BG64199B1

BG64199B1 - Устройство и метод за редукция и топене на метали

Info

Publication number: BG64199B1
Application number: BG105148A
Authority: BG
Inventors: Louis J. Fourie; Johan P. De Villiers
Original assignee: Ipcor N.V.
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2004-04-30
Also published as: EP1109943B1; JP3679327B2; CA2337177A1; RU2232364C2; ATE230036T1; CZ294003B6; WO2000004197A1; ZA200007298B; SI1109943T1; AU4640299A; CN1309723A; DE69904608D1; DE69904608T2; TW521092B; PL193207B1; US6537342B1; TR200100090T2; KR100540459B1; BR9912140A; BG105148A

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до устройство за редукция и топене, например за стоманодобивен процес, при който шихта, съдържаща метал и въглерод, се нагрява в канална индукционна пещ, за да се редуцира и стопи металсъдържащата част от шихтата.

Предшестващо състояние на техниката

От US 5411570 е известно устройство за редукция, съдържащо индукционна пещ с тръбен нагреваем реактор с пръстеновидно сечение, в който се нагрява шихта на купчина чрез периферно разположени индукционни нагреватели или индуктори, наредени на равни интервали в два реда. Всеки ред е разположен по протежение на долната част на реактора на срещулежащите страни по отношение на надлъжната осова линия на реактора. Шихтата е разположена на повърхността на метална вана в реактора.

В посочения патент шихтата се подава в нагреваемия реактор през два отделни периферно и надлъжно разположени реда отвори, оформени в горната стена на реактора на равни интервали. Шихтата плава върху течната вана в реактора, като образува две клинообразни купчини, всяка от които е разположена по протежението на стената на реактора с поширокия край на клина, т.е. върхът на купчината е разположен откъм стената на реактора, а по-тесният край на клина, т.е. основата на купчината - към средата на реактора. В резултат на това върховете на купчините върху металната вана са разположени почти вертикално над проходите (отворите) на индукторите.

Тъй като металът се нагрява от загубите I²R в индуктора и директно над прохода на индуктора преминава конвекционен възходящ поток от относително горещ метал, до долните части на купчините в участъците, разположени почти директно под върховете им, достига повече топлина. (Горещи зони се образуват под най-високите точки на редовете купчини.) Поради това се “изразходват” главно шихто вите частици в тези участъци, които са разположени почти директно под върховете на купчините и в резултат към тези участъци се насочват неизразходвани частици.

Придвижването на шихтовите частици в купчините може да се представи чрез вектори. Тези вектори на придвижване могат да преминават перпендикулярно или успоредно на повърхността на купчините. Перпендикулярното придвижване към повърхността на купчините е нежелателно, тъй като погълнатата топлина е в резултат на излъчването от свода на реактора върху повърхността и тя може да достигне само до дълбочина от порядъка на 25 mm. Това означава, че когато частицата е изминала приблизително 25 mm перпендикулярно на повърхността, тя в действителност е изолирана от това излъчване. Необходимото време за това придвижване може да се определи като време на “облъчване”.

Намаленото време на облъчване на частиците води до намаляване на поглъщането на лъчиста енергия от тези частици. Това означава, че други частици, достигащи до основите на купчините, където скоростта на нагряване от индуктора (а следователно и скоростта на топене) е по-ниска, са изложени на облъчване за по-дълго време. Продължителното време на облъчване води до по-високи температури на повърхността и оттук до намаляване на интензивността на топлопредаване от източника на излъчване към материала в основите на купчините. Относително високи температури и висока степен на редукция на материала в основите на купчините може също да доведе до повторно окисление, поради отсъствие на защита от редукционен газ. (Редукционните реакции протичат докрай и поради това в този участък не се образува CO газ, който да защити шихтата от повторно окисление от СО₂.)

Както прекомерното, така и недостатъчното излагане на въздействието на лъчиста енергия върху шихтовите частици е нежелателно, тъй като са необходими по-висока електрическа мощност и по-голям разход на редуктор.

Друг недостатък на гореспоменатото известно устройство се състои в това, че съществена разлика между преработването на шихтовия материал, който достига до основите на купчините, и на материала, недостигащ до тях, има за резултат съществена разлика в налич2 t

ното съотношение на въглерода и кислорода за стопяване на частиците. Относителните количества на тези различни по състав материали, достигащи до металната вана, са по-големи, когато се прилагат високи стойности на 5 подадената мощност. Когато така създадената нееднородност достигне фаза, при която излишъкът от въглерод, разтворен в единия участък, и разтвореният в другия участък излишък от кислород се смесят, тъй като са достигнали 10 предела на разтворимост, се освобождава въглероден монооксид. В резултат на отделянето на газ се наблюдава прекъсване на процеса и създаване на условия за потенциални опасности. Поради това максималната стойност на 15 подаваната електрическа мощност трябва да се ограничи до относително ниски стойности, с което се намалява производителността, която може да се постигне.

В гореспоменатото известно устройство 20 минималното ниво на течния метал при нормална работа е ограничено от изискването редицата от индуктори, която е най-отдалечена от изпускателния отвор на пещта за стопилката, трябва винаги да бъде под нивото на 25 метала, дори в случаите, когато пещта е облицована с огнеупорни тухли в най-отдалечения край към страната, от която се изпуска стопилката. Това ограничение, а също и изискването купчините да покриват напълно метална- 30 та вана, намалява пространството за образуване на купчини и за изгаряне на газовете, отделени от шихтата или горивото, което може да се подава в пещта. В зависимост от ъгъла на естествения наклон на купчините 35 площта на повърхнината на купчините, към която може да се осъществи трансфер на топлина, също е ограничена от изискването за минимално ниво на течния метал.

Друга характерна особеност на известното устройство е, че както единичните, така и двойните намотки на индуктора винаги са монтирани в канали, разположени успоредно на надлъжната ос на хоризонталните барабанни пещи. Това означава, че надлъжните оси на овалните отвори на проходите са успоредни на надлъжната осова линия на пещта. Тъй като проходите на индукторите обикновено са изолирани чрез прегради от огнеупорен материал, които поддържат подпората на огнеупорната зидария на пещта, броят на индукторите в един ред на единица дължина на пещта е ограничен. Затова горещите зони обикновено са на 4 до 5 m отделени една от друга. Това също допринася за неравномерното движение на материала в купчините.

Техническа същност на изобретението

Съгласно изобретението е осигурено устройство за редукция и топене на метали, при което метал- и въглеродсъдьржаща шихта се нагрява в индукционна пещ, включваща нагреваем реактор, в който шихтата, образуваща поне една купчина, може да се задържи на повърхността на течната метална вана в реактора. Съгласно изобретението устройството включва поне един индукционен нагревател или индуктор, разположен на осовата линия на пода на реактора или в близост до нея.

Индукционният нагревател, който е наймалко един, е единственият външен топлинен източник на реактора.

Реакторът е с удължена тръбна форма и е снабден с множество от посочените индуктори, наредени в редица, разположена надлъжно по протежение на осовата линия на пода на реактора.

Горната част на реактора е снабдена с множество отвори, през които реакторът се зарежда с шихта. Отворите са оформени на равни интервали в два отделни, надлъжно разположени реда по такъв начин, че от заредената през тях шихта се оформят две разположени една до друга купчини, които плават върху течната метална вана. Купчините са с клинообразно напречно сечение с по-широк край или “връх” на купчината, разположен към стената на реактора, и по-тесен край или “основа, разположена към средата на реактора.

При такова разположение купчините ще се нагряват директно под основите си и приблизителната скорост на придвижване на шихтовите частици, перпендикулярно на повърхността на купчините, ще се сведе до минимум и по такъв начин по-голямата част от шихтовия материал ще се изразходва при или в близост до основите на купчините (т.е. във вдлъбнатината, образувана между двата реда купчини), следователно - директно над индукторите.

При такова разположение може да се предотврати възможността шихтовите частици да се подлагат или на недостатъчно, или на прекомерно въздействие на лъчиста енергия.

Освен това, поради разположението на индукторите в средата нивото на течната ме3 тална вана може да бъде много по-ниско, а оттук и обемът на самия течен метал - много по-малък в сравнение с гореспоменатото известно устройство. По този начин се предотвратява нееднородността и може да се повиши електрическата мощност.

Индукторите са монтирани така, че техните надлъжни оси са перпендикулярни на надлъжната ос на пещта.

При такова разположение могат да се монтират повече индуктори на единица дължина на реактора и броят на горещите зони, образувани под вдлъбнатата част между редовете купчини се увеличава, тъй като разстоянието между горещите зони се намалява.

Предимство на устройството е, че чрез регулирането на реакционните условия в реактора се осигурява разполагането на шихтата по цялата повърхнина на течната метална вана под формата на преграда. Такова разположение осигурява пълна редукция на метала в шихтата, т.е. в твърдата фаза.

Методът се състои в нагряване на шихта в индукционна пещ с нагреваем реактор. Шихтата образува поне една купчина, която се задържа на повърхността на метална вана в реактора. Съгласно изобретението шихтата се разполага по цялата повърхност на ваната под формата на преграда.

В реактора се извършва регулиране на реакционните условия, което може да се осъществява чрез регулиране на един или повече от следните показатели:

- скоростта, с която шихтата се подава в реактора;

- размерът на частиците на шихтата;

- степента на смесване на метал- и въглеродсъдържащите компоненти на шихтата;

- скоростта, с която топлината се подава към реактора чрез индукционния нагревател (индукционните нагреватели);

- скоростта, с която се образува топлина от изгарянето на газ (или газове) и/или друго гориво в пространството на реактора над купчините.

Описание на приложените фигури

Един вариант на изпълнение на изобретението ще бъде описан чрез пример, който се пояснява с помощта на приложените фигури, от които:

Фигура 1 представлява изглед при напречен разрез на пещта съгласно изобретението;

Фигура 2 - изглед отдолу на пещта от фиг. 1, както се вижда в посока на стрелката “А”.

Примери за изпълнение и използване на изобретението

В този вариант на изпълнение на изоб10 ретението се използва канална индукционна пещ 10, която включва удължен тръбен реактор lie пръстеновидно напречно сечение, който по протежение на осовата линия 11.1 на дъното (фиг. 2) е снабден с множество работещи с 15 електричество индуктори 12, всеки от които е с производствена мощност от порядъка на 2,2 MW.

Индукторите 12 са разположени така, че надлъжните им оси 12.1 (фиг. 2) са перпендикулярни на осовата линия 11.1.

Реакторът lie снабден с два паралелно разположени реда от зареждащи отвори, от които само по един от всеки ред - 13 и 14, са показани на фиг. 1. Те са разположени по дължината на реактора един срещу друг. Тези отвори се използват За зареждане на реактора 11 с шихта 15, която оформя две надлъжно разположени купчини 16 и 17, които плават върху течната метална вана 18. Купчините 16 и 17 имат клинообразна форма при напречен разрез, като всеки клин има по-широк край, т.е. върхът на купчината е разположен към стената на реактора 11, и по-тесен край на клина, т.е. основата на купчината, е разположена към осовата линия 11.1 на реактора 11.

Ако е необходимо, в началото на процеса реакторът се зарежда с малко количество течен метал чрез впускателни отвори (които не са показани на фигурата), за да се образува начална метална вана.

Шихтата 15 представлява хомогенна смес в прахообразна форма, състояща се от въглеродсъдържащо вещество, например въглища, и железен оксид. Въглеродсъдържащото вещество е в концентрация, която е малко по-ниска от стехиометрично необходимия въглерод за редукция на рудата. Размерът на частиците на шихтата е такъв, че те преминават през сито 3 mm.

Реакторът 11 е снабден също с множество кислородни горелки, от които само две - 20 и 21, са показани на фиг. 1. С помощта на кислородните горелки въглеродният окис, който се образува при реакцията и прониква през гор25 i

ния слой на шихтата 15, може да бъде изгорен.

Шихтата 15 се зарежда в реактора по такъв начин и с такава скорост, че долните части на купчините 16 и 17 се съединяват една с друга и образуват “преграда” от шихтов материал, която е разположена по цялата повърхност на течната вана 18. Тази “преграда” е обозначена с позицията 19 в най-тясната си част. За образуването на преградата спомага и контролирането на реакционните условия, както е описано по-горе.

Образуването на преградата 19 може да се установи например визуално чрез вкарване откъм горната част на реактора 11 на градуиран прът (не е показан на фигурата) или чрез подходящ отвор за наблюдение (не е показан), разположен в стената на реактора 11. Може също да се използва подходяща записваща изображения апаратура (също непоказана) , разположена в реактора 11.

В режим на работа в шихтата 15, от която са оформени купчините 16 и 17, се създава реакционна зона, разположена между долните части на купчините и горните им краища. В същото време образуваната топилна зона 22 е разположена между долните части на купчините 16 и 17 и повърхността на течната вана 18. По време на реакцията под силата на тежестта редуцираната шихта 15 се придвижва от реакционната зона към топилната зона 22.

Образувалата се шлака плава на повърхността на ваната 18 в тунела 23, разположен по протежение на осовата линия 11.1 и под топилната зона 22. Тунелът 23 води до оформен в реактора 11 изпускателен отвор за шлаката (непоказан на фигурата). Отворите 13 и 14 за зареждане с шихта са разположени спрямо изпускателния отвор за шлаката по такъв начин, че шлаката от тунела 23 се насочва към този отвор. Стоманената стопилка (+0,1% въглерод) се изпуска от реактора 11 през изпускателен отвор (непоказан).

По време на процеса споменатата преграда предотвратява падането на шихтовия материал от купчините 16 и 17 директно в шлаката от тунела 23 или в течния метал във ваната 18. По този начин се предотвратява всяко “късо съединение”.

Подаваната чрез индукторите 12 топлина към ваната 18 прониква в шихтата 15 от купчините 16 и 17 и заедно с топлината от изга30 рянето на въглеродния окис с помощта на горелките 20 и 21 и лъчистата топлина, отразена от свода на реактора 11, осигурява реакцията между железния оксид и въглерода от шихта5 та 15, в резултат на което железният оксид се редуцира. Почти цялата редукция, протичаща в твърда фаза, се извършва в най-горния слой на купчините 16 и 17 с дебелина 20 mm, което се дължи главно на подаваната към този слой 10 топлина от изгарянето на въглеродния окис е помощта на горелките 20 и 21 и лъчистата топлина, отразена от свода на реактора 11. В същото време полученото в твърдо състояние желязо се стопява в зоната 22, от която под 15 силата на тежестта преминава във ваната 18.

Разбираемо е, че вследствие на разположението на индукторите в центъра “основите” на купчините 16 и 17 ще получават повече топлина от индукторите 12 и шихтовите части20 ци 15 ще се изразходват главно в зоната 19.

Това означава, че потокът от шихтови частици по протежение на горните повърхности на купчините 16 и 17 ще бъде главно успореден на тези повърхности, с което ще се пре25 дотврати посоченият по-горе проблем с прекомерното или недостатъчното излагане на въздействието на лъчиста енергия. .

Освен това, разположението на индукторите 12 в центъра ще позволи и използването на много по-ниско ниво на течната метална вана 18 в сравнение с гореспоменатото известно устройство (на фиг. 1 с пунктирна линия 24 е обозначено нивото на течната вана в известното устройство). С това се увеличават посочените по-горе предимства на изобретението.

Поради напречното разположение на индукторите 12 спрямо осовата линия 11.1 могат да се използват повече индуктори на единица дължина на реактора 11 в сравнение с известното устройство. Вследствие на това броят на горещите зони под вдлъбнатата част, образувана между редовете купчини 16 и 17, се увеличава в сравнение с известното устройство.

Разбираемо е, че в обхвата на изобретението е включен и метод за редукция и топене, при което се използва устройството съгласно изобретението.

Claims

Патентни претенции

1. Устройство за редукция и топене на метали, съдържащо индукционна пещ (10) с нагреваем реактор (11), в който е поместена шихта (15), образуваща поне една купчина от повърхността на течна метална вана (18) в реактора (11), характеризиращо се с това, че на осовата линия на пода на реактора (11) 5 или в близост до нея е разположен поне един индукционен нагревател или индуктор (12).
2. Устройство съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че индукционният нагревател (12), е външен топлинен източник 10 на реактора (11).
3. Устройство съгласно всяка от предходните претенции, характеризиращо се с това, че реакторът (11) е с удължена тръбна форма и е снабден с множество индуктори (12), 15 наредени в редица, разположена надлъжно по протежение на осовата линия (11.1) на пода на реактора (11).
4. Устройство съгласно всяка от предходните претенции, характеризиращо се с то- 20 ва, че горната част на реактора (11) е снабдена с множество отвори (13, 14) за зареждане с шихта (15), които са оформени на равни интервали в два отделни надлъжно разположени реда по такъв начин, че от заредената през 25 тях шихта (15) са оформени две разположени една до друга купчини (16, 17), плаващи върху течната метална вана (18), като купчините (16, 17) са с клинообразно напречно сечение с по-широк край, разположен към стената на 30 реактора (11), и по-тесен край, разположен към средата на реактора (11).
5. Устройство съгласно всяка от предходните претенции, характеризиращо се с това, че индукторите (12) са монтирани така, че 35 техните надлъжни оси (12.1) са перпендикулярни на надлъжната ос на пещта (10).
6. Метод за топене и редукция на метали съгласно претенция 1, при който метал- и въглеродсъдържаща шихта (15) се нагряват в 40 индукционна пещ (10) с нагреваем реактор (11), като шихтата (15) образува поне една купчина, която се задържа на повърхността на течната метална вана в реактора (11), характеризиращо се с това, че шихтата (15) се 45 разполага по цялата повърхнина на течната метална вана на реактора (11) под форма на метална преграда.
7. Метод съгласно претенция 6, характеризиращ се с това, че шихтата (15) се зареж- 50 да в реактора (11) през отвори (13, 14).
8. Метод съгласно претенции 6 и 7, характеризиращ се с това, че в реактора (11) се извършва регулиране на условията в него по следните показатели:

- скорост, с която шихтата (15) се подава в реактора (11);

- размер на частиците на шихтата (15);

- степен на смесване на метал- и въглеродсъдържащите компоненти на шихтата (15);

- скорост, с която топлината се подава към реактора (11) чрез индукционните нагреватели (12);

- скорост, с която се образува топлина от изгарянето на газ (или газове) и/или друго гориво в пространството на реактора (11) над купчините (16,17).
9. Метод съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че топлината, която се образува, се получава при горенето на отделен от шихтата въглероден монооксид с помощта на горелки (20, 21), работещи с кислород или кислород/въздушна смес, монтирани в реактора (11), в зоната над шихтата (15).
10. Метод съгласно претенция 9, характеризиращ се с това, че получената в резултата на горене топлина, както и лъчистата топлина от свода на реактора (11), се използват за предварително нагряване на шихтата (15) вътре и/или извън реактора (11).
11. Метод съгласно претенции 9 или 10, характеризиращ се с това, че въздухът и/или въздушно-кислородната смес, използвани в споменатите горелки (20, 21), съдържа фино смлян материал, който може да се нагорещи при температурите на горенето на въглеродния монооксид и/или горивото в пространството над купчините (16,17).
12. Метод съгласно претенция 11, характеризиращ се с това, че фино смленият материал съдържа сажди.
13. Метод съгласно претенция 12, характеризиращ се с това, че фино смленият материал съдържа вар.
14. Метод съгласно претенции от 6 до 13, характеризиращ се с това, че реакторът (11) е снабден с поне един изпускателен отвор за стопения метал и/или шлаката, получени в резултат на реакционния процес.
15. Метод съгласно претенции от 6 до 14, характеризиращ се с това, че в реактора (1) протича стоманодобивен процес, който се осъществява при смесването на въглерод под формата на фино смлени въглища или кокс и под6 ходяща фино смляна руда, съдържаща железен оксид, тази смес се нагрява, вследствие на което протича редукция на железния оксид и топене на получената стомана, която след то ва се изпуска при съдържание на въглерод, по-малко от 0,1 %.