Спосіб високотемпературного відновлення оксидів заліза

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению железоуглеродистых расплавов путем прямого восстановления железосодержащих руд или отходов. Известен струйный процесс (Джет-процесс) прямого получения железа путем взаимодействия железорудного концентрата с конвертированным природным газом [Кожевников И.Ю. Бескоксовая металлургия железа. - М., 1970], согласно которому в расположенную сверху первичную камеру сгорания тангенциально вводят дисперсную смесь руды и извести. Смесь плавится в окислительном факеле газовоздушной горелки и вместе с продуктами сгорания с большой скоростью истекает в нижнюю, вторичную камеру, в которую со значительным избытком вводят природный газ. Частичное восстановление оксидов железа происходит в струе, а довосстановление - при взаимодействии капель шлака, перемещающихся вниз со струей, с металлической ванной, содержащей 2-3% углерода. Недостатками Джет-процесса являются низкая полнота восстановления и повышенный расход природного газа. Известен также процесс "ДОРЕД" прямого получения железа [Кожевников И.Ю. Бескоксовая металлургия железа. - М., 1970], в котором порошкообразную руду и коксовую мелочь, а также кислород инжектируют во вращающийся вокруг горизонтальной оси конвертер, в котором находится углеродистый металл, шлак и вспененный реакционный слой. При этом происходит восстановление железа углеродом, содержащимся в коксе, газовой фазе и растворенным в ванне. Однако полнота протекания реакций восстановления железа сравнительно невелика. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения металлического расплава из измельченного железорудного материала [Авт.св. СССР №976856, кл. С 21 В 13/12], включающий подачу последнего вместе с порошкообразным углеродистым восстановителем и кислородсодержащим газом в факел горения, в котором осуществляют частичное восстановление, совмещенное с расплавлением, и последующее довосстановление оксидов железа остаточным твердым восстановителем, находящимся в контакте с жидкой ванной. При этом реагенты подаются в шахтную печь сходящимися струями, а дополнительное количество кислородсодержащего газа (воздуха, кислорода или их смеси) вводят тангенциально воображаемой окружности, диаметр которой составляет примерно треть диаметра шахты. Однако образование восстановительного газа и угля, используемого в качестве восстановителя и топлива, происходит при совместном вдувании его с кислородом по реакции неполного горения: 2С + О2 = 2 СО, скорость которой невелика. Кроме того, температура реакционной зоны значительно снижается за счет теплообмена ее с футеровкой шахты. Эти факторы отрицательно действует на полноту процесса восстановления железа. Цель изобретения - создание способа высокотемпературного восстановления, который позволил бы повысить полноту процесса путем осуществления высокотемпературной газификации углеродсодержащего материала продуктами сгорания горючего газа, которые содержат, в основном, двуокись углерода и водяной пар. При этом газификация угля осуществляется за счет протекания реакций: С + СО = 2СО и С + Н2О = СО + Н2. При этом повышение температуры восстановительного газа за счет создания вокруг реакционной зоны пограничного слоя в виде восстановительного факела от сжигания горючей смеси. Поставленная цель достигается тем, что в способе высокотемпературного восстановления, включающем подачу сходящимися струями порошкообразных железо- и углеродсодержащих материалов, а также кислородсодержащего газа, получение восстановительного газа из углеродсодержащего газа из углеродсодержащего материала, частичное восстановление железа с расплавлением шихты, последующее восстановление железа углеродом, присутствующим в жидкой ванне, согласно изобретению сжигают горючий газ в среде кислородсодержащего газа с последующим получением восстановительного газа в результате взаимодействия углеродсодержащего материала с продуктами горения горючего газа, при этом вокруг реакционной зоны дополнительно создают пограничный слой в виде восстановительного факела от сжигания горючей смеси в пористой стенке. При высокотемпературной газификации углеродсодержащего материала (режим т.н. "теплового удара") образуется значительное количество различных активных частиц - возбужденных атомов, ионов, радикалов и т.п., обладающих большим запасом энергии, что способствует повышению скорости и полноты протекания процесса. Создание вокруг реакционной зоны вблизи стенок шахты пограничного слоя в виде восстановительного факела от сжигания горючей смеси, например, природного газа и воздуха, поступающей через пористые стенки, способствует значительному снижению теплопотерь, повышению температуры восстановительного газа на 200-500°С, и как следствие, к увеличению полноты протекания процесса восстановления. На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ. Пример. Порошкообразную шихту с размером частиц 40-100 мкм, состоящую из 65% железорудного концентрата (65,5% Fe; 7,9% SiO2), 15% донецкого угля (зольность 20%, летучие 10%, 10% С и 0,35% S) и 20% известняка (95% СаСО3), подавали посредством питателя 1 через загрузочное отверстие газокислородной горелки 2, расположенное по оси реакционной колонны 3, в факел горения природного газа в кислороде. Газы вдували через водоохлаждаемые сопла газокислородной горелки с внешним смешением сходящимися струями, образующими внутренний газовый конус 4 и наружный кислородный конус 5, соприкасающиеся вершинами в высокотемпературной (реакционной) зоне 6. Для повышения температуры последней и защиты стенок канала от перегрева реакционную зону окружали восстановительным факелом 7 (a= 0,5) горения смеси природного газа и воздуха, вдуваемой через пористые стенки 8 реакционного канала. Расход шихты составлял около 30 кг/ч, кислорода - 16 м3/ч, природного газа соответственно на горелку и пористые стенки канала 8 и 4 м3/ч, воздуха - 20 м3/ч. Поперечный размер канала был равен 300x300 мм2. Температура в реакционной зоне за счет сокращения теплопотерь на стенки и дополнительного нагрева от восстановительного факела составляла 1900-2100°С. Быстрый нагрев и плавление шихты сопровождались газификацией угля и частичным восстановлением оксидов железа водородом оксидом углерода. При этом степень частичного восстановления железа в реакционной зоне (реакционном канале) составила 50-60% против 25-35% для прототипа. Частично восстановленное железо, оксидная фаза и остатки несгоревшего угля вместе с дымовыми газами поступали в циклон 9, где происходило разделение фаз. Остатки расплавленной шихты с железом поступали в металлоприемник 10, снабженным индукционным подогревом, в котором протекало окончательное восстановление железа углеродом жидкого чугуна и слоя скоксовавшегося угля. Дымовые газы охлаждались в рекуператоре 11, а затем обеспечивались в тканевом фильтре 12. Полная степень восстановления железа составляла 92-95% против 75-80% при использовании технологии прототипа.