Спосіб вироблення рідкого переробного чавуну із залізної руди та пристрій для його здійснення

1. Способ производства жидкого передельного чугуна из железной руды, включающий подачу ее в плавильный циклон, в котором осуществляют предварительное восстановление восстановительным технологическим газом, полученным на стадии окончательного восстановления, и, по крайней мере, частичное расплавление за счет сгорания восстановительного технологического газа, осуществляемого путем подачи в циклон кислородсодержащего газа, подачу предварительно восстановленной и частично расплавленной железной руды в металлургический плавильный агрегат, расположенный ниже плавильного циклона, окончательное восстановление в слое шлака путем подачи в агрегат угля и кислородсодержащего газа, одновременное получение технологического восстановительного газа и частичное его сгорание подаваемым в агрегат кислородсодержащим газом, отличающийся тем, что в качестве металлургического агрегата, в котором осуществляют окончательное восстановление, используют конвертер, уголь подают непосредственно в слой шлака, а частичное сгорание технологического восстановительного газа, по крайней мере, частично осуществляют в слое шлака, поддерживая коэффициент сгорания, определяемый как C2 (54) СПОСIБ ВИРОБЛЕННЯ РIДКОГО ПЕРЕРОБНОГО ЧАВУНУ IЗ ЗАЛIЗНОЇ РУДИ ТА ПРИСТРIЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДIЙСНЕННЯ 29482 11. Способ по любому одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что температуру предварительно восстановленной железной руды на выходе из плавильного циклона поддерживают в диапазоне 1200 - 1600°С. 12. Способ по любому одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что технологический восстановительный газ подают непосредственно в плавильный циклон. 13. Способ по любому одному из пп.1 - 12, отличающийся тем, что уголь, по крайней мере,частично подают в слой шлака в порошкообразном виде. 14. Способ по любому одному из пп. 1 - 13, отличающийся тем, что уголь подают в слой шлака с газом-носителем посредством, по крайней мере, одной фурмы, погруженной в слой шлака, или путем выгрузки над слоем шлака. 15. Устройство для производства жидкого передельного чугуна из железной руды, содержащее плавильный циклон, оборудованный средствами для загрузки железной руды, подачи кислородсодержащего газа и трубопроводом отвода технологического газа, расположенный под циклоном плавильный металлургический агрегат, связанный с циклоном посредством отверстия и оборудованный средствами для подачи угля, кислородсодер жащего газа и средствами для отвода жидких передельного чугуна и шлака, отличающееся тем, что плавильный металлургический агрегат выполнен в виде конвертера и образует с расположенным над ним плавильным циклоном единый реактор, причем отверстие, посредством которого циклон соединен с конвертером, служит одновременно для прохода частично расплавленной руды из циклона в конвертер и технологического газа из конвертера в циклон, а средства для подачи угля в конвертер выполнены с возможностью его подачи непосредственно в слой образующегося в процессе шлака, при этом устройство снабжено генерирующим пар котлом и средством обеспыливания газа, расположенными последовательно в трубопроводе отвода технологического газа из плавильного циклона. 16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что средства для подачи в шлак угля выполнены в виде,по крайней мере, одной вертикальной фурмы для пневмотранспортирования угля в тонкоизмельченной форме, или в виде одной расположенной на уровне шлакового расплава боковой фурмы для пневмотранспортирования угля в тонкоизмельченной форме, или в виде узлов, обеспечивающих гравитационное падение угля в слой шлака. ______________________________ Hедостатком данного способа и устройства для производства жидкого передельного чугуна является нерациональное использование угля, так как его химическая энергия не используется в полной мере, в том числе из-за сгорания части угля в плавильном циклоне, что соответственно приводит к повышенному расходу угля на тонну получаемого передельного чугуна. Кроме того, данный способ не позволяет в полной мере использовать более дешевый уголь с высоким выходом летучих. В основу изобретения поставлена задача создать способ производства жидкого передельного чугуна из железной руды, включающий стадию предварительного восстановления в плавильном циклоне и стадию конечного восстановления в металлургическом конвертере, в котором, несмотря на низкую степень последующего сгорания в металлургическом конвертере, расход угля является низким. Другой задачей изобретения является создание устройства для производства жидкого передельногo чугуна из железной руды по данному способу. В соответствии с изобретением по одному аспекту представлен способ производства жидкого передельного чугуна прямым восстановлением железной руды на стадии предварительного восстановления, после которой следует стадия конечного восстановления, включающий стадии: (а) подачи железной руды в плавильный циклон и предварительного восстановления ее на стадии предварительного восстановления посредством восстановительного технологического газа, полученного со стадии конечного восстановления; Изобретение относится к способу производства жидкого передельного чугуна прямым восстановлением железной руды, включающему стадию предварительного восстановления и стадию конечного восстановления, и к устройству для осуществления способа. Наиболее близкий способ и устройство для производства жидкого передельного чугуна из железной руды, описаны в статье[1]. В данном способе железную руду подают в плавильный циклон, в котором осуществляют предварительное восстановление восстановительным технологическим газом, полученным на стадии окончательного восстановления, и по крайней мере частичное расплавление за счет сгорания восстановительного технологического газа, осуществляемого путем подачи в циклон кислорода и угля, подачу предварительно восстановленной и частично расплавленной железной руды в металлургический плавильный агрегат, расположенный ниже плавильного циклона, окончательное восстановление в слое шлака путем подачи в агрегат угля и кислородсодержащего газа, одновременное получение технологического восстановительного газа и частичное его сгорание подаваемым в агрегат кислородсодержащим газом. Устройство для производства жидкого передельного чугуна из железной руды, содержит плавильный циклон, оборудованный средствами для загрузки железной руды, подачи кислородсодержащего газа и трубопроводом отвода технологического газа, расположенный под циклоном плавильный металлургический агрегат, связанный с циклоном посредством отверстия и оборудованный средствами для подачи угля, кислородсодержащего газа и средствами для отвода жидких передельного чугуна и шлака. 2 29482 (i) пневмотранспортирования тонкоизмельченного угля с помощью по крайней мере одной фурмы; (ii) пневмотранспортирования тонкоизмельченного угля посредством по крайней мере одной боковой фурмы металлургического конвертера, выгружаемого непосредственно в слой шлака, и (in) падения частиц угля, имеющих средний размер не менее 6 мм, в слой шлака. Тонкоизмельченный уголь имеет размер частиц менее, чем 6 мм, предпочтительно менее, чем 1 мм. В способе в соответствии с изобретением расход угля находится предпочтительно в диапазоне от 500 до 1000 кг на тонну полученного передельного чугуна. В способе кислород можно подать в виде воздуха или другой смеси кислорода и другого газа, но предпочтительно кислород, подаваемый в плавильный циклон, вдувают в циклон в виде по существу чистого кислорода. Подачу можно осуществлять при низкой температуре, например ниже 100°С. Аналогично кислород, подаваемый в металлургический конвертер, находится предпочтительно в форме, по существу, чистого кислорода и при температуре не более, чем 100°С. Коэффициент последующего сгорания восстановительного технологического газа на выходе металлургического конвертера находится предпочтительно в диапазоне от 0.20 до 0.55, и более предпочтительно от 0.30 до 0.45. Коэффициент последующего сгорания (который определен выше) технологического газа на выходе плавильного циклона составляет по крайней мере 0.60, более предпочтительно по крайней мере 0.70, и расход угля находится в диапазоне от 600 до 800 кг, более предпочтительно от 650 до 750 кг угля на тонну полученного передельного чугуна. Этим способом можно получать передельный чугун при низком расходе угля. При выходе из плавильного циклона технологический газ уже не имеет так много химической энергии и имеет высокий коэффициент последующего сгорания. В способе предпочтительно используют уголь с высоким выходом летучих. Он гораздо дешевле, чем уголь с малым выходом летучих. Было найдено, что в способе в соответствии с изобретением вполне может быть использован уголь с высоким выходом летучих. В известных способах, в которых используют восстановительную шахту, невозможно использовать уголь с высоким выходом летучих из-за высокого коэффициента последующего сгорания, необходимого в этих способах в металлургическом конвертере. Степень предварительного восстановления (PRD) железной руды на выходе плавильного циклона, определенная как (b) осуществления последующего сгорания восстановительного технологического газа в плавильном циклоне путем подачи в него кислорода с тем, чтобы железная руда в плавильном циклоне, по крайней мере, частично расплавилась; (c) обеспечения возможности предварительно восстановленной и, по крайней мере, частично расплавленной железной руде проходить из плавильного циклона вниз в металлургический конвертер, расположенный ниже его, в котором происходит конечное восстановление; (d) осуществления конечного восстановления в металлургическом конвертере в слое шлака, имеющемся здесь, путем подачи в металлургический конвертер угля и кислорода и образования вследствие этого восстановительного технологического газа, и осуществления частичного последующего сгорания восстановительного технологического газа в металлургическом конвертере посредством подаваемого туда кислорода, при этом уголь непосредственно подают в слой шлака; (e) отличающийся тем, что коэффициент последующего сгорания, определенный как CO2 + H2O CO2 + CO + H2O + H2 где СО2, СО, Н2О и Н2 представляют концентрации в процентах по объему этих газов на выходе металлургического конвертера, составляет не более, чем 0.55, и (f) и отличающийся тем, что частичное последующее сгорание в металлургическом конвертере, по крайней мере, частично происходит в слое шлака. В способе по изобретению получают большее количество отходящего газа с большим содержанием химической энергии, при этом устанавливают пониженный коэффициент последующего сгорания. В некоторых случаях желательно получить большее или меньшее количество отходящего газа. Этот способ предоставляет такую возможность. В способе в соответствии с изобретением уголь непосредственно подают в слой шлака. Это означает, что уголь подступает в слой шлака в форме твердых частиц, а не через раствор в ванне передельного чугуна, как происходит в способе ЕР-А-236802. Прямое вдувание угля в слой шлака, следствием которого является то, что первое частичное последующее сгорание происходит, по крайней мере, частично в слое шлака, приводит в результате к тому, что эффективность переноса тепла в шлак и ванну передельного чугуна является высокой. Кроме того, может быть получен толстый слой шлака, глубиной предпочтительно от 1 до 3 мм, в котором происходит частичное последующее сгорание и восстановление FeO углеродом. Для того чтобы регулировать ценообразование шлака желательно, чтобы по крайней мере 25% угля подавали в форме относительно крупных частиц, т.е. частиц со средним размером 6 мм или более. Уголь предпочтительно подают непосредственно в слой шлака посредством, по крайней мере, одного из: 1-[O]A/[O] находится предпочтительно в диапазоне от 0.15 до 0.30, где [O]A представляет содержание кислорода в молях фракции предварительно восстановленной железной руды из плавильного циклона и [О] - представляет содержание кислорода в молях фракции железной руды, подаваемой в плавильный циклон. Желательно, чтобы температура предварительно восстановленной железной руды 3 29482 на выходе плавильного циклона находилась в диапазоне от 1200 до 1600°С, и предпочтительно восстановительный технологический газ подают непосредственно из конвертера в плавильный циклон через то же самое отверстие, что и расплавленная частично восстановленная руда, т.е. восстановительный технологический газ не подвергают охлаждению, обеспыливанию и реформированию между металлургическим конвертером и плавильным циклоном. При таких условиях процесса может быть достигнут очень низкий расход угля. Особого преимущества достигают посредством способа, в котором концентрацию соединений железа FexOy в слое шлака поддерживают низкой путем подачи угля в слой шлака, по крайней мере, частично в тонкоизмельченном состоянии, т.е. при размере частиц менее, чем 6 мм. При конечном восстановлении соединений железа FexO y в шлаке в передельный чугун уголь окисляется в СО и СО2. Конечное восстановление происходит в соответствии с формулой вида тор, при этом технологический газ поступает при работе устройства из металлургического конвертера непосредственно в плавильный циклон и по крайней мере частично расплавленная, предварительно восстановленная железная руда поступает из плавильного циклона непосредственно в металлургический конвертер: (f) средства подачи железной руды в плавильный циклон; (g) средства подачи кислорода в плавильный циклон; (h) разгрузочные средства для выпуска технологического газа в струе потока из плавильного циклона; (i) генерирующий пар котел в разгрузочных средствах для выпуска технологического газа из плавильного циклона для генерирования водяного пара из физического тепла технологического газа; (j) средства обеспыливания, расположенные ниже по течению относительно генерирующего пар котла в струе потока, для обеспыливания технологического газа. Средства подачи угля включают предпочтительно по крайней мере одно из: (i) по крайней мере одну фурму для пневмотранспортирования угля в тонкоизмельченной форме; (ii) по крайней мере одну боковую фурму металлургического конвертера для пневмотранспортирования угля в тонкоизмельченной форме, и (iii) средство для гравитационного падения угля в слой. На фиг. 1 представлена карта технологического процесса, схематически изображающая способ и устройство в соответствии с изобретением; на фиг. 2 - в качестве примера соотношение между, с одной стороны, физическим теплом и химической энергией в технологическом газе, который выходит из плавильного циклона, и, с другой стороны, расходом угля; на фиг. 3 - график, показывающий в качестве примера одно рабочее окно способа изобретения; на фиг. 4 - другой график, показывающий другое рабочее окно способа изобретения. Фиг.1 показывает плавильный циклон 1, в который с газом-носителем через систему подачи 2 подают железорудный концентрат. В то же самое время в плавильный циклон 1 через систему подачи 3 подают по существу чистый кислород. Термин "чистый кислород" используют здесь так, как это обычно понимают в области производства стали. Непосредственно под плавильным циклоном и при открытой связи с ним через отверстие расположен металлургический конвертер 4. Железную руду предварительно восстанавливают в плавильном циклоне 1 и расплавляют посредством восстановительного технологического газа, поступающего из металлургического конвертера 4. В этом технологическом газе последующее сгорание поддерживают кислородом в плавильном циклоне 1. От 15 до 30% предварительно восстановленной и расплавленной железной руды стекает при температуре предпочтительно 1400 - 1600°С вниз по стенке 5 плавильного циклона 1 непосредственно в металлургический конвертер 4. В металлургическом конвертере 4 во время работы в его верхней части находится расплав 6 R=k-A-C Здесь R представляет скорость реакции конечного восстановления, k является константой, которая, однако, при первоначальном приближении обратно пропорциональна характеристике, линейному размеру частиц угля. А представляет удельную поверхность частиц угля, и С является концентрацией соединений железа FexOy в шлаке. Из-за тонкоизмельченного состояния угля как константа k, так и удельная поверхность А становятся больше. Это приводит к тому, что конечное восстановление предварительно восстановленных соединений железа FеxОу, поступающих из плавильного циклона, происходит более быстро с тем, чтобы концентрация FexOy в шлаке оставалась низкой. Выгода, полученная при этом, состоит в том, что шлак более медленно воздействует на огнеупорную футеровку металлургического конвертера. Благодаря низкому износу огнеупорной футеровки срок ее службы становится большим. Уголь предпочтительно, по крайней мере, частично, подают в шлак к форме порошкового угля, в результате чего срок службы футеровки металлургического конвертера увеличивается до максимально возможного значения. По другому аспекту изобретение включает устройство для производства жидкого передельного чугуна посредством прямого восстановления железной руды, содержащее: (a) металлургический конвертер; (b) средства подачи угля непосредственно в слой шлака, образованный при работе устройства над ванной расплавленного передельного чугуна в металлургическом конвертере; (c) средства подачи кислорода в металлургический конвертер; (d) разгрузочные средства для выгрузки жидкого передельного чугуна и шлака из металлургического конвертера; (e) плавильный циклон, расположенный над металлургическим конвертером и связанный с ним через отверстие так, что образуется единый реак 4 29482 передельного чугуна со слоем шлака 7. Обычно слой шлака 7 имеет толщину 2м. В фурму 12 в металлургическом конвертере 4 посредством системы подачи 16 подают по существу чистый кислород и посредством системы подачи 9 - уголь. Предварительно восстановленную железную руду окончательно восстанавливают углем, поданным непосредственно в слой шлака 7, вследствие чего образуется технологический газ, содержащий СО2 и СО, который также содержит Н2О и Н2 из водорода, полученного из угля. Технологический газ вместе с кислородом, поданным в металлургический конвертер 4, подвергают последующему сгоранию в металлургическом конвертере 4 до максимального коэффициента последующего сгорания предпочтительно 40%. Во время этого действия с пользой для слоя шлака выделяется тепло при определенной эффективности теплопередачи (ЭТП). Технологический газ перетекает непосредственно в плавильный циклон, где затем подвергается последующему сгоранию, как упоминалось выше, и выходит из плавильного циклона 1 с определенным коэффициентом последующего сгорания. Расплавленное черновое железо и шлак выпускают в ванну 10. Фиг. 1 также показывает, что для перемешивания расплава 6 инертный газ 11 можно подать через донную часть металлургического конвертера. Плавильный циклон 1 и металлургический конвертер 4 вместе образуют единое целое, т.е. они связаны вместе непосредственно с помощью отверстия, через которое проходят как расплавленная железная руда, так и технологический газ, при этом не используется соединительная система трубопроводов, потому что плавильный циклон 1 размещен непосредственно на вершине металлургического конвертера 4. Фиг.1 показывает в качестве примера подачу кислорода и угля в металлургический конвертер 4 посредством расположенной в центре фурмы 12, которая заканчивается в слое шлака 7 или прямо над ним. Для этого имеется множество вариантов. Для подачи угля не в виде крупнокускового угля, а в довольно тонкоизмельченном состоянии предпочтение отдают одной или нескольким фурмам 17, например, введенных через боковую стенку металлургического конвертера 4, посредством которой тонкоизмельченный уголь, предпочтительно порошковый уголь, вдувают непосредственно в слой шлака. Это ускоряет окончательное восстановление предварительно восстановленной железной руды в слое шлака 7, что способствует сохранению огнеупорной футеровки 13 металлургического конвертера на уровне слоя шлака. Как описывалось выше, часть угля может быть в виде крупных кусков, т.е. размером > 6 мм. Их можно подать гравитационно, через соответствующие отверстия в конвертере. Технологический газ выходит из плавильного циклона 1 при температуре 1200-1800° С. Это физическое тепло превращают в паровом котле 14 в водяной пар, из которого можно генерировать электричество. Электрическая мощность, полученная таким образом, более чем достаточна для производства необходимого кислорода. После первого котла 14 технологический газ все еще содержит химическую энергию, посредством которой может быть также генерировано электричество. Способ можно осуществлять при повышеннoм давлении в плавильном циклоне 1 и металлургическом конвертере 4, например, 3 бара. Фиг. 1 также показывает, что технологический газ после парового котла 14 обеспыливают в скруббере с трубами Вентури 15. Технологический газ, который называют отходящим газом после парового котла, все еще содержит химическую энергию, называемую с этого момента отходящей энергией, количество которой может быть выбрано в соответствии с необходимостью, путем установления расхода угля в способе сверх минимального расхода угля, который необходим для производства передельного чугуна. Фиг. 2 показывает в качестве примера соотношение между, с одной стороны, физическим теплом и химической энергией в технологическом газе, который выходит из плавильного циклона, и, с другой стороны, расходом угля. Пример фиг.2 относится к случаю, когда коэффициент последующего сгорания в металлургическом конвертере составляет 25% и эффективность теплопереноса в металлургическом конвертере равна 80%. Фиг.2 показывает, что при таких условиях в первом случае физическое тепло в технологическом газе является фактически постоянным и не зависит от расхода угля. Однако химическая энергия в отходящем газе по мере увеличения расхода угля возрастает. Физическое тепло в технологическом газе около 5 ГДж на тонну чернового железа, которое является неизбежным, может быть превращено в паровом котле в водяной пар, и затем в электричество, которое может быть использовано для производства необходимого кислорода. Однако количество химической энергии в отходящем газе может быть выбрано путем регулирования коэффициента последующего сгорания. Минимальный расход угля при данных условиях составляет приблизительно 640 кг на тонну чернового железа. Эта фигура показывает, что, в противоположность известным способам, в которых используют восстановительную шахту, способ в соответствии с изобретением не приводит к высокому нежелательному количеству отходящей энергии, но при этом способ в соответствии с изобретением можно по желанию использовать при минимальном расходе угля без чрезмерного количества отходящей энергии. Фиг.З показывает в качестве примера одно рабочее окно способа в соответствии с изобретением. Пример фиг.З относится к случаю, когда железную руду предварительно восстанавливают в плавильном циклоне на 20% и когда предварительно восстановленная железная руда поступает в металлургический конвертер при температуре 1500°С. На фиг. 3 приняты в расчет потери тепла в холодильнике, равные 500 МДж на тонну передельного чугуна, и отсутствие потерь угля и оксида железа. Пример фиг.З показывает соотношение между эффективностью теплопередачи из металлургического конвертера и коэффициентом последующего сгорания в металлургическом конвертере при использовании в качестве параметра 5 29482 расхода угля. При низкой эффективности теплопередачи температура технологического газа в металлургическом конвертере является слишком высокой; с другой стороны, имеются пределы для самого высокого значения эффективности теплопереноса технологического газа в слой шлака и расплав. Когда коэффициент последующего сгорания является слишком высоким, технологический газ в плавильном циклоне становится слишком бедным; и тогда в технологическом газе для достижения 20% предварительного восстановления в плавильном циклоне количество СО является недостаточным. Когда коэффициент последующего сгорания является слишком низким, расход угля становится слишком высоким и образуется слишком много технологического газа. Для минимального расхода угля коэффициент последующего сгорания должен быть высоким. В примере фиг.З минимальный расход угля составляет приблизительно 640 кг на тонну передельного чугуна при эффективности теплопереноса равен приблизительно 80%. Это означает, что коэффициент последующего сгорания в плавильном циклоне является также высоким (по крайней мере, 70%). При оптимизации расход угля может уменьшиться до 500 кг на тонну чернового железа. Как показано на фиг. 2, если необходимо большее количество отходящей энергии, тогда способ в соответствии с изобретением дает возможность генерирования отходящей энергии до приблизительно 10 ГДж на тонну чернового железа при расходе угля 900 кг на тонну чернового железа. Фиг.4 показывает другое рабочее окно способа изобретения, в котором коэффициент последующего сгорания может находиться в диапазоне от 0.25 до 0.55. На фиг.4 приняты в расчет потери тепла в холодильнике, равные 1000 МДж на тонну передельного чугуна, которые обычно могут иметь место, и также потери угля и оксида железа, например, в виде пыли, при этом потери каждого из указанных веществ составляли 60 кг на тонну передельного чугуна. Как на фиг.З, так и на фиг.4, использовали уголь со средним выходом летучих при 32 МДж/кг, и расход угля при этом составлял 500 - 1000 кг на тонну передельного чугуна. Фиг. 1 Фиг. 2 6 29482 Фиг. 3 Фиг. 4 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 7