Патент на изобретение №2346057

(54) УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ СПОСОБ ПЛАВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА

(57) Реферат:

Изобретение относится к получению металлического железа и шлака плавлением исходного материала для получения железа в реакторе, содержащем расплавленную ванну со шлаковой фазой, с использованием вдувания в шлак топлива/восстановителя и газа, содержащего кислород, с помощью, как минимум, одной верхней погружной фурмы, с обеспечением улучшения использования тепловой энергии. Исходный материал подают в восстановительную зону реактора или в зону, прилегающую к ней, вместе с дополнительным восстановителем и флюсом для плавления и восстановления с образованием горячих газов, в состав которых входит СО и Н₂. Скорость вдувания газа, содержащего кислород, и топлива/восстановителя с помощью, как минимум, одной фурмы, контролируют для создания условий, достаточных для восстановления. Контроль осуществляют таким образом, чтобы, в результате, содержание вдуваемого газа, содержащего кислород, в количестве от приблизительно 40% от объема до приблизительно 100% от объема, было достаточным для обеспечения степени сгорания свыше 60% от объема топлива/восстановителя, вдуваемого, как минимум, одной фурмой. В реакторе над ванной осуществляют дожигание газов, образовавшихся в процессе плавления. 20 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к производству железа из подходящего исходного материала для получения железа.

В описании патента AU-B25725/92 (656228), принадлежащего авторам и в соответствующем патенте США 5498277 на имя Floyd и др. раскрыт способ плавки материалов, содержащих железо, в реакторе с верхней погружной фурмой, в котором имеется шлаковая ванна. При этом условия нагрева и восстановления создаются, как минимум, в одной зоне восстановления ванны путем подачи топлива, содержащего углерод/восстановитель, и газа, содержащего кислород, через, как минимум, одну верхнюю погружную фурму. Материалы, содержащие железо, дополнительный восстановитель, содержащий углерод, и флюсы подаются в реактор в восстановительную зону или в зону, прилегающую к ней, таким образом, чтобы имело место расплавление и восстановление с применением угля в качестве дополнительного восстановителя. Вдуваемый газ, в состав которого входит кислород, имеет содержание кислорода от 40 до 100% от объема. В патенте указано, что скорость подачи газа, в состав которого входит кислород, и топлива/восстановителя контролируется таким образом, чтобы обеспечить степень сжигания топлива/восстановителя в диапазоне от 40 до 50% от его веса. Газообразные продукты, образованные в результате сжигания, реакций плавления и восстановления, могут содержать существенное количество восстановительных компонентов, включая окись углерода и водород, а также пыль, содержащую элементарный углерод. Эти газы и пыль вводятся в ванну и подвергаются дожиганию путем подачи в реактор дополнительного вторичного потока газа, содержащего кислород, таким образом, для выделения тепловой энергии, как минимум, часть которой переносится в ванну.

Фундаментальные основы термодинамики и промышленная практика свидетельствуют о том, что производство металлического железа из оксидов железа требует весьма незначительного кислородного потенциала, составляющего порядка 10 атмосфер при температуре, типичной для производства железа порядка 1400°С. Для того чтобы железо могло расплавиться в достаточной степени при этой рабочей температуре, должны быть созданы восстановительные условия, при которых расплавленное железо содержит порядка 3-4% углерода от веса. При таких условиях восстановления следует ожидать, что двуокись углерода и водяной пар, образующиеся в ванне, будут действовать, как окислители, мешая или препятствуя, как минимум, частично, образованию металлического железа, а также окисляя углерод. Поэтому в описании способа, приведенного в патенте AU-B25725/92 (656228), стехиометрия сгорания топлива/восстановителя и газа, в состав которого входит кислород, подаваемый через фурму, нормируется по верхнему пределу на уровне 50% от веса; при этом уровне лишь незначительное количество, если это вообще имеет место, продуктов окисления, таких как двуокись углерода и водяной пар, образуются при сгорании топлива/восстановителя.

Основная часть тепловой энергии, полученной при сгорании топлива, содержащего углерод, выделяется в результате сгорания оксида углерода с ее переходом в двуокись углерода и с переходом водорода в водяной пар. Для утилизации этой энергии в патенте AU-B25725/92(656228) приводится описание способа, основанного исключительно на дожигании для утилизации теплоты сгорания топлива.

Для дожигания в газовое пространство реактора раздельно подают газ, содержащий кислород, для сжигания образовавшейся окиси углерода и водорода, а также пыль, содержащую углерод, собранную непосредственно над ванной. Утилизация энергии ванной производится в результате этого сгорания за счет применения механизма, включающего в себя конвекцию и излучение из газового пространства, и непосредственную передачу тепла в новую зону подачи, а также в капли шлака, проходящие через газовое пространство. Процесс утилизации энергии при дожигании приводит к незначительному воздействию окисленных газов на фазу металлического железа. Однако, учитывая тот факт, что утилизация энергии в ванне является существенной и дает большие практические преимущества, фактическая эффективность утилизации энергии остается значительно ниже, чем 100%, поэтому такая неэффективность приводит к избыточному нагреву отходящих газов относительно температуры в ванне.

Настоящее изобретение имеет цель – улучшение способа плавки исходного материала для получения железа, при использовании реактора, содержащего шлаковую ванну, а также снабженного, как минимум, одной погружной фурмой, при этом настоящее изобретение позволяет улучшить использование тепловой энергии.

В способе согласно настоящему изобретению первичный газ, содержащий кислород, и топливо, содержащее углерод/восстановитель, подаются в шлак с помощью, как минимум, одной фурмы со скоростью, обеспечивающей такую степень сгорания топлива/восстановителя, которая значительно превышает 50% от веса. Иными словами, стехиометрия сгорания топлива/восстановителя и кислорода превышает 50% от веса.

Таким образом, согласно настоящему изобретению предложен способ получения железа посредством плавки подходящего исходного материала, в котором железо присутствует в виде оксида и/или в частично металлическом состоянии, при котором создается, как минимум, одна зона сгорания в шлаковой фазе расплавленной ванны за счет заглубленной подачи топлива/восстановителя и газа, содержащего кислород, с помощью, как минимум, одной фурмы; при этом скорость подачи газа, содержащего кислород, и топлива/восстановителя контролируется для получения степени сгорания топлива/восстановителя на уровне более 60% от веса; причем газообразные продукты сгорания, плавления и реакций восстановления, а также элементарный углерод, содержащийся в пыли, увлекаемой газообразными продуктами, подлежит дожиганию над шлаковой фазой для перевода, выделяющейся тепловой энергии, в ванну.

В способе, согласно настоящему изобретению, исходный материал для получения железа, дополнительный восстановитель и материал флюса подаются в реактор в зону, прилегающую к зоне сжигания, или на соответствующем расстоянии от нее, путем вдувания первичного газа, содержащего кислород, и топлива/восстановителя.

Более конкретно в изобретении предлагается способ производства металлического железа и шлака путем плавления исходного материала для получения железа, в котором железо представлено в виде оксида железа, в частично металлическом состоянии или в комбинированном состоянии, в реакторе, содержащем расплавленную ванну или шлаковую фазу, при этом способ включает в себя следующие этапы:

(а) вдувание топлива/восстановителя и газа, содержащего кислород, с помощью, как минимум, одной верхней погружной фурмы для выделения тепла и создания условий восстановления, как минимум, в одной зоне восстановления в ванне;

(б) подача исходного материала в реактор вместе с дополнительным восстановителем и флюсом в восстановительную зону или в зону, прилегающую к ней, при этом исходный материал плавится и подвергается восстановлению с выделением газов – продуктов сгорания, в состав которых входит СО и Н₂;

(в) поддержание скорости подачи газа, содержащего кислород, и топлива/восстановителя с помощью, как минимум, одной вышеуказанной фурмы для достижения требуемых условий, достаточных для восстановления; и

(г) дожигание в реакторе над ванной газов, образовавшихся при сжигании в процессе плавления;

при этом контроль на этапе (в) осуществляется для получения в результате подачи газа, содержащего кислород, в количестве порядка от 40% до 100% от объема, при степени сгорания более 60% от веса топлива/восстановителя, подаваемого, как минимум, одной фурмой.

В состав подаваемого «топлива/восстановителя» входит материал, имеющий топливный компонент, который сжигается для получения тепловой энергии, а также восстановительный компонент, который не сжигается, а следовательно, используется в качестве восстановителя в реакциях плавления. Отношение топлива к восстановителю в топливе/восстановителе по оценке определяется скоростью подачи газа, содержащего кислород, и топлива/восстановителя для данного газа, содержащего кислород. До начала плавки фурма зажигается в поднятом положении для создания пламени горения за счет сжигания топлива. Затем фурма опускается до погружения ее нижнего края в шлак с поддержанием пламени, создавая зону сгорания в шлаке.

Как указано выше, фундаментальные основы термодинамики и промышленная практика дают основания полагать, что стехиометрия топлива/восстановителя и газа, в состав которого входит кислород, свыше 50%, будет приводить к повышению образования двуокиси углерода и водяного пара в шлаковой ванне, что будет мешать или препятствовать образованию металлического железа, а также будет приводить к окислению углерода и присутствующего металлического железа. Однако, как ни странно, в настоящем изобретении такие опасения являются необоснованными. Это может объясняться отдельными факторами, связанными с вдуванием кислорода и топлива/восстановителя в заглубленном состоянии в сочетании с дополнительной подачей восстановителя, или применением этих факторов в сочетании.

Ожидание того, что при стехиометрии свыше 50%, двуокись углерода и водяной пар будут мешать или препятствовать образованию металлического железа и будут окислять углерод и металлическое железо, обусловлено простым и традиционным доводом, связанным с поддержанием высокотемпературного равновесия. Иными словами, считается, что система, в основном, находится в равновесном состоянии с приблизительно одинаковым восстановительным потенциалом, поддерживаемым во всей ванне реактора. Вдувание в заглубленном состоянии вызывает высокую степень турбулизации шлака, что является разумным обоснованием этого допущения. Тем не менее, первый фактор, который по всей видимости допускает применение стехиометрии свыше 50%, несмотря на такую турбулизацию, состоит в том, что ванна в состоянии сохранить зоны, в которых восстановительный потенциал является значительно выше, чем зона сгорания, создаваемая отдельной фурмой. Иными словами, может иметь место неожиданное отклонение от теории, в соответствии с которой система находится в равновесном состоянии, и в этой связи возникает существенная разница восстановительного потенциала между соответствующими зонами.

Альтернативный или дополнительный фактор может быть обусловлен расстоянием между соответствующими зонами. Это расстояние может зависеть от исходного материала, применяемого для получения железа, дополнительного восстановителя и материала флюса, добавляемого в ванну в месте, находящемся на расстоянии от зоны сгорания, создаваемой отдельной фурмой. Как вариант, расстояние может быть обусловлено подачей материалов, относимых из зоны сгорания, созданной фурмой, в результате турбулентности, создаваемой при вдувании в заглубленном состоянии. Безусловно, даже в том случае, когда исходный материал для получения железа, дополнительный восстановитель и материал флюса вводятся в непосредственной близости от фурмы, они могут относиться из зоны восстановления, создаваемой фурмой, поскольку, как правило, вдувание в заглубленном состоянии производится на относительно большой глубине в шлаковой ванне. Кроме этого, при подаче дополнительного восстановителя в виде кускового угля, что является предпочтительным, его относительно низкая плотность может привести к тому, что он будет плавать на поверхности ванны за пределами восстановительной зоны, создаваемой фурмой.

Независимо от имеющего место фактора или сочетания факторов, неожиданная возможность использования стехиометрии свыше 60% позволяет улучшить эффективность производства.

Сгорание топливного компонента подаваемого топлива/восстановителя необходимо для выделения тепловой энергии, необходимой для нагрева содержимого реактора до температуры, обеспечивающей быстрый процесс реакций, и обеспечивающей поддержание ванны в расплавленном состоянии от того, насколько более полное сгорание имеет место в ванне, зависит повышение эффективности непосредственной передачи энергии ванне, поэтому использование этого фактора является неожиданным обстоятельством. Общий уровень энергии, передаваемой ванне, может дополнительно увеличиваться за счет дожигания всех не полностью сгоревших газообразных соединений, включая окись углерода и водород, образовавшийся при сгорании, плавлении и реакциях восстановления, или пыли, содержащей углерод. Утилизация ванной тепловой энергии, полученной в результате дожигания, является менее эффективной, чем утилизация энергии, полученной при сгорании в заглубленном состоянии.

Поэтому общая утилизация энергии из топлива/восстановителя, полученной как при сгорании в заглубленном состоянии, так и путем дожигания, существенно повышается согласно способу в соответствии с настоящим изобретением. Поэтому повышение степени сгорания в заглубленном состоянии за счет повышения стехиометрии кислорода к топливу сверх ранее принятых допустимых ограничений на уровне 50% позволяет существенно повысить эффективность производства железа для заданного уровня потребления топлива, или наоборот, изобретение предусматривает снижение уровня потребления топлива для заданной интенсивности производства железа. В каждом случае производство железа становится более эффективным в отношении потребления энергии на единицу произведенного железа.

Согласно способу в соответствии с настоящим изобретением стехиометрия подаваемого кислорода к топливному компоненту подаваемого топлива/восстановителя преимущественно превышает 65%. Стехиометрия сгорания с применением фурмы может быть в диапазоне от 60% до 100%, но более предпочтительно составляет от 65% до 90%. Оптимальные показатели были достигнуты при стехиометрии от 65% до 85%.

В целом, желательно использовать стехиометрию более 60% для того, чтобы существенно повысить эффективность производства железа. Тем не менее, было обнаружено, что желаемый стехиометрический диапазон изменяется в зависимости от качества, химических и физических свойств топлива/восстановителя или любых дополнительных материалов, содержащих углерод, применяемых в технологическом процессе. Например, при применении топлива более низкого качества, предпочтительный диапазон может составлять от 60% до 75%, тогда, как при применении топлива более высокого качества, такого как каменный уголь, диапазон может составлять от 70% до значения, приближающегося к 100%.

Согласно настоящему изобретению для производства металлического железа из оксидов железа проводят основное карботермическое восстановление. Сжигание топлива в заглубленном состоянии обеспечивает тепловую энергию, необходимую для расплавления и для развития реакций восстановления. При этом более высокая стехиометрия при сгорании с применением фурмы соответственно снижает уровень окиси углерода и водорода, образовывающегося при непосредственном сгорании топлива/восстановителя; при реакциях плавления образуется также окись углерода и водород. Таким образом, по отношению к описанию патента AU-B25725/92 (656228) настоящее изобретение также имеет преимущество в том, что предусмотрено дожигание с максимальной передачей тепла ванне. Иными словами, повышение эффективности использования топлива за счет повышения уровня стехиометрии при сгорании с применением фурмы не устраняет необходимость дожигания таким образом, чтобы обеспечить общую максимальную эффективность.

Предпочтительно осуществлять дожигание для получения степени сгорания более 0,2, как определяемая по отношению (CO₂+Н₂O) к (СО+Н₂+СО₂+Н₂О) для отходящих газов. Предпочтительно устанавливать степень сгорания на уровне приблизительно 0,95-1,0. Степень сгорания контролируется таким образом, чтобы получить максимальный уровень передачи тепла к ванне в соответствии с любым последующим использованием газов без повторного окисления ванны. Последующее использование газов может включать в себя предварительный нагрев подаваемых материалов или газов, и/или образование пара или применение другого способа утилизации энергии из газов.

Вдувание сверху в заглубленном состоянии, согласно настоящему изобретению, обеспечивает условия, достаточные для восстановления, для получения металлического железа с оптимальной утилизацией энергии в ванне. В состав подаваемого топлива/восстановителя может входить, как минимум, один из видов топлива, такой как уголь, угольная мелочь, мазут, природный газ, сжиженный нефтяной газ или другой подходящий материал, содержащий углерод. В частности, при применении топлива, в состав которого входит угольная мелочь, подача топлива осуществляется с применением транспортирующего газа, в состав которого, как минимум, частично может входить кислород, необходимый для сжигания топлива. Как вариант, в состав транспортирующего газа может входить смесь инертного газа, такого как азот с воздухом, воздух, обогащенный кислородом, или исключительно кислород, или исключительно инертный газ. Часть кислорода, необходимого для сгорания, может подаваться через линию фурмы, применяемую раздельно от линии фурмы, по которой подается топливо/восстановитель, с перемешиванием раздельных потоков только на нижнем конце фурмы и/или в шлаковой ванне. В тех случаях, когда, как минимум, часть кислорода подается по такой раздельной линии, по ней может подаваться только кислород, воздух, обогащенный кислородом или в смеси с инертным газом, таким как азот.

Скорость подачи первичного кислорода и топлива/восстановителя контролируется для достижения условий, необходимых для сгорания, и, таких условий, которые являются достаточными для протекания процесса восстановления. Таким образом, подаваемый первичный газ, содержащий кислород, как правило, имеет содержание кислорода от 40 до 100% от объема и является достаточным для достижения степени сгорания топлива/восстановителя свыше 50%, предпочтительно свыше 60%.

В качестве дополнительного восстановителя, содержащего углерод, предпочтительно применять уголь. Он подается в ванну вместе с исходным материалом для получения железа, предпочтительно в количестве, составляющем от 20 до 60 процентов от веса исходного материала. Подходящий флюс, такой как, известняк, доломит, обожженная известь, обожженный доломит или оксид кремния, в зависимости от исходного материала, может также подаваться вместе с исходным материалом таким образом, чтобы образовалась подходящая жидкая ванна. Дополнительный восстановитель, содержащий углерод, и исходный материал могут непрерывно подаваться в процессе плавления с непрерывным сливом шлака и металла или с периодическим сливом. Материалы могут подаваться раздельно или совместно, в виде агломерата, содержащего некоторые или все подаваемые материалы.

Могут применяться разнообразные формы верхних погружных фурм. Тем не менее, способ восстановления при расплавлении согласно изобретению требует создания относительно высокой температуры в реакторе, величина которой составляет от приблизительно 1350°С до приблизительно 1500°С. Таким образом, верхняя погружная фурма должна быть выполнена из подходящей стали, например нержавеющей стали или другого подходящего материала, такого как медь, оксиды металлов, керамические материалы, сочетание различных материалов или их смесь, включая соответствующие покрытия.

Как правило, необходимо предусматривать охлаждение фурмы путем подачи охлаждающей среды в процессе плавления. Для этого фурма может иметь, например, форму в соответствии с описанием, приведенным в международной заявке PCT/AU90/00466 (WO91/05214), поданной 26 сентября 1990 г., или форму, описание которой приводится в австралийском патенте AU 647669. Описание каждой из этих ссылок приводится в настоящем документе и должно рассматриваться, как часть описания настоящего изобретения.

Дожигание, предусмотренное в способе, согласно настоящему изобретению, осуществляется посредством подачи кислорода или газа, содержащего кислород, такого как воздух или воздух, обогащенный кислородом, в пространство реактора над шлаковой ванной. Предпочтительно осуществлять дожигание в зоне, прилегающей к поверхности ванны, и еще более предпочтительно в зоне, прилегающей к восстановительной зоне, для обеспечения высокого уровня передачи тепла к шлаковой ванне. В каждом случае дожигание проводится в зоне дожигания, близко прилегающей к поверхности ванны, в которой капли шлака, разбрызганного из ванны вследствие турбулизации, создаваемой при вдувании газа в шлак, попадают в зону дожигания и получают в ней тепловую энергию.

Газ, содержащий кислород, используемый для дожигания, может подаваться любым подходящим способом, например, как минимум, по одной трубе, выходной край которой размещается над поверхностью ванны. Как вариант, газ может вдуваться в объем реактора по защитной трубе, в которой проходит верхняя погружная фурма, предназначенная для вдувания топлива/восстановителя, при этом защитная труба заканчивается выше поверхности ванны. Защитная труба по PCT/AU90/00466 и фурма с защитной трубой, описание которой приводится в австралийском патенте AU 647669, подходит для этой цели.

Исходный материал для получения железа может представлять собой кусковую фракцию, частицы или мелкую фракцию; при этом конкретно для данного случая при применении мелкой фракции предпочтительно комковать материал как без применения материала флюса, так и с применением флюса и/или угля для того, чтобы исключить выдувание исходного материала наружу вместе с дымовыми газами реактора. Комкование может осуществляться путем добавления воды с пропусканием материала через шнековую мешалку или другое подходящее устройство.

Желательно загружать исходный материал для получения железа и другие материалы, такие как флюс и дополнительный восстановитель, в зону сгорания или в прилегающую к ней зону, образованную в результате вдувания в заглубленном состоянии, по подающему каналу, расположенному соответствующим образом. Однако некоторые или все исходные материалы и флюс, имеющие подходящий размер частиц, могут загружаться в реактор через верхнюю погружную фурму. В любом случае предпочтительно осуществлять вдувание в заглубленном состоянии таким образом, чтобы создать достаточную турбулентность в зоне сгорания, как правило, с увеличением поверхности ванны.

В состав исходного материала для получения железа может входить железная руда в виде кусков, частиц или мелкого материала. Как вариант, в его состав могут входить окатыши, частицы или мелкие окатыши, железистый песчаник, железные отходы, окалина, колошниковая пыль металлургических предприятий, металлолом черных металлов, материалы, в состав которых частично входит металл и шлак с высоким содержанием железа.

Для лучшего понимания изобретения далее приводится описание со ссылкой на прилагаемый чертеж. На чертеже схематически показана система реактора с верхней погружной фурмой, на разрезе в вертикальной плоскости с продольным расположением системы 10.

В состав системы 10 входит реактор 12, содержащий расплавленную ванну 14, имеющую нижний слой 16 металлического железа и верхний слой шлака 18. С одной стороны, реактор 12 имеет слив 20, с помощью которого можно постоянно удалять железную продукцию. С другой стороны, реактор 12 имеет слив 22, с помощью которого можно постоянно удалять шлак. Шлак может поступать от слива 22 по желобу 24 в систему подготовки шлака (не показана), такую как гранулирующая установка.

Несмотря на то, что показаны сливы 20, 22, следует иметь в виду, что могут предусматриваться альтернативные формы выпуска металла и шлака.

Поскольку возможны другие варианты, система 10 включает в себя множество фурменных устройств 26, которые размещаются последовательно вдоль оси реактора 12. Устройства 26 проходят через свод 12а реактора 12; их можно поднимать и опускать раздельно с помощью механизмов (не показаны), расположенных над реактором 12. Устройства 26 имеют тип, описание которого приводится в международной заявке на патент PCT/AU90/00466 (WO91/05214) и в соответствующем патенте США 5251879 на имя Floyd. Таким образом, в состав каждого фурменного устройства 26 входит верхняя погружная фурма 28, с помощью которой проводятся необходимые операции плавки, защитная труба 30, внутри которой установлена фурма 28. Каждая фурма позволяет подавать газ, содержащий кислород, и топливо/восстановитель (в соответствии с пояснениями, приведенными выше) в пределах шлакового слоя благодаря заглубленному в шлак расположению выходного края фурмы, а также благодаря тому, что край зоны сгорания топлива погружен в слой шлака. Каждая защитная труба 30 является короче, чем фурма 28. Таким образом, при опускании фурм 28 для вдувания нижний край каждой оболочки 30 находится над шлаковым слоем на расстоянии от него. Кроме этого, газ, содержащий кислород, может подаваться в реактор 12 над ванной 14 путем подачи газа по каналу между каждой защитной трубой 30 и фурмой 28 и выходить от нижнего края защитной трубы 30.

Кроме этого, система 10 включает в себя множество подающих каналов 32, в каждом из которых установлено регулирующее устройство 34. Один канал 32 расположен между краем реактора 12, на котором установлен слив 20, и фурменным устройством 26, ближайшее к сливу 20. Кроме этого, соответствующие каналы 32 расположены между каждой парой последовательно расположенных фурменных устройств 26. Еще один канал 32 расположен между другим краем реактора 12, где расположен слив 22 и фурменное устройство 26, ближайшее к сливу 22.

Для применения настоящего изобретения необходимо, как минимум, сформировать шлаковый слой 18. Шлак может накапливаться поверх после предыдущего цикла работы. Как вариант, слой 18 может быть установлен путем расплавления в реакторе шихты, содержащей исходный материал для получения железа, в состав которого входит оксид и флюсы, предпочтительно с гранулированным шлаком. Для этого производится розжиг, как минимум, одной фурмы 28, и пламя, образованное при сжигании топлива, используется для нагрева и плавления шихты.

После формирования шлакового слоя 18 можно приступать к плавке в соответствии с изобретением. По предпочтительному способу мелкий уголь, применяемый в качестве топлива/восстановителя, воздух и кислород подаются по фурме 28. После розжига каждой фурмы, установленной в верхнем положении, производится вдувание сверху для создания турбулентности в шлаке, которая вызывает разбрызгивание шлака и приводит к образованию шлакового гарнисажа на открытой части каждой фурмы 28 и у нижнего края каждой защитной трубы 30. Покрытие застывает за счет того, что охлаждающая среда циркулирует в каждом фурменном устройстве 26. Затем фурменное устройство 26 опускается до погружения нижнего края каждой фурмы 28, а ее пламя входит в шлак; после чего продолжается вдувание в заглубленном состоянии внутрь шлака. Несмотря на то, что нижний край каждой фурмы находится в заглубленном положении, циркулирующая охлаждающая среда в состоянии обеспечить сохранение защитного шлакового гарнисажа.

Одновременно с вдуванием сверху исходный материал для получения железа, дополнительный восстановитель и флюсы загружаются по каналу 32. В качестве дополнительного восстановителя предпочтительно применять кусковой уголь. Кроме этого, в объем реактора подается кислород над слоем шлака для обеспечения дожигания газов, образовавшихся в процессе плавки и выделившихся из ванны 14.

Скорость вдувания газа, содержащего кислород, и топлива/восстановителя с помощью фурм, контролируется таким образом, чтобы получить степень сгорания топлива/восстановителя, превышающую 60% от веса. Иными словами, количество кислорода в качестве компонента топлива составляет 60% от веса топлива/восстановителя. Таким образом, зона сжигания, созданная в шлаке каждой фурмой, как правило, будет являться зоной восстановления по причине присутствия оставшегося компонента восстановителя топлива/восстановителя, степень восстановления является меньшей, чем при применении способа согласно вышеуказанному описанию AU-B25725/92 (656228). Однако условия, достаточные для восстановления, могут поддерживаться компонентом восстановителя, присутствующим во вдуваемом топливе/восстановителе и в дополнительном восстановителе, в состав которого входит кусковой уголь.

Плавка заключается в восстановлении оксида железа в шлаковой фазе с углеродом. Восстановление облегчается достехиометрическим количеством кислорода, вдуваемого в топливо/восстановитель в зонах сгорания. Кроме этого, турбулентность, создаваемая при вдувании и выходе газов, вызывает возникновение капель шлака, как показано в позиции 36. В состав выходящих газов входит СО и Н₂, а также увлеченная пыль, содержащая углерод. Кроме этого, процесс восстановления может быть дополнительно облегчен за счет дожигания выделяемых газов и пыли, путем вдувания кислорода над шлаковым слоем по защитной трубе 30 каждого фурменного устройства 26. При дожигании выделяется большое количество тепловой энергии, значительная часть которой передается шлаку через капли.

Несмотря на то, что в качестве топлива/восстановителя предпочтительно применяется угольная мелочь, могут также применяться другие материалы, которые ранее указывались в настоящем патенте. Следует также отметить, что, несмотря на то, что в качестве дополнительного восстановителя предпочтительно применять кусковой уголь, можно также применять другие виды восстановителя. В качестве подходящего флюса следует применять материалы, которые указаны выше в настоящем патенте. Следует также отметить, что содержание кислорода в газах, содержащих кислород, подаваемых на вдувание и дожигание, может быть таким, как указано выше в настоящем патенте.

Настоящее изобретение не рассматривает необходимость применения заранее восстановленных материалов как на раздельной установке, так и за счет использования газов вне реактора по настоящему изобретению. Такое предварительное восстановление не позволяет определить оптимальную эффективность или эффективность способа по настоящему изобретению. Скорее всего, было бы лучше максимально использовать тепловую энергию, передаваемую ванне в результате дожигания путем осуществления дожигания до степени сгорания на уровне порядка 0,95-1,0.

Как указано в другом описании настоящего изобретения, контроль скорости вдувания кислорода и топлива/восстановителя для получения степени сгорания выше 60% от веса топлива/восстановителя позволяет более эффективно получать железо в том, что касается потребления энергии на единицу продукции. Частично это обусловлено более эффективным использованием топлива за счет его сгорания в заглубленном состоянии внутри шлака, нежели за счет дожигания над шлаком. Таким образом, для данного топлива можно обеспечить как более высокую температуру плавления, так и общее потребление восстановителя, или обеспечить заданный уровень производства железа при применении топлива более низкого качества и при общем меньшем потреблении восстановителя.

Реактор 12 выполнен таким образом, что можно обеспечить равномерную подачу по каждому каналу и вдувание по каждой фурме. Тем не менее, отношение исходного материала, содержащего железо для последующего восстановления, может быть снижено при подаче по одному каналу 32 в сторону другого канала в направлении от края, где находится слив 22, к краю, где находится слив 20. Следует также отметить, что, если общая скорость вдувания кислорода в топливо/восстановитель будет такой, что сгорание будет превышать 60% от количества топлива/восстановителя, степень сгорания может быть снижена из одной фурмы 28 в сторону следующей фурмы, так что в последующих зонах сгорания по направлению к сливу 20 будет увеличиваться восстановление.

Наконец, следует понять, что при проектировании и создании узлов, описание которых приводится выше, могут иметь место различные изменения и/или дополнения, не выходящие за рамки настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Способ получения металлического железа и шлака путем плавления исходного материала для получения железа, в котором железо присутствует в виде оксида, частично в металлическом виде или в их комбинации, в реакторе, содержащем расплавленную ванну, включающую в себя или имеющую шлаковую фазу, при котором осуществляют этапы (а) вдувания в шлак топлива/восстановителя и газа, содержащего кислород, с помощью, как минимум, одной верхней погружной фурмы, для выделения тепла и создания условий восстановления, как минимум, в одной зоне восстановления в ванне, (б) подачи в восстановительную зону реактора или в зону, прилегающую к ней, исходного материала вместе с дополнительным восстановителем и флюсом, причем исходный материал плавят и подвергают восстановлению с выделением газов – продуктов сгорания, в состав которых входит СО и Н₂, (в) поддержания скорости подачи газа, содержащего кислород, и топлива/восстановителя с помощью, как минимум, одной вышеуказанной фурмы для достижения условий, достаточных для восстановления, и (г) дожигания в реакторе над ванной газов, образовавшихся при сжигании в процессе плавления, по которым контроль на этапе (в) проводят для получения в результате подачи газа, содержащего кислород, в количестве порядка от 40 до 100 об.%, степени сгорания более 60 вес.% топлива/восстановителя, подаваемого, как минимум, одной фурмой.

2. Способ по п.1, при котором контроль на этапе (в) проводят для достижения степени сгорания свыше 65 вес.% топлива/восстановителя, подаваемого, как минимум, одной фурмой.

3. Способ по п.1, при котором контроль на этапе (в) проводят для достижения степени сгорания в диапазоне от 65 до 90 вес.% топлива/восстановителя, подаваемого, как минимум, одной фурмой.

4. Способ по п.1, при котором контроль на этапе (в) проводят для достижения степени сгорания в диапазоне от 65 до 85 вес.% топлива/восстановителя, подаваемого, как минимум, одной фурмой.

5. Способ по п.1, при котором топливо/восстановитель и дополнительный восстановитель содержат уголь, представляющий собой топливо более низкого качества, причем контроль на этапе (в) проводят для достижения степени сгорания в диапазоне от 60 до 75 вес.% топлива/восстановителя, подаваемого, как минимум, одной фурмой.

6. Способ по п.1, при котором топливо/восстановитель и дополнительный восстановитель содержат уголь, представляющий собой топливо более высокого качества, причем контроль на этапе (в) проводят для достижения степени сгорания не ниже 70 вес.% топлива/восстановителя, подаваемого, как минимум, одной фурмой.

7. Способ по одному из пп.1-6, при котором дожигание на этапе (г) осуществляют для получения степени сгорания свыше 0,2, согласно отношению (CO₂+Н₂O) к (СО+Н₂+CO₂+Н₂O) для отходящих газов.

8. Способ по п.7, при котором степень сгорания устанавливают на уровне приблизительно 0,95-1,0.

9. Способ по одному из пп.1-6, при котором в состав топлива/восстановителя входит, как минимум, один восстановитель с содержанием углерода, выбранный из угля с включением мелкой фракции, мазута, природного газа и нефтяного сжиженного газа.

10. Способ по одному из пп.1-6, при котором в состав топлива/восстановителя входит уголь с включением мелкой фракции, вдуваемый с помощью транспортирующего газа.

11. Способ по п.10, при котором транспортирующий газ содержит, как минимум, часть кислорода, необходимого для сгорания топливного компонента топлива/ восстановителя.

12. Способ по п.10, при котором транспортирующий газ представляет собой азот, кислород, воздух или воздух, обогащенный кислородом.

13. Способ по одному из пп.1-6, при котором дополнительным восстановителем является уголь.

14. Способ по одному из пп.1-6, при котором дополнительным восстановителем является уголь, подаваемый в количестве от приблизительно 20 до 60 вес.% исходного материала.

15. Способ по одному из пп.1-6, при котором флюс включает в себя, по меньшей мере, один материал из группы: известняк, доломит, обожженную известь, обожженный доломит или окись кремния.

16. Способ по одному из пп.1-6, при котором плавку осуществляют при температуре в реакторе от приблизительно 1350 до приблизительно 1500°С.

17. Способ по одному из пп.1-6, при котором дожигание осуществляют путем вдувания в реактор над расплавленной ванной газа, содержащего кислород, состоящего из воздуха или воздуха, обогащенного кислородом.

18. Способ по одному из пп.1-6, при котором дожигание осуществляют в зоне дожигания, непосредственно прилегающей к поверхности ванны, при этом в ванне посредством вдувания в шлак создают турбулизацию шлака для разбрызгивания капель шлака и передачи тепловой энергии каплям в зоне дожигания.

19. Способ по п.18, при котором зона дожигания примыкает, как минимум, к одной зоне восстановления.

20. Способ по одному из пп.1-6, при котором исходный материал для получения железа представляет собой кусковой или агломерированный материал мелкой фракции.

21. Способ по одному из пп.1-6, при котором исходный материал для получения железа представляет собой железную руду в виде кускового материала, железную руду в виде частиц из мелкого материала, окатыши, мелкие окатыши, железистый песчаник, железные отходы, окалину, колошниковую пыль металлургических предприятий, металлолом черных металлов, материалы, в состав которых частично входит металл и шлак с высоким содержанием железа.

РИСУНКИ