МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2019 года по МПК F27B1/02 F27B1/16 C21B11/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к металлургическим процессам и оборудованию. В частности, настоящее изобретение относится к металлургическим процессам и оборудованию для производства металлических сплавов и подобного.

Уровень техники

Уже известны классические процессы получения первичного чугуна, например, в доменных печах и электрических восстановительных печах. Также известны и другие процессы получения сплавов из оксида железа или железных руд после классификации частиц по размеру, с использованием классических окатышей или других традиционных агломератов, для получения, путем выполнения традиционных операций в этих печах, жидкого или твердого чугуна на основе определенного состава.

В доменных печах шихту, которая может состоять из классифицированной руды, окатышей, спеченных в куски шихтовых материалов или других классических агломератов, кокса и известняка, последовательно загружают через верхнюю часть печи с получением непрерывного столба шихты. Атмосферный воздух вводят в нижнюю часть доменной печи, в состоянии предварительного нагрева в регенеративных нагревателях или подобном, при приблизительной температуре от 300°С до 1200°С, при помощи ряда фурм в верхней части горна. В этом месте создается зона, имеющая восстановительную атмосферу из-за наличия монооксида углерода, возникающего при реакции СО₂ с углеродом кокса. Этот СО объединяется с кислородом из оксида железа, с восстановлением его до металлического железа и с производством первичного чугуна.

Примеси, а именно, рудная пустая порода и зола кокса вместе с известняком образуют жидкий шлак с малой плотностью, который всплывает на поверхность расплавленного первичного чугуна.

Возникающие газы перемещаются в противотоке с шихтой, предварительно нагревают ее и выходят из нее в ее верхней части. Этот газ, состоящий, главным образом, из СО, СО₂, Н₂ и N₂, направляется в регенеративные предварительные нагреватели воздуха для сжигания и поступает в печь и в другие нагревательные устройства.

Также известно, что в классических окатышах восстановление происходит за счет восстановления окисленной шихты СО, возникающим при неполном сжигании кокса. СО распространяется внутрь агломерата или частиц руды, при этом восстановление происходит в соответствии с реакцией МеО+СО→Ме+СО₂. СО₂, возникающий в ходе этой реакции, распространяется в противоположном направлении по сравнению с СО и включается в поток газа, покидающий печь через верх. Эта реакция требует определенного времени для полной диффузии СО внутрь руды или классического окатыша, в результате чего требуются печи с продолжительным временем нахождения шихты внутри них, что типично для доменных печей.

Самовосстанавливающиеся окатыши, в свою очередь, обеспечивают значительно более благоприятные условия для восстановления. Наиболее близкий контакт руды или оксида с углеродным материалом, которые мелко измельчены, обеспечивает уменьшение времени реакции, поскольку нет необходимости в этапе диффузии СО внутрь окатышей, при этом восстановление происходит в соответствии с приведенными ниже реакциями, заранее предопределенными в окатыше с этой целью:

2МеО+С→2Ме+СО₂

СО₂+С→2СО

МеО+СО→Ме+СО₂

В этом смысле, агломерат как таковой, на практике, образует частично закрытую систему, атмосфера в которой является восстановительной в течение всего периода времени, в который внутри имеется углерод. В качестве альтернативы, самовосстанавливающиеся агломераты, о чем говорит их название, сохраняют внутри атмосферу самовосстановления, которая не зависит от характеристик внешней атмосферы, то есть, от типа атмосферы, существующей внутри шахтной печи, в которой имеются восходящие газы.

Соответственно, можно преобразовать в энергию процесса газ СО, имеющийся в атмосфере печи, который возникает в результате неполного сжигания топлива и в результате реакции восстановления, происходящей внутри окатышей.

В отличие от этого, в процессах плавления, происходящих в шахтных печах, имеющиеся кокс или другое твердое топливо, загружаемые сверху во время работы, перемещаются вниз с остатком шихты, реагируя с восходящим СО₂ в режиме противотока, в соответствии с реакцией Будуара СО₂+С→2СО, в результате чего потребление углеродного материала увеличивается, что не способствует его эффективному использованию в ходе процесса восстановительной плавки. Если бы было можно сжигать этот газообразный СО в ходе самого процесса, можно было бы увеличить эффективность, что привело бы к экономии топливного кокса в вагранках и к экономии топлива и восстановительного материала в доменных печах, как в случае всех других шахтных печей, применяемых при восстановлении/плавлении или только плавлении для получения любого другого металлического сплава.

В документе PI9403502-4, выданном на имя настоящего заявителя, указанная выше проблема решается путем предложения печи, содержащей загрузку топлива, отделенную от входа шихты (исходного материала). В частности, печь, описанная в документе PI9403502-4, имеет верхнюю емкость, которая принимает шихту (например, оксиды/руды) и нижнюю емкость, и топливо вводится приблизительно на границе между двумя емкостями.

Газы, выделяющиеся из нижней зоны, перемещающиеся в режиме противотока с шихтой, переносят в нее тепловую энергию, необходимую для нагрева и восстановления или простого плавления. Так как шихта в верхней емкости не содержит кокса, древесного угля или любого другого твердого топлива, не происходит реакции Будуара (СО₂+С→2СО), которая является эндотермической и в которой дополнительно расходуются ощутимые количества углерода. Поэтому отходящие газы, выходящие из оборудования, по существу, содержат СО₂ и N₂.

Однако, несмотря на наличие многочисленных преимуществ, например, тех, которые указаны выше, печь, описанная в документе PI9403502-4, не позволяет использовать исходные материалы или виды топлива с высоким содержанием примесей, так как они в общем случае не обеспечивают достаточного тепла для плавления многих из этих примесей.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является предложить металлургическую печь с большим и эффективным выделением тепла, позволяющую использовать исходные материалы и виды топлива с высокими уровнями содержания примесей.

Чтобы решить указанную выше задачу, настоящим изобретением предлагается металлургическая печь, содержащая, i) по меньшей мере, одну верхнюю емкость, ii) по меньшей мере, одну нижнюю емкость, iii) по меньшей мере, один податчик топлива, расположенный, по существу, между упомянутыми, по меньшей мере, одной верхней емкостью и, по меньшей мере, одной нижней емкостью, и, iv) по меньшей мере, один ряд фурм, расположенных на упомянутых, по меньшей мере, одной верхней емкости и, по меньшей мере, одной нижней емкости, причем упомянутый, по меньшей мере, один ряд фурм внутри печи сообщается с внешней средой, причем печь по настоящему изобретению дополнительно содержит, v) по меньшей мере, одну горелку, установленную на упомянутых, по меньшей мере, одной верхней емкости и по меньшей мере, одной нижней емкости.

Краткое описание чертежей

В приведенном далее подробном описании делается ссылка на сопровождающие чертежи, из которых:

на Фиг.1 изображен первый вариант металлургической печи, соответствующей настоящему изобретению;

на Фиг.2 изображен второй вариант металлургической печи, соответствующей настоящему изобретению;

на Фиг.3 изображена горелка, соответствующая предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения; и

на Фиг.4 изображены устройства для удаления газа, согласно альтернативному варианту реализации настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Последующее описание основано на предпочтительном варианте изобретения. Однако, как станет очевидно любому специалисту в данной области техники, изобретение не ограничивается этим конкретным вариантом. Кроме того, содержание документа PI9403502-4 включено сюда посредством ссылки на него.

Настоящим изобретением предлагается металлургическая печь, обеспеченная новаторскими решениями, которые позволяют за счет расходования различных топливных материалов генерировать энергию для процесса, не считая использования исходных материалов с высокими уровнями содержания примесей, если сравнивать с классическими технологиями обработки металла. Кроме того, печь по настоящему изобретению позволяет сжигать СО или любой другой топливный газ, имеющийся в восходящем газе, например, Н₂, СН₄ и подобное.

Металлургическая печь по настоящему изобретению изображена на Фиг.1 и 2, она, по существу, состоит из верхней емкости 1, где в печь загружается шихта (исходный материал). Как можно заметить, на Фиг.1 изображена емкость цилиндрической формы (с круглым поперечным сечением), в то время как на Фиг.2 показана емкость в форме параллелепипеда (с прямоугольным поперечным сечением). Этим подчеркивается, что настоящее изобретение не ограничивается какой-либо конкретной формой печи.

В верхней емкости 1 имеется набор из, по меньшей мере, одного ряда вспомогательных фурм 4, которые в предпочтительном случае представляют собой отверстия, позволяющие вдувать горячий или холодный атмосферный воздух для сжигания СО и других горючих газов, имеющихся в восходящем газе. Вдуваемый воздух в качестве необязательного варианта может быть обогащен О₂. Кроме того, через фурмы 4 совместно с вдуваемым воздухом может вводиться газообразное, жидкое или твердое топливо.

Печь по настоящему изобретению дополнительно содержит нижнюю емкость 2 с предпочтительно круглым или прямоугольным поперечным сечением, которая имеет диаметр или размеры, подходящие для подачи твердого топлива. Диаметр или ширина емкости 2 в поперечном сечении больше, чем у емкости 1, и достаточны для установки податчиков топлива. В этих податчиках, которые установлены по границе между верхней емкостью 1 и нижней емкостью 2, могут быть обеспечены каналы 5 снабжения топливом, чтобы гарантировать поступление загружаемого топлива на дно печи без возникновения сопротивления перемещению при использовании мелких материалов. При опускании шихты в податчике, в нем происходят предварительный нагрев, предварительная сушка и выделение летучих фракций, имеющихся в твердых видах топлива и горючих углеродных остатках.

Нижняя емкость 2 имеет один или более рядов основных фурм 3, которые, также как и описанные выше вспомогательные фурмы, предназначены для вдувания горячего или холодного воздуха, который также может или нет быть обогащен О₂. Для частичного его сжигания может также вводиться твердое топливо в порошковой, жидкой или газообразной форме, с получением газа и обеспечением тепловой энергии, необходимой для восстановления и/или плавления шихты.

Если в основные 3 и/или вспомогательные 4 фурмы вдувается горячий воздух, можно использовать наборы 7 для вдувания, как изображено на Фиг.2, которые могут быть соединены с любой воздухонагревательной системой (не показана), известной в данной области техники.

В качестве необязательного варианта, нижняя емкость 2 может иметь огнеупорное покрытие и/или иметь охлаждаемые панели.

Кроме того, по меньшей мере, часть основных или вспомогательных фурм 3, 4 содержит газовые горелки 10, как изображено на Фиг.3. Эти горелки 10, установленные на фурмах 4, в предпочтительном случае содержат соосную трубку, то есть, небольшую центральную трубку 12, через которую вводится топливо, и внешнюю трубку 14, которая ее окружает и посредством которой через фурмы 3, 4 вдувается воздух или какой-либо другой материал, поддерживающий горение. Таким образом, вдуваемый воздух проходит по внешней трубке горелки, в то время как топливо проходит по центральной трубке 12. Затем воздух смешивается с топливом, в результате чего смесь сжигается в области 16, расположенной по потоку ниже горелки, эта область 16 находится внутри печи. В результате для процесса сжигания обеспечивается больший уровень безопасности, так как смешивание топлива с материалом, поддерживающим горение, и последующее сжигание происходят только внутри печи.

Объединение воздуха, нагнетаемого в фурмы 3, 4, с вводимым топливом (газообразным, жидким или твердым), которое сжигается в горелках 10, приводит к очень интенсивному выделению тепла за счет экзотермических реакций, происходящих при этом объединении.

Полное сжигание СО и имеющихся горючих газов может приводить к образованию таких газообразных продуктов, как СО₂ и Н₂О.

С+½О₂→СО₂

СО+О₂ →СО₂

2Н₂+О₂→2Н₂О

Расплавленные материалы выходят из оборудования в нижней части горна, находящегося в нижней части нижней емкости 2, через выпускную летку (летки) в непрерывном режиме или порциями.

Это дополнительное тепло, обеспеченное горелками, чрезвычайно необходимо для исходных материалов с высоким содержанием примесей, то есть, пустой породы и золы из кокса или древесного угля, так как они разлагаются, отбирая большое количество тепла из процесса. Поэтому объединение воздуха, нагнетаемого в фурмы 3, 4, с вводимым топливом (газообразным, жидким или твердым), которое сжигается в горелках 10, приводит к возникновению тепла, необходимого для восстановления исходных материалов с высоким содержанием примесей и плавления большого количества шлака, создаваемого этими примесями.

Помимо продуктов горения, сжигание, сопровождаемое горением в горелках 10, обеспечивает достаточно тепла для шихты в виде самовосстанавливающихся агломератов, агломератов с топливом, первичного чугуна, железного лома, губчатого железа, руд или составов с различными пропорциями этих материалов, позволяя использовать широкий диапазон исходных материалов и видов топлива для выполнения процесса обработки металла в виде получения сплавов.

Таким образом, печь по настоящему изобретению позволяет не загружать топливо вместе с шихтой в верхней части емкости, что отличает ее от классических процессов производства и, следовательно, предотвращает прохождение реакций газификации углерода (реакций Будуара) и увеличение потребления как тепла, так и топлива в печи.

С учетом усовершенствований, касающихся емкостей и отдельных реакционных зон, гибкости с точки зрения формы емкостей и наличия горелок в фурмах, печь, соответствующая настоящему изобретению, позволяет лучше использовать тепло от сжигания топлива, уменьшая расход и степень нагнетания. Это связано с тем, что, в отличие от классических технологий производства, таких как доменные печи или другие шахтные печи, монооксид углерода и другие газы, возникающие в нижней части печи, могут сгорать в верхней части, перенося тепловую энергию в шихту, которая опускается в емкости. Другими словами, газы, перемещающиеся из нижней зоны в режиме противотока с шихтой, сгорают в верхней емкости и передают тепловую энергию, необходимую для нагрева, восстановления и/или простого плавления шихты.

Металлургическая печь, предлагаемая в настоящем изобретении, из-за большого выделения тепла и высокой тепловой эффективности, позволяет повысить гибкость в ходе выполнения операций и может быть использована для плавления железного лома, первичного чугуна, губчатого железа, металлических материалов, возвращающихся с металлургических или сталеплавильных заводов, а также любых сплавов, например, таких как используются в классических вагранках.

В качестве необязательного варианта, настоящим изобретением предлагаются герметичные клапаны для подачи твердого топлива. Также в качестве необязательного варианта, участок податчика твердого топлива может содержать устройства для удаления газа при помощи клапанов 6 управления расходом (Фиг.4), позволяющих обеспечить прохождение определенного количества газов для способствования предварительному нагреву, предварительной сушке и выделению летучих фракций в различных видах твердого топлива. В частности, устройства для удаления газа делают возможным обмен газами между каналами 5 снабжения топливом и верхней емкостью 1.

Возможно множество модификаций, не выходящих за пределы объема защиты в настоящей заявке. Соответственно, необходимо подчеркнуть, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными исполнениями/вариантами его реализации, которые описаны выше.

Изобретение относится к металлургической печи, выполненной с возможностью работы с широким диапазоном исходных материалов и видов топлива, включая имеющие высокие уровни содержания примесей. Металлургическая печь содержит верхнюю емкость (1), нижнюю емкость (2), податчик топлива, расположенный, по существу, между упомянутыми верхней емкостью (1) и нижней емкостью (2), и по меньшей мере один ряд фурм (3, 4), расположенных на по меньшей мере одной из упомянутых верхней емкости (1) и нижней емкости (2). Причем по меньшей мере один ряд фурм (3, 4) обеспечивает сообщение по текучей среде внутреннего пространства печи с внешней средой. Печь также содержит по меньшей мере одну горелку (10), установленную на по меньшей мере одной из упомянутых верхней емкости (1) и нижней емкости (2). Причем упомянутая горелка (10) установлена на фурме упомянутого по меньшей мере одного ряда фурм (3, 4). При этом упомянутая горелка (10) содержит центральную трубку (12), через которую вводят топливо, и внешнюю трубку (14), которая ее окружает и через которую проходит материал, поддерживающий горение. Изобретение обеспечивает интенсивное выделение тепла за счет экзотермических реакций, происходящих при объединении воздуха, нагнетаемого в фурмы, с вводимым топливом, которое сжигается в горелках. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Металлургическая печь, содержащая:

по меньшей мере одну верхнюю емкость (1);

по меньшей мере одну нижнюю емкость (2);

по меньшей мере один податчик топлива, расположенный, по существу, между упомянутыми по меньшей мере одной верхней емкостью (1) и по меньшей мере одной нижней емкостью (2); и

по меньшей мере один ряд фурм (3, 4), расположенных на по меньшей мере одной из упомянутых по меньшей мере одной верхней емкости (1) и по меньшей мере одной нижней емкости (2), причем по меньшей мере один ряд фурм (3, 4) обеспечивает сообщение по текучей среде внутреннего пространства печи с внешней средой,

отличающаяся тем, что она дополнительно содержит

по меньшей мере одну горелку (10), установленную на по меньшей мере одной из упомянутых по меньшей мере одной верхней емкости (1) и по меньшей мере одной нижней емкости (2),

причем упомянутая по меньшей мере одна горелка (10) установлена на фурме упомянутого по меньшей мере одного ряда фурм (3, 4),

при этом упомянутая по меньшей мере одна горелка (10) содержит центральную трубку (12), через которую вводят топливо, и внешнюю трубку (14), которая ее окружает и через которую проходит материал, поддерживающий горение.

2. Металлургическая печь по п.1, отличающаяся тем, что материал, поддерживающий горение, представляет собой атмосферный воздух, вдуваемый фурмами (3, 4).

3. Металлургическая печь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что материал, поддерживающий горение, и топливо горелки (10) смешивают и сжигают в области (16), расположенной по потоку ниже горелки внутри печи.

4. Металлургическая печь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один канал (5) снабжения топливом, соединенный с упомянутым по меньшей мере одним податчиком топлива.

5. Металлургическая печь по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый по меньшей мере один податчик топлива содержит по меньшей мере одно из герметичного клапана и устройства (6) для удаления газа.

6. Металлургическая печь по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые по меньшей мере одна из упомянутых по меньшей мере одной верхней емкости (1) и по меньшей мере одной нижней емкости (2) имеет круглое или прямоугольное поперечное сечение.