Спосіб виготовлення залізних та залізовмісних сплавів з оксидів заліза

Цей винахід стосується галузі виробництва металів та сплавів металів, зокрема, заліза та сплавів заліза з оксидів металів, таких, як руда та частково відновлена руда, яка базується на використовуванні металургійної ємності, що містить плавильну ванну. Є декілька відомих методів плавлення залізної руди та частково відновленої залізної руди, які базуються на використовуванні металургійних ємностей (їх часто називають "ємності для відновлення плавкою"), що містять ванну розплавленого заліза та шлаку. У звичайних умовах ці відомі методи вимагають введення в плавильну ванну вуглецевого матеріалу як джерела відновника та термічної енергії. Вуглецевий матеріал може бути у твердій формі, наприклад, вугілля, або у газовій формі, наприклад, природний газ. Австралійський патент 649402, що має назву "Плавлення попередньо відновленого оксиду заліза", виданий на ім'я фірми Zurich Branch of Midrex International BV Rotterdam, описує конкретний спосіб плавлення залізної руди та частково відновленої залізної руди, який базується на вдуванні природного газу в плавильну ванну у металургійній ємності. Ціллю винаходу є забезпечити більш ефективний спосіб плавлення залізної руди та частково відновленої залізної руди, ніж описаний у австралійському патенті 649402. Згідно з цим винаходом запроваджують спосіб виготовлення залізних та залізовмісних сплавів з оксидів заліза, який включає стадії попереднього часткового відновлення оксидів заліза у двох або більше стадіях попереднього відновлення, а після цього подачу попередньо відновлених оксидів заліза до ємності для відновлення плавкою, яка містить ванну розплавленого заліза та шлаку, та повного відновлення оксидів заліза та одержання розплавленого заліза у стадії відновлення плавкою, причому цей спосіб відрізняється тим, що включає попереднє часткове відновлення оксидів заліза до ступеня попереднього відновлення принаймні 11% у першій стадії попереднього відновлення з використанням відхідного газу, що виробляється в ємності для відновлення плавкою, як джерела відновника; та попереднє відновлення частково відновлених оксидів заліза з першої стадії попереднього відновлення до ступеня принаймні 60% у другій стадії попереднього відновлення з використанням одного або більше газів, вибраних серед природного газу, реформованого природного газу та частково реформованого природного газу як джерела відновника. Цей винахід базується частково на розумінні, що використовування одного або більше природного газу, реформованого природного газу, та частково реформованого природного газу у стадії попереднього відновлення процесу плавлення залізної руди або частково відновленої залізної руди забезпечує більше ефективне та продуктивне використовування природного газу, ніж у методі, описаному в австралійському патенті 649402, котрий базується на використовуванні природного газу тільки на стадії відновлення плавкою цього процесу. Доцільно, щоб на стадії (-ях) попереднього відновлення оксиди металів попередньо відновлювалися до ступеня попереднього відновлення принаймні 70%. Особливо доцільно, щоб на стадії (-ях) попереднього відновлення оксиди металів попередньо відновлювалися до ступеня попереднього відновлення принаймні 80%. Ще більш доцільно, щоб на стадії (-ях) попереднього відновлення оксиди металів попередньо відновлювалися до ступеня попереднього відновлення принаймні 90%. Щоб виробити твердий вуглецевий продукт, типово сажу, та/або твердий продукт, що містить вуглець, наприклад, карбід заліза, доцільно, щоб надлишок природного газу, реформованого природного газу та частково реформованого природного газу постачався в одній з або в кожній стадії попереднього відновлення. Особливо доцільно, щоб згаданий твердий вуглецевий продукт та/або твердий продукт, що містить вуглець, постачалися на стадії відновлення плавкою. Доцільно, щоб стадія відновлення плавкою була виконана у металургійній ємності, яка містить ванну розплавленого металу та шлаку. Особливо доцільно, щоб плавильна ванна містила шар металу та шар шлаку. Доцільно, щоб металургійна ємність була ємністю для відновлення плавкою, яка має нижню та/або бічну фурму/трубу та/або верхню фурму/трубу, а щоб спосіб містив операцію введення твердого та/або газового вуглецевого матеріалу в плавильну ванну через фурму/трубу. Доцільно, щоб твердий вуглецевий матеріал, введений в плавильну ванну, являв собою твердий вуглецевий продукт та/або продукт, що містить твердий вуглець, отриманий на стадії (-ях) попереднього відновлення, що виконуються з використанням природного газу. Доцільно, щоб газовий вуглецевий матеріал був природним газом. Особливо доцільно, щоб згадана ємність для відновлення плавкою містила: (і) одну або більше фурму/трубу для введення частково відновлених оксидів металів зі стадії попереднього відновлення в плавильну ванну; та (іі) одну або більше фурму/трубу для введення газу, що містить кисень, в проміжок над поверхнею плавильної ванни до газів реакції догоряння або запалювання, наприклад, СО та Н2, що виділяються з плавильної ванни. Особливо доцільно, щоб повітря, яке подається в ємність для відновлення плавкою на стадії (іі), представляло собою газ, який містить кисень. Ще більш доцільно, щоб згадане повітря було попередньо нагріте до температури принаймні 1000°С. Доцільно застосувати дві стадії попереднього відновлення. У такому випадку особливо доцільно, щоб у першій стадії попереднього відновлення оксиди металів попередньо відновлювалися до ступеня попереднього відновлення принаймні 11%, а у другій стадії попереднього відновлення частково відновлені у першій стадії попереднього відновлення оксиди металів відновлювалися до обраного ступеня попереднього відновлення. Доцільно, щоб супутній газ, який виділяється зі згаданої ємності для відновлення плавкою, був джерелом відновника у першій стадії попереднього відновлення. Як варіант, доцільно, щоб - газ з другої стадії попереднього відновлення був джерелом відновника для першої стадії попереднього відновлення. Доцільно, щоб джерелом відновника для другої стадії попереднього відновлення був один або більше природний газ, реформований природний газ, та частково реформований природний газ. Оксиди металів можуть бути у будь-якій придатній формі. Наприклад, оксиди металів можуть бути у вигляді руд, а руди можуть бути у вигляді шматків або подрібненої фракції. Доцільно, щоб оксиди металів були оксидами заліза. Доцільно щоб пристрій для виробництва металів та сплавів металів з оксидів металів містив одну або більше ємність для попереднього відновлення, призначену для виконання попереднього відновлення оксидів металів у принаймні дві стадії з метою виробити попередньо відновлені оксиди металів, що мають ступінь попереднього відновлення принаймні 60%, краще - принаймні 70%, ще краще - принаймні 80%, а типово - принаймні 90%, з принаймні одною ємністю для попереднього відновлення, що містить вузол для введення одного або більше природного газу, реформованого природного газу, та частково реформованого природного газу в згадану ємність для використання як джерело відновника; та металургійну ємність, призначену для повного відновлення частково відновлених оксидів металів а потім плавлення металу, причому металургійна ємність пристосована для розміщення в ній ванни металу та шлаку. Цей винахід далі описано на прикладі за допомогою супровідного креслення (фіг.), яке є схемою організації виробництва, що показує, значною мірою схематично, доцільне втілення способу згідно з цим винаходом. Опис доцільного втілення виконано в контексті виробництва заліза із залізної руди. Однак, слід зазначити, що це доцільне втілення можна аналогічно застосувати для виробництва металів з інших оксидів металів. На схемі організації виробництва показано, відповідно до згаданого доцільного втілення: (і) залізна руда частково відновлюється у два послідовних етапи у першій та другій ємностях для попереднього відновлення 3, 5 до обраного ступеня попереднього відновлення, а потім; (іі) частково відновлена залізна руда повністю відновлюється та плавиться в ємності для відновлення плавкою 7. Залізна руда може бути у будь-якій придатній формі, наприклад, у шматках або подрібненою фракцією. Ємності для попереднього відновлення 3, 5 можуть бути будь-якого придатного типу, наприклад, шахтною піччю або ємністю зі зрідженою шихтою. Джерелом відновника для згаданої ємності для першого попереднього відновлення 3 є гази реакції зі згаданої ємності відновлення плавкою 7. Робочі параметри першого попереднього відновлення згаданої ємності 3 вибирають з метою відновити залізну руду до вихідного, відносно низького, ступеня попереднього відновлення, типово - принаймні 11%. Відновник з джерела відновника для згаданої другої ємності для попереднього відновлення 5 містить природний газ. У згаданій другій ємності для попереднього відновлення 5, природний газ піддають крекінгу, з утворенням відновників у вигляді монооксиду вуглецю та водню. Робочі параметри згаданої другої ємності для попереднього відновлення 5 вибирають з метою подальшого попереднього відновлення частково відновленого оксиду заліза зі згаданої ємності для першого попереднього відновлення 3 до обраного ступеня попереднього відновлення, типово - принаймні 90%. Згідно з особливо доцільним втіленням, до згаданої другої ємності для попереднього відновлення 5 подається надлишок природного газу, який сприяє реакції монооксиду вуглецю з утворенням сажі та вуглекислоти. Сажу випускають із супутніми газами зі згаданої другої ємності для попереднього відновлення 5 і, після виділення її з супутніх газів, переміщують до згаданої ємності для відновлення плавкою 7, з метою цементувати залізо у плавильній ванні та використати її як джерело відновника та палива. Згадана ємність для відновлення плавкою 7 може бути ємністю будь-якої придатної форми. Доцільна конструкція згаданої ємності для відновлення плавкою 7 має передбачати ванну розплавленого заліза та шлаку й містити: (і) нижню або бічну фурму/трубу для введення твердого та/або газового вуглецевого матеріалу в плавильну ванну, з метою цементувати залізо у плавильній ванні та використати її як джерело відновника та термічної енергії; (іі) верхню фурму/трубу для введення частково відновленої залізної руди зі згаданої ємності для попереднього відновлення 5 в плавильну ванну зверху над поверхнею плавильної ванни; та (ііі) верхню фурму/трубу для введення дуттям гарячого повітря, типово при температурі вище 1000°С , в проміжок над поверхнею плавильної ванни до газів реакції догоряння або запалювання, наприклад, монооксиду вуглецю та водню, що виділяються з плавильної ванни. Конфігурація ємності для відновлення плавкою 7, у тому числі щодо розставлення фурм/труб та робочих параметрів згаданого способу вибирають з утворенням зони переходу у проміжку над поверхнею плавильної ванни, у котрому піднімаються, а потім спускаються краплинки або бризки розплавленого металу та шлаку, що змішуються з газами реакції з плавильної ванни, гарячим повітрям, що вдувають зверху, та газами реакції запалювання. Призначення згаданої зони переходу - полегшити ефективне переміщення до плавильної ванни тепла, звільненого під час реакції-згоряння газів, що виділяються з плавильної ванни. Зона переходу може бути утворена будь-яким придатним способом. Наприклад, зона переходу може бути утворена введенням придатного газу, наприклад, інертного газу, через дно ємності для відновлення плавкою 7, з метою викликати виверження краплинок або бризок розплавленого металу та шлаку з плавильної ванни в проміжок над поверхнею плавильної ванни. Як варіант, зона переходу може бути утворена шляхом керованого вдування газу-носія та частково відновленої залізної руди та/або інших придатних твердих матеріалів, наприклад, речовин, що сприяють утворенню гудрону та/або шлаку, в плавильну ванну через бокову секцію ємності для відновлення плавкою 7, що з'єднана з плавильною ванною, та/або зверху над поверхнею плавильної ванни. Згадане вище доцільне втілення має декілька важливих переваг, у тому числі такі. 1. У багатьох регіонах, у яких наявний недорогий природний газ, спосіб виробництва заліза з залізної руди з використанням природного газу має економічні переваги. 2. Вибір відносно високих рівнів попереднього відновлення залізної руди у ємностях для попереднього відновлення 3, 5 мінімізує значення ступеня відновлення, потрібного для застосування в ємності для відновлення плавкою 7 до рівнів, коли стає можливим використати у згаданій ємності для відновлення плавкою 7 природний газ. Цей коментар зроблений у контексті, що великий об'єм природного газу, що був би потрібен для досягнення відносно високих рівнів відновлення у ємність для відновлення плавкою 7, призвів би до відносно низької продуктивності роботи згаданої ємності для відновлення плавкою. Не відхиляючись від змісту та рамок цього винаходу, можна зробити багато модифікацій згаданого доцільного втілення способу та пристрою, описаного вище з допомогою наведеної фігури. Наприклад, хоч згадане доцільне втіленню передбачає використання двох ємностей для попереднього відновлення 3, 5, зрозуміло, що винахід не обмежений цією конфігурацією і поширюється на використання трьох або більше ємностей для попереднього відновлення. Крім того, хоч джерело згаданої другої ємності для попереднього відновлення 5 у згаданому доцільному втіленні містить природний газ, зрозуміло, що винахід цим не обмежений та використання природного газу, реформованого природного газу та частково реформованого природного газу. Крім того, хоч згадане доцільне втіленню містить постачання надлишку природного газу з метою утворити сажу, зрозуміло, що винахід цим не обмежений та поширюється на утворення будь-якого іншого твердого вуглецевого продукту та/або продукту, що містить твердий вуглець, наприклад, карбід заліза. Крім того, хоч згадане доцільне втілення передбачає виділення сажі із супутнього газу зі згаданої другої ємності для попереднього відновлення 5, та подачу сажі в згадану ємність для відновлення плавкою 7, зрозуміло, що винахід цим не обмежений, та поширюється на інші конфігурації. Наприклад, сажа (або будьякий інший твердий вуглецевий продукт або будь-який продукт, що містить твердий вуглець), утворювана в згаданій ємності для другого попереднього відновлення 5, може подаватися прямо до згаданої ємності відновлення плавкою 7 разом з частково відновленою залізною рудою.