агрегат для производства металла из железосодержащего сырья

Формула изобретения

1. Агрегат для производства металла из железосодержащего сырья, включающий реактор, выполненный в виде герметичного сосуда со стальным кожухом, защищенным изнутри футеровкой, и оборудованный средствами для подачи углеродсодержащего топлива и кислородсодержащего газа, средством частичного восстановления материала и подачи его с заданной высотой столба шихты в плавильную зону, имеющую копильник и плазмотроны, средством для охлаждения отходящего газа, отличающийся тем, что он снабжен вспомогательными плазмотронами, установленными на уровне столба шихты в районе углов внутреннего периметра поперечного сечения реактора, причем оси симметрично установленных вспомогательных плазмотронов расположены под углом друг к другу в плоскости, параллельной стенке реактора, с вершиной угла, направленной вниз, с возможностью последовательного включения каждой пары плазмотронов, а основные плазмотроны установлены на двух противоположных сторонах копильника плавильной зоны, продольные оси каждой пары противоположных плазмотронов расположены в одной плоскости с углом, направленным в сторону поверхности расплава, при этом реактор выполнен разъемным, верхняя стационарная часть реактора закреплена на опорной плите, нижняя съемная часть через систему уплотнений связана с опорной плитой при помощи механизма фиксации, а опорная плита установлена в горизонтальной плоскости выше уровня заданной высоты столба шихты.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что нижняя съемная часть реактора в плоскости разъема снабжена фланцем, жестко связанным с кожухом, а механизм фиксации выполнен в виде направляющих планок, неподвижно закрепленных на боковых сторонах реактора, вертикальные ветви которых имеют сквозные отверстия и установлены в отверстиях опорной плиты с возможностью фиксации клином.

3. Агрегат по п.2, отличающийся тем, что со стороны торцевой поверхности фланец имеет паз для установки уплотнения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к процессам прямого получения железоуглеродистых сплавов с помощью плазменной технологии.

Известен реактор для прямого получения стали, содержащий шахтную печь с плазмотронами в нижней части и цилиндрическую камеру доводки с установленными в ней плазмотронами, которые расположены в ней в горизонтальной плоскости по окружности корпуса камеры: два - соосно диаметру и четыре - по хордам, проведенным из точек пересечения диаметра с наружной окружностью камеры доводки под углом 2-10°, причем диаметр проведен перпендикулярно вертикальному сечению реактора (А.С. СССР №1271086, заявл. 20.02.85, кл. С 21 В 13/00).

Недостатком указанного технического решения является отсутствие утилизации высокотемпературного газового потока, что влечет за собой не только большую величину тепловых выбросов, но и негативно влияет на окружающую среду. Кроме того, стойкость огнеупорной части проточного желоба, как и камеры доводки, достаточно низкая.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принято устройство для получения железа и/или его сплавов из железоокисных материалов, содержащее плавильную печь, оборудованную средствами для подачи углеродсодержащего топлива и кислородсодержащего газа непосредственно в жидкую фазу и в пространство над ней для дожигания образующегося в результате плавления газа, выпускное отверстие с трубопроводом отвода отходящего газа, средство для ввода железоокисного материала в подвергнутый дожиганию отходящий газ для частичного восстановления материала и охлаждения газа, установленное за ним средство для сепарации частично восстановленного материала от газа и средство для подачи частично восстановленного материала в плавильную печь, отличающееся тем, что трубопровод отходящего газа установлен вертикально и соединен со средствами загрузки железоокисного материала в нижней его части и со средством для сепарации, расположенным в верхней части канала (Патент России №2077595, заявл. 20.12.89, опубл. Бюл. №11, 1997).

Стойкость огнеупорной части копильника низкая ввиду контакта с расплавом. Оплавленный в высокотемпературной зоне материал приходит в контакт со стенкой печи, происходит налипание, что приводит к так называемому «наслоению». Эти проблемы препятствуют стабильной работе печи в течение продолжительного времени.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования агрегата для производства металла из железосодержащего сырья, в котором за счет изменения конструкции реактора обеспечивается оперативная замена наиболее уязвимой части реактора, а также обеспечить с помощью вспомогательных (отрезных) плазмотронов ликвидацию «наслоения» в реакторе в процессе восстановления сырья, благодаря чему улучшается степень использования газа и степень восстановления, и в результате этого повышается экономичность процесса и обеспечивается, при необходимости, ремонт футеровки вне реактора, тем самым снижаются производственные затраты.

Поставленная задача решается тем, что в агрегате для производства металла из железосодержащего сырья, включающем реактор, выполненный в виде герметичного сосуда со стальным кожухом, защищенным изнутри футеровкой, оборудованный средствами для подачи углеродсодержащего топлива и кислородсодержащего газа, средством частичного восстановления материала и подачи его в плавильную зону с заданной высотой столба шихты, средством для охлаждения отходящего газа, согласно изобретению на уровне столба шихты, в районе углов внутреннего периметра поперечного сечения реактора, установлены вспомогательные плазмотроны таким образом, что оси симметрично установленных плазмотронов находятся под углом друг другу в плоскости, параллельной стенке реактора, с вершиной угла, направленной вниз, с возможностью последовательного включения каждой пары плазмотронов, а основные плазмотроны установлены на двух противоположных сторонах копильника, продольные оси каждой пары противоположных плазмотронов расположены в одной плоскости с углом, направленным в сторону поверхности расплава, при этом реактор выполнен разъемным, верхняя стационарная часть реактора закреплена на опорной плите, а нижняя через систему уплотнений связана с опорной плитой при помощи механизмов фиксации, а опорная плита установлена в горизонтальной плоскости выше уровня расчетной высоты столба шихты, при этом нижняя съемная часть реактора в плоскости разъема снабжена фланцем, жестко связанным с кожухом, а механизм фиксации выполнен в виде направляющих планок, закрепленных на боковых сторонах реактора, вертикальные ветви которых имеют сквозные отверстия и установлены в отверстиях опорной плиты с возможностью фиксации клином, при этом торцевая поверхность фланца снабжена пазом для установки уплотнения.

Условия службы футеровки в копильнике и в зоне воздействия струй вспомогательных плазмотронов тяжелы по термическому и химическому воздействию на нее жидких и газообразных продуктов плавки. Состояние футеровки нередко обуславливает продолжительность работы реактора и служит причиной частых остановок с целью ее замены.

В связи с этим создание конструкции разъемного реактора и возможность ускоренной смены нижней части реактора с разрушенной футеровкой на резервную улучшает условия эксплуатации агрегата.

Оксидосодержащий материал, будучи размягченным и оплавленным в высокотемпературной зоне, приходит в контакт со стенкой реактора, происходит налипание оплавленного металла и шлака, что приводит к так называемому «наслоению». Налипание или «наслоения» зависят от температуры и от степени восстановления оксидосодержащего материала. Из-за «наслоения» частично или полностью восстановленного оксидсодержащего материала на стенках реактора могут возникать отказы, из-за которых становится невозможной непрерывная эксплуатация агрегата. Возможность предотвращения возникновения проблем, связанных с «наслоением» внутри реактора решена с помощью установки вспомогательных плазмотронов на уровне загрузки столба шихты таким образом, что каждая стенка реактора в области предполагаемого «наслоения» очищается плазменньми струями, истекающими из плазмотронов, установленных под углом, с общей вершиной, направленной вниз.

Основные (плавильные) плазмотроны установлены на двух противоположных сторонах копильника. Продольные оси каждой пары противоположных плазмотронов, в вертикальной плоскости, расположены под углом с вершиной, направленной в сторону расплава. Взаимное расположение плазмотронов дает возможность повысить эффективность теплообменных процессов в реакторе за счет увеличения потока плазмы в расплаве.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлен общий вид реактора;

на фиг.2 - разрез А-А фиг.1;

на фиг.3 - разрез Б-Б фиг.1;

на фиг.4 - разрез В-В фиг.1.

Агрегат содержит реактор, внутренняя полость которого герметично изолирована от атмосферы, а наружный корпус имеет металлический кожух 1 и футеровку 2 из огнеупорного материала. Верхняя низкотемпературная часть реактора выполнена куполообразной с радиусом у основания, а нижняя часть - в виде прямоугольной призмы. В верхней низкотемпературной части реактора установлено средство для подачи оксидных железорудных материалов в виде бункера-дозатора 3 с перфорированными стенками 4, предназначенного для частичного восстановления материала и подачи его в полость реактора. В нижней части реактора, на уровне столба шихты 5, установлены восемь вспомогательных плазмотронов 6, предназначенных для ликвидации «наслоения» на стенках реактора. Плазмотроны 6 размещены в районе углов внутреннего периметра поперечного сечения реактора таким образом, что оси симметрично установленных плазмотронов находятся под углом друг другу в плоскости, параллельной стенке реактора, с вершиной угла, направленной вниз. У основания нижней части реактора размещен копильник 7 с леткой 8 для выпуска продуктов плавки. На двух противоположных сторонах копильника 7 установлены основные плазмотроны 9, направленные в сторону поверхности расплава, при этом продольные оси каждой пары противоположных плазмотронов расположены в одной плоскости под углом . Через основные плазмотроны вводятся в расплав углеродсодержащее топливо и кислородсодержащий газ. В верхней стационарной части реактора перед бункером-дозатором 3 размещены форсунки 10 для дополнительной подачи восстановителя, например природного газа и/или водяного пара.

Верхняя стационарная часть реактора установлена на опорной плите 11, а нижняя съемная часть посредством фланца 12 через систему уплотнений 13 связана с опорной плитой 11 с помощью механизмов фиксации. Конструкция узла крепления съемной части реактора может быть представлена следующим образом. Съемная нижняя часть реактора в плоскости разъема снабжена фланцем 12 с пазом 14 для установки торцевого уплотнения 13. По наружному периметру кожуха 1 реактора с одинаковым интервалом жестко закреплены направляющие 15, вертикальные ветви которых имеют сквозные отверстия. Направляющие 15 установлены в отверстиях опорной плиты 11 и зафиксированы клином 16. Механизм перемещения съемной части реактора может быть выполнен на базе силовых домкратов, которые установлены на основании рельсовой платформы, причем основание платформы смонтировано с возможностью фиксированного поворота.

Устройство работает следующим образом.

Реактор разогревается до рабочих температур. Через средство загрузки окисных материалов загружают шихту в бункер-дозатор 3 с перфорированными стенками 4. Материал распределяется равномерным слоем заданной толщины. После окончательной загрузки материала его перегружают в плавильную зону реактора. Работа реактора для получения железа циклична. Затем вновь загружают исходным материалом бункер-дозатор 3 для последующего частичного восстановления исходного материала. По окончании загрузки включают плазмотроны 9. Восстановительные плазменные струи в зоне плавления, проходя через шихту, расплавляют ее и восстанавливают окислы до металла. Отходящие нагретые газы поднимаются вверх и, проходя через отверстия в стенках 4, отдают шихте значительную часть тепла и своего восстановительного потенциала, тем самым происходит частичное восстановление железорудного материала и подготовка его к работе в плавильной зоне. Нагретый до среднемассовой температуры Т_C=3000-4000°С и конвертированный на СО и Н ₂ плазмообразующий газ в виде восстановительных плазменных струй продувает слой шихты. Под действием плазменных струй шихта интенсивно расплавляется, и далее плазменные струи продувают слой расплава. Отходящие в процессе плавления и восстановления окисных материалов газы имеют высокую температуру и значительное содержание СО, Н₂. Невосстановленный FeO плавится в верхней части столба шихты из-за поступления высокотемпературного газа, окомковывается или оплавляется и налипает на стенки реактора. Большое количество расплавленного шлака образуется вблизи стенок реактора и сопровождается адгезией, результатом которой является так называемое «наслоение». Процесс образования «наслоения» контролируется датчиками. Для ликвидации «наслоений» через дополнительные плазмотроны 6, установленные в зоне границы верхнего уровня столба шихты, вдувают вдоль стенок реактора плазменные струи. Так как одну стенку обдувают два плазмотрона, обработку периметра внутренней полости реактора ведут поочередным включением плазмотронов на каждой стенке, чем гарантируется плавление прилипших к стенке частиц шихты. Отходящие газы по вертикальному футерованному каналу поступают в зону охлаждения, где через форсунки 10 в них вдувают природный газ и/или водяной пар. Охлажденная газовая смесь при температуре 800-1000°С, имея высокий восстановительный потенциал, проходит через перфорированную стенку 4 в слой исходной шихты, которая частично восстанавливается. После завершения плавки сливают металл, перегружают частично восстановленную шихту из бункера 3 в высокотемпературную зону и загружают бункер-дозатор 3 исходным сырьем. Далее процесс повторяется.

Демонтаж нижней части реактора производят после слива металла и шлака и снятия плазмотронов. Устанавливают рельсовую платформу под копильник 7. Поджимают домкратами копильник и выбивают клинья 16 с направляющих 15. Опускают нижнюю часть реактора, отводят рельсовую платформу и краном переносят на место ремонта футеровки.

Предложенный агрегат позволяет обеспечить высокоскоростное протекание химических реакций при сочетании высоких температур, достигнуть более высокой степени восстановления железа из окислов, обеспечить защиту внутренней поверхности реактора от «наслоений», осуществить непрерывность технологического процесса за счет совмещения во времени всех его операций от подачи в реактор шихты и восстановителя до выпуска металла, а также улучшить условия эксплуатации реактора за счет возможности замены части реактора с разрушенной футеровкой на резервную.