способ плавки оксидных материалов в кипящем шлаковом слое

Формула изобретения

1. Способ плавки оксидных металлосодержащих материалов в кипящем шлаковом слое, включающий подачу оксидно-топливных окатышей или брикетов на поверхность шлакового слоя, подачу кислородсодержащего дутья над слоем, нагрев, восстановление и плавление оксидно-топливных окатышей или брикетов, отвод металла, шлака и дымовых газов, отличающийся тем, что в шлаковый слой непрерывно подают дополнительное кислородсодержащее дутье ниже его поверхности на 0,2-1,5 м с интенсивностью 200-1000 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в шлаковый слой дополнительно подают углеродсодержащие материалы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в шлаковый слой подают флюс в количестве, обеспечивающем соотношение концентрации, в %, оксида кальция CaO и оксида кремния SiO₂ в шлаке в пределах 0,5-2,0.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание оксида углерода СО в дымовых газах поддерживают в пределах 1-20 об.% путем изменения расхода кислородсодержащего дутья, подаваемого над слоем.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что оксидно-топливные окатыши или брикеты перед подачей их на поверхность шлакового слоя предварительно нагревают до температуры 900-1200°C.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам плавки оксидных материалов в кипящем шлаковом слое, и может применяться в черной и цветной металлургии, химической промышленности.

Известен способ плавки окисленных материалов, включающий подачу рудно-топливных окатышей или брикетов на подину печи, их нагрев факелом сверху, отвод металла, шлака и дымовых газов (И.Ю.Кожевников, Бескоксовая металлургия железа, Металлургия, 1970 г., стр.179). Этот способ позволяет осуществлять плавку оксидных материалов. Однако нагрев рудно-топливных окатышей или брикетов на подине печи факелом сверху малоэффективен, низка производительность, велик расход топлива.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ плавки оксидных материалов в кипящем шлаковом слое, включающий подачу оксидо-топливных окатышей или брикетов на поверхность шлакового слоя, подачу кислородсодержащего дутья над слоем, отвод металла, шлака и дымовых газов (И.Ю.Кожевников, Бескоксовая металлургия железа. Металлургия, 1970 г., стр.270-271). Этот способ позволяет увеличить производительность (за счет роста скорости восстановления) с 0,65 до 5 т металла с 1 м² подины в сутки (И.Ю.Кожевников, Бескоксовая металлургия железа. Металлургия, 1970 г., стр.297, табл.70). Тем не менее, производительность процесса остается относительно низкой.

Технической задачей изобретения является увеличение производительности процесса.

Эта задача решается тем, что в известном способе плавки оксидных материалов в кипящем шлаковом слое, включающем подачу оксидно-топливных окатышей или брикетов на поверхность шлакового слоя, подачу кислородсодержащего дутья над слоем, отвод металла, шлака и дымовых газов, согласно предлагаемому изобретению в шлаковый слой дополнительно непрерывно подают кислородсодержащее дутье ниже его поверхности на 0,2-1,5 метра с интенсивностью 200-1000 м³ в час на 1 м ² горизонтального сечения слоя в месте ввода кислородсодержащего дутья.

Под топливом понимается углеродсодержащий материал. Это может быть уголь, торф, углеродсодержащие отходы различного типа. Содержание углерода в оксидно-топливных окатышах или брикетах может изменяться в широких пределах, однако наилучшие результаты по восстановлению оксидных материалов достигаются при соотношении в них углерода к кислороду оксидов в пределах 0,6-1,5 (по массе). Оксидная часть оксидо-топливных окатышей или брикетов может состоять из руд, концентратов или отходов, содержащих оксиды железа, никеля, цинка, марганца, хрома, фосфора. В оксидной части оксидо-топливных окатышей или брикетов могут содержаться оксиды нескольких из этих элементов, например железа и цинка, железа и фосфора, хрома, марганца и фосфора. Возможны и другие сочетания.

Непрерывная подача в шлаковый слой кислородсодержащего дутья обеспечивает его интенсивное перемешивание. При этом ускоряются массообменные процессы и значительно увеличивается скорость восстановления оксидов углеродом, содержащимся в оксидно-топливных окатышах или брикетах.

Если интенсивность подачи кислородсодержащего дутья будет ниже 200 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя в месте его ввода, интенсивность перемешивания слоя увеличится незначительно и скорость восстановления возрастет мало. Если интенсивность подачи кислородсодержащего дутья будет выше 1000 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя в месте его ввода, слой будет находиться в режиме «пробоя», когда дутье распространяется в слое в виде сплошного потока и мало взаимодействует с ним. Такой режим характеризуется низкой степенью перемешивания слоя, поэтому скорость восстановления и, соответственно производительность не возрастет.

Если кислородсодержащее дутье будет подаваться ниже поверхности шлакового слоя менее чем на 0,2 м, то даже при интенсивности подачи дутья 200 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя в месте ввода кислородсодержащего дутья слой будет находиться в режиме «пробоя» и увеличения интенсивности перемешивания и производительности процесса не будет.

Если кислородсодержащее дутье будет подаваться ниже поверхности шлакового слоя более чем на 1,5 м, то даже при интенсивности подачи дутья 1000 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя в месте его ввода слой будет недостаточно интенсивно перемешиваться из-за его большого объема и увеличения производительности процесса не произойдет.

Целесообразно в шлаковый слой дополнительно подавать углеродсодержащие материалы. При этом окисление углерода этих материалов кислородом дутья обеспечит дополнительный приход тепла в слой. При этом возрастет температура слоя, увеличится скорость восстановления окисленных материалов углеродом, возрастет производительность процесса.

Скорость восстановления зависит от физических свойств шлакового слоя. Оптимальные физические свойства (вязкость, температура плавления) обеспечиваются при соотношении CaO и SiO₂ в слое 0,5-2,0. Поэтому желательно подавать в шлаковый слой флюс для поддержания указанного соотношения.

При восстановлении оксидов оксидно-топливных окатышей или брикетов углеродом образуется оксид углерода (CO). Также оксид углерода может образовываться при взаимодействии кислородсодержащего дутья, подаваемого в слой, с углеродом. Образующийся оксид углерода окисляется над слоем, подаваемым выше ее поверхности, кислородсодержащим дутьем. При этом выделяется тепло, которое обеспечивает нагрев слоя, за счет чего обеспечиваются затраты тепла на нагрев оксидно-топливных окатышей или брикетов и на восстановление оксидов в объеме слоя. Наиболее полно теплотворная способность выделяемого из слоя оксида углерода используется при полном его окислении над слоем, то есть в случае, когда содержание CO в дымовых газах равно 1%. Однако при этом возможно образование вредных примесей в дымовых газах, например оксидов азота. Поэтому для обеспечения хороших экологических показателей целесообразно оставлять некоторое количество CO в дымовых газах. Установлено, что наличие в дымовых газах до 20% объемных CO препятствует образованию оксидов азота. Дальнейшее увеличение содержания CO в газах не сказывается на образовании оксидов азота. Поэтому целесообразно поддерживать содержание CO в дымовых газах в пределах 1-20% объемных, что достигается изменением расхода кислородсодержащего дутья, подаваемого над слоем.

В некоторых случаях, например, когда в оксидно-топливных окатышах или брикетах содержится железо и цинк, целесообразно оксидно-топливные окатыши или брикеты перед подачей их на поверхность шлакового слоя предварительно нагревать до температуры 900-1200°C. Это обеспечит, с одной стороны, дополнительный приход в слой тепла с нагретыми окатышами или брикетами, с другой стороны, при их нагреве значительная часть цинка улетучится и может быть уловлена. Нагрев до температуры менее 900°С не обеспечит существенного удаления цинка, нагрев до температуры выше 1200°С нецелесообразен, так как при этом окатыши или брикеты будут размягчаться и их будет сложно подавать в шлаковый слой.

В приведенных ниже примерах (1-5) использовались оксидно-топливные окатыши, состоящие на 75% из концентрата окисленной железной руды (содержание оксидов железа 92%) и на 25% из угля (содержание углерода 70%), которые подаются на поверхность шлакового слоя. Температура шлакового слоя составляла 1500°C.

Пример 1 (прототип): оксидно-топливные окатыши подаются на поверхность шлакового слоя. При нагреве окатышей в слое оксиды железа восстанавливаются углеродом. Образующиеся газы, состоящие из CO и CO₂, перемешивают шлаковый слой и он начинает кипеть. Восстановленное железо расплавляется и опускается на подину печи. Площадь пода печи составляет 4 м ². Пустая порода концентрата и зола угля растворяются в шлаковом слое. Металл и шлак отводятся через летки. Образовавшийся при восстановлении оксидов железа оксид углерода выделяется из шлакового слоя и окисляется кислородсодержащим дутьем (смесь кислорода и воздуха с содержанием кислорода 70%), подаваемым над его поверхностью. Дымовые газы отводятся из печи через отверстие в своде. Производительность процесса составляет 20 т металла в сутки или 5 тонн в сутки с 1 м² пода печи.

Пример 2. Ниже поверхности шлаковой ванны на 1,0 м дополнительно подают кислородсодержащее дутье (смесь воздуха и кислорода с содержанием кислорода 60%) с интенсивностью 200 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя. Производительность процесса составляет 96 т металла в сутки или 24 тонны в сутки с 1 м² пода печи.

Пример 3. Ниже поверхности шлаковой ванны на 1,0 м дополнительно подают кислородсодержащее дутье (смесь воздуха и кислорода с содержанием кислорода 60%) с интенсивностью 200 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя. В шлаковую ванну дополнительно подают уголь в количестве 3 т в час. Также в шлаковую ванну подают флюс - известняк в количестве, обеспечивающем соотношение в шлаковой ванне CaO/SiO₂ =1,0. Изменяя расход кислородсодержащего дутья, подаваемого над ванной, добиваются, чтобы содержание CO в дымовых газах составляло 10% объемных. Производительность процесса составляет 100 т металла в сутки или 25 тонн в сутки с 1 м² пода печи. Содержание оксидов азота в дымовых газах составляет 60 мг/м³.

Пример 4. Кислородсодержащее дутье подается ниже поверхности шлаковой ванны на 0,15 м с интенсивностью 600 м ³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя. Производительность процесса составляет 21 т металла в сутки или 5,25 тонн в сутки с 1 м² пода печи.

Пример 5. Кислородсодержащее дутье подается ниже поверхности шлаковой ванны на 1,75 м в количестве 600 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя. Производительность процесса составляет 23 т металла в сутки или 5,75 тонн в сутки с 1 м² пода печи.

Пример 6. Оксидно-топливные окатыши, состоящие на 75% из конверторной пыли (содержание оксидов железа 72%, содержание цинка - 2%) и на 25% из тощего угля (содержание углерода 70%), предварительно нагреваются до 1000°C. В процессе нагрева из них удаляется 95% цинка. Нагретые окатыши подаются на поверхность шлакового слоя. Температура шлакового слоя составляет 1500°C. Ниже поверхности шлаковой ванны на 1,0 м дополнительно подают кислородсодержащее дутье (смесь воздуха и кислорода с содержанием кислорода 60%) в количестве 1000 м³ в час на 1 м² горизонтального сечения слоя. При нагреве окатышей в слое оксиды железа восстанавливаются углеродом. Образующиеся газы, состоящие из CO и CO₂, перемешивают шлаковый слой и он начинает кипеть. Восстановленное железо расплавляется и опускается на подину печи. Площадь пода печи составляет 4 м ². Пустая порода концентрата и зола угля растворяются в шлаковом слое. Металл и шлак отводятся через летки. Образовавшийся при восстановлении оксидов железа оксид углерода выделяется из шлакового слоя и окисляется над его поверхностью кислородсодержащим дутьем (смесь кислорода воздуха с содержанием кислорода 70%). Дымовые газы отводятся из печи через отверстие в своде. Производительность процесса составляет 100 т металла в сутки или 25 тонн в сутки с 1 м² пода печи.