Огнеупорная стенка, металлургическая емкость, содержащая такую огнеупорную стенку, и способ непрерывного получения чугуна с использованием такой огнеупорной стенки

 

Изобретение относится к огнеупорной стенке для металлургической емкости. Стенка содержит стальной кожух, водоохлаждаемые планки, проходящие по направлению к внутренней стороне, футеровку из огнеупорного материала, расположенную на планках, и водоохлаждаемую стенку, расположенную между стальным кожухом и водоохлаждаемыми планками. Планки и водоохлаждаемая стенка выполнены медными. Планки выполнены подвижными в вертикальном направлении в сборной структуре стенки. Верхняя и нижняя части планок расположены с наклоном соответственно кверху и книзу в направлении внутренней стороны. Планки распределены по высоте стенки. Водоохлаждаемая медная стенка состоит из панелей. Футеровка может состоять из блоков графита, полуграфита или огнеупорного кирпича. Стенка наклонена относительно вертикали с расширением металлургической емкости снизу вверх. Использование такой стенки в металлургической емкости позволит повысить срок службы емкости. 3 с. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к огнеупорной стенке, в частности металлургической емкости, для непрерывного получения чугуна в процессе восстановительного плавления в условиях предельно высокой термической нагрузки, в присутствии высоко абразивной среды расплавленного шлака с высоким содержанием FeО. Настоящее изобретение относится также к металлургической емкости и к способу непрерывного получения чугуна, в частности для окончательного восстановления в процессе восстановительного плавления в циклонной конвертерной печи (CCF).

Согласно предшествующему уровню техники, чугун производят в доменной печи. В этом процессе железную руду восстанавливают с помощью кокса. Известны различные способы прямого восстановления железной руды, которые находятся в стадии разработки, однако не имеющие еще промышленного применения. Многообещающими являются так называемые способы восстановления в плавильной ванне. Узким местом этих способов является срок службы огнеупорной стенки металлургической емкости, в которой происходит восстановление с получением чугуна. Это обусловлено в основном высокой термической нагрузкой и сильной абразивностью среды, связанной с присутствием FeO, при температуре на уровне приблизительно 1700^oC. В доменной печи, в которой аналогичные условия имеют место в несколько менее агрессивной форме, а термическая нагрузка может достигать 300 000 Вт/м², огнеупорная стенка в ее наиболее опасном месте, расположенном между наружной и внутренней стороной, содержит усиленную облицовку и футеровку огнеупорным кирпичом, например, кирпичом, содержащим SiC, который охлаждают с помощью охлаждающих элементов. Согласно предшествующему уровню техники охлаждающие элементы представляют собой либо так называемые охлаждающие панели, расположенные с возможностью извлечения в футеровке, как описано в заявке на патент Нидерландов NL 7312549 A, либо так называемые планки, которые образуют водоохлаждаемую стенку между облицовкой и футеровкой. При наличии такой структуры стенки может быть достигнут срок службы порядка 10 лет. В заявке на Европейский патент ЕР 0690136 A1 предложено устройство, в котором в газовой атмосфере плавят соединения железа в форме частиц. Корпус или несущая структура этого устройства является водоохлаждаемой. В процессах восстановительного плавления термическая нагрузка является гораздо более высокой и местами может даже достигать 2 000 000 Вт/м². Поэтому при использовании стенки с известной структурой нельзя получить приемлемого срока службы.

Целью изобретения является создание стенки для процесса прямого восстановления, которая имеет приемлемый срок службы.

Согласно изобретению, это достигается с помощью стенки, структура которой, начиная от наружной до внутренней стороны, содержит: (1) стальной кожух; (2) водоохлаждаемую медную стенку; (3) водоохлаждаемые медные планки, проходящие по направлению к внутренней стороне; (4) футеровку из огнеупорного материала, расположенную на планках.

При использовании такой базовой структуры благодаря максимальному тепловому контакту между футеровкой и водоохлаждаемой стенкой и планками можно получить огнеупорную стенку, при использовании которой может быть достигнуто низкое тепловое сопротивление. В результате этого даже при высокой термической нагрузке достигается хорошая стабильность остаточной толщины футеровки, что приводит к увеличению срока службы. Наиболее опасной областью у металлургической емкости, в которой происходит восстановление железной руды, является та, где на поверхности расплава чугуна плавает слой расплавленного шлака, содержащего большое количество FeO. Там происходит износ футеровки до равновесной остаточной толщины, на которой затвердевает шлаковый слой, который функционирует как подвергающийся износу и изолирующий слой. Затвердевший слой сохраняет подвергающуюся износу футеровку, и вся структура становится способной оказывать сопротивление дальнейшему воздействию. Охлаждение с помощью планок повышает срок службы огнеупорной стенки.

Планки являются предпочтительно подвижными в вертикальном направлении. Преимущество этого состоит в том, что, подвергаясь охлаждению, огнеупорная стенка может оседать в вертикальном направлении под действием собственного веса, так что происходит уплотнение горизонтальных стыков, насколько это возможно.

Планки в верхней части расположены предпочтительно с наклоном кверху в направлении внутренней стороны, планки в нижней части расположены с наклоном книзу в направлении внутренней стороны, и планки распределены по высоте стенки. Преимущество этого заключается в том, что футеровка закреплена относительно водоохлаждаемой медной стенки.

Водоохлаждаемая медная стенка собрана предпочтительно из панелей. Это облегчает производство и сборку водоохлаждаемой медной стенки.

Планки установлены предпочтительно в шахматном порядке по высоте и по ширине и/или по периферии. Этим достигается то преимущество, что каналы для подачи охлаждающей воды и выпускные трубы распределены равномерно по всему стальному кожуху, и исключается их скопление.

Футеровку предпочтительно оставляют без связующего раствора на планках, и футеровка удерживается на водоохлаждаемой стенке без применения связующего раствора. Это устраняет высокое тепловое сопротивление, являющееся следствием заполненных связующим раствором стыков, и делает возможным работу при высокой термической нагрузке.

Футеровка предпочтительно состоит из блоков графита с коэффициентом теплопроводности в диапазоне 60-150 Вт/м·К и/или из блоков полуграфита с коэффициентом теплопроводности в диапазоне 30-60 Вт/м·К. Как результат высокого коэффициента теплопроводности достигается низкое тепловое сопротивление, позволяющее работать при высокой термической нагрузке.

В альтернативном варианте футеровка состоит предпочтительно из огнеупорного кирпича, более предпочтительно из кирпича того типа, который используют в конвертерах или в электрических печах для производства стали, а наиболее предпочтительно кирпич представляет собой магнезитный кирпич. Кирпич этого типа, известный в производстве стали, имеет высокое сопротивление абразивному износу.

Начиная от наружной до внутренней стороны футеровка предпочтительно состоит из слоя графита, который удерживается на медной стенке, и слоя огнеупорного кирпича. При использовании этого варианта сразу самоустанавливается равновесная толщина, футеровка состоит из слоя износостойкого огнеупорного кирпича и слоя графита с низким тепловым сопротивлением.

Стенка от донной до верхней части имеет предпочтительно наклон назад. Это улучшает стабильность футеровки. Кроме того, такая расширенная форма обеспечивает то преимущество, что уровень шлака в металлургической емкости изменяется в меньшей степени.

Медная стенка и/или медные планки предпочтительно выполнены из красной меди с содержанием ≥99% Cu и коэффициентом теплопроводности в диапазоне 250-300 Вт/м·К. Это обеспечивает достаточно низкое тепловое сопротивление этих элементов.

Стальной кожух предпочтительно образует часть емкости высокого давления, а каналы для пропуска охлаждающей воды через стальной кожух и выпускные трубы водоохлаждаемой медной стенки и водоохлаждаемые медные планки герметизируют при последующей сборке стенки. Это обеспечивает то преимущество, что способ можно выполнять при избыточном давлении.

Стенка выдерживает термическую нагрузку предпочтительно порядка 300 000 Вт/м² и воздействие шлака с содержанием приблизительно 10% вес. FeO, при уровне температуры приблизительно 1700^oC и имеет срок службы, по меньшей мере, 6 месяцев при непрерывном использовании. Это позволяет эксплуатировать стенку в условиях высокой термической нагрузки и высокоабразивной окружающей среды в течение приемлемого срока службы.

Кроме того, изобретение относится к металлургической емкости, в частности, для окончательного восстановления в процессе восстановительного плавления в циклонной конвертерной печи (CCF), которая содержит огнеупорную стенку согласно изобретению.

И наконец, изобретение относится к способу непрерывного получения чугуна, в частности для окончательного восстановления в процессе восстановительного плавления в циклонной конвертерной печи (CCF) в металлургической емкости, в которой применяют огнеупорную стенку согласно изобретению.

Ниже изобретение описывается более подробно со ссылкой на чертежи, не ограничивающие изобретение.

На фиг. 1 показано вертикальное поперечное сечение огнеупорной стенки в сборе; фиг. 2 - вид огнеупорной стенки по стрелке I на фиг.1; фиг. 3 - сборочный комплект водоохлаждаемой медной панели и водоохлаждаемой медной планки в разобранном состоянии; фиг. 4 - сборочный комплект водоохлаждаемой медной панели и водоохлаждаемой медной планки в собранном состоянии; фиг. 5 - деталь уплотнения канала для подачи охлаждающей воды или выпускной трубы в стальном кожухе.

На чертежах показан вариант выполнения изобретения, разработанный для металлургической емкости, в которой осуществляют восстановление с получением чугуна восстановительным плавлением в циклонной конвертерной печи (CCF). Однако изобретение не ограничивается этим применением и может использоваться также в других процессах восстановления железной руды при высокой термической нагрузке и/или высокоабразивной из-за присутствия FeO окружающей среде.

На фиг. 1 показана огнеупорная стенка (1) согласно изобретению, образующая часть металлургической емкости. Позицией (2) показан уровень слоя шлака, плавающего на ванне (3) чугуна в металлургической емкости, при этом позициями (4) и (5) показаны минимальный и максимальный уровни слоя шлака соответственно.

Огнеупорная стенка включает стальной кожух (6), водоохлаждаемую медную стенку (7), водоохлаждаемые планки (8) и футеровку (9), которая в случае, показанном на фиг. 1, состоит из графитовых блоков (10) и огнеупорного кирпича (11).

Здесь показано, что в случае, представленном на фиг. 1, огнеупорная стенка наклонена назад снизу доверху относительно вертикали V. Водоохлаждаемая медная стенка (7) в направлении ее высоты содержит две панели (12) и (13). У каждой панели предусмотрены четыре планки (8). Между каждыми двумя планками размещается шесть графитовых блоков. Спереди этих графитовых блоков в каждом случае располагается равное число огнеупорных кирпичей. Стальной кожух (6) продолжается выше и ниже огнеупорной стенки, и на внутренней стороне металлургической емкости у него также предусмотрена огнеупорная стенка (14) и (15), выполнение которой в данном случае не рассматривается. Вес огнеупорной стенки (1) воспринимается, по меньшей мере, частично огнеупорной стенкой (15), лежащей под нею. Внутри предусмотрены панели (12) и (13) с каналами (16) для охлаждающей воды, с каналами (17) и (18) для подачи и выпуска охлаждающей воды, которая подается к наружной стороне металлургической емкости через стальной кожух (6). Внутри планок (8) предусмотрен также канал (19) для охлаждающей воды с трубами (20) для охлаждающей воды с наружной стороны металлургической емкости. Как показано на чертеже, планки в верхней части поднимаются наклонно внутрь, а в нижней части опускаются наклонно внутрь. В отличие от стенки, известной для доменной печи, у которой футеровку из огнеупорного кирпича соединяют с помощью связующего раствора, футеровка (9) находится на планках (8) без связующего раствора и удерживается без связующего раствора на водоохлаждаемой стенке (7). Водоохлаждаемая стенка (7) и планки (8) выполнены из красной меди с содержанием ≥99% Cu. Графитовые блоки (10) имеют коэффициент теплопроводности в диапазоне 60-150 Вт/м·К. Огнеупорный кирпич (11) представляет собой магнезитный кирпич.

На фиг. 2 показана часть периферийной поверхности огнеупорной стенки, у которой футеровка (9) не показана. Эта часть состоит из четырех панелей (12A), (12B), (13A) и (13B), каждая из которых имеет высоту приблизительно 2,4 м и ширину 1 м. Планки (8) расположены по высоте в шахматном порядке в направлении периферии.

На фиг. 3 показано несколько каналов (17) и (18) для подачи и выпуска охлаждающей воды в панель (21), которая имеет четыре внутренних охлаждающих канала. Здесь показано, что в охлаждающей панели (21) выполнены прорези (22) под трубы (20) для подачи и выпуска охлаждающей воды в планки (8), из которых на фиг. 3 показана только одна из комплекта (на фиг. 1 имеется по четыре планки (8) на панель).

На фиг. 4 показана охлаждающая панель (21) и планка (8) в собранном состоянии.

На фиг. 5 показан проход трубы (20) водоохлаждаемой планки (8) сквозь панель (21) и стальной кожух (6), где находится следующий узел холодной сборки уплотнения огнеупорной стенки с помощью пластины (24), которая приварена к трубе (20) и стальному кожуху (6). Промежуток между панелью (21) и стальным кожухом (6) может быть заполнен бетоном. Остальное пространство (25) в свободном промежутке между стенкой трубы (20) и панелью (21), бетоном (23) и кожухом (6) на наружной стороне заполняют связующим раствором или кровельным картоном.

Огнеупорная стенка, согласно изобретению, выдерживает термическую нагрузку порядка 300 000 Вт/м² и воздействие шлака с содержанием приблизительно 10 вес.%. FeO при уровне температуры приблизительно 1700^oC со сроком службы по меньшей мере 6 месяцев.

Этим достигается то преимущество, что металлургическая емкость или, по меньшей мере, ее шлаковая зона не нуждаются в частой замене или ремонте, и кроме того, достигается более высокий срок службы по сравнению с доменной печью.

Формула изобретения

1. Огнеупорная стенка, в частности, для металлургической емкости. для непрерывного получения чугуна в процессе восстановительного плавления в условиях предельно высокой термической нагрузки и высоко абразивной среды расплавленного шлака при высоком содержании FeO, отличающаяся тем, что она содержит, начиная от наружной до внутренней стороны, стальной кожух, водоохлаждаемые планки, проходящие по направлению к внутренней стороне, футеровку из огнеупорного материала, расположенную на планках, и водоохлаждаемую стенку, расположенную между стальным кожухом и водоохлаждаемыми планками, причем планки и водоохлаждаемая стенка выполнены медными.

2. Огнеупорная стенка по п.1, отличающаяся тем, что планки выполнены подвижными в вертикальном направлении в сборной структуре стенки.

3. Огнеупорная стенка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что верхняя часть планок расположена с наклоном кверху в направлении внутренней стороны.

4. Огнеупорная стенка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что нижняя часть планок расположена с наклоном книзу в направлении внутренней стороны.

5. Огнеупорная стенка по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что планки распределены по высоте стенки.

6. Огнеупорная стенка по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что водоохлаждаемая медная стенка состоит из панелей.

7. Огнеупорная стенка по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что планки расположены в шахматном порядке по высоте в направлении к периферии.

8. Огнеупорная стенка по пп.1 - 7, отличающаяся тем, что футеровка расположена на планках без связующего раствора.

9. Огнеупорная стенка по пп.1 - 8, отличающаяся тем, что футеровка выполнена с возможностью удержания на водоохлаждаемой медной стенке без связующего раствора.

10. Огнеупорная стенка по пп.1 - 9, отличающаяся тем, что футеровка состоит из блоков графита с коэффициентом теплопроводности в диапазоне 60 - 150 Вт/м · К.

11. Огнеупорная стенка по пп.1 - 9, отличающаяся тем, что футеровка состоит из блоков полуграфита с коэффициентом теплопроводности в диапазоне 30 - 60 Вт/м · К.

12. Огнеупорная стенка по пп.1 - 9, отличающаяся тем, что футеровка состоит из огнеупорного кирпича.

13. Огнеупорная стенка по п.12, отличающаяся тем, что футеровка выполнена из кирпича, принадлежащего к типу кирпичей, который используют в конвертерах или электрических печах для производства стали.

14. Огнеупорная стенка по п.12 или 13, отличающаяся тем, что футеровка выполнена из магнезитного кирпича.

15. Огнеупорная стенка по пп.1 - 9, отличающаяся тем, что, начиная от наружной до внутренней стороны стенки, футеровка состоит из слоя графита, который удерживают на водоохлаждаемой медной стенке, и слоя огнеупорного кирпича.

16. Огнеупорная стенка по пп.1 - 15, отличающаяся тем, что она наклонена относительно вертикали с расширением металлургической емкости снизу вверх.

17. Огнеупорная стенка по пп.1 - 16, отличающаяся тем, что водоохлаждаемая медная стенка и/или водоохлаждаемые медные планки выполнены из красной меди с содержанием Сu более или равно 99% и коэффициентом теплопроводности порядка 250 - 300 Вт/м · К.

18. Огнеупорная стенка по пп.1 - 17, отличающаяся тем, что стальной кожух образует часть емкости высокого давления, при этом стенка выполнена с каналами для пропуска через стальной кожух охлаждающей воды, выпускными трубами водоохлаждаемой медной стенки, водоохлаждаемыми медными планками, герметизированными в процессе сборки стенки.

19. Огнеупорная стенка по пп.1 - 18, отличающаяся тем, что стенка выполнена с возможностью противостоять воздействию термической нагрузки порядка 300 000 Вт/м² и шлака с содержанием приблизительно 10 вес.% FeO при уровне температуры приблизительно 1700°С.

20. Металлургическая емкость, в частности, для использования при окончательном восстановлении в процессе восстановительного плавления в циклонной конвертерной печи (CCF), которая содержит огнеупорную стенку, включающую стальной кожух, футеровку из огнеупорного материала, отличающаяся тем, что огнеупорная стенка выполнена согласно пп.1 - 19.

21. Способ непрерывного получения чугуна, в частности, для использования при окончательном восстановлении в процессе восстановительного плавления в циклонной конвертерной печи (CCF), в которой применяют огнеупорную стенку, включающую стальной кожух, футеровку из огнеупорного материала, отличающийся тем, что огнеупорная стенка выполнена согласно пп.1 - 19.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5