Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby železné houby přímo redukcí z materiálu ve formě částeček, obsahujícího oxid železa, při kterém se redukční plyn, který se vytváří v tavné zplynovací zóně z nosičů uhlíku a plynu obsahujícího kyslík, zavádí do redukční zóny, ve které se nachází materiál obsahující oxid železa.

Dosavadní stav techniky

Z EP-A-0 594 557 je známý způsob výroby tekutého surového železa ze vsázkových materiálů, které jsou tvořené železnými rudami a přísadami a vykazují alespoň zčásti jemný podíl, přičemž tyto vsázkové materiály se přímo redukují na železnou houbu alespoň v jedné redukční zóně, tato železná houba se natavuje v tavné zplynovací zóně za přívodu nosičů uhlíku a plynu obsahujícího kyslík a vytváří se redukční plyn, který se zavádí do redukční zóny, tam se přeměňuje a odvádí se jako výstupní plyn. Při tomto způsobuje možné hospodárné využití jemné rudy tím, že se podrobuje předehřátí způsobem s fluidní vrstvou v předehřívací zóně převážně hematitické a/nebo magnetitické jemné rudy a takto předehřáté vsázkové materiály se dále redukují nahotovo v alespoň jedné následující redukční zóně způsobem s fluidní vrstvou, načež se vsázkové materiály dávkují do fluidního lože tavné zplynovací zóny prostřednictvím samočinné doprava a tam se taví.

Jeden způsob typu zmíněného v úvodu je známý z EP-A-0 217 331. U tohoto způsobu se pro přímou redukci jemné rudy používá plyn, který v podstatě obsahuje CO a H₂ a byl zbaven prachu v cyklonu.

Železná houba vyráběná podle tohoto stavu techniky přímou redukcí materiálu obsahujícího oxid železa vykazuje zpravidla nižší obsah uhlíku ve výši asi 1 %. Pro další zpracování železné houby je však výhodný vyšší obsah uhlíku, aby se mohla při tavení železné houby a následném ocelárenském procesu ušetřit energie, aniž by bylo potřeba zvláštního přísunu uhlíku (nauhličení).

Vynález si tedy klade za úkol modifikovat způsob toho typu, který je popsaný v úvodu, do té míry, aby železná houba vykazovala zvýšený obsah uhlíku, s výhodou v množství mezi 1 a 4 %, zejména nad 2,5 %.

Podstata vynálezu

Tento úkol je podle vynálezu řešen kombinací následujících znaků:

- do redukční zóny se přidává redukční plyn, který obsahuje na Nm³ mezi 20 a 100 g prachu, který vykazuje obsah uhlíku mezi 30 a 70 hmotn. %, a

- materiál obsahující oxid železa se vystavuje po určitou časovou prodlevu, která překračuje čas potřebný pro redukci nahotovo, působení redukčního plynu.

Výroba železné houby s obsahem uhlíku mezi 0,5 a 2,5% je již známá z WO-A-93/14228, a sice, u tohoto známého způsobu se pro stanovení uhlíku přidávají malá množství zemního plynu, přičemž se tento zemní plyn vnáší přímo do reaktoru s fluidní vrstvou. Toto opatření samo o sobě je však málo efektivní, protože při redukčních teplotách zajišťujících přímou redukci není zajištěný úplný rozpad zemního plynu.

-1 CZ 293263 B6

Z US 5 137 566 je známo vyrábět vysoce koncentrovaný karbid železa z železné rudy za pomoci redukčního plynu a nauhličovacího plynu, přičemž v důsledku časové závislosti tvorby karbidu železa se pro přeměnu usiluje o vyšší dobu prodlevy’. Samotné zvýšení doby prodlevy materiálu obsahujícího oxid železa při přímé redukci podmiňuje značný pokles výroby, to znamená 5 podstatně snížený výnos redukovaného materiálu za časovou jednotku. Tento způsob je proto relativně nákladný a takto vyráběný karbid železa se díky tomu používá jen jako přísada při výrobě oceli. Naproti tomu je vytčeným úkolem podle vynálezu to, aby veškerá železná houba použitá pro výrobu oceli vykazovala zvýšený obsah uhlíku, to znamená, aby se tato takto vyráběná železná houba se zvýšeným obsahem uhlíku používala nejen jako přísada při výrobě oceli, nýbrž ío pro ni sama tvořila základní látku.

ZUS-A-Re-32 247 je známo přeměňovat materiál obsahující oxid železa v prvním stupni na karbid železa a ve druhém stupni vyrábět přímo z tohoto karbidu železa ocel. U tohoto známého způsobu se používá pro redukci redukční plyn obsahující uhlík. Nevýhodou přitom je úplná pře15 měna železa na karbid železa, protože je to také spojené s vysokou spotřebou energie (vyšší spotřeba materiálu obsahujícího uhlík při přímé redukci).

Podle vynálezu se pro redukci jemné rudy používá redukční plyn, který se vytváří v tavném zplynovači, přičemž jeho obsah prachu obnáší naNnť mezi 20 a 100 g, přičemž prach vykazuje 20 obsah uhlíku mezi 30 a 70 % hmotnosti. Obsah prachu a obsah uhlíku se mohou nastavovat horkoplynným cyklonem a nosičem uhlíku, popřípadě přimíšením například hutnického koksu, jemné koksové drti nebo ropného koksu do tavného zplynovače. Mohou se vsázet také směsi uhlí, které vykazují různě vysoce výrazný sklon k rozpadu zrna (dekrepitaci). Jemná ruda redukovaná nahotovo je tak dlouho vystavena tomuto speciálnímu redukčnímu plynu, až se dosáhne 25 požadovaného obsahu uhlíku. Vynález se zakládá na poznatku, že obsah uhlíku jemné rudy redukované nahotovo stoupá exponenciálně, jestliže je vystavena tomuto speciálnímu redukčnímu plynu po dobu delší, než je čas potřebný k redukci nahotovo.

Redukční plyn zaváděný do redukční zóny obsahuje s výhodou mezi 40 a 90 g prachu na Nm³.

Jedno další výhodné provedení způsobu podle vynálezu spočívá vtom, že prach obsažený v redukčním plynu vykazuje obsah uhlíku mezi 45 a 55 hmotnostními %.

U způsobu podle vynálezu se může přímá redukce provádět ve dvou nebo více reaktorech 35 s fluidní vrstvou, uspořádaných za sebou a redukční plyn se může zavádět do tohoto reaktoru s fluidní vrstvou, který je z hlediska směru toku materiálu obsahujícího oxid železa poslední, a proudí jím a následně také ostatními reaktory s fluidní vrstvou v protisměru ktoku materiálu obsahujícího oxid železa.

Zvýšení obsahu uhlíku v železné houbě se může docílit tím, že se prodlouží prodleva u materiálu obsahujícího oxid železa při přímé redukci oproti minimální prodlevě nutné k redukci tohoto materiálu nahotovo.

Zvýšení obsahu uhlíku se však může výhodně docílit také tím, že se redukce provádí se speci45 fickým množstvím redukčního plynu, které je oproti specifickému minimálnímu množství plynu nutnému pro redukci nahotovo materiálu obsahujícího oxid železa zvýšené.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je následně blíže vysvětlen za pomoci příkladu provedení znázorněného na výkrese, přičemž obrázky ukazují zařízení, ve kterém se může provádět některá výhodná varianta způsobu podle vynálezu.

-2CZ 293263 B6

Příklady provedení vynálezu

Zařízení vykazuje tři reaktory 1 až 3 s fluidní vrstvou, zapojené do série za sebou, přičemž jemná ruda se přivádí přes přívod 4 rudy do prvního reaktoru 1 s fluidní vrstvou, ve kterém probíhá v předehřívacím stupni 5 předehřátí jemné rudy a eventuálně předredukování, a následně se vede z reaktoru 1 s fluidní vrstvou přes dopravní potrubí 6 do reaktoru 2,3 s fluidní vrstvou. V reaktoru 2 s fluidní vrstvou nastává v předredukovacím stupni 7 předredukování a v reaktoru 3 s fluidní vrstvou pak v dokončovacím stupni 8 dokončovací redukce jemné rudy na železnou houbu.

Materiál redukovaný nahotovo, tedy železná houba, se přes dopravní potrubí 9 přivádí do tavného zplynovače JO. V tavném zplynovači 10 se v tavné zplynovací zóně 11 vytváří z uhlí a plynu obsahujícího kyslík redukční plyn, který obsahuje CO, H? a prach obsahující uhlík, a přivádí se přívodem 12 redukčního plynu přes horký cyklon 19 do reaktoru 3 s fluidní vrstvou, který je ve směru toku jemné rudy poslední. Redukční plyn se potom vede v protisměru k toku rudy z reaktoru 3 s fluidní vrstvou do reaktoru 2 a 1 s fluidní vrstvou, a to přes spojovací potrubí 13. Z reaktoru 1 s fluidní vrstvou se jako kychtový plyn odvádí přes odvod 14 kychtového plynu a následně se ochlazuje a pere v mokré pračce 15 plynu.

Tavný zplynovač 10 vykazuje přívod 16 pro pevné nosiče uhlíku, přívod 17 pro plyny obsahující kyslík a také případně přívody pro nosiče uhlíku, které jsou při pokojové teplotě plynné nebo kapalné, jako uhlovodíky, a také pro spálené příměsi. V tavném zplynovači 10 se pod tavnou zplynovací zónou 11 shromažďuje tekuté surové železo, případně roztavený polotovar pro výrobu oceli a tekutá struska, které se odpichují odpichem 18.

V přívodu 12 redukčního plynu, který vychází z tavného zplynovače 10 a ústí do reaktoru 3 s fluidní vrstvou, je navržený horkoplynný cyklon 19, který slouží k tomu, aby reguloval obsah prach navrhovaný podle vynálezu v redukčním plynu, přičemž částice prachu odloučené v tomto cyklonu se přes zpětné vedení 20 přivádějí s dusíkem jako s dopravním prostředkem a přes hořák 32 za dmýchání kyslíku do tavného zplynovače 10.

Reaktor 2 s fluidní vrstvou, ve kterém probíhá předredukování jemné rudy, je zásobován stejným množstvím redukčního plynu, který však vykazuje menší redukční potenciál, což je však pro předredukování naprosto postačující. Protože zde dosažený stupeň redukce redukovaného materiálu je nižší než v dokončovacím redukčním stupni 8, nevyskytuje se zde také žádné ulpívání. Přeměněný redukční plyn vystupující z tohoto reaktoru 2 s fluidní vrstvou se přivádí potrubím 13 do pračky 26. Část vypraného přeměněného redukčního plynu se odvádí odváděcím potrubím 27 výstupního plynu a druhá část se přivádí potrubím 13 do předehřívacího stupně 5, to znamená do reaktoru 1 s fluidní vrstvou.

Jedna možnost nastavení teploty redukčního plynu, která by měla být 750-950 °C, s výhodou 800-850 °C, vyplývá z výhodně navrženého zpětného vedení 29 plynu, které vychází z přívodu 12 redukčního plynu a přivádí část redukčního plynu přes pračku 30 a kompresor 31 opět zpátky do přívodu 12 redukčního plynu, a sice před uspořádání horkoplynného cyklonu 19.

Pro nastavení předehřívací teploty jemné rudy se může do předehřívacího stupně 5, tedy do reaktoru 1 s fluidní vrstvou, přivádět otrubím 32 plyn obsahující kyslík, jako je vzduch nebo kyslík, čímž dojde k částečnému spálení přeměněného redukčního plynu přiváděného do předehřívacího stupně 5. Řízením částečného spalování lze nastavit teplotu jemné rudy při předehřívání tím způsobem, že jsou optimalizované teploty v následujících redukčních stupních 7, 8.

Vynález se neomezuje pouze na příklad provedení znázorněný na výkresu, nýbrž se může v různých ohledech modifikovat. Například je možné volit počet reaktorů s fluidní vrstvou vždy podle požadavků.

-3CL 293263 B6

Příklad:

U zařízení, které odpovídá obrázku 1 výkresů, se pro výrobu 401 surového železa/h vsází do tavného zplynovače 1031,41 uhlí/h o chemickém složení uvedeném v tabulce I a jako plyn se 5 přivádí 31 240 Nm³ O₂/h.

Tabulka I

uhlí (suché) C H N O popel Cfix

78,9 % 3,8 % 1,0% 2,0 % 8,7 % 72,0 %

Do zařízení se vsází jemná ruda (hematit, velikost zrna menší než 8 mm) v množství 58,6 t/h o složení rudy uvedeném v tabulce II a dávkují se přísady v množstvím 8,6 t/h podle tabulky III.

Tabulka II
ruda (vlhká)
Fe	62,8 %
Fe2O3	87,7 %
LOI	0,08 %
vlhkost	2,0 %

Tabulka III

Přísady
CaO	45,2 %
MgO	9,3 %
SiO2	1,2%
AI2O3	0,7 %
žíhací ztráty	39,1 %

V tavném zplynovači 10 se vytváří redukční plyn v množství 63 440 Nm³/h a o teplotě 1000 až 1200 °C. Tento plyn se z tavného zplynovače 10 odebírá a přimícháním redukčního plynu chlazeného v pračce 30 se upraví na teplotu 800 °C. Po opuštění cyklonu 19 má redukční plyn 25 složení uvedené v tabulce IV.

Tabulka IV redukční plyn pro dokončovací redukční stupeň 8, 800 °C CO 62 %

CO₂ 5 %

H₂ 28 %

N₂ 5 %

Prach 80 g/Nm^{3 Obsah} _u ^C 50 % v prachu

-4CZ 293263 B6 ι

Tabulka V redukční plyn pro předredukovací stupeň 7, 800 °C

CO 52 %

CO₂ 19%

H₂ 24 %

N₂ 5 %

Nastavením časové prodlevy tohoto redukčního plynu v dokončovacím redukčním stupni 8 se může nastavit obsah uhlíku v železné houbě. Souvislost mezi časovou prodlevou a obsahem uhlíku je znázorněná na obrázku 2, přičemž osa proměnných udává časovou prodlevu v minutách a osa pořadnic obsah uhlíku v železné houbě v hmotnostních %.

Na obrázku 2 se graf A vztahuje k specifické spotřebě redukčního plynu 1500 Nm³/t rudy. Graf B se vztahuje k specifickému úbytku redukčního plynu 1200 Nm³/t rudy. Z obrázku 2 lze zjistit to, že obsah uhlíku v železné houbě stoupá jak s dobou prodlevy, tak i se specifickou spotřebou redukčního plynu.

Ukázalo se, že vyšší obsahy uhlíku jsou dosažitelné teprve tehdy, když je jemná ruda redukovaná nahotovo a následně se ještě déle vystavuje redukčnímu plynu. Souvislost mezi stupněm redukce a obsahem uhlíku v železné houbě je znázorněná na obrázku 3, přičemž stupeň redukce (Fe_met/Fe_ce|_k) v % je vynesená na ose proměnných a obsah uhlíku v % hmotnosti na ose pořadnic. 20 Graf C se vztahuje k redukci při 850 °C a graf D se vztahuje k redukci při 800 °C.

Z obrázku 3 je vidět, že obsah uhlíku stoupá teprve tehdy, když je ruda redukovaná nahotovo, přičemž pod „redukováním nahotovo“ se rozumí takový stupeň redukce, který je maximálně dosažitelný za daných podmínek redukce. GrafC ukazuje, že ruda redukovaná nahotovo při 25 8 50 °C vykazuje redukční stupeň asi 90 až 92 %, zatímco graf D ukazuje, že ruda redukovaná nahotovo při 800 °C vykazuje redukční stupeň asi 85 až 87 %. Jestliže nyní ponecháme tuto nahotovo redukovanou rudu ještě déle v kontaktu s redukčním plynem použitým podle vynálezu, zvýší se redukční stupeň už pouze nepodstatně, zatímco obsah uhlíku vzroste silně. Tímto způsobem je možné vyrábět železnou houbu se zvýšeným obsahem uhlíku.