Установка для прямой выплавки
Изобретение относится к установке для прямой выплавки, предназначенной для получения расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала с возможностью получения более 1 миллиона тонн в год расплавленного железа посредством процесса Hismelt. Установка содержит неподвижную емкость для прямой выплавки с жидкой ванной, узел подачи твердых веществ, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, из места расположения источника твердых исходных материалов, находящегося на удалении от емкости. Установка также содержит узел подачи кислородсодержащего газа из места расположения источника кислородсодержащего газа, находящегося на удалении от емкости. Причем узел подачи кислородсодержащего газа включает узел ввода газа, содержащий множество трубок для ввода газа кислородсодержащего газа, которые проходят через отверстия в емкости, и узел каналов снабжения газом, проходящих от места расположения источника газа, находящегося на удалении от емкости, который предназначен для снабжения кислородсодержащим газом узла ввода газа. При этом узел каналов снабжения газом содержит одну магистраль снабжения газом, расположенную выше нижней половины емкости и соединенную с трубками для ввода газа. 19 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к установке для прямой выплавки, предназначенной для получения расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала, такого как руды, частично восстановленные руды и металлсодержащие отходы.
Известный способ прямой выплавки, в основе которого лежит использование жидкой ванны как реакционной среды и который в общем случае называется процессом Hismelt, описан в международной заявке PCT/AU96/00197 (WO 96/31627), зарегистрированной на имя заявителя настоящего изобретения. Описание, приведенное в указанной международной заявке, этим упоминанием посредством ссылки включено в текст данного описания.
Процесс Hismelt, описанный в указанной международной заявке, в контексте получения расплавленного железа содержит этапы, на которых:
а) создают ванну из расплавленного железа и шлака в емкости для прямой выплавки;
b) вводят в упомянутую ванну: (i) металлсодержащий исходный материал, в типичном случае - оксиды железа; и (ii) твердый углеродосодержащий материал, в типичном случае - уголь, который действует как восстановитель оксидов железа и источник энергии; и
c) плавят металлсодержащий исходный материал до получения железа в слое металла.
Здесь предполагается, что термин "выплавка" означает термический процесс, при котором происходят химические реакции с восстановлением оксидов металлов для получения расплавленного металла.
Процесс Hismelt также содержит последующее сгорание (дожигание) реакционных газов, таких как СО и Н2, высвобожденных из ванны в пространство над ней, в присутствии кислородсодержащего газа и перенос тепла, возникшего при дожигании, в ванну, чтобы увеличить тепловую энергию, имеющуюся в распоряжении для плавления металлсодержащих исходных материалов.
Процесс Hismelt также содержит создание переходной зоны над номинальной спокойной поверхностью ванны, в которой существует значительная масса восходящих и затем нисходящих капель, или брызг, или потоков расплавленного металла и/или шлака, которые обеспечивают эффективную среду для переноса в ванну тепловой энергии, возникшей при дожигании реакционных газов над ванной.
При осуществлении процесса Hismelt металлсодержащий исходный материал и твердый углеродосодержащий материал вводят в жидкую ванну через ряд трубок/фурм, которые наклонены к вертикали таким образом, чтобы проходить вниз и внутрь через боковую стенку емкости для прямой выплавки в нижнюю область этой емкости для подачи, по меньшей мере, части твердых материалов в слой металла на дне упомянутой емкости. Чтобы обеспечить дожигание реакционных газов в верхней области емкости, в эту область вводят струю горячего воздуха, который может быть обогащен кислородом, через проходящую вниз трубку для ввода горячего воздуха. Отходящий газ, возникающий при последующем сгорании реакционных газов в емкости, отводится из верхней области емкости через канал для отходящего газа. Емкость содержит водоохлаждаемые панели с огнеупорной футеровкой, установленные на ее боковой стенке и своде, и через эти панели в непрерывном цикле постоянно циркулирует вода.
Процесс Hismelt позволяет получать при помощи прямой выплавки в одной компактной емкости большие количества расплавленного металла, например расплавленного железа. Для этого необходимо транспортировать большие количества горячего газа в емкость для прямой выплавки и из этой емкости, транспортировать большие количества металлсодержащего исходного материала, такого как железосодержащие исходные материалы, в емкость, транспортировать большие количества являющегося получаемым продуктом расплавленного металла и шлака, возникающего при осуществлении процесса, из емкости и поддерживать циркуляцию больших количеств воды через водоохлаждаемые панели - и все это в относительно ограниченной зоне. Эти функции необходимо выполнять непрерывно в течение всей кампании выплавки, которая в предпочтительном случае занимает, по меньшей мере, 12 месяцев. Также необходимо предусмотреть средства доступа и обслуживания, чтобы обеспечить доступ к емкости и подъем оборудования в промежутке между кампаниями выплавки.
Промышленная установка для прямой выплавки при помощи процесса Hismelt, основной частью которой является емкость диаметром 6 метров (внутренний диаметр огнеупорного горна), построена в городе Куинана (Kwinana), Западная Австралия. Установка предназначена для осуществления процесса Hismelt и производства 800000 тонн расплавленного железа в год с использованием этой емкости.
Заявитель настоящего изобретения к текущему моменту выполнил научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы для создания промышленной установки для прямой выплавки при помощи процесса Hismelt большего масштаба, чтобы получать более 1 миллиона тонн в год расплавленного железа посредством процесса Hismelt.
Заявитель настоящего изобретения столкнулся с рядом проблем при увеличении масштабов процесса Hismelt и разработал альтернативную конструкцию установки для прямой выплавки при помощи этого процесса.
Настоящее изобретение относится к установке для прямой выплавки, которая представляет собой альтернативную конструкцию по сравнению с указанной выше промышленной установкой для прямой выплавки при помощи процесса Hismelt.
Установка для прямой выплавки, соответствующая настоящему изобретению, также может использоваться для выполнения и других процессов прямой выплавки.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается установка для прямой выплавки, предназначенная для получения расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала при помощи прямой выплавки с использованием жидкой ванны, которая содержит:
а) неподвижную емкость для прямой выплавки, предназначенную для размещения жидкой ванны металла и шлака и газового пространства над ванной, причем эта емкость содержит горн и боковую стенку;
b) узел подачи твердых веществ, предназначенный для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, из места расположения источника твердых исходных материалов, находящегося на удалении от емкости, в эту емкость;
с) узел подачи кислородсодержащего газа, предназначенный для подачи кислородсодержащего газа из места расположения источника кислородсодержащего газа, находящегося на удалении от емкости, в эту емкость, причем узел подачи кислородсодержащего газа включает (i) узел ввода газа, содержащий множество трубок для ввода газа, предназначенных для ввода кислородсодержащего газа в емкость, которые проходят через отверстия в этой емкости, и (ii) узел каналов снабжения газом, проходящих от места расположения источника газа, находящегося на удалении от емкости, который предназначен для снабжения кислородсодержащим газом узла ввода газа, причем узел каналов снабжения газом содержит одну магистраль снабжения газом, соединенную с трубками ввода газа, которая предназначена для подачи кислородсодержащего газа из места расположения источника газа в трубки для ввода газа, при этом магистраль снабжения газом расположена по высоте над нижней половиной емкости;
d) узел каналов отходящего газа, предназначенный для улучшения протекания отходящего газа из емкости;
e) узел выпуска металла, предназначенный для выпуска расплавленного металла из рабочего пространства во время операции выплавки; и
f) узел выпуска шлака, предназначенный для выпуска шлака из рабочего пространства во время операции выплавки.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом расположена выше соединения узла ввода газа с емкостью.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом представляет собой кольцевую магистраль, создающую замкнутый путь протекания газа внутри магистрали.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом выполнена в форме подковы.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом содержит один впуск для кислородсодержащего газа и множество выпусков для кислородсодержащего газа, при этом количество упомянутых выпусков соответствует количеству трубок для ввода газа.
В предпочтительном случае упомянутые выпуски для кислородсодержащего газа расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности емкости.
В предпочтительном случае трубки ввода газа выполнены с возможностью отсоединения от узла каналов снабжения газом, а также удаления из емкости и замены сменными трубками.
В предпочтительном случае узел каналов снабжения газом содержит множество соединительных элементов, которые соединяют магистраль снабжения газом с трубками ввода газа.
В предпочтительном случае соединительные элементы расположены соосно трубкам ввода газа.
В предпочтительном случае каждый соединительный элемент содержит переходник с фланцами, проходящий от впускного конца одной трубки для ввода газа, и температурный компенсатор, один конец которого соединен с упомянутым переходником, а другой - с одним из выпусков магистрали снабжения газом.
В предпочтительном случае кислородсодержащий газ представляет собой воздух или обогащенный кислородом воздух.
В предпочтительном случае трубки для ввода газа проходят вниз и внутрь относительно магистрали снабжения газом.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом расположена на расстоянии от емкости, в результате чего между этой емкостью и магистралью снабжения газом существует зазор, позволяющий удалять через него трубки для ввода газа.
В предпочтительном случае боковая стенка емкости содержит:
a) нижнюю цилиндрическую секцию;
b) верхнюю цилиндрическую секцию меньшего диаметра по сравнению с нижней секцией; и
c) переходную секцию, соединяющую между собой верхнюю и нижнюю секции.
В предпочтительном случае в переходной секции выполнены отверстия для трубок для ввода газа, и эти трубки проходят через упомянутые отверстия в емкость.
В предпочтительном случае переходная секция выполнена в форме усеченного конуса.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом расположена выше нижней цилиндрической секции емкости.
В более предпочтительном случае магистраль снабжения газом расположена выше верхней цилиндрической секции емкости.
В наиболее предпочтительном случае магистраль снабжения газом расположена поблизости от верхней части верхней цилиндрической секции емкости.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения магистраль снабжения газом устанавливают таким образом, чтобы она располагалась снаружи по отношению к диаметру нижней цилиндрической части этой емкости.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно на примере и со ссылкой на сопровождающие чертежи, из которых показано:
Фиг.1 и Фиг.2 - общие виды под двумя разными углами, на которых изображены емкость для прямой выплавки и часть системы каналов для отходящего газа, входящие в состав установки для прямой выплавки согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения;
Фиг.3 - общий вид емкости для прямой выплавки;
Фиг.4 - вид сбоку емкости для прямой выплавки;
Фиг.5 - вид сбоку емкости для прямой выплавки, на котором показано расположение огнеупорных кирпичей внутри этой емкости;
Фиг.6 - вид сбоку емкости для прямой выплавки, на котором показано размещение трубок для ввода твердых веществ и трубок для ввода горячего воздуха в емкость;
Фиг.7 - поперечное сечение по плоскости А-А, показанной на Фиг.6;
Фиг.8 - поперечное сечение по плоскости В-В, показанной на Фиг.6;
Фиг.9 - схема, иллюстрирующая размещение трубок для ввода твердых веществ в емкости;
Фиг.10 - схематично показанный вид сверху выбранных компонентов емкости, который иллюстрирует конфигурацию зон введения и выведения трубок для ввода твердых веществ и трубок для ввода горячего воздуха;
Фиг.11 - вид сверху емкости для прямой выплавки; и
Фиг.12 - вид сверху емкости для прямой выплавки при удаленных системе каналов отходящего газа и системе снабжения горячим воздухом.
Подробное описание варианта реализации изобретения
Установка для прямой выплавки, изображенная на указанных чертежах, подходит, в частности, для плавки металлсодержащего материала процессом Hismelt, который описан в международной заявке на патент PCT/AU96/00197 (WO 96/00197).
Использование этой установки не ограничено плавкой металлсодержащего материала процессом Hismelt.
Последующее описание приведено в контексте плавки мелких фракций железной руды для получения расплавленного железа процессом Hismelt.
Настоящее изобретение не ограничивается получением расплавленного железа и распространяется на прямую плавку любого металлсодержащего материала.
Целью приведенного ниже описания является рассмотрение емкости для прямой выплавки, входящей в состав установки для прямой выплавки, и таких устройств, как трубки для ввода твердых веществ и для ввода газа, которые непосредственным образом связаны с этой емкостью.
Установка для прямой выплавки также содержит и другие устройства, например устройство для обработки исходных материалов, подаваемых в емкость, которое расположено в направлении технологического процесса перед емкостью, и устройство для обработки продуктов (расплавленного металла, расплавленного шлака и отходящего газа), получаемых в емкости. Подобные другие устройства не рассматриваются здесь подробно, так как они не являются предметом настоящего изобретения, хотя и являются частью данной установки. Подобные другие устройства описаны в других заявках на патент и патентах, выданных на имя заявителя настоящего изобретения, и содержание этих заявок и патентов включено в текст данного описания посредством данной ссылки.
Со ссылкой на фигуры, в контексте настоящего изобретения, основными особенностями данного варианта установки для прямой выплавки, показанной на упомянутых чертежах, являются следующее:
a) неподвижная емкость 3 для прямой выплавки, предназначенная для размещения жидкой ванны 41 металла и шлака и газового пространства 43 над ванной;
b) узел подачи твердых веществ, который содержит 12 трубок 5а, 5b для ввода твердых веществ, предназначенных для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, в емкость;
с) узел подачи кислородсодержащего газа, предназначенный для подачи кислородсодержащего газа в емкость, который содержит:
c) (i) узел ввода газа в виде 4 трубок 7 для ввода газа, предназначенных для ввода кислородсодержащего газа в газовое пространство и/или в ванну, созданные в емкости; и
с) (ii) узел каналов снабжения газом, который содержит кольцевую магистраль 9 и множество элементов 49, по одному из которых связан с каждой из трубок 7 для ввода газа и которые соединяют кольцевую магистраль 9 и трубки 7 для ввода газа, предназначенные для подачи кислородсодержащего газа, в типичном случае воздуха или обогащенного кислородом воздуха, в трубки 7 для ввода газа; и
d) узел каналов отходящего газа, который содержит два канала 11 отходящего газа, предназначенные для улучшения протекания отходящего газа, выходящего из емкости, наружу из этой емкости.
Если обратиться к Фиг.1, 2 и 10, то в этой связи уместно заметить, что установка для прямой выплавки также содержит каркасную конструкцию 89, изготовленную из стальных балок, смонтированных вместе, чтобы получить внешний периметр 91 восьмиугольной формы, внутренний периметр 93 восьмиугольной формы и ряд поперечных элементов 95, соединяющих между собой балки периметра. Каркасная конструкция 89 служит опорой кольцевой магистрали 9 узла каналов снабжения газом посредством подвесных кронштейнов (не показаны). Каркасная конструкция также содержит множество платформ (не показаны), которые обеспечивают доступ рабочих к емкости 3 на различных по высоте уровнях емкости 3.
Емкость 3 содержит (a) горн, включающий в себя основание 21 и стороны 23, изготовленные из огнеупорных кирпичей, (b) боковую стенку 25, проходящую вверх от горна, и (c) коробовый свод 27. Для ежегодного производства 2 миллионов тонн расплавленного железа при выборе размеров предназначенной для этого емкости 3 необходимо обеспечить, чтобы диаметр (внутренний) горна составлял приблизительно 8 метров.
Боковая стенка 25 емкости 3 выполнена таким образом, чтобы эта емкость содержала (a) нижнюю цилиндрическую секцию 29, (b) верхнюю цилиндрическую секцию 31 меньшего диметра по сравнению с нижней секцией 29 и (c) секцию 33 в форме усеченного конуса, которая соединяет упомянутые две секции 29 и 31.
Из приведенного ниже описания и чертежей видно, что 3 секции 29, 31, 33 боковой стенки 25 емкости делят эту стенку 25 на 3 отдельных зоны. Нижняя секция 29 служит опорой для трубок 5а, 5b для ввода твердых веществ. Секция 33 в форме усеченного конуса служит опорой для трубок 7 для ввода газа. И, наконец, верхняя секция 33, по существу, представляет собой камеру для отходящего газа, через которую отходящий газ покидает емкость.
Боковая стенка 25 и свод 27 емкости 3 служат опорой для множества водоохлаждаемых панелей (не показаны), а установка содержит систему циркуляции охлаждающей воды. Как показано на Фиг.5, верхняя секция 33 содержит одинарные стальные панели, а нижняя секция 29 содержит двойные стальные панели. Система циркуляции охлаждающей воды подает воду в водоохлаждаемые панели и удаляет нагретую воду из этих панелей, а затем извлекает тепло из нагретой воды перед ее возвратом в водоохлаждаемые панели.
Секция 33 боковой стенки 25 емкости 3, выполненная в форме усеченного конуса, имеет отверстия 35 для трубок 7 для ввода газа. Трубки 7 проходят через отверстия 35. В отверстиях 35 для трубок установлены монтажные фланцы 37, и трубки 7 установлены на фланцах 37, которые служат опорой этим трубкам. Отверстия 35 для трубок находятся на одном уровне по высоте емкости и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру боковой стенки 25 этой емкости 3.
Как показано на Фиг.5, при использовании емкости 3 для плавки мелких фракций железной руды с целью получения расплавленного железа процессом Hismelt емкость 3 содержит жидкую ванну 41 из железа и шлака, которая включает слой (не показан) расплавленного металла, находящийся в горне емкости 3, и слой (не показан) расплавленного шлака, расположенный на слое металла. Жидкая ванна 41, показанная на Фиг.5, находится в спокойных условиях, т.е. в условиях, когда отсутствует ввод твердых веществ и газа в емкость 3. В типичном случае, когда в емкости 3 выполняется процесс Hismelt с целью ежегодного производства 2 миллионов тонн расплавленного железа, емкость 3 содержит 500 тонн расплавленного железа и 700 тонн расплавленного шлака.
Как показано на Фиг.3 и 4, емкость 3 также содержит 2 дверцы 45 доступа на стороне 23 горна, чтобы сделать возможным доступ во внутреннее пространство емкости 3 для замены футеровки или других работ по техническому обслуживанию внутреннего пространства.
Дверцы 45 доступа выполнены в виде стальных пластин, которые приварены к боковой стороне 23. Когда требуется доступ во внутреннее пространство емкости 3, пластины вырезают из боковой стороны 23 горна и после завершения работы в емкости 3 на это место приваривают сменные пластины. Дверцы 45 доступа расположены на одном уровне по высоте емкости 3. Дверцы 45 доступа расположены на расстоянии друг от друга по периферии емкости таким образом, что угол между ними составляет, по меньшей мере, 90°. Этот интервал позволяет вводить в емкость через дверцы 45 оборудование для демонтажа огнеупорных стенок и снимать значительную часть огнеупорного материала с боковой стенки, которая футерована огнеупорным материалом, пока емкость нагрета. В дополнение к этому дверцы 45 доступа являются достаточно большими, в типичном случае 2,5 метра в диаметре, чтобы сделать возможным доступ во внутреннее пространство емкости 3 небольшого фронтального погрузчика или аналогичного оборудования.
Как показано на Фиг.3, емкость 3 также содержит аналогичную дверцу 47 доступа на своде 27 этой емкости, чтобы сделать возможным доступ во внутреннее пространство емкости для замены футеровки или выполнения других работ по техническому обслуживанию.
Во время работы при помощи четырех трубок 7 для ввода газа, входящих в состав узла ввода газа, вводят струю обогащенного кислородом горячего воздуха, поступающего от станции подачи горячего газа (не показана), находящейся на некотором удалении от емкости 3. Станция подачи горячего газа содержит ряд газовых печей (не показаны) и кислородную установку (не показана), чтобы сделать возможным протекание потока обогащенного кислородом воздуха через газовые печи и поступление в канал 51 снабжения горячим газом (Фиг.2 и 11), который соединен с кольцевой магистралью 9. В качестве альтернативы кислород может добавляться к потоку воздуха после того, как этот поток нагрет упомянутыми газовыми печами.
Назначением трубок 7 для ввода газа является обеспечение достаточного расхода горячего воздуха, обогащенного кислородом, при достаточной скорости его протекания таким образом, чтобы горячий воздух проникал в бурун, в типичном случае круговой формы, образованный расплавленным металлом и шлаком, который выбрасывается вверх внутри емкости 3 в ходе процесса Hismelt, и этот обогащенный кислородом горячий воздух обеспечивает сжигание горючего газа, например монооксида углерода и водорода, высвобожденных из ванны, которые содержатся в упомянутом буруне. При сжигании горючего газа вырабатывается тепло, которое передается в жидкую ванну, когда расплавленные металл и шлак возвращаются вниз, в эту ванну.
Трубки 7 для ввода газа представляют собой прямолинейные трубки ввода с точки зрения их конструктивного исполнения и не содержат завихрителей, обеспечивающих турбулентность в потоке обогащенного кислородом воздуха, текущего через эти трубки. Как указано выше, при проведении исследований заявитель обнаружил, что использование трубок 7 для ввода газа, работающих без возникновения турбулентности, могло бы обеспечить производительность, сравнимую с производительностью трубок, работающих с возникновением турбулентности.
Трубки 7 для ввода газа проходят вниз через секцию 33 в форме усеченного конуса, имеющуюся в боковой стенке 25 емкости 3, и в верхнюю область емкости 3. Трубки 7 расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру секции 33 в форме усеченного конуса и находятся на одном уровне по высоте. Трубки 7 установлены таким образом, чтобы проходить в направлении вниз и к периферии емкости, чтобы вводить горячий воздух в направлении нижней секции 29 боковой стенки 25. Важно отметить, что нежелательным является контакт кислородсодержащего газа с боковой стенкой 25 емкости - высокие температуры, возникающие при сжигании у боковой стенки, являются нежелательными с точки зрения срока службы емкости. Следовательно, трубки 7 размещены таким образом, чтобы вершины 53 трубок 7 находились на одной горизонтальной окружности.
Описанная выше схема ввода кислородсодержащего газа в направлении вниз и к периферии емкости также желательна для того, чтобы избежать сжигания реакционных газов, например СО, в центральной вертикальной части емкости, в общем обозначенной ссылочным номером 139 на Фиг.5, и возникающей в результате потери тепла вместе с отходящим газом, уходящим по каналам 11 отходящего газа.
Как можно лучше видеть на Фиг.3, кольцевая магистраль 9 узла каналов снабжения газом представляет собой кольцевой канал, который расположен над емкостью 3. Как описано выше, кольцевая магистраль 9 соединена с каналом 51 снабжения горячим газом и в нее поступает воздух, обогащенный кислородом, из этого канала 51.
Кольцевая магистраль 9 содержит 4 выпуска 65.
Соединительные элементы 49 узла каналов снабжения газом соединяют между собой кольцевую магистраль 9 и трубки 7 для ввода газа.
Нагретый до высокой температуры соединительный элемент 49 для каждой трубки 7 ввода газа содержит переходник 61 с фланцами, который проходит от впускного конца трубки 7, и температурный компенсатор 63, один конец которого соединен с переходником 61, а другой - с выпуском 65 кольцевой магистрали 9.
Во время работы в трубки 7 для ввода газа поступает поток горячего воздуха, обогащенного кислородом, протекающий через кольцевую магистраль 9 и соединительные элементы 49, которые соединяют эти трубки 7 с кольцевой магистралью 9. Кольцевая магистраль 9 обеспечивает одинаковый расход горячего воздуха для всех трубок 7.
Как видно на Фиг.6 и 8, положение каждой из трубок 7 для ввода газа внутри емкости 3 теоретически можно задать следующим образом:
a) устанавливают трубку 7 вертикально, обеспечивая требуемое положение вершины 53 этой трубки 7 - на Фиг.6 и 8 указана пиктограммой 55 в форме круга, а затем
b) при фиксированном положении вершины 53 трубки отклоняют трубку на 35° в вертикальной плоскости, которая проходит через вершину 53 и перпендикулярна радиальной плоскости, проходящей через эту вершину 35, после чего
c) при фиксированном положении вершины 53 трубки поворачивают трубку на 30° наружу в направлении упомянутой радиальной плоскости.
Трубки 7 для ввода газа установлены таким образом, чтобы их можно было удалить из емкости 3.
Если говорить более конкретно, каждую трубку 7 можно извлечь следующим образом: снять переходник 61 с фланцами и температурный компенсатор 63 соответствующего соединительного элемента 49 с каждой трубки 7 и кольцевой магистрали 9, после чего удалить болты, крепящие трубку 7 к монтажному фланцу 37 отверстия 35 для трубки, выполненного в секции 33 в форме усеченного конуса, входящей в состав боковой стенки 25, а затем прикрепить трубку 7 к мостовому крану (не показан) и поднять трубку 7 вверх из отверстия 35.
С использованием процедуры, обратной к описанной в предыдущем абзаце, можно установить в емкости 3 сменные трубки 7.
12 трубок 5а, 5b для ввода твердых веществ, входящие в состав узла подачи твердых веществ, проходят вниз и внутрь через отверстия (не показаны), выполненные в нижней секции 29 боковой стенки 25 емкости 3, и в слой шлака (не показан) жидкой ванны 41. Трубки 5а, 5b размещены таким образом, чтобы вершины трубок находились на воображаемой горизонтальной окружности. Боковая стенка 25 содержит монтажные фланцы 69, и трубки 5а, 5b установлены на этих фланцах 69, которые служат им опорой.
Как показано на Фиг.7 и 9, трубки 5а, 5b для ввода твердых веществ включают (а) 8 трубок 5а, предназначенных для ввода мелких фракций железной руды и флюса в емкость 3, и (b) 4 трубки 5b, предназначенных для ввода твердого углеродсодержащего материала и флюса в емкость 3.
Твердые материалы транспортируют в газе-носителе, имеющем пониженное содержание кислорода. Все трубки 5а, 5b имеют одинаковый внешний диаметр и расположены на одном уровне по высоте емкости 3. Трубки 5а, 5b размещены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру нижней секции 29 боковой стенки 25 и таким образом, что трубки 5а для ввода железной руды расположены парами, а соседние пары этих трубок 5а разделены установленной между этими парами трубкой 5b для ввода угля. Попарное размещение трубок 5а для ввода железной руды, предназначенных для ввода горячей железной руды в емкость, снижает проблемы, связанные с доступом к трубам, расположенным вокруг емкости.
В процессе работы в трубки 5а для ввода железной руды поступают мелкие фракции горячей железной руды и флюс через систему ввода горячей руды, а в трубки 5b для ввода угля поступает уголь и флюс через систему ввода углеродсодержащего материала во время операции выплавки.
Если обратиться к Фиг.9, система ввода горячей руды содержит устройство предварительного нагрева (не показано), предназначенное для нагрева мелких фракций железной руды, и систему транспортировки горячей руды, которая содержит ряд основных линий 73 подачи и пары отводных линий 75 подачи для каждой пары трубок 5а ввода железной руды, а также источник газа-носителя, обеспечивающий перемещение мелких фракций горячей железной руды по линиям 73, 75 подачи и ввод этих фракций в емкость 3 при температуре порядка 680°С.
Как показано на Фиг.9, система ввода углеродсодержащего материала/флюса содержит одну линию 77 подачи для каждой трубки 5b для ввода угля.
Внешний диаметр линий 77 подачи угля меньше внешнего диаметра отводных линий 75 подачи горячей руды и составляет в типичном случае 40-60% последнего. Хотя внутренний диаметр трубок 5а, 5b в предпочтительном случае один и тот же, необходимость изолировать линии 73 подачи горячей руды и отводные линии 75 подачи горячей руды приводит к значительному увеличению внешнего диаметра этих трубок. В типичном случае отводные линии 75 подачи горячей руды имеют одинаковый внешний диаметр в диапазоне 400-600 мм, а линии 77 подачи угля имеют одинаковый внешний диаметр в диапазоне 100-300 мм. В одном из конкретных примеров отводные линии 75 подачи горячей руды имеют внешний диаметр, равный 500 мм, а линии 77 подачи угля имеют внешний диаметр, равный 200 мм.
Трубки 5а, 5b для ввода твердых веществ установлены таким образом, чтобы их можно было удалить из емкости 3.
Если говорить более конкретно, узел подачи твердых веществ содержит опорный узел, используемый в качестве опоры для каждой трубки 5а, 5b для ввода твердых веществ во время удаления этой трубки из емкости 3 и установки сменной трубки в емкость 3. Опорный узел для каждой трубки 5а, 5b содержит вытянутую направляющую (не показана), проходящую вверх и наружу от боковой стенки 25 емкости 3, тележку (не показана), установленную с возможностью перемещения по направляющей, и привод тележки (не показан), используемый для перемещения тележки по направляющей, причем тележка выполнена с возможностью прикрепления к трубкам 5а, 5b, чтобы использовать эту тележку в качестве опоры для трубки с перемещением этой трубки вверх и вниз под действием привода тележки и в результате извлечь из емкости 3. Опорный узел описан в международных заявках PCT/2005/001101 и PCT/AU2005/01103, зарегистрированных на имя заявителя настоящего изобретения, описание которых включено этим упоминанием в текст данного описания.
Как понятно из приведенного выше описания, установка для прямой выплавки позволяет удалять и заменять 16 трубок, включая 4 трубки 7 для ввода газа и 12 трубок 5а, 5b для ввода твердых веществ. Емкость 3 является относительно компактной. Эта компактность емкости 3, а также положения кольцевой магистрали 9 и каналов 11 отходящего газа, связанных с этой емкостью, накладывают жесткие пространственные ограничения на операции удаления и замены трубок 7, 5а и 5b.
Как показано на Фиг.10, чтобы облегчить удаление и замену трубок 7, 5а и 5b, установка для прямой выплавки содержит множество вытянутых по вертикали зон 97а, 97b доступа мостового крана.
Зоны 97а доступа расположены снаружи относительно кольцевой магистрали 9 и внутри внешнего периметра 91 каркасной конструкции 89. В сумме имеется 12 зон 97а доступа, что соответствует 12 трубкам 5а, 5b для ввода твердых веществ. Зоны 97а доступа делают возможным удаление и замену трубок 5а, 5b для ввода твердых веществ.
Зоны 97b доступа расположены внутри относительно кольцевой магистрали 9. В сумме имеется 4 зоны доступа 97b, что соответствует 4 трубкам 7 для ввода газа. Зоны 97b доступа делают возможным удаление и замену трубок 7 для ввода газа.
Пара каналов 11 для отходящего газа, входящих в состав узла каналов отходящего газа, делают возможным протекание отходящего газа, возникающего в процессе Hismelt в емкости 3, из этой емкости для его обработки на последующих этапах технологического процесса перед выпуском в атмосферу.
Как указано выше, при выполнении процесса Hismelt в предпочтительном случае используется воздух или обогащенный кислородом воздух, в результате чего возникает значительный объем отходящего газа и требуется относительно большой диаметр каналов 11 для отходящего газа.
Каналы 11 для отходящего газа идут от верхней секции 31 боковой стенки 25 под углом 7° к горизонтали.
Как можно лучше увидеть на Фиг.11 и 12, каналы 11 для отходящего газа создают конфигурацию V-образной формы, если смотреть сверху емкости 3. Продольные оси Х каналов 11 для отходящего газа расположены под углом 66,32° друг к другу. Каналы 11 для отходящего газа расположены таким образом, чтобы продольные оси Х этих каналов пересекались между собой и в точке 101 на радиальной линии L, проходящей от вертикальной оси 105 емкости 3. Другими словами, оси Х каналов 11 отходящего газа не являются радиусами, проведенными от точки на вертикальной оси 105 емкости 3.
Как показано на Фиг.1 и 2, установка для прямой выплавки содержит отдельные вытяжные колпаки 107 для отходящего газа, соединенные с каждым из каналов 11 для отходящего газа, которые предназначены для охлаждения отходящего газа, поступающего из емкости 3. Вытяжные колпаки 107 для отходящего газа проходят вертикально вверх от выпускных концов каналов 11 для отходящего газа. Вытяжные колпаки 107 охлаждают отходящий газ, поступающий из емкости 3, за счет теплообмена с водой/паром, проходящим через эти колпаки, до температуры порядка 900-1100°С.
Если снова обратиться к Фиг.1 и 2, то из этих чертежей видно, что установка для прямой выплавки также содержит отдельные очистители 109 отходящего газа, соединенные с каждым из вытяжных колпаков 107 для отходящего газа, которые предназначены для удаления макрочастиц из охлажденного газа. В дополнение к этому, каждый вытяжной колпак 107 для отходящего газа соединен с клапаном управления потоком (не показан), который управляет протеканием отходящего газа из емкости и через вытяжной колпак 107 для отходящего газа. Клапаны управления потоком могут быть объединены с очистителями (скрубберами) 109 отходящего газа.
Кроме того, на Фиг.1 и 2 также видно, что установка для прямой выплавки также содержит один охладитель 111 отходящего газа, соединенный с обоими очистителями 109 отходящего газа. Во время работы в охладитель 111 отходящего газа поступают потоки очищенного отходящего газа из обоих очистителей 109 отходящего газа, и этот охладитель 111 охлаждает отходящий газ до температуры порядка 25-40°С.
Во время работы охлажденный отходящий газ, поступивший из охладителя 111 отходящего газа, обрабатывается, как это необходимо, например, используется в качестве топливного газа в газовых печах (не показаны) или в котле-утилизаторе тепла отходящего газа (не показан), чтобы извлечь химическую энергию из отходящего газа, и впоследствии выпускается в атмосферу как чистый отходящий газ.
Установка для прямой выплавки также содержит узел выпуска металла, включающий копильник 13, предназначенный для непрерывного выпуска расплавленного железа из емкости 3. Горячий металл, получаемый в ходе операции выплавки, выгружается из емкости 3 через копильник 13 и желоб для горячего металла (не показан), соединенный с этим копильником 13. Выпускной конец желоба для горячего металла находится выше станции разливки горячего металла (не показана), чтобы подавать расплавленный металл вниз к ковшам, расположенным на этой станции.
Установка для прямой выплавки также содержит узел окончательного выпуска металла, предназначенный для выпуска расплавленного металла из нижней части емкости 3 в конце операции выплавки и для перемещения расплавленного железа на удаление от емкости 3. Узел окончательного выпуска металла включает множество отверстий 15 для окончательного выпуска металла, выполненных в емкости 3.
Кроме того, установка для прямой выплавки содержит узел выпуска шлака, предназначенный для периодического выпуска шлака из нижней части емкости 3 и перемещения шлака на удаление от емкости 3 в ходе операции выплавки. Узел выпуска шлака содержит множество шлаковых леток 17, выполненных в емкости 3.
Установка для прямой выплавки также содержит узел окончательного выпуска шлака, предназначенный для слива шлака из емкости 3 в конце операции выплавки. Узел окончательного выпуска шлака содержит множество отверстий 19 для выпуска шлака, выполненных в емкости 3.
В ходе операции выплавки согласно процессу Hismelt мелкие фракции железной руды и подходящий газ-носитель, а также уголь и подходящий газ-носитель вводят в жидкую ванну через трубки 5а, 5b. Кинетическая энергия твердых материалов и газов-носителей вызывает проникновение твердых материалов в слой металла, находящийся в жидкой ванне 41. Из угля удаляются летучие компоненты, что приводит к образованию газа в слое металла. Углерод частично растворяется в металле, а частично остается в виде твердого углерода.
Мелкие фракции железной руды плавятся с получением расплавленного железа и при выплавке возникает монооксид углерода. Расплавленное железо непрерывно удаляется из емкости 3 через копильник 13.
Расплавленный шлак периодически удаляется из емкости 3 через шлаковые летки 17.
Газы, которые перемещаются в слой металла и возникают при удалении летучих компонентов и выплавке, создают значительную по величине подъемную силу, действующую на расплавленный металл, твердый углерод и шлак (внесенный в слой металла вследствие ввода твердых веществ/газа) в направлении наружу из слоя металла, что приводит к возникновению движения вверх брызг, капель и потоков расплавленных металла и шлака, и эти брызги, капли и потоки захватывают шлак по мере их движения через слой шлака. Подъемная сила, действующая на расплавленный металл, твердый углерод и шлак вызывает сильное перемешивание в слое шлака, что приводит к увеличению этого слоя в объеме. В дополнение к этому движение вверх брызг, капель и потоков расплавленных металла и шлака (вызванное подъемной силой, действующей на расплавленный металл, твердый углерод и шлак) распространяется в пространство над жидкой ванной и создает упомянутый выше бурун.
Ввод кислородсодержащего газа в бурун через трубки 7 для ввода газа обеспечивает дожигание реакционных газов, таких как монооксид углерода и водород, в емкости 3. Тепло, возникшее при дожигании, передается в жидкую ванну, когда расплавленный металл опускается обратно в эту ванну.
Отходящий газ, возникающий при дожигании реакционных газов в емкости 3, отводится из емкости 3 через каналы 11 для отходящего газа.
В описанном выше варианте реализации настоящего изобретения может быть сделано множество модификаций, которые не выходят за пределы сущности и объема этого изобретения.
В качестве примера, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие 2 каналов 11 для отходящего газа, это изобретение не ограничивается таким количеством каналов 11 для отходящего газа и распространяется на любое подходящее количество каналов 11 для отходящего газа.
В дополнение к этому, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие кольцевой магистрали 9, предназначенной для подачи кислородсодержащего газа в трубки 7 для ввода газа, это изобретение не ограничивается такой компоновкой и распространяется на любой подходящий узел снабжения газом.
Кроме того, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие 4 трубок 7 для ввода газа, это изобретение не ограничивается таким количеством и компоновкой трубок 7 и распространяется на любое подходящее количество и компоновку трубок 7.
В дополнение к этому, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие 12 трубок 5а, 5b для ввода твердых веществ, причем 8 трубок 5а являются трубками для ввода железной руды, которые установлены парами, а оставшиеся 4 трубки 5b являются трубками для ввода угля, это изобретение не ограничивается таким количеством и компоновкой трубок 5а, 5b.
Кроме того, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие копильника 13, предназначенного для непрерывного выпуска расплавленного железа из емкости 3, это изобретение не ограничивается использованием копильника и режимом непрерывного выпуска расплавленного железа.
1. Установка для прямой выплавки, предназначенная для получения расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала при помощи прямой выплавки с использованием жидкой ванны, содержащая неподвижную емкость для прямой выплавки, предназначенную для размещения жидкой ванны металла и шлака и газового пространства над ванной, причем эта емкость содержит горн и боковую стенку, узел подачи твердых веществ, предназначенный для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, из места расположения источника твердых исходных материалов, находящегося на удалении от емкости, в эту емкость, узел подачи кислородсодержащего газа, предназначенный для подачи кислородсодержащего газа из места расположения источника кислородсодержащего газа, находящегося на удалении от емкости, в эту емкость, причем узел подачи кислородсодержащего газа включает узел ввода газа, содержащий множество трубок для ввода газа, предназначенных для ввода кислородсодержащего газа в емкость, которые проходят через отверстия в этой емкости, и узел каналов снабжения газом, проходящих от места расположения источника газа, находящегося на удалении от емкости, который предназначен для снабжения кислородсодержащим газом узла ввода газа, причем узел каналов снабжения газом содержит одну магистраль снабжения газом, соединенную с трубками для ввода газа, которая предназначена для подачи кислородсодержащего газа из места расположения источника газа в трубки для ввода газа, при этом магистраль снабжения газом расположена по высоте выше нижней половины емкости, узел каналов для отходящего газа, предназначенный для улучшения протекания отходящего газа из емкости, узел выпуска металла, предназначенный для выпуска расплавленного металла из ванны во время операции выплавки, и узел выпуска шлака, предназначенный для выпуска шлака из ванны во время операции выплавки.
2. Установка по п.1, в которой магистраль снабжения газом расположена выше соединения узла ввода газа с емкостью.
3. Установка по п.1, в которой магистраль снабжения газом представляет собой кольцевую магистраль, создающую замкнутый путь протекания газа внутри магистрали.
4. Установка по п.1, в которой магистраль снабжения газом выполнена в форме подковы.
5. Установка по п.1, в которой магистраль снабжения газом содержит один впуск для кислородсодержащего газа и множество выпусков для кислородсодержащего газа, при этом количество упомянутых выпусков соответствует количеству трубок для ввода газа.
6. Установка по п.5, в которой упомянутые выпуски для кислородсодержащего газа расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности емкости.
7. Установка по п.1, в которой трубки для ввода газа выполнены с возможностью отсоединения от узла каналов снабжения газом, а также удаления из емкости и замены сменными трубками.
8. Установка по п.1, в которой узел каналов снабжения газом содержит множество соединительных элементов, которые соединяют магистраль снабжения газом с трубками для ввода газа.
9. Установка по п.8, в которой соединительные элементы расположены соосно трубкам для ввода газа.
10. Установка по п.8, в которой каждый соединительный элемент содержит переходник с фланцами, проходящий от впускного конца одной трубки для ввода газа, и температурный компенсатор, один конец которого соединен с упомянутым переходником, а другой - с одним из выпусков магистрали снабжения газом.
11. Установка по п.1, в которой кислородсодержащий газ представляет собой воздух или обогащенный кислородом воздух.
12. Установка по п.1, в которой трубки для ввода газа проходят вниз и внутрь относительно магистрали снабжения газом.
13. Установка по п.1, в которой магистраль снабжения газом расположена на расстоянии от емкости, в результате чего между этой емкостью и магистралью снабжения газом существует зазор, позволяющий удалять через него трубки для ввода газа.
14. Установка по п.1, в которой боковая стенка емкости содержит нижнюю цилиндрическую секцию, верхнюю цилиндрическую секцию меньшего диаметра по сравнению с нижней секцией и переходную секцию, соединяющую между собой верхнюю и нижнюю секции.
15. Установка по п.14, в которой в переходной секции выполнены отверстия для трубок для ввода газа, и эти трубки проходят через упомянутые отверстия в емкость.
16. Установка по п.15, в которой переходная секция выполнена в форме усеченного конуса.
17. Установка по п.14, в которой магистраль снабжения газом расположена выше нижней цилиндрической секции емкости.
18. Установка по п.14, в которой магистраль снабжения газом расположена выше верхней цилиндрической секции емкости.
19. Установка по п.14, в которой магистраль снабжения газом расположена поблизости от верхней части верхней цилиндрической секции емкости.
20. Установка по п.19, в которой магистраль снабжения газом устанавливают таким образом, чтобы она располагалась снаружи по отношению к диаметру нижней цилиндрической части емкости.
