Способ запуска плавильного процесса

Изобретение относится к способу запуска плавления металлосодержащего загрузочного материала в плавильном устройстве для производства металла, содержащем плавильный сосуд, содержащий основную камеру для вмещения плавильной ванны, копильник для выгрузки расплавленного металла из основной камеры во время плавильного процесса, и соединительный элемент, соединяющий основную камеру и копильник. Для осуществления безопасного запуска осуществляют следующее. Предварительно нагревают основную камеру, копильник и соединительный элемент и заливают загрузочный горячий металл в основную камеру через копильник. Затем начинают подавать холодный содержащий кислород газ и холодный углеродистый материал в основную камеру в течение максимум 3 часов после завершения загрузки горячего металла и воспламенения углеродистого материала, и нагревают основную камеру и расплавленный металл в основной камере. Непрерывно подают содержащий кислород газ и углеродистый материал в основную камеру и сжигают углеродистый материал, нагревают основную камеру и расплавленный металл в основной камере в течение по меньшей мере 10 минут и начинают подавать металлосодержащий материал в основную камеру для инициирования производства металла. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способу запуска процесса для плавления металлоносного материала.

Термин «металлоносный материал» в данном документе понимается таким, что содержит твердый загрузочный материал и расплавленный загрузочный материал. Термин также включает в свой объем частично восстановленный металлоносный материал.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится, в частности, хотя никоим образом не исключительно, к способу запуска плавильного процесса на основе плавильной ванны для производства расплавленного металла из металлоносного загрузочного материала в плавильном сосуде, который имеет сильный фонтан ванны/шлака, создаваемый газовыделением в плавильной ванне, причем газовыделение, по меньшей мере, частично является результатом выхода летучих веществ углеродистого материала в плавильной ванне.

В частности, хотя никоим образом не исключительно, настоящее изобретение относится к способу запуска процесса для плавления железосодержащего материала, такого как железная руда, и производства железа.

Настоящее изобретение относится, в частности, хотя никоим образом не исключительно, к способу запуска плавильного процесса в плавильном сосуде, который содержит основную камеру для плавления металлоносного материала.

Известный плавильный процесс на основе плавильной ванны, обычно называемый процессом HIsmelt, описан в значительном количестве патентов и патентных заявок на имя заявителя.

Другой плавильный процесс на основе плавильной ванны, называемый далее в данном документе процессом HIsarna, описан в международной заявке PCT/AU 99/00884 (WO 00/022176) на имя заявителя.

Процесс HIsmelt и процесс HIsarna связаны, в частности, с производством расплавленного чугуна из железной руды или другого железосодержащего материала.

Процесс HIsarna выполняется в плавильном устройстве, которое содержит (а) плавильный сосуд, который содержит основную плавильную камеру и трубки для ввода твердых загрузочных материалов и содержащего кислород газа в основную камеру, и приспособлен содержать ванну расплавленного металла и шлака, и (b) плавильный циклон для предварительной обработки металлоносного загрузочного материала, который располагается над плавильным сосудом и сообщается прямо с ним.

Термин «плавильный циклон» в данном документе понимается как обозначающий сосуд, который обычно определяет вертикальную цилиндрическую камеру и сконструирован так, что загрузочные материалы, подаваемые в камеру, перемещаются по пути вокруг вертикальной центральной оси камеры и могут выдерживать высокие рабочие температуры, достаточные для того, чтобы, по меньшей мере, частично плавить металлоносные загрузочные материалы.

В одной форме процесса HIsarna углеродистый загрузочный материал (как правило, уголь) и необязательно флюс (как правило, обожженный известняк) вводятся в плавильную ванну в основной камере плавильного сосуда. Углеродистый материал предоставляется как источник восстановителя и источник энергии. Металлоносный загрузочный материал, такой как железная руда, необязательно смешивается с флюсом, вводится в и нагревается, и частично плавится, и частично восстанавливается в плавильном циклоне. Этот расплавленный, частично восстановленный металлоносный материал течет вниз из плавильного циклона в плавильную ванну в плавильном сосуде и расплавляется в расплавленный металл в ванне. Горячие реакционные газы (как правило, СО, СО₂, Н₂ и Н₂О), произведенные в плавильной ванне, частично сжигаются содержащим кислород газом (как правило, техническим кислородом) в верхней части основной камеры. Тепло, генерируемое дожиганием, передается расплавленным каплям в верхней части, которые падают обратно в плавильную ванну, чтобы поддерживать температуру ванны. Горячие, частично сгоревшие реакционные газы текут вверх из основной камеры и входят в нижнюю часть плавильного циклона. Содержащий кислород газ (как правило, технический кислород) вводится в плавильный циклон через фурмы, которые расположены таким образом, чтобы генерировать циклоническую вихревую структуру в горизонтальной плоскости, т.е. около вертикальной центральной оси камеры плавильного циклона. Это введение содержащего кислород газа ведет к дальнейшему сгоранию газов плавильного сосуда, давая в результате очень горячее (циклоническое) пламя. Хорошо разделенный поступающий металлоносный загрузочный материал вносится пневматически в это пламя через фурмы в плавильном циклоне, что приводит к быстрому нагреванию и частичному расплавлению, сопровождающемуся частичным восстановлением (примерно 10-20% восстановление). Восстановление происходит вследствие как термической декомпозиции гематита, так и восстановительного действия СО/Н₂ в реакционных газах из основной камеры. Горячий, частично расплавленный металлоносный загрузочный материал выбрасывается наружу на стенки плавильного циклона циклоническим вихревым действием и, как описано выше, течет вниз в плавильный сосуд ниже для плавления в основной камере сосуда.

Совокупный эффект вышеописанной формы процесса HIsarna представляет собой двухэтапный противоточный процесс. Металлоносный загрузочный материал нагревается и частично восстанавливается реакционными газами, выходящими из плавильного сосуда (с добавлением содержащего кислород газа) и течет вниз в плавильный сосуд и расплавляется в расплавленный чугун в плавильном сосуде. В общем смысле противоточное устройство увеличивает продуктивность и энергоэффективность.

Описание выше не следует принимать как признание общеизвестных знаний в Австралии или где-либо еще.

Заявитель предложил, чтобы процесс HIsarna и версия процесса HIsmelt с подачей кислорода запускались в плавильном сосуде путем подачи горячего металла (из внешнего источника) в основную камеру сосуда посредством копильника сосуда, начиная подачу содержащего кислород газа (как правило, технического кислорода) и твердого углеродистого материала (как правило, угля) и генерируя тепло в основной камере. Этот способ горячего запуска генерирует тепло посредством спонтанного воспламенения горючего материала в основной камере. Заявитель предложил, чтобы после этого начального этапа в способе горячего запуска следовало добавление образующих шлак агентов и, позже, добавление металлоносного загрузочного материала (такого как железистый материал, как, например, железная руда) в основную камеру.

В опытных производственных испытаниях для процесса HIsarna, которые основывались на холодном техническом кислороде как содержащем кислород газе, угле как твердом углеродистом материале и мелких частицах железной руды как металлоносном материале, заявитель обнаружил, что такой запуск при определенных условиях может потерпеть неудачу. Было обнаружено, что, непреднамеренно допуская длительный период времени между загрузкой горячего металла и введением кислорода/угля в основную камеру плавильного сосуда, воспламенение угля-кислорода может потерпеть неудачу, несмотря на тот факт, что незадолго до этого свежий горячий металл был налит в основную камеру. Это приводило к тому, что несгоревшая смесь угля и кислорода покидала плавильный сосуд, а это, в свою очередь, приводилок взрыву угольной пыли в утилизационном котле ниже по ходу процесса.

Заявитель считает, что такого типа ситуацию нужно избегать, поскольку она может привести к серьезным травмам и/или повреждению оборудования. В результате такой неудачи запуска для непосредственного наблюдения за тем, что вызывает несрабатывание воспламенения, заявитель затем установил в плавильном сосуде камеру.

Видео материалы показали, что, когда горячий металл наливают в основную камеру плавильного сосуда, образуются спонтанные искры и маленькие брызги горячего металла, которые легко могут воспламенить смесь холодного кислорода-угля в основной камере. Тем не менее, по прошествии времени на поверхности горячего металла образуется тонкий слой шлака, и брызжение горячего металла постепенно исчезает. В конце концов, металл полностью покрывается шлаковой коркой, и брызжение металла прекращается. Если при таких условиях подавать кислород и уголь, то считается, что воспламенение может потерпеть неудачу.

Считается, что шлак образуется от двух источников: (1) оставшийся шлак в основной камере плавильного сосуда от предыдущих операций, например, предыдущих операции плавления, и (2) окисление определенных частиц металла (в частности, кремния) в горячем металле. Степень, до которой возможно появление последнего, представляет собой функцию того, насколько много кремния присутствует в загрузке металла и, в случае, когда содержание кремния намеренно увеличено для запуска, этот эффект может усиливаться. Важным практическим заключением является то, что слой шлака может образовываться всегда, и в способе безопасного запуска эта возможность должна учитываться.

Образование слоя шлака зависит от геометрии сосуда, температуры/состава загрузки металла и условий в сосуде (например, толщины существующих слоев затвердевания на боковых стенках сосудов). Когда горячий металл наливают в основную камеру плавильного сосуда, возникает моментальная потеря тепла из-за излучения от относительно неподвижной поверхности ванны на боковые стенки основной камеры, которая расположена над горячим металлом. Эти боковые стенки могут представлять собой огнеупорные стенки. В случае плавильного сосуда конкретного назначения для заявителя, боковые стенки содержат панели водяного охлаждения. Металл, благодаря высокой плотности и относительно низкой вязкости при этих условиях, стремится циркулировать в себе. Это предотвращает любую возможность образования затвердевающей или высоковязкой однородной корки на его верхней поверхности. Шлак, с другой стороны, стремится перетекать как более или менее однородный тонкий слой поверх металла. Поскольку он теряет тепло из-за излучения, его вязкость повышается и он становится липким. При таких условиях сверху горячего металла эффективно образуется изолирующая шлаковая корка (по существу изолирующий поверхностный слой). Заявитель считает, что это является ключевым механизмом, связанным со способностью шлака препятствовать воспламенению кислорода-угля в условиях запуска. Это зависящий от времени механизм.

Для безопасной работы установки важным является понимание временных рамок, связанных с образованием этой шлаковой корки. Для опытных производственных испытаний, описанных здесь, диаметр ванны (с металлом) составил приблизительно 2,6 м, а верхнее пространство было образовано целиком из панелей водяного охлаждения в боковых стенках и верхней стенке плавильного сосуда. Дополнительный (жертвенный) литой/из торкретбетона огнеупорный слой в то время был представлен на водяных панелях. В испытаниях, касающихся неудачного запуска (ведущих к взрыву угольной пыли), металл загружался в основную камеру сосуда и для начала процесса посредством кислорода и угля в основной камере было осуществлено 7 отдельных попыток. Из них 6 было осуществлено в течение первых 2 часов после загрузки, и каждый раз можно было увидеть, что воспламенение действительно имело место (из данных тепловой нагрузки водяной панели и состава газа), однако попытка запуска вслед за этим потерпела неудачу по причинам не связанным с воспламенением. 7-ая (и последняя) попытка была осуществлена приблизительно в течение 2,5 часов после завершения загрузки горячего металла. Это та попытка, которая привела к окончательной неудаче воспламенения и вызвала взрыв угольной пыли.

Для этого конкретного случая плавления, оказалось, что временное окно «безопасного» воспламенения составило приблизительно 1-2 часа после завершения загрузки горячего металла (во время которого может надлежащим образом обеспечиваться спонтанное воспламенение кислорода и угля). Свыше этого, безопасное воспламенение не обеспечивается и необходимо осуществить альтернативный способ холодного запуска. Способ холодного запуска описывается в сопутствующей международной заявке под названием «Запуск плавильного процесса», поданной на имя заявителя в тот же день, что и данная международная заявка для настоящего изобретения.

Применение этого особого временного окна для других плавильных установок необходимо осуществлять с осторожностью, исходя из учета факторов, описанных выше (геометрия сосуда, условия загрузки металла и др.).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ запуска плавильного процесса согласно настоящему изобретению применим для запуска любого плавильного процесса на основе плавильной ванны, когда загрузка свежего горячего металла добавляется как часть запуска из состояния, когда сосуд пустой.

Согласно настоящему изобретению предоставляется способ запуска процесса на основе плавильной ванны для плавления металлоносного загрузочного материала в плавильном устройстве, при этом устройство содержит плавильный сосуд, который содержит основную камеру для вмещения плавильной ванны, копильник для разгрузки расплавленного металла из основной камеры во время плавильного процесса, и соединение копильника, которое соединяет основную камеру с копильником, и при этом способ включает этапы:

(а) предварительного нагревания основной камеры, копильника и соединения копильника;

(b) заливки загрузки горячего металла в основную камеру через копильник;

(c) начала подачи холодного содержащего кислород газа и холодного углеродистого материала в основную камеру в течение самое большее 3 часов после завершения загрузки горячего металла, воспламенения углеродистого материала и нагревания основной камеры и расплавленного металла в основной камере;

(d) непрерывной подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру, и сжигания углеродистого материала, и нагревания основной камеры и расплавленного металла в основной камере в течение периода времени, составляющего по меньшей мере 10 минут; и

(e) начала подачи металлоносного материала в основную камеру, чтобы инициировать производство металла.

Посредством объяснения верхнего предела времени воспламенения, составляющего 3 часа на этапе (с), как было описано выше, верхний предел времени, составляющий 2 часа, для безопасного воспламенения, полученный из опытных производственных испытаний подвергался различным факторам, связанным с размером и условиями работы опытной установки. Учитывая эти факторы для опытной установки и рассматривая факторы, которые являются важными для других плавильных установок на основе плавильной ванны, заявитель пришел к заключению, что при условиях, отличных от тех, которые используются в опытной установке, этот временной период для безопасного воспламенения может растягиваться до 3 часов в других плавильных установках.

Термин «холодный» в контексте содержащего кислород газа понимается в данном документе означающим холодный в том смысле, что газ имеет температуру ниже требующейся для спонтанного воспламенения смеси углеродистого материала и содержащего кислород газа (т.е. ниже примерно 700-800°C в случае угле-кислородной смеси).

Термин «холодный» в контексте углеродистого материала понимается в данном документе означающим твердый материал с температурой ниже 150°C.

Способ может включать проверку воспламенения содержащего кислород газа и углеродистого материала в основной камере. Проверка может осуществляться посредством тепловых нагрузок водяных панелей и/или системы газового анализа в режиме реального времени для плавильного устройства и/или прямого наблюдения при помощи камеры или подходящего отверстия в сосуде (если условия процесса это позволяют).

Этап (а) может включать предварительное нагревание топки сосуда, копильника и соединения копильника, например, при помощи подходящего топочного газа, так чтобы средняя температура поверхности топки, копильника и соединения копильника составляла более 1000°C, предпочтительно более 1200°C.

Загрузка расплавленного металла на этапе (b) может включать множество отдельных ковшей горячего металла.

Этап (b) может включать выбор объема загрузки горячего металла в основную камеру через копильник, так что уровень металла в основной камере составляет по меньшей мере 100 мм над поверхностью соединения копильника.

Этап (b) может включать выбор объема загрузки горячего металла в основную камеру через копильник, так что уровень металла в основной камере составляет по меньшей мере 200 мм над поверхностью соединения копильника.

Этап (с) может включать начало подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру в течение 2 часов после окончания загрузки горячего металла в основную камеру.

Этап (с) может включать начало подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру в течение 1 часа после окончания загрузки горячего металла в основную камеру.

Этап (с) может включать начало подачи угольного углеродистого материала в основную камеру перед началом подачи содержащего кислород газа в основную камеру.

Этап (с) может включать начало подачи угольного углеродистого материала и содержащего кислород газа в основную камеру в одно и то же время.

Этап (с) может включать начало подачи содержащего углерод газа в основную камеру перед началом подачи угольного углеродистого материала в основную камеру.

Этап (с) может включать выбор соотношения твердого углеродистого материала и содержащего кислород газа для обеспечения полного сгорания твердого углеродистого материала.

Этап (d) может включать увеличение соотношения твердого углеродистого материала и содержащего кислород газа.

Этап (d) может включать нагревание основной камеры в течение периода времени, составляющего 30-60 минут, путем сжигания углеродистого материала и содержащего кислород газа в основной камере.

Исходные скорости подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру на этапе (с), описанном выше, предпочтительно вычисляется так, чтобы было достаточно кислорода для полного сжигания углеродистого материала. Это главным образом согласуется с максимальной выработкой тепла и высокой вероятностью достижения хорошего воспламенения.

После завершения этого исходного этапа (с) воспламенения соотношения содержащего кислород газа и углеродистого материала предпочтительно регулируются на этапе (d) относительно соотношений на этапе (с), так что они составляют приблизительно половину, предпочтительно по меньшей мере40% от количества кислорода для полного сжигания углеродистого материала. Это приводит кислородный потенциал основной камеры более или менее в его нормальный диапазон для плавления и предотвращает избыточное окисление расплавленных материалов.

Способ может включать, следующую за этапом (d) и находящуюся перед этапом (е), подачу шлака или образующих шлак агентов в основную камеру для образования подходящего запаса шлака для плавления металлоносного материала в основной камере.

Плавильный сосуд может содержать топку с огнеупорной обкладкой.

Копильник может быть копильником с огнеупорной обкладкой.

Плавильный сосуд может содержать боковые стенки с частичным водяным охлаждением, которые образуют верхнее пространство основной камеры сосуда.

Плавильный сосуд может содержать трубки/фурмы для введения углеродистого материала в ванну в основной камере сосуда.

Плавильный сосуд может содержать трубки/фурмы для нагнетания содержащего кислород газа в верхней части основной камеры сосуда.

Устройство может содержать (i) вышеописанный плавильный сосуд, который приспособлен содержать ванну расплавленного металла, и (ii) плавильный циклон, который расположен над и сообщается с плавильным сосудом. В таком случае, этап (е) может включать начало подачи металлоносного загрузочного материала и дополнительного содержащего кислород газа в плавильный циклон и генерирование вращающегося потока материала в циклоне, и сжигание горючего газа, текущего вверх в циклон из сосуда, и частично восстановление и плавление металлоносного загрузочного материала в циклоне, посредством чего частично восстановленный расплавленный металлоносный загрузочный материал течет вниз из циклона в плавильную ванну металла и шлака в основной камере плавильного сосуда и плавится в расплавленный металл в ванне.

Способ настоящего изобретения применим к плавильному устройству на основе плавильной ванны, которое содержит (а) плавильный сосуд, который имеет основную камеру, которая приспособлена содержать ванну расплавленного металла и шлака, (b) трубки или другие подходящие средства для подачи углеродистого материала в ванну, (с) трубки или другие подходящие средства для подачи содержащего кислород газа в ванну, (d) трубки или другие подходящие средства для подачи металлоносного материала в ванну, или прямо, или опосредовано посредством плавильного циклона и (е) по меньшей мере 40%, обычно по меньшей мере 50%, области стенки плавильного сосуда над ванной покрываются панелями водяного охлаждения со слоями застывшего шлака.

При обычных рабочих условиях плавильный процесс на основе плавильной ванны включает этапы:

(a) подачи углеродистого материала и металлоносного материала (который может быть твердым или расплавленным) в плавильную ванну, и генерирования реакционного газа, и плавления металлоносного материала, и производства расплавленного металла в ванне,

(b) подачи содержащего кислород газа в основную камеру для сжигания над ванной горючего газа, выпущенного из ванны, и генерирования тепла для плавильных реакций в ванне, причем содержащий кислород газ обычно является техническим кислородом, который является «холодным» в том смысле, что имеет температуру существенно ниже, чем требуется для надежного воспламенения угольно-кислородной смеси (т.е. ниже примерно 700-800°C); и

(c) создания существенного восходящего перемещения расплавленного материала из ванны посредством восхождения газа, чтобы создавать несущие тепло капли и брызги расплавленного материала, которые нагреваются, когда выбрасываются в область сгорания в верхнем пространстве основной камеры, а после этого падают обратно в ванну, посредством чего капли и брызги несут тепло вниз в ванну, где его применяют для плавления металлоносного материала.

Содержащий кислород газ может представлять собой воздух, кислород или обогащенный кислородом воздух.

Согласно настоящему изобретению предложен способ запуска процесса на основе плавильной ванны для плавления металлоносного загрузочного материала в плавильном устройстве, при этом устройство содержит плавильный сосуд, который содержит основную камеру для вмещения плавильной ванны, копильник для разгрузки расплавленного металла из основной камеры во время операции плавления, и соединение копильника, которое соединяет основную камеру и копильник, и при этом способ включает этапы:

(a) предварительного нагревания основной камеры, копильника и соединения копильника;

(b) заливки загрузки горячего металла в основную камеру через копильник;

(c) начала подачи холодного содержащего кислород газа и холодного углеродистого материала в основную камеру, и воспламенения углеродистого материала, и нагревания основной камеры и расплавленного металла в основной камере в течение периода времени, прежде чем изолирующий слой шлаковой корки сформируется на загрузке металла до такой степени, чтобы он предотвращал воспламенение углеродистого материала расплавленным металлом;

(d) непрерывной подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру, и сжигания углеродистого материала и содержащего кислород газа, и нагревания основной камеры и расплавленного металла в основной камере в течение периода времени, составляющего по меньшей мере 10 минут; и

(e) начала подачи металлоносного материала в основную камеру, чтобы инициировать производство металла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Один вариант осуществления способа запуска плавильного процесса в плавильном сосуде в соответствии с настоящим изобретением описывается со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:

фиг. 1 представляет собой схематическое изображение устройства HIsarna для плавления металлоносного материала и производства расплавленного металла в соответствии с одним вариантом осуществления процесса HIsarna;

фиг. 2 представляет собой увеличенное изображение в поперечном сечении плавильного сосуда, представленного на фиг. 1, которое иллюстрирует состояние плавильного сосуда сразу после подачи загрузки расплавленного металла в основную камеру плавильного сосуда устройства, показанного на фиг. 1, и присутствует слой корки, образованный на расплавленном металле, и слои расплавленного шлака в сосуде.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА (ВАРИАНТОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В ходе процесса HIsarna, осуществляется плавление металлоносного загрузочного материала и производство производственного выхода расплавленного металла, расплавленного шлака и отходящего газа. Следующее описание процесса HIsarna дается в контексте плавления металлоносного материала в форме железной руды. Настоящее изобретение не ограничивается этим типом металлоносного материала.

Устройство HIsarna, представленное на фиг. 1, содержит плавильный циклон 2 и плавильный сосуд 4 на основе плавильной ванны, имеющий основную камеру 19, расположенную прямо под плавильным циклоном 2, с прямым сообщением между камерами плавильного циклона 2 и плавильного сосуда 4.

Со ссылкой на фиг. 1, во время установившейся работы плавильного процесса, смесь руды на основе магнетита (или другая железная руда) с наибольшим размером 6 мм и флюсом, таким как например известняк 1, подается через сушилку для руды и с пневматическим транспортным газом 1а в плавильный циклон 2. Известняк составляет примерно 8-10 вес.% общего потока руды и известняка. Кислород 8 нагнетается в плавильный циклон 2 через фурмы, чтобы предварительно нагревать и частично плавить, и частично восстанавливать руду. Кислород 8 также сжигает горючий газ, текущий вверх в плавильный циклон 2 из плавильного сосуда 4. Частично расплавленная и частично восстановленная руда течет вниз из плавильного циклона 2 в плавильную ванну 25 металла и шлака в основной камере 19 в плавильном сосуде 4. Частично расплавленная и частично восстановленная руда плавится, чтобы образовывать расплавленный чугун в плавильной ванне 25. Уголь 3 подается, через отдельную сушилку, в основную камеру 19 плавильного сосуда 4. Уголь 3 и транспортный газ 2а вводятся через трубки 35 в плавильную ванну 25 металла и шлака в основной камере 19. Уголь обеспечивает источник восстановителя и источник энергии. Фиг. 1 и 2 показывают, что плавильная ванна 25 содержит два слоя, из которых слой 25а является слоем расплавленного металла, а слой 25b - слоем расплавленного шлака. Фигуры представляют слои как имеющие одинаковую глубину. Это сделано лишь в целях наглядности и не является точным представлением того, что представляет собой сильно взболтанная и хорошо перемешанная ванна в работе процесса HIsarna. Перемешивание плавильной ванны 25 происходит вследствие удаления летучих веществ из угля в ванне, что генерирует газ, такой как СО и H₂, и приводит к восходящему перемещению газа и увлеченного материала из плавильной ванны в верхнее пространство основной камеры 19, которое находится выше плавильной ванны 25. Кислород 7 нагнетается в основную камеру 19 через трубки 37, чтобы дожигать некоторые из этих газов, как правило, СО и Н₂, сгенерированные и выпущенные из плавильной ванны 25 в верхнем пространстве основной камеры 19, и обеспечивать необходимое тепло для плавильного процесса в ванне.

Обычная работа процесса HIsarna во время плавильного процесса включает (а) введение угля через трубки 35 и введение холодного кислорода через трубки 37 в основную камеру 19 плавильного сосуда 4 и (b) введение 7 руды и введение 8 дополнительного кислорода в плавильный циклон 2.

Рабочие условия, включая, но без ограничения, скорости подачи угля и кислорода в основную камеру 19 плавильного сосуда 4 и скорости подачи руды и кислорода в плавильный циклон 2, и потери тепла из основной камеры 19 выбираются так, что отходящий газ, покидающий плавильный циклон 2 через выходной канал 9 для отходящего газа, имеет степень дожигания по меньшей мере 90%.

Отходящий газ из плавильного циклона 2 проходит через канал 9 для отходящего газа в сжигательную печь 10 для отходящего газа, где вводится дополнительный кислород 11, чтобы сжигать остаточные СО/Н2 и обеспечивать степень свободного кислорода (как правило, 1-2%) в полностью сожженном отработавшем газе.

Полностью сожженный отходящий газ затем проходит через участок 12 восстановления отходящего тепла, где газ охлаждается и генерируется пар. Отработавший газ затем проходит через влажный очиститель 13, где проводятся охлаждение и пылеудаление. Получающийся в результате шлам 14 доступен для переработки в плавильной печи через поток 1 подачи руды.

Холодный отработавший газ, покидающий очиститель 13, подается в устройство 15 удаления серы из отработавшего газа.

Чистый отработавший газ затем отводится через вытяжную трубу 16. Этот газ состоит в основном из СО₂ и, если необходимо, его можно сжимать и изолировать в земле (с надлежащим удалением остаточных неконденсируемых компонентов газа).

Конкретно обращаясь к фиг. 2, плавильный сосуд 4 содержит топку 33 с огнеупорной обкладкой и боковые стенки 41, определенные преимущественно панелями водяного охлаждения, которые образуют основную камеру 19. Плавильный сосуд 4 также содержит копильник 21, который соединяется с основной камерой 19 через соединение 23 копильника. В ходе плавильной работы процесса HIsarna расплавленный металл, произведенный в основной камере 19, выгружается из основной камеры 19 через соединение 23 копильника и копильник 21.

Один вариант осуществления способа запуска процесса HIsarna для производства металла в соответствии с настоящим изобретением описан ниже.

В начале способа запуска основная камера 19, копильник 21 и соединение 23 копильника сосуда 4 являются пустыми.

Способ запуска включает предварительное нагревание топки 33, копильника 21 и соединения 23 копильника, например, при помощи подходящего топочного газа, так чтобы средняя температура поверхности топки 33, копильника 21 и соединения 23 копильника составляла более 1000°C, предпочтительно более 1200°C.

После этапа предварительного нагрева, способ запуска включает заливку определенного количества расплавленного чугуна в основную камеру 19 через копильник 21 и соединение 23 копильника для создания ванны 25а расплавленного чугуна в топке 33 сосуда 4. Обычно, объем загрузки выбирают так, чтобы уровень расплавленного чугуна в основной камере 19 по меньшей мере на 100 мм был выше соединения 23 копильника.

После того как расплавленный чугун загружают в основную камеру 19, на поверхности ванны 25а расплавленного чугуна начинает образовываться слой 29 шлака, затвердевшего до состояния корки. На фиг. 2 показан плавильный сосуд 4 на этом этапе способа запуска. Тепло с верхней поверхности ванны 25а расплавленного чугуна теряется, как показано на фиг. 2, (в основном) из-за излучения на панелях водяного охлаждения боковых стенок 41, которые образуют верхнюю секцию основной камеры 19.

После завершения этапа загрузки расплавленного чугуна в основную камеру 19, способ запуска включает подачу угля и кислорода в основную камеру 19 посредством трубок 35 и 37 соответственно.

В успешном способе запуска, уголь воспламеняется и вырабатывается тепло в основной камере 19.

Ключом для безопасного запуска процесса HIsarna является подача кислорода 37 и введение 35 угля в течение заданного «безопасного» периода времени менее чем 3 часа (в данном примере 1-2 часа).

Говоря в общем, временное окно представляет собой период времени до того, как слой 29 шлака, затвердевшего до состояния корки, сформируется до такой степени, что искры и брызги расплавленного чугуна от ванны 25а расплавленного чугуна в верхнем пространстве в основной камере 19 над плавильной ванной 25а не могут воспламенять кислород 37 и уголь 35, а других источников воспламенения нет.

Когда кислород 37 и уголь 35 подаются в начале, соотношение между ними вычисляется так, чтобы кислорода было достаточно, чтобы сжечь весь уголь 35. После воспламенения, это условие выдерживается лишь на столько (5-10 минут), чтобы убедиться, что воспламенение является нормальным. Затем соотношение угля и руды по существу выставляется до приблизительно вдвое большего количества угля 35 (для полного сжигания) относительно кислорода 37. Целью увеличения соотношения угля и руды является повышение уровней углерода для использования в качестве источника восстановителя и энергии.

Проверка нормального воспламенения может осуществляться посредством тепловых нагрузок водяных панелей и/или системы газового анализа в режиме реального времени для плавильного устройства и/или прямого наблюдения при помощи камеры или подходящего отверстия в плавильном сосуде 4 (если условия процесса это позволяют).

Способ запуска может включать введение флюсующей добавки, такой как известь или известняк в любое время, когда активно введение угля. Предпочтительное осуществление на практике заключается в ожидании до прошествия исходных 5-10 минут этапа проверки воспламенения, как описано выше.

Введение угля и кислорода (плюс флюс) достигается приблизительно за 30 минут для нагрева основной камеры 19 и расплавленного металла в камере. На данном этапе дробленый шлак пневматически подается в основную камеру 19 через шлаковое отверстие 6 для быстрого создания подходящего запаса шлака для нормального функционирования.

После выполнения введения дробленого шлака, железная руда и кислород 8 вводятся в плавильный циклон 2, уголь 35 и кислород 37 вводятся в плавильный сосуд 4, при этом в плавильном процессе начинается производство металла, и расплавленный металл выгружается из основной камеры 19 посредством копильника 21 и соединения 23 копильника.

Многие модификации могут быть внесены в вариант осуществления процесса настоящего изобретения, описанный выше, без отступления от идеи и объема изобретения.

Приведенное выше описание фокусируется на угле как углеродистом материале и техническом кислороде как содержащем кислород газе. Настоящее изобретение не настолько ограничено и охватывает любой подходящий содержащий кислород газ и любые подходящие твердые углеродистые материалы.

Вышеописанный вариант осуществления фокусируется на процессе HIsarna. Настоящее изобретение не ограничивается процессом HIsarna и охватывает любой основанный на плавильной ванне процесс в плавильном сосуде. В качестве примера, настоящее изобретение охватывает версию процесса HIsmelt с подачей кислорода. Как указано выше, процесс HIsmelt описан в значительном количестве патентов и патентных заявок на имя заявителя. В качестве примера, процесс HIsmelt описан в международной заявке PCT/AU 96/00197 на имя заявителя. Раскрытие патентного описания, находящегося в этой международной заявке, включается в данный документ посредством перекрестной ссылки.

1. Способ запуска процесса плавления металлосодержащего загрузочного материала в плавильном устройстве для производства металла, содержащем плавильный сосуд, содержащий основную камеру для вмещения плавильной ванны, копильник для выгрузки расплавленного металла из основной камеры во время плавильного процесса и соединительный элемент, соединяющий основную камеру и копильник, и при этом способ включает этапы:

(a) предварительного нагревания основной камеры, копильника и соединительного элемента;

(b) заливки загрузочного горячего металла в основную камеру через копильник;

(c) начала подачи холодного содержащего кислород газа и холодного углеродистого материала в основную камеру в течение максимум 3 часов после завершения загрузки горячего металла, и воспламенения углеродистого материала, и нагревания основной камеры и расплавленного металла в основной камере;

(d) непрерывной подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру, и сжигания углеродистого материала, и нагревания основной камеры и расплавленного металла в основной камере в течение периода времени, составляющего по меньшей мере 10 минут; и

(e) начала подачи металлосодержащего материала в основную камеру, чтобы инициировать производство металла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он включает проверку воспламенения содержащего кислород газа и углеродистого материала в основной камере.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (а) включает предварительное нагревание топки сосуда, копильника и соединительного элемента так, что средняя температура поверхности топки, копильника и соединительного элемента составляет более 1000°С.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что этап (а) включает предварительное нагревание топки сосуда, копильника и соединительного элемента так, что средняя температура поверхности топки, копильника и соединительного элемента составляет более 1200°С.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (b) включает выбор объема загрузки горячего металла в основной камере посредством копильника, так что уровень металла в основной камере составляет по меньшей мере 100 мм над верхней границей соединительного элемента.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что этап (b) включает выбор объема загрузки горячего металла в основной камере посредством копильника, так что уровень металла в основной камере составляет по меньшей мере 200 мм над верхней границей соединительного элемента.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (с) включает начало подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру в течение 2 часов после завершения загрузки горячего металла в основную камеру.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что этап (с) включает начало подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру в течение 1 часа после завершения загрузки горячего металла в основную камеру.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (d) включает нагревание основной камеры на период времени в 30-60 минут посредством сжигания углеродистого материала и содержащего кислород газа в основной камере.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходные скорости подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру на этапе (с) вычисляют так, чтобы кислорода было достаточно, чтобы сжечь весь углеродистый материал.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что после завершения этого исходного этапа (с) воспламенения соотношения содержащего кислород газа и углеродистого материала регулируют на этапе (d) относительно соотношений на этапе (с), так что они составляют по меньшей мере 40% от количества кислорода для полного сжигания углеродистого материала.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что включает следующую за этапом (d) и находящуюся перед этапом (е) подачу шлака или образующих шлак агентов в основную камеру для образования подходящего запаса шлака для плавления металлосодержащего материала в основной камере.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плавильный процесс на основе плавильной ванны включает этапы:

(a) подачи углеродистого материала и твердого или расплавленного металлосодержащего материала в плавильную ванну, и генерирования реакционного газа, и плавления металлосодержащего материала, и производства расплавленного металла в ванне,

(b) подачи содержащего кислород газа в основную камеру для сжигания над ванной горючего газа, выпущенного из ванны, и генерирования тепла для плавильных реакций в ванне, и

(c) создания существенного восходящего перемещения расплавленного материала из ванны посредством восхождения газа, чтобы создавать несущие тепло капли и брызги расплавленного материала, которые нагреваются при выбросе в область сгорания в верхнем пространстве основной камеры, а после этого падают обратно в ванну, посредством чего капли и брызги несут тепло вниз в ванну, в которой его применяют для плавления металлосодержащего материала.

14. Способ запуска процесса плавления металлосодержащего загрузочного материала в плавильном устройстве для производства металла, причем устройство содержит плавильный сосуд, содержащий основную камеру для вмещения плавильной ванны, копильник для выгрузки расплавленного металла из основной камеры во время плавильного процесса и соединительный элемент, соединяющий основную камеру и копильник, и при этом способ включает этапы:

(a) предварительного нагревания основной камеры, копильника и соединительного элемента;

(b) заливки загрузочного горячего металла в основную камеру через копильник;

(c) начала подачи холодного содержащего кислород газа и холодного углеродистого материала в основную камеру, и воспламенения углеродистого материала, и нагревания основной камеры и расплавленного металла в основной камере в течение периода времени, прежде чем изолирующий слой шлаковой корки сформируется на загрузочном металле до такой степени, чтобы он предотвращал воспламенение углеродистого материала расплавленным металлом;

(d) непрерывной подачи содержащего кислород газа и углеродистого материала в основную камеру, и сжигания углеродистого материала и содержащего кислород газа, и нагревания основной камеры и расплавленного металла в основной камере в течение периода времени, составляющего по меньшей мере 10 минут; и

(e) начала подачи металлосодержащего материала в основную камеру, чтобы инициировать производство металла.