Спосіб одержання металу з дрібних і пилоподібних матеріалів у розплаві

Винахід відноситься до чорної металургії, зокрема, до способів безкоксового одержання металу з дрібних і пилоподібних матеріалів у розплаві. Відомий спосіб безкоксового одержання металу з дрібних і пилоподібних матеріалів у розплаві, що включає подачу в розплав залізовмісної шихти, вугілля й окислювачів, допалювання в факелі газів, що відходять з розплаву, і відновно-теплову обробку матеріалів у плавильній зоні [1]. Недоліком зазначеного способу є висока витрата енергоресурсів і кисню. Відомий спосіб одержання металу з дрібних і пилоподібних матеріалів у розплаві, що включає подачу в розплав залізовмісної шихти, вугілля й окислювачів, допалювання в факелі газів, що відходять з розплаву, а також відновно-теплову обробку матеріалів у плавильній зоні, причому відновно-теплова обробка матеріалів у плавильній зоні здійснюється за рахунок тангенціальної подачі матеріалів з киснем у плавильний циклон, розташований у вер хній частині печі у виді горловини, при цьому матеріали плавляться на стінці циклона і стікають у ванну розплаву за рахунок теплоти високотемпературного газу, що утворюється в зоні допалювання, котрий потрапляє у циклон, і палива, що спалюється додатково в циклоні, подаваним у нього киснем [2]. Недоліками відомого способу є: обмеження розмірів агрегату через обмежений діаметр плавильного циклона; необхідність додавання надлишку кисню в плавильний циклон; потреба у великому ступені допалювання газу, що ускладнена досягненням рівноважних станів газової фази при 3000-3500°С за рахунок високої температури розплаву газу, що відходить з ванни (1400-1500°С). Ставиться задача скоротити витрати кисню і палива за рахунок поліпшення відновно-теплової обробки матеріалів і режиму допалювання газів. Поставлена задача вирішується в такий спосіб. На відміну від відомого способу безкоксового одержання металу з дрібних і пилоподібних матеріалів у розплаві, що включає подачу в розплав залізовмісної шихти, вугілля й окислювачів, допалювання в факелі газів, що відходять з розплаву, а також відновно-теплову обробку матеріалів у плавильній зоні, пилоподібну шихту подають після попереднього підігріву двома потоками: один - вдувають у факел допалювання газу, інший подають на стінки печі вище факелу, причому кількість шихти, що вдувається у факел, визначають з рівняння: B = [c m × Tm + 12645 × CO 2 + 10806 × H2 O + + (CO 2 + H2 O ) × { b 2 × t b2 - c f × Tf × (1 - w b2 )}/ c / 2 × w b2 - c f × T f ] / (qBm - qCH ), де: В, qСH, qBm - відповідно кількість шихти, що вдмухується, (кг/м 3 газу), її ентальпія при завантаженні і розплавлюванні (кДж/кг); cm, Тm - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)] і температура (°С) вихідних з розплаву газів; cf, Tf - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)] і температура (°С) вихідних із факела допалювання газів; СО2, Н2 О - вміст відповідних компонентів у ви хідних із факела допалювання газах, м 3/м 3; c b 2 × t b2 , wb 2 - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)], температура (°С) і вміст кисню (м 3/м 3) у дутті для допалювання. Між істотними відмінними ознаками винаходу і те хнічним результатом, що досягається, мається наступний причинно-слідчий зв'язок. Подача попередньо нагрітих пилоподібних матеріалів на стінки печі сприяє збільшенню швидкості їхніх перетворень і плавлення з наступним стіканням у ванну розплаву. Це дозволяє вести процес без передбаченого в прототипі додаткового спалювання палива киснем у спеціальному плавильному циклоні. Подача пилоподібних матеріалів у вогнища допалювання газів дозволяє знизити температуру вогнищ до прийнятного рівня, наприклад, 2000-2800°С, при якій дисоціація трьохатомних газів розвинута помірно, а випромінювання до ванни розплаву і стін досить велике. При цьому експериментально встановлювана раціональна величина температури у вогнища х допалювання досягається в кожнім випадку шляхом подачі пилоподібної шихти, що вдувається в факел, у кількості, визначеній з рівняння: B = [c m × Tm + 12645 × CO 2 + 10806 × H2 O + + (CO 2 + H2 O ) × { b 2 × t b2 - c f × Tf × (1 - w b2 )}/ c / 2 × w b2 - c f × T f ] / (qBm - qCH ), де: В, qСH, qBm - відповідно кількість шихти, що вдмухується, (кг/м 3 газу), її ентальпія при завантаженні і розплавлюванні (кДж/кг); cm, Тm - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)] і температура (°С) вихідних з розплаву газів; cf, Tf - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)] і температура (°С) вихідних із факела допалювання газів; СО2, Н2 О - вміст відповідних компонентів у ви хідних із факела допалювання газах, м 3/м 3; c b 2 × t b2 , wb 2 - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)], температура (°С) і вміст кисню (м 3/м 3) у дутті для допалювання. Таким чином, істотні відмінні ознаки способу, що заявляється, забезпечують досягнення технічного результату, який полягає в поліпшенні відновно-теплової обробки матеріалів і режиму допалювання газів. Споживчий результат виразиться в скороченні витрати кисню і палива. Сутність способу, що заявляється, полягає в тому, що замість передбаченої в прототипі спеціальної обробки матеріалів потоком газу, що відходить, у плавильному циклоні з додатковою витратою кисню передбачена подача на стінки печі попередньо підігрітих за межами плавильної зони пилоподібних матеріалів у твердофазному стані. Це сприяє їхньому швидкому розігріву і плавленню на стінках тільки за рахунок теплоти газу, що відходить з вогнищ допалювання без витрати додаткової енергії і кисню. Раціональний рівень температур у вогнища х допалювання визначають експериментально і досягають шляхом вдування в область вогнища пилоподібних матеріалів, кількість яких установлюють з балансу тепла вогнищ допалювання. У розрахунку на 1м 3 ви хідних з розплаву газів при допалюванні виділяється теплоти: c m × Tm + 12645 × CO 2 + 10806 × H2 O, кДж / м 3 де: сm, T m - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)] і температура (°С) вихідних з розплаву газів; СО2, Н2 О - вміст відповідних компонентів у ви хідних зі факела допалювання газах, м 3/м 3. До цієї кількості варто додати ентальпію дуття, що надходить на допалювання газів, і відняти з неї теплоту нагрівання додаткового азоту дуття до температури вогнищ допалювання, а також потребу теплоти для доведення матеріалів, що вдуваються (що розплавлюються), від температури при завантаженні до розплавлювання: 0,5 × (CO 2 + H2 O ) × c b2 × t b 2 / w b2 - 0,5 × (CO 2 + H2 O ) × c f × Tf × (1 - w b2 ) / w b2 - B × (qBm - qCH ), кДж / м 3 , де: В, qСH, qBm - відповідно кількість шихти, що вдувається, (кг/м 3 газу), її ентальпія при завантаженні і розплавлюванні (кДж/кг); cf, Tf - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)] і температура (°С) вихідних із факела допалювання газів; c b 2 × t b2 , wb 2 - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)], температура (°С) і вміст кисню (м 3/м 3) у дутті для допалювання. Сумарне рівняння балансу тепла в зоні допалювання наступне: c m × Tm + 12645 × CO 2 + 10806 × H2 O + + 0,5 × (CO 2 + H2 O) × c b2 × t b2 / w b2 - 0,5 × (CO 2 + H2 O ) × c f × Tf × (1 - w b2 ) / w b2 - B × (qBm - qCH ) = c f × T f . При обраній величині Тf кількість шихти, що вдувається, В визначається з рівняння (після перетворення): B = [c m × Tm + 12645 × CO 2 + 10806 × H2 O + + (CO 2 + H2 O ) × { b 2 × t b2 - c f × Tf × (1 - w b2 )}/ c / 2 × w b2 - c f × T f ] / (qBm - qCH ). При високому ступені допалювання газу, початкова температура якого при виході з розплаву складає 14001500°С, розрахункова температура у вогнищі може досягати величин, при яких розвивається зворотний процес дисоціації трьохатомних газів з утворенням у газовій суміші надлишку кисню. В результаті очікувані температура і випромінювальна здатність газу не досягаються. Для досягнення високого ступеня допалювання газу з засвоєнням виділеного тепла корисними процесами в область вогнищ допалювання подають пилоподібні матеріали в кількості, необхідній для встановлення раціональної температури вогнищ. Спосіб здійснюється таким чином. У циліндричну ванну розплаву через установлені по її окружності похилі фурми вдувають нагріте повітря, збагачене киснем. У ванну подають вугілля і залізовмісні матеріали, причому кускові завантажують шлюзовими чи шнековими завантажувальними пристроями, а пилоподібні вдувають через фурми. Гази, що відходять з розплаву, які складаються переважно з CO2, Н2 і N2, допалюють над розплавом шляхом подачі через верхні фурми повітря, кисню чи збагаченого киснем повітря. Пилоподібні матеріали перед подачею у плавильну область печі підігрівають у циклонних апаратах теплом газів, що відходять із плавильної області, до температур 600-900°С (для кожного матеріалу свій діапазон), при яких зберігається твердофазний стан і сипкість маси. Частину нагрітих пилоподібних матеріалів подають шнеком (можливо з частковим вдуванням через спеціально установлені фурми) на стінки печі, де за рахунок випромінювання факела допалювання відбувається їхній нагрів, плавлення і часткове відновлення. Кількість матеріалів, що вдуваються на стінку, контролюють і регулюють шля хом визначення теплозйому охолоджуючої стіни рідини за критерієм утворення на стінці заданого стабільного шару гарнісажа. Іншу частину матеріалів вдувають в область факелів допалювання для досягнення заданого, попередньо встановленого експериментально, рівня температури в факелі. Кількість матеріалів визначають з рівняння: B = [c m × Tm + 12645 × CO 2 + 10806 × H2 O + + (CO 2 + H2 O ) × { b 2 × t b2 - c f × Tf × (1 - w b2 )}/ c / 2 × w b2 - c f × T f ] / (qBm - qCH ), де: В, qСH, qBm - відповідно кількість шихти, що вдмухується, (кг/м 3 газу), її ентальпія при завантаженні і розплавлюванні (кДж/кг); cm, Тm - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)] і температура (°С) вихідних з розплаву газів; cf, Tf - питома теплоємність [кДж/(м 3×К)] і температура (°С) вихідних із факела допалювання газів; СО2, Н2 О - вміст відповідних компонентів у ви хідних із факела допалювання газах, м 3/м 3; c b 2 × t b2 , wb 2 - питома теплоємність [кДж/(м 3.К)], температура (°С) і вміст кисню (м 3/м 3) у дутті для допалювання. Продукти плавки (чавун і шлак), що утворяться у ванні, випускають періодично через льотки традиційним способом. Гарячий газ (700-1000°С), що відходить після підігріву шихти в циклонних апаратах, піддають очищенню в гарячому циклоні і використовують для підігріву дуття й одержання пари, що може бути подана в електрогенератори. Приклад реалізації способу. Циліндрична плавильна піч діаметром 5 метрів постачена куполом, над яким розташовані циклони для підігріву пилоподібної шихти і пристрою для її транспортування в піч. По окружності печі на двох рівнях через стінки уведені фурми для подачі нагрітого до 1200°С дуття, збагаченого киснем до 30%. Нижній ряд фурм призначений для вдування окислювачів у ванну шлаку з утворенням барботажного шару, в якому відбувається окислювання вуглецю і відновлення оксидів заліза з утворенням газу, що містить переважно СO2, Н2 і N2. У верхній ряд фурм подають окислювач для допалювання газу з передачею виділеного тепла розплаву. Завантаження дрібнокускової шихти (залізовмісної, вугілля, флюсів) здійснюють шнековими транспортерами через верхню частину стін і купол, а пилоподібні матеріали, попередньо підігріті в циклонах газами, що відходять із плавильної зони, подають двома потоками: на стіни печі (шнеками) й вдувають в область вогнищ допалювання газу. Загальна кількість залізовмісної і флюсової частини (сух.) складає 40т/годину, а вугілля (сух.) - 15т/годину. При цьому в печі утвориться чавуну - 20т/годину, шлаку - 12т/годину, газу - 50тис. м 3/годину. Чавун і шлак випускають через льотки, а газ з температурою 1500°С направляють у циклонні підігрівачі дрібнодисперсної шихти, в яких із шихти видаляється волога і здійснюється її підігрів до 700°С з наступним транспортуванням у плавильну зону печі. Газ з температурою 900°С (після підігріву ши хти) направляють на очищення, а потім - подальшу утилізацію, наприклад, одержання пари. Газ, що відходить з розплаву, містить 60% СО, 15% H2 і 25% N2. При ступені допалювання 0,7 до нього додається кисень дуття 0,7×0,5×(0,6+0,15)=0,2625м 3/м 3 і азот (при О2 у дутті 30%) 0,2625×0,70/0,30=0,6125м 3/м 3. Тоді вміст окисних компонентів в газі, що відходить з вогнищ допалювання, складе: СО2=0,6×0,7/(1+0,6125)=0,26м 3/м 3; Н2О=0,15×0,7/(1+0,6125)=0,065м 3/м 3. При ентальпії розплавленої шихти 1300кДж/кг і її ентальпії при завантаженні 700×1=700кДж/кг, а також прийнятому оптимальному значенні температури факела Tf=2600°С і нагріванні дуття до 1200°С кількість пилоподібної шихти (суміші залізовмісних матеріалів і вугілля), що вдувається в область факелу допалювання, складає: В=[(2193+12645×0,26+10806×0,065+(0,26+0,065)×(1,43×1200-1,9×2600×(1-0,3))/2×0,3-1,9×2600]/(1300-700)=0,50кг/м 3 газу чи розплаву 0,50/(1+0,6125)=0,31кг/м 3 загального газу, тобто 0,31×50000=15500кг/годину (775кг/т чавун у). Кількість пилоподібної шихти (суміші залізовмісних матеріалів і вугілля), що подається на стінки печі шнеками, а також шляхом тангенціального введення по периметру верхівки стін, визначаємо, виходячи з експериментально установленої величини 500¸1000кг/годину на 1м довжини периметра. Це забезпечує нормальний хід розплавлювання на стінках при стабільному стані гарнісажа. Приймаємо величину 700кг/(м×годину). Тоді кількість пилоподібної шихти (суміші залізовмісних матеріалів і вугілля), що подається на стінки печі по периметру верхівки стін, складе 700×5×3,141=11000кг/годину (550кг/т чавуну). Таким чином, загальна кількість дрібнодисперсної шихти, що подається, складає 26,5т/годину (1325кг/т чавун у), у т.ч. на стіни 11т/годину (550кг/т чавуну), у вогнища допалювання 15,5т/годину (775кг/т чавун у). Із загальної кількості шихти 55т/годину (40т залізовмісної і 15т вугілля) вдувають у пилоподібному стані 26,5т/годину. Інша частина ши хти (55-26,5=28,5 т/годину) завантажується в кусковому і дрібнокусковому виді у ванну розплаву. Таким чином, вирішується поставлена задача і досягається технічний результат. 1. Бондаренко Б.И., Шаповалов В.А., Гармаш Н.И. Теория и технология бескоксовой металлургии. - Киев: Наукова думка. -2003. -С.442-468. 2. Люнген Х.Б., Мюльхаймс К., Ште ффен Р. Современное состояние процессов прямого восстановления и восстановительной плавки железных руд // "Черные металлы" (Stahl und Eisen). -Октябрь 2001. -С.32-33, (рис.16 Cyclon Converter Furnace).