Спосіб термічної металізації залізовмісної рудовугільної сировини

Спосіб термічної металізації залізовмісної рудовугільної сировини, що включає одержання окатишів (брикетів) з рудо-флюсовугільної шихти, їхню термічну обробку, що складається з операцій сушіння на сушильному агрегаті конвеєрного типу, високотемпературний випал, здійснюваний у кільцевій печі з обертовим подом у відбудовній атмосфері, створюваній за допомогою твердого палива і з використанням зовнішнього джерела тепла, який відрізняється тим, що попередньо висушені і нагріті до температури 600-800 °С рудофлюсовугільні окатиші або брикети завантажують у реакційну теплоізольовану електрогерметичну камеру кільцевої печі карусельного типу, під якої розділяють перегородками на сектори, при цьому в реакційній камері у кожному секторі розміщують хвилеводи-випромінювачі енергії надвисокої частоти, які зв'язують із генераторами енергії надвисокої частоти потужністю 50-100 кВт із робочою частотою 0,95 або 2,45 ГГц, причому посекторно, за допомогою хвилеводів-випромінювачів поетап U 2 60360 1 3 ється попередньо конверсований природний газ [Кудрявцев B.C., Пчелкин С.А. Металлизованные окатиши - М; Металлургия. - 1974 - C.136]. До недоліків цього способу варто віднести необхідність попередньою високотемпературного випалу сирих окатишів з витратами теплової енергії і громіздкого устаткування, а також наявність додаткових технологічних процесів, пов'язаних з додатковими витратами. У процесі відновлення окатишів гублять міцність і під значною вагою верхніх шарів руйнуються, що знижує технологічність процесу. Процес зв'язаний зі значною питомою витратою природного газу. Відомий також спосіб металізації, у якому використовуються відбудовні гази. Спосіб включає одержання металізованого заліза у відбудовному реакторі за допомогою газу, добутого шляхом парокисневої конверсії вуглеводнів (природного газу) безпосередньо у відбудовному реакторі з використанням свіжовідновленого заліза як каталізатора. Спосіб відрізняється тим, що, вміст вуглецю в продукті підтримують шляхом регулювання кількості водяної пари, двоокису вуглецю і кисню у відбудовному газі [Quintero R., Becerra J. HyL's carbide th process // 4 European Coke and Ironmaking Congress-Paris-June 19-20. 2000 Proceeding-1Paric-2000-p. 356-362]. Недоліком процесу є складність у підготовці відбудовного агрегату, підтримка його відбудовної здатності для одержання готового продукту стабільної якості. Необхідність мати в наявності природний газ на об'єкті. Відомий також спосіб відновлення і металізації із застосуванням твердого вуглецю. У способі використовують багатий залізорудний концентрат або окалину, суміш вугілля з вапняком. Продукт завантажують шарами, що не змішують, у круглі керамічні капселі. Капселі із шихтою на вагонетках безупинно подають у тунельну піч, де їх нагрівають, витримують при 1150-1200°С і охолоджують, після чого губчате залізо витягають із капселів [Бондаренко Б.И., Курганський Н.П., Пекач В.Ф. Восстановительно-обезуглероживающий отжиг металлических порошков - Киев: Наук.думка, 1991. - 328 с.]. Недоліками відомого способу є переривчастість процесу і його низька продуктивність, низька і неоднорідна якість відновленого металізованого продукту. Найбільш близьким рішенням, обраним як найближчий аналог, є спосіб термічної металізації залізовмісної рудовугільної сировини, що включає одержання окатишів (брикетів) з рудофлюсовугільної шихти, їхню термічну обробку, що складається з операцій сушіння на сушильному агрегаті конвеєрного типу, високотемпературний випал, здійснюваний у кільцевій печі з обертовим подом у відбудовній атмосфері, створюваної за допомогою твердого палива і з використанням зовнішнього джерела тепла, наприклад, природного газу. Спосіб передбачає змішування залізорудного концентрату з вугіллям і бентонітом, після чого його піддають огрудкуванню. Сирі рудно-паливні окатиші сушать у сушарці конвеєрного типу при 60360 4 150°С протягом 15 хв., після чого укладають їхнім тонким шаром на під обертової кільцевої печі із прямим обігрівом, де послідовно проходять зони нагрівання і відновлення. Піч опалюється за рахунок спалювання природного газу або мазуту. Одержуване губчате залізо вивантажують у вертикальний холодильник шахтного типу, де прохолоджують до 120°С. Кільцева піч умовно розділена на температурні зони [Реферативний журнал "Металургія" -2000-реф.00.04-15В66]. Недоліком цього способу є складність в одержанні заданої відновлювальної атмосфери в об'ємі печі, тому що спалювання природного газу з додаванням повітря здійснюється усередині печі, внаслідок чого складно стабілізувати необхідні умови для металізації. Завданням корисної моделі є вдосконалення способу термічної металізації залізовмісної рудовугільної сировини за рахунок комплексного поетапного впливу на сировину використання термічних режимів, які забезпечують поетапну її термічну підготовку та поступову металізацію до кондиції, яка забезпечує утворення продукту призначеного для металургійної промисловості. Технічний результат, що одернується при використанні корисної моделі полягає у отриманні високоякісного продукту призначеного для металургійної промисловості при мінімальній собівартості технологічного процесу та значному зниженню витрати енергоносіїв за рахунок утилізації створеного тепла. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що спосіб термічної металізації залізовмісної рудовугільної сировини включає одержання окатишів (брикетів) з рудо-флюсовугільної шихти, їхню термічну обробку, що складається з операцій сушіння на сушильному агрегаті конвеєрного типу, високотемпературний випал, здійснюваний у кільцевій печі з обертовим подом у відбудовній атмосфері, створюваної за допомогою твердого палива з використанням зовнішнього джерела тепла, наприклад, природного газу. Згідно корисної моделі, попередньо висушені і нагріті до температури 600-800°С рудофлюсовугільні окатиші або брикети завантажують у реакційну теплоізольовану електрогерметичну камеру кільцевої печі карусельного типу, що обертається, під якої розділяють перегородками на сектори, при цьому в реакційній камері, у кожному секторі розміщають хвилеводи-випромінювачів енергії надвисокої частоти, які зв'язують із генераторами енергії надвисокої частоти потужністю 50100 кВт із робочою частотою 0,95 або 2,45 ГГц, причому посекторно, за допомогою хвилеводіввипромінювачів, поетапно підвищують температуру сировини від 950°С до 1300°С, причому питому потужність енергії надвисокої частоти для відповідного нагрівання подають в імпульсному режимі в розмірі 0,44-0,78 кВт на 1 кг маси сировини, що перебуває в зоні дії хвилеводів-випромінювачів, після чого металізований продукт направляють у нижче розташований охолоджувач із кільцевим обертовим подом із двома зонами охолодження, у першій з яких - високотемпературний, надають 5863% загальній робочій площі охолоджувача і за 5 безпечують швидкість фільтрації атмосферного повітря через шар сировини, яка дорівнює від 4 4 3 2 1,1·10 до 1,6·10 м /м ·год, а у другій, низькотемпературній зоні, робочої площі, що займає іншу частину, охолоджувача, забезпечують швидкість фільтрації атмосферного повітря через шар від 4 4 3 2 0,9·10 до 1,1·10 м /м ·год. Для стабілізації роботи генераторів СВЧ, випромінюваний ними потік випромінювання СВЧ формують при коефіцієнті стоячої хвилі (КСХ), який дорівнює 2,5±0,3, при цьому швидкість наростання потоку потужності встановлюють у межах 92-105 Вт/с, збільшуючи її в кожному секторі реакційної камери на 1,8-2,6 Вт/с стосовно попереднього сектора. Для забезпечення технологічного процесу металізації залізорудної сировини в реакційній камері виконують вікна, обладнані екранними ґратами з позамежними осередками. Спосіб реалізується таким чином. Сирі окатиші діаметром від 10 до 30 мм, приготовлені із шихти, до складу якої входять: залізовмісний продукт (концентрат) або тонкоподрібнена руда, або металовміщуючі відходи техногенних родовищ, тверде паливо, флюсуюча добавка, зміцнююча добавка (бентоніт), що мають вологість у межах 9-10%, направляють у сушильний агрегат. У сушильному агрегаті за допомогою спеціального пристрою окатиши укладають на решітку з отворами 5-6 мм рівномірним шаром і подають на нього теплоносій. У сушильному агрегаті окатиші витримують протягом часу, достатньому для повного видалення вологи з них і нагрівання до необхідної заданої температури, дотримуючи при цьому умови не допустити тріщиностворення або повного руйнування окатишів. Для дотримання цих умов, нагрівання роблять у зональному режимі з поступовим підвищенням температури в шарі окатишів за рахунок подачі теплоносія в різній кількості і з різною температурою, яка підвищується від завантажувальної ділянки до розвантажувальної. Як теплоносій використовують рекупераційне гаряче повітря, отримане при наступних високотемпературних технологічних процесах. Підвищення температури в шарі окатишів здійснюють у наступній послідовності: у першій зоні - до 150-250°С; у другій зоні - до 350-450°С; а в третій зоні - до 600-800°С. Попереднє сушіння і нагрівання окатишів до температури не менш 600-800°С обумовлена умовами термообробки залізовмісної сировини на наступних стадіях. Менше значення температури нагрівання потребує подальших втрат енергоносіїв при їх металізації, а перевищення температури більш 800°С призводить до збільшення собівартості продукції. Наступні стадії обробки передбачають відбудовний випал і металізацію нагрітих окатишів у реакційній камері агрегату, що використовує теплову енергію СВЧ джерел. Спрямоване від них електромагнітне поле на шар нагрітих окатишів перетворюється в теплову енергію, внаслідок чого відбувається швидке нагрівання окатишів і відбуваються процеси дисоціації і відновлення до ме 60360 6 талізації, тобто відбувається процес прямого одержання заліза за допомогою твердого відновлювана, що перебуває в об'ємі окатиша в тісному контакті з мінералами окислів заліза. Відбудовний газ, що утвориться, взаємодіючи з вугіллям, який додатково подається в оброблюваний шар, прискорює відбудовні реакції. Додаткове вугілля вводять в піч одночасно з нагрітими окатишами і зосереджують в основному в нижньому горизонті шару, фільтруючись через шар окатишів він утворює «постіль». Встановлено експериментально, що окатиші, а саме компоненти і мінерали що їх складають, нагріті до температури 600-800°С, у порівнянні з холодними окатишами, більш швидко і повно сприймають енергію електромагнітного поля СВЧ джерела. Висушені і нагріті до температури 600-800°С рудо-флюсовугільні окатиші або брикети завантажують у реакційну теплоізольовану електрогерметичну камеру кільцевої печі карусельного типу, під якої розділяють перегородками на сектори. У кожному секторі печі сировина піддається за допомогою хвилеводів-випромінювачів впливу енергії СВЧ, яку виробляють генераторами енергії надвисокої частоти потужністю 50-100 кВт із робочою частотою 0,95 або 2,45 ГГц, які є виключно оптимальними для ходу технологічного процесу. При меншій величіні потужності енергії надвисокої частоти не здійснюється перетворення сировини для наступної металізації, а при потужності, яка перевищує 100 кВт, хід технологічного процесу порушує встановлений оптимальний регламент по отриманню якісної продукції. Окатиші, в яких процес відновлення протікає від гематиту до магнетиту і далі до в'юстита (Fe) і металевого заліза, поетапно просуваються в зону з більш високою температурою, котра становить 950-1300°С і є оптимальною для процесу металізації. Питому потужність енергії для відповідного нагрівання подають в імпульсному режимі в розмірі 0,44-0,78 кВт на 1 кг маси сировини, що перебуває в зоні дії хвилеводів-випромінювачів. При зазначених технологічних режимах завершується процес металізації. Менше значення потужності не дозволяє забезпечити процес металізації сировини до моменту подання її до розвантажувального пристрою, а збільшення потужності перевищує раціональну витрату енергоносія і порушення регламенту металізації у сировині. Зазначені умови застосування енергії СВЧ визначалися експериментально. Подача потоку потужності із застосуванням імпульсного режиму сприяла зниженню кількості загального потоку енергії, тобто зниженню витрати електроенергії. Показники наведеної питомої потужності нижче нижніх меж не дозволяли одержати необхідну температуру в технологічній зоні реакційної камери печі і одержати заданий ступінь металізації. Ці умови пов'язані зі зміною теплофізичних і електричних властивостей нагрітих матеріалів, їхнім сприйняттям електромагнітного поля СВЧ - енергії. Перевищення верхньої межі питомої потужності приведе до передчасного, швидкого підвищен 7 ня температури і внаслідок цього ранньому утворенню розплаву, через що не встигне завершитися повною мірою процес металізації. Після практично повної металізації залізовмісних мінералів в об'ємі окатишів, матеріал просувається в останню зону печі, у якій відбувається плавлення матеріалу окатишів з утворенням металевого ядра в центрі і жужільній оболонці. Застосовувані у корисній моделі генератори, що здійснюють подачу СВЧ - енергії в реакційну камеру, повинні мати достатню потужність, щоб одержати задану температуру в певній зоні. Застосовувана в нашому випадку потужність у межах 50-100 кВт забезпечує необхідну кількість тепла для рівномірного підвищення температури в секторах-зонах. Потужність менш нижньої межі не дозволить підтримувати заданий режим нагрівання, а застосування потужності більше верхньої межі зв'язана із зайвими витратами електроенергії. Стабільність роботи генератора, тобто подача необхідного потоку енергії у внутрішній об'єм реакційної камери, організація руху хвиль у хвилеводах, відповідно до електродинаміки СВЧ, характеризується показником КСХ, що визначають експериментально для певного процесу. Для наших умов КСХ повинен становити величину 2,5±0,3 (одиниці), що було встановлено експериментально. Встановлене значення цього коефіцієнта дозволяє стабілізувати весь процес відбудовного випалу з одержанням продукту рівномірної якості. Одночасно регулюють швидкість наростання щільності потоку потужності енергії електромагнітного поля, що надходить у процес і перетвориться в шарі оброблюваного матеріалу в теплову енергію. Експериментально визначили, що швидкість наростання потоку потужності при відбудовній термообробці окатишів повинна становити 92105 Вт/с, зі збільшенням її значення від мінімального на 1,8-2,6 Вт/с у кожному температурному секторі. Показники менше нижньої межі не дозволяють протягом заданого часу досягти заданої температури в шарі матеріалу, що приводить до зниження продуктивності, а збільшення швидкості наростання щільності потоку вище верхньої межі сприяє перевитратам енергії на процес, а також можливому непередбачуваному оплавленню продукту. Прийняті величини робочої частоти генератора 0,9 або 2,45 ГГц забезпечують ефективну глибину проникнення електромагнітного поля і дозволяє обробляти шар окатишів (брикетів) розміром від 0,05-0,35 м з дотриманням розроблених режимів. Далі матеріал надходить на охолодження з високою швидкістю відбору тепла шляхом вдмухування холодного повітря в гарячий шар двошарових металізованих окатишів. Охолодження здійснюють в охолоджувачі з кільцевим обертовим подом із двома зонами охолодження: у першій з яких, високотемпературній, надають 58-63 % загальній робочій площі охолоджувача. 60360 8 Ефективне охолодження досягається в тому випадку, коли забезпечують швидкість фільтрації атмосферного повітря через шар сировини рівну 4 4 3 2 від 1,1·10 до 1,6·10 м /м ·год. У другій низькотемпературній зоні, що займає іншу частину робочої площі охолоджувача, забезпечують і підтримують швидкість фільтрації атмо4 сферного повітря через шар від 0,9·10 до 4 3 2 1,1·10 м /м ·год. При розвантаженні з охолоджувача одержують товарний охолоджений продукт для металургійної промисловості. Наявність двох температурних зон у круговому охолоджувачі продиктовано умовами охолодження металізованого матеріалу, а також одержання певної кількості нагрітого до заданої температури рекупераційного повітря. У першій зоні охолодження, у яку попадає матеріал, що має температуру 1050-1150°С, необхідно одержати нагріте повітря з температурою не менш 400-450°С у кількості, що забезпечує швидкість фільтрації його через шар окатишів у межах 4 4 3 2 1,1·10 - 1,6·10 м /м ·год. Зазначена швидкість фільтрації визначена експериментально. Значення менше зазначеної межі не дозволить одержати граничні швидкості фільтрації і не дозволить одержати необхідну кількість повітря для підтримки заданої швидкості охолодження. Перевищення верхньої межі фільтрації в першій зоні охолоджувача зажадає більшої кількості повітря і також не дозволить одержати необхідні швидкості фільтрації через зростання аеродинамічного опору шару сировини на поді охолоджувача. Граничні показники швидкості фільтрації, які встановлені експериментально, диктуються наступними умовами: менше нижніх меж неможливо остудити матеріал до заданих параметрів (температура і швидкість охолодження), а вище верхньої межі швидкості фільтрації буде відбуватися порушення стабільності шару і винос матеріалу із шару в газопровід. Для забезпечення технологічного процесу металізації залізорудної сировини, в реакційній камері виконують вікна з діелектричними екранними ґратами з позамежними осередками, що перешкоджають проникненню електричного поля СВЧ випромінювання за межі камери. Температурні і відбудовні процеси, що відбуваються в печі, вимагають контролю за їхніми параметрами. Крім того, процеси, що відбуваються в печі, супроводжуються виділенням газоподібних продуктів і вимагають постійного видалення їх із внутрішнього простору печі. У цьому зв'язку у стінці печі для кожного технологічного сектора передбачені вікна для установки і підключення необхідних контрольно-вимірювальних апаратур, а також для видалення газоподібних продуктів, що утворюються. Дослідно-промислові випробування способу показали можливість отримання високоякісної металургійної сировини при незначних витратах енергоносіїв. Це дозволяє отримувати товарну продукцію з низькою собівартістю і конкурентністю на ринку металургійної промисловості. 9 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 60360 Підписне 10 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601