МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ Российский патент 2019 года по МПК C21B11/02 C21B13/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[001] Настоящее изобретение относится к металлургическим процессам и устройствам. Более конкретно, настоящее изобретение относится к металлургическим процессам и устройствам для производства металлических сплавов.

ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[002] Известны классические процессы для производства доменного чугуна, которые могут выполняться, например, в доменных печах и электрических восстановительных печах. Также известны другие процессы для производства сплавов из оксида железа или железной руды после гранулометрического кондиционирования, классических окатышей или других традиционных агломератов, получающие с помощью традиционных операций в этих печах жидкое или твердое железо определенного состава.

[003] В доменных печах сырье, которое может быть составлено из сортированной руды, окатышей, агломерата или других классических агломератов, кокса и известняка, загружается последовательно через верх печи, формируя непрерывную колонну. У основания доменной печи атмосферный воздух, подогретый в регенеративных нагревателях или нет, с температурой приблизительно от 300 до 1200°C, вводится через ряд фурм в верхней части горна. В этом месте зона с восстановительной газовой средой формируется благодаря присутствию оксида углерода, образуемого реакцией CO₂ с углеродом кокса. Этот CO объединяется с кислородом из оксида железа, восстанавливая его до металлического железа и производя доменный чугун.

[004] Примеси, то есть рудная пустая порода и зола от кокса образуют с известняком менее плотную жидкость, то есть шлак, который всплывает на поверхность жидкого доменного чугуна.

[005] Газы, образующиеся в противотоке с сырьем, подогревают его и выходят сверху. Этот газ состоит главным образом из CO, CO₂, H₂ и N₂, и проходит к регенеративным подогревателям воздуха для горения, входящего в печь, и другим нагревательным устройствам.

[006] Также известно, что, в сырье, состоящем из классифицированной руды, окатышей, спеченных в куски шихтовых материалов или других классических агломератов, восстановление проходит за счет восстановления окисленного сырья оксидом углерода, образующимся при неполном сгорании кокса. CO диффундирует внутрь агломерата или рудных частиц, и происходит восстановление в соответствии с реакцией MeO+CO → Me+CO₂. CO₂, образующийся в этой реакции, распространяется в направлении, противоположном CO, и включается в газовый поток, который выходит через верх печи. Эта реакция требует некоторого времени для полной диффузии CO внутрь сырья, требуя таким образом печей с длительными временами пребывания сырья, какими обычно и являются доменные печи.

[007] Самовосстанавливающиеся агломераты, с другой стороны, создают условия, намного более благоприятные для восстановления. Самый близкий контакт между рудой или оксидом и углеродсодержащим материалом, которые являются тонко раздробленными, обеспечивает более короткое время реакции, в течение которого нет никакой потребности в стадии диффузии CO внутрь самовосстанавливающегося агломерата, поскольку он предварительно внедрен внутрь агломератов с этой целью:

2MeO+C → 2Me+CO₂

CO₂+C → 2CO

MeO+CO → Me+CO₂

[008] В этом смысле сам агломерат устанавливает практически полузамкнутую систему, в которой атмосфера является восстанавливающей в течение того промежутка времени, когда внутри имеется доступный углерод. Альтернативно, самовосстанавливающиеся агломераты в соответствии со своим названием поддерживают в своей внутренней части восстановительную газовую среду, которая не зависит от характеристик внешней атмосферы, то есть типа атмосферы в шахтной печи, обеспечиваемой восходящими газами.

[009] Таким образом, возможно преобразовать CO, присутствующий в печной атмосфере в результате неполного сгорания топлива и реакции восстановления внутри самовосстанавливающихся агломератов, в энергию для процесса.

[0010] С другой стороны, в процессе плавки в шахтных печах кокс или другое твердое топливо, загружаемое сверху во время работы, перемещается вниз вместе с остальной частью сырья, реагируя с CO₂, движущимся противотоком вверх, в соответствии с реакцией Будуара CO₂+C → 2CO, увеличивая таким образом расход углеродсодержащего материала и мешая его эффективному использованию в процессе восстановительной плавки. Если бы было возможно сжигать этот газообразный CO в самом процессе, то была бы достигнута более высокая эффективность, что привело бы к экономии топливного кокса в вагранках, а также топлива и восстановителя в доменных печах, как и в случае всех других шахтных печей, используемых для восстановления/плавления или только плавления любых других сплавов.

[0011] Патентный документ PI9403502-4, настоящего Заявителя, решает вышеупомянутую проблему путем обеспечения печи, содержащей подачу топлива отдельно от входного отверстия для загрузки (сырья). В частности печь, описанная в патентном документе PI9403502-4, имеет верхнюю шахту, которая принимает сырье (например оксиды/руды), и нижнюю шахту, причем топливо подается приблизительно в месте соединения между этими двумя шахтами.

[0012] Газы из нижней зоны, перемещаясь в противотоке с сырьем, передают ему тепловую энергию, требуемую для нагревания и восстановления или простого плавления.

[0013] Однако для использования самовосстанавливающихся агломератов надлежащее управление газообразным потоком является существенным, чтобы обеспечить их самовосстановление однородным образом. Несмотря на наличие у печи, описанной в патентном документе PI9403502-4, многочисленных преимуществ, таких как упомянутые выше, она не дает надлежащего управления газообразным потоком в верхней шахте, допуская внезапную утечку газов в некоторых точках печи, препятствуя таким образом управлению обменом энергией между газом и сырьем в верхней шахте.

ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить металлургическую печь для производства металлических сплавов путем самовосстановления агломератов, содержащих оксиды металла, включая производство жидкого железа, доменного чугуна и литейного чугуна, а также металлических сплавов, обеспечивающую надлежащий контроль над потоком газов и обменом энергии для того, чтобы обеспечить восстановление самовосстанавливающихся агломератов однородным образом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] Для того, чтобы решить вышеописанные задачи, настоящее изобретение предлагает металлургическую печь, содержащую (i) по меньшей мере одну верхнюю шахту, (ii) по меньшей мере одну шахту, (iii) по меньшей мере одно устройство подачи топлива, расположенное по существу по меньшей мере между одной верхней шахтой и по меньшей мере одной нижней шахтой, (iv) по меньшей мере один ряд фурм, расположенных в по меньшей мере одной из по меньшей мере одной верхней шахты и по меньшей мере одной нижней шахты, причем этот по меньшей мере один ряд фурм обеспечивает соединение по текучей среде внутренней части печи и окружающего пространства, расположенный в по меньшей мере одной из по меньшей мере одной верхней шахты и по меньшей мере одной нижней шахты, и дополнительно содержащую (v) по меньшей мере одну колонну топлива, имеющую область с высокой проницаемостью для газов, подаваемую через по меньшей мере один колпак (вытяжной колпак), проходящий продольно через печь.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016] Подробное описание, приведенное ниже, ссылается на прилагаемые чертежи, в которых:

- Фиг. 1 показывает печь с колпаком в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

- Фиг. 2 показывает средство подачи топлива в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

- Фиг. 3A и 3B показывают поток газа, получаемый с помощью настоящего изобретения, в сравнении с потоком газа в печах, описанных в предшествующем уровне техники.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Данное описание начинается с предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничивается этим конкретным вариантом осуществления, как это будет очевидным для специалиста в данной области техники. Кроме того, содержание документа PI9403502-4 включено в настоящий документ посредством ссылки.

[0018] Настоящее изобретение предлагает металлургическую печь с новшествами, обеспечивающими надлежащее управление газообразным потоком для того, чтобы обеспечить восстановлению самовосстанавливающихся агломератов однородным образом, управляя при этом обменом энергий между газом и сырьем, что является основным принципом процесса самовосстановления.

[0019] Металлургическая печь по настоящему изобретению показана на Фиг. 1 и состоит по существу из верхней шахты 1, где сырье (исходная шихта) загружается в печь. Важно отметить, что шахта может иметь множество форм, таких как, например, цилиндрическая форма, имеющая круглое поперечное сечение, или форма параллелепипеда, имеющая прямоугольное поперечное сечение. Следовательно, можно отметить, что настоящее изобретение не ограничивается какой-либо конкретной формой печи.

[0020] В верхней шахте 1 имеется узел из по меньшей мере одного ряда вторых фурм 4, которые предпочтительно являются отверстиями, которые обеспечивают вдувание горячего или холодного атмосферного воздуха для сжигания CO и других горючих газов, присутствующих в поднимающемся газе. Вдуваемый воздух может при необходимости быть обогащенным кислородом. Кроме того, газообразное, жидкое или твердое топливо может вводиться в фурмы 4 вместе с вдуваемым воздухом.

[0021] Печь по настоящему изобретению дополнительно содержит нижнюю шахту 2, предпочтительно круглого или прямоугольного поперечного сечения, имеющую достаточный диаметр или размеры для подачи твердого топлива. Диаметр или ширина поперечного сечения шахты 2 больше, чем у шахты 1, на величину, достаточную для установки устройств подачи топлива. В этих устройствах подачи топлива, расположенных вокруг соединения верхней шахты 1 и нижней шахты 2, трубопроводы 5 подачи топлива могут соединяться для того, чтобы гарантировать прохождение подаваемого топлива внутрь печи, избегая при этом уноса сырья при использовании мелкодисперсных материалов. По мере того, как сырье падает на устройство подачи топлива, происходит предварительный нагрев, подсушивание и дистилляция летучих фракций, присутствующих в твердых топливах и в горючих углеродсодержащих остатках.

[0022] Нижняя шахта 2 имеет один или более рядов первых фурм 3, которые, наряду со вторыми фурмами, описанными выше, служат для вдувания горячего или холодного воздуха, который может быть обогащен кислородом или нет. Также возможно вводить порошковые, жидкие, газообразные твердые топлива для неполного сжигания топлива, производя газ и обеспечивая тепловую энергию, необходимую для восстановления и/или плавления сырья.

[0023] Если горячий воздух вдувается в первые и/или вторые фурмы 4, могут использоваться узлы 7 нагнетания воздуха, которые могут быть связаны с любой системой нагрева воздуха (не показана), известной из предшествующего уровня техники.

[0024] При необходимости нижняя шахта 2 может иметь огнеупорную футеровку и/или охлаждаемые панели.

[0025] Кроме того, печь по настоящему изобретению содержит по меньшей мере одну колонну топлива, имеющую область высокой проницаемости для газов, подаваемую по меньшей мере через один колпак, проходящий продольно через печь, как показано на упомянутой Фиг. 1. Этот колпак 6, который предпочтительно является вертикальным трубопроводом, установленным по центральной вертикальной оси печи, состоит из оборудования, которое служит для канализирования образующегося газа противотоком к потоку сырья, обеспечивая лучшее управление распределением газов во всей верхней шахте 1. Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает превосходное управление энергообменом между газом и сырьем, обеспечивая восстановление самовосстанавливающихся агломератов однородным образом и повышая устойчивость процесса.

[0026] Колпак 6 размещается сверху верхней шахты 1 и проходит продольно через печь, предпочтительно будучи ограниченным выше вторых фурм 4. Колпак 6 предпочтительно состоит из набора структурированных панелей, выполненных из литейного чугуна, стали или любого другого сплава, заполненных огнеупорным бетоном и закрепленных в листе, приваренном к конструкции печи. Колпак 6 также может быть полностью или частично выполнен из охлаждаемых панелей. Во время работы часть колпака 6 является погруженной в сырье, создавая проход для газов, образующихся как в области первых фурм 3, так и в области вторых фурм 4, то есть колпак действует в качестве газовой канализации.

[0027] Следует отметить, что имеется область, называемая зоной когезии, в которой происходит размягчение и плавление металлического сырья, и в результате она является зоной низкой проницаемости, что в значительной степени препятствует прохождению газов. Эта трудность прохождения газов вызывает предпочтительное прохождение газа в отдельных точках верхней шахты 1, делая невозможным управление газообразным потоком и вызывая нерегулярный теплообмен между сырьем и газом. Основная операционная модель предусматривает размещение некоторого объема топлива с высокой проницаемостью для газов в качестве подаваемого материала в центре, который не только обеспечивает подвод тепла, но также и имеет функцию обеспечения прохода газов в зоне 11 когезии, как показано на Фиг. 2. Когда металлическое сырье плавится, оно формирует зону жидкого и густого материала с очень низкой проницаемостью (зону 11 когезии). Когда некоторый объем топлива с высокой проницаемостью размещается в качестве подаваемого материала вместе с загрузкой металла в верхней части печи, это позволяет газам из нижней шахты легко достигать верхней шахты. Таким образом, в идеале топливо с высокой проницаемостью для газов формируется по меньшей мере из одного материала, который не плавится при внутренних температурах металлургической печи, предпочтительно на углеродной (C) основе, такого как, например, доменный кокс, нефтяной кокс, каменный уголь, древесный уголь, антрацит, брикетированное топливо и т.п.

[0028] Кроме того, предусматривается средство 8 подачи топлива для обеспечения загрузки топлива с высокой проницаемостью для газов в печь. Такое средство 8 подачи топлива может быть предпочтительно простой системой, например содержащей закрытый бункер 9 и открытый бункер 10 с дозирующими клапанами на выходе каждого бункера; оно может опционально иметь систему выравнивания давления для того, чтобы обеспечить загрузку топлива с высокой проницаемостью для газов из закрытого бункера в печь. Средство 8 подачи топлива вместе с колпаком 6 обеспечивает канализирование газа, образующегося при сгорании топлива в нижней шахте 2 с воздухом, вдуваемым первыми фурмами 3 и вторыми фурмами 4, более эффективно управляя распределением газа в печи.

[0029] Фиг. 3A и 3B показывают различия в потоке газа в печи 12 по настоящему изобретению и в печи 13, описанной в документе предшествующего уровня техники. Следует отметить, что в печи по настоящему изобретению происходит канализирование образующегося газа благодаря области увеличенной проницаемости, образуемой топливом с высокой проницаемостью для газов, загружаемым средством 8 подачи топлива. Как было упомянуто выше, это обеспечивает больший контроль над проницаемостью верхней шахты 1, и таким образом над управлением обменом энергией между газом и сырьем, обеспечивая восстановление самовосстанавливающихся агломератов однородным образом и повышая устойчивость процесса.

[0030] Конфигурация колпака 6 определяет распределение сырья в печи 12. Следовательно, сырье приобретает приданные ему размеры, то есть ширина между стенками колпака 6 является шириной колонны топлива с высокой проницаемостью для газов в верхней шахте, которая будет соответствовать размерам и расстояниям между стенками. Во время работы часть колпака 6 является погруженной в сырье, создавая проход для газов, образующихся как в области первых фурм 3, так и в области вторых фурм 4, как показано на Фиг. 3A.

[0031] Таким образом, печь по настоящему изобретению предотвращает полную загрузку топлива вместе с сырьем сверху шахты, отличаясь тем самым от классических производственных процессов и минимизируя реакции газификации углерода (реакции Будуара) и увеличение тепловыделения и расхода топлива в печи.

[0032] Кроме того, печь по настоящему изобретению отличается от других печей предшествующего уровня техники, потому что топливо с высокой проницаемостью для газов используется в небольших количествах наверху шахты только для того, чтобы получить управление проницаемостью верхней шахты 1. В большинстве случаев использование этого топлива с проницаемостью для газов не влияет на восстановление и плавление сырья, поскольку в этой печи используются самовосстанавливающиеся брикеты (но не только они). В этом случае, углерод, требуемый для восстановления сырья, содержится внутри самовосстанавливающегося брикета, не требуя таким образом, чтобы весь газ проходил через колонну сырья, как это имеет место в обычных печах предшествующего уровня техники и в классических производственных процессах.

[0033] Возможны также бесчисленные вариации, влияющие на область защиты настоящей заявки. Следовательно, необходимо подчеркнуть, что это изобретение не ограничивается описанными выше конкретными конфигурациями/вариантами осуществления.

Изобретение относится к металлургическим процессам и устройствам и более конкретно к металлургической печи, способной работать с широким спектром исходного сырья и с различным топливом, включая топливо, содержащее высокие уровни примесей. Металлургическая печь содержит верхнюю шахту (1), нижнюю шахту (2), по меньшей мере одно устройство подачи топлива, расположенное по существу между верхней шахтой (1) и нижней шахтой (2), по меньшей мере один ряд фурм (3, 4), расположенный в по меньшей мере одной из верхней шахты (1) и нижней шахты (2). По меньшей мере один ряд фурм (3, 4) обеспечивает соединение по текучей среде между внутренней частью печи и окружающим пространством. Печь дополнительно содержит по меньшей мере один колпак (6), расположенный в верхней шахте (1) и проходящий продольно через печь, и по меньшей мере одно средство (8) подачи топлива в центре верхней шахты, обеспечивающие формирование в центре печи колонны топлива, имеющей область с высокой проницаемостью для образующихся газов. Изобретение обеспечивает эффективное управление распределением газа в печи. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Металлургическая печь, содержащая:

по меньшей мере верхнюю шахту (1);

по меньшей мере нижнюю шахту (2);

по меньшей мере одно устройство подачи топлива, расположенное по существу между по меньшей мере одной верхней шахтой (1) и по меньшей мере одной нижней шахтой (2);

по меньшей мере один ряд фурм (3, 4), расположенный в по меньшей мере одной из по меньшей мере одной верхней шахты (1) и по меньшей мере одной нижней шахты (2), и по меньшей мере один ряд фурм (3, 4) обеспечивающий соединение по текучей среде между внутренней частью печи и окружающим пространством, расположенный в по меньшей мере одной из по меньшей мере одной верхней шахты (1) и по меньшей мере одной нижней шахты (2),

отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один колпак (6), расположенный в верхней шахте (1) и проходящий продольно через печь, и по меньшей мере одно средство (8) подачи топлива в центре верхней шахты, обеспечивающие формирование в центре печи колонны топлива, имеющей область с высокой проницаемостью для образующихся газов.

2. Металлургическая печь по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутый по меньшей мере один колпак (6) состоит из набора структурированных панелей, выполненных из литейного чугуна или стали, заполненных огнеупорным бетоном и закрепленных в листе, приваренном к конструкции печи.

3. Металлургическая печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что упомянутый по меньшей мере один колпак (6) полностью или частично выполнен из охлаждаемых панелей.

4. Металлургическая печь по пп. 1-3, отличающаяся тем, что средство (8) подачи топлива обеспечивает подачу топлива через колпак (6).

5. Металлургическая печь по п. 4, отличающаяся тем, что топливо представляет собой по меньшей мере одно из группы, состоящей из доменного кокса, сырого нефтяного кокса, угля, древесного угля, антрацита и топливных брикетов.

6. Металлургическая печь по п. 4, отличающаяся тем, что средство (8) подачи топлива содержит закрытый бункер (9) и открытый бункер (10) с дозирующими клапанами на выходе каждого бункера.

7. Металлургическая печь по любому из пп. 4-6, отличающаяся тем, что средство (8) подачи топлива содержит систему выравнивания давления.