Спосіб та піч для одержання заліза прямим відновленням

1. Спосіб одержання заліза прямим відновленням у печі, що включає завантаження в піч вихідної сировини, що містить залізооксидний матеріал, подачу в піч окислювача й палива та одержання розплаву заліза за рахунок нагрівання й реагування залізооксидного матеріалу з вуглевмісним матеріалом і монооксидом вуглецю, який відрізняється тим, що процес розплавлювання оксидів здійснюють окисним плазмовим струменем, одержуваним із плазмоутворюючого газу з масовим співвідношенням витрати кисню і витрати природного газу 1,5-2,5 при мінімальній робочій витраті плазмоутворюючого газу через плазмотрон, а після повного розплавлювання вихідної сировини додатково подають природний газ у плазмовий струмінь за зрізом сопла плазмотрона, здійснюють у струмені плазми конверсію природного газу на водень і піровуглець і вдувають їх у розплав вихідної сировини, при цьому витрату природного газу вибирають такою, щоб підтримувати температуру струменя з C2 2 (11) 1 3 і одностадійні - процеси, здійснювані в одному агрегаті. Поділ у часі й просторі стадій відновлення й плавлення залізорудних матеріалів, здійснюваних при різних температурах, є основною перевагою багатоступінчастих процесів. Цей процес дозволяє також підвищити ефективність використання теплової й хімічної енергії газів, що відходять із агрегатів наступних ступенів. Недоліком багатоступінчастих процесів є взаємозалежність роботи окремих агрегатів. Це виключає можливість істотного підвищення швидкості відновлення й, отже, продуктивності багатоступінчастого процесу в цілому [Юсфін Ю.С., Гіммельфарб А.А., Пашков Н.Ф. Нові процеси одержання металу (металургія заліза): Підручник для вузів - М.: Металургія, 1994, с. 272274]. Характерні для багатоступінчастих способів недоліки можна усунути організацією високотемпературного процесу прямого одержання рідкого металу в одну стадію. Найбільш близьким по технічній сутності й результату, що досягається (прототип), прийнятий спосіб одержання заліза прямим відновленням, що включає завантаження в окисну зону печі вихідної сировини, що містить залізооксидний матеріал і вуглевмісний матеріал, згідно винаходу, в окисну зону печі подають окислювач і паливо через окисні пальники й спалюють їх для нагрівання вихідної сировини. При цьому як окислювач використовують газ із концентрацією кисню, принаймні, 25 мол. %. Нагріту вихідну сировину подають із окисної зони у відновлювальну зону печі. У відновлювальну зону печі подають окислювач і паливо через відновлювальні пальники й спалюють їх з одержанням продуктів реакції згоряння, що включають монооксид вуглецю, і одержують залізо прямим відновленням за рахунок реагування залізоокисного матеріалу з вуглевмісним матеріалом і монооксидом вуглецю. При цьому як окислювач використовують газ із концентрацією кисню, принаймні, 25 мол. %. Окислювач подають у піч із кожного пальника двома потоками, один із яких являє собою основний більше високошвидкісний потік окислювача, а другий - додатковий потік окислювача, що має більш низьку швидкість, чим швидкість основного потоку [Патент Росії №2220209, кл. С21В13/08, С 22 В 5/10, опубл. 2003.12.27]. Підвищення продуктивності печей і поліпшення якості одержуваного заліза залежить повністю від швидкості протікання тепло- і масообмінних процесів. При горінні палива досягається низька щільність теплового потоку у вихідний матеріал, що не забезпечує повною мірою необхідної швидкості плавлення внаслідок низької температури нагрівання, потрібен великий проміжок часу для плавлення й одержання металу. Відомий пальник з кисневим струменем, який включає засоби для подачі основного окислювача для інжекції в зону горіння, з'єднані трубопроводом із джерелом окислювача, і 81737 4 складається із центральної труби, що подає кисень, й сопла на кінці інжектора труби, яка подає, сопло має як мінімум один отвір для проходження окислювача від труби, що подає, у зону горіння; кільцевого отвору навколо сопла для забезпечення подачі другорядного окислювача в зону горіння в безпосередній близькості до інжекції основного окислювача так, що другорядний окислювач захоплюється в основний окислювач відразу ж після інжекції основного окислювача в зону горіння й засобів для подачі газоподібного палива в зону горіння в безпосередній близькості із засобами подачі другорядного окислювача гак, що газоподібне паливо й другорядний окислювач утворює границю розділу в зоні горіння до контакту газоподібного палива й основного окислювача, при цьому газоподібне паливо, таке як природний газ, водень, коксовий пічний газ, пропан подаються в зону горіння через прохід, що співвісний із зовнішньою поверхнею кільцеподібного каналу окислювача [Патент США №4907961, кл. F 23 С 5/00, заявл. 05.05.1988, дата видачі 13.03.1990]. Однак конструкція пальника приведе до зниження технологічних і економічних показників плавки, тому що таке уведення палива деформує шари дуттьового потоку, слабко змішуючись із ними через нерівномірний розподіл газових струменів у поперечному перерізі дуття, їхньою низкою пробивною здатністю, а відсутність розвиненої прямолінійної ділянки змішання приводить до формування нестабілізованого потоку. Найбільш близьким по технічній сутності й результату, що досягається (прототип), прийнятий пальник, прикріплений до порожнини вогнетривкої стіни, що є частиною пічної стіни. Засіб подачі окислювача має зовнішню трубу, яка містить знімне сопло, що менше ніж зовнішня труба, у якому виконаний кільцеподібний прохід. Паливо, наприклад природний газ, подається через зовнішній прохід, між засобом подачі окислювача й зовнішньою паливною трубою. Торець вузла засобу подачі окислювача, з боку стінки печі розташований із зазором щодо площини установки модульної пластини, за допомогою якої пальник прикріплений до порожнини вогнетривкої стіни [Патент США №5100313, кл. F 23 R 3/2, заявл. 05.02.1991, дата видачі 31.03.1992]. Однак дана конструкція пальника в процесі роботи не дозволяє одержувати рідке металеве залізо більш дешевим шляхом, тому що теплова енергія витрачається непродуктивно, внаслідок чого тепловий баланс, а також економічність процесу незадовільні. В основу першого із групи винаходів поставлено завдання вдосконалення способу одержання заліза прямім відновленням шляхом ведення процесу плавлення високотемпературним окисним плазмовим струменем, а процес відновлення - піровуглецевмісним плазмовим струменем з температурою близькою до температури плавлення матеріалів шихти, і за рахунок цього скорочується час плавлення, 5 енерговитрати й інтенсифікуються процеси відновлення в рідкій фазі. В основу другого із групи винаходів поставлено завдання вдосконалення пристрою для вдування вуглеводнів у плазмовий струмінь, у якому шляхом модифікації конструкції вузла уведення природного газу, забезпечити поділ у часі процесів плавлення й відновлення шихтових матеріалів і за рахунок цього скоротити час плавлення й енерговитрати. Перше поставлене завдання вирішується тим, що в способі одержання заліза прямим відновленням у печі, що включає завантаження в піч вихідної сировини, що містить залізооксидний матеріал, подачу в піч окислювача й палива й одержання заліза за рахунок нагрівання й реагування залізооксидного матеріалу з вуглецевмісним матеріалом і монооксидом вуглецю, згідно винаходу, процес розплавлювання оксидів здійснюють окисним плазмовим струменем, одержуваним із плазмоутворюючого газу з масовим співвідношенням витрати кисню до витрати природного газу 1,5-2,5 при мінімальній робочій витраті плазмоутворюючого газу через плазмотрон, а після повного розплавлювання вихідного матеріалу додатково подають природний газ у плазмовий струмінь за зрізом сопла плазмотрона, здійснюють у струмені плазми конверсію природного газу на водень і піровуглець і вдувають їх у розплав вихідних матеріалів, при цьому витрату природного газу вибирають такою, щоб підтримувати температуру струменя з піровуглецем на 250-350°С вище температури плавлення матеріалів шихти, а перед зливом готового металу й у процесі зливу припиняють подачу природного газу на плазмовий струмінь, а склад плазмоутворюючого газу, що проходить через плазмотрон, установлюють із масовим співвідношенням витрати кисню до витрати природного газу 0,8-1. Наведені ознаки забезпечують високий ступінь відновлення металу з розплаву за рахунок підвищення кількості відновлювального газу тільки на стадії остаточного відновлення. Винахід дозволяє постачати тільки стадію відновлення теоретично мінімальною, однак достатньою для повного відновлення металу кількістю відновлювального газу й зменшувати до мінімуму витрату природного газу. При плазмовому нагріванні й плавленні шихти струменем зі стехіометричним співвідношенням окислювача й палива щільність теплового потоку на порядок вище, ніж горіння й тому забезпечується більша швидкість плавлення шихти з мінімальними енерговитратами. Спосіб дозволяє спростити технологію, пов'язану із процесом плавки, збільшити швидкість плавлення й, отже, продуктивність процесу прямого одержання рідкого металу. Друге поставлене завдання вирішується тим, що в пристрої для вдування вуглеводневого газу в плазмовий струмінь, що містить корпус із каналами подачі вихідних вуглеводнів, згідно винаходу, пристрій складається із плазмотрона непрямої дії, анодне сопло якого коаксіально 81737 6 розташоване щодо циліндричної гільзи, жорстко закріпленої в корпусі з утворенням кільцевої камери між зовнішньою й внутрішньою поверхнями відповідно циліндричної гільзи й корпуса з патрубками уведення й виводу хладоагенту, причому корпус із однієї сторони зв'язаний затискачами із плазмотроном, а з іншого боку - з кесоном, розташованим у прорізі стінки печі під кутом до поду, при цьому корпус установлений із зазором щодо торцевої площини плазмотрона з утворенням порожнини, пов'язаної з патрубком підведення вуглеводнів, наприклад природного газу, і сполученої із внутрішньою порожниною гільзи. Патрубок підведення природного газу постачений зворотним клапаном. Корпус із гільзою в площині закріплення затискачів постачений ущільнювальними елементами, причому гільза виконана з міді із внутрішньою початковою ділянкою у формі усіченого конуса. Відповідно до технології прямого одержання рідкого металу з рудної сировини розроблена конструкція пристрою для вдування вуглеводневого газу в плазмову піч з використанням плазмотрона непрямої дії. Конструкція є оптимальною й забезпечує необхідний ступінь термохімічної підготовки газової суміші, крім того, плазмова система надійна, проста в експлуатації, має малу інерційність. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг.1 показаний загальний вид плазмової печі із пристроєм для вдування вуглеводнів для реалізації способу одержання заліза прямим відновленням; на фіг.2 - загальний вид пристрою встановленого в кесоні; на фіг.3 - вузол установки в поздовжньому розрізі; на фіг.4 - графік, що зображує залежність максимальної витрати природного газу, що подається в пристрій (GMAX П.Г.) від електричної потужності (W ПЛ) плазмотрона й витрати плазмоутворюючого газу (GПЛ). Заявлений спосіб реалізують таким чином. Спосіб прямого одержання рідкого металу з рудної сировини реалізований у плазмовій плавильної печі. Після розігріву печі до температури 800-900°С в неї завантажують вихідний матеріал - окатиші. У бічних стінках печі під кутом до поду встановлюють пристрої для вдування вуглеводневого газу в плазмовий струмінь, кожний з яких являє собою плазмотрон непрямої дії, анодне сопло якого жорстко пов'язане з водоохолоджуваним корпусом із циліндричною гільзою, для транспортування через неї природного газу в плазмовий струмінь, що витікає із плазмотрона. Включають плазмотрони в пристроях для вдування. На першій стадії плавки плазмоутворюючий газ складається із природного газу й окислювача (повітря). Співвідношення природного газу й окислювача підбирається таким, 7 щоб масове співвідношення витрати кисню в повітрі до витрати природного газу склало 1,5-2,5. Сумарну витрату плазмоутворюючого газу вибирають мінімальною за умови збереження стабільної роботи плазмотронів даної конструкції. У міру розплавлювання здійснюють дозавантаження шихтових матеріалів. По закінченні циклу дозавантаження по температурі розплаву визначають повне розплавлювання шихтових матеріалів. Після цього в пристрій для вдування подають природний газ. Витрату природного газу вибирають із умови підтримки температури струменя з піровуглецем на 250350°С вище температури плавлення шихтових матеріалів з урахуванням заданого об'єму розплаву й потужності плазмотронів. Роботу пристрою для вдування вуглеводнів у плазмовий струмінь продовжують до повного відновлення металу в розплаві. Перед зливом металу припиняють подачу природного газу в пристрій для вдування, а склад плазмоутворюючого газу змінюють так, щоб масове співвідношення витрати кисню в окислювачах до витрати природного газу склало 0,8-1. Здійснюють злив металу й шлаків. Виключають плазмотрони. Спосіб одержання заліза прямим відновленням був реалізований на плазмовій плавильної печі об'ємом 3,5т вихідних окатишів. Піч оснащена чотирма плазмотронами непрямої дії, потужністю кожний 0,5мВт, установленими в пристроях для вдування вуглеводнів у плазмовий струмінь, виконаними відповідно до запропонованої формули винаходу. Кожний пристрій закріплений у кесоні й розташований у прорізі стінки печі під кутом до поду. Піч попередньо розігріли до температури 900°С. Завантажили окатиші й включили плазмотрони. Плазмотрони проробили в режимі плавлення 30хв. Момент повного розплавлювання шихти визначали за показниками термопар. Розплав перегрівали до температури 1900°С. Потім одночасно в чотири пристрої для вдування подавали природний газ із сумарною витратою 140г/с протягом 20хв. Після закінчення цього часу подачу природного газу в пристрій припиняли, склад плазмоутворюючого газу, що проходить через плазмотрон, установлювали з масовим співвідношенням витрати кисню до витрати природного газу - 0,8 і здійснювали злив металу через льотку. Вихід металу склав 1900 кг. Крім того, були проведені випробування, під час яких плазмотрони працювали на менш ерозійних режимах зі зниженою електричною потужністю. Виходячи з отриманих даних, побудована залежність максимальної витрати природного газу, що подається в пристрій, GMAX П.Г. від електричної потужності W ПЛ плазмотрона й витрати плазмоутворюючого газу GПЛ, наведена на фіг.4. Пристрій включає плазмотрон непрямої дії 1, анодне сопло 2 якого коаксіально розташовано щодо мідної циліндричної гільзи 3, жорстко закріпленої в корпусі 4 з утворенням кільцевої порожнини 5 між зовнішньою й внутрішньою 81737 8 поверхнями відповідно циліндричної гільзи й корпуса з патрубками 6 і 7 уведення й виводу хладоагенту. Корпус із однієї сторони зв'язаний затискачами 8 із плазмотроном, а з іншого боку - з кесоном 9, розташованим у прорізі стінки печі 10 під кутом до поду. Корпус установлений із зазором щодо торцевої площини плазмотрона з утворенням порожнини 11, пов'язаної з патрубком 12 підведення вуглеводнів і повідомленої із внутрішньою порожниною гільзи, внутрішня початкова ділянка якої виконана у формі усіченого конуса. Корпус із гільзою в площині установки затискачів постачений ущільнювальними елементами 13, а в патрубку 12 підведення вуглеводнів установлений зворотний клапан 14. Пристрій працює в такий спосіб. У кожний пристрій для вдування вуглеводнів у плазмовий струмінь, через патрубок 6 подається хладоагент, наприклад, вода в кільцеву камеру 5, утворену між зовнішньою й внутрішньою поверхнями відповідно циліндричної гільзи 3 і корпуса 4 і відводом води через патрубок 7. На плазмотрони 1 подається напруга й збуджується дуга. Плазмовий потік, що утвориться у кожному плазмотроні, витікає через циліндричну гільзу 3 корпуса 4 у внутрішню порожнину печі 10, попередньо завантаженої шихтовими матеріалами. Плазмотрони 1 працюють у режимі плавлення до повного розплавлювання шихти. Після чого додатково в усі пристрої подається природний газ через патрубок 12 у порожнину 11, утворену торцевою площиною плазмотрона (анода 2) і корпусом 4. Природний газ із порожнини 11 попадає в плазмовий струмінь за зрізом плазмотрона, конвертується, і продукти конверсії через циліндричну гільзу 3 вдуваються в розплав. З урахуванням потужності плазмотронів і сумарної витрати природного газу, установлюють тривалість за часом подачі природного газу. Після закінчення цього часу подачу природного газу на плазмовий струмінь припиняли, а склад плазмоутворюючого газу, що проходить через кожний плазмотрон, установлювали з масовим співвідношенням витрати кисню до витрати природного газу - 0,8, після чого здійснювали злив металу. Таким чином, пропонована взаємозалежна група винаходів дозволяє значно підвищити швидкості протікання реакцій відновлення до значень, що забезпечують високий ступінь відновлення металу з розплаву, за рахунок підвищення кількості відновлювального газу тільки на стадії остаточного відновлення при плазмовому нагріванні вихідного матеріалу. 9 81737 10