Устройство для восстановления окислов металлов углеродом и плавления металлов в доменной печи

 

Изобретение относится к металлургии, более точно к шахтным печам для восстановления окислов металлов углеродом. Сущность изобретения: устройство включает колошниковое загрузочное устройство для подачи шихты, фурмы, расположенные в нижней части печи для подачи горячего комбинированного дутья с топливными добавками, летки для выпуска металла и шлака, а также дополнительный ряд фурм для подачи горячего комбинированного дутья с топливными добавками непосредственно в ванну расплавленного металла в горне печи, загрузочное устройство для подачи шихты через фурмы нижнего ряда непосредственно в горн печи, оборудование для измерения пульсаций давления газовых сред у входа в горн и выхода из колошниковой части печи, системой контроля и управления технологическими параметрами на основе микроЭВМ для обработки результатов замеров пульсаций давления вышеупомянутых газовых сред, выработки командных сигналов и их реализации путем соответствующей корректировки параметров дутья и порядка загрузки шихты в печь. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к черной и цветной металлургии, а более точно к шахтным печам для проведения процессов восстановления углеродом окислов металлов, многие из которых в настоящее время получаются только с применением технологической электроэнергии.

Известны рудовосстановительные шахтные электрические печи для получения ферросплавов сплавов железа с различными элементами Периодической системы Д. И. Менделеева, использующие для восстановления металлов из окислов в качестве химического восстановителя углерод кокса, а в качестве источника высокотемпературного тепла электрическую энергию ([1] с. 136, 254).

Недостатками известных агрегатов являются необходимость расходования технологической электрической энергии для проведения процессов (получаемой из углей с низким КПД менее 40%), т.е. высокий суммарный расход топлива; использование электрической дуги с чрезмерно высокими температурами, в несколько раз превышающими необходимую для процесса, приводит к восстановлению металлов, имеющих температуру начала восстановления выше оптимальной для данного процесса, что в свою очередь ведет к загрязнению получаемого продукта ферросплавов заданного состава ненужными примесями металлов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является современная доменная печь, в которой из железных руд выплавляется чугун железо с примесью углерода около 4% и небольшими (менее 1% ) добавками кремния и марганца. Путем выжигания углерода, кремния и марганца из чугуна в мартеновских печах или сталеплавильных конвертерах чугун превращается в сталь.

Доменная печь это непрерывно действующий агрегат шахтного типа, течение процесса в котором основано на противотоке шихтовых материалов и горячих газов. Несмотря на кратковременность пребывания газов в печи, их тепловой КПД, равный 85 87% является одним из лучших для металлургических объектов. Водоохлаждаемый металлический кожух печи представляет собой вертикально стоящую конструкцию с переменным диаметром по высоте печи. Изнутри металлический кожух футерован огнеупорной кладкой. Внутренний профиль печи повторяет ее наружные очертания и подразделяется на составные части (см. чертеж). Верхняя цилиндрическая часть, называемая колошником 1, служит для приема загружаемых в печь шихтовых материалов. Вниз от колошника идет шахта 2 в виде усеченного конуса, расширяющегося книзу. В этой зоне происходят сушка и нагрев шихтовых материалов, частичное восстановление окислов металлов шихты поднимающимися вверх восстановительными газами (моноокисью углерода и водородом), образующимися в нижней части печи.

Вниз от шахты идет наиболее широкая цилиндрическая часть печи распар 3, где начинают довольно интенсивно плавиться рудная часть и флюсы шихты.

Ниже распара располагаются заплечики 4 усеченный конус, сужающийся книзу. В заплечиках практически заканчивается плавление всех шихтовых материалов, кроме кокса, и заканчивается восстановление окислов металлов, выплавляемых печью.

Ниже заплечиков располагается горн печи 5 цилиндрическая емкость, служащая копильником жидких продуктов плавки и оборудованная специальными устройствами (летками) 6, 7 для периодического выпуска их из печи.

В верхнюю часть горна подается горячий воздух (дутье) через специальные фурменные устройства 8, равномерно расположенные по окружности горна выше зоны накопления жидких продуктов плавки. Кислород дутья взаимодействует в горне (в фурменной зоне) с раскаленным углеродом кокса шихты, образуя горячий восстановительный газ моноокись углерода CO. Содержащаяся в нагреваемом дутье влага (H₂O пар) и добавки (природный или другие горючие газы, мазут, угольная пыль и т.п.) вносят в горновой газ углерод и водород, также служащие восстановителем.

Нагрев дутья перед вдувом в печь производится до 1000 1400^oC.

Средняя адиабатическая температура горения газов в горне (так называемая теоретическая температура горения) держится на уровне 1900 2200^oC.

В горне, непосредственно у воздушных фурм, в зонах сгорания углерода кокса до двуокиси углерода CO₂ при избытке кислорода адиабатическая температура газов может достигать 3000^oC и выше. Во многих странах практикуется обогащение дутья кислородом. Это приводит к дальнейшему повышению температуры газов в зонах горения кокса у фурм и во всем объеме нижней части печи. Но несмотря на это температура чугуна в доменной печи никогда не достигает 1600^oC, даже в тех случаях, когда в доменной печи выплавляют такие "горячие" марки металлических сплавов как ферромарганец и ферросилиций, на выплавку которых расходуется в четыре раза больше топлива (кокса), чем на выплавку обычного предельного чугуна. Такой большой перепад между указанными выше температурами выплавляемого металла и греющих газов в зонах горения топлива у фурм говорит о несовершенстве теплообмена в горне современных доменных печей.

Этот недостаток доменной печи приводит к тому, что металлы, имеющие температуру плавления выше 1500^oC, не могут быть выплавлены из окислов в доменной печи. Именно потому и существуют электрические печи ферросплавной промышленности, где высокая температура электрической дуги позволяет получать ферросплавы высококремнистый ферросилиций, феррохром и др. И даже обычная сталь, температура плавления которой около 1540^oC, не может быть выплавлена и по этой причине в современной доменной печи.

Другим недостатком современных доменных печей является отсутствие возможности оперативной подшихтовки в доменной плавке. Время пребывания шихты в печи 6 8 ч. И если при выпуске металла из печи оказывается, что нужно подкорректировать расход, например, кокса или другого компонента в загружаемой в печь шихте, эта корректировка получит реализацию не ранее указанных 6 8 ч, пока откорректированная шихта попадает в горн печи. В течение 6 8 ч в печи будет выплавляться металл нежелательного состава, вызвавшего необходимость внесения корректировки в загружаемой шихте. В современных доменных печах количество такого некондиционного металла составляет несколько сотен тонн, если первая же корректировка оказывается достаточной.

Еще одним серьезным недостатком современной доменной печи является то, что основным видом топлива в ней является дефицитный и дорогой металлургический кокс, снизить расход которого на тонну выплавляемого чугуна более, чем на 150 кг (то есть менее, чем на 30% при общем расходе кокса -около 500 кг на 1 т чугуна) не удается несмотря на применение таких заменителей кокса как природный газ, мазут, угольная пыль, вдуваемых в очаги горения у воздушных фурм в печи. Вместе с тем опыты, производившиеся на экспериментальных установках, показывают, что можно было бы работать и при расходе кокса в шихту около 150 180 кг на 1 т металла, т.е. в 2,5 3 раза меньшем, чем это имеет место в настоящее время на большинстве промышленных доменных печей.

Целью изобретения является разработка конструкции доменной печи, позволяющей ликвидировать отмеченные выше недостатки: чрезмерно большой перепад температур в горне между греющими газами и выплавляемым металлом, невозможность восстановления в печи многих металлов, требующих нагрева до высоких температур, очень большое запаздывание реализации корректировок состава загружаемой шихты, невозможность замены кокса другими видами топлива в значительных количествах, превосходящих 30% от первоначального.

Поставленная цель достигается тем, что фурменные устройства 9, предназначенные для ввода в печь по крайней мере части дутья, располагаются ниже границы разделения в печи металлической ванны 10 со шлаковой 11, т.е. дутье вводится в печь не выше слоя жидкого шлака в печи, а ниже его, и корректирующие компоненты шихты и дополнительное топливо в виде угля и других горючих веществ специальным загрузочным устройством 12 подаются через эти же фурменные устройства 9 непосредственно в металлическую ванну. Потоки жидкого металла образующихся у фурм зон циркуляции увлекают за собой компоненты загружаемой шихты, перемешивают их с горячим металлом, обеспечивая хорошие условия для теплообмена между жидким металлом и вводимыми в печь компонентами шихты и дополнительного топлива. Поскольку плотность всех элементов, вводимых в фурмы, значительно ниже плотности выплавляемого металла, то все они в конечном счете будут вытеснены металлом в шлаковую ванну, за исключением той части, которая способна раствориться в металле.

Такое изменение конструкции доменной печи дает возможность получить значительное повышение температуры выплавляемого металла при прежних теоретических температурах в зонах горения топлива у фурм.

В настоящее время измеряемые специальными устройствами температуры по радиусу горна доменной печи объемом 2000 м³ с диаметром горна 9750 мм изменяются от 200^oC в фокусе горения на расстоянии 800 мм от устья фурмы до 1400^oC на расстоянии 1500 мм от устья фурмы и до 1300^oC к центру горна [3] С учетом того, что после выпуска чугуна из печи в процессе транспортировки его для дальнейшего передела (в сталеплавильные цехи или на разливочные машины) температура чугуна еще снижается на 75 140^oC [4] принято, что температура в центре горна должна быть не ниже 1350 1400^oC для предельного и несколько более выше для кремнистых чугунов [5] Из приведенных данных видно, что никаким температурным запасом в центре горна современная доменная печь не обладает. Резкое падение температуры с 2000 до 1400^oC на участке в 700 мм от фокуса горения к центру печи говорит о том, что около 50% площади горна имеет критически низкую температуру, не позволяющую выплавлять в доменной печи металлы, для которых температура восстановления их из окислов или температура их плавления превышают 1500^oC.

Выше отмечалось, что температура газов, образующихся в тех частях зон горения, где углерод топлива сгорает не в CO (как это считается при расчете теоретической температуры горения, что верно в среднем для всего горна), а в CO₂, достигает значений выше 3000^oC. Это вызывает развитие реакций, не являющихся необходимыми для технологии процесса получения металла в печи. К ним можно отнести такие процессы как испарение некоторых материалов (в основном это испарение моноокиси кремния SiO с температурой испарения 1870^oK ([1] с.78)). Сюда же следует отнести реакции окисления железа, кремния, марганца, ранее восстановленных в вышележащих слоях и опускающихся сверху в окислительные зоны у фурм. Эти вновь образовавшиеся окислы, выходящие через нижнюю границу окислительных зон в шлаковую ванну, растекаются по всей площади горна и подвергаются восстановлению углеродом кокса с поглощением большого количества тепла. Именно это и приводит к резкому снижению температур сразу же за границами окислительных зон. С одной стороны, эти процессы необходимы современной доменной печи. Если бы их не было, то коксовая насадка в центральной части горна и в межфурменных пространствах периферийной части оставалась бы инертным малоподвижным слоем, оказывающим сопротивление опусканию шихты в печи, т.е. нарушающим нормальную работу печи. Протекание же этих реакций приводят к сжиганию кокса и в этих восстановительных зонах, способствуя продвижению шихты в печи сверху вниз. С другой стороны это накладывает большие ограничения на возможности доменного процесса, часть из которых изложена выше, а остальные будут приведены ниже.

Если дутье подавать в печь не над поверхностью жидкой шлаковой ванны, через которую подогреть находящийся под слоем шлака жидкий металл практически невозможно из-за низкой теплопроводности и высокой вязкости шлака, а непосредственно в металлическую ванну, то в целом для общего теплового и материального балансов плавки практически ничего не меняется. Изменяются лишь местные промежуточные материальные и тепловые потоки в нижней части печи, благодаря которым происходит выравнивание температур по радиальным направлениям на всех уровнях печи и появляется значительный температурный резерв в горне печи, позволяющий существенно расширить возможности современного доменного процесса.

В современной печи сжигание углерода кокса в районе фурм происходит по следующей схеме: в фокусе горения C + O₂ CO₂ + Q₁, (1) затем на выходе из окислительной зоны происходит реакция CO₂ + C 2CO Q₂, (2) где Q₁ и Q₂ тепловые эффекты реакций.

В конечном итоге получается суммарный результат
2C + O₂ 2CO + Q₃, (3)
где Q₃ Q₁ Q₂
При подаче дутья в металл этот же процесс горения идет по схеме, имеющей место в сталеплавильных конвертерах:
Fe + O₂ 2FeO + Q₄, (4)
и далее -
2FeO + 2C 2Fe + 2CO Q₅ (5)
где C углерод, растворенный в чугуне, и углерод коксовой насадки, погруженной в металлическую ванну.

В итоге суммирования реакции (4) и (5) получается реакция горения углерода
2C + O₂ 2CO + Q₆,(6)
где Q₆ равно Q₃, так как реакция (6) представляет собой ту же реакцию (3), имеющую место в современной доменной печи. Но при этом
1) Основной источник выделения тепла в печи переносится из места, расположенного над жидким шлаком, достаточный прогрев которого необходим для обеспечения его подвижности и полноты восстановления металлов из окислов шлака, в место, расположенное ниже слоя шлака. Следовательно, все греющие газы будут проходить через слой шлака, отдавая ему значительно больше тепла, чем в современной доменной печи.

2) Ввиду того, что температура кипения металла значительно выше температуры горения углерода в жидкой ванне, никаких процессов испарения компонентов шихты в зоне сжигания углерода кислородом дутья в данном случае не может происходить. Источник ненужных затрат высокотемпературного тепла из зоны горения убирается, средняя температура жидких продуктов плавки по сечению горна на горизонте сжигания топлива дутьем повышается.

3) Зона горения топлива с горизонтов, где мощная стена коксовой насадки печи ограничивает возможности распространения тепла в центральные районы горна, переносится на более низкие горизонты, где такой насадки нет. Высокая теплопроводность и текучесть металла в сочетании с наличием зон циркуляции металла, образующихся у фурм, обеспечивают интенсивный перенос тепла к осевой зоне горна, выравнивая температуру металла, а следовательно, и лежащего на нем шлака по всему сечению горна, что означает значительное повышение температур в центре горна. При поддержании теоретической температуры в зоне горения на прежнем уровне, например на уровне 2200^oC, температура металла по всему сечению горна может быть повышена до 2150^oC. При наличии движения металла в зонах циркуляции, массового выделения пузырьков в CO от сжигания углерода по реакции (6) и перемешивании ими металла и шлака условия теплопередачи настолько улучшаются, что температурный перепад между греющими и нагреваемыми средами не может составлять более 50^oC с учетом того, что процесс этот длится в доменной печи часами для каждой порции металла, выпускаемой периодически из печи. Указанная цифра теоретической температуры далеко не предельна для современной доменной печи. Если установить давно достигнутые промышленностью такие параметры дутья, как нагрев до 1400^oC и обогащение дутья кислородом до содержания его в дутье 40% то теоретическая температура горения углерода кокса в кислороде дутья печи может быть повышена более, чем до 3000^oC. Достаточно иметь температуру жидких продуктов плавки на уровне 2100^oC. Таким образом, появляется возможность без затраты технологической электрической энергии получать в доменной печи все виды ферросплавов и ряд цветных металлов, получаемых в настоящее время в электропечах.

4) Появление температурного резерва в печи позволяет организовать загрузку непосредственно в горн печи части шихтовых материалов, достаточных для обычных корректировок состава шлаков и для замены до 75% кокса шихты на некоксующийся как пылевидный, так и кусковой недефицитный уголь. Таким образом ликвидируется большая инерционность современной доменной печи и экономится дефицитное топливо.

5) Подача дутья в металл приводит к выжиганию углерода из металла. При этом в доменной печи получается не чугун, а сталь (железо с содержанием углерода менее 1%). Для получения чугуна в печи дутье нужно подавать через фурмы 8, расположенные выше уровня жидких продуктов плавки. Регулируя соотношение расхода дутья на верхний (над жидкими продуктами) и нижний ряды фурм, можно регулировать содержание углерода в получаемом металле от нынешних 4,5% до нуля.

6) Выравнивание температур по радиусу горна печи позволяет организовать выплавку заданного металла из руд таким образом, что он не будет содержать загрязняющих примесей других металлов, содержащихся в шихтовых материалах и имеющих температуру начала восстановления на 100 и более градусов выше той, которую имеет заданный металл. Например, сейчас выплавляемый в доменных печах передельный чугун содержит в обязательном порядке какое-то количество кремния (около 0,4-1% ). Этот кремний не нужен в передельном чугуне, его придется выжигать из металла в сталеплавильных агрегатах. Наличие кремния в чугуне объясняется тем, что в горне доменной печи, как отмечалось выше, на уровне поверхности жидкой ванны имеются участки, где температура жидких продуктов плавки имеет значение, достаточное для восстановления кремния из кремнезема пустой породы железных руд и золы кокса, участки вблизи фурменных очагов горения кокса. Здесь же имеются и такие участки (в центральной части горна), где восстановление кремния не происходит. При существующей неравномерности распределения температур по сечению горна снизить температуры в районе фурменных очагов горения до значений, предотвращающих восстановление кремния из кремнезема, нельзя, так как при этом снизятся и температуры в центральной части горн до значений, вызывающих загустевание шлаков и нарушение ровного хода процесса плавки в печи. При равномерном же распределении температур по радиусу горна это можно сделать, то есть держать температуру продуктов плавки, при которой восстановление железа из окислов будет происходить, а восстановление кремния происходить не будет. Такие возможности тоже позволяют снижать расход топлива на выплавку заданного металла, свободного от ненужных примесей.

Принимая во внимание изложенные недостатки конструкции современных доменных печей, требующих высокого расхода дефицитного кокса на выплавку чугуна и не дающих возможности выплавлять в доменной печи другие металлы, кроме освоенных к настоящему времени чугуна, ферромарганца, низкокремнистого ферросилиция, предлагается на современной доменной печи при сохранении всех элементов ее конструкции и вспомогательных устройств, таких как системы загрузки шихты в печь, нагрева и подачи дутья в печь, отвода из печи колошниковых газов и др. установить второй ряд фурм 9, подающих нагретое дутье непосредственно в жидкую металлическую ванну 10.

Количество фурм нижнего ряда и их диаметры подбираются таким образом, чтобы общая площадь сечения фурм была равна общему сечению фурм верхнего ряда. Количество же фурм нижнего ряда может быть в 3-5 раз меньше количества фурм верхнего ряда.

Такая печь имеет возможность работать с подачей всего дутья как на верхние фурмы 8, когда в печи нужно выплавлять современный чугун, так и на нижние фурмы, когда нужно получить из той же шихты не чугун, а сталь или другие металлы, требующие наличия высоких температур в горне. При этом в качестве дутья может применяться любая газовая смесь, содержащая 5-100% кислорода и имеющая температуру 273-2273K.

В зависимости от желания получить в металле любое промежуточное содержание углерода, лежащее между значениями содержания его в стали и чугуне, доля дутья, подаваемого в нижний ряд фурм, может колебаться от 15 до 100% от общего его расхода на печь, установленного исходя из соображений максимального использования температурного и химического потенциала горновых газов на вышележащих горизонтах шихты в печи, как это имеет место на современных доменных печах.

Нижние фурмы 9 нужно снабдить устройствами 12 для подачи через них в печь любого элемента шихты, загружаемой в печь через колошник, без дополнительной подготовки. В принципе эти устройства могут представлять собой пневмокамерные насосы, наполняемые холодным дутьем, подающие периодически шихту в поток горячего дутья непосредственно у входа его в печь. Такое устройство использует тот же принцип загрузки шихты в печь, что и современное двухконусное загрузочное устройство, имеющее место на большинстве доменных печей всех стран. Шихта из емкости 12 подается в печь с использованием ее силы тяжести и давления холодного дутья, всегда превышающего давление горячего дутья, в которое вводится шихта. При необходимости вместо холодного дутья может быть использован компремированный воздух или другие газы.

Наличие засыпного устройства (горнового засыпного устройства в отличие от современного колошникового устройства) дает возможность вводить в печь любые марки углей без помола (для замены дефицитного кокса) и легирующие добавки.

Необходимо увеличить высоту горна примерно на 1 м по сравнению с современными печами для организации зон циркуляции в металлической ванне печи, куда подается дутье из нижних фурм.

Желательно предусмотреть возможность наличия в печи двух слоев металла для того, чтобы в предлагаемой доменной печи можно было выплавлять не только черные, но и цветные металлы, некоторые из которых имеют относительно низкую температуру кипения, не позволяющую организовать в них эффективное сжигание углерода топлива. В нижнем слое будет находиться металл, не являющийся продуктом плавки, но с высокой температурой кипения, в котором может производиться эффективное сжигание углерода топлива. В верхнем слое будет располагаться основной металл продукт плавки. Для этого печь должна иметь две металлические летки (выпускные отверстия), расположенные на разных уровнях: летка 7 для выпуска выплавляемого металла, другая (14) для выпуска из печи (при необходимости) металла из зоны сжигания топлива.

Ввиду чрезвычайной важности для доменной печи широкого развития в ней процессов частичного окисления ранее восстановленных металлов, распространения образующихся окислов по всей площади горна по поверхности металлической ванны и вторичного восстановления их углеродом, в горне всегда должен оставаться жидкий металл после очередного выпуска плавки. Этот металл служит как средой, по поверхности которой распространяются окислы металлов, так и резервуаром тепла, необходимого для прохождения реакций восстановления металлов из окислов, поглощающих значительное количество тепла. Таким образом, эта часть металлической ванны доменной печи, не подлежащая выпуску из печи при очередных выпусках продуктов плавки, играет роль катализатора, ускоряющего течение химических реакций и процессов теплопередачи в горне печи, и может быть названа каталитической ванной. Объем каталитической ванны должен быть не менее половины объема разовой порции металла, выпускаемой периодически из печи (не менее 8% от суточной выплавки металла печью).

Все добавки, вводимые в дутье в настоящее время, такие как кислород, природный и другие горючие газы, пар, мазут и др. могут вводиться в предлагаемую печь в прежнем виде, исходя из прежних технологических предпосылок. Повышение температур продуктов плавки в предлагаемой печи позволяет значительно увеличить количество этих добавок в расчете на единицу выплавляемого металла по сравнению с существующим уровнем.

На чертеже изображено вертикальное сечение доменной печи, оборудованной двумя рядами фурм для подачи в печь дутья и вводимых в дутье топливных и других компонентов шихты, и горновым засыпным устройством.

Шахтная печь имеет зону загрузки сверху шихтовых материалов колошник 1, зону сушки, нагрева и начала восстановления окислов металлов шахту 2, зону плавления и нагрева шлаков распар 3, зону окончательного плавления всех шихтовых материалов, кроме кокса, заплечики 4, зону сжигания топлива и накопления жидких продуктов плавки горн 5. Жидкие продукты плавки выпускаются периодически по мере их накопления. Шлак выпускается через шлаковую летку 6, а металл -через металлическую летку 7. В горн непрерывно подается газообразное дутье через воздушные фурмы верхнего пояса 8 и воздушные фурмы нижнего пояса 9. Дутье, подаваемое через фурмы 8, расположенные выше слоя жидких продуктов плавки, вступает во взаимодействие с углеродом коксовой насадки, заполняющей заплечики и верхнюю часть горна 5, точно так же, как и в обычной доменной печи. Кислород дутья, подаваемого в слой металла в горне, - металлическую ванну 10, взаимодействует с углеродом, растворенном в металле, углеродом кусков кокса, погруженного в металл под весом столба шихтовых материалов, и с восстановленным металлом металлической ванны. Взаимодействие кислорода дутья с углеродом кокса приводит к образованию моноокиси углерода CO по реакции (3). Взаимодействие кислорода дутья с восстановленным железом приводит к образованию закиси железа FeO по реакции (4). Закись железа, увлекаемая потоками металла вверх от циркуляционных зон под воздействием выделяющихся и всплывающих пузырьков моноокиси углерода, стремится распространиться по всему объему металла, но встречая на своем пути углерод, растворенный в металле, взаимодействует с ним по реакции (5), превращаясь снова в восстановительное железо и моноокись углерода в полном соответствии с процессами, происходящими в сталеплавильных конвертерах. Непрореагировавшая с углеродом в металлической ванне закись железа всплывает на поверхность металлической ванны вследствие большой разности удельных весов железа и окиси железа и там взаимодействует с углеродом кокса и с углеродом угля, подаваемого в металлическую ванну и всплывающего на ее поверхность. Образующаяся в фурменных зонах печи моноокись углерода и азот дутья поднимаются навстречу опускающейся шихте, отдавая ей тепло. Моноокись углерода, попадая в верхние ряды шихты, где температура газа снижается до уровня ниже 1000^oC, взаимодействует с окислами железа, проводя работу восстановления железа из них.

В нижней части шахты, распаре и заплечиках пустая порода железорудной части шихты и флюсующие добавки расплавляются и стекают по коксовой насадке в шлаковую ванну 11, располагающуюся на поверхности металлической ванны 10. Восстановленный из окислов металл тоже плавится вместе со шлаковыми компонентами и, стекая по коксовой насадке, сливается сквозь шлаковую ванну в металлическую ванну. По мере наполнения горна металлом и шлаком последние периодически сливаются из печи через шлаковую 6 и чугунную 7 летки в соответствующие ковши.

Загрузка в горн углей для замены дефицитного и дорогого кокса и других компонентов шихты производится при помощи горновых засыпных устройств 12, подающих шихту через фурмы 9 непосредственно в металлическую ванну 10.

Нижняя часть жидкой металлической ванны каталитическая ванна 13 поддерживается заполненной в течение всего периода работы печи между ремонтами. В необходимых случаях металл из этой ванны может быть выпущен через нижнюю металлическую летку 14.

Нагретый воздух (дутье) подается во все воздушные фурмы из кольцевого воздухопровода 15 с помощью подводящих рукавов 16 для верхнего ряда фурм, и 17 для нижнего. Различные добавки к дутью, такие как кислород, водяной пар, горючие газы и/или мазут, пылевидное твердое топливо и др. проводятся к каждой фурме обоих рядов отдельными трубопроводами с регулирующими механизмами, дающими возможность изменить расход добавок на каждую форму в отдельности. Изменение соотношения расходов воздуха на верхний и нижний ряды фурм производится изменением диаметров фурм и их количества. При технологической необходимости любая из фурм может быть отключена от воздушного потока и от печи.

Шихта, загружаемая тележками скипами 18 в печь, состоит из руды, содержащей выплавляемый печью металл в окисленном состоянии (руда может быть предварительно спечена в агломерат), флюсующих добавок (в основном в виде известняка CaCO₃) и твердого кускового углеродистого топлива в виде кокса, антрацита, некоторых видов углей, обладающих достаточной прочностью на истирание.

Из скипов 18 шихта высыпается в приемную воронку 19 колошникового засыпного устройства. После этого происходит опускание малого конуса 20 -днища приемной воронки, и шихта высыпается на большой конус 21 днище межконусной емкости 22. После загрузки на большой конус нескольких скипов шихтовых материалов, предусмотренных технологией процесса плавки, большой конус 21 опускается, и шихта высыпается в печь, а большой конус закрывается, герметизируя печное пространство и межконусное пространство 22.

Газ, образующийся в фурменных зонах, где сжигается топливо в дутье, а также газы, образующиеся в печи в процессе восстановления металлов из окислов по реакциям
MeO + C _→ Me + CO (7)
(где MeO окисел металла; Me металл; C углерод топлива; CO - образующаяся в процессе моноокись углерода) и
MeO + CO _→ Me + CO₂ (8)
отдав тепло шихте, покидают печь через газоотводы 23, поступают в систему газоочистки, а затем идут на сжигание в топках доменных воздухонагревателей и других потребителей.

Качество взаимодействия газового потока с шихтой в верхней половине печи контролируется и регулируется посредством измерения пульсаций давления газа на выходе из печи, обработки результатов измерений и выработки командных сигналов системой контроля и управления технологическими параметрами на основе микроЭВМ.

В целом технология ведения процесса выплавки металла в предлагаемой печи повторяет технологию процесса выплавки чугуна в доменной печи за исключением некоторых деталей (относящихся к наличию нижнего ряда воздушных фурм), позволяющих иметь дополнительную информацию о течении процессов в нижней части печи и принимать определенные меры по корректировке процесса плавки благодаря наличию горнового засыпного устройства.

Наряду с вышеупомянутым внесенные изменения в конструкцию современной доменной печи дают возможность значительно расширить ассортимент металлов, выплавляемых из руд в печи, и снизить расход топлива на их выплавку по сравнению с имеющим место в современных агрегатах, выплавляющих эти металлы.

Пример 1. Выплавка чугуна в современной доменной печи и выплавка стали из той же рудной шихты в высокотемпературной малоинерционной доменной печи при одинаковых параметрах комбинированного горячего дутья.

В обоих случаях ( см. таблицу варианты 1 и 2) в печь загружаются
офлюсованный агломерат в количестве 1,7 т на 1 т выплавляемого металла, содержащий, Fe₂O₃ 66,0; FeO 11,3; SiO₂8,7; CaO 10,0; MgO 1,0; Al₂O₃1,7; MnO 1,0;P₂O₅ 0,2; SO₃0,1;
кокс, содержащий, C 86,1; A (зола)10,0; летучие вещества 1,0; S 2,0; H₂ 0,6; N₂0,3.

в качестве дутья используется атмосферный воздух с добавкой 3% природного газа и 5% кислорода.

Базовый вариант (вариант 1 в таблице) соответствует подаче всего дутья в формы, расположенные выше уровня жидких продуктов плавки в печи (условия работы обычной доменной печи). Второй вариант предусматривает подачу 75% комбинированного дутья на второй ряд фурм, направляющих его в ванну жидкого металла (вариант 2 в таблице), остальные 25% дутья подаются в верхний ряд фурм. При этом с помощью загрузочного устройства для подачи шихты через фурмы нижнего ряда непосредственно в горн печи загружается кусковой уголь, содержащий 86,1% углерода, 10% золы, 2% серы и 1,9% влаги. Качество взаимодействия дутья с жидким металлом в горне контролируется и регулируется при помощи измерения пульсаций давления дутья в фурменных рукавах нижнего ряда, обработки замеров в микроЭВМ, разлагающей полученные результаты замеров в амплитудно-частотный спектр, выделяющей контрольный участок частот получаемого спектра и вырабатывающей команды на изменение параметров дутья для удержания значений контролируемых частот в заданном диапазоне 10 20 Гц.

При снижении частот пульсаций ниже этого уровня принимаются меры по увеличению скорости дутья на фурмах нижнего ряда (например, увеличение расхода дутья), а при повышении частот выше заданного диапазона скорость дутья на нижних фурмах соответственно снижается.

При появлении пульсаций давления газов на выходе из печи принимаются меры по изменению порядка загрузки шихтовых материалов в печь (например, увеличивается число подач, загружаемых "коксом вперед" или увеличивается порция материалов, загружаемых в печь одновременно.)
Основные показатели сравниваемых плавок приведены в таблице.

Так как фурмы нижнего ряда могут иметь диаметр в свету до 0,5 м, то крупность кусков угля и других шихтовых материалов, загружаемых непосредственно в горн печи, остается такой же, как и крупность кусков компонентов шихты, загружаемых обычно в печь через колошниковое засыпное устройство (до 200 мм).

Из данных таблицы видно, что подача 75% от общего расхода дутья и 75% твердого топлива непосредственно в ванну жидкого металла приводит к снижению общего расхода топлива на выплавку 1 т металла на 7,9% снижению расхода кокса на 77,5% росту производительности печи на 55% При этом в печи получается не чугун, а сталь.

Пример 2. Выплавка 65%-го ферросилиция (ФС-65) в ферросплавной электропечи и в высокотемпературной малоинерционной доменной печи.

На выплавку 1 т ферросилиция ФС-65 в электропечи расходуется (см. [1] стр. 151),кг/т:
Кварцит 1532
Стружка стальная 332
Кокс сухой 721
Электродная масса 54,3
Электродная арматура 2,8
Для получения 7347 кВт·ч электроэнергии нужно сжечь на тепловой электростанции углерода топлива 1992 кг при тепловом КПД электростанции 40%
При выплавке ФС-65 в высокотемпературной доменной печи необходимо затратить те же материалы, а для возмещения тепла, вносимого электрической дугой, необходимо сжечь в горне печи 1540 кг углерода в дутье (атмосферном воздухе), нагретом до 1573К.

Если учесть, что при сжигании колошникового газа в топках энергоблоков в обоих вариантах происходит экономия суммарного расхода углерода твердого топлива на выплавку металла, то в итоге получается расход углерода топлива на выплавку 1т ФС-65:
в электропечи 2175 кг C,
в высокотемпературной доменной печи 801 кг C, т.е. в 2,7 раза меньше, чем в электропечи.

При этом себестоимость выплавки ферросилиция снижается практически вдвое и в 2,7 раза уменьшаются выбросы в атмосферу дымовых газов, образующихся при сжигании углерода твердых топлив.

Формула изобретения

Устройство для восстановления окислов металлов углеродом и плавления металлов в доменной печи, включающее колошниковое загрузочное устройство для подачи шихты, фурмы, расположенные в нижней части печи, для подачи горячего комбинированного дутья и топливными добавками, летки для выпуска металла и шлака, отличающееся тем, что для восстановления окислов металлов с температурой плавления выше 1773К устройство снабжено дополнительным рядом фурм для подачи горячего комбинированного дутья с топливными добавками непосредственно в ванну расплавленного металла в горне печи, загрузочным устройством для подачи шихты через фурмы нижнего ряда непосредственно в горн печи, оборудованием для измерения пульсаций давления газовых сред у входа в горн и выхода из колошниковой части печи, системами контроля и управления технологическими параметрами на основе микроЭВМ для обработки результатов замеров пульсаций давления вышеупомянутых газовых сред, выработки командных сигналов и их реализации, путем соответствующей корректировки параметров дутья и порядка загрузки шихты в печь.

РИСУНКИ

Рисунок 1