способ приготовления шихты для получения металлизированного продукта

Формула изобретения

1. Способ приготовления шихты для получения металлизированного продукта методом прямого восстановления из оксидсодержащего материала, включающий дозированное смешение оксидсодержащего материала с углеродсодержащим восстановителем, подачу кремнеземсодержащего связующего, агломерацию, термообработку полученных агломератов, отличающийся тем, что в качестве кремнеземсодержащего связующего в исходную смесь подают жидкое стекло, термообработку железо-углеродсодержащих агломератов производят в восходящем и нисходящем потоках газов, которые подают из теплообменника охлаждения отходящих газов печи металлизации, а температуру при термообработке агломератов поддерживают 350-400°С.

2. Способ приготовления шихты для получения металлизированного продукта по п.1, отличающийся тем, что в качестве оксидсодержащего материала на смешение подают железорудный концентрат, в качестве углеродсодержащего восстановителя - измельченный бурый уголь, в качестве кремнеземсодержащего связующего используют жидкое натриевое стекло при следующем соотношении компонентов, вес.%:

железорудный концентрат	60-70
измельченный бурый уголь	15-22
жидкое натриевое стекло	10-22

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии приготовления шихты для процесса восстановления металла посредством нагрева скомпонованного материала и может быть использовано в производстве металлизированного продукта, например железа, в печи с подвижным подом.

Известен способ производства гранулированного металла (первородного металла), в котором используют шихту в виде окатышей, содержащих железную руду, углеродсодержащий восстановитель, связующее (пшеничная мука - 1,5%) СаСО₃ (до 8,5%) в качестве ускорителя основности шихты и CaF₂ (до 1%) в качестве ускорителя когезии получаемого жидкометаллического продукта (патент РФ № 2271395, С21В 13/00, 2006 г., [1]).

Недостаток известного решения - крайне затруднительно распределить равномерно по всему объему используемое связующее даже при весьма незначительной влажности основных компонентов шихты и, в связи с этим, весьма затруднительно получить однородный гранулированный материал.

Известен способ производства металлического железа, включающий смешение материала, содержащего оксид железа с восстановителем в виде углеродсодержащего материала и кремнеземсодержащим связующим в виде бентонита, компонование материала смеси и термообработку (сушку) скомпонованного материала при температуре 120°С с последующей высокотемпературной обработкой полученного агломерированного материала и прямым восстановлением железа. Исходная шихта содержит 80,5 мас.% руды, 18,5 мас.% углеродсодержащего материала и 1,0 мас.% бентонита (патент РФ № 2244015, С21В 13/00, 2005 г., [2]).

По назначению, технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Основной недостаток известного решения - использование в качестве связующего для компоновки шихтового материала бентонита. При использовании даже незначительных количеств бентонита получаемый скомпонованный материал имеет недостаточно высокую прочность, что приводит к потерям материала при транспортировке и загрузке в печь, потребуется дополнительное количество тепловой энергии в процессе восстановления для дегидратации загруженного в печь скомпонованного материала, так как бентонит - гигроскопичен. Температура термообработки сырого скомпонованного материала в известном решении (120°С) недостаточна для полного удаления влаги из материала.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономических показателей процесса прямого восстановления металла из шихты, содержащей оксид металла и углеродсодержащий материал, при высокотемпературной обработке.

Техническими результатами являются: снижение потерь шихтового материала, сокращение температуры термообработки, сокращение времени термообработки.

Технические результаты достигаются тем, что в способе приготовления шихты для получения металлизированного продукта методом прямого восстановления из оксида металла, включающем дозированное смешение оксидсодержащего материала с углеродсодержащим восстановителем, подачу кремнеземсодержащего связующего, агломерацию, термообработку полученных агломератов, в качестве кремнеземсодержащего связующего в исходную смесь подают жидкое стекло, термообработку железоуглеродсодержащих агломератов производят в восходящем и нисходящем потоках газов, которые подают из теплообменника охлаждения отходящих газов печи металлизации, а температуру при термообработке агломератов поддерживают 350-400°С.

Причем, в качестве оксидсодержащего материала на смешение может быть подан железорудный концентрат, в качестве углеродсодержащего восстановителя - измельченный бурый уголь, в качестве кремнеземсодержащего связующего может быть использовано жидкое натриевое стекло при следующем соотношении компонентов, вес.%:

железорудный концентрат - 60-70,

измельченный бурый уголь - 15-22,

жидкое натриевое стекло - 10-22.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.

Предлагаемое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:

- шихта для получения металлизированного продукта методом прямого восстановления из оксида металла;

- дозированное смешение оксидсодержащего материала с углеродсодержащим восстановителем;

- подача кремнеземсодержащего связующего;

- агломерация материала шихты;

- термообработка полученных агломератов.

Предлагаемое решение характеризуется также признаками, отличными от признаков, характеризующих известное решение, выбранное в качестве ближайшего аналога:

- в качестве кремнеземсодержащего связующего в исходную смесь подают жидкое стекло;

- термообработку железоуглеродсодержащих агломератов производят в восходящем и нисходящем потоках газов, которые подают из теплообменника охлаждения отходящих газов печи металлизации;

- температуру при термообработке агломератов поддерживают 350-400°С.

Кроме того, в качестве оксидсодержащего материала на смешение может быть подан железорудный концентрат, в качестве углеродсодержащего восстановителя - измельченный бурый уголь, в качестве кремнеземсодержащего связующего может быть использовано жидкое натриевое стекло при следующем соотношении компонентов, вес.%:

железорудный концентрат - 60-70,

измельченный бурый уголь - 15-22,

жидкое натриевое стекло - 10-22.

Наличие в предлагаемом решении признаков, отличительных от признаков, характеризующих решение, принятое в качестве ближайшего аналога, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «новизна».

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем. Повышение технико-экономических показателей процесса прямого восстановления металла посредством нагрева шихты напрямую зависит от качества приготовленного шихтового материала. Предпочтительно использование предварительно агломерированного шихтового материала, например, в виде гранул (окатышей). В этом случае снижаются потери шихтовых компонентов при транспортировке и загрузке шихты в печь. Кроме того, при нагреве такого материала реакция восстановления металла из оксида происходит в локальном объеме - внутри гранул (окатышей), что повышает эффективность процесса восстановления, снижает энергетические затраты, повышает качество получаемого продукта.

В предлагаемом решении задача получения скомпонованного шихтового качественного материала решается введением в качестве кремнеземсодержащего связующего в исходную смесь шихтовых компонентов жидкого стекла. Обычно применяемое связующее при получении скомпонованного шихтового материала (гранулы, окатыши) - бентонит. Бентонит - глинистый минерал из подкласса слоистых силикатов с переменным химическим составом: (Ca, Na) (Mg,Al,Fe)₂[(Si,Al)₄ O₁₀] (OH)₂×nH₂O. Бентонит при гидратации имеет свойство разбухать (по некоторым данным в 14-16 раз). Данное свойство, в случае применения материала в качестве связующего в составе шихты для получения скомпонованного шихтового материала, содержащей оксид металла и углеродистый восстановитель, отрицательно. При использовании бентонита возможно получение недостаточно плотного скомпонованного материала, что может приводить к снижению прочности гранул (окатышей), к разрушению их при термообработке, транспортировке и загрузке в печь. Кроме того, из-за недостаточно плотной «упаковки» компонентов в агломерированном материале снижается реакционная способность, увеличивается время реакции восстановления металла, снижается качество получаемого продукта. Кроме того, за счет своей гигроскопичности бентонит может набирать влагу из воздуха, что в свою очередь отрицательно скажется в процессе дальнейшего восстановления, т.е. потребуются затраты дополнительного количества энергии для дегидрирования шихты, следствием чего будет повышенный расход энергоносителей и снижение технико-экономических показателей процесса в целом.

Использование в качестве кремнеземсодержащего связующего в исходной смеси шихтовых компонентов жидкого стекла позволяет получать материал с более плотной «упаковкой» компонентов, повысить механическую прочность агломератов как при изготовлении, так и при дальнейшем использовании. После термообработки на поверхности полученных агломератов образуется достаточно прочная и плотная оболочка, которая предотвращает преждевременное окисление угольного восстановителя в момент нагрева шихты, а при дальнейшей высокотемпературной обработке реакция восстановления металла из оксида идет внутри этой оболочки, в которой и оксидсодержащий материал и восстановитель - углеродсодержащий материал плотно упакованы, что способствует интенсификации процесса на молекулярном уровне, сокращению времени полного реагирования, повышению качества получаемого продукта.

Термообработку железоуглеродсодержащих агломератов, предпочтительно непосредственно перед загрузкой в печь, производят в восходящем и нисходящем потоках газов, что повышает эффективность и производительность сушки слоев агломератов.

Поддержание температуры газов при термообработке агломератов менее 350°С нецелесообразно, так как в этом случае получают окатыши с повышенным содержанием влаги, и соответственно при загрузки в печь металлизации вносится дополнительная балластная влага, на удаление которой необходимо затратить дополнительное количество тепла, что влечет перерасход топлива и, как следствие, снижение технико-экономических показателей печи металлизации.

Поддержание температуры газов при термообработке агломератов более 400°С нецелесообразно, так как в угле (который используются в качестве восстановителя) начинается процесс выделения летучих составляющих, состоящих из CH и Н₂ , и горение угля, что по сути куммулятивно снижает дальнейшую восстановительную способность угля в процессе получения железа и сводит к нулю восстановительную способность используемого восстановителя.

Эффективность предлагаемой технологии может быть повышена за счет возврата в процесс тепловой энергии, так как газы на термообработку полученных из шихтовой смеси железоуглеродсодержащих агломератов могут быть поданы из теплообменника охлаждения отходящих газов печи металлизации. Такой возврат части тепловой энергии позволяет снизить затраты на подготовку материалов к использованию, охладить газовый поток, идущий на дымовую трубу, повысить срок службы газоочистного оборудования.

Применение угля целесообразно, как экономически - более дешевый углеродсодержащий материал, не требующий особой подготовки к использованию, так и в технологическом аспекте. Уголь представляет собой природный сконцентрированный (уплотненный) углеродистый материал, из которого в ходе реакции восстановления происходит постепенный расход углерода. При этом взаимодействие углерода с оксидом металла при нагревании железоуглеродсодержащих агломератов происходит по всей границам соприкосновения взаимодействующих материалов и по объему агломерата. Для подготовки необходимого углеродистого восстановителя потребуется дробильное и ситовое оборудование и незначительные энергетические затраты.

Содержание железорудного концентрата 60-70 вес.% в составе шихты зависит от содержания в концентрате извлекаемого компонента и необходимого и достаточного количества углеродистого восстановителя и углерода из топлива для эффективного ведения процесса с высокими технико-экономическими показателями.

Содержание в составе шихты измельченного бурого угля менее 15 вес.% ведет к неполному восстановлению железа и, следовательно, невосстановленные оксиды железа будут переходить в шлак и выбрасываться, снижается извлечение металла из железорудного сырья, снижаются технико-экономические показатели процесса.

Содержание в составе шихты измельченного бурого угля более 22 вес.% приводит к непроизводительному перерасходу углеродистого восстановителя и к снижению технико-экономических показателей процесса.

Содержание связующего в виде жидкого стекла менее 10 вес.% недостаточно, так как приведет к низкой прочности окатышей (брикетов), плохой смачиваемости шихты, поскольку используемый в качестве восстановителя молотый уголь обладает сорбционной способностью, что приведет к адсорбированию активной части связующего и уменьшению связующей способности материала - жидкого стекла и как следствие снижение общей прочности окатышей (брикетов).

Содержание жидкого стекла более 22 вес.% нецелесообразно, во-первых, из-за чрезмерно высокой получаемой прочности окатыша и замедления реакции восстановления, во-вторых, с увеличением количества связующего увеличивается кремневая составляющая (SiO₂) в общем балансе шихты, что ведет к понижению основности шлака (CaO/SiO ₂), для корректировки которой потребуется дополнительное введение карбоната кальция, что повлечет повышение затрат и снижение технико-экономических показателей процесса.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области показывает следующее.

1. Известно использование сырья в виде окатышей, содержащих железную руду, уголь, известняк (СаСО₃), доломит (СаСО ₃·MgCO₃), флюорит (CaF₂) и пшеничную муку в качестве связующего (патент РФ № 2301834, С21В 13/00, 2007 г., [3]).

2. Известно использование гранулированного шихтового материала, включающего тонкоизмельченную руду, измельченного угля с размером частиц от 10 мкм до 1 мм, связующее в виде бентонита и известь (патент СССР № 1674694, С21В 13/14, 1991 г., [4]).

3. Известно использование шихтового материала в виде микроагломератов для получения железа из оксидов железа методом прямого восстановления (патент РФ № 2167943, С21В 13/08, 2001 г., [5]). Микрогранулы имеют размер от 500 до 1400 мкм, изготовлены из мелочи железной руды, каменного угля, бентонита в качестве связующего и высушены в печи при температуре 110°С.

4. Известна термообработка окатышей шихты для получения железа при температуре 350°С (а.с. СССР № 1011695, С21В 13/08, 1983 г., [6], а.с. СССР № 1175608, С21В 13/08, 1985 г., [7]).

5. Известно применение жидкого стекла в качестве связующего в составах для изготовления огнеупорных материалов различного назначения, например: «Масса для футеровки индукционных печей», а.с. СССР № 356266, С04В 35/68, 1972 г., [8]; «Масса для футеровки», а.с. СССР № 617439, С04В 35/54, 1978 г., [9]; «Состав для получения огнеупорного покрытия», а.с. СССР № 1105486, С04В 41/06, 1984 г., [10]); «Сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий», патент РФ № 2079472, С04В 35/66, 1997 г., [11]; «Огнеупорная масса», патент РФ № 2142441, С04В 35/66, 1999 г., [12].

В отличие от известных решений: [3], [4], [5], в которых в качестве связующего используется бентонит, в предлагаемом решении в качестве связующего используют жидкое стекло, что более эффективно как для обеспечения процесса агломерации материала шихты, обеспечения прочностных свойств агломератов, так и в процессе восстановления металла из оксида, при термообработке шихтового материала по предлагаемой технологии.

В отличие от известных решений [6], [7], в которых термообработку окатышей шихты производят при 350°С, в предлагаемом решении температуру термообработки агломератов материала поддерживают 350-400°С, что обеспечивает полное удаление влаги, в том числе и гигроскопичной.

В отличие от использования жидкого стекла в качестве связующего в производстве огнеупорных материалов различного назначения в предлагаемом решении жидкое стекло используют в качестве связующего в составе шихты для процесса восстановления металла из оксида.

В результате сравнительного анализа предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области не выявлено технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, использование которой позволяет достигать аналогичные технические и технико-экономические результаты.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Состав исходной шихты для получения агломерированной шихты при получении металлизированного продукта методом прямого восстановления металла из оксида металла с использованием углеродсодержащего восстановителя зависит от состава и качества оксидсодержащего материала, состава и качества углеродсодержащего восстановителя, состава и качества подаваемого связующего.

Авторами экспериментально установлены и опробованы составы шихты для получения агломератов шихты, используемой для получения металлического железа. Исходная шихта включает: в качестве оксидсодержащего материала - железорудный концентрат, в качестве углеродсодержащего восстановителя - измельченный бурый уголь, в качестве кремнеземсодержащего связующего - жидкое натриевое стекло при следующем соотношении компонентов, вес.%:

железорудный концентрат - 60-70,

измельченный бурый уголь - 15-22,

жидкое натриевое стекло - 10-22.

Пример конкретного выполнения. Железорудный концентрат 6,6 кг (66,6 вес.%) смешивают с дробленым каменным углем крупностью не более 3 мм 2 кг (20 вес.%) и добавляют 1,3 кг (13,4 вес.%) жидкого натриевого стекла. Из полученной сырьевой смеси изготавливают агломераты на тарельчатом грануляторе диаметром не более 40 мм. Полученные агломераты сушат при температуре 380-390°С в восходящем и нисходящем потоках. Термообработанный материал загружают в нагретую до 1400°С печь и выдерживают в течение 0,25 час. Получают гранулы металлического железа и шлак.

По сравнению с обычной технологией использования окатышей, полученных из сырьевой смеси, в которой в качестве связующего был использован бентонит, повысилась прочность термообработанных окатышей, снизилась температура при восстановительной высокотемпературной обработке до 1350°С (на 50°С), сократилось время этой термообработки на 15-25 мин.

Результаты отработки предлагаемого способа приготовления шихты для получения металлизированного продукта приведены в таблицах 1, 2.

Полученные результаты позволяют сделать выводы о технической и экономической целесообразности использовании жидкого стекла в качестве связующего в составе исходных смесей для получения агломератов материала, используемого для получения металлизированного продукта методом прямого восстановления. Проведенные опытно-промышленные испытания предлагаемой технологии приготовления агломератов шихты и результаты использования данной шихты в технологическом процессе прямого восстановления железа при высокотемпературной обработке подтвердили эффективность предлагаемого решения, возможность и целесообразность промышленного использования данного решения.

Табл.1
№ опыта	Состав шихты, вес.%.	Температура термообработки окатышей, °С	Качество полученных окатышей
железорудный концентрат	измельченный бурый уголь	жидкое натриевое стекло
1	2	3	4	5	6
1	57	22	21	380	Окатыши прочные.
2	60	22	18	380	--//--
3	66,6	20	13.4	390	--//--
4	68	19	13	390	--//--
5	73	17	10	360	--//--
6	65	14	21	370	--//--
7	64	25	11	380	--//--
8	70	22	8	390	Окатыши непрочные
9	60	15	25	350	Окатыши прочные
10	68	19	13	340	--//--
11	68	19	13	410	--//--
12 ближ. аналог	66,6	20	13.4 бентонит	390	20-25% окатышей с трещинами

Табл. 2
№ опыта	Технологические параметры процесса	Результаты испытаний, качество продукта
Температура обработки, °С	Время обработки материала, час	Расход топлива, т/т металла
1	1360	0,5	3,0	Извлечение - 94%
Гранулы качественные
2	1380	0,30	2,8	Извлечение - 96%
--//--
3	1350	0,25	23	Извлечение - 96% -
--//--
4	1370	03	25	Извлечение - 94%
--//--
5	1380	04	28	Извлечение - 94%
-//-
6	1390	04	29	Извлечение - 94%
-//-
7	1390	035	27	Извлечение - 94%
-//-
8	-	-	-	При перегрузке -загрузке гранулы разрушаются
9	1380	05	32	Извлечение - 94%
--//--
10	1390	05	33	Извлечение - 94%
--//--
11	1380		32	Извлечение - 94%
--//--
12	1400	0,6	36	Извлечение - 94%
--//--