Способ производства стали из железосодержащего сырья и агрегат для его осуществления

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к восстановлению железа из расплава железосодержащего сырья. Сущность: способ заключается в восстановлении железа из расплава в капельно-вихревом режиме, организованном путем подачи твердого восстановителя в потоке продуктов сжигания топлива в раздробленную струю расплава, и окончательно восстановление завершается в пленке расплава, стекающего по стенке циклона в копильник. При этом в восстановительном циклоне обеспечивается восстановительная атмосфера за счет сжигания топлива с коэффициентом избытка воздуха меньше единицы. Дожигание технологических газов проводят в нижней части плавильного циклона. Агрегат для осуществления способа содержит разделенные профилированной диафрагмой циклоны: верхний плавильный и нижний восстановительный, соединенный с копильником. Циклоны образуют водоохлаждаемую полую цилиндрическую колонну, а диафрагма имеет горизонтальную нижнюю стенку. Восстановительный циклон снабжен форкамерами для вдувания твердого восстановителя в потоке продуктов сжигания топлива, оси которых направлены тангенциально к окружности отверстия в профилированной диафрагме. Копильник снабжен плоским водоохлаждаемым сводом с отверстиями для подачи раскислителей и углеродсодержащего газа. Схема получения стали из железосодержащего сырья позволяет в одном агрегате получить готовую сталь, минуя промежуточный продукт - чугун, с минимальными энергетическими затратами при высокой степени восстановления железа из расплава за счет развитой поверхности межфазного взаимодействия в капельно-вихревом режиме. 2 с. и 4 з.п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к восстановлению железа из расплава железосодержащего сырья.

Широкое распространение получил способ восстановления железа в твердой фазе путем металлизации железорудных окатышей продуктами конверсии природного газа.

Низкая скорость реакций восстановления и получение в результате полупродукта для плавки, а не стали или чугуна, не позволяют этому процессу конкурировать с доменным (Воскобойников В. В. и др. "Общая металлургия", 1998, с. 177-187).

Более интенсивно процессы восстановления железа из его окислов протекают в жидкой фазе. Печь жидкофазного восстановления (ПЖВ) перерабатывает железосодержащее сырье, где в качестве восстановителя используется уголь (Сталь, N 8, 1990, с. 20-27).

Однако продуктом такой переработки является чугун, а не сталь, причем с большими энергетическими затратами.

Наиболее близкими по технической сути является способ переработки железосодержащего материала и агрегат по его осуществлению, выбранный в качестве прототипа (патент РФ N 2093585 от 01.06.95 Кл. C 21 B 13/14).

Способ включает предварительное восстановление и расплавление в циклоне, окончательное восстановление из расплава за счет вдувания твердого восстановителя, раздельный выпуск шлака и металла, отвод отходящих газов и их дожигание. Агрегат для осуществления способа содержит плавильный циклон с газоотводящей верхней частью, средства для загрузки, дозировки и подачи шихтовых материалов, топлива и окислителя. Восстановление железа осуществляют в зоне восстановления, выполненной в виде проточного желоба, а фурмы для вдувания восстановителя установлены в боковых стенках желоба и в плоском своде.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее: вдувание восстановителя в поверхностный слой металла в токе кислорода не обеспечивает получение металла с низким содержанием углерода, так как отсутствует возможность контроля качества углерода, сжигаемого в кислороде, а следовательно, количества углерода, расходуемого на реакцию восстановления железа из расплава. Эта реакция, протекающая с большим потреблением тепла, будет проходить в объеме расплава. В той части расплава, где тепла для протекания реакции достаточно, восстановление железа и его науглероживание будет происходить одновременно. В тех объемах расплава, где тепла недостаточно для протекания реакции восстановления, реакция не пойдет, т.е. восстановления железа не будет.

Стойкость огнеупорной части проточного желоба следует ожидать низкой, как и материала шлакоразделительной перегородки между зонами восстановления и рафинирования ввиду контакта с расплавом окислов углерода.

Задача изобретения заключается в создании способа производства стали из железосодержащего сырья и агрегата для производства стали с низким содержанием углерода при минимальных потерях железа со шлаком и минимальных энергетических затратах.

Задача решается путем предварительного восстановления железа из расплава его окислов в капельно-вихревом режиме, организованном за счет подачи твердого восстановителя в потоке продуктов сжигания топлива в струю расплава, стекающую из плавильного циклона, а окончательное восстановление металла проводят в пленке расплава, стекающего по стенке восстановительного циклона в копильник. Выпуск металла из копильника осуществляют периодически, а на поверхность шлака постоянно подают раскислители. При этом в восстановительном циклоне создают восстановительную атмосферу путем сжигания топлива в кислороде с коэффициентом избытка воздуха меньше единицы. Дожигание технологических газов проводят в нижней части плавильного циклона. Агрегат для осуществления способа представляет собой плавильный циклон с газоотводящей верхней частью, оборудованный средствами для подачи шихтовых материалов, топлива и окислителя, и снабжен расположенными под плавильным циклоном восстановительным циклоном со средствами для создания восстановительной атмосферы и соединенным с ним копильником. При этом плавильный и восстановительный циклоны отделены друг от друга при помощи профилированной диафрагмы, имеющей горизонтальную нижнюю стенку, и образуют полую цилиндрическую колонну, выполненную водоохлаждаемой. Циклон восстановления снабжен форкамерами для вдувания твердого восстановителя в потоке продуктов сжигания топлива, оси которых направлены тангенциально к окружности отверстия в профилированной диафрагме. Копильник расплава снабжен плоским водоохлаждаемым сводом, в котором выполнены отверстия для подачи раскислителей и углеродсодержащего газа.

Изобретение соответствует критериям патентоспособности: обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом и аналогами; изобретательским уровнем, так как явно не следует из современного уровня техники; практически осуществимо с минимальными энергетическими затратами.

На фиг. 1 представлен продольный разрез агрегата, в котором осуществляется способ производства стали; на фиг. 2 - разрез по А-А.

Способ производства стали из железосодержащего сырья состоит из процессов расплавления шихты, восстановления железа из расплава и рафинирования.

Процесс расплавления шихты осуществляют в плавильном циклоне. Шихта вдувается в плавильное пространство в потоке продуктов сжигания топлива в кислороде. Расплав движется по стенке циклона и через выпускное отверстие попадает в восстановительный циклон, где дробится на капли струями продуктов сжигания топлива, несущими порошкообразный восстановитель. Предварительное восстановление железа из расплава проходит в капельно-вихревом режиме, а окончательное продолжается и завершается в пленке расплава, движущегося по стенке циклона в копильник. Технологические газы из восстановительного циклона поступают в плавильный, где дожигаются в кислороде.

Процесс рафинирования осуществляют подачей шлакообразующих и раскислителей и продувкой металла газами. При этом шлак удаляют непрерывно через шлаковую летку.

Выпуск металла осуществляют периодически.

Агрегат для осуществления способа производства стали из железосодержащего сырья представляет собой водоохлаждаемую полую цилиндрическую колонну 1, разделенную профилированной диафрагмой 2 на плавильный циклон 3 с водоохлаждаемой крышкой 4 и восстановительный циклон 5, соединенный с копильником 18.

Диаметр отверстия профилированной диафрагмы 2 является расчетной величиной аэродинамики циклона 3. Профиль ее обеспечивает постоянство толщины пленки расплава, стекающего по стенке плавильного циклона 3, а также отрыв пленки от стенки при перетекании в восстановительный циклон 5. Поэтому нижняя стенка профилированной диафрагмы 2 горизонтальная.

В плавильном циклоне выполнен патрубок 6 для отвода дымовых газов к котлу - утилизатору. В боковых стенках плавильного циклона установлены форкамеры 7 для предварительного нагрева порошкообразных шихтовых материалов. Каждая форкамера снабжена патрубком 8 для подачи молотой шихты и газокислородной горелкой 9. Оси форкамер 7 направлены по касательной к окружности дымоотводящего патрубка 6. В нижней части стенки плавильного циклона установлены фурмы 10 для подачи кислорода.

В боковых стенках восстановительного циклона установлены форкамеры 11 для создания в циклоне восстановительной атмосферы газов, содержащих частицы твердого восстановителя. Каждая форкамера снабжена патрубком 12 для подвода твердого углеродсодержащего восстановителя и газокислородной горелкой 13, в которую через патрубок 14 подают топливо и через трубу 15 - кислород.

Оси форкамер 11 направлены по касательной к окружности отверстия в профилированной диафрагме. Водоохлаждаемая стенка 16 агрегата с набивной массой 17 обеспечивает условия для образования гарнисажа. Восстановительный циклон 5 соединен с копильником 18. Копильник снабжен водоохлаждаемым сводом 19, в котором выполнено отверстие 20 для подачи раскислителей и отверстия 21 для подачи углеродсодержащего газа. Подина 22 копильника имеет уклон к выпускному отверстию 23. В подине копильника перед выпускным отверстием установлена пористая пробка 24, через которую металл продувают аргоном для удаления неметаллических включений. Под сводом копильника размещена летка 25 для выпуска шлака.

Пример осуществления способа производства стали из железосодержащего сырья После разогрева агрегата, включающего разогрев кладки копильника переносными горелками, циклонов плавильного и восстановительного стационарными газокислородными горелками 9 и 13, начинают подавать шихту через патрубок 8 в форкамеру 7.

Шихта представляет собой смесь шламов сталеплавильного производства, извести и плавикового шпата. Соотношение составляющих шихты рассчитывается на основе данных о химическом составе компонентов шихты. Подогретая в форкамере 7 шихта выносится продуктами сжигания в рабочий объем циклона 3 и попадает на стенку 16. В момент касания гарнисажной футеровки 17 частица шихты имеет температуру, обеспечивающую прилипание ее к стенке. Подводимое к стенке тепло за счет вихря продуктов сгорания топлива из горелок 9 и от дожигания технологических газов кислородом, поступающим через фурмы 10, гарантирует плавление прилипших к стенке циклона частиц шихты, достижение температуры жидкоподвижного состояния и отекания пленки расплава по стенке плавильного циклона вниз. Попадая через отверстие профилированной диафрагмы 2 в восстановительный циклон 5, стекающий расплав разбивается на капли струями, поступающими по касательной к цилиндрической поверхности пленки расплава из форкамер 11. Истекающие из форкамер струи несут твердый углеродсодержащий восстановитель (уголь) с размерами фракций 0...0,5 мм. Процесс восстановления протекает в благоприятных условиях - контакт каждого объема капли с восстановителем (углем) при интенсивном подводе тепла, обеспеченным вихревым режимом течения газов в восстановительном циклоне. Процесс восстановления протекает в каждом микрообъеме (капли) расплава, что гарантирует полное восстановление железа, то есть процесс идет с малыми потерями железа в шлак.

Окончательное восстановление протекает в пленке стекающего по стенкам циклона расплава, на поверхность которой поступает твердый восстановитель и которая омывается восстановительными технологическими газами за счет сжигания газа, подаваемого через патрубок 14, в кислороде, подаваемом через трубу 15, с коэффициентом избытка воздуха, равным 0,9.

Технологические газы, поступающие из копильника 18 и восстановительного циклона 5 и содержащие CO и H₂, дожигаются на входе в плавильный циклон 3 кислородом, подаваемым через фурмы 10. Тепло этих газов используется для плавления шихты, что снижает энергетические затраты на производство. Стекающий расплав из восстановительного циклона 5 представляет собой смесь железа со шлаком, которая, попадая в копильник 18, разделяется на металл и шлак в соответствии с плотностью этих материалов. Предварительное раскисление производят подачей раскислителей через отверстие 20. Через отверстия 21 вводят природный газ для уменьшения тепловых потерь от поверхности шлака. Шлак непрерывно удаляют через летку 25.

Формула изобретения

Способ производства стали из железосодержащего сырья, включающий расплавление шихты в циклоне, восстановление железа из расплава путем введения твердого восстановления, отвод отходящих газов, их дожигание и раздельный выпуск металла и шлака, отличающийся тем, что восстановление железа из расплава осуществляют в две стадии в расположенном под плавильным циклоном и отделенным от него посредством профилированной диафрагмы восстановительном циклоне, при этом предварительное восстановление осуществляет в капельно-вихревом режиме подачей твердого восстановителя в потоке продуктов сжигания топлива в струю расплава, поступающую из плавильного циклона, а окончательное восстановление железа - в пленке расплава, стекающего по стенке восстановительного циклона в копильник, причем выпуск металла осуществляют периодически, а на поверхность непрерывно удаляемого шлака дают раскислители.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в восстановительном циклоне поддерживают восстановительную атмосферу за счет сжигания топлива с коэффициентом избытка воздуха меньше единицы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дожигание технологических газов проводят в нижней части плавильного циклона.

4. Агрегат для производства стали из железосодержащего сырья, содержащий плавильный циклон с газоотводящей верхней частью, оборудованный средствами для подачи шихтовых материалов, топлива и окислителя, отличающийся тем, что агрегат снабжен расположенными под плавильным циклоном восстановительным циклоном со средствами для создания восстановительной атмосферы и соединенным с ним копильником, при этом плавильный и восстановительный циклоны отделены друг от друга посредством профилированной диафрагмы, имеющей горизонтальную нижнюю стенку, и образуют цилиндрическую колонну, выполненную водоохлаждаемой.

5. Агрегат по п.4, отличающийся тем, что средства для создания восстановительной атмосферы выполнены в виде форкамер для вдувания твердого восстановителя в потоке продуктов сжигания топлива, оси которых направлены тангенциально к окружности отверстия в профилированной диафрагме.

6. Агрегат по п. 4, отличающийся тем, что копильник расплава снабжен плоским водоохлаждаемым сводом, в котором выполнены отверстия для подачи раскислителей и углеродсодержащего газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2