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, які відходять з розплаву, і відновно-теплову обробку матеріалів у плавильній зоні [1]. Недоліком зазначених способів є висока витрата енергоресурсів і кисню через недостатнє використання енергії газів, що відходять. Відомий спосіб одержання металу з дрібних і пилоподібних матеріалів у розплаві, який включає завантаження в розплав залізовмісної шихти і вугілля, подачу окислювачів у розплав і на допалювання газів, що відходять з нього, а також попередню відновно-теплову обробку матеріалів, при цьому попередня відновно-теплова обробка матеріалів передбачається в противотоці обертової печі чи в киплячому шарі [2]. Недоліками відомого способу є: обмеження початкової температури газів (700-1000°С) через можливість злипання нагрітих матеріалів, що ускладнює використання високотемпературних (1500-1600°С) газів, які відходять із плавильної зони; відсутність конкретних параметрів режиму підігріву матеріалів. Ставиться задача підвищити ефективність використання енергії газів, що відходять із плавильної зони, шляхом попередньої відновно-теплової обробки подаваних у розплав матеріалів. Поставлена задача вирішується в такий спосіб. На відміну від відомого способу одержання металу з дрібних і пилоподібних матеріалів у розплаві, що включає подачу в розплав залізовмісної шихти і вугілля, вдування окислювачів у розплав і на допалювання газів, які відходять з нього, а також попередню відновно-теплову обробку матеріалів, попередню відновно-теплову обробку матеріалів здійснюють у циклонах з тангенціальною подачею гарячих газів, що відходять із плавильної зони, і введенням у газовий потік пилоподібних матеріалів у кількості, визначеній з рівняння: t g - tm - Dt c g m= , кг / м 3 ; c m t m + w m [2454 + t m (4,19 - c m )] де: m - кількість пилоподібних матеріалів у потоці подаваних у циклони гарячих газів; tg , tm - температури відповідно подаваних у циклони гарячих газів і матеріалів, що відходять з циклонів, °С; Dt - різниця температур газу і шихти при виході з циклона, °С; cg , cm - середні питомі теплоємності відповідно газів, кДж/(м 3×К), і матеріалів, кДж/(кг.×К); wm - вологість матеріалів, кг/кг. Між істотними відмінними ознаками винаходу і те хнічним результатом, що досягається, мається наступний причинно-слідчий зв'язок. На відміну від передбаченого в прототипі нагрівання пилоподібних матеріалів у протитоці, де початкова температура газів (700-1000°С) обмежена умовами розм'якшення нагрітих матеріалів, у пропонованому технічному рішенні нагрів здійснюють у потоці циклонного апарата. При цьому високотемпературний газ, що надходить із плавильної зони (1500-1600°С), контактує з подаваними в потік вологими, холодними матеріалами, нагріваючи їх від початкової температури до температури, при якій зберігається твердофазний стан (500-900°С), і охолоджуючись в міру нагрівання матеріалів до температури, яка перевищує температуру матеріалів на 100300°С, що зводить до мінімуму небезпеку розм'якшення. Різниця температур газу і матеріалів при виході з циклона визначається ефективністю теплопередачі, а кількість матеріалів, що нагріваються до заданої температури, визначають з рівняння балансу теплоти в циклоні, перетворення якого дає: t g - tm - Dt c g m= , кг / м 3 ; c m t m + w m [2454 + t m (4,19 - c m )] де: m - кількість пилоподібних матеріалів у потоці подаваних у циклони гарячих газів; tg , tm - температури відповідно подаваних у циклони гарячих газів і матеріалів, що відходять з циклонів, °С; Dt - різниця температур газу і шихти при виході з циклона, °С; cg , cm - середні питомі теплоємності відповідно газів, кДж/(м 3×К), і матеріалів, кДж/(кг×К); wm - вологість матеріалів, кг/кг. Таким чином, істотні відмінні ознаки способу, що заявляється, забезпечують досягнення технічного результату, який полягає в підвищенні ефективності використання енергії газів, що відходять із плавильної зони, шляхом попередньої відновно-теплової обробки подаваних у розплав матеріалів. Споживчий результат виразиться в скороченні витрати кисню і палива. Сутність способу, який заявляється, полягає в тому, що замість передбаченого в прототипі нагрівання пилоподібних матеріалів у противотоці, де початкова температура газів (700-1000°С) обмежена умовами розм'якшення нагрітих матеріалів, у пропонованому технічному рішенні нагрів здійснюють у потоці циклонного апарата. При цьому високотемпературний газ, що надходить із плавильної зони (1500-1600°С), контактує з подаваними в потік вологими, холодними матеріалами, нагріваючи їх від початкової температури до температури, при якій зберігається твердофазний стан (500-900°С), і охолоджуючись в міру нагрівання матеріалів до температури, яка перевищує температуру матеріалів на 100-300°С, що зводить до мінімуму небезпеку розм'якшення. Різниця температур газу і матеріалів при виході з циклона визначається ефективністю теплопередачі і регулюється зміною конструкції і режиму роботи циклона. Кількість матеріалів, що нагріваються до заданої температури, установлюють на основі наступних балансових співвідношень. При подачі в циклон Vg (м 3) газу з температурою tg і питомою теплоємністю сg кількість переданої від газу до шихти теплоти складає: Q g = Vg × c g × t g - t m - D t , кДж, ( ) ( ) ( ) де tm - температура нагрівання матеріалів, °С; Dt - різниця температур газу і ши хти при виході з циклона, град. Для нагрівання матеріалів у кількості m(кг/м 3 газу) до t m при теплоємності cm і вологості w m(кг/кг) потрібно теплоти: Q m = (1 - w m ) × m × t m × c m + w m × m × (2454 + 4,19 × t m ), кДж, де 4,19 - теплоємність вологи, кДж/(кг×К); 2454 - теплота випарювання вологи, кДж/кг. V × c × t - t m - D t = (1 - w m ) × m × t m × c m + w m × m × (2454 + 4,19 × t m ), Дорівнюючи Qm=Qg , маємо: g g g відкіля після перетворення одержуємо: t g - tm - Dt c g m= , кг / м 3 . c m t m + w m [2454 + t m (4,19 - c m )] 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, які відходять з розплаву, що складаються переважно з CO, Н2 і N2, допалюють над розплавом шляхом подачі через верхні фурми повітря, кисню чи збагаченого киснем повітря. Пилоподібні матеріали перед вдуванням у плавильну область печі підігрівають у циклонних апаратах теплом газів, що відходять із плавильної області, до температур 500-900°С (для кожного матеріалу свій діапазон), при яких зберігається твердофазний стан і сипкість маси. Кількість матеріалів, що підігріваються в циклонах, визначають з рівняння: t g - tm - Dt c g m= , кг / м 3 , c m t m + w m [2454 + t m (4,19 - c m )] де: m - кількість пилоподібних матеріалів у потоці подаваних у циклони гарячих газів; tg , tm - температури відповідно подаваних у циклони гарячих газів і матеріалів, що відходять з циклонів, °С; Dt - різниця температур газу і ши хти при виході з циклона, Dt; °С; cg , cm - середні питомі теплоємності відповідно газів, кДж/(м 3×К), і ( ( ) ( ) ) матеріалів, кДж/(кг×К); wm - вологість матеріалів, кг/кг. Гарячий газ, що відходить із плавильної зони, тангенціально вводиться в циклони. Перед введенням у циклон у потік газу шнековими транспортерами подаються вологі матеріали, що розпорошуються гарячим потоком і транспортуються по стінах і в об'ємі апарата, піддаючись відновно-тепловій обробці. Вихід потоку з циклона також може бути тангенціальним. Частина нагрітих пилоподібних матеріалів вдувають через спеціально установлені фурми на стінці печі, де за рахунок випромінювання факелу допалювання відбувається їхній нагрів, плавлення і часткове відновлення. Кількість матеріалів, що вдуваються на стінку, контролюють і регулюють шляхом 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. Продукти плавки (чавун і шлак), що утворюються 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 обладнана куполом, над яким розташовані циклони для підігріву пилоподібної шихти і пристрої 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, у якому відбувається окислення вуглецю і відновлення оксидів заліза з утворенням газу, що містить переважно СО, 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, вдувають двома потоками: на стіни печі й 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, у яких із шихти видаляється волога і здійснюється її підігрів до 700°С з наступним транспортуванням у плавильну зону печі. Газ з температурою 950°С (після підігріву ши хти) направляють на очищення, а потім - подальшу утилізацію, наприклад, одержання пари. Для встановлення кількості матеріалів, що підігріваються в циклонах (m, кг/м 3 газу), приймаємо наступні вихідні дані: tg =1500°С, tm=700°С, Dt=250°С сg =1,6кДж/(м 3×К), сm=1,0кДж/(кг×К), wm=0,20кг/кг, що після підстановки у рівняння для m дають: (1500 - 700 - 250) × 1,6 m= = 0,53, кг / м 3 , 10 × 700 + 0,2 × [2454 + 700 × (4,19 - 10)] , , При кількості газу, що відходить, 50000м 3/годину кількість підігрітої шихти складає 0,53×50000=26500кг/годину чи 26,5т/годину. З цієї кількості (суміші залізовмісних матеріалів і вугілля) частина вдувається на стіни печі шляхом тангенціального введення по периметру верхі вки стін. Виходячи з експериментально установленої величини 500¸1000кг/годину на 1м довжини периметра, що забезпечує нормальний хід розплавлювання на стінках при стабільному стані гарнісажу, приймаємо величину 700кг/(м×годину). Тоді кількість пилоподібної шихти (суміші залізовмісних матеріалів і вугілля), що вдувається на стінки печі шляхом тангенціального введення по периметру верхівки стін, складе 700×5×3,141=11000кг/годину (550кг/т чавуну). Інша частина пилоподібної шихти 26,5×11=15,5т/годину (775кг/т чавун у) вдувається в область факелу допалювання, що відповідно до розрахунку для зазначених умов забезпечує оптимальну величину температури факела 2600°С. Таким чином, із загальної кількості підігрітої в циклонах дрібнодисперсної шихти 26,5т/годину (1325кг/т чавун у), вдувається на стіни 11т/годину (550кг/т чавуну), у вогнища допалювання 15,5т/годину (775кг/т чавун у). З загальної кількості шихти 55т/годину (40т залізовмісної і 15т вугілля) вдувають у пилоподібному стані 26,5т/годину. Ін ша частина ши хти (55×26,5=28,5т/годину) завантажується в кусковому і дрібнокусковому вигляді у ванну розплаву. Таким чином, вирішується поставлена задача і досягається технічний результат. 1. Б.И. Бондаренко, В.А. Шаповалов, Н.И. Гармаш. Теория и технология бескоксовой металлургии. - Киев: Наукова думка. -2003. -С.442-468. 2. Люнген X.Б., Мюльхаймс К., Ште ффен Р. Современное состояние процессов прямого восстановления и восстановительной плавки железных руд //"Черные металлы" (Stahl und Eisen). -Октябрь 2001. -С.30-33, (рис.14 Hismelt).