RU2106413C1

RU2106413C1 - Способ производства чугуна

Info

Publication number: RU2106413C1
Application number: RU94016951A
Authority: RU
Inventors: Миллес Флойд Джон; Леонард Чард Ян; Росс Белдон Брайн
Original assignee: Аусмелт Лимитед
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1998-03-10
Also published as: CA2119448C; DE69220674D1; EP0605535A1; CN1034742C; EP0605535A4; ZA927105B; US5498277A; DE69220674T2; RO114472B1; WO1993006251A1; BR9206507A; RU94016951A; CA2119448A1; PL170853B1; CN1071957A; ATE154950T1; NZ244396A; EP0605535B1; IN181042B; KR100242565B1

Abstract

Сущность: способ плавления содержащего железо исходного сырья в реакторе, содержащем шлаковую ванну, включает создание тепловых и восстановительных условий в по крайней мере одной зоне восстановления ванны путем вдувания топлива - восстановителя и содержащего кислород газа через по крайней мере одну верхнюю погруженную форму. Исхоное сырье загружают в реактор вместе с дополнительным и с флюсом в по крайней мере одну зону восстановления или в прилегающую к ней зону таким образом, чтобы они были подвергнуты восстановительному плавлению, причем в качестве дополнительного восстановителя применяют уголь. Скорость влувания кислорода и топлива - восстановителя регулируют с целью достижения требуемых, достаточных для восстановления условий путем подачи влуваемого газа с содержанием кислорода от примерно 40% до примерно 100%, что достаточно для обеспечения сгорания от примерно 40% до примерно 50% топлива (восстановителя), а вырабытваемые в процессе плавления: окись углерода, водород, а также угольную пыль, выносимую из ванны газообразными продуктами сгорания, подвергают дожиганию в реакторе, обеспечивая достаточное нагревание ванны, предотвращая при этом повторное окисление содержимого ванны. 27 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к способу производства чугуна из подходящего исходного сырья путем прямого восстановления. Способ, в частности, применим для прямого восстановления низкосортного исходного сырья, содержащего железо, например, железистых песчаников, которые в настоящее время не применяются в промышленном масштабе для этих целей. Однако данный способ также применим в отношении высокосорного исходного сырья, например, железной руды, которую, как правило, выплавляют обычными способами. Способ также применим для плавления железного лома.

Способу производства чугуна в обычных доменных печах присущ недостаток, заключающийся в том, что такой способ связан с крупномасштабным производством, требующим больших капиталовложений, с целью поддержания на низком уровне удельных затрат на производство тонны металла. При применении такого способа в качестве топлива и восстановителя необходим кусковой кокс. Однако производство кокса является дорогостоящим и связано с ущербом для окружающей среды в результате выброса газов, например, сульфида водорода и образования уносимой током воздуха пыли. При данном способе производства необходимо также сырье в виде кусков, а в настоящее время применяют агломерат с флюсом. Эксплуатация установки, производящей агломерат, также связана со значительными финансовыми затратами и ущербом для окружающей среды. В целом производство чугуна в доменных печах может быть рентабельным лишь в очень крупных масштабах, когда годовой объем превышает один миллион тонн чугуна.

Для установок с меньшим объемом производства в пределах от двухсот тысяч до одного миллиона тонн чугуна в год были разработаны электроплавильные печи. Электроплавильные печи работают главным образом на предварительно восстановленном исходном материале и железном ломе, а степень восстановления железа обычно является незначительной при данном способе. Для указанного восстановления применяют кокс, и, таким образом, способу присущ тот же недостаток, что и способу плавления в доменных печах. Для осуществления нагревания применяют также электрическую энергию, которая является важным источником энергии для процессов плавки при высоких температурах.

Ряд способов прямого плавления, включающих прямое сгорание угля в железной ванне или в шлаковой ванне при частичных восстановительных условиях сгорания в чистом кислороде или при высоком уровне обогащения кислородом вдуваемого топлива, были предложены и испытаны на опытных установках. Данные способы в целом основаны на применении в качестве сырья частично восстановленной железной руды и, вследствие этого, связаны с необходимостью наличия оборудования для осуществления предварительного восстановления, как составной части способа.

Применяемые способы в целом используют донные фурмы для вдувания топлива, воздуха и исходного сырья в металлическую ванну. Это связано с осуществлением дорогостоящего вдувания под высоким давлением и с жесткими требованиями к огнеупорным материалам, применяющимся вблизи фурмы. В некоторых способах применялось верхнее вдувание топлива и воздуха в верхнюю поверхность ванны, однако в результате этого происходит относительно слабая теплопередача в ванну, а реакции плавления протекает относительно медленно.

Наиболее близким техническим решением к рассматриваемому изобретению является способ производства чугуна (1), согласно которому руду, углеродсодержащий материал и кислородсодержащий газ вдувают через верхнюю фурму в восстановительную печь конвертерного типа. Углеродсодержащий материал сгорает в шлаке, благодаря чему руда восстанавливается в виде металлического расплава. Затем кислород содержащий газ вдувают в шлак через боковые фурмы с целью осуществления дожигания окиси углерода в шлаке. Тепловая энергия, выделяющаяся при указанном дожигании, поглощается шлаком и передается расплаву металла.

Однако, операции плавления руды в шлаке, реакция между углеродсодержащим материалом и рудой в шлаке с целью осуществления выплавки чугуна, сжигание углеродсодержащего материала в шлаке и дожигание окиси углерода в шлаке представляют значительные трудности с точки зрения управления и регулирования этих операций для достижения успешной выплавки чугуна.

Настоящее изобретение направлено на обеспечение способа производства чугуна, который возможно видоизменять при использовании содержащего железо низкосортного исходного сырья, и который позволят осуществлять все операции с меньшим ущербом для окружающей среды по сравнению с при- меняемыми обычно способами.

Способ по изобретению включает плавление содержащего железо исходного сырья в реакторе, включающем шлаковую ванну, в по крайней мере одной зоне которой создаются тепловые и восстановительные условия путем вдувания топлива /восстановителя/ и содержащего кислород газа через по крайней мере одну верхнюю погруженную фурму; исходное сырье загружают в реактор вместе с дополнительным восстановителем и с флюсом в по крайней мере одну восстановительную зону или в прилегающую к ней зону таким образом, чтобы оно было подвергнуто восстановительному плавлению, причем в качестве дополнительного восстановителя применяют уголь; расход кислорода и топлива /восстановителя/ регулируют с целью добиться требуемых, достаточных для восстановления условий путем подачи вдуваемого газа с содержанием кислорода от примерно 40% до примерно 100%, что достаточно для обеспечения сгорания от примерно 40% до примерно 50% топлива /восстановителя/: а вырабатываемые в процессе плавления окись углерода и водород, а также угольную пыль, выносимую из ванны газообразными продуктами сгорания, подвергают дожиганию в реакторе.

Вдувание через верхнюю погруженную фурму предпочтительно обеспечивает сильные восстановительные условия. Топливо и вдуваемый восстановитель могут включать уголь в виде тонко измельченных частиц, мазут, природный газ, сжиженный нефтяной газ или другие подходящие вещества, содержащие углерод. Топливо, если применяется угольная пыль, вдувают с помощью газа- носителя, причем такой газ может содержать по крайней мере часть кислорода, необходимого для сгорания топлива. Газ-носитель может дополнительно включать смесь инертного газа, например азота, с воздухом, обогащенный кислородом воздух или только кислород либо он может включать только инертный газ. Часть необходимого для сгорания топлива кислорода может вдуваться через фурму струей, отдельной от струи топлива /восстановителя, причем смешивание отдельных струй происходит лишь в нижнем конце фурмы и/или в шлаковой ванне. В случае, если по крайней мере часть кислорода вдувают такой отдельной струей, она может включать только кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух или такой газ, смешанный с инертным газом, например азотом.

Расход кислорода и топлива (восстановителя) на продувку регулируют с целью добиться требуемых, достаточных для восстановления условий, и, как указывалось, данные условия наиболее предпочтительно являются сильно восстановительными. Таким образом, вдуваемый газ имеет содержание кислорода от примерно 40% до примерно 100%, что достаточно для обеспечения сгорания от примерно 40% до примерно 50% топлива/восстановителя/.

Дополнительным угольным восстановителем предпочтительно является кусковой уголь. Его загружают в ванну с содержащим железо исходным сырьем наиболее предпочтительно от примерно 20 до 60 мас.% исходного сырья. Подходящий флюс, например известь или кремнезем в зависимости от исходного сырья также загружают вместе с исходным сырьем. По крайней мере дополнительный угольный восстановитель и исходное сырье непрерывно загружают в течение процесса плавки, причем выпуск шлака и металла происходит непрерывно или периодически.

Могут применяться верхние погруженные фурмы разнообразных форм. Однако предложенный в изобретении процесс восстановительной плавки требует относительно высоких температур в реакторе, например от примерно 1350^oC до примерно 1500^oC. Таким образом, фурма или каждая из фурм предпочтительно выполнена из подходящей легированной стали, например из нержавеющей стали. Легированная сталь предпочтительно является высококачественной, обладает коррозионной стойкостью и стойкостью к окислению и растворению в шлаке при высоких температурах; для этих целей пригодны стали марки ASTM 321, 316 или другие стали с высоким содержанием хрома. Обычно необходимо также охлаждение фурмы путем подачи в нее охлаждающей жидкости в процессе плавки, а фурма может иметь форму, раскрытую в международной заявке PCT/AU90/00466 (WO91/05214), поданной 26 сентября 1990 г. Наиболее предпочтительно фурма может иметь форму, раскрытую в находящейся на рассмотрении патентной заявке Австралии РК8457, поданной 20 сентября 1991 г. (ссылочный номер IRN228989). Раскрытие каждого из указанных материалов включено в настоящую заявку и должны рассматриваться как часть раскрытия настоящего изобретения.

Способ, согласно настоящему изобретению, осуществляют с дожиганием двуокиси углерода и водорода, вырабатываемых в процессе плавки, а также угольной пыли, выносимой из ванны газообразными продуктами сгорания. С этой целью кислород или содержащий кислород газ, например воздух или обогащенный кислородом воздух вдувают в реактор над шлаковой ванной. Дожигание предпочтительно происходит вблизи поверхности ванны, наиболее предпочтительно в области, прилегающей к каждой из восстановительных зон, благодаря чему достигается высокий уровень теплопереноса в шлаковую ванну. Поскольку содержащий кислород газ может быть в этих целях подан по крайней мере через одну фурму, нижнее выпускное отверстие которой находится над поверхностью ванны, предпочтительно, чтобы газ вдувался в реактор через трубу-кожух, через которую проходит верхняя погруженная фурма для вдувания топлива /восстановителя/, причем труба-кожух оканчивается над поверхностью ванны. Для этих целей пригодна фурма, заключенная в кожух, раскрытая в заявке PCT/AU90/00466 и фурма с трубой- кожухом, раскрытая в нашей находящейся на рассмотрении патентной заявке Австралии РК8457.

Дожигание предпочтительно осуществляют таким образом, чтобы достичь степени окисления, превышающей 0,2, определяемую исходя из отношения (CO₂+ H₂O) к (CO + H₂+ CO₂+ H₂). Степень окисления предпочтительно не превышает примерно 0,95, но может доходить до 1,0. Степень окисления регулируют таким образом, чтобы достичь максимальной степени теплопереноса в плавку сообразно с последующим использованием газов без повторного окисления ванны. Газы, выходящие из реактора, могут быть использованы в целях получения тепла, например для производства пара, однако требования к экономичности процесса не способствуют осуществлению предварительного восстановления исходного сырья.

Содержащее железо исходное сырье предпочтительно загружают в реактор вместе с флюсом, например негашеной известью. Кусковой уголь в качестве дополнительного восстановителя может быть загружен в реактор вместе с исходным сырьем. Исходное сырье может находиться в виде кусков или быть тонко измельченным, однако в конкретном случае применения тонко измельченного исходного сырья его предпочтительно агломерируют с флюсом и/или кусковым углем таким образом, чтобы предотвратить выдувание исходного сырья из реактора газообразными продуктами сгорания. Агломерация может быть осуществлена с помощью добавления воды в агломерирующем шнеке или с помощью другого соответствующего устройства.

Исходное сырье или другие вещества, такие как флюс и дополнительный восстановитель наиболее предпочтительно загружают в по крайней мере одну восстановительную зону, образующуюся в результате вдувания через верхнюю погруженную фурму, или в прилегающую к ней область через соответственно расположенные загрузочные отверстия над шлаковой ванной. Тем не менее исходное сырье и флюс в виде подходящих тонко измельченных частиц могут быть загружены в реактор через каждую из верхних погруженных фурм. В любом случае вдувание через верхние погруженные фурмы наиболее предпочтительно осуществляют таким образом, чтобы создать существенную турбулентность в восстановительной зоне, обычно с помощью существенного вспучивания поверхности ванны.

Исходное сырье может включать железную руду в виде кусков или мелочи. Дополнительно оно может включать окатыши, окатышную мелочь, железистые песчаники, отходы чугуна, окалину, колошниковую пыль сталелитейных установок, железный лом и шлак с высоким содержанием железа.

Для того, чтобы можно было бы легче понять суть изобретения, сделаны ссылки на соответствующие чертежи. На фиг. 1 изображен вид сверху реактора, применимого для осуществления способа по настоящему изобретению; на фиг. 2 продольный вид в разрезе по линии II-II на фиг. 1; на фиг. 3 вид в разрезе предпочтительного варианта фурмы, применяемой в настоящем изобретении; на фиг. 4 увеличенный вид в разрезе нижнего конца фурмы, изображенной на фиг. 3.

Реактор 10, изображенный на фиг. 1 и 2, включает по существу замкнутый сосуд с основанием 12, периферическую боковую стенку 14 и верхнюю часть 16. На одном из концов отверстие для отходящих газов 18 ограничено оконечной частью стенки 14 и верхней части 16. Реактор 10 предпочтительно имеет металлический корпус, покрытый подходящим огнеупорным материалом. На одном из концов реактора 10 имеется выпускное отверстие 20, служащее для выпуска чугуна из слоя чугуна 22 под шлаковой ванной 24. На другом конце имеются выпускные отверстия 26, служащие для выпуска шлака из слоя шлака 28 из ванны 24.

Реактор имеет ряд расположенных в целом по центру вдоль его верхней части отверстий для фурм 30, в каждое из которых входит верхняя погруженная фурма 32. К каждой стороне отверстий 30 подведены отверстия 34, служащие для загрузки содержащего железо исходного сырья, флюса и, если необходимо, угля для восстановления. Такую загрузку предпочтительно осуществляют непрерывно вместе с вдуванием через верхние погруженные фурмы 32.

Каждая из фурм 32 включает центральный канал 36, наиболее предпочтительно состоящий из по крайней мере двух по существу концентрических труб, и наружной трубы-кожуха 38, посуществу концентрически расположенной относительно канала 36. Каждый канал 36 на своем верхнем конце может быть подсоединен (средство соединения не показано) к источнику подачи топлива /восстановителя/, такого как угольная пыль и содержащего кислород газа. Нижний конец канала 36 включает разгрузочные наконечник или сопло и, как показано, погружен в слой шлака 28 ванны 24. Вдувание топлива /восстановителя/и содержащего кислород газа, а также газа-носителя для топлива /восстановителя/, если указанный газ-носитель отличается от содержащего кислород газа, осуществляют таким образом, чтобы образовались восстановительные зоны 40, в которых образуются вздутия 42 в слое 28. Относительное расположение отверстий 30, 34 таково, что подача через отверстия 34 происходит выше вздутий 42.

Каждая труба-кожух 38 на верхнем конце может быть подсоединена (средство соединения не показано) к источнику содержащего кислород газа. Указанный газ проходит вниз через кольцевой канал между трубкой 38 и ее каналом 36. Нижний конец каждой трубы 38 отнесен от нижнего конца ее канала 36 таким образом, что газ, прошедший вниз через указанные каналы, выходит из них и попадает в пространство 10а реактора на небольшом расстоянии от ванны 24 над каждым из вздутий 42. Последующее сгорание или дожигание окиси углерода и водорода, поднимающихся из ванны 24, тем самым может происходить таким образом, что образующаяся в результате этого существенная тепловая энергия переносится в ванну 24.

Непрерывную загрузку применяют в отношении всех материалов, в то время как выпуск слоев 22,28 может осуществляться непрерывно или периодически. Вдувание через верхнюю погруженную фурму 32 обеспечивает тепловую энергию в неокислительных условиях, а восстановление частично осуществляют с помощью кускового угля или угольной мелочи с содержащим сырье материалом, которые загружают через отверстия 34.

Фурма 50, изображенная на фиг. 3 и 4, имеет канал 52, проходящий от верхнего оконечного участка 50а фурмы 50 до наконечника 54, расположенного на нижнем выпускном конце.

Канал 52 включает внутренние и внешние концентрические трубы 56, 58 и третью трубу 60, расположенную соосно между трубами 56, 58. Головка 54 герметично соединена с нижним концом окружности каждой из труб 56, 58. Тем не менее нижний конец трубы 60 оканчивается над наконечником 54 таким образом, что пространство между трубами 56, 58 поделено на внутренний и внешний кольцевой каналы 61, 62, которые сообщаются в точке 63, расположенной между нижним концом трубы 60 и наконечником 54.

В верхнем оконечном участке 50a канал 61 закрыт взаимодействующими соединенными между собой фланцами 56a, 6Оa труб 56, 60. Аналогичным образом канал 62 закрыт кольцевой радиально проходящей стенкой 58a трубы 58, которая расположена герметично вокруг трубы 60. Труба 60 имеет впускной соединительный канал 6Оb, посредством которого канал 52 может быть соединен с источником охлаждающей жидкости под давлением, например воды, таким образом, чтобы охлаждающая жидкость могла быть подана в канал 61. Труба 58 также имеет выпускной соединительный канал 58b, посредством которого канал 52 может быть соединен с разгрузочной линией, служащей для разгрузки охлаждающей жидкости из канала 62. Данное устройство таково, что охлаждающую жидкость, служащую для охлаждения канала 52, подают через канал 6Оb, таким образом, чтобы ее поток прошел вниз по каналу 61 и вокруг него, затем вверх по каналу 62 и вокруг него и был выведен через канал 58b. В таком потоке охлаждающая жидкость протекает через верхний конец наконечника 54 в точке 63, обеспечивая охлаждение наконечника 54.

Труба 56 ограничивает канал 64, проходящий через нее от верхнего конца трубы 56 на участке 50a до наконечника 54; одновременно головка 54 обеспечивает непрерывность канала 64 вплоть до нижнего конца фурмы 50. Внутри трубы 56 концентрически расположена труба для подачи топлива 66, проходящая от верхнего конца фурмы 50 до уровня, в одном из примеров прилегающего к верхней части наконечника 54. Верхний конец трубы 66 входит в муфту 67, посредством которой она соединена с линией подачи 68. Последняя может быть соединена с источником топлива и газа-носителя для топлива для обеспечения вдувания топлива через фурму 50 по трубе 66.

Между трубами 56, 66 расположен кольцевой канал 70 для прохождения газа через канал 64. Верхний конец трубы 56 расширен в точке 56b и снабжен впускным соединительным каналом 56c, посредством которого канал 70 может быть соединен с источником кислорода под давлением или содержащего кислород газа с целью обеспечения вдувания такого газа через фурму 50.

Наконечник 54 имеет внутреннюю периферическую поверхность 54a, которая обеспечивает непрерывность канала 64 и имеет форму параллельно усеченного конуса, расширяющего вниз и наружу от поперечного сечения канала 64 внутри трубы 56. Конусность поверхности 54a равна половине угла конуса (в пределах от 10 до 20^oC), по причинам, указанным выше. Поверхность 54a соединяется с внешней цилиндрической поверхностью 54b наконечника 54, ограничивая острый нижний край 54c наконечника 54 на выпускном конце фурмы 50.

Нижний край трубы 66 может иметь множество разнесенных по окружности стрежней, выступающих в осевом направлении внутри наконечника 54. На стержнях 72 внутри наконечника 54 смонтирован конический отражательный экран 74, увеличивающийся в поперечном сечении в направлении нижнего края фурмы 50. Конусность экрана 74 равна половине угла конуса аналогично углу поверхности 54a наконечника 54, за счет чего поток топлива, выходящий из трубы 66, расширяется в направлении потока кислорода, выходящего из канала 70. Экран 74, а также поверхность 54а наконечника 54 сводят к минимуму попадание шлака в наконечник 54.

Внутри нижней части канала 70 может находиться спиральный завихритель 76, служащий для сообщения кругового движения выходящему из него кислороду. Завихритель 76 включает двухзаходный винтовой экран, смонтированный на трубе 66, с уменьшающимся шагом винта в направлении наконечника 54. Поверхность 54a наконечника 54 и экран 74 обеспечивают хорошее смешивание топлива и кислорода внутри наконечника 54, которое дополнительно усиливается за счет действия завихрителя 76. Данное смешивание и действие завихрителя 76 также обеспечивают хорошее распределение топлива и кислорода внутри шлака, в который их вдувают через верхнюю погруженную фурму 50.

На верхней части канала 52 концентрически расположена труба-кожух 78. Канал-кожух 80 ограничен между трубами 58, 76, причем верхний конец канала 80 закрыт соответствующими фланцами 58d и 78a указанных труб. Труба имеет впускной канал 78b, сообщающийся с каналом 80 и соединяющийся с источником газа под давлением, подаваемого по кожуху, например содержащего кислород газа, для обеспечения дожигания в зоне над шлаковой ванной, как подробно описывалось выше. Подаваемый по кожуху газ может быть выпущен через нижний открытый конец прохода 80 с тем, чтобы газ попал в печь или реактор в зоне над ванной.

Вокруг по крайней мере части трубы 78 расположена дополнительная охладительная система 82, хотя, исходя из более общих соображений, она не является обязательной. Система включает концентрические трубы 84, 86, верхний конец каждой из которых закрыт, причем у трубы 86 также закрыт и нижний конец. Каждая труба имеет соединительные каналы 84a, 86a, служащие для подачи и разгрузки, соответственно, дополнительной охлаждающей жидкости, по существу таким же образом, как это было описано в отношении циркуляции такой жидкости внутри канала 52. Система 82 усиливает общее охлаждение фурмы 50 и, в частности, трубы-кожуха 78, защищая ее от воздействия газов печи или реактора и выделяемого в результате дожигания тепла.

Фурма 50, для верхнего погруженного вдувания, служит для применения в системе внешнего охлаждения, предпочтительно с использованием воды в качестве охлаждающей жидкости. Это обеспечивает долгий срок службы фурмы и избавляет от необходимости частых ремонтов. Фурму 50 применяют для вдувания топлива, воздуха и кислорода в шлаковую ванну с целью нагревания, а также обеспечения энергичного перемешивания для достижения быстрого и эффективного прохождения реакций. Она является особо эффективной, когда ее применяют для вдувания угля в качестве топлива и восстановителя вместе с кислородом и воздухом и для создания сильно восстановительных условий при высокой температуре, таких, которые необходимы для плавления и восстановления железа из содержащих железо материалов.

Фурма предпочтительно изготовлена из труб из нержавеющей стали с целью предотвратить ржавление и обеспечить устойчивость к окислению при высоких температурах. Наконечник 54 также предпочтительно изготовлен из нержавеющей стали при этом, как указывалось, полуугол его внутреннего конуса, равный от 10 до 20 градусов, предотвращает забивание отвердевшим шлаком. Наружное водяное охлаждение поддерживает низкую температуру фурмы, а в системе фурмы предпочтительно имеется механизм отсечки охлаждающей жидкости низкого давления и механизм подъема фурмы.

Фурма предпочтительно имеет минимальную площадь поверхности, что возможно благодаря способности поддерживать высокую скорость потока газа и топлива. Обычно скорость потоков газа и топлива может находиться в пределах от 0,05 до 1,0 М, предпочтительно 0,3-0,5 М. Аналогичным образом высокая скорость охлаждающего потока позволяет свести к минимуму площадь поверхности фурмы, например при скорости потока охлаждающей воды в пределах от 1 до 5 м/с.

Расположение трубы-кожуха 78 снаружи канала 52 обеспечивает вдувание воздуха или другого газа, подаваемого через кожух, в зону над ванной. Такой подаваемый через кожух газ обеспечивает охлаждение верхней части фурмы 50. Он также может обеспечить кислород для проходящих над ванной реакций, необходимый при осуществлении способа для достижения достаточного дожигания моноокиси углерода, водорода и угольной пыли, выносимой из ванны во время погруженного вдувания. Расположение трубы-кожуха 78 позволяет оптимальным образом обеспечить максимальное использование тепла отходящих газов, образующегося в результате прохождения таких реакций в ванне, при этом не происходит повторного окисления шлаковой ванны и металла.

Наличие завихрителей 76 в канале для подачи кислорода/воздуха улучшает смешивание вдуваемых материалов до того, как они попадут в ванну, а также обеспечивает стабильные условия выпуска для вдувания газа в ванну.

Наличие отражательного экрана 74 предотвращает попадание шлака в наконечник и стопорение им потока.

Верхняя зона дополнительного водяного охлаждения, расположенная вокруг канала 52, может быть необходима в том случае, если количество подаваемого через кожух газа, выпущенного над шлаковой данной, не достаточно велико для того, чтобы предотвратить нагревание трубы-кожуха 78 до такой температуры, которая может вызвать ее окисление или повреждение. При дополнительном охлаждении температура нижнего конца трубы-кожуха 78 предпочтительно находится в пределах от 400 до 800^oC в зависимости от применяемого материала.

Главная цель изобретения состоит в обеспечении вдувания топлива, восстановителя, воздуха или кислорода в шлаковую ванну при условиях, в которых фурма подвергается минимальному износу и требует минимального обслуживания и ремонта. Тем не менее дополнительное преимущество при наличии трубы-кожуха 78 заключается в улучшении вдувания воздуха для дожигания или кислорода в объем газа над ванной в непосредственной близости от точки вдувания с целью обеспечить выделение тепла в результате дожигания для эффективного нагрева ванны. Последняя задача имеет особое значение при плавлении и восстановлении содержащего железо исходного сырья для получения передельного чугуна или чугуна, содержащего меньше углерода, чем передельный чугун.

Пример 1. Была проведена плавка на опытной установке, в которую через загрузочное отверстие верхней погруженной фурмы были загружены железистые песчаники, содержавшие %: Fe 46,6; TiO₂ 7,00; SiO₂ 13,4; MgO 4,5; CaO 4,0; Al₂O₃ 4,25; Cr 1600 частей на миллион, V₂O₅ 0,45% и P₂O₅ 0,29%, причем они были предварительно смешаны с негашеной известью и кусковым углем, а содержание воды было доведено до 19,5% в агломерирующем шнеке. Верхняя погруженная фурма было разогрета с помощью угольной мелочи, кислорода и воздуха с целью создания сильно восстановительных условий плавления в шлаковой ванне. Воздух был продут через трубу-кожух, расположенную вокруг фурмы, с целью обеспечения дожигания окиси углерода, водорода и угля в восходящих газах непосредственно над ванной. Условия загрузки были нижеследующие: скорость загрузки железистых песчаников 65 кг/ч., кускового угля 30 кг/ч., извести 6,5 кг/ч.; скорость вдувания угольной пыли 150 кг/ч., кислорода 85 H/м³/ч., воздуха-носителя 50-65 H/м³/ч.; подаваемого через кожух воздуха 200 H/м³/ч.

Температура плавления находилась в пределах от 1400 до 1450^oC. Металл и шлак выпускали во время плавки. По истечении 19,6 ч. содержимое печи было полностью выпущено. Во время разогрева было всего загружено 937,4 кг железистого песчаника при степени сгорания на головке фурмы, равной 43%. Степень обогащения кислородом во вдуваемых газах составила 60%. Степень дожигания воздуха равнялась 25%.

Был получен чугун, содержащий, %:Fe 94,8; C 2,74;S 0,11;V 0,05;P 0,05, при этом степень восстановления железа составила 87%. Содержание железа, оставшегося в шлаке равнялось 4%.

Пример 2. Железистые песчаники с составом по примеру 1 были подвергнуты плавке в печи, показанной на фиг. 1 и 2 при общей скорости плавки 80 т/ч. Кусковой уголь и негашеная известь были загружены в ванну со скоростью 17300 кг/ч. и 8400 кг/ч., соответственно, вместе с железистыми песчаниками и 15% агломерирующей воды.

Были использованы все три фурмы для вдувания в ванну 29522 кг/ч. угольной пыли, 15028 H/м³/ч. кислорода и 15413 H/м³/ч. воздуха для горения, при этом степень обогащения кислородом составила 60%, а степень сгорания угольной пыли - 45%. Кожухи на фурмах были использованы для подачи 248460 Н/м³/ч. воздуха для дожигания, что обеспечило 30%-ное извлечение тепла в результате дожигания в ванне.

Отходящие газы содержали достаточное количество тепла и. если бы все оно было подано через котел-утилизатор тепла отходящих газов, было бы выработано достаточное количество пара для производства примерно 40 МВт электроэнергии. Плавильная установка потребила 10 МВт главным образом на выработку кислорода, таким образом избыточное количество электроэнергии было бы произведено при утилизации всего тепла отходящих газов. Дополнительно котел-утилизатор тепла отходящих газов и турбинная силовая установка могут иметь такие размеры, чтобы вырабатывать количество кислорода, необходимое для обеспечения работы плавильной печи и электрического оборудования установки. Оставшиеся газы были выпущены в атмосферу после удаления из них пыли.

На установке было получено 40,7 т/ч. чугуна, содержавшего, %; Fe 95,8;C 4,0, полученные 32,2 т/ч. шлака, содержащего, % Fe 5; CaO 29,9; SiO₂ 15,2; MgO 9,1; были гранулированы для удаления. Степень восстановления железа в процессе составила 96,1%.

Угольная мелочь, воздух-носитель и кислород вдували в ванну жидкого шлака через фурмы. Степень обогащения данной смеси кислородом составляла 60%, а степень сгорания - 45%. Такое вдувание обеспечило необходимую энергию для погруженной плавки, а также наличие турбулентности и восстановительные условия в ванне. Воздух вдували через трубы-кожухи фурмы с целью обеспечения полного сгорания окиси углерода, водорода и угля, которые выносятся из ванны восходящими газами. Данное дожигание обеспечило энергию в зоне над ванной, где происходит существенно извлечение тепла в ванне. Содержащее железо сырье в кусках или в тонкоизмельченом виде было смешано с флюсом из негашеной извести, восстановителем из кускового угля и агломерирующей водой, по мере необходимости, и загружено через загрузочные отверстия, как показано на фиг. 1 и 2. Предпочтительно пыль, выходящую из топки, направляли в повторный цикл с добавленной к ней негашеной известью.

Полученный чугун и шлак с низким содержанием железа были выпущены через соответствующие выпускные отверстия на противоположных концах печи. Металл был пригоден для его переработки в сталь на отдельных установках с применением известных способов или для отгрузки в виде передельного чугуна, а шлак мог быть гранулирован для его использования.

Выработанные в печи отходящие газы содержали достаточное количество энергии для того, чтобы обеспечить установку трех- четырехкратным количеством энергии по сравнению с ее потребностями в случае, если указанные газы подать через котел-утилизатор тепловой энергии отходящих газов, связанный с паровой турбинной силовой установкой.

Наконец, следует рассматривать различные вариации, модификации и/или добавления, которые могут быть внесены в конструкцию и устройство отдельных частей, описанных ранее, как не выходящие за пределы объема и сути изобретения.

Claims

1. Способ производства чугуна, включающий расплавление загружаемого сверху железосодержащего исходного сырья в реакторе, содержащем ванну с металлическим расплавом и жидким шлаком, создание тепловых и восстановительных условий в по крайней мере одной зоне восстановления, образованной за счет вдувания в жидкий шлак топлива-восстановителя и кислородсодержащего газа через по крайней мере одну верхнюю погружную фурму, и дожигание образующихся в процессе технологических газов, содержащих окись углерода, водород, отличающийся тем, что исходное сырье подают отдельным потоком совместно с флюсом и вдуваемым дополнительным восстановителем, в качестве которого используют уголь в по крайней мере одну зону восстановления или прилегающую к ней, при этом кислородсодержащий газ содержит от 40 до 100% кислорода, а его подачу осуществляют со скоростью, обеспечивающей степень сгорания топлива-восстановителя от 40 до 50%, при этом дожигание технологических газов осуществляют над ванной расплава с помощью кислородсодержащего газа, подаваемого в реактор над ванной расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива-восстановителя используют уголь в виде тонкоизмельченных частиц или мазут, или природный газ, или сжиженный нефтяной газ, или другие подходящие углеродсодержащие вещества и их смеси.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве топлива-восстановителя используют угольную мелочь, вдуваемую газом-носителем.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют газ, содержащий по крайней мере часть кислорода, необходимого для сгорания топлива-восстановителя.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют смесь инертного газа с воздухом или обогащенный кислородом воздух, или кислород, или инертный газ.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют азот.

7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что часть кислородсодержащего газа, необходимого для сгорания, вдувают потоком через фурму отдельно от потока топлива-восстановителя, при этом смешивание потоков происходит на нижнем конце фурмы и/или в шлаковом расплаве.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа, вдуваемого отдельным потоком, используют чистый кислород или воздух, или обогащенный кислородом воздух, или смешанный с инертным газом или азотом.

9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что в качестве дополнительного восстановителя используют кусковый уголь.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что кусковый уголь загружают в количестве 20 - 60 мас.% в пересчете на массу исходного сырья.

11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что в качестве флюса используют известь или кремнезем в зависимости от вида исходного сырья.

12. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что дополнительный угольный восстановитель и исходное сырье загружают в реактор непрерывно, осуществляя при этом непрерывный выпуск шлака и металла.

13. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что дополнительный угольный восстановитель и исходное сырье загружают в реактор непрерывно, осуществляя при этом периодический выпуск шлака и металла.

14. Способ по любому из пп.1 - 13, отличающийся тем, что в реакторе поддерживают температуру в интервале 1350 - 1500^oС, причем по крайней мере одна погружная фурма изготовлена из легированной стали, например из нержавеющей стали.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что по краней мере одну погружную фурму охлаждают путем подачи охлаждающей жидкости в процессе восстановительной плавки.

16. Способ по любому из пп.1 - 15, отличающийся тем, что дожигание технологических газов осуществляют посредством обогащенного кислородом воздуха.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что дожигание осуществляют вблизи поверхности шлакового расплава, например в зоне, прилегающей к по крайней мере одной восстановительной зоне.

18. Способ по любому из пп.1 - 17, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ, необходимый для дожигания, подают по крайней мере через одну фурму, нижний разгрузочный конец которой расопложен над поверхностью шлакового расплава.

19. Способ по любому из пп.1 - 17, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ, необходимый для дожигания, вдувают в реактор через трубу-кожух, внутри которого расположена погружная фурма для вдувания топлива-восстановителя, при этом выходной конец трубы кожуха расположен над поверхностью шлакового расплава.

20. Способ по любому из пп.1 - 19, отличающийся тем, что дожигание осуществляют до достижения степени окисления более 0,2, определяемой из отношения (CO₂ + H₂O) / (CO + H₂ + CO₂ + H₂O).

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что степень окисления поддерживают не выше 0,95.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что степень окисления регулируют для обеспечения максимальной степени теплопереноса в расплав с последующим использованием газов без повторного окисления ванны расплава.

23. Способ по любому из пп.1 - 22, отличающийся тем, что железо, содержащее исходное сырье, загружают в реактор в виде кусков или в тонкоизмельченном виде.

24. Способ по любому из пп.1 - 22, отличающийся тем, что железосодержащее исходное сырье перед подачей в реактор предварительно агломерируют с флюсом и/или кусковым углем.

25. Способ по любому из пп.1 - 22, отличающийся тем, что железосодержащее исходное сырье, флюс и дополнительный восстановитель загружают через загрузочные отверстия, расположенные над шлаковым расплавом.

26. Способ по любому из пп.1 - 22, отличающийся тем, что железосодержащее исходное сырье и флюс в виде мелких частиц соответствующего размера загружают в реактор через одну или несколько верхних фурм.

27. Способ по любому из пп.1 - 26, отличающийся тем, что вдувание реагентов через верхнюю погружную фурму осуществляют с интенсивностью, обеспечивающей турбулентность и вспучивание поверхности шлакового расплава.

28. Способ по любому из пп.1 - 27, отличающийся тем, что в качестве железосодержащего исходного сырья используют железную руду в виде кусков или мелочи, или окатыши, или отсев окатышей или железистые песчаники, или отходы чугуна, или окалину, или колошниковую пыль сталелитейного производства, или шлак с высоким содержанием железа и их смеси.