УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВА ЖЕЛЕЗА Российский патент 2008 года по МПК C21B13/12 C22B9/22 

Изобретение относится к металлургическим процессам, а именно к установке для получения расплавов железа, в частности расплавов стали из железной руды.

Известна индукционная электропечь, состоящая из двух секций, которые сообщаются между собой каналами. В секции науглероживания металл науглероживается (до 4% С) и в результате электромагнитного перемешивания поступает по каналам в секцию восстановления, где углерод металла расходуется на восстановление оксидов железа из расплава. Регулируя подачу угля в секцию науглероживания можно получать металл с различным содержанием углерода, а изменяя основность шлака в секции восстановления - регулировать содержание кремния, серы и фосфора в металле (Иващенко В.П., Джутов А.Б., Терещенко B.C. Плазменные процессы прямого получения металла в шахтных печах. - Днепропетровск: «Системные технологии», 1998, с.17-18).

К недостатку следует отнести сравнительно невысокую производительность агрегата, которая определяется полезным объемом реакционного пространства, существенно увеличить который при использовании индукционного нагрева не представляется возможным.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принята установка для получения расплавов железа, в частности расплавов стали, включающая емкость электродуговой печи с боковыми стенками, крышкой и дном, внутри которой помещаются электроды, емкость для переплава, расположенную за емкостью печи и соединенную с ней сливом, дно емкости для переплава наклонено вниз от слива и переходит в горизонтальную плоскость у дальнего конца емкости для переплава, где расположен отвод для расплава железа, причем емкость для переплава снабжена средством для подачи кислорода, емкость для сцеживания, расположенную за емкостью печи и имеющую с ней общее дно, причем емкость для сцеживания имеет отвод для шлака, размещенный у ее конца, дальнего от емкости печи, устройство для подачи жидкого чушкового чугуна, шахту предварительного нагрева и загрузочную шахту, причем как шахта предварительного нагрева, так и загрузочная шахта расположена над емкостью печи и сообщаются с ней, согласно изобретению из шахты предварительного нагрева подаются твердые железосодержащие материалы, шахта предварительного нагрева соединена с емкостью печи через ее крышку посредством газопроницаемого охлаждаемого изолирующего устройства, открывающегося в емкость печи, а устройство для подачи жидкого чушкового чугуна соединено с емкостью электродуговой печи, причем шахта предварительного нагрева расположена по центру над емкостью электродуговой печи, крышка которой выполнена кольцеобразной формы с возможностью охвата шахты предварительного нагрева и соединения ее с боковыми стенками емкости печи, в которой размещены графитовые электроды, наклонно введенные внутрь емкости печи через ее крышку, а установка дополнительно снабжена соплами и/или фурмами, открывающимися внутрь емкости печи и подсоединенными к устройству подачи железосодержащих материалов (Патент России №2147039, кл. 7 С21С 5/52, 5/56, F27В 3/08, Заявл. 09.04.96, Опубл. Бюл. №9, 2000).

Однако электродуговые печи не решают в достаточной степени проблемы переработки в жидкую сталь больших количеств обогащенных углеродом носителей железа. Кроме того, значительная часть потребляемой энергии путем излучения передается стенкам и крышке печи и, таким образом, теряется, а при оседании колонны лома (или ее части) не исключены поломки электродов.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования установки для получения расплава железа за счет создания восстановительной атмосферы на основе газа для металлизации оксида железа путем изменения конструкции восстановительного реактора, разработки схемы верхнего подвода восстановительного газа в верхнее пространство реактора и за счет этого обеспечить передачу существенного количества тепла восстановительного газа, выработанного в плазменной плавильной печи в процессе металлизации оксида железа, и, таким образом, использовать его наиболее эффективно, благодаря чему повышается термический КПД (тепловая отдача) горячего газа.

Поставленная задача решается тем, что в установке для получения расплава железа, в частности расплава стали, включающей плавильную печь с источниками нагрева, крышку, летку для слива металла и шлака, реактор предварительного восстановления, связанный с плавильной печью, узлы загрузки и выгрузки, согласно изобретению плавильная печь и реактор предварительного восстановления выполнены с огнеупорной кладкой и имеют общую боковую стенку, при этом плавильная печь снабжена оппозитно установленными плазмотронами, размещенными в нижней части боковых стенок, а в верхней части печи, ниже установки крышки, расположен отводящий газоход, соединенный с вертикальным каналом, выполненным в огнеупорной кладке реактора со стороны общей стенки, а в другой стенке реактора выполнены вертикальные каналы, каждый из которых снабжен плазмотроном, установленным в торце нижней части канала, и представляет собой плазмохимический газогенератор, при этом в каждом вертикальном канале установлены форсунки для подачи воздуха, пара и природного газа, а в верхней части реактора расположена камера смешения потоков восстановительных газов, исходящих из каналов, ограниченная торцевыми поверхностями внутреннего ряда кладки, расположенными с зазором относительно верхней крышки реактора, причем в нижней части реактора установлена колосниковая решетка с возможностью наклона в момент разгрузки металлизированной шихты, ниже границы наклона которой расположен трубопровод отходящего из реактора газа, а плазмотроны снабжены патрубками подвода природного газа, воздуха (кислорода) и воды, при этом во внутренней полости реактора, в верхней и нижней его части, а также в вертикальных каналах, установлены термопары, причем в реакторе, в камере смешения восстановительных газов и в трубопроводе отходящего газа установлены патрубки газоанализатора.

Настоящее изобретение основано на соединении известных технологий предварительного восстановления оксидов железа и производства продуктов в виде жидкой (расплавленной) стали на основе природного газа с применением в качестве источников нагрева плазмотронов косвенного действия.

Плазменная плавильная печь примыкает к реактору предварительного восстановления, имеет с ним общую боковую стенку, в верхней части печи, ниже установки крышки, имеется отводящий газоход, а в огнеупорной кладке восстановительного реактора выполнены вертикальные каналы, один из которых связан с отводящим газоходом плавильной печи, а другие - снабжены плазмотроном, установленным в торце нижней части каждого канала, что в совокупности представляют собой плазмохимические газогенераторы.

Между крышкой реактора и торцевой поверхностью огнеупорной кладки (с выходными каналами) расположена камера смешения газов, в которой отходящий газ из плазменной плавильной печи перемешивают в неочищенном виде с восстановительным газом, полученным в результате конверсии природного газа в плазмохимических газогенераторах.

Следовательно, разработана конструкция реактора предварительного восстановления с верхним подводом восстановительного газа, что дает возможность переместить высокотемпературную зону из нижней части реактора в верхнюю, а отвод отходящего газа расположить ниже колосниковой решетки. Положительный эффект подачи восстановительного газа сверху по данной схеме увеличивается за счет того, что тепловая энергия газа воспринимается увеличенной поверхностью шихты.

Это дает возможность увеличить ресурс работы колосниковой решетки, поскольку решетка стала работать при температуре t≈200°C, а при нижней подаче газа решетка работала при t≈1000-1100°C, а также упрощается процесс ликвидации спеков в высокотемпературной зоне реактора, потому что эта высокотемпературная зона переместилась в верхнюю часть реактора и над ней нет столба горячей шихты высотой 3-5 м.

Контроль температуры газа осуществляется с помощью термопар, состав газа - газоанализатором.

Коррекция температуры и восстановительного потенциала газа осуществляется подачей воздуха, природного газа и водяного пара через форсунки, установленные в плазмохимических газогенераторах, а также в канале, соединенном с отводящим газоходом плавильной печи.

Таким образом, в установке обеспечена возможность снижения количества энергии, требующейся для получения конечного продукта, повышается эффективность использования восстановительного газа и, следовательно, производительность установки.

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где на фиг.1 представлен вертикальный разрез установки;

на фиг.2 - установка, вид сверху (без крышек реактора и плавильной печи);

на фиг.3 - разрез А-А фиг.2.

Установка включает плавильную печь 1 и реактор 2 предварительного восстановления с огнеупорной кладкой 3. Плавильная печь 1 снабжена оппозитно установленными в нижней части боковых стенок плазмотронами 4 косвенного действия, узлом загрузки 5, расположенным в крышке 6, и леткой 7 для слива металла и шлака. В верхней части печи 1, ниже расположения крышки 6, находится отводящий газоход 8. Плавильная печь 1 примыкает к реактору 2 и имеет с ним общую стенку. В огнеупорной кладке реактора выполнены вертикальные каналы. Канал 9 расположен в боковой стенке и связан с отводящим газоходом 8, а каналы 10 выполнены в другой стенке реактора 2. В нижней торцевой части каждого канала 10 установлен плазмотрон 11 косвенного действия, снабженный патрубками 12, 13 и 14 подвода соответственно природного газа, воздуха (кислорода) и воды. Каналы 10 с плазмотронами 11 представляют собой плазмохимические газогенераторы. Кроме того, в каналах 9 и 10 установлены форсунки 15 для подачи воздуха, форсунки 16 - пара и форсунки 17 - природного газа, предназначенные для регулирования температуры и состава восстановительного газа.

В верхней части реактора 2 расположена камера смешения потоков восстановительных газов, исходящих из каналов 9 и 10, ограниченная торцевыми поверхностями внутреннего ряда кладки 3 и верхней крышки 18 реактора 2. В нижней части реактора 2 установлена с возможностью наклона в момент разгрузки металлизированной шихты колосниковая решетка 19, ниже границы наклона которой расположен трубопровод 20 отходящего из реактора газа. По длине каждого канала, а также во внутренней полости реактора в камере смешения восстановительных газов и в зоне отвода трубопровода 20 отходящего газа из реактора установлены термопары 21. В реакторе 2, в камере смешения восстановительных газов и в трубопроводе 20 отходящего газа установлены патрубки 22 газоанализатора. В крышке 18 реактора выполнено загрузочное устройство 23.

Установка работает следующим образом.

Перед загрузкой шихты в плавильную печь 1 и реактор 2 предварительного восстановления производится их прогрев до рабочих температур 600-1000°С. По достижении заданной температуры плавильная печь 1 и реактор 2 загружаются железорудным материалом (окатышами) и производится запуск плазмотронов 4 и плазмотронов 11. Подбором смесей плазмообразующих газов создают восстановительную среду плазменной струи. В качестве плазмообразующего газа используют продукты конверсии природного газа (СО+Н₂). Восстановительный газ, вырабатываемый плазмотронами 4, установленными в плавильной печи 1, по отводящему газоходу 8 и каналу 9 поступает в верхнюю часть реактора 2 предварительного восстановления, где смешивается с восстановительным газом, полученным в плазмохимических газогенераторах, представляющих собой вертикальные каналы 10, выполненные в стенке реактора в огнеупорной кладке 3, в нижней части которых установлены плазмотроны 11. Кроме того, в каналы 9 и 10 подается необходимое количество воздуха, пара и природного газа через форсунки 15, 16 и 17 с установленными расходами в соответствии с разработанными алгоритмами и программами. Контроль температуры газа осуществляется термопарами 21 в каналах 9 и 10, в камере смешения и в зоне отвода трубопровода 20, а состава газа - газоанализатором в местах расположения патрубков.

Система с двумя плазмохимическими газогенераторами, а также каналом прямой подачи отходящего из плавильной печи газа и дополнительно установленными форсунками подачи воздуха, природного газа и пара позволяет регулировать состав и температуру смешанного восстановительного газа в реакторе предварительного восстановления.

Описанная конструкция опробована на опытном образце установки.

Одноразовая загрузка печи составляет 2 тонны металлизированных окатышей, а реактора предварительного восстановления - 6 тонн. Печь снабжена четырьмя плазмотронами, а реактор - двумя, с потребляемой мощностью по 0,5 МВт каждый.

Установка позволяет за 4 часа работы получить металлизированные окатыши с заданной степенью содержания чистого железа и выплавить сталь, которая по своим характеристикам соответствует кордовой стали или химически чистому железу.

Изобретение относится к установке для производства расплава железа, в частности расплава стали. В установке для получения расплава железа плазменная плавильная печь и реактор предварительного восстановления имеют общую боковую стенку. В футеровке реактора выполнены вертикальные каналы, один из которых связан с отводным газоходом печи, а остальные каналы в торце нижней части снабжены плазмотроном и представляют собой плазмохимические газогенераторы. В каждом вертикальном канале установлены форсунки для подачи воздуха, пара и природного газа. В верхней части реактора расположена камера смешения потоков восстановительных газов. В нижней части реактора установлена колосниковая решетка, ниже границы наклона которой расположен трубопровод отходящего из реактора газа. Установка обеспечивает снижение потребляемой энергии, увеличивает производительность получения металлизированных окатышей и стали. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка для получения расплава железа, в частности расплава стали, включающая плавильную печь с источниками нагрева, крышку, летку для слива металла и шлака, реактор предварительного восстановления, связанный с плавильной печью, узлы загрузки и выгрузки, отличающаяся тем, что плавильная печь и реактор предварительного восстановления выполнены с огнеупорной кладкой и имеют общую боковую стенку, при этом плавильная печь снабжена оппозитно установленными плазмотронами, размещенными в нижней части боковых стенок, а в верхней части печи ниже установки крышки расположен отводящий газоход, соединенный с вертикальным каналом, выполненным в огнеупорной кладке реактора со стороны общей стенки, а в другой стенке реактора выполнены вертикальные каналы, каждый из которых снабжен плазмотроном, установленным в торце нижней части канала, и представляет собой плазмохимический газогенератор, при этом в каждом вертикальном канале установлены форсунки для подачи воздуха, пара и природного газа, а в верхней части реактора расположена камера смешения потоков восстановительных газов, исходящих из каналов, ограниченная торцевыми поверхностями внутреннего ряда кладки, расположенными с зазором относительно верхней крышки реактора, причем в нижней части реактора установлена колосниковая решетка с возможностью наклона в момент разгрузки восстановленной шихты, ниже границы наклона которой расположен трубопровод отходящего из реактора газа.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плазмотроны снабжены патрубками подвода природного газа, воздуха/кислорода и воды.3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что во внутренней полости реактора, в верхней и нижней его части, а также в вертикальных каналах установлены термопары.4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в реакторе, в камере смешения восстановительных газов и в трубопроводе отходящего газа установлены патрубки газоанализатора.