УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА Российский патент 2013 года по МПК F27B3/08 C21B13/12 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству для производства расплавленного металла путем прямого восстановления и плавления исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, например агломерата из оксида металла с углеродсодержащим материалом, в плавильной печи с электрическим нагревом, например дуговой печи, без выполнения предварительного восстановления.

Уровень техники

В последнее время предлагаются различные новые процессы получения железа для замены существующих доменных печей и процессов восстановления при плавлении. Эти предложения относятся к процессам производства расплавленного металла, включающим предварительное восстановление агломерата из оксида металла с углеродсодержащим материалом в печи с вращающимся подом с целью получения восстановленного агломерата и плавление восстановленного агломерата в дуговой печи или печи с погруженной дугой (см., например, Патентные документы 1-4).

Однако в существующих процессах необходимо обеспечить два этапа (этап предварительного восстановления с использованием печи с вращающимся подом и этап плавления с использованием плавильной печи). Эти процессы требуют наличия оборудования или средств для перемещения восстановленного агломерата из печи с вращающимся подом в плавильную печь, а также двух линий обработки отходящего газа, то есть одной - для печи с вращающимся подом и одной - для плавильной печи. Таким образом, стоимость производственной установки возрастает, увеличиваются тепловые потери, и нельзя достаточным образом снизить потребление энергии системой или процессом в целом.

Автор настоящего изобретения провел тщательные исследования, чтобы предложить специальный способ производства расплавленного металла, в котором печь с вращающимся подом не используется, и для восстановления и плавления агломерата из оксида металла с углеродсодержащим материалом используется только печь с электрическим нагревом. В результате автор создал описанное ниже изобретение и подал заявку на выдачу патента на это изобретение (заявка на японский патент № 2009-105397, далее изобретение, соответствующее этой заявке, называется "более ранним изобретением").

Устройство для производства расплавленного металла, соответствующее более раннему изобретению, изображено на фиг.2А и 2В. В нем используется ненаклоняемая вертикально стоящая печь с электрическим нагревом, в данном случае - дуговая печь, которая включает желоба 4 загрузки исходного материала, расположенные на обоих краях 2 печи, если смотреть в направлении по ширине, электрод 5 в центре печи, если смотреть в направлении по ширине, и горелку 6 дополнительного сжигания, установленную в плоском своде 1 печи. Углеродсодержащий материал А загружают через желоба 4, чтобы получить слой 12 углеродсодержащего материала (соответствующий "слою исходного материала" в данном изобретении), имеющий наклонную поверхность, уходящую вниз, к нижней части электрода 5. Затем загружают агломерат В из оксида металла с углеродсодержащим материалом, чтобы получить слой 13 агломерата (соответствующий "слою исходного материала в виде металлосодержащего агломерата" в данном изобретении) на наклонной поверхности слоя 12 углеродсодержащего материала. После чего с использованием электрода 5 выполняют дуговой нагрев для постепенного плавления нижнего края слоя 13 агломерата, чтобы получить слой 14 расплавленного металла и слой 15 расплавленного шлака. При этом, по мере опускания слоя 13 агломерата вдоль наклонной поверхности слоя 12 углеродсодержащего материала, этот слой 13 нагревается за счет теплоты излучения от дополнительного сжигания при вдувании через горелку 6 дополнительного сжигания кислородсодержащего газа с целью сжигания газа, содержащего СО, который возникает в слое 13 агломерата.

Согласно более раннему изобретению, по мере перемещения слоя агломерата в направлении электрода по наклонной поверхности слоя исходного материала, созданного в печи, слой агломерата подвергается предварительному восстановлению за счет нагрева теплотой излучения от дополнительного сжигания при вдувании через горелку дополнительного сжигания кислородсодержащего газа с целью сжигания газа, содержащего СО, который возникает в слое агломерата; и слой предварительно восстановленного агломерата подвергается восстановлению и плавится поблизости от электрода за счет дугового нагрева с образованием расплавленного металла. Таким образом, расплавленный металл получают напрямую из агломерата из оксида металла с углеродсодержащим материалом в одном процессе и, следовательно, можно значительно снизить стоимость производственной установки и потребление энергии по сравнению с существующими процессами.

Однако в устройстве для производства расплавленного металла, соответствующем более раннему изобретению, когда агломерат, загружаемый в печь, содержит большое количество порошка, либо агломерат в печи спекается или сплавляется, может возникнуть зависание слоя агломерата, что может препятствовать его плавному опусканию. В этом случае не происходит должного восстановления или плавления агломерата при нагреве, и производительность устройства снижается. Когда возникает такое зависание слоя агломерата, его невозможно преодолеть без прекращения работы печи, входящей в состав устройства для производства расплавленного металла, соответствующего более раннему изобретению.

Патентные документы

Патентный документ 1: Непроверенная заявка на японский патент (Перевод заявки РСТ) № 2000-513411

Патентный документ 2: Непроверенная заявка на японский патент (Перевод заявки РСТ) № 2001-515138

Патентный документ 3: Непроверенная заявка на японский патент (Перевод заявки РСТ) № 2001-525487

Патентный документ 4: Непроверенная заявка на японский патент № 2003-105415

Сущность изобретения

Техническая проблема

Задачей настоящего изобретения является предложить устройство для производства расплавленного металла, в котором эффективным образом предотвращается зависание в печи слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, и даже если такое зависание происходит, его надежным образом можно устранить без прекращения работы печи.

Решение проблемы

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предлагается устройство для производства расплавленного металла, содержащее ненаклоняемую вертикально стоящую электрическую печь, включающую средство электрического нагрева, в котором канал отходящего газа и желоб загрузки исходного материала присоединены к своду печи, желоб загрузки исходного материала установлен на одном краю печи, если смотреть в направлении по ширине, средство электрического нагрева установлено таким образом, чтобы область электрического нагрева, нагреваемая с использованием этого средства, находилась на другом краю печи, если смотреть в направлении по ширине, горелка дополнительного сжигания установлена в своде печи; причем устройство выполнено с возможностью производства расплавленного металла путем создания слоя исходного материала за счет загрузки конкретного количества углеродсодержащего материала и/или исходного материала в виде металлосодержащего агломерата в печь из желоба загрузки исходного материала, при этом слой исходного материала имеет наклонную поверхность, уходящую вниз, к области электрического нагрева от упомянутого одного края печи, если смотреть в направлении по ширине, последующего создания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата на наклонной поверхности слоя исходного материала за счет непрерывной или периодической загрузки исходного материала в виде металлосодержащего агломерата в печь из желоба загрузки исходного материала, и следующего за этим создания в печи слоя расплавленного металла и слоя расплавленного шлака за счет постепенного плавления исходного материала в виде металлосодержащего агломерата у нижнего края слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата при помощи электрического нагрева с использованием средства электрического нагрева, при обеспечении опускания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата вдоль наклонной поверхности слоя исходного материала, и одновременного термического восстановления слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата за счет теплоты излучения от дополнительного сжигания при вдувании из горелки дополнительного сжигания кислородсодержащего газа в пространство печи выше слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата с целью сжигания газа, содержащего СО, который возникает в этом слое; и генератор удара, который обеспечивает механическое устранение зависания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и установлен в печи выше слоя расплавленного шлака и ниже поверхности слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предлагается устройство для производства расплавленного металла, содержащее ненаклоняемую вертикально стоящую электрическую печь, включающую средство электрического нагрева, в котором канал отходящего газа и желоба загрузки исходного материала присоединены к своду печи, желоба загрузки исходного материала установлены на обоих краях печи, если смотреть в направлении по ширине, средство электрического нагрева установлено таким образом, чтобы область электрического нагрева, нагреваемая с использованием этого средства, находилась в центре печи, если смотреть в направлении по ширине, горелка дополнительного сжигания установлена в своде печи; причем устройство выполнено с возможностью производства расплавленного металла путем создания слоя исходного материала за счет загрузки конкретного количества углеродсодержащего материала и/или исходного материала в виде металлосодержащего агломерата в печь из желобов загрузки исходного материала, установленных на обоих краях печи, если смотреть в направлении по ширине, при этом слой исходного материала имеет наклонные поверхности, уходящие вниз, к области электрического нагрева от обоих краев печи, если смотреть в направлении по ширине, последующего создания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата на наклонных поверхностях слоя исходного материала за счет непрерывной или периодической загрузки исходного материала в виде металлосодержащего агломерата в печь из желобов загрузки исходного материала, установленных на обоих краях печи, если смотреть в направлении по ширине, и следующего за этим создания в печи слоя расплавленного металла и слоя расплавленного шлака за счет постепенного плавления исходного материала в виде металлосодержащего агломерата у нижнего края слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата при помощи электрического нагрева с использованием средства электрического нагрева, при обеспечении опускания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата вдоль наклонных поверхностей слоя исходного материала, и одновременного нагрева слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата за счет теплоты излучения от дополнительного сжигания при вдувании из горелки дополнительного сжигания кислородсодержащего газа в пространство печи выше слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата с целью сжигания газа, содержащего СО, который возникает в этом слое; и генератор удара, который обеспечивает механическое устранение зависания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и установлен в печи выше слоя расплавленного шлака и ниже поверхности слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

Если исходный материал в виде металлосодержащего агломерата, загружаемый в печь из желоба загрузки исходного материала, содержит 2 массовых процента или более небольших зерен, размер которых составляет 90% или менее от среднего размера зерен исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, то генератор удара может быть установлен по высоте между нижним концом желоба загрузки исходного материала и высотой, которая ниже, чем это конец, на 1/3 от расстояния между этим концом и поверхностью слоя расплавленного шлака.

Генератор удара может включать вал, ось вращения которого проходит в продольном направлении печи, и дробящий элемент, выступающий от поверхности вала.

Генератор удара может вращаться вокруг оси вращения только в одном направлении, в котором опускается слой исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, либо поочередно в направлении, в котором опускается слой исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, и в противоположном направлении.

Генератор удара может быть установлен таким образом, чтобы вал находился внутри слоя исходного материала или слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и по меньшей мере часть дробящего элемента контактировала со слоем исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

Генератор удара может быть установлен по высоте между поверхностью слоя расплавленного шлака и высотой, которая выше, чем поверхность слоя расплавленного шлака, на 1/3 от расстояния между этой поверхностью и нижним концом желоба загрузки исходного материала.

Преимущества реализации изобретения

Согласно настоящему изобретению, генератор удара установлен внутри печи выше слоя расплавленного шлака и ниже поверхности слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, то есть внутри слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата или слоя исходного материала. Таким образом, генератор удара можно непрерывно или периодически задействовать для приложения внешней силы к слою исходного материала в виде металлосодержащего агломерата напрямую или опосредованно через слой исходного материала. Соответственно, эффективным образом предотвращается зависание слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, и даже если такое зависание происходит, его можно быстрым и надежным образом устранить без прекращения работы устройства для производства расплавленного металла.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А - сечение в направлении по ширине, иллюстрирующее общую конструкцию устройства для производства расплавленного металла, соответствующего одному из вариантов реализации настоящего изобретения.

Фиг.1В - местный горизонтальный разрез, иллюстрирующий общую конструкцию устройства для производства расплавленного металла, соответствующего одному из вариантов реализации настоящего изобретения.

Фиг.2А - сечение в направлении по ширине, иллюстрирующее общую конструкцию устройства для производства расплавленного металла, соответствующего более раннему изобретению.

Фиг.2В - вид сверху, иллюстрирующий общую конструкцию устройства для производства расплавленного металла, соответствующего более раннему изобретению.

Описание вариантов реализации изобретения

Далее со ссылкой на чертежи подробно будет описан один из вариантов реализации настоящего изобретения.

Фиг.1А и 1В иллюстрируют общую конструкцию устройства для производства расплавленного металла, соответствующего одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Устройство в этом варианте имеет ту же конструкцию, что и устройство для производства расплавленного металла, соответствующее более раннему изобретению, которое показано на фиг.2А и 2В, за исключением наличия описанного ниже генератора 18 удара.

Ненаклоняемая вертикально стоящая электрическая печь (далее также называемая просто "печью"), соответствующая этому варианту, представляет собой дуговую печь, имеющую в основном прямоугольную форму в горизонтальном сечении. Канал 3 отходящего газа и желоба 4 загрузки исходного материала прикреплены к своду печи (своду 1 в этом варианте). Электроды 5 вставлены в печь через свод 1. Желоба 4 загрузки исходного материала установлены на обоих краях 2 печи, если смотреть в направлении по ширине, а электроды 5 установлены в центре печи, если смотреть в направлении по ширине. Горелки 6 дополнительного сжигания установлены в своде (своде 1 в этом варианте).

В отличие от устройства для производства расплавленного металла, соответствующего более раннему изобретению, выше поверхности слоя 15 расплавленного шлака и ниже поверхности слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата или слоя 12 исходного материала в печи установлен генератор 18 удара, который механически устраняет зависание слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата. "Генератор удара" представляет собой устройство, которое непрерывно или периодически прикладывает внешнюю силу к слою 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

Таким образом, генератор 18 удара установлен внутри слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата или слоя 12 исходного материала. Генератор 18 удара можно задействовать непрерывно или периодически для приложения внешней силы к слою 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата напрямую или опосредованно через слой 12 исходного материала. Соответственно, предотвращается зависание слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, и даже если такое зависание происходит, его можно быстрым и надежным образом устранить без прекращения работы устройства для производства расплавленного металла.

Генератор 18 удара в достаточной степени предотвращает зависание, пока он установлен в печи выше поверхности слоя 15 расплавленного шлака и ниже поверхности слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, то есть внутри слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата или слоя 12 исходного материала. Однако, если исходный материал В в виде металлосодержащего агломерата, загружаемый в печь из желоба 4 загрузки исходного материала, содержит 2 массовых процента или более небольших зерен, размер которых составляет 90% или менее от среднего размера зерен исходного материала В в виде металлосодержащего агломерата, генератор 18 удара в предпочтительном случае устанавливают по высоте между нижним концом желоба 4 загрузки исходного материала и высотой ниже этого конца на расстояние 1/3 от расстояния между этим концом и поверхностью слоя 15 расплавленного шлака.

В результате можно эффективным образом предотвратить зависание в области непосредственно под желобом 4 загрузки исходного материала, вызванное накапливанием небольших зерен.

Если говорить конкретно, в случае, когда исходный материал В в виде металлосодержащего агломерата, который нужно загружать в печь, содержит большое количество небольших зерен, например, порошок, при загрузке исходного материала В в виде металлосодержащего агломерата в печь из желоба 4 загрузки исходного материала имеется тенденция к накапливанию небольших зерен в области непосредственно под этим желобом 4. В дополнение к этому, небольшие зерна легко раскисляются до металла и срастаются при нагреве в печи. В результате имеется тенденция к зависанию в области непосредственно под желобом 4 загрузки исходного материала.

Чтобы устранить такую проблему, исходный материал В в виде металлосодержащего агломерата можно загружать в печь после его предварительного полного просеивания с использованием грохота или тому подобного, чтобы получить размер зерна в пределах узкого диапазона. В этом случае проблема зависания в печи устраняется, но выход исходного материала В в виде металлосодержащего агломерата снижается, что приводит к появлению другой проблемы, заключающейся в увеличении стоимости производства расплавленного металла.

Таким образом, генератор 18 удара устанавливают в области непосредственно под желобом 4 загрузки исходного материала. В результате можно эффективным образом предотвратить зависание из-за накапливания небольших зерен, без снижения выхода исходного материала В в виде металлосодержащего агломерата.

Генератор 18 удара может быть образован, например, валом 18а, ось вращения которого проходит в продольном направлении печи, и дробящими элементами 18b, выступающими от поверхности вала 18а (генератор 18 удара может быть аналогичен устройству подачи шихты, которое установлено в шахтной печи для процесса прямого восстановления Midrex и используется, чтобы не допустить зависания восстановленного железа). Зависание слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата можно предотвратить за счет вращения вала 18а генератора 18 удара непрерывно или периодически через равные интервалы. Даже если возникает зависание слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, спеченный или сплавленный исходный материал В в виде металлосодержащего агломерата можно разрушить с использованием дробящих элементов 18b, выступающих от вала 18а; даже если спеченный или сплавленный материал не разрушается в достаточной степени, слой 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата можно принудительно перемещать вниз (опускать) в направлении нижних частей электродов 5 до того, как спеченный или сплавленный материал укрупнится; соответственно, работу можно выполнять без проблем в течение длительного времени.

Чтобы эффективным образом реализовать такую функцию в ответ на возникновение зависания, генератор 18 удара, аналогичный устройству подачи шихты, можно подходящим образом выбирать из генератора удара, который вращается вокруг своей оси только в одном направлении (обычном направлении), в котором опускается слой 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, и генератора удара, который поочередно вращается вокруг своей оси в направлении (обычном направлении), в котором опускается слой 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, и в противоположном направлении. Первый генератор удара предназначен для выполнения транспортировки, в то время как второй генератор удара предназначен для выполнения разрушения.

Генератор 18 удара, аналогичный устройству подачи шихты (причем генератор 18 удара образован валом 18а, ось вращения которого проходит в продольном направлении печи, и дробящими элементами 18b, выступающими от поверхности вала 18а), в достаточной степени предотвращает зависание, пока он расположен в печи выше слоя 15 расплавленного шлака и ниже поверхности слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, то есть внутри слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата или слоя 12 исходного материала. В частности, генератор 18 удара предпочтительно установлен таким образом, чтобы вал 18а находился внутри слоя 12 исходного материала или слоя 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и по меньшей мере часть дробящего элемента 18b контактировала со слоем 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

В результате, при вращении вала 18а дробящий элемент 18b напрямую прикладывает внешнюю силу к слою 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата. Таким образом, зависание можно предотвратить более эффективным образом.

Генератор 18 удара, аналогичный устройству подачи шихты, в предпочтительном случае устанавливают по высоте между поверхностью слоя 15 расплавленного шлака и высотой выше этой поверхности на 1/3 от расстояния между этой поверхностью слоя 15 расплавленного шлака и нижним концом желоба 4 загрузки исходного материала.

Если генератор 18 удара, аналогичный устройству подачи шихты, установлен подобным образом в месте, где происходит металлизация и размягчение исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и имеется тенденция к зависанию, можно еще более эффективным образом предотвратить это зависание.

В предпочтительном случае между электродами 5 и горелками 6 дополнительного сжигания, между горелками 6 дополнительного сжигания и каналом 3 отходящего газа, а также между каналом 3 отходящего газа и желобами 4 загрузки исходного материала в печи имеются разделительные стенки 9, 10 и 11, которые установлены в подвешенном состоянии.

Предпочтительно обеспечить разделительные стенки 9 между электродами 5 и горелками 6 дополнительного сжигания, чтобы не допустить контакта отходящего газа, обладающего окислительными свойствами, который возникает после дополнительного сжигания, с электродами 5.

Предпочтительно обеспечить разделительные стенки 10 между горелками 6 дополнительного сжигания и каналом 3 отходящего газа, чтобы не допустить быстрого ухода отходящего газа, который возникает после дополнительного сжигания, в канал 3 отходящего газа и обеспечить перенос достаточного количества теплоты излучения в слой 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

Предпочтительно обеспечить разделительные стенки 11 между каналом 3 отходящего газа и желобами 4 загрузки исходного материала, чтобы не допустить повреждения желобов 4 загрузки исходного материала из-за перегрева горячим отходящим газом.

Все или некоторые из разделительных стенок 9, 10 и 11 могут быть установлены с учетом всех возможных факторов: эффекта от разделения, стоимости монтажа, работ по обслуживанию и подобного.

Канал 3 отходящего газа в предпочтительном случае устанавливают ближе к желобам 4 загрузки исходного материала, чем к электродам 5. Это делается с целью предотвратить перемещение отходящего газа, обладающего окислительными свойствами, который возникает после дополнительного сжигания, в направлении электродов 5 и, таким образом, предотвратить повреждение этих электродов.

У дна печи, в предпочтительном случае на ее боковых стенках, если смотреть в продольном направлении печи, в местах, где нет желобов 4 загрузки исходного материала (т.е. в местах, где в печи нет слоев 12 исходного материала), созданы отверстие 7 для выпуска металла и отверстие 8 для выпуска шлака. Это сделано с целью облегчить операцию открывания отверстия во время выпуска расплавленного металла и шлака.

В направлении технологического процесса после канала 3 отходящего газа могут быть установлены обычные теплообменники (не показаны) для извлечения существенного количества тепла из горячего отходящего газа, выпускаемого из печи, и эффективной утилизации извлеченного существенного количества тепла в качестве энергии для предварительного нагрева кислородсодержащего газа, предназначенного для горелок дополнительного сжигания, выработки электричества для дуги, сушки окатышей В и подобного.

Электроды 5 в предпочтительном случае относятся к типу с трехфазным переменным током, который отличается превосходными свойствами с точки зрения теплового КПД и обычно используется в электродуговых печах для производства стали. Например, в предпочтительном случае применяется конструкция из шести электродов, которая состоит из трех пар по одной фазе, каждая из которых представлена трехфазным электродом.

Вершины электродов 5 в предпочтительном случае расположены (погружены) в слое 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата или слое 15 расплавленного шлака при выполнении операции плавления. В результате плавление можно ускорить за счет лучистого нагрева и омического нагрева от электрических дуг, и можно предотвратить повреждение внутренней поверхности стенок печи, которые не защищены слоем 12 исходного материала.

Далее в качестве примера будет описана ситуация использования этой ненаклоняемой вертикально стоящей дуговой печи для производства расплавленного железа в качестве расплавленного металла. В этом примере в качестве исходного материала для создания слоя исходного материала в печи используются смешанные окатыши из оксида железа с углеродом, которые также используются в качестве исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, расположенного на слое исходного материала.

При выполнении способа производства расплавленного металла, конкретное количество смешанных окатышей А из оксида железа с углеродом загружают, как исходный материал для создания слоя исходного материала, из желобов 4 загрузки исходного материала, установленных на обоих краях 2 печи, если смотреть в направлении по ширине. Смешанные окатыши А из оксида железа с углеродом образуют слой 12 исходного материала, имеющий наклонную поверхность 12а, уходящую вниз от обоих краев 2 печи, если смотреть в направлении по ширине, к нижним концам электродов 5. Если для создания слоя 12 исходного материала вместо углеродсодержащего материала используется исходный материал в виде металлосодержащего агломерата, или такой как смешанные окатыши из оксида железа с углеродом, восстановление и плавление или науглероживание и растворение происходит в той области, которая приходит в контакт с расплавленным железом. Однако трудно обеспечить поступление тепла в области, удаленные от области, контактирующей с расплавленным железом, и исходный материал в виде металлосодержащего агломерата остается в твердом состоянии. Таким образом, слой 12 исходного материала после его создания в течение длительного времени остается в виде слоя. Кроме того, так как температура в слое 12 исходного материала уменьшается с увеличением расстояния от области, контактирующей с расплавленным железом, и уменьшением расстояния до стенки печи, не возникает проблемы в виде повреждения огнеупора из-за образования расплавленного FeO.

Затем из желобов 4 загрузки исходного материала, установленных на обоих краях 2 печи, если смотреть в направлении по ширине, непрерывно или периодически загружают смешанные окатыши В из оксида железа с углеродом (далее также называемые просто "окатышами"), в качестве агломерата из оксида металла с углеродсодержащим материалом, служащего исходным материалом в виде металлосодержащего агломерата, чтобы создать слой 13 окатышей как слой исходного материала в виде металлосодержащего агломерата на наклонной поверхности 12а слоя 12 исходного материала. Количество углеродсодержащего материала, находящегося в окатышах В, может быть определено на основе количества С, теоретически требуемого для восстановления оксида железа до металлического железа, и целевой концентрации С в расплавленном железе. Окатыши В в предпочтительном случае предварительно сушат, в результате чего они не разрушаются при загрузке в печь.

Как описано выше, положения электродов 5 по высоте в предпочтительном случае предварительно выбирают таким образом, чтобы их нижние концы были погружены в слой 13 окатышей.

При последующей подаче электроэнергии в электроды для обеспечения дугового нагрева, окатыши В, находящиеся у нижнего края слоя 13 окатышей, начинают постепенно восстанавливаться, плавиться и превращаться в расплавленное железо, представляющее собой расплавленный металл, и расплавленный шлак из-за быстрого нагрева, то есть образовывать слой 14 расплавленного железа и слой 15 расплавленного шлака на дне печи. В предпочтительном случае в окатыши В предварительно добавляют источник CaO или источник MgO, например известняк или доломит, чтобы отрегулировать основность (или тому подобное) слоя 15 расплавленного шлака.

Окатыши В постепенно плавятся, начиная от нижнего края слоя 13 окатышей, как описано выше, и слой 13 окатышей начинает в печи постепенно опускаться за счет силы тяжести и функции перемещения исходного материала, реализуемой генератором 18 удара, в направлении нижних концов электродов 5 вдоль наклонной поверхности слоя исходного материала.

По мере приближения окатышей В в слое 13 к электродам, эти окатыши начинают сильно нагреваться за счет лучистого нагрева и омического нагрева, обеспечиваемых электрическими дугами на электродах 5, оксид железа внутри окатышей В предварительно восстанавливается до твердого металлического железа под влиянием углеродсодержащего материала, находящегося в этих окатышах, и образуется газ, содержащий СО (горючий газ). Если используется углеродсодержащий материал, например уголь, имеющий летучий компонент, этот летучий компонент, испаряющийся из углеродсодержащего материала при нагреве, также добавляется к газу, содержащему СО.

Газ, содержащий СО, сгорает (дополнительное сжигание или дожигание) в кислородсодержащем газе, например, газообразном кислороде, вдуваемом через горелки 6 дополнительного сжигания, установленные в своде 1 печи. Теплота излучения, возникающая при дожигании (дополнительном сжигании), также нагревает слой 13 окатышей. По мере такого нагрева слоя 13 окатышей за счет теплоты излучения, оксид железа в окатышах предварительно восстанавливается до твердого металлического железа и образуется газ, содержащий СО, как и в ситуации лучистого нагрева и омического нагрева, обеспечиваемых электрическими дугами на электродах 5; таким образом, дополнительное сжигание в еще большей степени ускоряет лучистый нагрев.

Как описано выше, окатыши В, загружаемые в печь из желобов 4 загрузки исходного материала, по мере опускания по наклонной поверхности 12а слоя 12 исходного материала подвергаются предварительному восстановлению в твердом состоянии за счет лучистого нагрева, обусловленного дополнительным сжиганием (далее также называемого "теплотой от дополнительного сжигания"), с увеличением степени металлизации, после чего они плавятся под действием дугового нагрева и омического нагрева вблизи нижних концов электродов 5 и превращаются в расплавленное железо и расплавленный шлак.

Соответственно, концентрация оксида железа в расплавленном шлаке, возникающем поблизости от нижних концов электродов 5, существенно снижается, и можно предотвратить износ электродов 5.

Углеродсодержащий материал, остающийся в окатышах В, растворяется в расплавленном железе, отделившемся от расплавленного шлака, что приводит к получению расплавленного железа, имеющего целевую концентрацию С.

Полученные таким образом расплавленное железо и расплавленный шлак можно периодически выгружать из отверстия 7 для выпуска металла и отверстия 8 для выпуска шлака, расположенных на дне печи, таким же образом, что и при выпуске, например, из доменных печей.

В рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения в качестве примера генераторов 18 удара описано устройство (образованное валом 18а и дробящими элементами 18b, выступающими от поверхности вала 18а), которое прикладывает внешнюю силу к слою 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата за счет вращения вокруг оси и которое аналогично устройству подачи шихты. Однако генераторы 18 удара не ограничиваются данным устройством, и может быть использовано любое устройство, которое непрерывно или периодически прикладывает внешнюю силу к слою 13 исходного материала в виде металлосодержащего агломерата. В качестве примера, может быть использовано другое устройство (например, шнековое устройство), которое прикладывает внешнюю силу за счет вращения вокруг оси. В качестве альтернативы можно использовать устройство (например, толкатель), которое прикладывает внешнюю силу за счет возвратно-поступательного перемещения цилиндра или тому подобного. В качестве другой альтернативы можно использовать устройство, которое прикладывает внешнюю силу за счет давления газа, например устройство, непосредственно подающее газ в печь, или устройство, которое под действием давления газа деформирует диафрагму.

Что касается размещения желобов 4 загрузки исходного материала и электродов 5 в рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения, то описан пример, в котором желоба 4 загрузки исходного материала установлены на обоих краях 2 печи, если смотреть в направлении по ширине, а электроды 5 установлены в центре свода 1 печи, если смотреть в направлении по ширине; в качестве альтернативы, желоба 4 загрузки исходного материала могут быть установлены на одном краю 2 печи, если смотреть в направлении по ширине, а электроды 5 могут быть установлены на другом краю 2 печи, если смотреть в направлении по ширине. Когда применяется данная модификация, наклон слоя 12 исходного материала, который создан в печи, обеспечен только с одной стороны. Это является недостатком с точки зрения защиты огнеупора по сравнению с рассмотренным выше вариантом; однако здесь также имеются преимущества, заключающиеся в том, что можно уменьшить ширину печи и, таким образом, сделать производственную установку более компактной. В рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения в качестве примера установки электродов 5 в центре печи, если смотреть в направлении по ширине, описан пример, когда электроды 5 установлены на центральной линии, если смотреть в направлении по ширине. Однако электроды 5 необязательно устанавливать точно на центральной линии печи, если смотреть в направлении по ширине, и они могут быть установлены относительно этой центральной линии в положениях ближе к краям печи, если смотреть в направлении по ширине.

В рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения описан пример, в котором канал 3 отходящего газа и желоба 4 загрузки исходного материала прикреплены к своду 1 печи. Однако размещение этим не ограничивается, и канал 3 отходящего газа и/или желоба 4 загрузки исходного материала могут быть прикреплены к верхним областям боковых стенок печи. В случае, если желоба 4 загрузки исходного материала прикреплены к верхним областям боковых стенок печи, эти желоба автоматически устанавливают по краям печи, если смотреть в направлении по ширине.

В рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения описан пример, в котором ненаклоняемая вертикально стоящая дуговая печь имеет в общем прямоугольную форму в горизонтальном сечении, но форма печи этим не ограничивается. Например, можно использовать печь, имеющую круглую или в общем эллиптическую форму в сечении. В таком случае для обеспечения трехфазного питания вместо 3 пар однофазных электродов могут применяться три электрода. Однако, если используется печь, имеющая в основном прямоугольное сечение, имеется преимущество, заключающееся в том, что масштаб печи можно легко увеличить путем расширения печи в продольном направлении (направлении, перпендикулярном ее ширине), не изменяя ее ширину.

Хотя в качестве примера агломерата В из оксида металла с углеродсодержащим материалом в рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения используются окатыши, можно применять и брикеты. Так как брикеты обеспечивают больший угол естественного откоса, чем сферические окатыши, высоту печи необходимо увеличить, чтобы сохранить неизменным время нахождения на наклонной поверхности 12а слоя 12 исходного материала по сравнению со случаем использования окатышей, но имеется преимущество, заключающееся в том, что можно уменьшить ширину печи.

В рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения описан пример, в котором в качестве исходного материала в виде металлосодержащего агломерата используется только агломерат из оксида металла с углеродсодержащим материалом (смешанные окатыши из оксида железа с углеродом). В качестве альтернативы, вместо агломерата из оксида металла с углеродсодержащим материалом (смешанных окатышей из оксида железа с углеродом и брикетов из оксида железа с примешанным углеродом), исходный материал в виде металлосодержащего агломерата может представлять собой металлический лом (железный лом), восстановленный металл (восстановленное железо (DRI - железо прямого восстановления или HBI - горячебрикетированное железо)), агломерированную руду из оксида металла (агломерированную железную руду), агломерат из хлорида металла с углеродсодержащим материалом, который содержит хлорид металла, либо рудный агломерат, содержащий оксид металла (обожженные окатыши из оксида железа, окатыши из оксида железа, полученные путем связывания в холодном состоянии, или спеченную руду из оксида железа). В качестве другой альтернативы, исходный материал в виде металлосодержащего агломерата может представлять собой одно или более из группы, состоящей из: агломерата из оксида металла с углеродсодержащим материалом, металлического лома, восстановленного металла, агломерированной руды из оксида металла, агломерата из хлорида металла с углеродсодержащим материалом и рудного агломерата, содержащего оксид металла.

В рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения описан пример, в котором в агломерате В из оксида металла с углеродсодержащим материалом содержится только железо, т.е. нелетучий химический элемент-металл. В качестве альтернативы, в дополнение к нелетучему химическому элементу-металлу могут содержаться и летучие химические элементы-металлы, например, Zn, Pb и подобное. Другими словами, в качестве исходного материала из оксида металла в агломерате В из оксида металла с углеродсодержащим материалом можно использовать пыль со сталелитейных заводов, содержащую летучие химические элементы-металлы. Летучие химические элементы-металлы испаряются из агломерата В из оксида металла с углеродсодержащим материалом во время нагрева в печи. Согласно способу, предлагаемому настоящим изобретением, температура в верхней части печи может поддерживаться достаточно высокой за счет теплоты сжигания, создаваемой с использованием горелок 6 дополнительного сжигания. Таким образом, можно гарантированно не допустить повторной конденсации испарившихся летучих химических элементов-металлов в верхней части печи, и можно эффективным образом извлекать эти летучие химические элементы-металлы из отходящего газа, выпускаемого из печи.

В настоящем описании термин "летучий химический элемент-металл" относится к химическому элементу-металлу, находящемуся в элементарной форме или в форме соединения, такого как соль, и имеющему температуру плавления 1100°С или менее при давлении 1 атм. Примеры металла в элементарной форме включают цинк и свинец. Примеры соединения летучего химического элемента-металла включают хлорид натрия и хлорид калия. В электрической печи (например, дуговой печи или печи с погруженной дугой) летучие металлы в соединениях восстанавливаются до чистых металлов, и часть или весь летучий металл присутствует в печи в газообразном состоянии. В противоположность этому, термин "нелетучий химический элемент-металл" относится к химическому элементу-металлу, находящемуся в элементарной форме или в форме соединения, такого как оксид, и имеющему температуру плавления более 1100°С при 1 атм. Примеры металла в элементарной форме включают железо, никель, кобальт, хром и титан. Примеры оксидов нелетучих металлов включают CaO, SiO₂ и Al₂O₃. Если в качестве электрической печи используется дуговая печь или печь с погруженной дугой, соединения нелетучих химических элементов-металлов могут находиться в печи в газообразном состоянии поблизости от дуг (область с температурой дуги), переходя в форму восстановленного химически чистого металла или невосстановленного соединения из-за нагрева или прохождения реакций восстановления в печи, но в области, удаленной от дуг, они находятся в жидком или твердом состоянии.

Хотя в рассмотренном варианте реализации настоящего изобретения в качестве примера химического элемента-металла, образующего агломерат В из оксида металла с углеродсодержащим материалом (как исходный материал в виде металлосодержащего агломерата) и слой 14 расплавленного металла, используется только железо (Fe), в дополнение к Fe могут содержаться цветные металлы, такие как Ni, Mn, Cr и подобное.

В рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения в качестве примера способа регулирования основности расплавленного шлака описано предварительное добавление источника CaO или источника MgO в агломерат В из оксида металла с углеродсодержащим материалом. Вместо или в дополнение к такому способу, можно загружать известняк или доломит из желобов 4 загрузки исходного материала вместе с агломератом В из оксида металла с углеродсодержащим материалом, либо известняк или доломит можно загружать из желобов, которые независимы от желобов 4 загрузки исходного материала, предназначенных для агломерата В из оксида металла с углеродсодержащим материалом.

Хотя в рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения в качестве примера исходного материала, образующего слой 12 исходного материала, указаны окатыши из оксида железа с примешанным углеродом, можно использовать и другой исходный материал в виде металлосодержащего агломерата, либо два или более таких исходных материалов в комбинации.

В дополнение или вместо исходного материала в виде металлосодержащего агломерата для создания слоя 12 исходного материала можно использовать углеродсодержащий материал, например уголь или кокс. Если в качестве исходного материала для создания слоя 12 используется углеродсодержащий материал, диапазон размеров углеродсодержащего материала предпочтительно выбирают в соответствии с размером окатышей В из оксида железа с примешанным углеродом, чтобы эти окатыши не проникали в пустоты в слое 12 исходного материала.

В рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения описан пример, в котором отверстие 7 для выпуска металла и отверстие 8 для выпуска шлака созданы на разных боковых стенках, расположенных друг против друга. Однако отверстие 7 для выпуска металла и отверстие 8 для выпуска шлака могут быть расположены на одной боковой стенке, либо отверстие 8 для выпуска шлака может быть исключено, и может быть создано только отверстие 7 для выпуска металла, в результате чего расплавленное железо и расплавленный шлак можно выпускать через это отверстие 7.

Хотя настоящее изобретение подробно описано со ссылкой на конкретные варианты его реализации, специалисту в данной области техники будет очевидно, что возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы сущности и объема этого изобретения. Предмет настоящего изобретения связан с заявкой на японский патент № 2009-234364, зарегистрированной в Японском патентном ведомстве 8 октября 2009, полное содержание которой этим упоминанием включено в текст данного описания.

Ссылочные обозначения

1 - Свод печи

2 - Край печи, если смотреть в направлении по ширине

3 - Канал отходящего газа

4 - Желоб загрузки исходного материала

5 - Электрод

6 - Горелка дополнительного сжигания

7 - Отверстие для выпуска металла

8 - Отверстие для выпуска шлака

9, 10, 11 - Разделительная стенка

12 - Слой исходного материала

12а - Наклонная поверхность

13 - Слой исходного материала в виде металлосодержащего агломерата (слой окатышей)

14 - Слой расплавленного металла (слой расплавленного железа)

15 - Слой расплавленного шлака

16 - Дно печи

16а - Поднимающаяся область

17 - Отверстие доступа

18 - Генератор удара

18а - Вал

18b - Дробящий элемент

21 - Подшипник

А - Исходный материал для создания слоя исходного материала (смешанные окатыши из оксида железа с углеродом)

В - Исходный материал в виде металлосодержащего агломерата (агломерат из оксида металла с углеродсодержащим материалом, смешанные окатыши из оксида железа с углеродом)

С - Кислородсодержащий газ (кислород)

Изобретение относится к устройству для производства расплавленного металла путем прямого восстановления и плавления исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, например агломерата из оксида металла с углеродсодержащим материалом, в плавильной печи с электрическим нагревом, например дуговой печи, без выполнения предварительного восстановления. При загрузке из желобов (4, 4) с обоих краев (2, 2) ненаклоняемой вертикально стоящей дуговой печи создают слои (12) исходного материала, имеющие наклонную поверхность, уходящую вниз, к областям электродов (5), расположенных в центральной области печи, и слои (13) исходного материала в виде металлосодержащего агломерата на наклонах, соответственно. Расплавленный металл получают, постепенно выполняя плавление нижних краев слоев (13) за счет нагрева при помощи электрических дуг, возникающих на электродах (5). Устройство снабжено генератором удара, который обеспечивает механическое устранение зависания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и установлен в печи выше слоя расплавленного шлака и ниже поверхности слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата. Изобретение позволяет эффективным образом предотвращать зависание слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и надежным образом устранять зависание, если оно происходит.2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для производства расплавленного металла, содержащее ненаклоняемую вертикально стоящую электрическую печь, включающую средство электрического нагрева, в котором канал отходящего газа и желоб загрузки исходного материала присоединены к своду печи, при этом желоб загрузки исходного материала установлен на одном краю печи, если смотреть в направлении по ширине, средство электрического нагрева установлено таким образом, чтобы область электрического нагрева, нагреваемая с использованием этого средства, находилась на другом краю печи, если смотреть в направлении по ширине, горелка дополнительного сжигания установлена в своде печи, причем устройство выполнено с возможностью производства расплавленного металла путем создания слоя исходного материала за счет загрузки конкретного количества углеродсодержащего материала и/или исходного материала в виде металлосодержащего агломерата в печь из желоба загрузки исходного материала, при этом слой исходного материала имеет наклонную поверхность, уходящую вниз, к области электрического нагрева от упомянутого одного края печи, если смотреть в направлении по ширине, а также с возможностью последующего создания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата на наклонной поверхности слоя исходного материала за счет непрерывной или периодической загрузки исходного материала в виде металлосодержащего агломерата в печь из желоба загрузки исходного материала, и с возможностью следующего за этим создания в печи слоя расплавленного металла и слоя расплавленного шлака за счет постепенного плавления исходного материала в виде металлосодержащего агломерата у нижнего края слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата при помощи электрического нагрева с использованием средства электрического нагрева, при обеспечении опускания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата вдоль наклонной поверхности слоя исходного материала, и одновременного термического восстановления слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата за счет теплоты излучения от дополнительного сжигания при вдувании из горелки дополнительного сжигания кислородсодержащего газа в пространство печи выше слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата для сжигания газа, содержащего СО, который возникает в этом слое, при этом устройство снабжено генератором удара, который обеспечивает механическое устранение зависания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и установлен в печи выше слоя расплавленного шлака и ниже поверхности слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

2. Устройство для производства расплавленного металла, содержащее ненаклоняемую вертикально стоящую электрическую печь, включающую средство электрического нагрева, в котором канал отходящего газа и желоба загрузки исходного материала присоединены к своду печи, при этом желоба загрузки исходного материала установлены на обоих краях печи, если смотреть в направлении по ширине, а средство электрического нагрева установлено таким образом, чтобы область электрического нагрева, нагреваемая с использованием этого средства, находилась в центре печи, если смотреть в направлении по ширине, горелка дополнительного сжигания установлена в своде печи, причем устройство выполнено с возможностью производства расплавленного металла путем создания слоя исходного материала за счет загрузки конкретного количества углеродсодержащего материала и/или исходного материала в виде металлосодержащего агломерата в печь из желобов загрузки исходного материала, установленных на обоих краях печи, если смотреть в направлении по ширине, при этом слой исходного материала имеет наклонные поверхности, уходящие вниз, к области электрического нагрева от обоих краев печи, если смотреть в направлении по ширине, а также с возможностью последующего создания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата на наклонных поверхностях слоя исходного материала за счет непрерывной или периодической загрузки исходного материала в виде металлосодержащего агломерата в печь из желобов загрузки исходного материала, установленных на обоих краях печи, если смотреть в направлении по ширине, и с возможностью следующего за этим создания в печи слоя расплавленного металла и слоя расплавленного шлака за счет постепенного плавления исходного материала в виде металлосодержащего агломерата у нижнего края слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата при помощи электрического нагрева с использованием средства электрического нагрева, при обеспечении опускания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата вдоль наклонных поверхностей слоя исходного материала, и одновременного нагрева слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата за счет теплоты излучения от дополнительного сжигания при вдувании из горелки дополнительного сжигания кислородсодержащего газа в пространство печи выше слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата для сжигания газа, содержащего СО, который возникает в этом слое, при этом устройство снабжено генератором удара, который обеспечивает механическое устранение зависания слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и установлен в печи выше слоя расплавленного шлака и ниже поверхности слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором, если исходный материал в виде металлосодержащего агломерата, загружаемый в печь из желоба загрузки исходного материала, содержит 2 мас.% или более небольших зерен, размер которых составляет 90% или менее от среднего размера зерен исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, то генератор удара установлен по высоте между нижним концом желоба загрузки исходного материала и высотой ниже этого конца на 1/3 от расстояния между этим нижним концом и поверхностью слоя расплавленного шлака.

4. Устройство по п.1 или 2, в котором генератор удара включает вал, ось вращения которого проходит в продольном направлении печи, и дробящий элемент, выступающий от поверхности вала.

5. Устройство по п.4, в котором генератор удара вращается вокруг оси вращения только в одном направлении, в котором опускается слой исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, либо поочередно в направлении, в котором опускается слой исходного материала в виде металлосодержащего агломерата, и в противоположном направлении.

6. Устройство по п.4, в котором генератор удара установлен таким образом, чтобы вал находился внутри слоя исходного материала или слоя исходного материала в виде металлосодержащего агломерата и по меньшей мере часть дробящего элемента контактировала со слоем исходного материала в виде металлосодержащего агломерата.

7. Устройство по п.4, в котором генератор удара установлен по высоте между поверхностью слоя расплавленного шлака и высотой выше этой поверхности на 1/3 от расстояния между этой поверхностью и нижним концом желоба загрузки исходного материала.