способ выплавки чугуна и агрегат для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ выплавки чугуна, включающий периодическую загрузку шихты, содержащей железорудное сырье, флюсующие добавки и кусковое твердое топливо, подачу через фурменные приборы высоконагретого обогащенного кислородом дутья совместно с пылеугольным и газообразным топливом, накопление жидких продуктов плавки в металлоприемнике и их периодический выпуск, отличающийся тем, что кусковое твердое топливо и железорудное сырье с флюсующими добавками совместно с высоконагретым обогащенным кислородом дутьем с пылеугольным и газообразным топливом подают в самостоятельные рабочие пространства, связанные металлоприемником, при этом кусковое твердое топливо загружают в рабочее пространство, ограниченное шахтой, в количестве, обеспечивающем процессы регенерации CO₂, H₂O для прямого восстановления элементов чугуна и науглероживание металла в металлоприемнике, железорудное сырье используют тонкоизмельченным и вдувают его в рабочее пространство, ограниченное куполообразным реактором, совместно с высоконагретым обогащенным кислородом дутьем с пылеугольным и газообразным топливом, организуя газовый поток в реакторе сверху вниз, в металлоприемнике - горизонтально, а в шахте - снизу вверх, при этом соотношение C-CH₄-Fe-O₂ в дутье поддерживают в количестве, обеспечивающем температуру горения в купольной части реактора - 1800 - 2000^oС, а в средней его части - 2000 - 2200^oС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердого топлива используют кокс, антрацит или формованный энергетический уголь.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пылеугольного и газообразного топлива используют энергетический уголь и природный газ соответственно.

4. Металлургический агрегат для выплавки чугуна, содержащий шахту с загрузочным устройством, газоотводами и колошниковой защитой, а также горн, распар, заплечики, фурменные приборы, металлоприемник с летками, лещадь, фундамент, отличающийся тем, что шахта с загрузочным устройством, газоотводами и колошниковой защитой выполнена раздельно от горна, заплечиков и распара, которые представлены в виде куполообразного реактора, имеющего в средней части фурменные приборы и снабженного горелками в куполе и нижней части, при этом шахта и куполообразный реактор соединены между собой металлоприемником с летками, лещадью и фундаментом, а вертикальные оси шахты и куполообразного реактора параллельны между собой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано для производства чугуна.

Известен способ жидкофазного восстановления, заключающийся в непрерывном плавлении порошкообразного рудного сырья в шлаковой ванне с одновременным восстановлением оксидов железа вдуваемым измельченным углем (Известия ВУЗов; 1993 г. N 7, стр. 9-19).

Недостатками этого способа являются технологическая сложность управления ходом плавки для получения качественного чугуна; высокая температура отходящих газов и большое содержание в них сернистых соединений.

Известен способ прямого восстановления "Корекс", заключающийся в первоначальном восстановлении (до 90%) оксидов железа в шахтном агрегате, подачи их в агрегат-газификатор, где за счет тепла от сжигания в потоке кислорода угольной пыли железорудное сырье расплавляется и довосстанавливается углеродом ("Черные металлы", 1991 г., N 9, стр. 3-11).

Недостатками этого способа являются загрузка железорудного сырья кусками, а следовательно, необходимость его подготовки - агломерирование, окомкование, сортировка; сложность согласования тепловых и технологических процессов шахтный агрегат - газификатор.

Ближайшим аналогом к заявляемому способу является способ доменной плавки, включающий периодическую загрузку шихты (железорудная часть, флюсующие добавки и кокс), подачу дутья, организацию газового потока в слое шихты снизу вверх (фурменные приборы - газоотводы), выпуск продуктов плавки (Дж. Г. Писи и другие, Доменный процесс, Теория и практика, М., Металлургия, 1984 г., с. 14-35).

Недостатком этого способа является концентрация в рабочем пространстве механических, теплофизических, окислительно-восстановительных, газодинамических процессов, а также процессов плавления и науглероживания металла.

Известен плавильно-восстановительный агрегат ПЖВ, включающий ванну, загрузочную воронку, водоохлаждаемые кессоны, фурмы верхнего ряда для дожигания, металлический сифон-переток, горн с подиной, фурмы нижнего ряда (барботажные), шлаковый сифон (отстойник) и дымоотводящий патрубок (Известия ВУЗов, Черная металлургия, N 7, 1993 г., стр. 10-11).

Недостатками этого агрегата являются низкий КПД, не превышающий 50%, сложность решения вопросов экологии.

Ближайшим аналогом к заявляемой конструкции является доменная печь, содержащая загрузочное устройство, газоотводы, шахту с колошниковой защитой, распар, заплечики, горн с фурменными приборами, чугунные летки, металлоприемник, лещадь, фундамент (Дж. Г. Писи и другие, Доменный процесс, Теория и практика, М., Металлургия, 1984 г., с. 14-35).

Недостатками этой конструкции являются: жесткие требования, предъявляемые к гранулометрическому и химическому составу железорудного сырья и, следовательно, сохранение цикла подготовки: агломерирование, окомкование рудного концентрата; использование кокса в зависимости от условий плавки на уровне 300-550 кг/т чугуна.

Техническая задача, решаемая изобретением, - создание способа выплавки чугуна с разделением в двух рабочих пространствах механических, теплофизических, окислительно-восстановительных, газодинамических процессов, а также процессов плавления и науглероживания металла.

Техническая задача решается за счет того, что в способе выплавки чугуна, включающем периодическую загрузку шихты (железорудная часть, флюсущие добавки и кокс), подачу через фурменные приборы высоконагретого обогащенного кислородом дутья совместно с пылеугольным и газообразным топливом, организацию газового потока в слое шихты снизу вверх (фурменные приборы-газоотводы), накопление жидких продуктов плавки в металлоприемнике и их периодический выпуск, причем кусковое топливо (кокс, антрацит, формованный энергетический уголь) загружают в шахтный агрегат в количестве, необходимом на процессы прямого восстановления элементов чугуна и на науглероживание металла, природный газ, тонкоизмельченные железорудное сырье, флюсующие добавки, энергетический уголь вдувают в реактор, газовый поток в реакторе организуют сверху вниз, в металлоприемнике - горизонтально, а в шахте - снизу вверх, причем соотношение C-CH₄Fe-O₂ поддерживают, исходя из достижения температур горения в купольной части реактора 1800-2000^oC, а в средней его части 2000-2200^oC.

Кроме того, техническая задача решается за счет того, что заявляемый способ выплавки чугуна реализуется в металлургическом агрегате, включающем загрузочное устройство, газоотводы, шахту с колошниковой защитой, распар, заплечики, горн с фурменными приборами, металлоприемник, чугунные летки, лещадь, фундамент, причем шахта и реактор представлены самостоятельными рабочими пространствами, объединены между собой общим металлоприемником, лещадью, фундаментом; вертикальные их оси параллельны, при этом шахта включает загрузочное устройство, колошниковую защиту, газоотводы, а реактор включает перевернутые заплечики, горн и распар, окаймленный куполом, снабжен горелками в куполе и нижней части, в средней его части размещены фурменные приборы (горелки).

Поставленная техническая задача решается за счет струйного (факельного) расплавления измельченного железорудного сырья и флюсующих добавок в реакторе, восстановления оксидов Fe, Si, Mn расплава при капельном его прохождении по угольной насадке в металлоприемнике и удалении газов через слой шихты в газоотводы. Температурный режим 1800-2000^oC в купольной части реактора достигается за счет соотношения C-CH₄-Fe-O₂, а в средней части реактора температурный уровень 2000-2200^oC также поддерживается за счет соотношения расходов C-CH₄-Fe-O₂ через фурменные приборы в поток высоконагретого дутья.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображен предлагаемый агрегат с соотношением размеров элементов профиля типовой доменной печи объемом 1386 м³.

Агрегат включает загрузочное устройство (1), газоотводы (2), колошниковую защиту (3), шахту (4), куполообразный реактор (5). Шахта (4) и реактор (5) отстоят друг от друга на расстоянии 5-7 м, причем их вертикальные оси параллельны. Шахта (4) и реактор (5) в нижней части имеют общий металлоприемник (6), лещадь (7), фундамент (8). В металлоприемнике (6) со стороны шахты (4) расположены чугунные летки (9) для выпуска чугуна и шлака.

Реактор (5) включает перевернутые заплечики (13), горн (14), распар с куполом (15), в верхней части горна (14) - фурменные приборы (11), а в нижней части заплечиков (13) - кислородные горелки. Размещение перевернутых заплечиков (13) ниже горна (14), а распара (15) выше горна преобразует элементы горн-распар в одно сечение.

Расстояние между шахтой (4) и реактором (5) в пределах 5 м необходимо для металлургического агрегата производительностью до 1000 т чугуна в сутки, расстояние 7 м - для производительности агрегата более 1000 т/сутки.

Вследствие разделения механических, теплофизических, окислительно-восстановительных, газодинамических процессов, а также процессов плавления и науглероживания на два рабочих пространства общая высота металлургического агрегата уменьшается примерно вдвое. В связи с этим снижаются требования к кусковому топливу. Наряду с коксом можно использовать антрацит или формованное энергетическое топливо.

В купольной части реактора (5) находятся горелки (10) для подачи природного газа, угольной пыли, измельченного железорудного сырья с флюсующими добавками, технологического кислорода. В верхней части горна (14) реактора находятся фурменные приборы (горелки) для подачи обогащенного кислородом нагретого дутья, угольной пыли, природного газа, измельченного железорудного сырья. В нижней части перевернутых заплечиков (13) реактора находятся кислородные горелки (12) для аварийных ситуаций при "закозлении" металлоприемника и при первоначальном пуске печи в эксплуатацию. При этом перевернутые заплечики (13) обеспечивают наибольшее сечение в нижней части реактора и наименьшее сечение средней и купольной зонах реактора в соответствии с распределением температурных зон и объемов газов и расплава по высоте реактора.

Металлургический агрегат работает следующим образом: загрузочным устройством (1) сортированный кусковой энергетический уголь или кокс загружают в шахту (4) и поддерживают заданный уровень засыпи. В реактор (5) через купольные горелки (10) в заданном соотношении непрерывно подают кислород, природный газ, угольную пыль, измельченное железорудное сырье с флюсующими добавками. В среднюю часть реактора через фурменные приборы (11) также непрерывно подают нагретое обогащенное кислородом дутье, угольную пыль, природный газ и измельченное железорудное сырье.

Газообразные продукты горения из реактора (5) через угольную (коксовую) насадку металлоприемника (6) поступают в нижнюю часть шахты (4), проходят угольную (коксовую) насадку шахты, отдают физическое тепло кусковому углю (коксу) и через газоотводы (2) направляются в заводскую сеть.

В факелах горения порошкообразное железорудное сырье (концентрат, шламы) расплавляются и в виде капельного потока орошают угольную (коксовую) кусковую насадку нижней зоны реактора, проходя через насадку за счет углерода кускового угля (кокса), оксиды Fe, Si, Mn восстанавливаются, металл науглероживается и наполняет нижнюю часть металлоприемника (6). По графику чугун выпускают через чугунные летки (9) с использованием типового оборудования.

Пример. Из расчета выплавки 1 кг чугуна в купольные горелки (фурмы) реактора подают 1,5 м³ дутья с содержанием O₂, равным 60%, 0,025 м³ природного газа и шихту: 1,93 кг доменных осушенных шламов, 0,361 пылеугольного топлива и 0,050 кг тонкоизмельченного известняка. В факеле протекают процессы горения C, H₂, восстановления Fe₂O₃ ---> F₃O₄ ---> FeO, расплавления шлакообразующих, увеличение размеров капель расплава до 5-10 мм и движение газового потока и капель расплава в среднюю часть реактора. Согласно материально-тепловым балансам при данном соотношении C-CH₄-Fe-O₂ температура факела равна 1965^oC.

Из расчета выплавки также 1 кг чугуна в горелки (фурмы) средней части реактора подают 1,64 м³ дутья, нагретого до 1200^oC, с содержанием O₂, равным 55%. Расход природного газа и состав шихты аналогичный, как в купольные горелки. Согласно материально-тепловым балансам при дополнительном приходе тепла с нагретым дутьем температура факела повышается до 2190^oC.

В каплях расплава, проходящей по коксовой (угольной) насадке металлоприемника, предварительно нагретой до 1600^oC в шахте за счет газа, покидающего печь, происходит восстановление FeO, науглероживание железа. В этой зоне температура газа снижается до 1635^oC, расплава до 1500^oC. Согласно термодинамическим условиям расходуется 0,302 кг углерода кокса (энергетического топлива) на регенерацию H₂O и CO₂, образуется 0,378 кг/кг чугуна шлака (состав CaO - 40,5%, SiO₂ - 34,3%, Al₂O₃ - 14,1%, MgO - 8,9% с основностью: CaO/SiO₂ = 1,18, CaO + MgO/SiO₂ + Al₂O₃ = 1,02) и чугун с содержанием кремния 0,8%, углерода 4,5%, серы 0,030%. Состав газа,%: CO - 34,7; CO - 28,1; H₂O - 4,9; H₂ - 0,9; N₂ - 31,9; количество - 2,130 м³; калорийность - 871,2 ккал/м³. Чугун и шлак накапливаются в металлоприемнике и периодически выпускаются.

Газ, покидающий металлоприемник с температурой 1635^oC, меняет горизонтальное направление, поднимается вверх через коксовую (угольную) насадку шахты, отдает тепло кусковому топливу. Из газоотводов, при подаче цинксодержащей шихты в реактор, газ выходит с температурой 700-750^oC из расчета содержания ZnO в газообразном состоянии. В пылеуловителях снижают температуру газа и осаждают ZnO в виде пыли. При подаче в реактор железорудного концентрата с низким содержанием оксидов цинка при необходимости перераспределяют флюсующие добавки из расчета загрузки части их в кусковом виде вместе с коксом (энергетическим топливом) в шахту, добиваясь снижения температуры газа в газоотводах до 250-300^oC.