способ прямой плавки

Формула изобретения

1. Способ прямой плавки для получения металла из металлосодержащего сырья, включающий формирование жидкой ванны, содержащей слой металла и слой шлака над слоем металла, в металлургической печи, вдувание газа-носителя, металлосодержащего сырья и твердого углеродосодержащего материала в слой металла через множество фурм для вдувания твердых материалов, расположенных над поверхностью слоя металла и простирающихся по направлению к нему, и вызывание выброса расплавленного материала из жидкой ванны в виде всплесков, капель и брызг в пространство над номинально спокойной поверхностью жидкой ванны для образования переходной зоны, расплавление металлосодержащего сырья до металла в слое металла, вдувание кислородосодержащего газа в печь через одну или несколько фурм и дожигание реакционных газов, выделяющихся из жидкой ванны, причем поднимающиеся и затем опускающиеся всплески, капли и брызги расплавленного материала в переходной зоне облегчают теплоотдачу в жидкую ванну, а переходная зона уменьшает потери теплоты из печи через боковые стены, контактирующие с переходной зоной, отличающийся тем, что формируют трубку из твердого материала на выпускном конце, по меньшей мере, одной фурмы при вдувании металлосодержащего сырья и углеродосодержащего материала через фурмы для вдувания твердых материалов и тем самым увеличивают эффективную длину фурмы или фурм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе вдувания кислородсодержащего газа в печь при формировании трубки или трубок вдувают металлосодержащее сырье и/или углеродосодержащий материал через фурмы для вдувания твердых материалов так, чтобы эндотермическая природа этих материалов создавала вокруг выпускных концов фурм для вдувания твердых материалов область, температура которой ниже температуры затвердевания шлака.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вдуваемый газ-носитель представляет собой газ, не содержащий кислород.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что вдувают металлосодержащее сырье и/или углеродосодержащий материал так, чтобы трубка или каждая трубка образовала коаксиальное удлинение фурмы или каждой фурмы для вдувания твердых материалов.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что регулируют удельный массовый расход металлосодержащего сырья и углеродосодержащего материала и/или скорость газа-носителя, металлосодержащего сырья и углеродосодержащего материала.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что поддерживают температуру выпускного конца каждой фурмы для вдувания твердых материалов ниже температуры затвердевания шлака, чтобы способствовать первоначальному затвердеванию твердого материала на концах.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что размещают каждую фурму для вдувания твердых материалов так, чтобы ее выпускной конец находился ниже поверхности жидкой ванны и выше слоя металла.

8. Печь для получения металла из металлосодержащего сырья способом прямой плавки, содержащая жидкую ванну, имеющую слой металла и слой шлака над слоем металла, отличающаяся тем, что печь содержит горн, выполненный из огнеупорного материала и имеющий основание и стороны, контактирующие с расплавленным металлом, боковые стены, простирающиеся вверх от сторон горна и контактирующие со слоем шлака, одну или несколько фурм, направленных вниз в печь, для вдувания кислородосодержащего газа в печь, множество фурм для вдувания твердых материалов, направленных вниз внутрь печи, для вдувания газа-носителя, металлосодержащего сырья и углеродосодержащего материала в слой металла, причем выпускной конец, по меньшей мере, одной фурмы расположен выше поверхности слоя металла во время осуществления способа прямой плавки в печи и имеет затвердевшую на нем трубку из твердого материала, образующую удлинение выпускного конца фурмы, и средство для выпуска расплавленного металла и шлака из печи.

9. Печь по п.8, отличающаяся тем, что выпускной конец каждой фурмы для вдувания твердых материалов расположен на расстоянии, по меньшей мере, 150 мм над спокойной поверхностью слоя металла.

10. Печь по п.8 или 9, отличающаяся тем, что выпускной конец каждой фурмы для вдувания твердых материалов расположен на расстоянии не более 500 мм над спокойной поверхностью слоя металла.

11. Печь по любому из пп.8-10, отличающаяся тем, что каждая фурма для вдувания твердых материалов содержит полый удлиненный элемент, образующий центральный канал для сырья и имеющий впускной конец и выпускной конец, и наружную водяную охлаждающую рубашку.

12. Печь по п.11, отличающаяся тем, что упомянутый элемент выступает за пределы водяной охлаждающей рубашки на выпускном конце каждой фурмы.

13. Печь по любому из пп.8-12, отличающаяся тем, что каждая фурма для вдувания твердых материалов направлена вниз внутрь печи под углом 30-60° к вертикали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу получения металлов (данный термин включает также и металлические сплавы), в частности, хотя ни в коей мере не исключительно, железа, из металлосодержащего сырья, такого как руды, частично восстановленные руды и металлосодержащие отходы, в металлургической печи, содержащей жидкую ванну.

Настоящее изобретение конкретно касается способа прямой плавки в ванне расплавленного металла для получения расплавленного металла из металлосодержащего сырья.

Известен способ прямой плавки, в котором реакционной средой служит слой расплавленного металла, обычно именуемый процессом HIsmelt, описанный в международной заявке PCT/AU96/00197 (WO 96/31627), на имя заявителя настоящего изобретения.

Процесс HIsmelt, описанный в вышеупомянутой международной заявке, заключается в следующем:

(a) формируют ванну расплавленного металла и шлака в печи;

(b) вдувают в ванну

(i) металлосодержащее сырье, обычно оксиды металлов, и

(ii) твердый углеродосодержащий материал, обычно уголь, который действует как восстановитель оксидов металлов и как источник энергии;

(c) расплавляют металлосодержащее сырье до металла в слое металла.

В данном контексте под "плавлением" подразумевается тепловая обработка, при которой происходят химические реакции восстановления оксидов металлов с получением жидкого металла.

Процесс HIsmelt также включает дожигание реакционных газов, таких как СО и Н₂, выделяющихся из ванны в пространство над нею, с кислородосодержащим газом, и передачу образующейся при дожигании теплоты в ванну, чтобы увеличить тепловую энергию, необходимую для плавления металлосодержащего сырья.

Процесс HIsmelt также включает формирование переходной зоны над номинально спокойной поверхностью ванны, в которой находится благоприятная масса поднимающихся, а затем опускающихся капель, или всплесков, или брызг расплавленного металла и/или шлака, обеспечивающая эффективную среду для передачи в ванну тепловой энергии, образующейся при дожигании реакционных газов над ванной.

В результате обширных исследований процесса HIsmelt, проведенных на экспериментальной установке, автор сделал ряд важных заключений в отношении этого процесса.

Одно из этих заключений состоит в том, что можно достичь чрезвычайно высокой степени управления процессом посредством

(a) вдувания твердых материалов, таких как металлосодержащее сырье и твердый углеродосодержащий материал, в слой металла через множество фурм, расположенных над слоем металла и простирающихся в его направлении, и

(b) формирования трубки из твердого материала, которым обычно является, по меньшей мере преимущественно, шлак, на концах каждой фурмы и тем самым увеличения длины фурм.

Управление процессом осуществляется в результате того, что длины трубок автоматически изменяются вместе с уровнем расплавленного металла и тем самым поддерживается практически постоянное расстояние между эффективными концами фурм и металлом.

Длина трубки на фурме определяется уровнем расплавленного металла в жидкой ванне вблизи фурмы. В частности, когда уровень расплавленного металла поднимается, существует более высокая вероятность того, что расплавленный металл, который выплескивается или иным образом выбрасывается над слоем металла, будет контактировать с концом трубки и расплавлять его в результате более высокой теплоотдачи металла по сравнению со шлаком. А когда уровень расплавленного металла опускается, существует меньшая вероятность контакта расплавленного металла с трубкой, и поэтому конец трубки может постепенно удлиняться в направлении слоя металла. Изменения уровня расплавленного металла происходят в процессах как с непрерывным, так и периодическим выпуском металла, и поэтому изобретение подходит для обоих процессов.

Кроме обеспечения высокой степени управления вводом твердых материалов в слой металла, что важно для процесса прямой плавки в жидкой ванне, такого как процесс HIsmelt, настоящее изобретение позволяет работать с неподвижными фурмами для вдувания твердых материалов. Такое решение обладает преимуществом, поскольку подвижные фурмы требуют уплотнений, а уплотнения трудно сконструировать так, чтобы не было ни утечек, ни выхода из строя.

Кроме перечисленных выше преимуществ настоящее изобретение позволяет расположить фурму дальше от зоны выплеска расплавленного металла и тем самым предотвратить повреждение фурм в результате контакта с расплавленным металлом, и в то же время обеспечить, чтобы эффективный конец фурмы находился как можно ближе к слою металла. Это позволяет использовать фурму с водяным охлаждением, не приближая ее настолько близко к расплавленному металлу, чтобы рисковать безопасностью. Этот момент особенно важен в процессе прямой плавки в жидкой ванне, таком как HIsmelt. Таким образом, настоящее изобретение отвечает противоречивым требованиям, а именно: (i) безопасности, которая диктует расположение фурм как можно дальше от слоя металла, и (ii) производительности, которая диктует расположение фурм как можно ближе к слою металла, чтобы оптимизировать вдувание реагентов в слой металла.

Согласно настоящему изобретению предложен способ прямой плавки для получения металла из металлосодержащего сырья, заключающийся в том, что:

(a) формируют жидкую ванну, содержащую слой металла и слой шлака над слоем металла в металлургической печи,

(b) вдувают газ-носитель, металлосодержащее сырье и твердый углеродосодержащий материал в слой металла через множество фурм для вдувания твердых материалов, расположенных над поверхностью слоя металла и простирающихся по направлению к нему, и вызывают выброс расплавленного материала из жидкой ванны в виде капель, всплесков и брызг в пространство над номинально спокойной поверхностью жидкой ванны для образования переходной зоны,

(c) расплавляют металлосодержащее сырье до металла в слое металла,

(d) вдувают кислородосодержащий газ в печь через одну или несколько фурм и дожигают реакционные газы, выделяющиеся из жидкой ванны, в результате чего поднимающиеся, а затем опускающиеся капли, всплески и брызги расплавленного материала в переходной зоне облегчают теплоотдачу в жидкую ванну, а переходная зона уменьшает потери теплоты из печи через боковые стены, контактирующие с переходной зоной, отличающийся тем, что формируют трубку из твердого материала на конце, по меньшей мере, одной фурмы при вдувании металлосодержащего сырья и углеродосодержащего материала через фурмы для вдувания твердых материалов и тем самым увеличивают эффективную длину фурмы или фурм.

Обычно основную часть расплавленного материала в каплях, всплесках и брызгах составляет расплавленный металл из слоя металла, а остальную часть - шлак. Типично капли, всплески и брызги расплавленного материала по мере их движения вверх захватывают дополнительный расплавленный материал (в частности, шлак). Кроме того, капли, всплески и брызги расплавленного материала постепенно теряют импульс и падают вниз к слою металла. Так как металл имеет более высокую плотность, чем шлак, относительное количество металла в расплавленном материале в каплях, всплесках и брызгах уменьшается с уменьшением расстояния от слоя металла до места, где переходная зона может включать лишь небольшие количества металла, если они вообще есть.

Понятие "слой металла" в данном контексте означает ту область ванны, которая состоит преимущественно из металла. В частности, данное понятие охватывает область или зону, включающую дисперсию расплавленного шлака в сплошном объеме металла.

Понятие "слой шлака" в данном контексте означает ту область ванны, которая состоит преимущественно из шлака. В частности, данное понятие охватывает область или зону, включающую дисперсию расплавленного металла в сплошном объеме шлака.

Пространство над номинально спокойной поверхностью ванны в дальнейшем будет называться "верхним пространством".

Под "спокойной поверхностью" в контексте жидкой ванны следует понимать поверхность жидкой ванны в таких условиях процесса, когда отсутствует вдувание газа и твердых материалов и поэтому не происходит перемешивания ванны.

Аналогичным образом, под "спокойной поверхностью" в контексте слоя металла подразумевается поверхность слоя металла в таких условиях процесса, когда отсутствует вдувание газа и твердых материалов и поэтому не происходит перемешивания ванны.

Обычно трубка или трубки образуются, по меньшей мере преимущественно, из затвердевшего шлака. Трубка или каждая трубка может включать некоторое количество затвердевшего металла.

Предпочтительно, способ включает в себя размещение каждой фурмы для вдувания твердых материалов таким образом, чтобы ее выпускной конец находился ниже поверхности жидкой ванны и над слоем металла.

Предпочтительно, способ включает в себя размещение каждой фурмы для вдувания твердых материалов таким образом, чтобы ее выпускной конец находился на расстоянии, по меньшей мере, 150 мм над спокойной поверхностью слоя металла.

Предпочтительно, способ включает в себя размещение каждой фурмы для вдувания твердых материалов таким образом, чтобы ее выпускной конец находился на расстоянии не более 500 мм, предпочтительнее не более 400 мм, над спокойной поверхностью слоя металла.

В контексте высот расположения фурм для вдувания твердых материалов над спокойной поверхностью слоя металла, описанных в предыдущих двух абзацах, в зависимости от таких параметров, как удельный массовый расход твердого материала через фурмы, заявитель обнаружил на экспериментальной установке, что длина трубки или трубок составляла до 600 мм, обычно, по меньшей мере, 200 мм. Понятно, что длина трубки 600 мм и угол фурмы 30-60^o к вертикали неизбежно означает то, что трубка или трубки могут простираться ниже спокойной поверхности слоя металла. Это заключение важно для процесса, в котором плавление происходит, по меньшей мере, преимущественно, в слое металла, так как это означает, что имеет место значительное проникновение твердого материала в слой металла.

Предпочтительно, на этапе (d) формируют трубку или трубки посредством вдувания металлосодержащего сырья и/или углеродосодержащего материала через фурмы для вдувания твердых материалов, чтобы эндотермическая природа этих материалов создавала вокруг концов фурм для вдувания твердых материалов область, температура которой ниже температуры затвердевания шлака. Важным управляющим параметром в этом отношении является вдувание металлосодержащего материала и углеродосодержащего материала вместе с газом, не содержащим кислород.

Поэтому на этапе (b) предпочтительно вдувают металлосодержащее сырье и углеродосодержащий материал с газом, не содержащим кислород.

Предпочтительно, способ включает вдувание металлосодержащего материала и/или углеродосодержащего материала таким образом, чтобы трубка или каждая трубка образовывала коаксиальное удлинение фурмы или каждой фурмы для вдувания твердых материалов. Важными управляющими параметрами в этом отношении являются удельный массовый расход металлосодержащего сырья и углеродосодержащего материала и/или скорость потока газа-носителя, металлосодержащего сырья и углеродосодержащего материала.

Предпочтительно, способ включает поддержание температуры выпускного конца каждой фурмы для вдувания твердых материалов ниже температуры затвердевания шлака, чтобы способствовать первоначальному затвердеванию твердого материала на концах.

Более предпочтительно, выпускной конец каждой фурмы для вдувания твердых материалов охлаждается водой и это водяное охлаждение поддерживает температуру конца ниже температуры затвердевания шлака.

Предпочтительно, данный способ соответствует описанному в международной заявке PCT/AU99/00538 на изобретение "Способ прямой плавки" на имя заявителя настоящего изобретения, упоминаемой здесь для сведения.

Согласно изобретению также предложена печь для получения металла из металлосодержащего сырья способом прямой плавки, содержащая жидкую ванну, имеющую слой металла и слой шлака над слоем металла, причем печь содержит:

(a) горн, выполненный из огнеупорного материала и имеющий основание и стороны, контактирующие с расплавленным металлом;

(b) боковые стены, простирающиеся вверх от сторон горна и контактирующие со слоем шлака;

(c) одну или несколько фурм, простирающихся вниз в печь, для вдувания кислородосодержащего газа в печь;

(d) множество фурм для вдувания твердых материалов, простирающихся вниз внутрь печи, для вдувания газа-носителя, металлосодержащего сырья и углеродосодержащего материала в слой металла, причем выпускной конец, по меньшей мере, одной фурмы расположен над поверхностью слоя металла во время осуществления способа прямой плавки в печи и имеет затвердевшую на нем трубку из твердого материала, которая образует удлинение выпускного конца фурмы, и

(e) средство для выпуска расплавленного металла и шлака из печи.

Предпочтительно, печь для восстановительной плавки соответствует описанной в международной заявке PCT/AU99/00537 на изобретение "Печь для прямой плавки" на имя заявителя настоящего изобретения, упоминаемой здесь для сведения.

Предпочтительно, каждая фурма для вдувания твердых материалов расположена таким образом, что ее выпускной конец находится ниже поверхности жидкой ванны.

Предпочтительно, каждая фурма для вдувания твердых материалов расположена таким образом, что ее выпускной конец находится, по меньшей мере, на 150 мм выше спокойной поверхности слоя металла.

Предпочтительно, каждая фурма для вдувания твердых материалов расположена таким образом, что ее выпускной конец находится не более чем на 500 мм, предпочтительнее, не более чем на 400 мм выше спокойной поверхности слоя металла.

Предпочтительно, трубка или трубки находятся на расстоянии, по меньшей мере, 200 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 300 мм на разных стадиях процесса.

Предпочтительно, каждая фурма для вдувания твердых материалов содержит:

(a) полый удлиненный элемент, образующий центральный канал для сырья и имеющий впускной конец и выпускной конец, и

(b) наружную водяную охлаждающую рубашку.

Предпочтительно, упомянутый элемент простирается за пределы водяной охлаждающей рубашки на выпускном конце фурмы.

Предпочтительно, наружная поверхность водяной охлаждающей рубашки имеет поверхность с углублениями или другого профиля, чтобы увеличить открытую поверхность водяной охлаждающей рубашки.

Предпочтительно, фурмы для вдувания твердых материалов простираются вниз внутрь печи под углом 30-60^o к вертикали.

Предпочтительно, выпускной конец каждой фурмы для вдувания твердых материалов находится в слое шлака.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примера его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

на фиг.1 изображен вертикальный разрез металлургической печи, схематично поясняющий в схематическом виде предпочтительный вариант выполнения предлагаемого способа;

на фиг.2 - поперечное сечение с вырывом предпочтительного варианта выполнения фурмы для вдувания твердых материалов;

на фиг.3 - вид фурмы с торца в направлении стрелки С на фиг.2 и

на фиг.4 - поперечное сечение по линии А-А на фиг.2.

В дальнейшем изобретение описано на примере прямой плавки железной руды для получения жидкого чугуна, однако само собой разумеется, что изобретение не ограничено данным применением и может использоваться для любых подходящих металлических руд и/или концентратов и других металлосодержащих материалов, включая частично восстановленные металлические руды и металлосодержащие отходы, которые могут быть предварительно нагреты.

Изображенная на чертеже печь содержит горн, имеющий основание 3 и стороны 55, выполненные из огнеупорного кирпича; боковые стены 5, образующие практически цилиндрическую камеру, направленную вверх от сторон 55 горна, которая состоит из верхней цилиндрической секции 51 и нижней цилиндрической секции 53; свод 7; выпускной канал 9 для отходящих газов; копильник 58 для непрерывного выпуска расплавленного металла и летку 61 для выпуска шлака.

При работе печь содержит жидкую ванну железа и шлака, которая состоит из слоя 15 расплавленного металла и слоя 16 расплавленного шлака над слоем 15 металла. Стрелкой 17 показано положение номинальной спокойной поверхности слоя 15 металла, а стрелкой 19 - положение номинальной спокойной поверхности слоя 16 шлака. Под "спокойной поверхностью" следует понимать поверхность в отсутствии вдувания газа и твердых материалов в печь.

Печь также содержит две фурмы 11 для вдувания твердых материалов, проходящие вниз и внутрь через боковые стены 5 в слой 16 шлака для вдувания в слой 15 металла железной руды, твердого углеродосодержащего материала и флюсов, вовлеченных в газ-носитель, не содержащий кислорода. Положение фурм 11 выбирается таким образом, чтобы во время осуществления процесса их выпускные концы 35 находились над спокойной поверхностью 17 слоя 15 металла. Это положение фурм 11 уменьшает риск повреждения фурм в результате контакта с расплавленным металлом. Оно также позволяет охлаждать фурмы 11 водой, что значительно снижает риск, связанный с использованием водяного охлаждения.

Во время работы фурмы 11 охлаждаются водой в достаточной степени, чтобы поддерживать температуру на их концах 35 ниже температуры затвердевания шлака. Это способствует первоначальному затвердеванию твердого материала на конце 35 каждой фурмы 11, и данный затвердевший материал служит основой для трубки 81 из твердого материала, которая затем образует удлинение на каждом конце 35 фурм 11. Твердым материалом является, по меньшей мере, преимущественно шлак.

Основным механизмом образования трубки является эндотермическая природа вдуваемых через фурмы 11 железной руды и углеродосодержащего материала, которые образуют область вокруг концов 35 фурм 11, имеющую температуру ниже температуры затвердевания шлака. Использование не содержащего кислород газа способствует эндотермическим реакциям.

Кроме того, регулирование таких параметров, как удельный массовый расход железной руды и углеродосодержащего материала и скорость газа-носителя из фурм 11, гарантирует, что трубки 81 образуют коаксиальное удлинение фурм 11.

Длины трубок 81 регулируются автоматически уровнем расплавленного металла в слое 15 металла. В частности, как отмечалось выше, при повышении уровня металла расплавленный металл, который неизбежно выплескивается или иным образом выбрасывается из слоя 15 металла в слой шлака 16, контактирует с концами трубок 81 и расплавляет эти концы (за счет более высокой теплоотдачи металла по сравнению со шлаком). А при снижении уровня металла и уменьшении контакта расплавленного металла с концами трубок 81 на них затвердевает шлак и тем самым удлиняет концы трубок 81.

Из описанного выше ясно, что длину трубки 81 определяет расстояние между выпускными концами трубок 81 и расплавленным металлом. Важным результатом этой взаимосвязи является то, что обеспечивается практически постоянное расстояние между точками вдувания из фурм 11 и слоем 15 металла, а это значительно способствует управлению процессом.

На фиг.2-4 изображен предпочтительный вариант выполнения фурмы 11. Фурма 11 содержит полый элемент 71, который образует центральный канал для подачи железной руды, твердого углеродосодержащего материала и флюсов, вовлеченных в подходящий газ-носитель, от впускного отверстия 73 к выпускному отверстию 75 на выпускном конце 35 фурмы 11. Фурма 11 также имеет водяную охлаждающую рубашку 77, которая охватывает элемент 71 на значительной части его длины. Передний конец элемента 71 выступает за передний конец рубашки 77. Это удлинение 78 элемента 71 имеет меньший диаметр, чем остальная часть элемента 71. Элемент 71 имеет заплечик 79, образующий переход между частями элемента 71 с большим и меньшим диаметром. Заплечик 79 расположен рядом с передним концом 83 водяной охлаждающей рубашки 77, так что заплечик 79 и передний конец 83 рубашки 77 образуют круглую выемку, обозначенную в общем позицией 81. Эта выемка 81 и удлинение 78 элемента 71 способствуют удержанию шлаковой трубки на конце 35 фурмы 11. Водяная охлаждающая рубашка 77 имеет поверхность с углублениями, обозначенную в общем позицией 85, что увеличивает открытую площадь поверхности рубашки 77 и способствует затвердеванию слоя шлака на рубашке 77, защищающей фурму 11.

При работе в установившемся режиме железная руда, твердый углеродосодержащий материал (обычно уголь) и флюсы (обычно известняк и оксид магния), увлеченные газом-носителем (обычно N₂), вдуваются в слой 15 металла через фурмы 11. Импульс твердых материалов и газа-носителя вынуждает твердый материал и газ-носитель проникать в слой 15 металла. Уголь улетучивается и тем самым образует газ в слое 15 металла. Углерод частично растворяется в металле и частично остается в виде твердого углерода. Железная руда расплавляется до металла и во время реакции плавления образуется газообразный оксид углерода. Газы, попадающие в слой 15 металла и образующиеся при улетучивании угля и плавлении, выталкивают вверх расплавленный металл, твердый углерод и расплавленный шлак (втянутый в слой 15 металла сверху в результате вдувания твердых материалов и газа) из слоя 15 металла, что вызывает движение вверх всплесков, капель и брызг расплавленного материала, и эти всплески, капли и брызги захватывают шлак по мере их движения через слой 16 шлака.

Это выталкивание вверх расплавленного материала и твердого углерода вызывает значительное перемешивание в слое 15 металла и слое 16 шлака, в результате чего слой 16 шлака увеличивается в объеме и имеет поверхность, показанную стрелкой 30. Степень перемешивания такова, что слой 15 металла и слой шлака 16 имеют на всем протяжении каждой области по существу одинаковую температуру, обычно 1450-1550^oС, с колебаниями порядка 30^o в каждой области, и одинаковые химические составы на всем протяжении каждой области.

Кроме того, движение вверх всплесков, капель и брызг расплавленного металла и шлака, вызванное выталкиванием вверх расплавленного металла, твердого углерода и шлака, распространяется в верхнее пространство 31, находящееся над расплавленным материалом в печи, и

(a) образует переходную зону 23, и

(b) выталкивает некоторое количество расплавленного материала (преимущественно шлака) за пределы переходной зоны и на часть верхней цилиндрической секции 51 боковых стен 5, которая находится над переходной зоной 23, и на свод 7.

В общем слой 16 шлака представляет собой сплошной объем жидкости с пузырьками газа и металлом (обычно в виде капель) в нем, а переходная зона 23 представляет собой сплошной объем газа с всплесками, каплями и брызгами расплавленного материала (которым на этой стадии является, по меньшей мере, преимущественно, шлак) в ней.

Значительное перемешивание слоя 15 металла и слоя 16 шлака, вызванное описанным выше выталкиванием, обеспечивает сильное перемешивание металла в слое 16 шлака. Преднамеренное вдувание твердого углеродосодержащего материала в слой 15 металла обеспечивает высокие уровни растворенного углерода в металле, который перемешан в слое шлака. Вследствие растворенного углерода в металле, находящемся в слое шлака, и сильного перемешивания металла в нем слой шлака имеет требуемые низкие уровни (типично ниже 5%) FeO в шлаке.

Печь также содержит фурму 13 для вдувания кислородосодержащего газа, которая расположена в центре и проходит в вертикальном направлении вниз в печь. Положение фурмы 13 и расход газа через нее выбираются таким образом, чтобы в установившемся режиме кислородосодержащий газ проникал в центральную область переходной зоны 23 и поддерживал практически свободное от металла и шлака пространство 25 вокруг конца фурмы 13.

При работе в установившемся режиме вдувание кислородосодержащего газа через фурму 13 вызывает дожигание реакционных газов СО и H₂ в переходной зоне 23 и в свободном пространстве 25 вокруг конца фурмы 13 и создает высокие температуры порядка 2000^oС или выше в этом газовом пространстве. Теплота передается поднимающимся и опускающимся всплескам, каплям и брызгам расплавленного материала в области вдувания газа, а затем она частично передается слою 15 металла, когда металл и шлак возвращаются в него.

Предпочтительно, уровень дожигания составляет, по меньшей мере, 40%, причем дожигание определяется как

,

где [СО₂] = объем % СO₂ в отходящем газе;

[H₂O] = объем % Н₂О в отходящем газе;

[СО] = объем % СО в отходящем газе и

[Н₂] = объем % H₂ в отходящем газе.

Свободное пространство 25 вокруг конца фурмы 13 важно для достижения высоких уровней дожигания, так как оно обеспечивает увлечение газов в верхнее пространство над переходной зоной 23 к концевой области фурмы 13 и тем самым увеличивает дожигание имеющихся реакционных газов.

Суммарный эффект положения фурмы 13, расхода газа через фурму 13 и движения вверх всплесков, капель и брызг расплавленного металла и шлака состоит в формировании переходной зоны 23 вокруг нижней области фурмы 13, обозначенной в общем позицией 27. Эта область создает частичный барьер для радиационного теплообмена с боковыми стенами 5.

Более того, в установившемся режиме поднимающиеся и опускающиеся всплески, капли и брызги расплавленного шлака являются эффективным средством передачи теплоты из переходной зоны 23 в жидкую ванну, в результате чего температура переходной зоны 23 в области боковых стен 5 составляет порядка 1450-1550^oС.

Данная печь сконструирована с учетом уровней слоя 15 чугуна, слоя 16 шлака и переходной зоны 23 в печи, когда процесс идет в установившемся режиме, а также с учетом всплесков, капель и брызг расплавленного материала, которые выбрасываются в верхнее пространство 31 над переходной зоной 23, когда процесс идет в установившемся режиме, поэтому

(a) горн и нижняя цилиндрическая секция 53 боковых стен 5, которые контактируют со слоями 15 и 16 металла и шлака, выполнены из огнеупорного кирпича (показаны перекрестной штриховкой на чертеже);

(b) по меньшей мере, часть нижней цилиндрической секции 53 боковых стен 5 покрыта водоохлаждаемыми панелями 8, и

(c) верхняя цилиндрическая секция 51 боковых стен 5 и свод 7, которые контактируют с переходной зоной 23 и верхним пространством 31, выполнены из водоохлаждаемых панелей 57, 59.

Каждая водоохлаждаемая панель 8, 57, 59 (не показана) в верхней цилиндрической секции 51 боковых стен 5 имеет параллельные верхние и нижние края и параллельные боковые края и изогнута таким образом, что образует секцию цилиндрической камеры. Каждая панель содержит внутреннюю трубу водяного охлаждения и наружную трубу водяного охлаждения. Трубы имеют извилистую конфигурацию, при которой горизонтальные секции соединены криволинейными секциями. Каждая труба дополнительно имеет водоприемник и водовыпуск. Трубы смещены по вертикали таким образом, что горизонтальные секции наружной трубы не находятся непосредственно сзади горизонтальных секций внутренней трубы, если смотреть со стороны открытой поверхности панели, т.е. поверхности, которая открыта внутрь печи. Каждая панель также содержит огнеупорную набивку, которая заполняет пространства между смежными прямолинейными секциями каждой трубы и между трубами. Каждая панель дополнительно содержит опорную плиту, образующую наружную поверхность панели.

Водоприемники и водовыпуски труб подсоединены к источнику водоснабжения (не показан), который обеспечивает циркуляцию воды по трубам с высокой скоростью.

Работы, проведенные заявителем на экспериментальной установке, подтвердили эффективность и экономичность описанных выше способа и устройства при плавке железной руды.

В описанные выше предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения можно внести множество модификаций, не выходящих за рамки объема изобретения.

Например, несмотря на то, что в предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено вдувание железной руды, твердого углеродосодержащего материала и флюсов через каждую фурму 11, понятно, что изобретение этим не ограничено и распространяется также на те варианты, в которых через каждую фурму 11 вдувается только один или два упомянутых материала.

Также, хотя в предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрен непрерывный выпуск металла через копильник 58, настоящее изобретение этим не ограничено и распространяется также на периодический выпуск расплавленного металла.