СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗА Российский патент 2013 года по МПК C21B13/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к способу производства гранулированного железа посредством загрузки агломерата, образованного из смеси сырьевого материала, которая содержит углеродистый восстановитель и вещество, содержащее оксиды железа, поверх углеродистого материала, распределенного по поду печи, и нагревания агломерата, чтобы тем самым восстанавливать и расплавлять оксиды железа в агломерате.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ производства железа прямым восстановлением разработан для получения гранулированного металлического железа из смеси сырьевого материала, содержащей источник оксидов железа, таких как железная руда или оксид железа (далее в настоящем документе называемый веществом, содержащим оксид железа) и углеродистый восстановитель. С помощью этого способа производства гранулированное металлическое железо получают путем: загрузки смеси сырьевого материала на под нагревательной печи: нагревания смеси сырьевого материала теплом, переносимым газом от горелок печи, или лучистой теплотой, с восстановлением тем самым оксидов железа, содержащихся в смеси сырьевого материала, углеродистым восстановителем до восстановленного железа, науглероживанием и расплавлением восстановленного железа с последующей его коалесценцией в гранулы, при отделении от образованного шлака; и затем охлаждения и отверждения. Этот способ производства был предметом значительных практических исследований последнего времени, поскольку он не требует крупномасштабного оборудования, такого как шахтная печь, и допускает большую гибкость в отношении используемых ресурсов (например, он не требует использования кокса). Однако для применения этого способа производства в промышленном масштабе требуется найти решение многих проблем, к которым относятся стабильность работы, безопасность, стоимость и качество гранулированного железа (продукта) и т.д.

Поскольку гранулированное железо, получаемое вышеуказанным способом производства с прямым восстановлением железа, направляют на существующие установки производства стали (такие как электрические печи или конвертеры) и применяют в качестве источника железа, оно, предпочтительно, должно иметь низкое содержание загрязняющих элементов. Содержание углерода в гранулированном железе должно быть как можно большим, без ограничения сверху, чтобы сделать его более применимым в качестве источника железа. Пытаясь улучшить качество гранулированного железа, автор настоящего изобретения в нерассмотренной опубликованной заявке на патент Японии № 2002-339009 (Патентный документ 1) предложил высокочистое гранулированное железо с содержанием Fe не ниже 94% по массе и содержанием углерода в диапазоне от 1,0 до 4,5% по массе. Кроме того, в этом гранулированном железе содержание серы не превышает 0,20% по массе, содержание кремния не превышает 0,02-0,5% по массе и содержание марганца не превышает 0,3% по массе. Однако в Патентном документе 1 не предложен способ регулирования содержания фосфора в гранулированном железе. Причиной этого является следующее обстоятельство: поскольку поведение фосфора в восстановительном процессе понятно из механизма химической реакции в шахтной печи, считают, что почти весь фосфор, происходящий из восстанавливаемого материала (т.е. из сырьевого материала), в восстановительной атмосфере остается в восстановленном продукте (т.е. в металлическом железе), не переходя в образуемый шлак, и, таким образом, признают, что для снижения содержания фосфора в гранулированном железе следует уменьшать содержание фосфора в сырьевом материале и/или следует подвергать дополнительной дефосфорации (удалению фосфора) гранулированное железо, получаемое способом производства, раскрытым в Патентном документе 1.

В последние годы качество железной руды демонстрирует тенденцию к снижению, а количество фосфора, содержащегося в добываемой железной руде, увеличивается. Поэтому в будущем станет более трудно обеспечивать поступление сырьевых материалов с низким содержанием фосфора. Однако дополнительная дефосфорация гранулированного железа, производимого способом, раскрытым в Патентном документе 1, для того, чтобы уменьшить в нем содержание фосфора, ведет к повышению стоимости.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение разработано на вышеуказанной основе для того, чтобы предложить способ производства гранулированного железа, имеющего низкое содержание фосфора, посредством загрузки агломерата, образованного из смеси сырьевого материла, содержащей углеродистый восстановитель и вещество, содержащее оксиды железа, поверх углеродистого материала, распределенного по поду печи, и нагревания агломерата, проводимого для того, чтобы тем самым восстанавливать и расплавлять оксиды железа в агломерате.

Один аспект настоящего изобретения направлен на способ производства гранулированного железа, включающий в себя загрузку агломерата, образованного из смеси сырьевого материала, содержащей углеродистый восстановитель и вещество, содержащее оксиды железа, поверх углеродистого материала, распределенного по поду печи, и нагревание агломерата, проводимое для того, чтобы тем самым восстанавливать и расплавлять оксиды железа в агломерате, при котором температуру агломерата в печи устанавливают от 1200°С до 1500°С; парциальное давление кислорода в атмосферном газе, в котором нагревают агломерат, устанавливают не ниже 2,0×10^-13 атм в стандартном состоянии; и линейную скорость атмосферного газа в печи устанавливают не ниже 4,5 см/с.

Цель, особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более ясными благодаря ссылкам на нижеследующее подробное описание и чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между степенью дефосфорации и линейной скоростью газа при разных парциальных давлениях кислорода.

Фиг.2 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между степенью дефосфорации и линейной скоростью газа.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между степенью дефосфорации и парциальным давление кислорода.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между степенью дефосфорации и временем выгрузки.

Фиг.5 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между степенью дефосфорации и количеством связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, смешанным со смесью сырьевого материала.

НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Металлургический процесс производства гранулированного железа посредством загрузки агломерата, образованного из смеси сырьевого материала, содержащей углеродистый восстановитель и вещество, содержащее оксиды железа, поверх углеродистого материала, распределенного по поду печи, и нагревания агломерата, проводимого для того, чтобы тем самым восстанавливать и расплавлять оксиды железа в агломерате, обычно осуществляют в восстановительной атмосфере. Причина этого состоит в следующем: когда этот процесс проводят в окислительной атмосфере, восстановление оксидов железа, содержащихся в агломерате, при нагревании агломерата постепенно прекращается, и восстановленное железо невозможно получить с высоким выходом. С другой стороны, когда этот процесс проводят в восстановительной атмосфере, восстановление оксидов железа происходит удовлетворительно. Однако фосфор, содержащийся в восстановленном железе, почти совсем не переходит в шлак, образуемый при восстановлении, оставаясь в гранулированном железе, полученном посредством плавления восстановленного железа, вследствие того, что это плавление проводят в восстановительной атмосфере. В результате получают гранулированное железо с высоким содержанием фосфора. Для снижения содержания фосфора в гранулированном железе, полученное гранулированное железо требуется, например, направлять в электрическую печь и подвергать дальнейшей дефосфорации.

При восстановлении и плавлении вышеуказанного агломерата при высокой температуре в диапазоне 1200-1500°С углеродистый восстановитель вызывает выделение восстановительного газа из внутренних полостей агломерата, пока происходит восстановление оксидов железа в агломерате; наоборот, восстановительный газ почти совсем не выделяется после почти полного восстановления оксидов железа, когда восстановленное железо плавится и разделяется на гранулированное железо и образуемый шлак. В соответствии с этим, авторы настоящего изобретения предполагали, что в течение периода, в котором восстановленное железо плавится и разделяется на гранулированное железо и образуемый шлак, состав гранулированного железа находится под сильным влиянием состава его атмосферного газа. С учетом этого, авторы настоящего изобретения провели тщательное исследование, исходящее из предположения, что соответствующее регулирование атмосферного газа, в котором восстановленное железо плавится и разделяется на гранулированное железо и образуемый шлак, может регулировать состав гранулированного железа. В результате этого авторы настоящего изобретения нашли, что

(I) загрузка агломерата поверх углеродистого материала, распределенного по поду печи, и последующее нагревание агломерата до температуры, которая должна быть в диапазоне от 1200°С до 1500°С,

(II) установление парциального давления кислорода в атмосферном газе, в котором нагревают агломерат, не ниже 2,0×10^-13 атм в стандартном состоянии, и

(III) установление линейной скорости атмосферного газа в печи не ниже 4,5 см/с способствует переходу фосфора, содержащегося в восстановленном железе, в шлак, образуемый при восстановлении, когда происходит плавление восстановленного железа. Авторы настоящего изобретения также нашли, что, основываясь на этих знаниях, можно производить гранулированное железо с низким содержанием фосфора, и таким образом было создано настоящее изобретение.

Настоящее изобретение далее будет описано в терминах процедуры производства гранулированного железа.

(I) Агломерат образуют, агломерируя смесь сырьевого материала, которая содержит углеродистый восстановитель и вещество, содержащее оксиды железа.

Вышеуказанное вещество, содержащее оксиды железа, может представлять собой, например, железную руду, железистый песок, шлак, плавильный шлак цветных металлов и т.д. Вышеуказанный углеродистый восстановитель может представлять собой вещество, содержащее углерод, более конкретно, уголь, кокс и т.п.

К вышеуказанной смеси сырьевого материала можно добавлять и другие компоненты, такие как связующее вещество, поставляющее MgO, или вещество, поставляющее СаО. Связующими могут быть, например, полисахариды (такие как пшеничная клейковина и другие крахмалы). Веществами, поставляющими MgO, могут быть, например, порошок MgO, магнийсодержащие вещества, экстрагируемые из природной руды, морской воды и т.п., и карбонат магния (MgCO₃). Веществами, поставляющими СаО, могут быть, например, негашеная известь (СаО) и известняк (главным компонентом которого является CaCO₃).

Нет никаких особых ограничений, накладываемых на форму агломерата. Например, он может быть в форме окатанного или брикетированного материала. Нет и никаких конкретных ограничений, накладываемых на размер комков агломерата. С точки зрения рабочих условий, размер комков агломерата (максимальный диаметр), предпочтительно, составляет не более 50 мм и, предпочтительно, не менее 5 мм. Причиной этого является то, что слишком большой размер комков агломерата уменьшает теплопередачу к нижней части комка, что приводит к плохой производительности, дополнительно уменьшая эффективность агломерирования. Поэтому размер комков агломерата, предпочтительно, составляет не более 50 мм.

Для восстановления агломерата под печи заранее покрывают углеродистым материалом. Это делают потому, что данный углеродистый материал служит источником углерода при его недостатке в самом агломерате; он также служит для защиты пода печи.

Рекомендуемый максимальный размер частиц углеродистого материала, распределенного по поду, составляет не более 2 мм. Применение углеродистого материала с максимальным размером частиц не более 2 мм может предотвращать затекание расплавленного шлака в промежутки между частицами углеродистого материала. В результате, тем самым предотвращают реагирование шлака с поверхностью пода и корродирование пода. Предпочтительный нижний предел максимального размера частиц углеродистого материала составляет, например, около 0,5 мм. Применение углеродистого материала, в котором нижний предел максимального размера частиц составляет примерно 0,5 мм, может предотвратить попадание агломерата в слой углеродистого материала. Благодаря этому предупреждается падение скорости нагрева и уменьшение производительности. Предпочтительно, углеродистый материал распределяют по поду слоем с толщиной, например, около 1-5 мм.

Затем полученный агломерат загружают на под печи, по которому распределен углеродистый материал, и нагревают так, чтобы температура агломерата находилась в диапазоне 1200-1500°C, тем самым восстанавливая и расплавляя оксиды железа в смеси сырьевого материала. Предпочтительно, температура агломерата составляет не менее 1250°С. Устанавливая температуру не ниже 1250°С, сокращают время плавления гранулированного железа и шлака, а также ускоряют отделение шлака от гранулированного железа, давая возможность получать гранулированное железо с более высокой чистотой. С другой стороны, предпочтительная температура агломерата не превышает 1450°С. Применение температуры не выше 1450°С не требует использования нагревательной печи усложненной конструкции и может предотвратить снижение теплового коэффициента полезного действия. С точки зрения, относящейся к конструкции нагревательной печи и затратам энергии, целевое гранулированное железо предпочтительно производить при более низкой температуре. Когда в печи в качестве средства нагрева применяют горелки, температуру агломерата можно регулировать, задавая условия горения этих горелок. Нет никаких конкретных ограничений, накладываемых на тип печи, применяемой согласно настоящему изобретению; например, можно применять нагревательную печь или печь с подвижным подом. Например, в качестве печи с подвижным подом можно применять карусельную печь с вращающимся подом.

(II и III) Парциальное давление кислорода в атмосферном газе, в котором нагревают агломерат, устанавливают не ниже 2,0×10^-13 атм в стандартном состоянии, а линейную скорость этого газа устанавливают не ниже 4,5 см/с. В результате разнообразных экспериментов авторы настоящего изобретения нашли следующее: когда восстановленное железо плавится в слегка окислительной атмосфере, происходит окисление фосфора, содержащегося в восстановленном железе, и этот фосфор переходит в шлак, в результате чего уменьшается содержание фосфора в гранулированном железе. Более конкретно: когда парциальное давление кислорода в атмосферном газе составляет менее 2,0×10^-13 атм или когда линейная скорость газа составляет менее 4,5 см/с, дефосфорация гранулярного железа не может быть ускорена, поскольку содержание окислительного газа в атмосферном газе вблизи поверхности агломерата является недостаточным. Поэтому парциальное давление кислорода в атмосферном газе, в котором нагревают агломерат, устанавливают не ниже 2,0×10^-13 атм в стандартном состоянии, а линейную скорость газа устанавливают не ниже 4,5 см/с.

Парциальное давление кислорода в атмосферном газе, предпочтительно, устанавливают не ниже 2,8×10^-13 атм в стандартном состоянии. Чем выше парциальное давление кислорода, тем в большей степени можно ускорить дефосфорацию гранулированного железа. Однако избыточно высокое парциальное давление кислорода вызывает обратное окисление гранулированного железа, и это уменьшает чистоту железа (степень металлизации). Поэтому парциальное давление кислорода, составляет, предпочтительно, 4,8×10^-13 атм или менее в стандартном состоянии и, предпочтительно, 4,0×10^-13 атм или менее в стандартном состоянии.

Линейная скорость атмосферного газа в печи составляет, предпочтительно, не менее 5 см/с. Чем выше линейная скорость газа, тем больше ускоряется дефосфорация гранулированного железа. Однако избыточно высокая линейная скорость газа вызывает обратное окисление гранулированного железа, что снижает выход железа. Поэтому линейная скорость газа составляет, предпочтительно, не более 13,5 см/с и, более предпочтительно, не более 9 см/с.

Выражение «атмосферный газ, в котором нагревают агломерат», означает атмосферный газ вблизи поверхности агломерата. Выражение «вблизи поверхности агломерата» означает пространство до высоты 50 мм от поверхности агломерата. Поскольку парциальное давление кислорода и линейная скорость атмосферного газа в печи часто различны в донной части печи (вблизи пода) и в верхней части печи (вблизи свода), вышеуказанные парциальное давление кислорода и линейная скорость газа даны для атмосферного газа вблизи поверхности агломерата, влияющего на окислительно-восстановительную реакцию агломерата.

Парциальное давление кислорода в атмосферном газе, в котором нагревают агломерат, можно рассчитать, отобрав образец атмосферного газа вблизи поверхности агломерата и проанализировав состав этого газа. Линейную скорость атмосферного газа можно измерить с помощью трубки Пито и т.п.

Парциальное давление кислорода в атмосферном газе можно регулировать, например, регулируя количество кислорода, подаваемого в горелки, регулируя количество топлива, подаваемого в горелки, регулируя соотношение воздуха и топлива и т.д. или регулируя ввод восстановительного газа. Линейную скорость атмосферного газа можно регулировать, например, регулируя количество газа, подаваемого в горелки, регулируя угол подачи горелок или варьируя высоту свода.

Парциальное давление кислорода и линейную скорость атмосферного газа задают так, чтобы эти параметры были в вышеуказанных диапазонах не позднее момента начала плавления восстановленного железа. Это необходимо потому, что реальное влияние состава атмосферного газа на состав гранулированного железа проявляется в большей степени во время плавления, чем во время восстановления твердого вещества.

Предпочтительно, чтобы до тех пор, пока оксиды железа, содержащиеся в смеси сырьевого материала, не начнут плавиться, линейная скорость атмосферного газа, в котором нагревают агломерат, была установлена на уровне 5,4 см/с или ниже (включая 0 см/с), а с момента начала плавления оксидов железа линейную скорость атмосферного газа, в котором нагревают агломерат, устанавливают на уровне 4,5 см/с или выше. В течение периода до начала плавления оксидов железа реакция восстановления внутри агломерата протекает очень активно, и это создает трудности для изменения состава атмосферного газа вблизи поверхности агломерата или внутри агломерата, даже если состав атмосферного газа в печи поддается изменению. Когда восстановление твердого вещества приближается к завершению, тогда, вследствие начала науглероживания железа и снижения точки плавления образующегося железа, начинается его плавление. Когда железо начинает плавиться, газ из агломерата почти совсем не выделяется, и на состав железа сильно влияет состав атмосферного газа. Поэтому линейную скорость атмосферного газа, в котором нагревают агломерат, предпочтительно, устанавливают на уровнях, подходящих для периодов до начала плавления оксидов железа и после начала плавления, соответственно. В частности, парциальное давление кислорода в атмосферном газе в течение периода до начала плавления оксидов железа, содержащихся в смеси сырьевого материала, составляет, предпочтительно, 2,8×10^-13 атм или менее.

Таким образом, согласно настоящему изобретению, предпочтительно по-разному регулировать парциальное давление кислорода и линейную скорость атмосферного газа для периодов до начала плавления оксидов железа и после начала плавления; например, когда в качестве нагревательной печи применяют печь с подвижным подом, со свода печи можно свешивать перегородки, разделяя внутреннее пространство печи на множество зон и отдельно регулируя парциальное давление кислорода и линейную скорость атмосферного газа в каждой из этих зон.

Как обсуждалось выше, адекватное регулирование парциального давления кислорода и линейной скорости атмосферного газа во время восстановления и плавления может способствовать более эффективному протеканию дефосфорации и обеспечивать производство гранулированного железа с более низким содержанием фосфора, чем при восстановлении и плавлении только в восстановительной атмосфере.

Согласно настоящему изобретению, предпочтительно устанавливать процентную долю связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, смешанном со смесью сырьевого материала, в диапазоне от 98% по массе до 102% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, содержащихся в веществе, содержащем оксиды железа. Причина этого состоит в следующем: когда процентная доля связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, составляет менее 98% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, имеет место недостаток углерода, что ведет к неадекватному восстановлению оксидов железа, даже если из углеродистого материала, распределенного по поду, выделяется восстановительный газ (газообразный СО), как обсуждается ниже. Требующаяся процентная доля связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, составляет, предпочтительно, 98% по массе или более, и более предпочтительно, 98,5% по массе или более относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа. Однако, если количество связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, является избыточно большим, восстановительный газ (газообразный СО) продолжает выделяться из агломерата по реакции с атмосферным газом даже после окончания восстановления. Это снижает парциальное давление кислорода при плавлении восстановленного железа, как обсуждается ниже, и тем самым уменьшает степень дефосфорации восстановленного железа. Поэтому требуемая процентная доля связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, составляет, предпочтительно, 102% по массе или менее, и более предпочтительно, 101% по массе или менее относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа.

Согласно настоящему изобретению, особенно рекомендуется, чтобы количество связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, было установлено несколько ниже того количества связанного углерода, которое необходимо для восстановления оксидов железа. Причина этого состоит в следующем: невосстановленные части оксидов железа восстанавливаются углеродистым материалом, распределенным по поду, поскольку, согласно настоящему изобретению, агломерат находится поверх этого углеродистого материала, хотя недостаточное количество связанного углерода, которое содержится в углеродистом восстановителе, по-видимому, вызывает неадекватное восстановление гранулированного железа.

Конкретно, оксиды углерода (FeO_x), содержащиеся в агломерате, восстанавливаются углеродом (С), содержащимся в углеродистом восстановителе, и углеродистым материалом, распределенным по поду, согласно реакциям восстановления, представленным ниже уравнениями (1) и (2), образуя гранулированное железо.

FeO_x + xCO → Fe + xCO₂ (1) FeO_x + xC → Fe + xCO (2)

В результате разнообразных экспериментов авторы настоящего изобретения нашли, что реакция восстановления протекает в пропорциях, указанных ниже в формуле (3), когда реагируют а молей FeO_x уравнения (1) и когда реагируют b молей FeO_x уравнения (2). То есть Формула (3) указывает число атомов кислорода, восстановленных одним атомом углерода. По оценке авторов настоящего изобретения, примерно 38% общего количества FeO_x восстанавливаются прямо углеродом (С), а примерно 72% того же общего количества подвергается непрямому восстановлению восстановительным газом (газообразным СО).

1,0 ≤ 1 + a/(a+b) ≤ 1,5 (3)

Поэтому, даже если углерод применяют в количестве, несколько меньшем, чем то количество, которое рассчитано для случая, когда для восстановления одного атома кислорода, содержащегося в оксиде железа, необходим один атом углерода, (например, при подмешивании немного меньшего количества углеродистого восстановителя к смеси сырьевого материала) восстановление оксидов железа в агломерате происходит адекватно.

Кроме того, устанавливая количество связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, несколько ниже количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, можно способствовать образованию большего количества оксидов железа (FeO), которые при восстановлении содержатся в образуемом шлаке, и более быстрой реакции дефосфорации при плавлении восстановленного железа. Поэтому процентная доля связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, предпочтительно, составляет 100% по массе или менее относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа.

Количество связанного углерода, необходимого для восстановления оксида железа, можно рассчитывать, исходя из состава смеси сырьевого материла.

Для снижения точки плавления гранулированного железа во время отделения расплавленного гранулированного железа от шлака необходимо, чтобы оно было науглерожено до содержания углерода, равного примерно 3% по массе. Однако в тех случаях, когда количество связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, подмешанном к смеси сырьевого материала, устанавливают на уровне, слегка недостаточном относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, содержание связанного углерода в гранулированном железе оказывается недостаточным, в результате чего гранулированное железо не может расплавиться. Соответственно, распределение углеродистого материала по поду печи и установление такого уровня связанного углерода, содержащегося в этом углеродистом материале, который является избыточным по отношению к количеству связанного углерода, необходимому для восстановления оксидов железа, увеличивают количество связанного углерода, поставляемого гранулированному железу, и это дает возможность отделять расплавленное гранулированное железо от шлака.

Процентную долю связанного углерода, содержащегося в углеродистом материале, распределяемом по поду печи, предпочтительно, устанавливают в диапазоне от 2% по массе до 5% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа. Нет никаких конкретных ограничений, накладываемых на тип углеродистого материала, распределяемого по поду печи; например, можно применять материал, содержащий углерод, применяемый в качестве вышеуказанного углеродистого восстановителя.

Согласно настоящему изобретению, вышеуказанным агломератом регулируют состав смеси сырьевого материала таким образом, чтобы основность шлака, образуемого при восстановлении оксидов железа, предпочтительно, была в диапазоне от 1,0 до 1,6. Причина этого состоит в следующем: когда основность шлака не превышает 1,0, тогда при плавлении восстановленного железа не происходит реакция дефосфорации и, таким образом, не может быть понижено содержание фосфора в гранулированном железе. Поэтому основность составляет, предпочтительно, 1,3 или более, и более предпочтительно, 1,4 или более. Однако слишком высокая основность шлака является причиной слишком высокой точки плавления шлака, и такой шлак не плавится тогда, когда плавится восстановленное железо, что затрудняет отделение гранулированного железа от шлака. В результате этого шлак оказывается примешанным к гранулированному железу, что понижает качество гранулированного железа. Поэтому предпочтительная основность составляет 1,6 или менее.

Основность шлака представляет собой величину [(CaO)/(SiO₂)], рассчитанную по содержанию СаО и содержанию SiO₂ в шлаке.

ПРИМЕРЫ

Далее настоящее изобретение будет более подробно описано на примерах. Эти примеры не предназначены для того, чтобы ограничивать настоящее изобретение; возможны разнообразные модификации без выхода из объема настоящего изобретения, описанного выше и ниже, и эти модификации включены в технический объем настоящего изобретения.

В данных примерах каждый из видов агломерата получали из смесей сырьевых материалов, каждая из которых содержала углеродистый восстановитель и вещество, содержащее оксиды железа, после чего каждый из видов гранулированного железа получали посредством загрузки каждого из видов агломерата поверх углеродистого материала, распределенного по поду нагревательной печи, и нагревания этого агломерата, проводимого для того, чтобы тем самым восстанавливать и расплавлять оксиды железа в агломерате в рабочем пространстве печи. Составы агломератов и условия восстановления и плавления варьировали. Конкретно это выполняли так, как описано ниже.

Применяли два вида вещества, содержащего оксиды железа: железную руду (n) с низким содержанием фосфора и железную руду (hpb) с высоким содержанием фосфора. Таблица 1, приведенная ниже, показывает составы железной руды (n) и железной руды (hpb). Применяли также два вида углеродистого восстановителя: уголь (р) с низким содержанием фосфора и уголь (b) с высоким содержанием фосфора. Таблица 2, приведенная ниже, показывает составы угля (р) и угля (b).

Железная руда каждого из видов, показанных в Таблице 1, и уголь каждого из видов, показанных в Таблице 2, смешивали с добавками и затем изготавливали все виды брикетированных агломератов (агломератных окатышей) (испытуемый материал) с размерами частиц от 18 до 22 мм. Подмешиваемые добавки представляли собой пшеничную клейковину, которую добавляли в качестве связующего, MgO, CaO и т.д. Таблица 3, приведенная ниже, показывает соотношение компонентов смеси каждого из испытуемых материалов (значения даны в процентах по массе).

Таблица 3 показывает задаваемые значения процентных долей связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, подмешанном к смеси сырьевого материала, относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа. Кроме того, Таблица 3 показывает задаваемые значения основности шлака, образуемого в течение восстановления.

Таблица 4, приведенная ниже, показывает состав испытуемых материалов. Испытуемый материал (1), указанный в Таблице 4, представляет собой окатыши с низким содержанием фосфора, а испытуемые материалы (2)-(5) представляют собой окатыши с высоким содержанием фосфора.

Каждый вид гранулированного железа производили, загружая каждый из испытуемых материалов, указанных в Таблице 4, в печь, по поду которой был распределен углеродистый материал, нагревая их для того, чтобы тем самым восстанавливать и расплавлять оксиды железа в смеси сырьевого материала, и выгружая продукты в зону охлаждения тогда, когда гранулированное железо и шлак являются полностью разделенными. Число образцов каждого из испытуемых материалов, загружаемых в печь, было равным 30. По поду печи, в качестве углеродистого материала, распределяли 130 г бездымного угля с максимальным размером частиц не более 2 мм. Добавочное количество углеродистого материала распределяли вдоль краев для защиты пода.

Испытуемые материалы, загруженные в печь, нагревали посредством нагревателя, которым была оборудована печь, так чтобы температура испытуемых материалов достигала 1450°С.

Внутри печи линейную скорость атмосферного газа, в котором нагревали испытуемые материалы (линейную скорость атмосферного газа вблизи испытуемых материалов), задавали в диапазоне от 1,35 до 20,27 см/с, а парциальное давление кислорода в атмосферном газе, в котором нагревали испытуемые материалы (парциальное давление кислорода в атмосферном газе вблизи испытуемых материалов), задавали в диапазоне от 0 до 5,057×10^-13 атм. Таблицы 5 и 6, представленные ниже, показывают значения линейной скорости газа и парциального давления кислорода. Значения линейной скорости газа приведены к условиям стандартного состояния.

Линейную скорость газа рассчитывали, исходя из количества поставляемого газа и площади поперечного сечения внутреннего пространства печи в месте нахождения образца. Парциальное давление кислорода рассчитывали посредством следующей процедуры.

Следующее уравнение (4) описывает реакцию горения углерода, а стандартное изменение свободной энергии ΔF в этой реакции выражает следующая формула (5).

C (графит) + O₂ (г)=CO₂ (г) (4) ΔF=-94640+0,05×T (кал/моль) (5)

В то же время, стандартное изменение свободной энергии ΔF этой реакции выражает следующая формула (6), в которой учитывают парциальное давление газообразного диоксида углерода (P_CO2) в атмосферном газе и парциальное давление газообразного кислорода (P_O2) в атмосферном газе.

ΔF=-RT×log(P_CO2/P_O2) (6)

Абсолютная температура, соответствующая 1450°С, составляет

1450(°C)+273=1723 (K),

поэтому взаимосвязь между парциальным давлением диоксида углерода и парциальным давлением кислорода в атмосферном газе при 1450°С находят так, как следует из вышеуказанных формул (5) и (6).

-94640+0,05×1723=-4,575×1723×log(P_CO2/P_O2)

log(P_CO2/P_O2)=11,995

P_CO2/P_O2=9,887×10¹¹

Здесь измерено парциальное давление диоксида углерода в атмосферном газе; например, в том случае, когда измеренное P_CO2 равно 0,5, тогда в качестве парциального давления кислорода в атмосферном газе получают величину P_O2, равную 5,0571×10^-13.

Таблицы 5 и 6 показывают состав получаемых видов гранулированного железа и состав шлаков, образуемых при производстве различных видов гранулированного железа. В составах различных видов гранулированного железа, показанных в Таблицах 5 и 6, каждое количество железа представляет собой значение, рассчитанное посредством вычитания количества легирующих элементов и загрязнений из общего количества (100% по массе).

В Таблице 6 образец №30 представляет собой результат, полученный при выгрузке гранулированного железа за 1 минуту до завершения разделения шлака и гранулированного железа, а образец № 31 представляет собой результат, полученный при выгрузке гранулированного железа из печи после выдержки в течение трех минут с момента завершения разделения шлака и гранулированного железа. В Таблицах 5 и 6 все образцы, кроме №№ 30 и 31, представляют собой результаты, полученные при выгрузке гранулированного железа из печи спустя одну минуту после завершения разделения шлака и гранулированного железа.

Измеряя температуру в центральных частях испытуемых материалов, обнаружили, что за одну минуту до полного разделения шлака и гранулированного железа (№ 30) она составляла приблизительно 1300°С, спустя одну минуту после завершения разделения шлака и гранулированного железа она составляла приблизительно 1400°С, а спустя три минуты после завершения разделения шлака и гранулированного железа (№ 31) она составляла приблизительно 1450°С.

Кроме того, доля газообразного CO₂ вблизи испытуемых материалов была существенно постоянной в течение периода, начинавшегося за минуту до завершения разделения шлака и гранулированного железа и кончавшегося спустя три минуты после завершения шлака и гранулированного железа. Одновременно было замечено некоторое количество СО, выделявшегося из испытуемого материала за одну минуту до завершения разделения шлака и гранулированного железа, но с момента частичного завершения разделения шлака и гранулированного железа не наблюдали никакого выделения газообразного СО из испытуемого материала.

Степень дефосфорации рассчитывали, исходя из состава гранулированного железа и состава испытуемого материала, по следующей формуле:

Степень дефосфорации (%) = [1 - (количество фосфора, содержащегося в полученном гранулированном железе/общее количество железа, содержащегося в полученном гранулированном железе)/(количество фосфора, содержащегося в испытуемом материале/общее количество железа, содержащегося в испытуемом материале)] × 100

Фиг.1 показывает взаимосвязь между степенью дефосфорации и линейной скоростью газа при разных значениях парциального давления кислорода по данным Таблиц 4 и 5. На Фиг.1 символ ◊ указывает результат, полученный при парциальном давлении кислорода, равном 0 атм, символ ▲ указывает результат, полученный при парциальном давлении кислорода, равном 1,011×10^-13 атм, символ × указывает результат, полученный при парциальном давлении кислорода, равном 1,517×10^-13 атм, символ ○ указывает результат, полученный при парциальном давлении кислорода, равном 3,034×10^-13 атм, и символ ■ указывает результат, полученный при парциальном давлении кислорода, равном 5,057×10^-13 атм.

Как ясно из Фиг.1, в тех случаях, когда атмосферный газ содержит кислород, степень дефосфорации становится тем большей, чем большей становится линейная скорость атмосферного газа, в котором нагревают испытуемый материал. Например, у испытуемого материала № 3, у которого линейная скорость газа составляла 5,41 см/с, можно было видеть, что степень дефосфорации растет тогда, когда парциальное давление кислорода в атмосферном газе увеличивают от 1,517×10^-13 атм до 3,034×10^-13 атм, и что у данного испытуемого материала при данной линейной скорости газа степень дефосфорации растет тогда, когда увеличивают парциальное давление кислорода в атмосферном газе. Когда парциальное давление кислорода в атмосферном газе равно нулю (т.е. в атмосфере газообразного азота), линейная скорость газа не влияет на дефосфорацию. Когда линейная скорость газа не превышает 5 см/с, результат для степени дефосфорации является обратным по сравнению с результатом, получаемым тогда, когда парциальное давление кислорода в атмосферном газе составляет 1,517×10^-13 атм, но эти различия считают обусловленными различием образцов или ошибкой анализа на фосфор.

На основании результатов, приведенных выше, можно заключить, что повышение линейной скорости газа и парциального давления кислорода в атмосферном газе до указанных значений или выше является эффективным способом повышения степени дефосфорации.

Фиг.2 показывает взаимосвязь между степенью дефосфорации и линейной скоростью газа в образцах № 24, 25 и 32 по результатам, приведенным в Таблице 6, когда парциальное давление кислорода составляло 3,034×10^-13 атм. Сравнение Фиг.2 с Фиг.1 показывает, что даже если при постоянном парциальном давлении кислорода изменяется количество фосфора, содержащегося в испытуемом материале, степень дефосфорации растет с линейной скоростью газа. Хотя это не показано на чертежах, то же самое можно понять, например, и из данных, полученных с образцами №№ 2, 4 и 6.

Фиг.3 показывает взаимосвязь между степенью дефосфорации и парциальным давлением кислорода в образцах №№ 25, 27, 28 и 29 по результатам, приведенным в Таблице 6, когда линейная скорость газа составляла 5,41 см/с. Как ясно из Фиг.3, при постоянной линейной скорости газа степень дефосфорации растет с парциальным давлением кислорода. К тому же, при парциальном давлении кислорода, равном 1,517×10^-13 атм, можно видеть, что нет почти никаких изменений степени дефосфорации. Хотя это не показано на чертежах, из результатов, полученных, например, с образцами № 3, 4 и 5, можно понять, что при постоянной линейной скорости газа степень дефосфорации растет с парциальным давлением кислорода.

Фиг.4 показывает взаимосвязь между степенью дефосфорации и временем выгрузки гранулированного железа в образцах № 25, 30 и 31 по результатам, представленным в Таблице 6, при парциальном давлении кислорода, равном 3,034×10^-13 атм, и линейной скорости газа, равной 5,41 см/с. Фиг.4 показывает изменение степени дефосфорации при изменении времени выгрузки из печи гранулированного железа, полностью отделенного от шлака, со времени, принятого за минуту, после расплавления восстановленного железа. Как ясно из Фиг.4, степень дефосфорации уменьшается, когда нагревание продолжают после разделения шлака и гранулированного железа.

Наибольшая степень дефосфорации на Фиг.4 имеет место тогда, когда время выгрузки равно «-1 минуте», и эта «-1 минута» означает, что гранулированное железо выгружали из печи прежде разделения гранулированного железа и шлака, что является условием, которое не может применяться в реальной практике.

Фиг.5 показывает взаимосвязь между степенью дефосфорации и количеством связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, подмешанном к смеси сырьевого материала, для образцов № 21, 22 и 25 по результатам, показанным в Таблице 6. Как ясно из Фиг.5, степень дефосфорации, преимущественно, является большей, когда количество связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, подмешанном к смеси сырьевого материала, установлено несколько ниже количества связанного углерода, требуемого для восстановления оксидов железа.

С другой стороны, можно видеть, что имеется дальнейшее снижение степени дефосфорации, когда процент количества связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, подмешанном к смеси сырьевого материала, превышает 102% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа. Как полагают, это можно объяснить тем, что утрачивается эффект увеличения линейной скорости газа, поскольку большое количество восстановительного газа выделяется даже в процессе плавления восстановленного железа.

Как ясно из результатов, полученных с образцом № 22, даже если количество связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, подмешанном к смеси сырьевого материала, установлено несколько ниже количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, содержащихся в испытуемом материале, задание количества углерода, содержащегося в углеродистом материале, распределенном по поду, в диапазоне от 2 до 5% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, вызывает стабильное восстановление оксидов железа, остающихся после того, как дефосфорация была проведена углеродистым материалом, распределенным по поду.

Таблица 1 Тип железной руды Состав (% по массе) Общее количество железа FeO SiO₂ CaO Al₂O₃ MgO S P (n) 67,64 29,13 4,85 0,44 0,23 0,47 0,004 0,018 (hpb) 62,97 0,47 3,25 0,04 2,08 0,04 0,030 0,13

Таблица 5 № Испытуемый материал Линейная скорость газа (см/с) Парциальное давление кислорода ×10^-13(атм) Состав гранулированного железа (% по массе) Состав шлака
(% по массе) Основность Степень дефосфорации (%) C P S Fe FeO P S 1 (1) 20,27 5,057 2,9 0,005 0,134 96,92 4,96 0,110 0,244 1,47 85,25 2 (1) 20,27 3,034 3,04 0,007 0,12 96,77 2,84 0,099 0,313 1,53 79,32 3 (1) 9,01 5,057 3,18 0,014 0,114 96,64 1,9 0,068 0,379 1,52 58,59 4 (1} 9,01 3,034 3 0,018 0,091 96,83 0,98 0,037 0,486 1,43 46,86 5 (1) 9,01 1,011 3,49 0,027 0,038 96,39 0,27 0,011 0,712 1,54 19,92 6 (1) 5,41 3,034 3,23 0,023 0,056 96,63 0,45 0,020 0,589 1,43 31,95 7 (1) 1,35 1,011 3,64 0,031 0,028 95,21 0,24 0,007 0,762 1,57 7,89 8 (1) 20,27 5,057 2,15 0,005 0,164 97,65 6,83 0,086 0,292 1,41 85,36 9 (1) 20,27 3,034 2,53 0,005 0,155 97,28 3,5 0,090 0,317 1,47 85,31 10 (1) 9,01 3,034 2,65 0,019 0,111 97,19 0,72 0,032 0,501 1,44 44,11 11 (1) 5,41 3,034 2,97 0,024 0,079 96,89 0,43 0,014 0,668 1,42 29,18

Таблица 6 № Испытуемый материал Линейная скорость газа (см/с) Парциальное давление кислорода ×10^-13(атм) Состав гранулированного железа (% по массе) Состав шлака
(% по массе) Основность Степень дефосфорации (%) C P S Fe FeO P S 21 (2) 5,41 3,034 3,00 0,16 0,089 96,72 0,17 0,180 0,336 1,52 23,89 22 (4) 5,41 3,034 2,90 0,07 0,121 96,88 3,94 0,640 0,198 1,50 64,85 23 (5) 5,41 3,034 2,66 0,14 0,110 97,06 0,46 0,240 0,453 1,62 28,57 24 (3) 1,35 3,034 2,96 0,16 0,073 96,78 0,47 0,136 0,378 1,47 22,13 25 (3) 5,41 3,034 2,87 0,14 0,113 96,85 0,42 0,150 0,514 1,61 31,91 26 (3) 20,27 3,034 2,91 0,15 0,103 96,81 0,81 0,250 0,292 0,68 27,02 27 (3) 5,41 1,517 2,62 0,16 0,08l 97,11 0,54 0,181 0,367 1,48 22,39 28 (3) 5,41 0 2,78 0,16 0,063 96,95 0,44 0,110 0,487 1,49 22,27 29 (3) 5,41 5,057 2,79 0,11 0,109 96,96 2,16 0,390 0,225 1,48 46,56 30 (3) 5,41 3,034 1,79 0,13 0,091 97,86 1,41 0,300 0,312 1,49 37,43 31 (3) 5,41 3,034 3,29 0,15 0,111 96,42 0,80 0,200 0,237 1,47 26,72 32 (3) 9,01 3,034 2,69 0,11 0,113 97,06 2,82 0,510 0,223 1,48 46,62 33 (5) 5,41 3,034 2,82 0,14 0,113 96,88 0,48 0,140 0,554 1,61 28,44

Как описано выше, один аспект настоящего изобретения представляет собой способ производства гранулированного железа, включающий в себя загрузку агломерата, образованного из смеси сырьевого материала, содержащей вещество, содержащее оксиды железа, и углеродистый восстановитель, поверх углеродистого материала, распределенного по поду печи, и нагревание агломерата для того, чтобы тем самым восстанавливать и расплавлять оксиды железа в агломерате, в котором температуру агломерата в печи устанавливают в диапазоне от 1200°С до 1500°С, парциальное давление кислорода в атмосферном газе, в котором нагревают агломерат, устанавливают при 2,0×10^-13 атм или более в стандартном состоянии и линейную скорость атмосферного газа в печи устанавливают при 4,5 см/с или более.

Согласно настоящему изобретению, поскольку восстановленный агломерат расплавляется в состоянии, в котором парциальное давление кислорода в атмосферном газе и линейную скорость газа задают в вышеуказанных условиях, фосфор, содержащийся в восстановленном железе, может переходить в шлак, образуемый при восстановлении. В результате этого гранулированное железо, получаемое посредством плавления восстановленного железа, содержит меньше фосфора.

В вышеуказанном способе производства гранулированного железа является предпочтительным, чтобы состав смеси сырьевого материала задавали так, чтобы процент количества связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, был в диапазоне от 98% по массе до 102% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа. Это способствует более активному протеканию восстановления оксидов железа и производству гранулированного железа с более низким содержанием фосфора.

В вышеуказанном способе производства гранулированного железа является предпочтительным, чтобы состав смеси сырьевого материала задавали так, чтобы основность шлака, образуемого при восстановлении оксидов железа, была в диапазоне от 1,0 до 1,6. Это способствует более быстрому протеканию восстановления оксидов железа и производству гранулированного железа с более низким содержанием фосфора.

В вышеуказанном способе производства гранулированного железа является предпочтительным, чтобы процент количества связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, был в диапазоне от 98% по массе до 100% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа. Это приводит к тому, что количество связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, оказывается несколько ниже количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, в результате чего производится больше оксидов железа (FeO), содержащихся в шлаке, образуемом в процессе восстановления. В результате этого ускоряется реакция дефосфорации при плавлении восстановленного железа и становится возможным дальнейшее увеличение степени дефосфорации восстановленного железа.

В вышеуказанном способе производства гранулированного железа является предпочтительным, чтобы до тех пор, пока не начнется плавление оксидов железа, линейная скорость атмосферного газа была не выше 5,4 см/с (включая 0 см/с); а после начала плавления оксидов железа предпочтительно устанавливать линейную скорость атмосферного газа не ниже 4,5 см/с. Регулирование линейной скорости атмосферного газа, в котором нагревают агломерат, как до начала плавления оксидов железа, так и после его начала, дает возможность для активного протекания реакции восстановления в агломерате вплоть до начала плавления оксидов железа, а также дает возможность для стабильного протекания плавления железа, после его начала.

В вышеуказанном способе производства гранулированного железа является предпочтительным, чтобы процент количества связанного углерода, содержащегося в углеродистом материале, распределенном по поду, был в диапазоне от 2% по массе до 5% по массе относительного количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, а максимальный размер частиц этого углеродистого материала не превышал 2 мм. Это увеличивает количество связанного углерода, поставляемого гранулированному железу, давая возможность расплавленному гранулированному железу отделяться от шлака, а также предупреждает затекание расплавленного шлака в пустоты слоя углеродистого материала и корродирование пода.

ПРИМЕНИМОСТЬ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Гранулированное железо с низким содержанием фосфора можно стабильно производить, применяя способ согласно настоящему изобретению, предназначенный для получения гранулированного железа.

При осуществлении способа производства гранулированного железа агломерат, образованный из смеси сырьевого материала, которая содержит вещество, содержащее оксиды железа, и углеродистый восстановитель, загружают поверх углеродистого материала, распределенного по поду печи. Осуществляют нагревание агломерата до температуры в диапазоне от 1200°С до 1500°С для восстановления оксидов железа и расплавления восстановленного железа, и разделение гранулированного железа и образуемого шлака. При этом парциальное давление кислорода в атмосферном газе, в котором нагревают агломерат, устанавливают не ниже 2,0×10^-13 атм в стандартном состоянии, а линейную скорость атмосферного газа в печи после начала плавления устанавливают не ниже 4,5 см/с. Изобретение позволит получить гранулированное железо с низким содержанием фосфора. 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 6 табл.

1. Способ производства гранулированного железа, включающий загрузку агломерата, образованного из смеси сырьевого материала, которая содержит вещество, содержащее оксиды железа, и углеродистый восстановитель, поверх углеродистого материала, распределенного по поду печи, нагревание агломерата до температуры в диапазоне от 1200°С до 1500°С для восстановления оксидов железа и расплавления восстановленного железа, и разделение гранулированного железа и образуемого шлака, при этом парциальное давление кислорода в атмосферном газе печи, в котором нагревают агломерат, устанавливают не ниже 2,0×10^-13 атм в стандартном состоянии, а линейную скорость атмосферного газа в печи после начала плавления устанавливают не ниже 4,5 см/с.

2. Способ по п.1, в котором состав смеси сырьевого материала регулируют так, чтобы процент количества связанного углерода в углеродистом восстановителе был в диапазоне от 98% по массе до 102% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа.

3. Способ по п.1, в котором состав смеси сырьевого материала регулируют так, чтобы основность шлака, образуемого при восстановлении оксидов железа, была в диапазоне от 1,0 до 1,6.

4. Способ по п.1, в котором процент количества связанного углерода, содержащегося в углеродистом восстановителе, находится в диапазоне от 98% по массе до 100% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа.

5. Способ по п.1, в котором линейную скорость атмосферного газа устанавливают не выше 5,4 см/с, включая 0 см/с, до тех пор, пока оксиды железа не начнут плавиться, и после начала плавления оксидов железа линейную скорость атмосферного газа устанавливают не ниже 4,5 см/с.

6. Способ по любому из пп.1-5, в котором процент количества связанного углерода, содержащегося в углеродистом материале, распределенном по поду, устанавливают в диапазоне от 2% по массе до 5% по массе относительно количества связанного углерода, необходимого для восстановления оксидов железа, и максимальный размер частиц углеродистого материала устанавливают не более 2 мм.