Пристрій для одержання заліза або сталі з залізооксидного матеріалу

Винахід відноситься до металургійної галузі, конкретно до установок для одержання заліза або сталі за допомогою прямого відновлення. Відомий пристрій для одержання заліза й/або його сплавів з залізоокисних матеріалів, що містить плавильну піч, обладнану засобами для подачі вуглецевовмісного палива й кисневмісного газу безпосередньо в рідку фазу й у простір над нею для допалення газу, який утворюється в результаті плавлення, випускний отвір із трубопроводом відводу відхідного газу, засіб для уведення залізоокисного матеріалу в підданий допаду відхідний газ для часткового відновлення матеріалу й охолодження газу, установлений за ним засіб для сепарації частково відновленого матеріалу від газу й засіб для подачі частково відновленого матеріалу в плавильну піч, відповідно до винаходу, трубопровід відхідного газу установлений вертикально й з'єднаний із засобами завантаження залізоокисного матеріалу в нижній його частині й із засобом для сепарації, розташованим у верхній частині каналу. У пристрої передбачений засіб для прискорення потоку відхідного газу, розташований перед пристроєм для уведення залізоокисного матеріалу [Патент Росії №2077595, кл. С21В13/14, заявл. 20.12.1989, опубл. 20.04.1997]. Однак конструкція пристрою складна, операції здійснюються на великій кількості каналів і подальша інтенсифікація процесу плавки матеріалу й зниження капітальних і експлуатаційних витрат стають скрутними. Найбільш близьким по технічній сутності й результату, що досягається (прототип), прийнятий пристрій для виробництва залізовуглецевого сплаву, що містить реактор для попереднього відновлення залізоокисного матеріалу й з'єднаний з ним реактор для одержання залізовуглецевого сплаву, який включає вузол уведення попередньо відновленого матеріалу, вузли випуску залізовуглецевого сплаву й шлаків, засоби для вдмухування кисню в розплав і відводу газоподібних продуктів реакції, відповідно до винаходу, реактор для одержання залізовуглецевого сплаву виконаний закритим з можливістю обмеження впуску в нього атмосферних газів і відводу газоподібних продуктів реакції й постачений додатковими засобами вдмухування кисню в простір над ванною розплаву, при цьому пристрій постачений підігрівником попередньо відновленого карбідовмісного матеріалу, з'єднаним з реактором для одержання залізовуглецевого сплаву засобами для відводу газоподібних продуктів реакції [Патент Росії №2060281, кл. С21В13/14, заявл. 03.10.91, опубл. бюл. №14,1996]. У запропонованому конструктивному виконанні пристрою для виробництва залізовуглецевого сплаву відсутні прилади контролю температури й складу відновлювального газу, не вирішене питання яким чином піддавати обробці рідкі й тверді частки, наприклад, краплі заліза, у потоці відхідних газів без небажаних спікань й відкладень на стінках і кришці реактора. В основу винаходу поставлено завдання вдосконалення пристрою для одержання заліза або сталі з залізоокисних матеріалів шляхом модифікації конструкції плавильної печі, реактора й підігрівника, що дозволить забезпечити як високий вихід продукту, так і високий енергетичний ККД із низькими капітальними витратами. Поставлене завдання вирішується тим, що в пристрої для одержання заліза або сталі з залізоокисних матеріалів, що містить плавильну піч і з'єднаний з нею реактор відновлення, підігрівник вихідного матеріалу, вузли уведення й випуску матеріалу й продуктів плавки, засобу уведення кисневмісного газу й відводу газоподібних продуктів реакції, відповідно до винаходу, плавильна піч і реактор відновлення об'єднані футерованим кожухом і розділені стінкою кладки, у верхній частині якої виконаний горизонтальний канал для відводу з печі газоподібних продуктів реакції у сводову частину реактора відновлення, у нижній частині якого розташований газовідвідний канал, з'єднаний газопроводом з камерою змішання, яка через газоходи пов'язана із внутрішньою порожниною підігрівника вихідного матеріалу, виконаного у вигляді герметичного кожуха із внутрішньою футерівкою і розміщеними в ньому вертикальними камерами, бічні стінки яких утворюють із верхньою кришкою підігрівника отвір для проходу газу, при цьому на виході з газоходів у отворі підігрівника встановлені газові пальники, а в нижній частині кожної камери, з однієї сторони розташований вузол вивантаження матеріалу, а з іншого боку - канал відхідного газу, який газовою магістраллю пов'язаний з камерою допалювання й газовідводом димових газів. Плавильна піч постачена плазмотронами непрямої дії, два з яких розташовані в кришці, паралельно поздовжньої осі печі, а в нижній частині печі плазмотрони розташовані на протилежних стінках симетрично під кутом до поду, при цьому в бічних стінках печі в площині установки плазмотронів розташовані форсунки для подачі кисню або кисневмісного газу. У горизонтальному каналі для відводу з печі газоподібних продуктів реакції встановлені патрубки, з'єднані із трубопроводами для подачі пари, повітря й метану, а камера змішання додатково постачена трубопроводами для подачі повітря й метану, при цьому в каналі відводу з печі газоподібних продуктів реакції й у газопроводі перед камерою змішання встановлені газоаналізатори, а канали відхідного газу з кожної камери підігрівника вихідного матеріалу постачені шиберами, причому вертикальні камери підігрівника вихідного матеріалу розділені між собою перегородкою. Відновлювальна атмосфера в печі створена за допомогою плазмотронів, розташованих у нижній частині бічних стінок печі, і кисневмісного газу, що транспортується через форсунки, де шихта являє собою попередньо нагріті залізовмісні окатиші й вугілля, що завантажуються в піч через пристіночно розташований вузол уведення. Гази, що транспортуються в шар металу й утворені при плавленні, приводять до інтенсивного підйому розплавленого металу й створюють рух вверх бризків, крапель і струменів розплавленого металу й шлаків. Для запобігання налипання розплавленого матеріалу й твердих часток на кришку й стінки печі, у кришці печі вертикально встановлені два плазмотрони, при роботі яких усуваються істотні кількості переносного розплавленого матеріалу й твердих часток, і відбувається додаткове перемішування в шарі металу й шлаків. На виході з реактора відновлення утворюється гарячий вуглекислий газ, тепло якого використовується для попереднього нагрівання в підігрівнику вихідного матеріалу перед його подачею в реактор відновлення. Щоб забезпечити просте керування технологічним процесом, пристрій оснащений газоаналізаторами, установленими в каналі відводу з печі газоподібних продуктів реакції й у газопроводі перед камерою змішання, при цьому в горизонтальному каналі додатково встановлені трубопроводи для подачі пари, повітря й метану, у оводовій частині реактора відновлення-термопари, а камера змішання постачена трубопроводами для подачі повітря й метану. З метою регулювання температури газу в підігрівнику вихідного матеріалу, канали відхідного газу кожної камери постачені шиберами, а у верхній частині підігрівника на виході з газоходів установлені пальники. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг.1 представлений загальний вигляд пристрою для одержання заліза або сталі з залізоокисних матеріалів; на фіг.2 - підігрівник вихідного матеріалу, вид збоку; на фіг.3 - реактор відновлення, вид збоку. Пристрій для одержання заліза або сталі з залізоокисних матеріалів включає плавильну піч 1 і реактор відновлення 2, об'єднані футерованим кожухом і розділені між собою стінкою 3 кладки, у верхній частині якої виконаний горизонтальний канал 4 для відводу із плавильної печі 1 газоподібних продуктів реакції у сводову частину 5 реактора відновлення 2. Пристрій додатково постачений підігрівником 6 вихідного матеріалу, що містить футерований кожух. Плавильна піч 1 постачена плазмотронами непрямої дії. Плазмотрони 7 і 8 розташовані вертикально в кришці 9 печі, а вузол уведення 10 вихідного матеріалу зміщений до бічної стінки печі. У нижній частині печі, на протилежних стінках, симетрично встановлені плазмотрони 11 і 12 під кутом до поду, а в площині установки плазмотронів розташовані форсунки 13 і 14 для подачі кисню або кисневмісного газу. Підігрівник 6 вихідного матеріалу виконаний з вертикальних камер 15, розділених між собою металевим листом 16. Бічні стінки підігрівника й металевий лист 16 утворюють із верхньою кришкою 17 отвір 18 для проходу газу. У нижній частині реактора відновлення 2, під колосником 19 розташований газовідвідний канал 20, при цьому колосник 19 установлений з можливістю нахилу убік вузла випуску 21 продуктів металізації. Газовідвідний канал 20 реактора відновлення 2 через газопровід 22, камеру змішання 23 і газохід 24 пов'язаний із внутрішньою порожниною підігрівника 6, безпосередньо із отвором 18. Камера змішання 23 додатково постачена трубопроводами 25 і 26 для подачі повітря й метану. На виході газоходу 24 у отворі 18 підігрівника 6 установлені газові пальники 27. У нижній частині кожної камери 15 підігрівника 6 розташований вузол вивантаження 28 і канал 29 відхідного газу, що через камеру допалення ЗО пов'язаний з газовідводом 31 димових газів. Пристрій постачений газоаналізаторами 32, установленими в горизонтальному каналі 4 і в газопроводі 22 перед камерою змішання 23. У горизонтальному каналі 4 також розташовані патрубки 33, 34 і 35, з'єднані трубопроводами для подачі пари, повітря й метану. Канал 29 кожної камери підігрівника 6 постачений шибером 36. У оводовій частині 5 реактора відновлення розміщені термопари 37. Пристрій працює в такий спосіб. Перед початком роботи плавильну піч 1 і реактор відновлення 2 розігрівають до температури 800-1000 С. При досягненні заданої температури в піч через окремі вхідні тічки вузла уведення 10 подають спочатку вугілля, яким покривають під печі, а потім завантажують змішаний матеріал: вуглецевовмісний матеріал (вугілля) і залізовмісний матеріал (окатиші) зі співвідношенням у межах 0,2-0,4 з/або без додатково супровідних речовин. Тому що вузол уведення 10 матеріалу розташований біля стінки печі, матеріал у шахті печі формується під кутом природного укосу, з кутом розкриття убік горизонтального каналу 4 для відводу із плавильної печі газоподібних продуктів реакції. Паралельно із завантаженням плавильної печі 1, заданий обсяг вихідного матеріалу (окатиші) подають у реактор відновлення 2 з утворенням порожнини у оводовій частині, обмеженої рівнем матеріалу. Роблять запуск плазмотронів 11 і 12 у плавильній печі. Після виходу плазмотронів на робочий режим, включають верхні плазмотрони 7 і 8. Частина вуглецевовмісного матеріалу, що завантажується на під печі, діє, як джерело твердого вуглецю для відновлення. Залишок вуглецевовмісного матеріалу діє, як захисний шар, що служить підкладкою для розплавленого заліза й запобігає проникненню рідкого заліза/шлаків у вогнетрив поду. Крім того, деяка кількість вуглецевовмісного матеріалу окисляється продуктами горіння при подачі через форсунки 13 і 14 кисневмісного газу з утворенням монооксиду вуглецю, що являє собою відновлювач. Гази в процесі реакції плавки приводять до інтенсивного підйому твердого вуглецю й шлаків із шару металу, що створює рух вверх бризків, крапель і струменів у простір над ванною розплаву. Робота плазмотронів 7 і 8 створює частковий бар'єр переносному розплавленому матеріалу й твердим часткам, це сприяє підтримці температури усередині печі, викликає активне перемішування в шарі металу й шарі шлаків і в результаті встановлюється помірна однорідна температура. Пристрій сконструйований з урахуванням рівнів шарів металу, шлаків і з урахуванням сплесків, крапель і струменів розплавленого металу й шлаків, які викидаються у верхній простір печі. У міру опускання шихти в печі, роблять періодичне її дозавантаження, а метал і шлаки частково випускають. Газ виходить із плавильної печі через горизонтальний канал 4 і попадає у сводову частину 5 реактора відновлення 2. Газоаналізатором 32 визначають склад відхідного газу, а температуру газу, що надходить у сводову частину 5 реактора, визначають термопарами 37. Робоча температура в реакторі відновлення обмежена запобіганням злипання вихідного матеріалу, верхня межа температури становить 800-850 °С. Тому зниження температури газу, що подається в реактор відновлення, шляхом охолодження є неминучим. Корекцію складу й температури газу здійснюють шляхом подачі в канал 4 окремими трубопроводами 33, 34, 35 пари, повітря й метану. У результаті розкладу CH4-пари відбувається інтенсивне зниження температури газу, що відходить із плавильної печі, і поліпшується його відновлювальна здатність. Камери 15 підігрівника заповнюють вихідним матеріалом через індивідуальні бункери. Відхідний із реактора відновлення газ через газовідвідний канал 20, розташований під колосником 19, транспортується в підігрівник 6 вихідного матеріалу через камеру змішання 23, у яку додатково подають повітря й метан для створення високотемпературного теплоносія при спалюванні пальниками 27 газів, що надходять через газохід 24 у отвір 18. Склад газу, що відходить із реактора відновлення, контролюють газоаналізатором 32. Рівень вихідного матеріалу в камері 15 підігрівника й швидкість подачі газу через газохід 24 вибирають таким чином, щоб при сталих умовах процесу газ проникав через вільний простір отвору 18 і генерував у ньому температуру порядку 750-800°С. Температуру нагрівання вихідного матеріалу регулюють шиберами 36, установленими в каналі 29 відхідного газу кожної камери. Відхідний газ через канали 29 кожної камери направляють у газовідвід 31 димових газів через камеру допалення 30. Випуск підігрітого вихідного матеріалу роблять через вузол вивантаження 28, розташований у нижній частині кожної камери. Тиск на засобах уведення й відводу газів в пристрої встановлюється залежно від аеродинамічного опору шару шихти. Дана конструкція установки дає можливість передачі істотної кількості тепла відновлювального газу, виробленого в плавильній печі, у процес прямого відновлення, і в такий спосіб дозволяє використовувати його найбільш ефективно. Таке виконання пристрою дозволяє перед плавленням інтенсивно нагрівати шихту в підігрівнику за рахунок створення високотемпературного теплоносія при спалюванні газів, що надходять із реактора відновлення. Конструкція печі усуває потенційно серйозну проблему твердих наносів, дозволяє зберігати чистими стінки й кришку печі. Пристрій забезпечує підвищення продуктивності при зменшенні висоти й об'єму печі, оперативне введення її в режим, забезпечуючи компактність виробництва, високу економічну ефективність і високу екологічну безпеку.