способ получения расплава железа, в частности расплава стали

Формула изобретения

1. Способ получения расплава железа, в частности расплава стали, включающий загрузку в зону плавильной газификации кускового углеродсодержащего материала и кускового железосодержащего материала через отдельные питатели, входящие в верхнюю зону плавильной печи, плавку и восстановление материала в плавильной печи, восстановление железосодержащего материала в восстановительном реакторе с помощью восстановительного газа, образованного в зоне плавильной газификации, отличающийся тем, что углеродсодержащий и железосодержащий материалы подают в печь с заданным массовым соотношением, причем первоначально на поде печи создают слой углеродсодержащего материала, на который подают железосодержащий и углеродсодержащий материал через щелеобразную полость в крышке печи в виде свободно падающей струи, направленной в пристеночную область печи, с формированием смеси в печи под углом, равным углу естественного откоса, параллельно загружают восстановительный реактор железосодержащим материалом, массу которого определяют исходя из требуемой конечной средневзвешенной степени металлизации, при этом выше уровня железосодержащего материала формируют заданный слой углеродсодержащего материала для коррекции состава газа, поступающего из плавильной печи, продувают материал в плавильной печи кислородсодержащим и нагретым в плазмотронах косвенного действия кислородсодержащим и природным газом, подают полученный в плавильной печи восстановительный газ в верхнюю часть восстановительного реактора, определяют состав и температуру газа в верхней части восстановительного реактора, сопоставляют с заданными и при изменении концентрации восстановителей или температуры более чем на 10% корректируют их газом из плазмохимических газогенераторов, повторяют циклы подачи материалов в плавильную печь в зависимости от массы получаемого металла, а отходящий из восстановительного реактора газ подают на дожигание в реактор предварительного подогрева железосодержащего материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовое соотношение углеродсодержащего материала к железосодержащему материалу находится в пределах 0,2-0,4.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кусковой железосодержащий материал в восстановительном реакторе формируют по двум температурным зонам, разделенным колосниками.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в восстановительный реактор и плавильную печь загружают предварительно подогретый железосодержащий материал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бескоксовому производству железа и созданию способа получения расплава железа, в частности стали, из кускообразных железосодержащих материалов или окатышей.

Известен способ получения чугуна из железосодержащего окисного материала, включающий предварительное восстановление с получением губчатого железа в шахтной печи и последующее расплавление в плавильном газификаторе с одновременным получением восстановительного газа за счет подвода твердого углеродсодержащего материала и кислорода или кислородсодержащего газа, подачу полученного в плавильном газификаторе восстановительного газа в шахтную печь, отвод от нее колошникового газа, очистку от СО₂ и Н₂О, нагрев и возврат его в шахтную печь (Заявка Японии № 63-47308, заявл. 18.08.86, № 61-192462, опубл. 29.02.88).

Осуществление известного способа связано с трудностями, возникающими при нагреве колошникового газа до температуры восстановления перед подачей в шахтную печь. Восстановление железосодержащего материала происходит в интервале температур от 750 до 850°С, а развить такие температуры в теплообменнике за одну ступень нагрева очень сложно, в связи с чем для достижения необходимой температуры требуется усложнять процесс дополнительными мерами по нагреву.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят способ получения жидкого чугуна или жидких стальных полупродуктов из мелкозернистого железосодержащего материала, включающий его подачу и расплавление в зоне плавильной газификации, в котором при подводе углеродсодержащего материала и кислородсодержащего газа одновременно получают восстановительный газ в слое из твердых носителей углерода, согласно изобретению мелкозернистый железосодержащий материал подают в плавильный газификатор с помощью кислородной горелки с образованием высокотемпературной зоны горения, центрально выше слоя из твердых носителей углерода, при этом в зону плавильной газификации дополнительно вводят кусковой углеродсодержащий материал и кусковой железосодержащий материал через подводящие трубопроводы, входящие в верхнюю зону плавильного газификатора, а с помощью восстановительного газа, образованного в зоне плавильной газификации, осуществляют предварительное восстановление железосодержащей руды, причем восстановительный газ, выходящий из плавильного газификатора подводят на восстановление неочищенным от пыли (Патент Украины № 37264, заявл. 18.07.1996, опубл. 15.15.2001, бюл. № 4, 2001).

Однако данный способ не обеспечивает качества восстановленного металла по причине обязательного наличия в восстановительном газе оксидов, которые связаны с технологией сжигания газов.

В основу изобретения поставлена задача создания способа получения расплава железа, в частности стали, путем использования технологических возможностей плазменных технологий для высокотемпературного нагрева железорудного материала и образования восстановительного газа применительно к процессам прямого получения расплава железа, использования угля как энергоносителя и восстановителя для компенсации теплового баланса и коррекции состава газа в процессе восстановительной плавки и предварительного восстановления и за счет этого оптимизировать работу двух используемых при выплавке металла агрегатов, снизить температуру ввода отходящего из плавильной печи восстановительного газа до величины, приемлемой для предварительного восстановления железосодержащего материала, путем продувки материала сверху вниз через слой угля и в результате уменьшить затраты на процесс прямого получения металла и, при этом, проводить реакцию восстановления стабильно и эффективно.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения расплава железа, в частности расплава стали, включающем загрузку в зону плавильной газификации кускового углеродсодержащего материала и кускового железосодержащего материала через отдельные питатели, входящие в верхнюю зону плавильной печи, плавку и восстановление материала в плавильной печи, восстановление железосодержащего материала в восстановительном реакторе с помощью восстановительного газа, образованного в зоне плавильной газификации, согласно изобретению углеродсодержащий и железосодержащий материалы подают в печь с заданным массовым соотношением, причем первоначально на поде печи создают слой углеродсодержащего материала, на который подают железосодержащий и углеродсодержащий материал, полученную смесь формируют в печи под углом, равным углу естественного откоса, путем подачи ее через щелеобразную полость в крышке печи в виде свободно падающей струи, которую направляют в пристеночную область печи, параллельно загружают реактор железосодержащим материалом, массу которого определяют исходя из требуемой конечной средневзвешенной степени металлизации, при этом выше уровня железосодержащего материала формируют заданный слой углеродсодержащего материала для коррекции состава газа, поступающего из плавильной печи, продувают материал в плавильной печи кислородсодержащим и нагретым в плазмотронах косвенного действия кислородсодержащим и природным газом, подают полученный в плавильной печи восстановительный газ в верхнюю часть реактора, определяют состав и температуру газа в верхней части реактора, сопоставляют с заданными и при изменении концентрации восстановителей или температуры более чем на 10% корректируют их газом из плазмохимических газогенераторов, повторяют циклы подачи материалов в плавильную печь в зависимости от массы получаемого металла, а отходящий из реактора газ подают на дожигание в реактор предварительного подогрева железосодержащего материала, при этом массовое соотношение углеродсодержащего материала к железосодержащему материалу находится в пределах 0,2-0,4, а кусковой железосодержащий материал в реакторе формируют по двум температурным зонам, разделенным колосниками, причем в реактор и плавильную печь загружают предварительно подогретый железосодержащий материал.

Заданное массовое соотношение углеродсодержащего материала (угля) к железосодержащему материалу (окатышам) принято в пределах 0,2-0,4 из условия обеспечения допустимой концентрации серы и углерода в получаемом металле.

Первоначальная загрузка слоя угля в плавильную печь обеспечивает снижение спекания шихты на поде печи. На слой угля в плавильной печи подают в пристенную область печи смесь углеродсодержащего и железосодержащего материалов и формируют ее под углом естественного откоса с тем, чтобы канал отходящего из печи газа находился со стороны стенки, противоположной загрузке. Наклонная поверхность смеси (шихты) представляет собой газопроницаемую поверхность, через которую проходят газовые потоки. Присутствие углеродсодержащего материала (угля) в печи при столь высокой температуре позволяет снизить расход энергии на тонну горячего металла по сравнению с известными процессами.

Непрерывный нагрев шихты с равномерным температурным профилем достигают за счет симметричной установки плазмотронов относительно продольной оси печи под углом к поду печи и подачи кислородсодержащего газа над предполагаемой верхней границей расплава.

В связи с верхней подачей восстановительного газа в восстановительный реактор и нижним отводом отработанного газа, железосодержащий материал формируют по двум температурным зонам. Вначале загрузку материала производят в полость, образованную разнесенными по высоте реактора двумя колосниками, а затем загружают остальную массу материала выше верхнего колосника исходя из требуемой конечной средневзвешенной степени металлизации. Выше уровня заполненного материала формируют слой угля для коррекции состава газа, поступающего из плавильной печи. Нагретый нижний слой материала, расположенный между колосниками, направляют в плавильную печь или на твердофазное восстановление, а верхний металлизированный материал - для последующего использования. Отходящий газ из восстановительного реактора подают на дожигание в реактор подогрева железосодержащего материала.

При осуществлении способа согласно настоящему изобретению материал нагревают, расплавляют и восстанавливают с использованием плазменной плавильной печи, а твердофазное восстановление осуществляют в вертикальном восстановительном реакторе. Оба агрегата имеют общую стенку, а внутренние поверхности крышек служат стенкой канала для перепуска восстановительного газа из плавильной печи в реактор. На устройство, в котором может быть осуществлено настоящее изобретение, не накладываются ограничения. Изобретение может быть осуществлено в различных типах оборудования при прямом получении расплава железа с перепуском без значительных тепловых потерь горячего восстановительного газа из плавильной печи в реактор, с верхней подачей газа в реактор и нижним отводом отработанного газа.

Способ осуществляется следующим образом.

При осуществлении способа сырой кусковый железосодержащий материал предварительно нагревают. На под плавильной печи помещают слой угля, затем в печь подают окатыши и уголь через раздельные питатели с массовым соотношением углеродсодержащего материала к железосодержащему материалу в пределах 0,2-0,4. Материал подают в печь через щелеобразную полость в крышке в виде свободно падающей струи, которую направляют в пристеночную область печи, и таким образом формируют полученную смесь в печи под углом, равным углу естественного откоса.

Параллельно загружают восстановительный реактор подогретыми окатышами. В связи с верхней подачей восстановительного газа через столб окатышей и нижним отводом отработанного газа окатыши располагают по двум температурным зонам. Сначала окатыши загружают в нижнюю часть реактора в полость, образованную разнесенными по высоте реактора двумя колосниками. Затем загружают окатыши выше верхнего колосника исходя из требуемой конечной средневзвешенной степени металлизации. Выше уровня слоя окатышей формируют слой угля, предназначенного для коррекции состава газа, поступающего из плавильной печи.

В плавильной печи симметрично под углом к поду устанавливают плазмотроны косвенного действия. Запускают плазмотроны в плавильной печи и через фурмы, установленные над предполагаемой верхней границей расплава, вдувают воздушно-кислородную смесь.

Под действием высокотемпературных плазменных струй железосодержащий материал плавится, и уровень первоначально загруженного в печь материала уменьшается. Поддерживают уровень шихты в печи постоянным за счет дозагрузки необходимой массы угля и окатышей в зависимости от массы получаемого металла. К загружаемой смеси добавляют вспомогательные добавки, такие как известь, которая действует как удаляющий серу и фосфор агент. Продувают материал в плавильной печи кислородсодержащим и нагретым в плазмотронах косвенного действия кислородсодержащим и природным газом. Подают полученный в плавильной печи восстановительный газ в верхнюю часть восстановительного реактора. Так как на начальном этапе температура и химический состав газа не соответствует процессу твердофазного восстановления, состав газа корректируют восстановительным газом, полученным в плазмохимических газогенераторах. Восстановительный газ проходит через слой угля и столб окатышей и отводится в нижней части реактора. Появляется возможность использования восстановительного газа, образующегося из угля. За счет повышения общего количества восстановительного газа обеспечивается его высокий восстановительный потенциал. Когда температура и состав газа достигают заданного значения, отключают плазмохимические газогенераторы, а при изменении концентрации восстановителей или температуры более чем на 10% вновь корректируют состав газа дополнительной подачей газа из включаемых плазмохимических газогенераторов. Состав газа контролируют газоанализаторами, а температуру - термопарами.

Таким образом, для обеспечения стабильности протекания процесса металлизации окатышей необходимо поддерживать достаточное количество газа-восстановителя.

После окончания процесса металлизации окатышей вначале удаляют слой отработанного углеродсодержащего материала, затем выпускают слой окатышей из нижней зоны восстановительного реактора, ограниченной двумя колосниками, и после этого выпускают металлизированные окатыши из верхней температурной зоны, в которой гарантирована полная заданная металлизация. Слой окатышей из нижней температурной зоны направляют в восстановительный реактор для дополнительной металлизации или в плазменную плавильную печь. Отходящий газ из реактора направляют на дожигание в реактор предварительного подогрева окатышей.

Пример конкретного выполнения

Получение стали и металлизированных окатышей осуществлялось на установке прямого получения стали, состоящей из плавильной печи объемом 2,2 м³ и восстановительного реактора объемом 3,0 м³, имеющих одну общую стенку из огнеупорного кирпича и соединенных между собой каналом для перепуска газа из плавильной печи в восстановительный реактор. В нижних боковых частях плавильной печи установлены по два плазмотрона косвенного действия мощностью по 0,5 МВт, направленных под углом к поду печи. Восстановительный реактор снабжен двумя плазмохимическими газогенераторами, восстановительные газы из которых направляют в его верхнюю часть.

В качестве исходных материалов для получения стали и металлизированных окатышей использовались окатыши ЦГОКа и уголь (антрацит) Донецкого бассейна.

Табл.1
Химический состав окатышей
FeОБЩ, %	Ре3О3, %	FeO, %	SiO2 , %	CaO, %	MgO, %
63,4	87,2	3,1	5,1	3,16	0,88

Для получения 2 т стали использовалась шихта следующего состава:

Табл.2
Наименование	Количество,
Окатыши	3,
Антрацит	1,3
Известь	0,2
Плавиковый шпат	0,0

Первоначально на под плавильной печи загружают 440 кг антрацита, затем в печь совместно подают окатыши, предварительно подогретые до 400-600°С, и антрацит через раздельные питатели с массовым соотношением антрацита к окатышам 0,25.

Материалы подают в печь через щелеобразную полость в крышке и формируют смесь окатышей и угля в печи под углом, равным углу естественного откоса. Первоначальная масса загрузки окатышей и угля на угольную подсыпку составляет 1,9 т (1,37 т окатышей и 0,53 т угля).

Одновременно с плавильной печью загружают восстановительный реактор предварительно подогретыми окатышами. Сначала 1,4 т исходных окатышей загружают в нижнюю часть реактора, затем устанавливают колосники и загружают следующую порцию окатышей массой 4,4 т. Сверху окатышей засыпают 700 кг угля.

После загрузки плавильной печи и восстановительного реактора включают плазмотроны плавильной печи и подают воздух, природный газ и кислород. Устанавливают общие расходы на 4 плазмотрона и 4 форсунки:

природный газ - 28 г/с;

воздух - 320 г/с;

кислород - 85 г/с.

Под воздействием плазменных струй и вдуваемого кислорода происходит горение угля и плавление окатышей, в результате чего уменьшается уровень первоначально загруженного материала. Через 5-10 мин после начала плавки начинают дозагрузку оставшихся окатышей и угля. Известь и плавиковый шпат вводятся совместно с окатышами. Полученный в плавильной печи восстановительный газ подают в верхнюю часть восстановительного реактора. По ходу плавки температура отходящего газа возрастает от 200°С до 1100°С, при этом химический состав газа также изменяется. Так как на начальном этапе температура и химический состав газа не соответствует условиям интенсивного протекания процессов твердофазного восстановления, состав и температуру газа, отходящего из плавильной печи, корректируют восстановительным газом, полученным в плазмохимических газогенераторах. После начала плавки для коррекции температуры и химического состава восстановительного газа включают дополнительно 2 плазмотрона в плазмохимических газогенераторах с общим расходом:

природный газ - 7 г/с;

воздух - 115 г/с;

кислород - 8 г/с.

В результате работы корректирующих плазмотронов температура газа в верхней части восстановительного реактора находилась на уровне 1030-1050°С. При этом газ в верхней части восстановительного реактора имел следующий химический состав:

Табл.3
Н2, %	N2, %	СО, %	CO2 , %
24	26	47	3

Содержание восстановителей (Н ₂+СО) в восстановительном газе составило 65±5%.

Температуру восстановительного газа регулируют либо отключением плазмотронов плазмохимических газогенераторов, либо уменьшением их мощности, а состав восстановительного газа корректируют путем изменения подачи природного газа через плазмотроны.

Длительность плавки в плавильной печи составляет 1 час. После окончания плавки вскрывают летку и выпускают металл и шлак. После этого цикл плавки в плавильной печи повторяют. Металлизированные окатыши из восстановительного реактора выгружают с периодичностью через две плавки. Степень металлизации (Fe _МЕТ/Fe_ОБЩ) окатышей после двух часов восстановительно-тепловой обработки составляет 82-84%. Состав стали, получаемой в плавильной печи, приведен ниже.

Табл.4
Химический состав стали
С, %	Si, %	Mn, %	S, %	P, %	Fe, %
0,06-0,08	0,0025-0,005	0,01-0,05	0,008-0,02	0,008-0,02	99,7-99,9

Табл.5
Химический состав металлизированных окатышей
FeМЕТ, %	FeO, %	Ре2 О3, %	FeОБЩ, %	Степень металлизации, %
62,7	20,0	-	75,8	82,7
65,2	13,2	2,7	77,3	84,3

Изобретение позволяет целенаправленно использовать высокий восстановительный потенциал отходящего газа, позволяет обеспечить стадию восстановления достаточным количеством восстановительного газа и поэтому применять установки с меньшими размерами и меньшими расходами.