Установка для прямой выплавки
Изобретение относится к установке для прямой выплавки для производства расплавленного металла с использованием процесса прямой плавки с жидкой ванной с возможностью производства до двух миллионов тонн жидкого железа в год. Установка содержит фиксированную емкость, содержащую горн и боковую стенку, содержащую нижний цилиндрический участок, верхний цилиндрический участок, имеющий меньший диаметр, чем нижний участок, и переходный участок, который соединяет верхний и нижний участки. Емкость также содержит узел подачи твердых материалов для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, в емкость и узел подачи кислородсодержащего газа от источника кислородсодержащего газа, расположенного за пределами емкости, в емкость. При этом узел подачи кислородсодержащего газа содержит узел вдувания газа, содержащий множество фурм для вдувания кислородсодержащего газа в емкость, проходящих вниз сквозь отверстия в переходном участке боковой стенки емкости, и узел подачи газа, проходящий от источника газа, расположенного за пределами емкости, для подачи кислородсодержащего газа к узлу вдувания газа. 10 з.п. ф-лы, 12 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к установке прямой выплавки для получения расплавленного металла из металлсодержащего материала, например, из руды, частично восстановленной руды и металлсодержащих отходов.
Известный процесс прямой выплавки, основанный на ванне расплавленного металла, выполняющей роль реакционной среды, и обычно именуемый процессом HIsmelt, (High Intensity Smelting Process), раскрыт в международной заявке РСТ/AU96/00197 (WO 96/31627) настоящего заявителя. Содержание этой заявки включено в настоящее описание посредством ссылки.
Процесс HIsmelt, описанный в международной заявке в контексте производства расплавленного железа, содержит этапы, на которых:
(а) формируют ванну расплавленного железа и шлака в емкости для прямой выплавки;
(b) вводят в ванну (i) металлсодержащий исходный материал, обычно оксиды железа; и (ii) твердый углеродсодержащий материал, типично уголь, который действует как восстановитель оксидов железа и как источник энергии; и
(с) плавят металлсодержащий исходный материал для образования железа в слое металла.
Термин "выплавка" в настоящем описании означает термическую обработку, при которой происходят химические реакции восстановления оксидов металла для получения расплавленного металла.
Процесс HIsmelt также содержит этап дожигания реакционных газов, таких как СО и Н2, выходящих из ванны в пространство над ванной, с использованием кислородсодержащего газа, и переноса генерируемой при дожигании теплоты в ванну для дополнения тепловой энергии, имеющейся в распоряжении для плавки металлсодержащего исходного материала.
Процесс HIsmelt также содержит этап, на котором над номинальной статической поверхностью ванны формируют переходную зону, где возникает масса поднимающихся, а затем опускающихся капель, или брызг, или потоков расплавленного металла и/или шлака, которая является эффективной средой для переноса в ванну тепловой энергии, генерируемой путем дожигания реакционных газов над ванной.
В процессе HIsmelt исходный металлсодержащий материал и твердый углеродсодержащий материал подают в ванну расплава через множество фурм, которые наклонены относительно вертикали так, чтобы проходить вниз и внутрь через боковую стенку емкости для прямой выплавки и входить в нижнюю часть емкости, чтобы подавать по меньшей мере часть твердого материала в слой металла на дне емкости. Для поддержки дожигания реакционных газов в верхней части емкости в верхнюю часть емкости через проходящую вниз фурму вдувают горячий воздух, который может быть обогащен кислородом. Отходящий газ, образующийся в результате дожигания реакционных газов, отводится из верхней части емкости через трубопровод для отходящих газов. Емкость содержит футерованные панели с водяным охлаждением в боковых стенках и в своде, и вода непрерывно циркулирует через панели по непрерывному контуру.
Процесс HIsmelt позволяет производить большое количество расплавленного металла, например, железа, путем плавки в одной компактной емкости. Для этого необходимо транспортировать к емкости для прямой выплавки и из нее большие количества горячего газа, транспортировать к емкости большие количества металлсодержащего исходного материала, такого как железосодержащее сырье, транспортировать от емкости большие количества полученного расплавленного металла и шлака, получаемого в процессе, и создавать циркуляцию большого количества воды через панели водяного охлаждения - и все это в относительно ограниченном пространстве. Эти функции должны непрерывно выполняться в течение всей кампании плавки, которая желательно длится по меньшей мере 12 месяцев. Необходимо также обеспечить доступ и подъемно-транспортное оборудование для доступа к емкости и для подъема оборудования между кампаниями плавки.
Коммерческая установка, работающая по процессу HIsmelt, основанная на емкости диаметром 6 м (внутренний диаметр огнеупорного горна), была построена в Kwinana, Западная Австралия. Установка рассчитана на работу по процессу HIsmelt и на производство в емкости 800000 тонн расплавленного металла в год.
Авторами настоящего изобретения проводятся исследования и разработки для создания емкости для реализации процесса HIsmelt большей вместимости с возможностью производства посредством прямой выплавки до двух миллионов тонн жидкого железа в год.
Были выявлены некоторые проблемы при крупномасштабном производстве по процессу HIsmelt и создана альтернативная конструкция установки для прямой выплавки по процессу HIsmelt.
Настоящее изобретение относится к установке для прямой выплавки, являющейся конструкцией, альтернативной коммерческой установке для прямой выплавки по процессу HIsmelt, упомянутой выше.
Установка для прямой выплавки по настоящему изобретению также может использоваться для выполнения других процессов прямой выплавки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предлагается установка для прямой выплавки для получения расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала с использованием процесса прямой выплавки с использованием жидкой ванны, содержащая:
(а) фиксированную емкость для прямой выплавки для размещения ванны расплава металла и шлака, и газового пространства над ванной, при этом емкость содержит горн и боковую стенку, при этом боковая стенка содержит (i) нижний цилиндрический участок, (ii) верхний цилиндрический участок, имеющий меньший диаметр, чем нижний участок, и (iii) переходный участок, соединяющий верхний и нижний участки;
(b) узел подачи твердых материалов для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, от места хранения твердого исходного материала, расположенного вне емкости, в емкость;
(с) узел подачи кислородсодержащего газа для подачи содержащего кислород газа от источника кислородсодержащего газа, расположенного вне емкости, в емкость, при этом узел подачи кислородсодержащего газа содержит (i) узел вдувания газа, содержащий множество дутьевых фурм для вдувания кислородсодержащего газа в емкость, которые проходят вниз сквозь отверстия в переходном участке боковой стенки емкости, и (ii) узел подачи газа, проходящий от источника газа, расположенного вне емкости, для подачи кислородсодержащего газа к узлу вдувания газа;
(d) узел отвода отходящего газа для облегчения отвода потока отходящего газа из емкости;
(е) узел выпуска металла для выпуска расплавленного металла из рабочего пространства во время операции плавки и
(f) узел выпуска шлака для слива шлака из рабочего пространства во время операции плавки.
Дутьевые фурмы предназначены для вдувания кислородсодержащего газа в емкость для сжигания реакционных газов, таких как окись углерода и водород, выходящих из ванны, и для возврата теплоты в ванну.
Применение множества дутьевых фурм вместо одной фурмы позволяет использовать фурмы меньшего размера и веса, чем единственная фурма, обеспечивающая такой же расход газа, что и множество малых фурм. Следовательно, применение малых фурм позволяет решить конструктивные проблемы поддержки фурм и замены фурм, что может потребоваться во время кампании плавки в емкости. Единственная фурма для установки HIsmelt производительностью 800000 тонн весит около 50 тонн, а единственная фурма для установки HIsmelt производительностью 2 млн тонн весила бы около 90 тонн. Эквивалентное множество дутьевых фурм, как описано выше, весит приблизительно 20 тонн каждая. Кроме того, исследования, проведенные авторами, показали, что множество фурм обеспечивают эксплуатационные показатели, сравнимые с одной большой фурмой, обеспечивающей такой же расход газа.
Дутьевые фурмы могут содержать внутренний завихритель, являющийся частью конструкции фурм, и завихряющий вдуваемый в емкость кислородсодержащий газ. Внутренние завихрители усложняют и удорожают фурму, однако вдувание кислородсодержащего газа в емкость с завихрением не является существенным и, предпочтительно, фурмы вдувают кислородсодержащий газ в емкость в форме прямого потока газа без создания завихрений в точке вдувания. Исследования, проведенные авторами, показывают, что множество независимых завихряющих фурм не создают количества движения для генерирования переноса теплоты по сравнению с множеством незавихряющих фурм того же размера, создающих тот же расход газа. Кроме того, возможность осуществлять процесс прямой выплавки с незавихряющими фурмами существенно снижает сложность и расходы на изготовление фурм по сравнению с вариантом, при котором используются завихряющие фурмы.
Выбор количества дутьевых фурм в любой данной ситуации зависит от ряда факторов, включая размер и конфигурацию емкости, и эксплуатационные требования процесса, проводимого в емкости. Исследования, проведенные авторами, показали, что в ситуации, когда емкость рассчитана на производство 2 млн тонн расплавленного металла в год по процессу HIsmelt, предпочтительно использовать 3 или 4 фурмы.
Предпочтительно, положение дутьевых фурм выбирают так, чтобы вдувать кислородсодержащий газ в направлении проходящего вверх буруна, типично кольцевого буруна расплавленного материала, который формируется во время проведения процесса в емкости. Применение множества фурм вместо единственной фурмы является предпочтительным, с точки зрения обеспечения максимального взаимодействия кислорода с буруном и, более конкретно, с горючими газами, такими как оксид углерода и водород, высвобождаемыми из ванны, в особенности в буруне.
Предпочтительно, каждая дутьевая фурма расположена для направления потока газа вниз и наружу от центральной вертикальной части емкости.
Предпочтительно, каждая дутьевая фурма расположена для направления потока газа вниз и наружу к боковой стенке емкости. Такое расположение дутьевых фурм снижет риск сгорания реакционных газов, концентрирующихся в центральной области емкости, с возникающей при этом потерей теплоты непосредственно вверх из емкости с уходящим вверх отходящим газом.
Предпочтительно каждая дутьевая фурма направлена вниз в емкость и установлена под углом к вертикальной плоскости и радиальной плоскости емкости так, что направление потока газа от фурмы имеет радиальный и окружной компоненты.
Предпочтительно, каждая дутьевая фурма направлена вниз в емкость, и ось фурмы проходит в вертикальной плоскости, отходящей под углом 40-80° к радиальной плоскости в емкости, и ось фурмы проходит в вертикальной плоскости под углом 40-80° к горизонтали.
Предпочтительно, выпускной конец дутьевой фурмы расположен в емкости на окружности воображаемого круга, имеющего диаметр больше, чем диаметр верхнего цилиндрического участка боковой стенки конвертора.
Предпочтительно, каждая дутьевая фурма в емкости установлена путем
(а) позиционирования фурмы вертикально так, что конец фурмы находится в нужном положении и, затем,
(b) при фиксированном конце фурмы, поворотом фурмы на 30-40°, предпочтительно на 35°, в вертикальной плоскости, которая пересекает конец и перпендикулярна радиальной плоскости, пересекающей конец, и затем,
(с) при фиксированном конце, поворотом фурмы на 25-35°, предпочтительно на 30°, наружу к радиальной плоскости.
Предпочтительно, переходный участок имеет форму усеченного конуса.
Предпочтительно, отверстия для фурм для вдувания газа находятся на одинаковой высоте емкости и расположены с равномерными интервалами по периметру боковой стенки емкости.
Предпочтительно, металлсодержащий материал содержит железную руду.
Предпочтительно, углеродсодержащий материал содержит уголь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее следует более подробное описание примера настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где показано следующее.
Фиг. 1 и 2 - виды в перспективе с двух разных направлений, иллюстрирующие емкость для прямой выплавки и части системы отвода отходящего газа с трубопроводами, которые образуют часть одного варианта установки для прямой выплавки по настоящему изобретению.
Фиг. 3 - вид в перспективе емкости.
Фиг. 4 - вид сбоку емкости.
Фиг. 5 - вид сбоку емкости, иллюстрирующий расположение огнеупорных кирпичей внутри емкости.
Фиг. 6 - вид сбоку емкости, иллюстрирующий расположение фурм для подачи твердых материалов и фурм для вдувания в емкость горячего воздуха.
Фиг. 7 - сечение по линии А-А на фиг. 6.
Фиг. 8 - сечение по линии В-В на фиг. 6.
Фиг. 9 - схема, иллюстрирующая расположение фурм для подачи твердых материалов в емкость.
Фиг. 10 - схематический вид сверху отдельных компонентов емкости, иллюстрирующий структуры для установки фурм для подачи твердых материалов и фурм для вдувания горячего воздуха в емкость и извлечения этих фурм из емкости.
Фиг. 11 - вид сверху емкости.
Фиг. 12 - вид сверху емкости с удаленными трубопроводами для отходящего газа и системой вдувания горячего воздуха.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Установка для прямой выплавки, показанная на чертежах, пригодна, в частности, для плавки металлсодержащих материалов по процессу HIsmelt, описанному в международной заявке на патент РСТ/AU96/00197 (WO 96/31627).
Установка не ограничена плавкой металлсодержащего материала по процессу HIsmelt.
Нижеследующее описание приводится в контексте плавки мелких фракций железной руды для получения расплава железа по процессу HIsmelt.
Настоящее изобретение не ограничено производством расплава железа и распространяется на прямую выплавку любого металлсодержащего материала.
Нижеследующее описание фокусируется на емкости для прямой выплавки установки для прямой выплавки и на устройствах, таких как фурмы для вдувания твердых частиц и газа, которые непосредственно связаны с емкостью.
Установка для прямой выплавки также содержит другие устройства, включая устройства для подготовки подаваемых в емкость материалов, находящиеся перед емкостью, и устройства для переработки продукции (расплавленного металла, расплавленного шлака и отходящего газа), получаемой в емкости. Такие другие устройства подробно не описываются, поскольку они не являются предметом настоящего изобретения, но, тем не менее, образуют часть установки. Такие другие устройства описаны в других патентных заявках и патентах настоящего заявителя, и содержание таких заявок и патентов включено в настоящее описание посредством ссылки.
Как показано на чертежах, в контексте настоящего изобретения основными признаками варианта установки для прямой выплавки, показанной на чертежах, являются:
(а) фиксированная емкость 3 для прямой выплавки, содержащая ванну 41 расплавленного металла и газовое пространство 43 над ванной;
(b) узел подачи твердых материалов, содержащий 12 фурм 5а, 5b для вдувания твердых частиц исходного материала, включая металлсодержащий материал и углеродсодержащий материал, в емкость;
(с) узел подачи кислородсодержащего газа в емкость, содержащий:
(с)(i) узел вдувания газа в форме 4 дутьевых фурм 7 для вдувания кислородсодержащего газа в газовое пространство и/или в ванну в емкости; и
(с)(ii) узел подачи газа, содержащий кольцевую магистраль 9 и множество элементов 49, каждый из которых соединен с одной фурмой 7 для вдувания газа, соединяющих кольцевую магистраль 9 с фурмами 7 для вдувания газа для подачи кислородсодержащего газа, обычно воздуха, или воздуха, обогащенного кислородом, в фурмы 7 для вдувания газа; и
(d) узел отвода отходящего газа, содержащий два трубопровода 11 для отвода отходящего газа из емкости.
Со ссылками на фиг. 1, 2 и 10 далее уместно отметить, что установка для прямой выплавки также содержит каркасную конструкцию 89, сформированную из стальных балок, собранных друг с другом для формирования восьмиугольного внешнего периметра 91, восьмиугольного внутреннего периметра 93, и серию поперечин 95, соединяющих балки периметров. Конструкция 89 поддерживает кольцевую магистраль 9 узла подачи газа с помощью подвесов (не показаны). Конструкция также содержит множество платформ (не показаны), обеспечивающих доступ рабочих к емкости 3 на разных уровнях емкости 3.
Емкость 3 содержит (а) горн, который имеет основание 21 (дно) и боковые стенки 23, выполненные из огнеупорного кирпича, (b) боковую стенку 25, которая проходит вверх от горна, и (с) коробчатый свод 27.
Емкость 3, предназначенная для производства 2 млн тонн расплава железа в год, должна иметь диаметр горна (внутренний) приблизительно 8 м.
Боковая стенка 25 емкости 3 сформирована так, чтобы емкость содержала (а) нижний цилиндрический участок 29; (b) верхний цилиндрический участок 31, имеющий меньший диаметр, чем нижний участок 29, и (с) участок 33 в форме усеченного конуса, соединяющий два участка 29 и 31.
Из нижеследующего описания и чертежей очевидно, что три участка 29, 31 и 33 боковой стенки 25 емкости делят боковую стенку 25 на три отдельные зоны. Нижний участок 29 поддерживает фурмы 5а, 5b для вдувания твердых частиц. Участок 33 в форме усеченного конуса поддерживает фурмы 7 для вдувания газа. Наконец, верхний участок 33 по существу является камерой для отходящего газа, через которую отходящий газ выходит из емкости.
Боковая стенка 25 и свод 27 емкости 3 поддерживают множество панелей водяного охлаждения (не показаны), и установка содержит контур охлаждающей воды. Как показано на фиг. 5, верхний участок 33 содержит одинарные стальные панели, а нижний участок 29 содержит двойные стальные панели. Контур охлаждающей воды подает воду на панели охлаждения и удаляет из них нагретую воду, после этого утилизирует теплоту из нагретой воды перед тем, как вернуть воду в панели охлаждения.
Участок 33 в форме усеченного конуса боковой стенки 25 емкости 3 содержит отверстия 35 для фурм 7 вдувания газа. Отверстия 35 под фурмы содержат монтажные фланцы 37, и фурмы 7 крепятся на монтажные фланцы 37 и поддерживаются ими. Отверстия 35 под фурмы находятся на одном уровне емкости 3 и расположены с равными интервалами по периметру боковой стенки 25 емкости 3.
Как показано на фиг. 5, при использовании емкости 3 для плавки мелких фракций железной руды для получения расплава железа по процессу HIsmelt емкость 3 содержит ванну 41 расплава железа и шлака, которая содержит слой (не показан) расплавленного металла, находящийся в горне емкости 3, и слой (не показан) расплавленного шлака, расположенный на металлическом слое 22. Ванна 41 расплава, показанная на фиг. 5, находится в статическом состоянии, то есть, в условиях, при которых в емкость 3 не вдувают твердые частицы и газ. Типично, когда в емкости 3 осуществляют процесс HIsmelt для получения 2 млн тонн расплава железа в год, емкость 3 содержит 500 тонн расплава железа и 700 тонн расплава шлака.
Как показано на фиг. 3 и 4, емкость 3 также содержит два люка 45 для доступа в боковой части 23 пода, обеспечивающие доступ внутрь емкости 3 для футеровки или других ремонтных работ внутри нее.
Люки 45 выполнены в форме стальных плит, приваренных к боковым сторонам 23. Когда необходим доступ внутрь емкости 3, плиты срезают со стороны 23 горна и после завершения работ внутри емкости 3 на место приваривают новые плиты. Люки 45 находятся на одном уровне емкости 3. Люки 45 разнесены по меньшей мере на 90° друг от друга по окружности емкости 3. Такое расположение люков позволяет вводить внутрь емкости оборудование для разрушения огнеупорной стенки и разрушить существенную часть огнеупоров футерованной боковой стенки пока емкость еще в горячем состоянии. Кроме того, люки 45 выполнены достаточно большими, обычно 2,5 м в диаметре, что позволяет проходить внутрь емкости небольшому погрузчику или подобному оборудованию.
Как показано на фиг. 3, емкость 3 также имеет подобный люк 47 в своде 27 емкости 3, обеспечивающий доступ внутрь емкости 3 для замены футеровки или проведения других ремонтных работ внутри емкости 3.
При работе четыре фурмы 7 для вдувания газа узла вдувания газа вдувают обогащенный кислородом горячий воздух, поступающий от станции подачи горячего газа (не показана), расположенной на некотором расстоянии от восстановительной емкости 3. Станция подачи горячего газа содержит серию воздухонагревателей (газовых печей) (не показаны) и кислородную установку (не показана), позволяющую потоку обогащенного кислородом воздуха проходить через воздухонагреватели и входить в трубопровод 51 (фиг. 2 и 11) подачи горячего газа, который соединен с кольцевой магистралью 9. Альтернативно, кислород можно добавлять в поток воздуха после того, как он будет нагрет в кауперах.
Задачей фурм 7 является вдувание достаточного количества обогащенного кислородом горячего воздуха с достаточной скоростью, чтобы горячий воздух проникал в бурун, типично кольцевой бурун, расплавленного металла и шлака, который выступает вверх в емкости 3 как части процесса HIsmelt, и обогащенный кислородом горячий воздух сжигает горючие газы, такие как окись углерода и водород, высвобождаемые из ванны, в буруне. Сжигание горючих газов дает теплоту, которая переносится в ванну расплава, когда расплавленный металл и шлак движутся вниз в ванну.
Фурмы 7 для вдувания газа являются прямыми дутьевыми фурмами и не содержат завихрителей для завихрения обогащенного кислородом воздуха, текущего через фурмы. Как указано выше, исследования авторов показали, что фурмы 7 для вдувания газа, работающие без завихрителей, могут иметь эксплуатационные характеристики, сравнимые с характеристиками фурм с завихрителями.
Фурмы 7 для вдувания газа проходят вниз через имеющий форму усеченного конуса участок 33 боковой стенки 25 емкости 3 в верхнюю область емкости 3. Фурмы 7 расположены с равными интервалами на одном уровне по окружности имеющего форму усеченного конуса участка 33. Фурмы 7 расположены так, чтобы проходить вниз и наружу для вдувания горячего воздуха к нижнему участку 29 боковой стенки 25. Важно отметить, что нежелательно допускать контакт обогащенного кислородом горячего газа с боковой стенкой 25 емкости, поскольку высокая температура, генерируемая при сгорании у боковой стенки, нежелательна, с точки зрения срока службы емкости. Следовательно, фурмы 7 расположены так, что концы 53 фурм 7 являются точками на горизонтальной окружности.
Вышеописанное направленное вниз и наружу вдувание обогащенного кислородом газа также желательно, с точки зрения предотвращения сгорания реакционных газов, таких как оксид углерода, в центральной вертикальной части емкости, в целом обозначенной позицией 139 на фиг. 5, с получаемой в результате потерей теплоты с газом, отходящим по трубопроводам 11 для отходящего газа.
Как лучше всего видно на фиг. 3, кольцевая магистраль 9 узла подачи газа является круглым трубопроводом, расположенным над емкостью 3. Как описано выше, кольцевая магистраль 9 соединена с трубопроводом 51 подачи горячего газа и принимает из этого трубопровода 51 воздух, обогащенный кислородом.
Кольцевая магистраль 9 имеет 4 выпускных патрубка 65.
Соединительные элементы 49 узла подачи газа соединяют друг с другом кольцевую магистраль и фурмы 7 для вдувания газа.
Горячий соединительный элемент 49 для каждой фурмы 7 вдувания газа содержит переходник 61, который проходит от конца фурмы 7, и температурный компенсатор 63, который соединен одним концом с переходником 61, а вторым концом - с выпускным патрубком 65 кольцевой магистрали 9.
При работе фурмы 7 для вдувания газа получают поток обогащенного кислородом воздуха через кольцевую магистраль 9 и соединительные элементы 49, которые соединяют фурмы 7 с кольцевой магистралью 9. Кольцевая магистраль подает одинаковый объем горячего воздуха на каждую фурму 7.
Как показано на фиг. 6 и 8, положение каждой фурмы 7 для вдувания газа в емкость 3 можно теоретически задать следующим образом:
(а) установить фурму вертикально так, чтобы конец 53 фурмы находился в требуемом положении, показанном круглыми пиктограммами 55 на фиг. 6 и 8, а затем
(b) при фиксированном конце 53 фурмы повернуть фурму на 35° в вертикальной плоскости, которая пересекает конец 53 фурмы и проходит перпендикулярно к радиальной плоскости, которая пересекает конец 53 фурмы, и затем
(с) при фиксированном конце 53 фурмы повернуть фурму на 30° наружу, в радиальной плоскости.
Фурмы 7 для вдувания газа выполнены с возможностью демонтажа с емкости 3.
Более конкретно, каждую фурму 7 можно извлечь, отсоединив переходник 61 и температурный компенсатор 63 соответствующего соединительного элемента 49 от каждой фурмы 7 и кольцевой магистрали 9, после чего следует отвинтить болты фурмы 7 от фланца 37 отверстия 35 под фурму в имеющем форму усеченного конуса участке 33 боковой стенки 25 и, затем, следует соединить фурму 7 с мостовым краном (не показан) и поднять фурму 7 вверх из отверстия 35.
Новую фурму 7 можно вставить в емкость 3 в порядке, обратном описанному в предыдущем параграфе.
12 фурм 5а, 5b для вдувания твердых частиц узла подачи твердых частиц проходят вниз и внутрь сквозь отверстия (не показаны) нижнего участка 29 боковой стенки 25 емкости 3 и входят в слой шлака (не показан) жидкой ванны 41. Фурмы 5а, 5b расположены так, что концами этих фурм являются точки на воображаемой горизонтальной окружности. Боковая стенка 25 содержит монтажные фланцы 69, и фурмы 5а, 5b установлены на этих фланцах 69 и поддерживаются ими.
Как показано на фиг. 7 и 9, фурмы 5а, 5b для вдувания твердых частиц содержат (а) 8 фурм 5а для вдувания мелких фракций железной руды и флюсов в емкость 3 и (b) 4 фурмы 5b для вдувания твердых частиц углеродсодержащего материала и флюсов в емкость 3.
Твердые частицы захватываются потоком обедненного кислородом газа-носителя. Все фурмы 5а, 5b имеют одинаковый внешний диаметр и расположены на одном уровне емкости 3. Фурмы 5а, 5b расположены с одинаковыми интервалами по окружности нижнего участка 29 боковой стенки 25 и расположены так, что фурмы 5а вдувания железной руды расположены парами, и между каждой соседней парой фурм 5а для вдувания железной руды расположена фурма 5b для вдувания угля. Спаривание фурм 5а для вдувания горячей железной руды в емкость облегчает доступ к трубопроводам вокруг емкости.
При работе фурмы 5а для вдувания железной руды получают горячие мелкие фракции железной руды и флюсы через систему вдувания горячей руды, а фурмы 5b вдувания угля получают уголь и флюсы через систему вдувания углеродсодержащего материала во время операции плавки.
Как показано на фиг. 9, система вдувания горячей руды содержит подогреватель (не показан) для нагрева мелких фракций железной руды и систему транспортировки горячей руды, которая содержит серию магистральных подающих линий 73 и пары отводных линий 75 для каждой пары фурм 5а, для вдувания железной руды, а также источник газа-носителя для транспортировки мелких фракций горячей руды в емкость 3 при температуре порядка 680°С.
Как показано на фиг. 9, система вдувания углеродсодержащего материала/флюсов содержит одну подающую линию 77 для каждой фурмы 5b вдувания угля.
Внешний диаметр линий 75 подачи угля типично составляет менее 40-60% от внешнего диаметра отводных линий 75 для подачи горячей руды. Хотя внутренние диаметры фурм 5а, 5b предпочтительно одинаковы, необходимость изолировать линии 75 подачи горячей руды и отводные линии 77 подачи горячей руды существенно увеличивает внешний диаметр этих линий. Типично, отводные линии 75 подачи горячей руды имеют одинаковый внешний диаметр 400-600 мм, а линии 77 подачи угля имеют одинаковый внешний диаметр 100-300 мм. В одном конкретном примере отводные линии 75 подачи горячей руды имеют внешний диаметр 500 мм, а линии 77 подачи угля имеют внешний диаметр 200 мм.
Фурмы 5а, 5b вдувания твердых частиц выполнены с возможностью демонтажа с емкости 3.
Более конкретно, узел подачи твердых частиц содержит узел для поддержки каждой фурмы 5а, 5b вдувания твердых частиц при извлечении фурм из емкости и при установке новых фурм в емкость 3. Поддерживающий узел для каждой фурмы 5а, 5b содержит удлиненную направляющую (не показана), проходящую вверх от боковой стенки 25 емкости 3, каретку (не показана), выполненную с возможностью перемещения по направляющей, и привод каретки (не показан), выполненный с возможностью перемещать каретку по направляющей, при этом каретка может соединяться с фурмами 5а, 5b для поддержки фурм на направляющей и перемещения их вверх и вниз при работе привода каретки и, тем самым, их извлечения из емкости 3. Узел поддержки описан в международных заявках РСТ/2005/001101 и РСТ/AU2005/01103 на имя настоящего заявителя, и содержание этих заявок включено в настоящее описание посредством ссылки.
Как следует из вышеприведенного описания, установка для прямой выплавки позволяет извлекать и заменять 16 фурм, включая 4 фурмы 7 вдувания газа и 12 фурм 5а, 5b для вдувания твердых частиц. Емкость 3 является относительно компактной. Компактность емкости 3 и положение кольцевой магистрали 9 и газовых трубопроводов 11 относительно емкости 3 налагает строгие пространственные ограничения на функцию извлечения и замены фурм 7, 5а и 5b.
Как показано на фиг. 10, для облегчения извлечения и замены фурм 7, 5а и 5b установка для прямой выплавки содержит множество проходящих вертикально зон доступа мостового крана.
Зоны 97а доступа находятся за периметром кольцевой магистрали 9 и внутри внешнего периметра 91 конструкции 89. Всего имеется 12 зон 97а доступа, соответствующих 12 фурмам 5а и 5b. Зоны 97а доступа позволяют извлекать и заменять фурмы 5а и 5b для вдувания твердых частиц.
Зоны 97b доступа расположены внутри кольцевой магистрали 9. Всего имеется 4 зоны доступа 97b, в соответствии с 4 фурмами 7 для вдувания газа. Зоны 97b доступа позволяют извлекать и заменять фурмы 7 для вдувания газа.
Пара трубопроводов 11 для отходящего газа узла отвода отходящего газа позволяет газам, образующимся в процессе HIsmelt, проводимом в емкости 3, выходить из емкости 3 для дальнейшей переработки перед выпуском в атмосферу.
Как указано выше, в процессе HIsmelt предпочтительно используют воздух или воздух, обогащенный кислородом, и поэтому в этом процессе генерируется значительное количество отходящего газа, что требует использования трубопроводов 11 для отходящего газа относительно большого диаметра.
Трубопроводы 11 для отходящего газа отходят от верхнего участка 31 боковой стенки 25 под углом 7° к горизонтали.
Как лучше всего видно на фиг. 11 и 12, трубопроводы 11 для отходящего газа в плане образуют V-образную форму. Продольные оси Х трубопроводов 11 отходящего газа образуют угол 66,32°. Трубопроводы 11 для отходящего газа расположены так, что центральные оси Х трубопроводов 11 пересекаются в точке 101 на радиальной линии L, которая отходит от центральной вертикальной оси 105 емкости 3. Другими словами, оси Х трубопроводов 11 для отходящего газа не являются радиусами, отходящими от центральной вертикальной оси 105 емкости 3.
Как показано на фиг. 1 и 2, установка для прямой выплавки содержит колпак 107 для отходящего газа, соединенный с каждым трубопроводом 11 для охлаждения газа, выходящего из емкости 3. Охлаждающие колпаки 107 проходят вертикально вверх от выпускных концов трубопроводов 11 для отходящего газа. Охлаждающие колпаки 107 охлаждают газ, выходящий из емкости 3 путем теплообмена с водой/паром, проходящим через колпаки до температуры порядка 900-1100°С.
Как далее показано на фиг. 1 и 2, установка для прямой выплавки также содержит отдельные очистители (скрубберы) 109 отходящего газа, соединенные с каждым охлаждающим колпаком 107 для удаления из охлажденного отходящего газа твердых частиц. Дополнительно, каждый охлаждающий колпак 107 соединен с клапаном-регулятором потока (не показан), который управляет потоком отходящего газа из емкости и через охлаждающий колпак 107. Клапаны-регуляторы потока могут быть встроены в скрубберы 109 отходящего газа.
Как далее показано на фиг. 1 и 2, установка для прямой выплавки также содержит один охладитель 111 отходящего газа, соединенный с обоими скрубберами 109. При работе охладитель 111 получает потоки промытого отходящего газа от обоих скрубберов 109 и охлаждает отходящий газ до температуры порядка 25-40°С.
При работе охлажденный отходящий газ из охладителя 111 перерабатывается по мере необходимости, например, используется как топливный газ в воздухонагревателях (не показаны) или рекуперативном бойлере (не показан) для утилизации химической энергии отходящего газа, и после этого выпускается в атмосферу как чистый отходящий газ.
Установка для прямой выплавки также содержит узел разливки металла, который содержит копильник 13 для непрерывного выпуска расплава железа из емкости 3. Горячий металл, полученный во время операции плавки, выпускается из емкости 3 через копильник 13 и выпускной желоб (не показан), соединенный с копильником 13. Выходной конец желоба для горячего металла расположен над площадкой для ковшей (не показана) для подачи расплавленного металла вниз в ковши, расположенные на площадке.
Установка для прямой выплавки также содержит концевое устройство для выпуска металла для выпуска расплавленного железа в конце операции плавки из нижней части емкости 3 и для транспортировки расплавленного железа от емкости 3. Концевое устройство для выпуска металла содержит множество выпускных отверстий 15 в емкости 3.
Установка для прямой выплавки также содержит устройство для периодического выпуска расплавленного шлака из нижней части емкости 3 и для транспортировки шлака от емкости 3 во время операции плавки. Устройство выпуска шлака содержит множество шлаковых леток 17 в емкости 3.
Установка прямой плавки также содержит концевое устройство выпуска шлака из емкости 3 в конце операции плавки. Концевое устройство выпуска шлака содержит множество шлаковых леток 19 в емкости 3.
В операции плавки по процессу HIsmelt мелкие фракции железной руды и соответствующий газ-носитель, а также уголь и соответствующий газ-носитель вдувают в ванну расплава через фурмы 5а и 5b. Импульс твердых материалов и газа-носителя заставляет твердые материалы проникать в слой металла в жидкой ванне 41. Из угля выделяются летучие компоненты, и поэтому в слое металла образуется газ. Углерод частично растворяется в металле и частично остается в форме твердого углерода.
Мелкие фракции железной руды плавятся, давая расплав железа, и при реакции плавки образуется оксид углерода. Расплав железа непрерывно выпускают из емкости 3 через копильник 13.
Расплавленный шлак периодически выпускают из емкости 3 через шлаковые летки 17.
Газы, которые были внедрены в слой металла и образовались в реакциях удаления летучих компонентов и плавки, за счет подъемной силы создают направленное вверх движение расплавленного металла, твердого углерода и шлака (попавшего в слой металла вследствие вдувания твердых частиц и газа) из слоя металла, что создает направленное вверх движение брызг, капель и потоков расплавленного металла и шлака, и эти брызги, капли и потоки захватывают за собой шлак, когда они движутся сквозь слой шлака. Подъем металла, твердого углерода и шлака за счет подъемной силы приводит к существенному перемешиванию слоя шлака, в результате чего слой шлака увеличивается в объеме. Кроме того, направленное вверх движение брызг, капель и струй расплавленного металла и шлака, созданное выталкивающей силой расплавленного металла, твердого углерода и шлака, доходит до пространства над ванной расплава и образует вышеописанный бурун.
Вдувание кислородсодержащего газа в бурун через фурмы 7 приводит к дожиганию в емкости 3 реакционных газов, таких как оксид углерода и водород. Теплота, генерируемая при дожигании, переносится в ванну расплава, когда расплавленный материал падает обратно в ванну.
Отходящий газ, образующийся при дожигании реакционных газов в емкости 3, отводится из емкости 3 через трубопроводы 11.
В описанный выше вариант настоящего изобретения могут быть внесены многочисленные модификации, не выходящие за пределы изобретательской идеи и объема изобретения.
Например, хотя в вышеописанном варианте используются два трубопровода 11 для отходящего газа, настоящее изобретение не ограничивается этим количеством трубопроводов 11 и распространяется на любое подходящее количество трубопроводов 11 для отходящего газа.
Дополнительно, хотя описанный выше вариант содержит кольцевую магистраль 9 для подачи кислородсодержащего газа к фурмам 7, настоящее изобретение не ограничивается такой конструкцией и распространяется на любую подходящую систему подачи газа.
Дополнительно, хотя описанный выше вариант настоящего изобретения содержит 4 фурмы для вдувания газа, настоящее изобретение не ограничивается этим количеством и расположением фурм 7 и распространяется на любое подходящее количество и расположение фурм 7.
Дополнительно, хотя описанный выше вариант настоящего изобретения содержит 12 фурм 5а, 5b для вдувания твердых материалов, при этом 8 фурм 5а предназначены для вдувания железной руды и расположены парами, а остальные 4 фурмы 5b предназначены для вдувания угля, настоящее изобретение не ограничивается этим количеством и вариантом расположения фурм 5а и 5b.
Дополнительно, хотя описанный выше вариант настоящего изобретения содержит копильник 13 для непрерывного выпуска расплавленного железа из емкости 3, настоящее изобретение не ограничивается применением копильника и непрерывным выпуском расплавленного железа.
1. Установка для прямой выплавки для производства расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала с использованием процесса прямой плавки с жидкой ванной, содержащая (а) фиксированную емкость для прямой выплавки, вмещающую ванну расплавленного металла и шлака и газовое пространство над ванной, при этом емкость содержит горн и боковую стенку, при этом боковая стенка содержит (i) нижний цилиндрический участок, (ii) верхний цилиндрический участок, имеющий меньший диаметр, чем нижний участок, и (iii) переходный участок, который соединяет верхний и нижний участки, (b) узел подачи твердых материалов для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, от источника твердого исходного материала, расположенного за пределами емкости, в емкость, (с) узел подачи кислородсодержащего газа для подачи кислородсодержащего газа от источника кислородсодержащего газа, расположенного за пределами емкости, в емкость, при этом узел подачи кислородсодержащего газа содержит (i) узел вдувания газа, содержащий множество фурм для вдувания кислородсодержащего газа в емкость, проходящих вниз сквозь отверстия в переходном участке боковой стенки емкости, и (ii) узел подачи газа, проходящий от источника газа, расположенного за пределами емкости, для подачи кислородсодержащего газа к узлу вдувания газа, (d) узел отвода отходящего газа для обеспечения потока отходящего газа из емкости, (е) узел выпуска металла для выпуска расплавленного металла из рабочего пространства во время операции плавки, и (f) узел выпуска шлака для выпуска шлака из рабочего пространства во время операции плавки.
2. Установка по п.1, в которой каждая фурма для вдувания газа расположена для направления потока газа вниз и наружу от центральной вертикальной части емкости.
3. Установка по п.1, в которой каждая фурма для вдувания газа расположена для направления потока газа вниз и наружу к боковой стенке емкости.
4. Установка по п.1, в которой каждая фурма для вдувания газа расположена так, что фурма направлена вниз в емкость и расположена под углом к вертикальной плоскости и радиальной плоскости в емкости так, что направление потока газа от фурмы имеет радиальный и окружной компоненты.
5. Установка по п.1, в которой каждая фурма для вдувания газа направлена вниз в емкость и ось фурмы проходит в вертикальной плоскости, под углом 40-80° к радиальной плоскости в емкости, при этом ось фурмы проходит в вертикальной плоскости под углом 40-80° к горизонтали.
6. Установка по п.1, в которой выпускной конец каждой фурмы для вдувания газа расположен в емкости на воображаемой окружности, диаметр которой больше диаметра верхнего цилиндрического участка боковой стенки емкости.
7. Установка по п.1, в которой положение каждой фурмы для вдувания газа внутри емкости установлено (а) путем позиционирования фурмы вертикально, при этом конец фурмы находится в требуемом положении, затем (b) при фиксированном конце фурмы путем поворота фурмы на 30-40°, более предпочтительно на 35°, в вертикальной плоскости, которая пересекает конец фурмы и проходит перпендикулярно к радиальной плоскости, которая пересекает конец фурмы, и затем (с) при фиксированном конце фурмы путем поворота фурмы на 25-35°, более предпочтительно на 30°, наружу в радиальной плоскости.
8. Установка по п.1, в которой переходный участок имеет форму усеченного конуса.
9. Установка по п.1, в которой отверстия под фурмы для вдувания воздуха расположены на одном уровне емкости и расположены с равными интервалами по периметру боковой стенки емкости.
10. Установка по п.1, в которой металлсодержащий материал содержит железную руду.
11. Установка по п.1, в которой углеродсодержащий материал содержит уголь.
