СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА И ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВА ЖЕЛЕЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК C21B13/14 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения восстановлением железа в противотоке с продуктами конверсии метана и прямого получения железоуглеродистых сплавов с помощью плазменной технологии.

Известен способ получения губчатого железа в шахтной печи, при котором металлизацию окатышей проводят восстановительным газом, а частично на свежевосстановленном горячем губчатом железе при вдувании смеси природного газа и окислителей в промежуточную зону печи, расположенную между зонами восстановления и охлаждения, при этом оптимальный расход метана в промежуточную зону регулируют в зависимости от каталитических свойств шихты, а именно: при содержании CaO-MgO в шихте, равном 0,2%, расход метана устанавливают равным 200 м³/ч на 1 м³ рабочего пространства промежуточной зоны, а при увеличении содержания CaO-MgO на каждый процент в пределах 0,2-4,2% расход метана увеличивают на 135-385 м³/ч·м (Патент СССР №1751991, кл. С21В 13/02, опубл. Бюл. №21, 1995).

В данном способе для проведения конверсии метана в печи его необходимо подавать в определенной взаимосвязи по характеристикам смеси с окислителями, которые, в свою очередь, должны быть генерированы с заданными физическими параметрами. Эти условия требуют дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат и применения при этом реактора для реформирования природного газа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят способ прямого получения железа, включающий предварительное восстановление железорудной шихты в твердом состоянии в печи предварительного восстановления, последующую загрузку в расплавовосстановительную печь и довосстановление в расплаве посредством подачи природного топлива и газообразного окислителя, обеспечивающего его сгорание над поверхностью расплава, отвод отходящих из расплавовосстановительной печи газов, их охлаждение и подачу в печь предварительного восстановления, при этом отходящий из расплава восстановительной печи газ перед подачей в печь предварительного восстановления для его частичного реформирования смешивают на выходе из печи с газообразным восстановителем, имеющим высокую температуру, при этом температуру газообразной смеси поддерживают в диапазоне 1200-1550°С. Далее газ из печи предварительного восстановления очищают от окислителей, смешивают с реформированным газом и подают в нижнюю часть печи предварительного восстановления. Газ из печи предварительного восстановления после очистки от окислителей делят на две части, одну из которых смешивают с реформированным газом и подают в верхнюю часть печи предварительного восстановления, а другую - с природным газом и подают в нижнюю часть печи предварительного восстановления. По другому варианту очистке от окислителей подвергают только первую часть газа, отходящего из печи предварительного восстановления, а вторую часть не очищают от окислителей, смешивают с природным и реформированным газами и подают в нижнюю часть печи (Патент СССР №1609456, кл. С21В 13/14, опубл. Бюл. №43, 1990).

Однако взаимодействие соединений железа и восстановительного газа по данному способу происходит недостаточно интенсивно, не всегда оптимальным образом, в результате чего не обеспечивается достаточно высокая степень восстановления, кроме того, данный способ имеет низкую эффективность плавления из-за нерационального использования природного газа, так как его подачу и сгорание осуществляют над поверхностью расплава. При сгорании газ обладает окислительным потенциалом и не может создать качественную восстановительную атмосферу, обеспечить высокоскоростное протекание химических реакций восстановления. Необходимость подачи в этом случае большого количества топлива в реактор для полного восстановления железорудной шихты ограничивает интерес к разработке и использованию такого способа.

Известно устройство для восстановления зернистых, содержащих оксиды железа частиц с помощью восстановительного газа для получения частиц железа прямого восстановления, имеющих регулируемое содержание углерода, включенного в них, содержащее реактор для восстановления с движущимся слоем, имеющий зону восстановления, контур для восстановительного газа, предназначенный для циркуляции, по меньшей мере, большей части газа, выходящего из верхней части зоны восстановления реактора для кондиционирования и обогащения и возврата его в виде улучшенного рециркулирующего восстановительного газа в зону восстановления реактора, причем контур включает в себя зону восстановления, устройство для охлаждения и очистки газа, предназначенное для охлаждения и очистки газа, выходящего из верхней части реактора, насос для обеспечения циркуляции восстановительного газа через указанный контур и реактор, устройство для удаления диоксида углерода из рециркулирующего восстановительного газа, нагреватель газа для повышения температуры потока газа, циркулирующего через указанный контур, средство для регулирования содержания воды в рециркулирующем восстановительном газе, при этом устройство содержит средство для добавления природного газа в указанный контур для восстановительного газа и средство для смешивания рециркулирующего и природного газа и регулирования количества рециркулирующего газа перед поступлением восстановительного газа в реактор (Патент России №2190022, кл. С21В 13/02, заявка №2000111525/02 от 10.10.97, опубл. Бюл. №27, 2002, заявка РСТ IB 97/01457 от 10.10.1997, публикация WO 99/19520 от 22.04.1999).

Данное устройство позволяет получать железо прямого восстановления и изготавливать брикеты при температуре 100°С, насыщенные углеродом, которые требуют дальнейшего передела, например плавки в электродуговой печи, что повышает расход энергоносителей и снижает эффективность процесса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принято устройство для производства железоуглеродистого сплава, содержащее реактор для предварительного восстановления железоокисного материала и соединенный с ним реактор для получения железоуглеродистого сплава, включающий узел ввода предварительно восстановленного материала, узлы выпуска железоуглеродистого сплава и шлака, средства для вдувания кислорода в расплав и отвода газообразных продуктов реакции, причем реактор для получения железоуглеродистого сплава выполнен закрытым, с возможностью ограничения впуска в него атмосферных газов и отвода газообразных продуктов реакции и снабжен дополнительными средствами вдувания кислорода в пространство над ванной расплава и дополнительным узлом, оборудованным средствами ввода легирующих веществ (Патент Росси №2060281, кл. С21В 13/14, заявка №5052777, опубл. Бюл. №14, 1996).

Недостатком конструкции устройства является низкая эффективность восстановления железной руды, так как в продуктах конверсии присутствуют окислы. Кроме того, конструкция устройства не обеспечивает достаточную интенсивность тепло- и массообмена.

В основу первого из группы изобретений поставлена задача усовершенствования способа, в котором на подвижный слой железорудной шихты воздействуют восстановительной плазмой, периодически отделяют из потока частично восстановленный материал для его плавления, а остальной поток подвергают горячему брикетированию, при обеспечении повышенной степени обработки реакционных газов в плазме с добавлением природного газа, и за счет этого обеспечивается снижение общих энергетических затрат, улучшается степень использования газа и степень восстановления железорудного материала.

В основу второго из группы изобретений поставлена задача усовершенствования установки для восстановления и выплавки металлов, в которой за счет компоновки конструкции установки, включающей вертикальный восстановительный реактор с подвижным слоем железорудной шихты, оборудованный плазмохимическим газогенератором, плазменные плавильные печи, связанные между собой закрытыми перепускными каналами, и установку для брикетирования восстановленного материала с газопроводами и дополнительными узлами расхода и давления газа, и за счет этого обеспечивается эффективная и стабильная реакция восстановления, улучшается эффективность воздействия восстановительного газа, уменьшаются затраты на процесс получения металла и брикетов.

Первая поставленная задача решается тем, что в способе прямого восстановления оксидов железа и получения расплава железа, включающем предварительное восстановление железорудной шихты в твердом состоянии в восстановительном реакторе, последующую загрузку в плавильную зону восстановленного материала и довосстановление в расплаве, использование отходящих из плавильной зоны газов для получения восстановительной газовой смеси, формирование в восстановительном реакторе температурных зон нагрева и восстановления, согласно изобретению, довосстановление и расплавление осуществляют в нескольких плазменных плавильных печах, одну восстановительную зону образуют в средней части восстановительного реактора отходящими из его верхней части газами, которые после сухой очистки конвертируют в плазмохимическом газогенераторе, причем из отходящего газа отбирают часть потока, обрабатывают в блоке подготовки и подают в плазмотроны плазмохимического газогенератора для конверсии природным газом и водой, получают в нем СО и Н₂ заданной концентрации, а над первой зоной формируют вторую восстановительную зону, в которой в качестве восстановительного газа используют очищенный газ, отходящий из плазменных плавильных печей, в которых восстановленный материал расплавляют путем его нижней продувки, нагретым в плавильных плазмотронах восстановительным газом, образованным за счет конверсии отходящего из верхней части восстановительного реактора газа природным газом и водой, а выпуск восстановленного материала из восстановительного реактора осуществляют двумя потоками - для брикетирования и для загрузки плазменных плавильных печей, при этом поток восстановленного материала для брикетирования охлаждают подготовленным отходящим газом, а неохлажденный высокотемпературный поток восстановленного материала непосредственно направляют для последующего плавления в плазменные плавильные печи, при этом производительность восстановительного реактора подбирают исходя из планируемого объема получения готового жидкого металла, а предварительный нагрев новых порций шихты, загружаемых в восстановительный реактор, осуществляют путем сжигания части восстановительного газа в дополнительном воздушном потоке, который вдувают в шихту отдельными струями по периметру реактора в верхней части столба шихты.

Процесс прямого восстановления металлосодержащей руды протекает в реакторе непрерывного действия, вертикального типа с перемещением материала сверху вниз, в котором совмещены во времени подача материала, окислительно-восстановительные процессы, выпуск восстановленного материала, утилизация тепла и подавление вредных выбросов.

Способ включает также производство расплавленного металла с использованием закрытых плазменных плавильных печей, которые поочередно загружают восстановленным материалом заданного объема, материал плавят восстановительными плазменными струями, образованными конверсией в плазмотроне природного газа водой и кислородсодержащим газом до достижения температуры расплава, превышающей температуру его плавления на 100-120°С, а готовый расплавленный металл и шлак сливают в ковш.

Способ предусматривает восстановление материала высокотемпературными зонами с использованием газов, отходящих из восстановительного и плавильного реакторов. Одну восстановительную зону образуют в средней части восстановительного реактора отходящими из его верхней части газами, которые после сухой очистки конвертируют в плазмохимическом газогенераторе, причем часть потока обрабатывают в блоке подготовки и подают в плазмотроны плазмохимического газогенератора для конверсии природным газом и водой и получения в нем заданной концентрации СО и Н₂, а над первой зоной, параллельной ей, формируют вторую зону, в которой в качестве восстановительного газа используют очищенный газ, отходящий из плазменных плавильных печей.

Благодаря применению новых, высокоэнтальпийных источников восстановительной плазмы в момент превращения углеводородов окислителями, практически полному использованию отходящих из плавильных печей и из восстановительного реактора газов, обеспечивается повышенная эффективность преобразования углеводородсодержащего газа в восстановительный газ, равномерная и постоянная степень металлизации, производство расплавленного металла и металлизированных брикетов при непрерывном технологическом процессе.

Степенью восстановления можно управлять, регулируя скорость перемещения шихты в восстановительном реакторе, при стабильном температурном воздействии восстановительным газом или количеством восстановительного газа, подаваемого в слой шихты через зоны восстановления - одновременно двумя параллельными потоками, при работе плазменных плавильных печей и плазмохимического газогенератора.

Способ позволяет реализовать нагрев новых порций шихты, которые загружают в восстановительный реактор, путем сжигания части восстановительного газа, находящегося внутри реактора, в дополнительном воздушном потоке, который вдувают в шихту отдельными струями по периметру реактора в верхней части столба шихты.

Вторая поставленная задача решается тем, что в установке для прямого восстановления оксидов железа и получения расплава железа, содержащей восстановительный реактор для восстановления железоокисного материала и соединенную с ним печь для получения железоуглеродистого сплава, выполненные с возможностью ограничения впуска в них атмосферных газов и отвода газообразных продуктов реакции, согласно изобретению, она снабжена плазмохимическим газогенератором, установкой для брикетирования и имеет несколько плазменных плавильных печей для получения железоуглеродистого сплава, в средней части восстановительного реактора расположена зона восстановления, которая включает параллельно расположенные по его наружной поверхности и разнесенные по высоте распределительные коллекторы восстановительного газа, выпускные каналы которых сообщены с соплами, установленными в реакторе, при этом вход нижнего распределительного коллектора сообщен с плазмохимическим газогенератором, входной канал которого подсоединен к трубопроводу отходящего из восстановительного реактора газа, а вход верхнего распределительного коллектора соединен трубопроводом с циклоном очистки отходящих восстановительных газов из плазменных плавильных печей, в каждой из которых симметрично относительно продольной оси реактора установлены плазмотроны косвенного действия, причем плазмотроны плазмохимического газогенератора и плазменных плавильных печей связаны на входе с источниками электропитания, блоком подготовки отходящих газов, магистралью подвода воды и трубопроводом подачи природного газа, а восстановительный реактор соединен с установкой для брикетирования и плазменными плавильными печами, закрытыми перепускными каналами через узлы разгрузки восстановленного железорудного материала, при этом в нижней части восстановительного реактора установлен блок охлаждения восстановленного материала, а в верхней части восстановительного реактора установлен коллектор, вход которого связан с источником сжатого атмосферного воздуха, служащего для прогрева поступающего железоокисного материала. Блок подготовки отходящих газов включает циклон, рукавный фильтр, теплообменник и компрессор, а плазмохимический газогенератор содержит камеру, связанную через циклон очистки и дымосос с контуром отходящих из восстановительного реактора газов, в корпусе которой установлены плазмотроны косвенного действия.

Установка, в соответствии с настоящим изобретением, содержит восстановительный реактор непрерывного действия вертикального типа с прохождением материалов сверху вниз, выполненного с возможностью ограничения поступления в него газов из атмосферы.

Отличительными особенностями установки является выполнение восстановительного реактора, в котором в средней части расположены зоны восстановления, включающие параллельно смонтированные распределительные коллекторы восстановительного газа, один из которых связан на входе с плазмохимическим газогенератором, предназначенным для образования восстановительного газа с помощью плазмотронов из отходящих газов восстановительного реактора, а второй - через циклон очистки связан трубопроводом подачи отходящих газов с плазменных плавильных печей, в которых отходящие газы содержат только окись углерода и водород. В этой установке отходящий газ, вырабатываемый в плазменных плавильных печах, используется для последующего этапа восстановления путем стабилизации его состава в плазмотронах, увеличивая, таким образом, степень утилизации отходящего газа и уменьшая потребление природного газа.

Конструкция узлов зоны восстановления позволяет равномерно распределить газ в слое шихты, усреднить его восстановительный потенциал, что способствует повышению скорости восстановления окислов железа.

Источниками нагрева и получения восстановительного газа в плазменных плавильных печах и восстановительном реакторе являются плазмотроны косвенного действия.

В верхней части восстановительного реактора установлена система предварительного нагрева новых порций шихты, выполненная в виде коллектора, вход которого связан с источником сжатого атмосферного воздуха, а выпускные отверстия коллектора разнесены по периметру реактора.

Закрытые перепускные каналы для перетока восстановленного материала непосредственно с зоны восстановления реактора обеспечивают подачу восстановленного материала в плавильную печь при температуре 900-1000°С. Благодаря этому снижается время работы плазмотронов, уменьшается расход электроэнергии.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема установки для прямого восстановления оксидов железа и получения расплава железа.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Шихтовый материал, содержащий оксиды железа, загружают в восстановительный реактор, в котором опускающийся слой железорудной шихты контактирует в противотоке с поднимающимся потоком горячего восстановительного газа для превращения шихты в металлическое железо. Материал восстанавливают путем воздействия на него восстановительным газом, который вводят в реактор распределенно вокруг столба шихты двумя поперечными высокотемпературными зонами, расположенными в средней части реактора. Нижнюю, основную, восстановительную зону формируют отходящими из восстановительного реактора газами, которые после сухой очистки нагнетают в плазмохимический газогенератор, при этом отбирают из этого потока часть газов, дополнительно очищают, охлаждают до 30°С, нормализуют давление газа до 4-6 атм и подают в плазмотроны плазмохимического газогенератора с одновременной подачей в эти плазмотроны природного газа и воды, а полученную в плазмотронах плазму смешивают с очищенным отходящим газом в плазмохимическом реакторе и полученный восстановительный газ направляют в слой шихты в интервале температур 900-1150°С.

После первого запуска восстановительного реактора шихту, расположенную ниже зоны восстановления, выпускают и перегружают снова в реактор и, в дальнейшем, поддерживают заданный уровень столба шихты цикличной загрузкой материала при постоянной скорости его истечения.

Загрузку металлизированного материала в плазменные плавильные печи осуществляют поочередно через узел разгрузки и перепускные каналы из зоны восстановления восстановительного реактора и во время работы плавильных печей формируют вторую высокотемпературную зону в восстановительном реакторе за счет отходящих из плавильных печей очищенных от пыли газов. Материал в каждой плазменной плавильной печи продувают восстановительным газом, образованным за счет конверсии природного газа водой и кислородсодержащим газом в плавильных плазмотронах. Загруженный в печь материал расплавляют и окончательно восстанавливают в плавильной зоне до достижения температуры расплава, превышающей температуру его плавления на 100-120°С.

При большой высоте восстановительного реактора возникает необходимость в предварительном нагреве шихтового материала. Нагрев осуществляют путем сжигания части восстановительного газа в дополнительном воздушном потоке, который вдувают в шихту отдельными струями по периметру реактора в верхней части столба шихты.

Восстановленный материал охлаждают в нижней части восстановительного реактора до температуры ˜500°С. Непрерывно истекающий из реактора восстановленный материал направляют на загрузку в плавильную печь, а также на изготовление брикетов.

Пример конкретного выполнения.

Испытательная установка состоит из восстановительного и плавильного реакторов.

Экспериментальный восстановительный реактор с внутренним диаметром 0,45 м и высотой 5 м загружают сырьем, состоящим из железорудного концентрата, обогащенного флотационным способом, и связующих добавок. Исходное сырье содержит Fe₂O₃ - 63,1%, FeO - 26,9%. Общее содержание железа в шихте составило 65,07%. Материал перед загрузкой в восстановительный реактор проходит стадию грохочения для отсева фракции 0-10 мм. В реактор загружают материал фракции 10-25 мм. Масса шихты, находящаяся в восстановительном реакторе, составляет 1400 кг, причем примерно 1000 кг шихты находится в высокотемпературных зонах предварительного нагрева и восстановления. Предварительный нагрев шихты осуществляют путем подачи природного газа и воздуха в среднюю часть реактора. Температуру нагрева контролируют термопарами и при достижении температуры шихты 1000-1100°С включают плазмотроны плазмохимического газогенератора, в которые подают природный газ и воздух в количестве G_ПГ - 12 г/с, G_ВОЗД - 27 г/с. Полученный в плазмохимическом газогенераторе восстановительный газ содержит Н₂ - 55,5%; СО - 17,6%; СО₂ - 0,3%; CH₄ - 2,5% и N₂ - 24%. Доводят температуру шихты до 900-1150°С. Открывают в наклонной течке шибер и выпускают часть шихты, которая находится ниже зоны восстановления. Цикличной загрузкой доводят высоту шихты до отметки 4,8 м, при этом степень металлизации материала (не ниже 90-92%) регулируют скоростью перемещения шихты и количеством дополнительного газа, поступающего после очистки. Скорость перемещения шихты составила 1,2÷1,4 м/час, при этом производительность установки составила 0,75-0,8 т/час при получении металлизированных брикетов следующего химического состава: Fe_MET - 80-82%; FeO=2,5-3,2%. Содержание общего железа Fe_ОБЩ=82-84% при степени металлизации 92,6-94,2%.

При установившемся режиме прогрева и восстановления часть материала из восстановительного реактора загружают в плазменную плавильную печь. Масса загрузки составляет 250-300 кг. Загруженный в печь материал расплавляют, предварительно добавив в него 25÷30 кг известняка для ошлакования пустой породы. После прогрева расплава до температуры 1680-1750°С его выпускают. Полученный расплав железа имел следующий химический состав, %: Fe=99,8; C=0,037; S=0,038; Р=0,005; Ni=0,011; Cr=0,001.

Установка для прямого восстановления оксидов железа и получения расплава железа включает восстановительный реактор 1 и плазменные плавильные печи 2. В верхней части восстановительного реактора смонтировано загрузочное устройство 3, а в средней части расположена зона восстановления, которая включает параллельно расположенные по его наружной поверхности и разнесенные по высоте распределительные коллекторы 4 и 5 восстановительного газа, выпускные каналы которых сообщены с соплами 6, установленными в реакторе. Вход верхнего распределительного коллектора 4 соединен с трубопроводом подачи отходящих газов из плазменных плавильных печей 2 через циклон очистки газов 7. Вход нижнего коллектора 5 сообщен с плазмохимическим газогенератором 8, включающим камеру, связанную с одной стороны с контуром 9 отходящих из восстановительного реактора 1 газов, циклон 10 очистки газов и дымосос 11, а с другой - с выходным каналом 12 подачи восстановительного газа в реактор. В корпусе камеры плазмохимического газогенератора 8 установлены плазмотроны 13 косвенного действия, связанные с блоком 14 подготовки отходящих газов, трубопроводом подачи природного газа, магистралью подвода воды и с источником питания (на чертеже не показано). Выше зоны восстановления реактора 1 смонтирована система предварительного нагрева загружаемой шихты, которая включает коллектор 15 с соплами 6 и источник сжатого воздуха 16. В плазменной плавильной печи 2, в плавильной зоне 17, симметрично ее продольной оси, установлены плазмотроны 18 косвенного действия. Плазмотроны 18 связаны на входе с блоком 14 подготовки отходящих газов, источником питания, магистралью подвода воды и трубопроводом подачи природного газа (на чертеже не показано), при этом блок 14 подготовки отходящих газов включает рукавный фильтр 19, теплообменник 20 и компрессор 21. Узел 22 разгрузки восстановленного железорудного материала расположен ниже коллектора 5 зоны восстановления и связан закрытыми перепускными каналами 23 с плавильной печью 2. В нижней части восстановительного реактора 1 установлен блок 24 охлаждения восстановленного материала, связанный с контуром 9 отходящих газов, а также узел 25 разгрузки восстановленного материала, к которому примыкают закрытые перепускные каналы 26, связанные с установкой 27 брикетирования. Плавильные печи 2 и восстановительный реактор 1 по высоте корпуса снабжены термопарами. В плазменных плавильных печах 2 в нижней части имеются летки 28 для слива металла и шлака.

Установка работает следующим образом.

После разогрева восстановительного реактора 1 до температуры в интервале 900-1000°С через загрузочное устройство 3 загружают в реактор шихту, содержащую оксиды железа. Доводят высоту столба шихты до заданного уровня, включают плазмохимический газогенератор 8, для чего на плазмотроны 13 подают напряжение, природный газ, воду и сжатый воздух. В результате конверсии в плазмохимическом газогенераторе образуется восстановительный газ, который транспортируется через выходной канал 12, распределительный коллектор 5 и сопла 6 струями в слой шихты. Термопарами контролируют температуру шихты и при достижении температуры 900-1000°С, корректируют количество подаваемого природного газа и воды через плазмотроны 13 плазмохимического газогенератора 8 до заданной величины объемного соотношения окислителя к восстановителю α=0,4...0,5. Доводят температуру шихты до 1150°С.

Из отходящих из верхней части восстановительного реактора газов образуют замкнутый контур 9, в котором последовательно установлены циклон 10 очистки газов и дымосос 11, пневматически связанные с камерой плазмохимического газогенератора 8, при этом отделяют часть газов из контура 9 и направляют в блок 14 подготовки отходящих газов, в котором газ дополнительно очищают в рукавном фильтре 19, охлаждают газ до 30°С в теплообменнике 20, поднимают давление газа до 4-6 атм в компрессоре 21 для обеспечения работы плазмотронов. Выбор габаритов восстановительного реактора и его газоподводящих трубопроводов осуществляют с учетом получения заданного количества металлизированного материала и последующего его использования для получения расплава в нескольких плазменных плавильных печах, а также для изготовления металлизированных брикетов. В верхней части реактора 1, в зону поступления загружаемых порций исходного материала, через коллектор 15 вдувают сжатый воздух, при этом происходит реакция горения восходящего восстановительного газового потока и вдуваемого воздушного потока, чем обеспечивается нагрев новых порций загружаемого в реактор исходного материала.

Загрузку плавильных печей 2 восстановленным металлизированным материалом осуществляют поочередно через узел 22, перепускные каналы 23, исходя из циклов работы каждой печи. После загрузки печи включают плазмотроны 18, установленные в плавильной зоне 17 и продувают восстановленный материал восстановительным газом. Под действием восстановительных плазменных струй материал в плавильной зоне интенсивно расплавляется, и далее плазменные струи продувают слой расплава. Образовавшийся в плавильной печи жидкий шлак и металл выводят через летку 28. В результате работы плазмотронов при плавлении восстановленного материала отходящий из плавильных плазменных печей восстановительный газ направляют через циклон 7 очистки газов в верхнюю зону 4 восстановления в реакторе 1.

В нижней части восстановительного реактора слой восстановленного материала продувают восстановительными газами, которые перепускают из блока 24 охлаждения и доводят температуру материала до 500°С, выпускают материал через узел 25 разгрузки и перепускают каналами 26 в установку 27 брикетирования.

При постоянном перемещении шихты сверху вниз внутри реактора уровень столба шихты поддерживают цикличной ее загрузкой.

Реализация изобретения позволит приблизить время реакции восстановления к времени химической реакции, достигнуть более высокой степени восстановления железа из оксидов, обеспечить высокоскоростное протекание химических реакций восстановления при сочетании высоких температур, осуществить равномерную и постоянную степень металлизации, непрерывность технологического процесса за счет совмещения во времени всех его операций от подачи в реактор шихты и восстановителя, до выпуска металла и брикетов, улучшить утилизацию отходящего газа, повысить экономичность выплавки металла. Дополнительным результатом является также экологический аспект решения задачи.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения восстановлением железа в противотоке с продуктами конверсии метана и прямого получения железоуглеродистых сплавов с помощью плазменной технологии. Железорудную шихту предварительно восстанавливают в твердом состоянии в восстановительном реакторе двумя восстановительными зонами, после чего довосстанавливают и расплавляют в плавильных печах. Одну из восстановительных зон формируют в средней части реактора отходящими из его верхней части газами, которые после сухой очистки конвертируют в плазмохимическом газогенераторе и подают в плазмотроны для конверсии природным газом и водой и получения СО и Н₂ заданной концентрации. Вторую восстановительную зону формируют очищенными отходящими из плавильных плазменных печей газами. Выпуск восстановленного материала из восстановительного реактора осуществляют двумя потоками. Один поток охлаждают и через разгрузочный узел и перепускные каналы направляют на установку брикетирования, а второй высокотемпературный поток непосредственно направляют для последующего плавления в плавильные плазменные печи. Изобретение позволяет обеспечить высокоскоростное протекание химических реакций восстановления, улучшить утилизацию отходящего газа, повысить экономичность выплавки металла и улучшить экологию. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ прямого восстановления оксидов железа и получения расплава железа, включающий предварительное восстановление железорудной шихты в твердом состоянии в восстановительном реакторе, последующую загрузку в плавильную зону восстановленного материала и довосстановление в расплаве, использование отходящих из плавильной зоны газов для получения восстановительной газовой смеси, формирование в восстановительном реакторе температурных зон нагрева и восстановления, отличающийся тем, что довосстановление и расплавление осуществляют в нескольких плазменных плавильных печах, одну восстановительную зону образуют в средней части восстановительного реактора отходящими из его верхней части газами, которые после сухой очистки конвертируют в плазмохимическом газогенераторе, причем из отходящего газа отбирают часть потока, обрабатывают в блоке подготовки и подают в плазмотроны плазмохимического газогенератора для конверсии природным газом и водой, получают в нем СО и Н₂ заданной концентрации, а над первой зоной формируют вторую восстановительную зону, в которой в качестве восстановительного газа используют очищенный газ, отходящий из плазменных плавильных печей, в которых восстановленный материал расплавляют путем его нижней продувки, нагретым в плавильных плазмотронах восстановительным газом, образованным за счет конверсии отходящего из верхней части восстановительного реактора газа природным газом и водой, а выпуск восстановленного материала из восстановительного реактора осуществляют двумя потоками - для брикетирования и для загрузки плазменных плавильных печей, при этом поток восстановленного материала для брикетирования охлаждают подготовленным отходящим газом, а неохлажденный высокотемпературный поток восстановленного материала непосредственно направляют для последующего плавления в плазменные плавильные печи, при этом производительность восстановительного реактора подбирают исходя из планируемого объема получения готового жидкого металла.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный нагрев новых порций шихты, загружаемых в восстановительный реактор, осуществляют путем сжигания части восстановительного газа в дополнительном воздушном потоке, который вдувают в шихту отдельными струями по периметру реактора в верхней части столба шихты.3. Установка для прямого восстановления оксидов железа и получения расплава железа, содержащая восстановительный реактор для восстановления железоокисного материала и соединенную с ним печь для получения железоуглеродистого сплава, выполненные с возможностью ограничения впуска в них атмосферных газов и отвода газообразных продуктов реакции, отличающаяся тем, что она снабжена плазмохимическим газогенератором, установкой для брикетирования и имеет несколько плазменных плавильных печей для получения железоуглеродистого сплава, в средней части восстановительного реактора расположена зона восстановления, которая включает параллельно расположенные по его наружной поверхности и разнесенные по высоте распределительные коллекторы восстановительного газа, выпускные каналы которых сообщены с соплами, установленными в реакторе, при этом вход нижнего распределительного коллектора сообщен с плазмохимическим газогенератором, входной канал которого подсоединен к трубопроводу отходящего из восстановительного реактора газа, а вход верхнего распределительного коллектора соединен трубопроводом с циклоном очистки отходящих восстановительных газов из плазменных плавильных печей, в каждой из которых симметрично относительно продольной оси реактора установлены плазмотроны косвенного действия, причем плазмотроны плазмохимического газогенератора и плазменных плавильных печей связаны на входе с источниками электропитания, блоком подготовки отходящих газов, магистралью подвода воды и трубопроводом подачи природного газа, а восстановительный реактор соединен с установкой для брикетирования и плазменными плавильными печами закрытыми перепускными каналами через узлы разгрузки восстановленного железорудного материала, при этом в нижней части восстановительного реактора установлен блок охлаждения восстановленного материала.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в верхней части восстановительного реактора установлен коллектор, вход которого связан с источником сжатого атмосферного воздуха, служащего для прогрева поступающего железоокисного материала.5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что блок подготовки отходящих газов включает циклон, рукавный фильтр, теплообменник и компрессор.6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что плазмохимический газогенератор содержит камеру, в корпусе которой установлены плазмотроны косвенного действия, при этом камера связана через циклон очистки и дымосос с трубопроводом отходящего из восстановительного реактора газа.