способ получения металлов, имеющих низкую температуру испарения

Формула изобретения

1. Способ получения расплавленного металла путем восстановления окислов металла в шахтной печи, имеющей верхнюю и нижнюю шахты, включающий осуществление реакции сжигания твердого топлива с воздухом с образованием в нижней шахте горячего газа, который направляют вверх, осуществление реакционных процессов в шихте, содержащей окисел металла с углеродсодержащим восстановителем, с получением основного расплавленного металла, вторичного металла и вторичного окисла металла, газа, содержащего моноокись углерода и обеспечивающего подвод тепла к шихте в результате реакции горения в верхней шахте, регулирование температуры на выходе газа из верхней шахты, не превышающей температуру конденсации вторичного металла и вторичного окисла металла, путем изменения высоты столба шихты, удаление газа из шахтной печи и отделение вторичного металла и вторичного окисла металла от указанного газа, отводимого из шахтной печи.

2. Способ по п.1, в котором температуру газа дополнительно регулируют путем изменения интенсивности горения газа, содержащего окись углерода, за счет использования горелки для нагрева газа при его движении вверх в шахтной печи.

3. Способ по п.2, в котором температуру газа дополнительно регулируют путем изменения высоты столба шихты в шахтной печи.

4. Способ по п.1, в котором газ, отводимый из печи, состоит по существу из двуокиси углерода и азота.

5. Способ по п.1, в котором осуществляют рециркуляцию отделенного вторичного металла и вторичного окисла металла для использования в реакционном процессе в последующей загрузке шихты.

6. Способ по п.1, в котором шихта содержит агломераты, содержащие окисел железа и углеродсодержащий восстановитель.

7. Способ по п.1, в котором шихта содержит флюс.

8. Способ по п.1, в котором шихта содержит окисел железа.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения расплавленного метала путем восстановления окислов металла. Способ включает получение расплавленного чугуна, в том числе передельного чугуна и литейного чугуна, а также получение сплавов металла.

Предшествующий уровень техники

Процессы восстановления осуществляют с целью производства стали непосредственно из железной руды или получения продукта, эквивалентного передельному чугуну, выплавленному в доменной печи, предназначенного для использования в известных процессах получения стали или же низкоуглеродистого чугуна в качестве исходного сырья для производства стали с помощью известной технологии. Этот процесс обычно используют с целью замены доменных печей как средств получения расплавленного чугуна для производства стали.

Доменные печи, как правило, содержат вертикальную башню, в которую последовательно через верх печи загружают шихту, включающую железную руду, окатыши или агломераты, вместе с коксом и известняком, с образованием в печи непрерывного столба загруженного материала. В нижней части печи к шихте подводится атмосферный воздух, который может быть предварительно нагретым. Когда материалы загруженной шихты вступают в контакт с горячими газами, поднимающимися вверх из горна печи, эти газы подогревают кокс так, что при достижении им нижней части печи и контактировании с вводимым в эту часть воздухом инициируется процесс горения. При высоких температурах, устанавливающихся в результате горения в этом месте печи, двуокись углерода является нестабильной и немедленно реагирует с углеродом с образованием моноокиси углерода. Эта реакция является не только основным источником тепла для операции плавления, но, кроме того, в результате реакции образуется восстановительный газ (СО), который поднимается вверх через печь, где подогревается и по мере своего поднятия восстанавливает окись железа в шихте.

Производительность доменной печи зависит от ее внутреннего объема или от величины конструктивных параметров печи при заданной производительности. Поэтому для повышения производительности необходимо увеличивать размер доменной печи и соответственно менять конструктивные параметры.

Настоящее изобретение обеспечивает улучшение работы описанной выше известной доменной печи при получении расплавленных металлов, в особенности расплавленного чугуна. В частности, способ, предлагаемый в соответствии с настоящим изобретением, используют применительно к шахтной печи, которая может производить литейный чугун, передельный чугун или другие металлические сплавы с большей экономической эффективностью, чем при использовании известных процессов плавления, включая процессы в доменных печах.

Данное изобретение обеспечивает еще одно преимущество, обеспечивая сохранение мелких частиц веществ, находящихся в отходящих (колошниковых) газах в виде окислов металлов, таких как цинк, кадмий и тому подобных, и позволяет извлечь, восстановить и повторно использовать эти металлы и окислы.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагаемый способ восстановления окислов металлов в соответствии с усовершенствованием настоящего изобретения обеспечивает преимущества по сравнению с известным способом за счет ранее не применявшегося, нетрадиционного использования шахтной печи для плавления. Для достижения этого преимущества предлагаемый способ включает осуществление в шихте реакции окисла металла с восстановителем с получением из окисла металла основного расплавленного металла, а также газа, содержащего моноокись углерода, и дополнительно получение побочного (вторичного) металла и окислов. Газ направляется в шахтной печи вверх и выводится из шихты. Температуру газа в шахтной печи регулируют в определенном месте над шихтой так, чтобы она была выше температуры конденсации побочных металла и окислов. Это предотвращает прилипание побочных металлов и окислов, содержащихся в газе, к внутренней стенке шахтной печи. Вторичные металлы и окислы удаляют из газа после его прохождения вверх и отвода из печи. Затем они могут быть повторно использованы различными путями, включая применение при производстве агломератов для использования в рафинируемой шихте.

Температуру газа можно регулировать, изменяя высоту загрузки шихты в шахтной печи. Кроме того, температуру газа можно регулировать путем изменения интенсивности горения газа, используя горелку для нагрева газа, направляемого внутри шахтной печи вверх.

Температуру газа дополнительно можно регулировать путем регулирования интенсивности реакции в шихте.

Газ, отводимый из печи, содержит в основном двуокись углерода и азот.

Шихта может содержать железную руду. Кроме того, шихта может содержать агломераты, которые являются самовосстанавливающими, самофлюсующими (самоплавкими) или и теми, и другими.

В известных методах восстановление происходит с помощью СО, генерируемой при частичном сжигании кокса. СО проникает в шихту и осуществляется процесс восстановления по реакции: Me+СО Me+CO₂. Газообразная двуокись углерода, образующаяся в результате реакции, распространяется в направлении, противоположном по отношению к СО. Указанная реакция требует определенного количества времени для полной диффузии (СО) внутри шихты. Для этого требуются печи, характеризующиеся продолжительностью периодов времени нахождения шихты внутри печей, которыми обычно являются доменные печи.

При этом самовосстанавливающие агломераты находятся в таком состоянии, которое значительно более предпочтительно для процесса восстановления. Более тесный контакт в таких агломератах между рудой или окислами и углеродом восстановителя (уголь или кокс) обеспечивает меньшую продолжительность реакции, поскольку отсутствует необходимость в проникновении СО в агломерат. Процесс восстановления проходит по нижеприведенной реакции и является предварительно опробованным для агломерата, предназначенного для осуществления этого процесса:

2Ме+С= 2Ме СО₂

CO₂ +С= 2CO₂

МеО+СО= Me+CO₂

Таким образом, сам агломерат образует полузамкнутую систему, где атмосфера является восстановительной атмосферой в течение всего периода времени, когда в агломерате присутствует углерод. Другими словами самовосстанавливающие агломераты, как подразумевает такой термин, сохраняют внутри себя собственную восстановительную атмосферу, которая образована атмосферой, существующей внутри шахтной печи и созданной поднимающимися вверх газами.

Таким образом, можно превращать в энергию, необходимую для осуществления процесса восстановления, окись углерода (СО), присутствующую в атмосфере печи, созданной за счет частичного сжигания топлива и восстановительной реакции, которая происходит внутри агломератов, и при этом дополнительно регулировать температуру и характеристики (окисления и восстановления) колошниковых газов.

В процессах выплавки, осуществляемых в шахтных печах, присутствующий кокс или другое твердое топливо, загружаемое через верх печи во время проведения рабочего процесса, опускается вниз вместе с остальной частью шихты, реагируя с CO₂ при противоточном движении, по реакции СО₂+С= 2СО. Это приводит к повышенным затратам углеродсодержащего вещества и, таким образом, препятствует его эффективному использованию для осуществления процесса восстановления/плавки.

Благодаря тому, что в соответствии с настоящим изобретением время нахождения (шихты в печи), необходимое для процесса самовосстановления, мало, можно эксплуатировать печь в соответствии с данным изобретением при низких высотах столба загрузки. Кроме того, можно регулировать выходную температуру отводимых через верх печи газов и, следовательно, поддерживать в виде пара или в виде мелких частиц содержащиеся в выходящих газах окислы или металлы, которые используют при получении агломератов. Поэтому эти вещества можно улавливать в аппарате для очистки газа. В том случае, когда обнаруживается, что концентрация окислов или металлов не достигает желательного уровня для экономически выгодного их извлечения, можно использовать те же окислы и металлы повторно столько раз, сколько это необходимо, включая их в процесс производства самовосстанавливающих агломератов и, таким образом, увеличивая их концентрацию в извлеченных мелких частицах.

Изобретение поясняется чертежами, где:

Фиг.1 - схематический вид частичной перспективы одного воплощения установки для осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - вертикальная проекция установки, показанной на фиг.1.

Фиг.3 - поперечное сечение, показывающее средства распределения шихты в той же установке.

Фиг.4 - система очистки газа, отделяющая и аккумулирующая металлы, испаряющиеся внутри печи, и мелочь, содержащую окислы, которые покидают печь вместе с колошниковыми газами.

Фиг.5 - поперечное сечение выходной трубы, снабженной горелками для регулирования процесса сжигания отходящего газа, отводимого из печи.

Печь в соответствии с настоящим изобретением позволяет регулировать выходную температуру горячих газов, посредством большей или меньшей интенсивности горения горючих газов образующихся в нижних зонах, и процесс восстановления окислов, содержащихся в агломератах. Таким путем регулирования можно поддерживать металлы и окислы, находящиеся в сырых агломератах, в парообразном состоянии или в виде мелких частиц. Эти частицы включают такие металлы, температура испарения которых ниже 1000°С, например Zn, Cd, Pd, которые в противном случае конденсируются на стенках печи.

Таким образом, горячие газы, имеющие высокую температуру и содержащие пары включений металлов или их окислы в виде мелких частиц, выбрасываются из печи и, как показано на фиг.4, через газоотводящую трубу 3 поступают в систему очистки газа, где в разделительных аппаратах 6 (например, в аппаратах типа циклона или осадителя) осуществляются конденсация этих паров и их отделение вместе с остальными частицами от отводимых через верх печи газов, которые проходят через остальную часть системы очистки газов 7.

Мелочь, осажденная в сепараторах 6, содержит более 20% включений металлов или окислов после восстановления определенного количества железа, содержащегося в исходном сырье, что делает их извлечение экономически приемлемым.

В случае, если количество остаточного материала, содержащего эти включения, недостаточно для получения экономически выгодной концентрации побочных металлов или окислов, то в соответствии с настоящим изобретением можно эксплуатировать печь путем загрузки агломератов, содержащих эти включения, только в один из участков печи, например, в один из ее концевых участков, и извлекать и отделять эти металлы прежде, чем произойдет полное перемешивание отходящих газов, поступающих из остальной части печи, для того чтобы обеспечить концентрацию указанных металлов и окислов на приемлемом, с точки зрения экономичности, уровне.

Новая оригинальная конструкция печи, показанная на фиг.1-3, содержит верхнюю шахту 1, цилиндрическую или коническую, или имеющую прямоугольное сечение, в верхней части которой имеется загрузочное устройство (или устройства) с загрузочным патрубком (или патрубками) 2, снабженным средствами для равномерного распределения шихты 4, которые позволяют разместить агломераты или шихту в подходящих местах внутри печи так, чтобы сосредоточить такие агломераты, содержащие металлы или окислы, концентрацию которых необходимо повысить. Выходная труба или трубы 3 предназначены для выпуска газов, содержащих в основном различные количества CO₂, СО, Н₂ и N ₂, в дополнение к мелочи, полученной при дезинтеграции шихты. Пары или частицы окислов могут проходить по каналам 5 к системе газоочистки 7 и сепаратору для мелких частиц 6, который аккумулирует сконденсированные частицы металла или окислов. Очищенные газы направляют к отводящим устройствам или в тепловые регенераторы (не показаны) с целью подогрева воздуха дутья или для иных целей.

В верхней шахте 1 находится ряд или ряды фурм, через которые вдувают горячий или холодный воздух, обогащенный кислородом или необогащенный кислородом, необходимый для реакции горения СО и горения каких-либо других горючих газов (которые также могут присутствовать), с образованием в результате CO ₂ в соответствии с реакциями:

С+O ₂= CO₂

СО+1/2O ₂= CO₂

2Н₂ +O₂= 2Н₂O

обеспечивающими подвод теплоты к шихте, которая может быть образована самовосстанавливающими агломератами, рудой или окислами железа и отходами, содержащими железо и включения, и самоплавкими или несамоплавкими передельным чугуном, металлическими обрезками (лом), губчатым железом, находящимся в виде брикетов или в ином виде, скрапом от литейного производства или из сталеплавильного цеха, или смесью этих компонент в различных возможных пропорциях.

Установка или печь содержит также нижнюю шахту 9, цилиндрической или конической формы, или же с формой сечения в виде прямоугольника, при этом стороны сечения в верхней части нижней шахты больше сторон верхней шахты 1, и сечение нижней части шахты достаточно для размещения загрузочных устройств для подачи кокса, или угля, или какого-либо другого твердого топлива. Вокруг нижней шахты 9 на уровне, достаточно превышающем основание верхней шахты 1, размещен участок непрерывной подачи топлива, как показано на фиг.2, с секциями из труб или иных средств подачи твердого топлива, снабженных герметичными задвижками 10. При необходимости секция подачи твердого топлива может быть дополнительно снабжена отдельными трубами 11 независимой подачи дополнительных горючих материалов, чтобы надлежащим образом обеспечить ввод слоя топлива, в частности, состоящего из мелких частиц материала, которые в противном случае могут за счет тяги выбрасываться потоком газов из центральной верхней шахты 1, или же подачи таких горючих материалов, как использованные шины, пластмасса и т.п.

В нижней шахте 9 установлен один или более чем один ряд первичных фурм 12, предназначенных для вдувания подогретого или неподогретого воздуха, который может быть обогащен или не обогащен кислородом, и для инжекции жидкого, газообразного или твердого порошкообразного топлива с целью полного или частичного его сжигания, обеспечивающего получение тепловой энергии, необходимой для восстановления и/или плавления шихты. Верхняя шахта 1 и нижняя шахта 9 могут быть выполнены с использованием монолитного огнеупорного материала (на фиг.3 и 4 условно показан сетчатым полем) и, кроме того, могут быть снабжены охлаждающими элементами.

Расплавленные металл и шлак разгружают из печи через ее нижнюю часть.

В печи такого типа отсутствует необходимость добавления топлива сверху в шахту вместе с шихтой, как это имеет место в известном способе работы печи.

В усовершенствованной описанным образом печи имеются раздельные зоны с атмосферой, характеристики которой можно регулировать за счет выбора типа используемого топлива и большей или меньшей его инжекции в различные места печи, оборудованные средствами для этой цели. Таким образом, в зависимости от окислительной способности СО₂ относительно получаемого металла и характеристики (окислительной или восстановительной) атмосферы, преобладающей внутри печи, можно получить этот металл в виде окисла или в металлической форме.

Газы, выходящие из нижней зоны, движутся против направления движения шихты и отдают при этом шихте теплоту, необходимую для нагрева и восстановления или обычного плавления.

Поскольку шихта в верхней шахте 1 не содержит значительного количества кокса, древесного угля или иного твердого топлива, реакция Boudouard (СО ₂+С 2СО), которая происходит с поглощением тепла и дополнительно потребляет значительное количество углерода, сведена к минимуму. Поэтому отработанные газы, покидающие установку, содержат по существу СО₂ и N₂ . Однако в рабочих режимах варьируемые количества СО способны обеспечить отходящему газу восстановительную способность и достаточное количество тепловой энергии, которую можно использовать для подогрева воздуха дутья или в других частях установки.

Поскольку можно регулировать атмосферу внутри печи, а также и температуру выходящих из печи газов, в такой печи можно избежать накопления на внутренних стенках печи металлов и/или окислов, уносимых с отходящим газом, как это обычно имеет место в вагранках и доменных печах.

Способ в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает большую гибкость при работе, позволяя осуществлять плавку скрапа (в том числе скрапа, содержащего большое количество включений других металлов, помимо железа, таких, например, как цинк и т.п.), передельного чугуна, литейного чугуна или каких-либо других типов предварительно восстановленных материалов, которые могут быть в виде брикетов.

Следовательно, шахтная печь, работающая в соответствии со способом, соответствующим данному изобретению, имеет преимущество над вагранкой или доменной печью, обеспечивая значительную экономию топлива, поскольку окись углерода или другие газы, образовавшиеся в нижней части печи, могут быть сожжены в верхней части печи. Это позволяет передать теплоту, выделившуюся при реакции, шихте, опускающейся в шахте вниз. Отходящие газы по существу содержат двуокись углерода, азот, водяные пары и регулируемые количества окиси углерода, водорода и углеводородов.

В такой шахтной печи, кроме того, в соответствии с изобретением можно осуществлять процессы восстановления и плавления самовосстановливающих агломератов, или руды, или промышленных отходов, с металлическими включениями или без них, которые могут быть извлечены из выходящих газов в виде пара или мелких частиц окислов. Кроме того, в этом случае образующаяся окись углерода сгорает по высоте шахты, а выделяющаяся при сгорании теплота почти полностью передается опускающейся шихте, что значительно увеличивает тепловую эффективность установки. Помимо этого, поскольку в исходном сырье, загружаемом в шахту установки, не содержится слоев угля, или кокса, или другого твердого топлива, то в этом случае реакции CO ₂+С==2СО > не происходит, что позволяет снизить потребление топлива.

Секция подачи твердого топлива, кроме того, снабжена газоотводящим устройством 13, оборудованным клапанами 14 регулирования расхода, способными пропускать определенное количество газа, обеспечивающего подогрев, подсушку и перегонку летучих фракций, присутствующих в различных твердых топливах, таких как минеральный уголь, древесина и/или различные углеродсодержащие отходы.

Для регулирования и повышения температуры отходящего газа с целью предотвращения конденсации металлических осадков вытяжная труба 16 печи может быть снабжена горелкой для подогрева этого газа.