 5 - р.236-244.

5. Schwabe W. E., Robinson C.G. Report on ultrahigh power operation of electric steel furnaces. // Journal of Metals. - 1967 - v.19, - 4 - p.67-75.

6. Fourie L.F. Steelmaking process. US patent 5411570 C1, C 21 C 5/28, May 2, 1995.

7. Фаури Л.И. (ЮАР). Способ получения стали и устройство для его осуществления. Патент РФ, 2127316, кл. 6 С 21 С 5/52, С 21 В 13/12, Заявл. 15.06.94.

8. Щедрин В.М. Прямое получение железа: пути решения проблемы. // Ин-т металлургии АН СССР. - М., 1992. - Деп. в ВИНИТИ 30.10.92, 3150 - В92.

9. Matsumura Т. , Takenaka Y. et al. Direct production of molten iron from carbon composite iron ore pellet. // La Revue de Metallurgie - CJT. - 1998 - 3 - p.341-351.

10. Sun S. , Lu W.-K. A theoretical investigation of kinetics and mechanisms of iron ore reduction in an ore / coal composites. // ISIJ Intern. - 1999 - v.39 - 2, - p.123-129.

11. Sato A. , Aragane G. et al. Reducing rates of molten iron oxide by solid carbon or carbon in molten iron. // Transactions of the Iron a. Steel Institute of Japan. - 1987 - v.27 - p.789-796.

12. Билецкий А. К., Верховлюк А.М., Должиков А.А. Кинетика растворения стали и ферросплавов в жидком чугуне. // Адгезия расплавов и пайка материалов. - 1986 - 17 - с.66-69.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению жидкого углеродистого металла на основе железа без применения агломерации руд и коксования углей. Способ включает изготовление из тонкодисперсных компонентов рудоугольных материалов - окатышей или брикетов, подачу их в закрытую индукционную тигельную электропечь, дожигание выделяющегося газа кислородом или воздухом в объеме над ванной, передачу тепла дожигания в зону реакции излучением свода и плавление. Компоненты для изготовления рудоугольных материалов и металлодобавки дозируют в расчете на получение металла, содержащего не более 3% С. Крупность рудоугольных материалов не превышает 2,5 см. Изобретение позволит протекать процессу с интенсивностью, многократно более высокой, чем достигнутая в промышленной практике. 1 ил.

Способ производства жидкого углеродистого металла на основе железа, включающий изготовление из тонкодисперсных компонентов рудоугольных материалов - окатышей или брикетов, подачу их в закрытую индукционную тигельную электропечь, дожигание выделяющегося газа кислородом или воздухом в объеме над ванной, передачу тепла дожигания в зону реакции излучением свода и плавление, отличающийся тем, что компоненты для изготовления рудоугольных материалов и металлодобавки дозируют в расчете на получение металла, содержащего не более 3% С, а крупность рудоугольных материалов не превышает 2,5 см.