копильник

Формула изобретения

1. Емкость для прямой плавки, предназначенная для осуществления прямой плавки с использованием жидкой ванны для плавки рудного исходного материала и получения расплавленного металла в условиях повышенного давления в емкости, причем емкость содержит горн, предназначенный для размещения слоя металла жидкой ванны, причем горн имеет основание и боковую стенку, боковую стенку, проходящую вверх от упомянутой боковой стенки горна, множество водоохлаждаемых фурм для ввода твердых веществ, которые проходят вниз и внутрь емкости для ввода твердых исходных материалов, таких как рудный исходный материал и/или углеродосодержащий материал, в эту емкость, одну или более водоохлаждаемых фурм для ввода кислородосодержащего газа, проходящих вниз в емкость для ввода кислородосодержащего газа в эту емкость, и копильник для непрерывного выпуска расплавленного металла из емкости, содержащий камеру для удерживания объема расплавленного металла, имеющую выпускное отверстие для выгрузки расплавленного металла из этой камеры, и открытый проход, идущий через боковую стенку горна во внутреннее пространство емкости и таким образом соединяющий между собой упомянутую камеру и внутреннее пространство емкости, причем этот открытый проход обеспечивает смягчение влияния внезапных изменений давления в емкости на поток расплавленного металла в копильник, и предотвращение нежелательного выброса расплавленного металла из копильника, причем открытый проход выполнен таким образом, чтобы расплавленный металл не застывал в проходе в течение по меньшей мере 6 ч, когда расплавленный металл не выгружается из емкости в копильник через упомянутый открытый проход.

2. Емкость по п.1, в которой открытый проход выполнен таким образом, чтобы максимальная скорость расплавленного металла через открытый проход составляла 1 м/с, когда процесс осуществляется в условиях повышенного давления в емкости и расплавленное железо получают при полной производственной мощности.

3. Емкость по п.1, в которой открытый проход выполнен таким образом, чтобы максимальная скорость протекания расплавленного металла через этот проход составляет 0,6 м/с, когда процесс осуществляется в условиях повышенного давления в емкости, и расплавленное железо получают при полной производственной мощности.

4. Емкость по п.1, в которой открытый проход содержит первый канал, идущий от емкости и имеющий постоянное поперечное сечение по длине и минимальную площадь поперечного сечения, которую выбирают таким образом, чтобы он работал как дроссель или иным образом ограничивал протекание расплавленного металла в копильник в условиях избыточного давления в емкости и смягчал влияние внезапных изменений давления в емкости на протекание расплавленного металла в копильник.

5. Емкость по п.4, в которой основная ширина первого канала составляет 75-200 мм.

6. Емкость по п.4, в которой длина первого канала составляет менее 1 м.

7. Емкость по п.4, в которой длина первого канала составляет 200-600 мм.

8. Емкость по п.4, в которой длина первого канала составляет 300-500 мм.

9. Емкость по п.1, в которой первый канал в поперечном сечении имеет любую форму из следующих: туннелеобразную, круглую или квадратную.

10. Емкость по п.4, в которой открытый проход также содержит второй канал, идущий от первого канала к камере копильника и имеющий площадь поперечного сечения, которая увеличивается с удалением от первого канала.

11. Емкость по п.10, в которой ширина или высота второго канала увеличиваются с удалением от первого канала.

12. Емкость по п.10, в которой высота второго канала увеличивается с удалением от первого канала.

13. Емкость по п.12, в которой второй канал в общем имеет форму усеченного конуса, если смотреть в вертикальном сечении вдоль длины этого канала.

14. Емкость по п.12, в которой второй канал имеет нижнюю и верхнюю стенки.

15. Емкость по п.14, в которой верхняя стенка второго канала сильнее наклонена к горизонтали, чем нижняя стенка этого канала.

16. Емкость по п.15, в которой угол наклона верхней стенки второго канала к горизонтали составляет по меньшей мере 15°.

17. Емкость по п.10, в которой угол наклона верхней стенки второго канала к горизонтали составляет по меньшей мере 20°.

18. Емкость по п.10, в которой ширина сечения второго канала сначала увеличивается с удалением от первого канала, а затем остается постоянной вдоль оставшейся части длины этого канала до камеры копильника.

19. Емкость по п.1, в которой проход копильника предназначен для смягчения внезапного увеличения давления в емкости максимально на 50% от рабочего давления в этой емкости.

20. Емкость по п.1, в которой копильник содержит предварительно отлитые кирпичи/блоки или кирпичи/блоки, отливаемые по месту, которые образуют открытый проход.

21. Емкость по п.1, в которой копильник содержит прессованные кирпичи/блоки, которые образуют камеру копильника.

22. Емкость по п.1, в которой копильник выполнен с расширением относительно емкости таким образом, чтобы это расширение оказывало минимальную нагрузку на емкость.

23. Емкость по п.1, в которой в копильнике выполнено выпускное отверстие для выгрузки расплавленного металла, когда существует необходимость слива расплавленного металла из копильника и емкости.

24. Емкость по п.1, которая содержит клапаны сброса давления, которые соединяют эту емкость с атмосферой в случае повышения давления в емкости до заранее определенного значения.

25. Установка для прямой плавки, которая содержит емкость для прямой плавки по любому из пп.1-24, предназначенную для осуществления прямой плавки с использованием жидкой ванны в условиях повышенного давления для плавки рудного исходного материала и получения расплавленного металла.

26. Способ прямой плавки с использованием жидкой ванны для плавки рудного исходного материала и производства расплавленного металла в условиях повышенного давления в емкости для прямой плавки по любому из пп.1-24.

27. Способ по п.26, при выполнении которого рабочее давление в емкости составляет по меньшей мере 0,5 бар избыточного давления.

28. Способ по п.26, при выполнении которого рабочее давление в емкости составляет менее 1,5 бар избыточного давления.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к емкости для прямой плавки, которая содержит копильник для непрерывного выпуска расплавленного металла из этой емкости при осуществлении в ней упомянутого процесса.

В частности, настоящее изобретение относится к конструкции копильника емкости для прямой плавки.

Настоящее изобретение конкретно, хотя и не исключительно, относится к емкости для прямой плавки, в которой может осуществляться способ прямой плавки с использованием жидкой ванны для получения расплавленного железа из железосодержащего рудного исходного материала, такого как железные руды, частично восстановленные железные руды и железосодержащие отходы (например, от сталеплавильных установок).

Известный способ прямой плавки с использованием жидкой ванны обычно называется процессом Hismelt. В контексте получения расплавленного железа процесс Hismelt содержит следующие этапы:

(a) создают ванну из расплавленного железа и шлака в емкости для прямой плавки;

(b) вводят в упомянутую ванну: (i) рудный исходный материал, в типичном случае - железную руду в виде мелких фракций; и (ii) твердый углеродосодержащий материал, в типичном случае - уголь, который действует как восстановитель для рудного исходного материала и как источник энергии; и

(c) плавят рудный исходный материал до получения железа в упомянутой ванне.

Здесь предполагается, что термин "плавка" означает термическую обработку, при которой происходят химические реакции с восстановлением оксидов металлов для получения расплавленного металла.

При осуществлении процесса Hismelt рудный исходный материал и твердый углеродосодержащий материал вводят в жидкую ванну, находящуюся в емкости для прямой плавки, через ряд водоохлаждаемых трубок/фурм, которые наклонены к вертикали таким образом, чтобы проходить вниз и внутрь через боковую стенку емкости в нижнюю область этой емкости для подачи, по меньшей мере, части твердого вещества в слой металла на дне упомянутой емкости. В верхнюю область емкости вводят струю горячего кислородосодержащего газа, в типичном случае воздуха или воздуха, обогащенного кислородом, через водоохлаждаемую трубку, которая проходит вниз, в емкость, чтобы обеспечить дожигание реакционных газов, выделившихся их жидкой ванны, в верхней области емкости. В типичном случае при производстве расплавленного железа горячий воздух или воздух, обогащенный кислородом, имеет температуру порядка 1200°С и его получают в воздухонагревателях. Отходящий газ, возникающий при последующем сгорании реакционных газов в емкости, отводится из верхней области емкости через канал отходящего газа. Емкость содержит водоохлаждаемые панели с огнеупорной облицовкой, установленные на ее боковой стенке и своде, и через эти панели в непрерывном цикле постоянно циркулирует вода.

Процесс Hismelt позволяет получать при помощи прямой плавки в одной компактной емкости большие количества расплавленного железа, в типичном случае, по меньшей мере, 0,5 миллионов тонн в год.

Чтобы обеспечить высокие уровни производительности при получении расплавленного железа для процесса Hismelt, необходимо

(a) создать и транспортировать большие количества горячего воздуха или воздуха, обогащенного кислородом, и газа-носителя

(для ввода твердых веществ) в емкость для прямой плавки, (b) транспортировать в емкость большие количества рудного исходного материала, такого как железосодержащие исходные материалы, включая создание и транспортировку больших количеств газа-носителя в емкость, (с) транспортировать большие количества горячего отходящего газа из емкости, (d) транспортировать большие количества расплавленного железа и шлака, полученные при выполнении процесса, из емкости и (е) осуществлять циркуляцию больших количеств воды через водоохлаждаемые панели - и все это в относительно ограниченной зоне.

С учетом вышесказанного для обеспечения высоких уровней производительности при получении расплавленного железа требуется, чтобы процесс Hismelt осуществлялся под давлением, и установка для этого процесса содержала (а) емкость для прямой плавки, находящуюся под давлением, и вспомогательное оборудование, такое как воронки-затворы для подачи твердых исходных материалов в емкость и оборудование для контроля давления, установленное в канале отходящих газов этой емкости, (b) воздухонагреватели, которые создают высокоскоростной поток горячего воздуха или воздуха, обогащенного кислородом для этой емкости, и (с) оборудование для обработки отходящего газа, способное обрабатывать большие количества отходящего газа, выпускаемые из емкости.

Емкость для прямой плавки существующей конструкции, применяемая для процесса Hismelt, содержит копильник для непрерывного выпуска расплавленного железа из емкости и выпускное отверстие для периодического выпуска расплавленного шлака из этой емкости. Копильник снабжен открытым проходом через боковую стенку емкости в ее внутреннее пространство.

Использование копильника, имеющего открытый проход во внутреннее пространство емкости, и функционирование емкости под давлением, в типичном случае 0,8 бар избыточного давления, означает, что изменения давления в емкости будут трансформироваться непосредственно в изменение уровней расплавленного металла в емкости и копильнике.

Из вышесказанного понятно, что осуществление процесса Hismelt с открытым копильником, в частности под давлением, создает потенциально серьезные проблемы обеспечения безопасности, которые необходимо решать.

Одна из таких потенциально серьезных проблем обеспечения безопасности возникает, если происходит внезапное увеличение давления в емкости. В таких условиях избыточного давления существует риск выброса расплавленного металла из емкости в копильник и переполнение копильника неконтролируемым и опасным образом.

Настоящее изобретение предлагает конструкцию копильника, которая решает проблему выбросов горячего металла из копильника в ситуациях избыточного давления при одновременном учете других факторов, относящихся к работе этого копильника.

Если говорить в общем, настоящим изобретением предлагается емкость для прямой плавки, предназначенная для осуществления способа прямой плавки в условиях давления в этой емкости. Емкость содержит копильник для непрерывного выпуска расплавленного металла из емкости. В копильнике выполнен открытый проход, идущий через боковую стенку емкости в ее внутреннее пространство. Открытый проход создан, чтобы смягчить влияние внезапных изменений давления в емкости на поток расплавленного металла в копильник, что может привести к нежелательному выбросу расплавленного металла из копильника. Открытый проход также выполнен таким образом, чтобы расплавленный металл не застывал в проходе в течение, по меньшей мере, 6 часов, когда расплавленный металл не выгружается из емкости в копильник через открытый проход.

Согласно настоящему изобретению предлагается емкость для прямой плавки, предназначенная для осуществления способа прямой плавки с использованием жидкой ванны с целью плавки металлоносного исходного материала и получения расплавленного металла в условиях давления в емкости, и эта емкость содержит:

(a) горн, предназначенный для размещения слоя металла жидкой ванны, причем этот горн имеет основание и боковую стенку;

(b) боковую стенку, проходящую вверх от упомянутой боковой стенки горна;

(c) множество водоохлаждаемых фурм для ввода твердых веществ, которые проходят вниз и внутрь емкости для ввода твердых исходных материалов, таких как рудный исходный материал и/или углеродосодержащий материал, в эту емкость;

(d) одну или более водоохлаждаемых фурм для ввода кислородосодержащего газа, которые проходят вниз в емкость для ввода кислородосодержащего газа в эту емкость; и

(e) копильник для непрерывного выпуска расплавленного металла из емкости, содержащий (i) камеру, которая может удерживать объем расплавленного металла и имеет выпускное отверстие для выгрузки расплавленного металла из этой камеры, и (ii) открытый проход, идущий через боковую стенку горна во внутреннее пространство емкости и таким образом соединяющий между собой упомянутую камеру и внутреннее пространство емкости, причем этот открытый проход создан для смягчения влияния внезапных изменений давления в емкости на поток расплавленного металла в копильник, что может привести к нежелательному выбросу расплавленного металла из копильника, и, кроме того, открытый проход выполнен таким образом, чтобы расплавленный металл не застывал в проходе в течение, по меньшей мере, 6 часов, когда расплавленный металл не выгружается из емкости в копильник через упомянутый открытый проход.

Здесь предполагается, что термин "смягчать" означает, что внезапное увеличение давления в емкости не превращается непосредственно в соответствующее увеличение скорости и/или расхода (объемного или массового) расплавленного металла, вытекающего из емкости в копильник, что может привести к нежелательному выбросу расплавленного металла из копильника.

Требования, предъявляемые к проходу копильника, указанные выше в абзаце (е), являются результатом научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы, проведенной автором заявителем, который определил и осознал значимость факторов, которые включают конкурирующие факторы, имеющие важное значение для конструкции копильника, применяемого при выполнении способа прямой плавки с использованием жидкой ванны, который осуществляется под давлением в емкости для прямой плавки с непрерывным протеканием расплавленного металла из емкости через упомянутый копильник.

Одним из факторов является то, что степень износа огнеупорного материала возрастает по мере снижения площади вертикального сечения плоскостью, проходящей перпендикулярно длине прохода копильника в наиболее узкой части этого прохода. Здесь предполагается, что термин "минимальная площадь поперечного сечения" означает площадь вертикального сечения плоскостью, проходящей перпендикулярно длине прохода копильника в наиболее узкой части этого прохода. Конкурирующим фактором является то, что величина, до которой может быть ограничен расход (объемный или массовый) расплавленного металла, вытекающего из емкости в копильник, возрастает по мере уменьшения минимальной площади поперечного сечения прохода копильника. Таким образом, большая минимальная площадь поперечного сечения является предпочтительной с точки зрения износа, но менее предпочтительной с точки зрения ограничения расхода. Кроме того, меньшая минимальная площадь поперечного сечения является предпочтительной с точки зрения ограничения расхода, но менее предпочтительной с точки зрения износа.

Другим фактором является то, что при заданной минимальной площади поперечного сечения прохода копильника риск застывания расплавленного металла в этом проходе уменьшается по мере уменьшения длины прохода. Конкурирующим фактором является то, что при заданной минимальной площади поперечного сечения прохода копильника величина, до которой может быть ограничен расход расплавленного металла, вытекающего из емкости в копильник, уменьшается по мере уменьшения длины прохода копильника. Таким образом, большая длина является предпочтительной с точки зрения ограничения расхода, но менее предпочтительна с точки зрения застывания расплавленного металла в проходе копильника. Кроме того, меньшая длина является предпочтительной с точки зрения застывания расплавленного металла, но менее предпочтительна с точки зрения ограничения расхода.

Другим фактором является то, что при заданной минимальной площади поперечного сечения прохода копильника скорость расплавленного металла, протекающего через проход копильника, увеличивается, и износ прохода увеличивается по мере увеличения изменения давления в емкости. Связанным фактором является то, что при заданном увеличении давления в емкости скорость расплавленного металла, протекающего через проход копильника, увеличивается, и износ прохода увеличивается по мере уменьшения минимальной площади поперечного сечения прохода копильника.

В предпочтительном случае открытый проход выполнен таким образом, чтобы максимальная скорость расплавленного металла через открытый проход составляла 1 м/с, когда процесс осуществляется в условиях повышенного давления, в емкости и расплавленное железо получают при полной производственной мощности.

Здесь предполагается, что термин "полная производственная мощность" означает скорость, необходимую для обеспечения годового планового производства в емкости.

Годовое плановое производство может значительно отличаться для разных емкостей. В типичном случае для емкостей, предназначенных для производства расплавленного железа, годовое плановое производство составляет, по меньшей мере, 800000 тонн и может доходить до или превышать 2 миллиона тонн.

Особенно предпочтительно, чтобы открытый проход был выполнен таким образом, чтобы максимальная скорость протекания расплавленного металла через этот проход составляла 0,6 м/с.

В типичном случае рабочее давление в емкости при осуществлении в ней процесса составляет, по меньшей мере, 0,5 бар избыточного давления.

В типичном случае рабочее давление в емкости при осуществлении в ней процесса составляет менее 1,5 бар избыточного давления и, в основном - менее 1,0 бар избыточного давления.

В предпочтительном случае форму открытого прохода выбирают таким образом, чтобы он содержал первый канал, идущий от емкости и имеющий постоянное поперечное сечение по длине и минимальную площадь поперечного сечения, которую выбирают таким образом, чтобы он работал как дроссель или иным образом ограничивал протекание расплавленного металла в копильник в условиях избыточного давления в емкости и в результате смягчал влияние внезапных изменений давления в емкости на протекание расплавленного металла в копильник.

В предпочтительном случае основная ширина первого канала составляет 75-200 мм.

В предпочтительном случае длина первого канала составляет менее 1 м.

Более предпочтительно, чтобы длина первого канала составляла 200-600 мм.

Особенно предпочтительно, чтобы длина первого канала составляла 300-500 мм.

Первый канал может иметь любую подходящую форму поперечного сечения. Подходящие формы включают туннелеобразную, круглую и квадратную.

В предпочтительном случае в поперечном сечении первый канал является туннелеобразным с плоским основанием, параллельными боковыми стенками, идущими перпендикулярно основанию, и криволинейным сводом.

В предпочтительном случае открытый проход также содержит второй канал, идущий от первого канала к камере копильника и имеющий площадь поперечного сечения, которая увеличивается с удалением от первого канала.

Ширина или высота второго канала могут увеличиваться с удалением от первого канала.

В предпочтительном случае высота второго канала увеличивается с удалением от первого канала.

В предпочтительном случае второй канал, в общем, имеет форму усеченного конуса, если смотреть в вертикальном сечении вдоль длины этого канала.

В предпочтительном случае второй канал имеет нижнюю и верхнюю стенки.

В предпочтительном случае верхняя стенка второго канала сильнее наклонена к горизонтали, чем нижняя стенка этого канала.

В предпочтительном случае угол наклона верхней стенки второго канала к горизонтали составляет, по меньшей мере, 15°.

Особенно предпочтительно, чтобы угол наклона к горизонтали составлял, по меньшей мере, 20°.

В предпочтительном случае ширина сечения второго канала сначала увеличивается с удалением от первого канала, а затем остается постоянной вдоль оставшейся части длины этого канала до камеры копильника.

В предпочтительном случае отношение объема второго канала к объему первого канала составляет, по меньшей мере, 3:1.

Более предпочтительно, чтобы отношение объема второго канала к объему первого канала составляло, по меньшей мере, 4:1.

В типичном случае проход копильника предназначен для смягчения внезапного увеличения давления в емкости максимально на 50% от рабочего давления в этой емкости.

В предпочтительном случае копильник содержит предварительно отлитые кирпичи/блоки или кирпичи/блоки, отливаемые по месту, которые образуют открытый проход.

В предпочтительном случае копильник содержит прессованные кирпичи/блоки, которые образуют камеру копильника.

В предпочтительном случае в копильнике выполнено выпускное отверстие для выгрузки расплавленного металла, когда существует необходимость слива расплавленного металла из копильника и емкости. Выпускное отверстие закрыто при работе емкости и производстве металла и может открываться выборочно при необходимости, если требуется слить расплавленный металл из емкости и копильника.

В предпочтительном случае емкость содержит клапаны сброса давления, которые соединяют эту емкость с атмосферой в случае повышения давления в емкости до заранее определенного значения.

Согласно настоящему изобретению предлагается установка для прямой плавки, которая содержит описанную выше емкость для прямой плавки, предназначенную для осуществления способа прямой плавки с использованием жидкой ванны в условиях повышенного давления с целью плавки рудного исходного материала и получения расплавленного металла.

Согласно настоящему изобретению также предлагается способ прямой плавки с использованием жидкой ванны для плавки рудного исходного материала и производства расплавленного металла в условиях повышенного давления и в описанной выше емкости для прямой плавки.

Далее настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, из которых:

Фиг.1 - схематичный вид одного из вариантов установки для прямой плавки, содержащей емкость для прямой плавки, соответствующую настоящему изобретению;

Фиг.2 - продольное сечение в увеличенном масштабе емкости для прямой плавки, показанной на Фиг.1, на котором более подробно изображен копильник;

Фиг.3 - продольное сечение в увеличенном масштабе, на котором более подробно изображен копильник;

Фиг.4 - поперечное сечение в увеличенном масштабе, на котором более подробно изображен копильник; и

Фиг.5 - вид с торца копильника, если смотреть по стрелке А, показанной на Фиг.3.

Приведенное ниже описание установки, показанной на чертежах, представлено в контексте использования этой установки для плавки железосодержащего исходного материала с целью получения расплавленного железа в соответствии с процессом Hismelt, описанным в Международной заявке PCT/AU96/00197, зарегистрированной на имя заявителя. Описание этой заявки включено сюда посредством ссылки.

Данный способ основан на использовании емкости 3 для прямой плавки.

Емкость 3 относится к типу, подробно описанному в Международных заявках PCT/AU2004/000472 и PCT/AU2004/000473, зарегистрированных на имя заявителя. Описание этих заявок включено сюда посредством ссылки.

Как показано на Фиг.2, емкость 3 имеет горн, который содержит основание 81 и боковую стенку 83, изготовленные из огнеупорных кирпичей, боковую стенку 85, которая образует, в основном, цилиндрический стакан, проходящий вверх от сторон горна, и свод 87, который содержит центральную камеру 89 отходящего газа, канал 9 отходящего газа, проходящий от камеры 89 отходящего газа, копильник 67 для непрерывной выгрузки расплавленного металла из емкости 3, и выпускное отверстие 71 для периодической выгрузки расплавленного шлака из емкости 3.

Копильник 67 содержит внешнюю стальную оболочку 75 и внутреннюю облицовку 77 из огнеупорного материала.

Копильник 67 содержит основную камеру или колодец 91, имеющий выпуск 93 для расплавленного железа в верхней части. В процессе использования расплавленное железо протекает через выпуск 93 из копильника 67 в желоб (не показан).

Копильник 67 также содержит выпускное отверстие 95 в нижней секции основной камеры 91. В процессе использования выпускное отверстие 95 закрыто в нормальных условиях работы. Выпускное отверстие 95 может быть открыто при необходимости, чтобы слить расплавленное железо из копильника 67 емкости 3.

Копильник 67 также содержит проход копильника, в общем обозначенный ссылочным номером 97, который соединяет между собой основную камеру 91 и внутреннее пространство емкости 3.

Как можно лучше увидеть на Фиг.3 - Фиг.5, проход 97 копильника содержит:

(a) первый, относительно узкий и короткий, горизонтальный канал 99, который идет наружу от внутреннего пространства емкости, и

(b) второй, имеющий постепенно увеличивающуюся ширину и относительно длинный канал 101, который идет наружу от первого канала 99 и открывается в основную камеру 91.

Первый канал 99 проходит всего лишь небольшое расстояние (300 мм) в боковой стенке 83 горна. Как можно лучше увидеть на Фиг.5, первый канал 99 имеет туннелеобразную форму в поперечном сечении и содержит основание 103, параллельные боковые стенки 105 и криволинейный свод 107. Высота и ширина первого канала составляют 150 мм.

Первый канал 99 создан для работы в качестве дросселя, что позволяет смягчать влияние неконтролируемого вытекания расплавленного железа из емкости 3 на поток расплавленного железа в основную камеру 91 копильника 67 в условиях избыточного давления в емкости 3.

Второй канал 102 создан, чтобы обеспечить переходную зону для потока расплавленного железа из первого канала 99 в основную камеру 91.

Первый канал 99 и второй канал 101 также созданы с учетом тепловых требований, предъявляемых к проходу 97 копильника. В частности, первый канал 99 и второй канал 101 созданы с таким расчетом, чтобы происходил перенос теплоты в первый канал 99 из внутреннего пространства емкости и камеру 91 копильника (через второй канал 101), достаточный для поддержания температуры расплавленного железа в первом канале выше температуры ликвидуса в течение, по меньшей мере, 6 часов в ситуации отсутствия потока, то есть когда в емкости не производится расплавленное железо, и это железо не выгружается через копильник 67.

В частности, форма и размер второго канала 101 облегчают перенос теплоты в первый канал 99. Как показано на Фиг.3, второй канал 101, в общем, имеет форму усеченного конуса в вертикальном сечении, при этом его нижняя стенка 107 проходит, в общем, в горизонтальном направлении, а наклоненная вверх верхняя стенка 109 проходит под углом 20° к горизонтали. Если говорить более конкретно, второй канал 101 содержит (а) первую секцию 111, имеющую фактически форму усеченного конуса, которая проходит на длину 600 мм и увеличивается по ширине от 150 мм до 500 мм, и (b) вторую секцию 113 постоянной ширины, которая проходит к основной камере 91 копильника 67. Размер второго канала 101 выбирают таким образом, чтобы он содержал объем расплавленного железа, который является относительно большим по сравнению с объемом железа в первом канале 99.

В дополнение к этому, общие форма и размер прохода 97 копильника, а также форма, материалы и вид огнеупорной облицовки, образующей проход 97 копильника, выбираются таким образом, чтобы (а) противостоять значительному износу, который возникает при выполнении процесса из-за протекания расплавленного железа через проход 97 копильника и (b) расширяться относительно емкости 3 таким образом, чтобы это расширение оказывало минимальную (если она вообще имеется) нагрузку на емкость 3. Что касается огнеупорной облицовки, то облицовка прохода 97 копильника изготовлена из предварительно отлитых блоков огнеупорного материала. На Фиг.5 показаны торцы двух таких предварительно отлитых блоков 117а и 117b. Что касается компонента (b), первый канал 99 выполнен такого размера, чтобы максимальная скорость расплавленного железа в этом канале была в диапазоне 0,2-0,6 м/с, когда в емкости производят расплавленное железо при полной производственной мощности. В типичном случае полная производственная мощность соответствует номинальной производительности в диапазоне от 800000 до 1600000 тонн металла в год для емкостей, которые имеют диаметр горна соответственно в диапазоне от 6 до 8 метров и работают при избыточном давлении порядка 0,8 бар. Такие производственные мощности соответствуют обработке, главным образом, мелких фракций железной руды на основе гематита, которые были предварительно нагреты и подаются на горн при температуре порядка 700°С и степени восстановления до 11%.

Предварительно отлитые блоки, образующие проход 97 копильника, обеспечивают температурный градиент в направлении от расплавленного железа в проходе 97, который достаточен для ограничения распространения трещин, которые могут появиться в этих блоках во время работы. Температурный градиент, ограничивающий распространение трещин, выгоден из-за большего размера по сравнению с обычными прессованными огнеупорными кирпичами.

Емкость 3 снабжена проходящей вниз водоохлаждаемой фурмой 7 для вдувания горячего воздуха, которая идет в верхнее пространство емкости 3, и восемью водоохлаждаемыми фурмами 5 для ввода твердых веществ, которые проходят вниз и внутрь через боковую стенку 85.

В процессе использования емкость 3 содержит ванну расплавленного железа. В состоянии покоя, то есть когда прямая плавка в емкости 3 не осуществляется, жидкая ванна содержит слой 92 металла и слой 94 шлака сверху слоя металла.

В процессе использования, при осуществлении способа прямой плавки в емкости 3, в ванну через фурмы 5 для ввода твердых веществ вводят железосодержащий исходный материал (например, мелкие фракции железной руды, отходы сталеплавильной установки, содержащие железо, или мелкие фракции железа прямого восстановления (DRI, Direct Reduced Iron)), уголь и флюсы (известь и доломит).

Если говорить более конкретно, одна группа фурм 5 используется для ввода железосодержащего исходного материала и флюсов, а другая группа фурм 5 используется для ввода угля и флюсов.

Фурмы 5 выполнены водоохлаждаемыми, чтобы защитить их от высоких температур внутри емкости 3, и облицованы материалом с высокой износостойкостью, чтобы защитить их от абразивного истирания смесью газа/твердых веществ, вводимой с высокой скоростью. Фурмы проходят внутрь через боковую стенку емкости и вниз, в направлении горна этой емкости. Концы фурм находятся выше слоя металла, находящегося на горне во время работы, и в той области горна, которая содержит шлак.

В процессе использования, при осуществлении способа прямой плавки в емкости 3, железосодержащий исходный материал предварительно обрабатывают перед подачей в эту емкость путем предварительного нагрева до температуры в диапазоне 600-700°С и предварительного восстановления в подогревателе 17 с псевдоожиженным слоем перед вводом в ванну. Согласно одному из видов предварительной обработки, железную руду предварительно обрабатывают отходящим газом, полученным при выполнении способа, отдельно или в комбинации с природным газом. В этих условиях предварительное восстановление может составлять порядка 11% и в типичном случае ниже этого значения.

Уголь и флюсы хранятся в группе шлюзовых бункеров 25 перед вводом в ванну при температурах окружающей среды. Уголь подается в шлюзовые бункеры, проходя через установку 71 сушки и измельчения угля.

Введенный уголь дегазируется в ванне, высвобождая H₂ и СО. Эти газы действуют как восстановители и источники энергии. Углерод, содержащийся в угле, быстро растворяется в ванне. Растворенный углерод и твердый углерод также действуют как восстановители, генерируя СО в качестве продукта восстановления. Введенный железосодержащий исходный материал плавится в ванне в расплавленное железо и непрерывно выгружается через копильник 67. Расплавленный шлак, полученный при выполнении процесса, периодически выгружается через выпускное отверстие 71 для выпуска шлака.

Процесс осуществляется в условиях повышенного давления, в типичном случае 0,8 бар избыточного давления, в емкости 3.

Осуществление процесса в условиях повышенного давления в емкости 3 при открытом проходе наружу из емкости 3 (через копильник 67) приводит к возникновению рисков, связанных с обеспечением безопасности, как в условиях недостаточного, так и в условиях избыточного давления в емкости 3 при непредвиденных нарушениях хода процесса.

В условиях избыточного давления в емкости 3 упомянутый риск возникает из-за возможности выброса расплавленного железа, вытекающего из емкости 3 в копильник 67 и из него неконтролируемым образом. Описанный выше первый канал 99 прохода 97 копильника действует как дроссель и таким образом смягчает влияние такого неконтролируемого вытекания расплавленного железа на поток расплавленного железа в копильник 67. В частности, первый канал 99 гарантирует, что внезапное увеличение давления в емкости 3 не превратится сразу в соответствующее увеличение скорости и/или расхода (объемного или массового) расплавленного железа из емкости 3 в копильник 67, что может привести к нежелательному выбросу расплавленного металла из копильника 67.

Типичные реакции восстановления, происходящие при плавке введенного железосодержащего исходного материала с получением расплавленного железа, которые имеют место в ванне, являются эндотермическими. Энергия, необходимая для поддержания процесса и, в частности, этих эндотермических реакций, обеспечивается за счет реагирования СО и Н₂, высвобожденных из ванны с воздухом, обогащенным кислородом, который вводится при высоких температурах, обычно 1200°С, в емкость 3 через фурму 7 для вдувания горячего воздуха.

Энергия, высвободившаяся в результате описанных выше реакций дожигания в верхнем пространстве емкости, передается в ванну расплавленного железа через "переходную зону", имеющую вид областей с высокой турбулентностью выше ванны, которая содержит капельки шлака и железа. Эти капельки нагреваются в переходной зоне за счет тепла, возникающего при реакциях последующего сгорания, и возвращаются в ванну шлака/железа, таким образом, перенося энергию в ванну.

Горячий воздух, обогащенный кислородом, вводимый в емкость 3 через фурму 7 для вдувания горячего воздуха, создается в паре воздухонагревателей 11 при прохождении потока воздуха, обогащенного кислородом (обычно содержащего 30-35% по объему O₂), через воздухонагреватели 11 и нагревании этого воздуха с последующей подачей горячего воздуха, обогащенного кислородом, в фурму 7 для вдувания горячего воздуха через магистраль 41.

Отходящий газ выводится из емкости 3 через канал 9 отходящего газа в верхней секции емкости 3 и проходит сначала через радиационный охладитель 15, далее называемый "вытяжным кожухом для отходящего газа". В типичном случае отходящий газ имеет температуру порядка 1450°С.

Отходящий газ охлаждается по мере прохождения через вытяжной кожух 15 для отходящего газа, что приводит к созданию пара, который накапливается в паросборнике 35. Вытяжной кожух для отходящего газа может относиться к типу, описанному в патенте США 6585929, который охлаждает и частично очищает отходящий газ.

Поток отходящего газа, покидающий вытяжной кожух 15 для отходящего газа, имеет температуру приблизительно 1000°С и разделяется на два потока.

Первый отделенный поток отходящего газа, покидающий вытяжной кожух 15 для отходящего газа, который содержит 55-65% отходящего газа из емкости 3, сначала проходит через конический скруббер 21 мокрой очистки.

Скруббер 21 резко охлаждает и удаляет макрочастицы, растворимые газообразные вещества и пары металла из отходящего газа, проходящего через него. Температура отходящего газа падает в газоочистителе от приблизительно 1000°С до значения ниже 100°С, в типичном случае 65-90°С.

Отходящий газ после скруббера 21 проходит через охладитель 23 отходящего газа, который дополнительно охлаждает отходящий газ до температуры ниже 50°С, в типичном случае - от 30°С до 45°С, чтобы удалить достаточное количество влаги из этого газа для его использования в качестве топливного газа. В типичном случае отходящий газ, покидающий охладитель, содержит 5% или менее H₂O и имеет содержание тумана менее 10 мг/Нм³ и в типичном случае - 5,0 мг/Нм ³.

Полученный в результате отходящий газ пригоден для использования в качестве топливного газа в (а) воздухонагревателях 11 (как описано выше) и (b) в системе 25 извлечения отходящего тепла. В дополнение к этому очищенный и охлажденный отходящий газ пригоден для сушки угля в установке 72 сушки и измельчения.

Для указанных выше целей отходящий газ из охладителя 23 отходящего газа разделяют на три потока, один из которых направляют в воздухонагреватели 11, второй - в систему 25 извлечения отходящего тепла, а третий - в установку 72 сушки и измельчения.

Поток отходящего газа из охладителя 23 отходящего газа представляет собой относительно насыщенный отходящий газ. Поток, направляемый в систему 25 извлечения отходящего тепла, смешивается с охлажденным и очищенным отходящим газом, который прошел через подогреватель 17, как описано ниже, и представляет собой относительно обедненный отходящий газ, что обусловлено некоторым предварительным восстановлением рудного исходного материала, содержащегося в этом газе, при помощи СО и H₂.

Объединенный поток отходящего газа имеет теплотворную способность, которая делает его пригодным для использования в качестве топливного газа при сжигании.

Объединенный поток отходящего газа, дополнительный источник топливного газа в виде природного газа (обозначенный ссылочным номером 83 на Фиг.1) и воздух подаются в систему 25 извлечения отходящего тепла и сжигаются.

Объединенный поток отходящего газа сжигают в системе 25 извлечения отходящего тепла таким образом, чтобы увеличить до максимума разложение СО и, в то же время, снизить до минимума образование NO_x .

Отходящий газ, вышедший из системы 25 извлечения отходящего тепла, объединяется с отходящим газом из воздухонагревателей 11 и затем направляется в систему 13 десульфуризации дымовых газов (FGD). В этой системе удаляется SO₂, и отходящий газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу 45.

Другой отделенный поток, который содержит приблизительно 35-45% по объему отходящего газа, направляют через подогреватель 17 с псевдоожиженным слоем, предназначенный для обработки железосодержащего исходного материала. Подогреватель 17 удаляет влагу из железосодержащего исходного материала, предварительно нагревает и предварительно восстанавливает его. Отходящий газ является источником энергии и сжижающим газом в подогревателе 17.

Отходящий газ, вышедший из подогревателя 17, направляют через циклонный уловитель 61, где от него отделяется пыль.

Затем отходящий газ проходит через конический скруббер 63 мокрой очистки, который удаляет макрочастицы, растворимые газообразные вещества и пары металла из этого газа и охлаждает его с температуры в диапазоне от 500°С до 200°С до температуры ниже 100°С, в типичном случае - от 65°С до 90°С.

Отходящий газ из скруббера 63 затем проходит через охладитель 65 отходящего газа, который дополнительно охлаждает его до температуры ниже 50°С, в типичном случае - от 30°С до 45°С, чтобы удалить из отходящего газа количество влаги, достаточное для его использования в качестве топливного газа. В типичном случае отходящий газ, покидающий охладитель, содержит 5% или менее H₂O и имеет содержание тумана менее 10 мг/Нм ³ и в типичном случае - 5,0 мг/Нм³.

Как описано выше, охлажденный и очищенный отходящий газ затем используют в качестве топливного газа в системе 25 извлечения отходящего тепла.

Использование отходящего газа в качестве топливного газа в установке уменьшает количество электроэнергии, которую в противном случае потребовалось бы получить из внешней сети электроснабжения, что делает установку, в общем, самодостаточной с точки зрения электроэнергии.

К описанному выше варианту реализации настоящего изобретения может быть применено множество модификаций, которые не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения.

В качестве примера, хотя на чертежах показан первый канал 99 прохода 97 копильника в емкости 3, который имеет форму туннеля в поперечном сечении, можно легко понять, что настоящее изобретение этим не ограничивается, и этот канал может быть любой подходящей формы, включая круглую и квадратную.