устройство для выплавки металлов или сплавов

Формула изобретения

1. Устройство для выплавки металлов или сплавов, содержащее цилиндрическую печь с подиной, оснащенную системой охлаждения, перетоками для выпуска металла и шлака, фурмами для подачи газа, загрузочным устройством и системой утилизации тепла, при этом цилиндрическая печь расположена в топочном пространстве котельного агрегата с жидким шлакоудалением между нижним ярусом горелок котельного агрегата и нижним коллектором водоохлаждаемых экранов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система подачи воздуха к горелкам котельного агрегата оснащена теплообменником, связанным с системой охлаждения печи.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что теплообменник, связанный с системой охлаждения печи, выполнен в виде теплообменника жидкий металл-воздух.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что теплообменник, связанный с системой охлаждения печи, выполнен в виде теплообменника натрий-воздух.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система охлаждения печи выполнена в виде жидкометаллического контура, полностью или частично расположенного в стенке печи.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что жидкометаллический контур заполнен натрием.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что стенки охлаждаемой натрием печи изолированы от парогенерирующих труб топки котельного агрегата слоем кислого железистого шлака.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что стенки охлаждаемой натрием печи изолированы от парогенерирующих труб топки котельного агрегата слоем гранулированного шлака медеплавильного производства.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна или более горелок нижнего яруса топки котельного агрегата направлена во внутреннее пространство печи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в процессах прямого восстановления железа из руд и/или металлосодержащих отходов, а также в теплоэнергетике для производства шлаковых изделий.

Известна доменная печь. Для ее работы требуется дорогой и дефицитный коксующийся уголь, запасы которого исчерпываются. Поэтому поиск более совершенных технологий выплавки чугуна пошел по линии оптимизации прямого восстановления железа.

В установках прямого восстановления происходит превращение твердой железной руды в губчатое или горячебрикетированное железо, содержащее также и пустую породу, перешедшую из руды. В зависимости от вида восстановителя процессы прямого восстановления делятся на газо- и твердофазные. Для газофазного восстановления в промышленности используются шахтные печи (Midrex, HyL III, Arex), реторты (HyL I) и печи с кипящим слоем (Fior, Finmet, Iron Carbide, Circored), для твердофазного восстановления используются вращающиеся трубчатые печи (SL/RN, DRC) и печи с вращающимся подом (Inmetco, Fastmet, Drylron).

Процессы с плавильным газогенератором (Corex). В данном процессе речь идет об условном разделении доменной печи на две части; при этом отпадает необходимость в зоне размягчения (или зоне когезии), требующей присутствия кокса, обеспечивающего газопроницаемость и "каркас" шихтового столба. Процесс Corex использует кусковую шихту (окатыши, руду). Получение восстановительного газа происходит при газификации кускового угля кислородом. Газовая смесь от плавильного газогенератора, обогащенная СО, используется для восстановления железной руды до губчатого железа в шахте. Процессы прямой выплавки железа из руд или железосодержащих отходов на базе, например, Corex-процесса требуют повышенного расхода угля и кислородного дутья (до 1 тонны кислорода на 1 тонну металла) для компенсации эндотермии восстановления железа, т.е. требуют дополнительных затрат. Поэтому основные усилия разработчиков направлены на их организованное использование. Например, в патенте US 5643354 (С21В 011/00, 1997) для возврата в процесс кислорода использована установка на базе ион-проводящей высокотемпературной керамической мембраны, выделяющей кислород из уходящих газов для возврата его в процесс. При этом высокотемпературный газовый поток после мембраны используется для производства электроэнергии. Все процессы прямого восстановления монооксидом углерода низкотемпературны и многостадийны, поэтому для реализации требуют дополнительного оборудования и, следовательно, дороги.

Автогенный процесс плавки в жидкой ванне хорошо изучен и используется при производстве цветных металлов. Источником тепла для проведения процесса являются реакции окисления сульфидов сырья при барботаже расплава кислородсодержащими газами. Тепло выделяется на поверхности реагирующей частицы или в расплаве, т.е. там, где оно расходуется на процессы плавления. По этим причинам в автогенных процессах, протекающих во взвешенном состоянии или в расплаве, нагрев шихты осуществляется быстро и не лимитирует производительность плавильных агрегатов. Реакции окисления сульфидов протекают на границе раздела фаз очень интенсивно и ускоряются с ростом температуры. Сульфиды являются наиболее легкоплавкими составляющими шихты цветной плавки, при этом их эвтектические смеси имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше процессов шлакообразования и идут с большими скоростями. Шлакообразование происходит медленнее потому, что для большинства оксидов шихты температура плавления выше, чем температура в печи. Ограниченные температурные возможности плавильных агрегатов увеличивают значение процессов растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах. А процессы эти являются диффузионными и для их ускорения и более полного извлечения штейновой составляющей в шлаковый расплав вводится кварцевый флюс, что, в свою очередь, увеличивает кратность шлака /А.В. Ванюков, В.П. Быстров, А.Д. Васкевич, В.Н. Бруэк, В.Я. Зайцев, И.И. Кириллин, А.А. Комков, Н.М. Манцевич, Н.А. Миклин, М.Л. Сорокин, А.Н. Федоров, B.C. Цесарский, А.Г. Шубский, Плавка в жидкой ванне, Москва, "Металлургия", 1988/.

Аналогом цветного процесса плавки в жидкой ванне в черной металлургии являются процессы жидкофазного восстановления. Начиная с 50-х годов прошлого столетия, ведется постоянный поиск процессов, составляющих альтернативу доменному процессу с использованием элементов цветного жидкофазного процесса.

Dios процесс был разработан в Японии Федерацией чугуна и стали и Центром использования угля при поддержке Министерства внешней торговли и промышленности /Dios Process-Direct Iron Ore Smelting Reduction Process, Product Information, Center for Coal Utilisation, The Japan Iron and Steel Federation, Japan. 1994/. Предварительные исследования (1988-1991 гг.) вели на 100-т опытном реакторе жидкофазного восстановления, переделанном из 170-т конвертора, на заводе фирмы Nippon Steel Corp., Sakai. Впервые процесс был реализован на полупромышленной экспериментальной установке с номинальной мощностью 180 тыс. т чугуна в год в 1993 г. на заводе Кэйхин фирмы NKK, Япония. В разное время в проекте принимали участие восемь японских сталеплавильных объединений.

Процесс трехстадийный. Он предусматривает стадию предварительного подогрева (до 600°С) смеси мелкой руды (менее 8 мм), затем из агрегата подогрева руда поступает в реактор предварительного восстановления (диам. 2,7 м, высота 8 м) в псевдосжиженном слое при рабочей температуре ˜780°С монооксидом углерода. Из реактора предварительного восстановления подготовленное сырье транспортируется в реактор жидкофазного восстановления конверторного типа. Геометрические размеры характерных зон в рабочем пространстве опытного реактора Dios: диаметр ванны 3,7 м, высота реактора 9,3 метра. Температуры: в ванне металла - 1500°С; во вспененном шлаке 1600-1650°С; в надслоевом пространстве 1700-1900°С. Недостатком процесса является его многостадийность. Утилизация тепла отходящих газов может быть осуществлена в котле-утилизаторе, но пока не осуществляется, т.к. требует разработки и создания специальной конструкции.

Hismelt-процесс, Австралия. Интенсивные исследования начались с начала 1990-х годов корпорацией Rio Tinto, которая для разработки и продвижения на рынок процесса Hismelt создала одноименную фирму и на освоение технологии затратила около 220 млн долл.

В 1997-1999 гг. успешно проведены три длительные (до 5 недель) плавки на пилотной установке Hismelt (диаметр ванны 2,7 м) на заводе в Kwinana (шт. Западная Австралия).

Восстановление железа из шлака осуществляется углеродом, растворенным в чугуне, в цилиндрическом вертикальном реакторе, соединенном с отстойником металла перетоком, расположенным у подины. Слив шлака организован из нижней части шлаковой ванны. В верхней части реактора выполнено ограждение из водоохлаждаемых панелей, на которых образуется шлаковый гарнисаж. Подина и нижняя часть стенки печи футерованы огнеупорным кирпичом.

Вариант установки Hismelt мощностью 600 тыс. т чугуна в год предполагается реализовать на заводе крупной американской фирмы Nucor Corp. По этому проекту достигнуто соглашение между этой фирмой и фирмами Lurgi Metallurgie, Германия, и Rio Tinto Ltd., Великобритания - Австралия. Разработчики процесса предполагают реализовать его на промышленных установках с диаметром ванны 6 и 8 м /Iron and steel conf. ("Scrap Alternatives") report. Prodaction and use of scrap substitutes, Steel Times, 1999. June. P.228-232, Macauley D., Price D., Hismelt - a versatile hot iron process, Steel Times International. 1999. May. P.23-25, Dry R., Bates C., Price D, Hismelt - the future in direct ironmaking, ISTI/ 58th Ironmaking Conf. Proceedings, Chicago, Illinois, USA, 1999. V.58. P.361-366/. Процесс Hismelt технологически достаточно хорошо проработан на пилотной установке. Заявленные технико-экономические показатели представленных на рынок установок Hismelt годовой мощностью ˜0,5 млн. т полупродукта (диаметр реактора 6 м) и ˜1,5 млн.т полупродукта (диаметр реактора 8 м) лучше показателей доменной плавки.

CCF - Cyclon Converter Furnace - процесс /Iron and steel conf. ("Scrap Alternatives") report. Prodaction and use of scrap substitutes, Steel Times, 1999. June. P.228-232/ разрабатывается с начала 90-х годов голландской фирмой Hoogovens, под эгидой ЕС, поддерживается коммерческими организациями. В процессе CCF холодную пылеватую руду, металлургические пыли, осушенные шламы тангенциальным вдуванием в токе кислорода подают в циклон, расположенный непосредственно над реактором жидкофазного восстановления. Ванну шлака в реакторе продувают кислородом через погружную вертикальную фурму. Сверху на шлак подается уголь. Для улучшения подвода тепла к металлической ванне предусмотрена донная продувка азотом.

Процесс CCF - единственный из двухстадийных процессов, в котором отходящие из установки газы имеют достаточно высокую температуру и пригодны для выработки электроэнергии.

Ausiron - процесс полностью использует принципы процесса Ausmelt, применяемого в цветной металлургии. В конце 90-х годов на заводе Whyalla Steel Works (Whyalla, штат Южная Австралия) была создана опытная установка производительностью 2 т/ч. В настоящее время проект осуществляется при поддержке правительства штата Южная Австралия в рамках программы "South Australian Steel and Energy (SASE) Project". Основной держатель акций проекта - фирма "Ausiron Energy Ltd." Первый металл на опытной установке получили в ноябре 2000 г., стабильной работы ее добились к февралю 2001 г.

В процессе Ausiron железосодержащие окисленные материалы восстанавливаются в барботируемой шлаковой ванне печи. Молотый уголь фракцией менее 1 мм вдувают в слой шлака сверху через водоохлаждаемые вертикальные фурмы. Железосодержащее сырье крупностью 2-20 мм и кусковой уголь подают на поверхность шлаковой ванны, в которой происходит восстановление железа углем. Температура шлака 1400-1450°С.

Ромелт-процесс /Iron and steel conf. ("Scrap Alternatives") report. Prodaction and use of scrap substitutes, Steel Times, 1999. June. P.228-232/ ведут в печи с барботируемой шлаковой ванной. Печь не имеет подвижных частей и механизмов в зоне высоких температур, проста в аппаратурном исполнении и характеризуется высокой эксплуатационной надежностью. Шихту, состоящую из железосодержащего оксидного материала, твердого углеродистого топлива и флюса (известняк, известь), подают в печь на поверхность шлаковой ванны из бункеров через весовые дозаторы системой конвейеров без предварительного смешивания. Капли восстановленного из шлака металла опускаются на подину печи, образуя металлическую ванну (температура 1300-1450°С). В шлаковую ванну через боковые фурмы подают кислородсодержащее дутье.

На установке Ромелт отработана технология плавки многих видов железосодержащего сырья - руды, концентратов, пыли, шламов, окалины, стальной стружки, существуют реальные перспективы переработки "красных шламов, отходов производства серной кислоты (пиритных огарков) и некоторых других накопленных железосодержащих отходов цветной металлургии, например шлаков, образующихся при производстве меди. Цинк практически полностью переходит в пыль, что позволяет извлекать его в виде товарной продукции.

Эксплуатация установки Ромелт показала возможность устойчивой, управляемой работы агрегата полностью жидкофазного восстановления. Химизм процесса аналогичен доменному с той лишь разницей, что 85-90% (при температуре шлака в поверхностном и брызговом слое шлаковой ванны 1500-1550°С соответственно) восстановленного железа приходит на реакцию прямого восстановления угольными частицами. Увеличение температуры процесса на 100°С увеличивает скорость восстановления примерно в 2 раза. Достаточно полно изучены закономерности управления процессом жидкофазного восстановления.

Интерес к процессам жидкофазного восстановления металлов не ослабевает. Сегодня уже имеются разработки по получению ферросплавов и стали /В.М. Лупейко, Новый процесс прямого получения стали методом жидкофазного восстановления железной руды, Сталь, №9-2000. С.М. Тлеугабулов, Теоретические положения прямого производства стали восстановительной плавкой, Сталь №8-2003/. Проведены полупромышленные испытания по переработке бытовых отходов таким способом.

Таким образом, наиболее освоенным и универсальным процессом, пригодным для переработки гранулированных шлаков и ТБО, является Ромелт-процесс.

Однако химические реакции прямого восстановления оксидов требуют энергетических затрат значительно больше, чем в доменном процессе /Товаровский И.Г., Сопоставление расхода топлива в доменной плавке и в процессе жидкофазного восстановления Ромелт, Сталь №12-1998/. А увеличение температуры Ромелт-процесса, резко сокращает продолжительность кампании из-за износа футеровки. Большие объемы отходящих газов требуют больших капитальных затрат на строительство газоочистных сооружений.

Эти вопросы все разрешимы в случае использования печи Ромелт в качестве энерготехнологического агрегата, в котором производимая энергия может рассматриваться как самостоятельный продукт. Перспективность данного использования не вызывает сомнений.

Таким образом, экзотермические реакции металлургических процессов могут и должны вырабатывать энергию, но имеющиеся металлургические агрегаты для жидкофазных процессов при температурах 1500-1550°С сохраняют непрерывность процесса не более 15-20 суток, что для выработки электроэнергии является большим неудобством. Существующие агрегаты с огнеупорной футеровкой не в состоянии обеспечить в должной мере (не менее 1 года) длительность проведения процесса жидкофазного восстановления.

Для этих целей необходим специально сконструированный агрегат, позволяющий бесперебойно вести металлургический процесс и эффективно утилизировать тепло этого процесса. Попытки увеличения длительности металлургического процесса закончились установкой в печи водоохлаждаемого ограждения (кессоны) на уровне шлакового пояса. Это мероприятие позволило незначительно увеличить срок службы агрегата, но не решило проблемы длительной эксплуатации агрегата в целом. Установка водоохлаждаемых элементов в нижней части агрегата (зона накопления металла) не допустима из-за опасности взрыва в случае контакта расплавленного металла с водой.

Известна плавильная печь /RU 2067273, F27D 1/12, 1996/, которая охлаждается жидким натриевым теплоносителем. Данное техническое решение позволяет решить проблемы, связанные с увеличением длительности металлургического процесса.

Известно устройство охлаждения и утилизации тепла отходящих от печи газов /RU 2082929, F27D 17/00, 1997/, которое позволяет получить дополнительное тепло для выработки электроэнергии путем использования парогенераторов типа натрий-вода. Однако реализация таких устройств связана с созданием громоздкой и сложной в работе системы аварийной защиты парогенераторов от вероятных течей воды в натрий, например, из-за локальной коррозии парогенератора со стороны воды (пара).

Самым важным преимуществом использования того или иного теплоносителя является безопасность при возможном тепловом взаимодействии (в случае нарушения целостности разделительной стенки) расплавленного металла с холодным теплоносителем. При этом горячая жидкость (металл) может быстро фрагментировать на мелкие частицы (капли) и передать свою внутреннюю энергию более холодной и легко испаряемой жидкости (вода). В результате испарения генерируется высокое давление (более 200 атм), происходит разложение воды с выделением водорода, что приводит к соответствующим разрушительным последствиям. Эта проблема существует в ряде отраслей промышленности: энергетике, металлургии, производстве и транспортировке сжиженных газов и т.д. Аналогичные явления происходят при вулканической деятельности при взаимодействии воды с горячей магмой. Взаимодействие же натрия с расплавленной сталью (чугуном) сопровождается генерацией пара, не носящей характера взрыва. Поэтому с точки зрения взаимодействия расплава с теплоносителем натрий имеет громадное преимущество перед водой и может быть использован для создания плавильного агрегата длительного действия без традиционной массивной огнеупорной футеровки.

Такой герметичный, стационарный агрегат - энергометаллургическая установка, обеспечивается системами: непрерывной загрузки сырья; подачи кислородного дутья; непрерывного отвода продуктов реакции; подавления пылевыноса; поэтапной конденсации возгонов; дожигания СО; разделения металлов по удельному весу; утилизации и передачи тепла на парогенератор. Расчеты показывают, что при работе на технически чистом кислороде (отсутствие выбросов NOx, сокращение объема газов) безопасные рабочие температуры могут достигать 2000°С. Заводское изготовление основного оборудования обеспечивает ресурс его работы до 30 лет.

На наш взгляд, одним из наиболее перспективных среди мировых разработок является одностадийный процесс жидкофазного восстановления Ромелт /В.А. Роменец, Новые процессы производства металла: состояние и перспективы, "Металлург" №11, 2001, К.Х. Шуберт, Х.Б. Люнгрен, Р. Штеффен, Уровень развития прямого восстановления железных руд и плавильно-восстановительных процессов, "Черные металлы", январь 1997/, предложенный и освоенный в опытно-промышленных условиях российскими учеными и инженерами на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК).

Материальные балансы процесса Ромелт значительно отличаются от доменного, несмотря на сходство обоих по получаемому продукту. Процесс Ромелт реализован в прямоугольной формы печи с подом, изнутри плакированным огнеупорными материалами. Сам процесс предполагает наличие окислительно-восстановительных условий в печи (агрегате). В самой жидкой шлаковой ванне в районе фурм нижнего ряда существует зона окисления углерода до СО и восстановления оксидов до металла. Над шлаковой ванной находится только окислительная зона для дожигания выделяющихся газов с целью возврата тепла в ванну. Однако механизм возврата тепла из зоны дожигания в жидкую ванну окончательно не доработан. Это приводит к необходимости поиска технологических решений для организации возврата тепла дожигания отходящих газов, так как сам по себе процесс плавки в жидкой ванне существенно эндотермичен и без подвода тепла извне затухает. Кроме того, весьма существенен с точки зрения экономичности процесса плавки в жидкой ванне вопрос утилизации тепла отходящих газов, имеющих температуру до 2000°С. В классической металлургии для этого используются котлы-утилизаторы различных конструкций, которые дают воду или пар технологических параметров, используемых прямо на заводе /RU 2118620, C10J 3/86, 1998/. Однако применение котлов-утилизаторов не решает проблему возврата тепла в жидкую ванну, т.к. они по своему назначению предназначены только для превращения тепла газов в тепловую энергию охлаждающей воды (пара).

Изобретение решает задачу по преодолению указанных недостатков, а именно по созданию устройства по выплавке металлов или сплавов, в котором был бы возможен возврат тепла в эндотермическую жидкую ванну печи без дополнительного расхода углеродсодержащего топлива и кислородного дутья.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для выплавки металлов или сплавов, содержащее цилиндрическую печь с подиной, оснащенную системой охлаждения, перетоками для выпуска металла и шлака, фурмами для подачи газа, загрузочным устройством и системой утилизации тепла. При этом цилиндрическая печь расположена в топочном пространстве котельного агрегата с жидким шлакоудалением между нижним ярусом горелок котельного агрегата и нижним коллектором водоохлаждаемых экранов.

Дополнительно предлагается систему подачи воздуха к горелкам котельного агрегата оснастить теплообменником, связанным с системой охлаждения печи, например теплообменником жидкий металл-воздух (натрий-воздух).

Дополнительно предлагается в систему охлаждения печи включить жидкометаллический контур, полностью или частично расположенный в стенке печи.

Дополнительно предлагается жидкометаллический контур заполнить натрием.

Дополнительно предлагается стенки охлаждаемой натрием печи изолировать от парогенерирующих труб топки котельного агрегата слоем кислого железистого шлака, например гранулированным шлаком медеплавильного производства.

Дополнительно предлагается одну или более горелок нижнего яруса топки котельного агрегата направить во внутреннее пространство печи.

Выполнение устройства для выплавки металлов или сплавов содержащим цилиндрическую печь с подиной, оснащенную системой охлаждения, перетоками для выпуска металла и шлака, фурмами для подачи газа, загрузочным устройством и системой утилизации тепла, расположение цилиндрической печи в топочном пространстве котельного агрегата с жидким шлакоудалением между нижним ярусом горелок котельного агрегата и нижним коллектором водоохлаждаемых экранов позволяет снизить расход кислорода, угля и шлака при сохранении производительности чугуна. Кроме этого, заявляемое устройство позволяет получать перегретый водяной пар энергетических параметров, который может быть использован для производства электроэнергии с максимальной эффективностью. Таким образом достигается технический результат.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство, где 1 - цилиндрическая печь с подиной, 2 - система охлаждения, выполненная в виде жидкометаллического натриевого контура, 3 - переток для выпуска металла, 4 - переток для выпуска шлака, 5 - фурмы для подачи газа, 6 - загрузочное устройство, 7 - система утилизации тепла, 8 - котельный агрегат, 9 - топочное пространство котельного агрегата, 10 - нижний ярус горелок котельного агрегата, 11 - водоохлаждаемые экраны, 12 - нижний коллектор водоохлаждаемых экранов, 13 - система подачи воздуха к горелкам котельного агрегата, 14, 15 - горелки котельного агрегата, 16 - теплообменник натрий-воздух, 17 - электромагнитный насос, 18 - изоляция печи.

Устройство работает следующим образом. Проводят пуск котельного агрегата 8 и выводят его на номинальные параметры работы по установленной мощности (по давлению и температуре и расходу перегретого пара, по расходам воздуха и топлива) по штатной технологии с выработкой электроэнергии. Одновременно с пуском котельного агрегата 8 после включения горелок 14 и 15 включают циркуляцию жидкометаллического натриевого контура 2, прокачивая натрий электронасосом 18 по контуру печь 1 - теплообменник натрий-воздух 16, подогревая теплом натрия воздух в системе подачи воздуха к горелкам котельного агрегата 13. Накапливают в печи 1 жидкий шлак, образующийся в результате сжигания топлива (уголь, мазут) в котельном агрегате 8. Одновременно с накоплением шлака в печь через загрузочное устройство 6 подают необходимое количество флюса (известь, силикатный песок) для корректировки его химического состава с целью понижения его температуры плавления и подготовки шлаковой ванны для загрузки шихты (руда, уголь, отходы) и выплавки металла.

После накопления шлаковой ванны в печи 1 включают в работу фурмы для подачи газа 5 и производят непрерывную подачу руды или металлосодержащих отходов, например шлаков производства стали и шлаков медеплавильного производства, угля и флюсов через загрузочное устройство 6 в печь 1. При этом, благодаря непрерывной работе одной или более горелок нижнего яруса 10, происходит непрерывная подача дополнительной тепловой энергии в печь 1, которая компенсирует эндотермию процесса выплавки металла, существенно снижая тем самым количество дополнительного угля и кислорода. Выделяющиеся топочные газы из печи (СО, Н ₂), не успевшие сгореть в шлаковой ванне, поступают в топочное пространство котельного агрегата 9, где они сгорают до CO ₂ и H₂O, отдавая котельному агрегату свою теплоту сгорания, компенсируя тем самым расход тепла сгорания топлива в нижней горелке 15, направленной в печь 1.

Факел сгорания топлива в котельном агрегате 8 имеет температуру 2000-2200°С (в зависимости от вида сжигаемого топлива), температура шлакового расплава и металла в печи 1 составляет 1400-1500°С. Поэтому определенная часть тепла поступает в жидкую ванну печи излучением от факела в топке, однако количество этого тепла (из-за разности этих температур) составляет не более 10% от требующегося для покрытия дефицита тепла в печи из-за эндотермии процесса выплавки металла. Тем не менее, это дополнительный источник возврата тепла в жидкую ванну печи 1 важен для поддержания теплового баланса в заявляемом устройстве, а также тем, что он придает системе тепловую инерционность в переходных режимах работы, поддерживая шлак в печи в жидком состоянии.

Штатные системы газоочистки и пылеулавливания котельного агрегата обеспечивают экологические требования к сбросам в окружающую среду, поэтому нет необходимости создания аналогичных дополнительных систем для работы печи.

Во время работы устройства накопившийся жидкий металл, образующийся в металлургическом процессе в печи 1, выпускается непрерывно из печи 1 через переток 3 в ковш или другую емкость для дальнейшего металлургического передела. Накопившийся жидкий шлак из подфурменного пространства (из зоны спокойного шлака) через переток 4 поступает в шлаковню или ковш для последующего розлива или грануляции.

Описанной последовательностью технологических операций обеспечивается длительная работа заявляемого устройства и достижение поставленной цели.

Типы котельных агрегатов (парогенераторов) ТЭС весьма разнообразны. Наиболее приспособленным для размещения печи в топочном пространстве является котельный агрегат с жидким шлакоудалением, с пережимом /Ковалев А.П., Леляев Н.С., Панасенко М.Д. и др. Парогенераторы, М. - Л., Энергия, 1966, с.39/. Котельные агрегаты используют различные типы топлива, в том числе уголь, мазут, газ. Наиболее предпочтительным является котельный агрегат, использующий уголь либо низкосортный топочный мазут. При этом их свойственный недостаток (относительно высокая минерализованность) становится полезным качеством, т.к. позволяет накапливать жидкую шлаковую ванну в печи непосредственно из жидкого шлака, образующегося при сжигании этих топлив. Кроме того, накопление жидкого шлака в печи, одновременно с дополнительным вводом в него флюсов (известь, силикатный песок) для понижения температуры его плавления, позволяет снизить теплопотери котельного агрегата с физическим теплом шлака, повысив таким образом тепловую экономичность котельного агрегата. Дополнительный ввод флюсов позволяет корректировать химический состав шлака и получать, используя печной процесс, полезный продукт в виде шлакового литья.

Как правило, система жидкого шлакоудаления котельного агрегата под пережимом оборудована одной или несколькими горелками. Направление одной или нескольких горелок непосредственно в печь будет регулируемо компенсировать эндотермию печного процесса прямой выплавки чугуна или железа. Тепловая мощность одной горелки достаточно высокая, например при расходе типичного топочного мазута в горелке 0,5 кг/с (теплота сгорания мазута 35-45 МДж/кг, диаметр горелки Д_N 20) тепловая мощность горелки составляет 18-23 МВт, что с избытком хватает для компенсации эндотермии при прямой выплавке чугуна при производительности печи по металлу порядка 10 т/ч.

Авторами был проведен расчет расхода кислорода, рядового угля и выхода шлака на тонну выплавляемого чугуна из железосодержащего сырья с использованием программного комплекса "MERA". По первому варианту выплавка производится без подогрева ванны горелками котельного агрегата. По второму варианту одна из горелок мощностью 11 МВт подогревает ванну с кпд, равным 50%. По третьему варианту две горелки мощностью 20 МВт подогревают ванну с кпд, равным 50%. Результаты расчетов сведены в таблицу.

Таблица 1
Параметр	Вариант выплавки чугуна
	1	2	3
Выход чугуна, т/ч	8,4	8,4	16,8
Расход кислорода, тонн на одну тонну чугуна	1,36	0,63	0,63
Расход угля, тонн на одну тонну чугуна	0,86	0,52	0,52
Выход шлака, тонн на одну тонну чугуна	0,24	0,21	0,21

Для подогрева воздуха для горелок котельного агрегата в заявленном устройстве используют тепло, снимаемое натриевым теплоносителем с корпуса печи и передаваемое воздуху в теплообменнике натрий-воздух. Движение натрия в контуре 2 обеспечивается электромагнитным насосом 17. Вопрос безопасности использования натрия в котельном агрегате для охлаждения стенки печи решается следующим образом. Для предотвращения натриевого пожара при прободении стенки печи и исключения попадания высокотемпературного жидкого натрия на трубы котельного агрегата с вероятным, вследствие этого, повреждением труб и последующего взрывоопасного взаимодействия натрия с водой, кольцевое пространство между водоохлаждаемыми экранами топки и стенками печи заполнено изоляцией 18 из гранулированного шлака медеплавильного производства. Данный шлак имеет следующий состав: Fe+Fe₂ О₃ (40-50%), SiO₂ (30-40%), CaO (5-15%), Al₂О ₃ (5-8%), CuO+ZnO (1-3%). При протекании в него горячего (500-600°С) натрия между натрием и шлаком протекает экзотермическая химическая реакция, продуктом которой является минералоподобный спек, в котором натрий находится в виде твердых алюмосиликатов и который содержит много элементарного железа, образовавшегося в результате восстановления натрием оксидов железа из шлака. Образование данного спека в месте протечки натрия предотвращает ее дальнейшее развитие и, более того, "пломбирует" место протечки. Таким образом, применение данного решения ликвидирует протечку натрия.

В целом, применение котельного агрегата в стандартной комплектации ТЭС (котлоагрегат, турбина, электрогенератор, пароводяной контур с оборудованием, газоочистка дымовых газов и др. оборудование) для работы печи позволяет решить проблему длительной и устойчивой работы процесса прямой выплавки чугуна или железа, шлака из руды и/или металлосодержащих отходов.