CZ295780B6 - Způsob výroby tekuté oceli z pevné vsázky a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob výroby tekuté oceli z pevné vsázky pomocí fosilních paliv v podmínkách intenzifikovaného přestupu tepla spočívá v tom, že pevná vsázka jako je šrot, surové železo, produkty přímé redukce, případně oxidy železa přírodního původu nebo odpady z předchozí výroby železa se nejprve taví pomocí kyslíkového hořáku (13) na fosilní paliva v baterii (1) rotačních pecí (2). Tavba se řídí podle způsobu odfosfoření a odpichuje se s požadovaným obsahem uhlíku a aktivitou kyslíku. Obsah uhlíku v kovu v průběhu procesu se řídí jedním ze tří níže specifikovaných způsobů: sypáním na povrch kovu a strusky, injektáží do objemu kovu a injektáží plynných nebo kapalných uhlovodíků do objemu kovu, pro odfosfoření roztaveného kovu mimo tavicí agregát jsou obsah uhlíku nad 0,15 % a aktivita kyslíku pod 0,02 % hmotnostních. Pro odfosfoření roztaveného kovu v tavicím agregátu jsou obsah uhlíku pod 0,15 % a aktivita kyslíku nad 0,02 % hmotnostních, v případě odfosfoření v rotační peci (2) se struska z procesu odfosfoření oddělí od kovu před další zpravidla redukční operací; ve všech variantách je dokončení zpracování taveniny provedeno mimo tavicí agregáty v konvertoru (5) anebo v sekundární metalurgii (6). Zařízení k provádění způsobu sestává z minimálně dvou rotačních pecí (2), uspořádaných do baterie (1). Rotační pec (2) je tvořena nádobou (11) s pláštěm (26), dvěma vypouklými čely (12, 19) a vnitřní žáruvzdornou vyzdívkou (27). Na svých koncích ve směru své podélné osy (30) je opatřena otvory, kde do prvního otvoru je nastrčen kyslíkový hořák (13) na fosilní paliva, který je buď pevný a neumožňuje řízení směru plamene anebo je pohyblivý umožňujíc

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení k výrobě tekuté oceli z pevné vsázky pomocí fosilních paliv v podmínkách intenzifíkovaného přestupu tepla. Řeší zvýšení celkové tepelné účinnosti tavení kovonosných surovin při snížení investiční náročnosti procesu a v některých případech rovněž snížení emisí skleníkových plynů.

Dosavadní stav techniky

Je znám způsob výroby tekuté oceli z pevné vsázky, takzvaný Siemens Martinův proces, který využívá regenerativního způsobu využití tepla spalin pro ohřev dmýchaného vzduchu a tím pomáhá zvýšit teplotu plamene. Tento proces umožňuje výrobu oceli nezávisle nadodávce tekutého surového železa.

Nevýhodou tohoto způsobu je poměrně nízká rychlost fyzikálně chemických dějů. Další nevýhodou je nepříznivý vliv na životní prostředí.

Dále je znám proces tavení pevné vsázky v elektrických obloukových pecích (EOP). Procesy v elektrických obloukových pecích byly postupně intenzifíkovány a to zejména ve dvou směrech, jednak ve zvyšování elektrického výkonu pece a jednak zavádění kyslíku a fosilních paliv. Další zkrácení doby tavby bylo umožněno zavedením sekundární metalurgie a přenesením části metalurgických operací mimo tavící agregát.

Při růstu podílu recyklovaného materiálu na celkové výrobě oceli roste i podíl elektrických obloukových pecí. Hlavním trendem vývoje těchto pecí je náhrada elektrické energie fosilními palivy. Současný stav je dodávka v rozmezí 20 až 50 % energie ve formě fosilních paliv a zbytek ve formě elektrické energie.

Nevýhodou výroby oceli v elektrických obloukových pecích (EOP) je, že vysoká intenzita procesů v moderní elektrické obloukové peci si vyžaduje ochranu stěn pece vodou chlazenými panely, které snižují energetickou účinnost pece. Také nevýhodou je poměrně krátký retenční čas zplodin hoření v peci, interakce produktů hoření s obloukem a nedostatečné utěsnění pece, což má za následek další snížení účinnosti elektrické obloukové pece. Energetická účinnost přeměny elektrické energie na tepelnou energii pro tavení v elektrické obloukové peci je poměrně velmi vysoká. Do celkové energetické bilance je však nutno započíst i účinnost výroby elektrické energie z fosilních paliv, která v závislosti na způsobu výroby elektrické energie se pohybuje v rozmezí od 30 do 55 %.

Posledním v praxi používaným postupem pro tavení slitin na bázi železa je rotační pec používaná ve slévárnách. Tento proces používá jako zdroj tavení fosilní palivo a intenzifikuje přestup tepla mícháním a kombinací několika mechanismů. Tento proces je však omezen na nízké hodinové výkony. Dalším omezením je vysoký obsah uhlíku a křemíku v tavenině a z toho vyplývající odlišná vyzdívka nepoužitelná pro ocelářský proces.

Velmi rychlým a z tepelného hlediska velmi efektivním procesem je výroba oceli z tekuté vsázky v konvertorech. Tento postup je investičně velmi náročný a to zejména z hlediska výroby tekuté vsázky.

Rotační pece jsou známy jako agregáty s širokým využitím. Používají se pro sušení, předehřev, redukci oxidů a tavení nízkotavitelných kovů a slitin například hliníku. Pro slitiny železa s uhlíkem se používají do teplot 1550 °C v krajním případě do 1600 °C. Výrobcem těchto pecí je

-1 CZ 295780 B6 například italská firma SOGEMI. Tyto pece se používají ve slévárenství. Jejich podíl na výrobě ve slévárenství neustále roste.

V ocelářství se rotační pece prozatím nepoužívají. Pozornost možnému použití věnují W. L. Sherwood a P. V. Barr v článcích publikovaných na 59th Electric Furmnace Conference, Phoenix, 2001. V článcích jsou popsány nutné požadavky na změnu konstrukce stávajících pecí pro slévárenství. Pozornost je věnována konstrukčním a technologickým požadavkům a je rovněž popsána změna koncepce vyzdívky. Podrobně jsou popsány podmínky přestupu tepla a způsob jejich ovlivňování.

Průmyslové nasazení rotační pece v ocelářství je známo z šedesátých let dvacátého století, kdy byl proces KALDO průmyslově používán. Podrobné srovnání procesů KALDO a dominantního procesu LD je provedeno například v Journal of The Iron and Steel Institute, October 1966, s. 997-1006. Článek potvrzuje dosažení vyššího stupně rovnováhy ve srovnání s klasickým LD konvertorem. Tento nedostatek LD konvertoru byl odstraněn zavedením spodního míchání. Celkově jednodušší konstrukce a nižší výrobní náklady rozhodly o jednoznačném prosazení technologie LD konvertoru.

Ve výrobě železa a ocelářství však rotační pece nezanikly a řada jejich výhod vedla ke vzniku řady technických technologií a patentů.

V ocelářství jsou známy následující spisy:

• Spis EP 0 134 336 popisuje využití rotační pece ve spojení se sekundární metalurgií a kontinuálním odléváním oceli.

• Spis EP 0 933 436 popisuje využití rotační pece pro tavení a předehřev v přímoredukovaného železa a jeho odsíření.

• Spis WO 94/11536 popisuje kontinuální rotační pec rozdělenou do dvou sekcí. První sekce slouží k předehřevu a tavení a druhá sekce k přehřátí taveniny na požadovanou teplotu. Zařízení je vybaveno injektáží uhlíku do taveniny v druhé sekci.

• Spis WO 95/29137 popisuje zařízení ke stahování strusky z metalurgických agregátů například rotačních pecí.

• Spis WO 99/60172 popisuje kontinuální rotační pec rozdělenou do dvou sekcí. První sekce slouží k předehřevu a tavení a druhá sekce k přehřátí taveniny na požadovanou teplotu. Zařízení je vybaveno injektáží uhlíku do taveniny v druhé sekci. Na konci druhé sekce je připojeno vakuovací zařízení s jehož pomocí je možno čerpat roztavenou ocel z rotační pece.

• Spis US 4 105 438 popisuje zařízení rotační pece a způsob odsávání roztaveného kovu pomocí podtlaku.

• Spis US 3 991 987 popisuje spojení rotační pece s elektrickou obloukovou pecí. V rotační peci probíhá vlastní ohřev taveniny na požadovanou teplotu.

• Spis US 3 514 280 popisuje zařízení pro kontinuální výrobu oceli tavením v rotační peci. Tato rotační pec je vybavena dvojicí hořáků umístěných na protilehlých stranách pece. Kov z pece odtéká průběžně přes sifonové zařízení.

• Spis US 4 062 674 popisuje využití rychloobrátkové rotační pece pro výrobu železa a oceli. Rychlost rotace této pece je taková, že odstředivá síla drží vsázku na vnitřní straně pláště.

-2CZ 295780 B6 • Spis US 3 689 251 popisuje soustavu rotačních pecí pro přímou redukci a následné tavení a zpracování ocelové taveniny.

• Spis US 5 163 997 popisuje zařízení pro kontinuální výrobu oceli tavením v rotační peci. Tato rotační pec je rozdělena na dvě zóny a je vybavena dvojicí hořáků umístěných na protilehlých stranách rotační pece. Hořák na sázecí straně slouží k dospalování apředehřevu pevné vsázky.

• Spis WO 91/07127 popisuje rotační pec pro spalování nebezpečného odpadu s následným tavením vzniklé strusky.

• Spis EP 0 442 040 popisuje zařízení pro redukci pelet.

• Spis EP 0 982 407 popisuje zařízení pro tavení anorganických látek s jejich injektáží pod plamen.

Pro použití ve slévárenství jsou známy následující spisy:

• Spis US 5 141 208 popisuje spojení dvou pecí do série z nichž jedna slouží jako taviči agregát a druhá pro předehřev.

• Spis EP 0 673 887 popisuje pece, které jsou běžně používané ve slévárenství. Po roce 2000 pokračuje zájem o rotační pece v USA.

• Spis US 2001/6012 popisuje zařízení pro kontinuální tavení kovu v rotační peci. Zařízení je vybaveno řadou trysek, hořáků a dopravníkem vsázky, který umožňuje kontinuální výrobu. Zařízení využívá tepla spalin z taviči zóny v zóně předehřevu vsázky.

• Spis US 2002/130448 popisuje velmi komplikované zařízení spojené s jednou rotační pecí sloužící k přímé výrobě surového železa nebo oceli z rudy. Zařízení se skládá z redukčního reaktoru, ve kterém probíhá redukce oxidů v plynné fázi. Redukční reaktor může být například šachtová pec, autor připouští všechny známé postupy přímé redukce v plynné fázi. Částečně zredukovaný produkt je v horkém stavu dopraven do dlouhé rotační pece, ve které je dokončena redukce a tavení. V tomto zařízení je rovněž možno provést oduhličení. Jedná se tedy o univerzální zařízení kontinuálního typu, ve kterém jsou jednotlivé fáze procesu jednoznačně odděleny v jednotlivých zónách.

Za hlavní rozdíl, vůči navrhovanému postupu, je možno považovat kontinuální charakter výroby vzhledem k dávkovému. Další rozdíly vyplývají z univerzálnosti zařízení dle spisůUS 2001/6012 a US 2002/130448, ve kterých probíhá současně několik fyzikálně chemických dějů. Zařízení je rozděleno na jednotlivé zóny, ve kterých jsou podmínky optimalizovány tak, aby byl optimálně využit potenciál paliva.

V navrhovaném vynálezu je rotační pec tvořena jen jednou zónou a fyzikálně chemické děje zde probíhají postupně. Výrobnost zařízení je dosažena počten jednotlivých agregátů spojených v baterii na rozdíl od nutné velikosti jednoho zařízení dle spisů US 2001/6012 a US 2002/130448. Za další výhodu považujeme dávkový způsob výroby, který lépe odpovídá současnému stavu následného způsobu zpracování kovu, tj. sekundární metalurgii a plynulému odlévání.

Všechny spisy předpokládají jednotlivé rotační pece, nebo uspořádání agregátů, v nichž je rotační pec napojena na kontinuální zařízení. Ve spisech a zejména v uvedených článcích z 59th Electric Furmnace Conference, Phoenix, 2001 je výkon pece zvyšován zejména zvětšováním objemu pece a zvyšováním teploty plamene a spalin. Pro dosažení výkonu srovnatelného s elektrickou obloukovou pecí (EOP) je třeba pracovat s teplotou plamene 2 200 °C snížení teploty plamene o 200 °C sníží výkon rotační pece o 50 %. Vysoká teplota plamene a spalin vede k růstu zátěže

-3CZ 295780 B6 na vyzdívky a dalším technickým komplikacím jako je ztráta tepelné účinnosti a zejména nárůstu komplikovanosti zařízení. Vysoká teplota spalin vede k nutnosti toto teplo využívat, s čímž jsou spojeny technické a ekologické problémy.

Předkládaný vynález nevyužívá vysoké intenzity procesu, ale sleduje optimalizaci procesu. Toho je dosaženo snížením teploty plamene a snížením měrné výroby, tento nedostatek je řešen zvětšením počtu rotačních pecí. Důraz je kladen na jednoduchost výrobního zařízení. Hlavní rozdíl od ostatních postupů spočívá v bateriovém uspořádání a v postupném odpichu roztaveného kovu z pecí podle potřeb následného zpracování například kontinuálního odlévání. Dalším významným rozdílem je, že velké tavby jsou zajištěny současným odpichem z několika pecí do jedné pánve. Dalším podstatným rozdílem je častá snaha využívat rotační pec jako kontinuální zařízení, což je z hlediska technického správné, ale průmyslová aplikace kontinuálního zařízení v metalurgii oceli z hlediska technologického a organizačního značně komplikovaná, proto je lepší řešení zachovat stávající postupy výroby oceli a to zejména sekundární metalurgii a kontinuální lití a využít rotační pec jen jako zdroj taveniny.

Podstata vynálezu

Navrhovaný proces spočívá v tavení pevné vsázky pomocí fosilních paliv v podmínkách intenzifíkovaného přestupu tepla. Takové podmínky jsou vytvořitelné v rotační válcové peci. Výrobnost zařízení je zabezpečena bateriovým uspořádáním. Dobrý přestup tepla je zajišťován mícháním vsázky nejen v tekutém stavu, ale i v pevném. Vyrobený tekutý kov je následně zpracován v závislosti na obsahu uhlíku v konvertoru a sekundární metalurgii a nebo jen v sekundární metalurgii.

Předmětem vynálezu je způsob výroby tekuté oceli z pevné vsázky pomocí fosilních paliva kyslíku nebo kyslíkem obohaceným předehřátým vzduchem v rotační peci a dále uspořádání navrhovaných tavících zařízení tak, aby bylo možno dosáhnout požadovanou dobu odpichu a požadovanou velikost tavby.

Metalurgický proces v rotační peci je omezen jen na tavení. Ostatní metalurgické procesy jsou prováděny v tavícím agregátu jen v omezené míře. Potřebná rafínace kovu je prováděna mimo tavící agregát. Navrhovaný proces je duplexní tavící agregát - sekundární metalurgie nebo triplexní taviči agregát - konvertor nebo speciální pánev - sekundární metalurgie.

Nedostatky stávajícího způsobu výroby oceli z pevné vsázky v elektrické obloukové peci do značné míry odstraňuje způsob, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že teplo fosilního paliva je přímo využíváno v baterii rotačních pecí.

Předkládaný vynález popisuje způsob a zařízení výroby tekuté oceli z pevné vsázky vyznačující se tím, že pevná vsázka jako je šrot, surové železo, HBI (briketované přímo redukované železo), DRI (přímo redukované železo) se nejprve taví pomocí kyslíkového hořáku na fosilní paliva v baterii rotačních pecí, přičemž postup tavení kovonosných surovin s přísadami zabezpečuje řízený obsah oxidu železnatého FeO ve strusce. Kov se z pece odpichuje s požadovaným obsahem uhlíku a aktivitou kyslíku, pro odfosfoření roztaveného kovu mimo tavící agregát jsou obsah uhlíku nad 0,15 % a aktivita kyslíku pod 0,02 % hmotnostních, pro odfosfoření roztaveného kovu v tavícím agregátu jsou obsah uhlíku pod 0,15 % a aktivita kyslíku nad 0,02 % hmotnostních. Struska z procesu odfosfoření se oddělí od kovu před další zpravidla redukční operací. Obsah uhlíku v kovu v průběhu procesu se řídí jedním ze tří níže specifikovaných způsobů:

• sypání na povrch kovu a strusky, • injektáž do objemu kovu, • injektáž plynných nebo kapalných uhlovodíků do objemu kovu

-4CZ 295780 B6 po odlití tekutého kovu z rotační pece následuje zpracování mimo taviči agregát v závislosti na obsahu uhlíku.

Při obsahu uhlíku nad 1 % se kov zpracovává v konvertoru s následným zpracováním v sekundární metalurgii a nebo jen v pánvi s velkou volnou výškou nad hladinou kovu minimálně 1,25 m. Při zpracování v pánvi se používá zařízení využívající dmýchání kyslíku přičemž se přednostně používá zařízení využívající sníženého tlaku, při triplexním pochodu tj. (rotační pec konvertor - sekundární metalurgie) se tekutý kov v konvertoru zpracovává s minimálním množstvím strusky, neboť vstupní tekutá surovina obsahuje minimální množství křemíku a hliníku.

Při odpichu kovu s obsahem uhlíku pod 1 % se kov dále zpracovává v zařízení sekundární metalurgie přičemž se rovněž přednostně použije zařízení využívající sníženého tlaku.

Vlastní zařízení dle vynálezu sestává z několika rotačních pecí uspořádaných do baterie umožňující dosažení vhodné frekvence odpichů a velikosti tavby pro následné operace zejména kontilití. Každá rotační pec je tvořena nádobou, tvořenou střední válcovou částí s dvěmi vypouklými čely a vnitřní žáruvzdornou vyzdívkou a opatřenou na svých koncích v podélné ose otvory, kde do prvního otvoru je nastrčen kyslíkový hořák na fosilní paliva, hořák je buď pevný a neumožňuje řízení směru plamene anebo je pohyblivý umožňující řízení směru plamene, dále je k hořákovému otvoru možno přidat zařízení pro injektáž uhlíku nebo dalších přísad zejména struskotvomých a i tato dodatková zařízení umožňují měnit úhel sklonu. Přídavné injektážní zařízení může být integrováno do hořáku nebo může být samostatné s možností rychlé výměny, na druhý otvor je napojen odvod spalin, jeden z otvorů je současně sázecím otvorem pevné vsázky; dále je nádoba vybavena alespoň jedním excentricky umístěným odpichovým otvorem kovu nebo strusky, přičemž celá nádoba je sklopná v příčném směru k ose rotace. Odpich pecí uspořádaných do baterie se řeší jako společný odpich několika pecí do jedné pánve a to přímo nebo pomocí soustavy licích žlabů.

Hlavní výhodou způsobu dle vynálezu je přímé využití chemického potenciálu fosilních paliv pro tavení kovonosných surovin, tj. zvýšení celkové tepelné účinnosti tavení ve srovnání s tavením pomocí elektrického proudu, který byl předem vyroben v elektrárně z fosilních paliv. Pro toto řešení je třeba zajistit vysokou teplotu plamene a intenzivní přestup tepla do taveného kovu a později i do lázně. Obou těchto požadavků je možno dosáhnout v rotační peci.

- Z konstrukčního hlediska je výhodou vytvoření poměrně malého kompaktního agregátu pro tavení pevné vsázky při současném snížení investiční náročnosti zařízení a zjednodušení procesu ve srovnání s moderní intenzifíkovanou elektrickou obloukovou pecí. Také je výhodou, že bateriové uspořádání tavících agregátů umožňuje optimálně využít kapacity čistírny odpadních plynů, sázecích zařízení a podobně. Koncepce více agregátů umožňuje tandemové uspořádání vhodné pro předehřev.

- Z technologického hlediska je výhodou navrhovaného procesu přímé využití chemického potenciálu fosilních paliv pro tavení kovonosných surovin, tj. zvýšení celkové tepelné účinnosti tavení ve srovnání s tavením pomocí elektrického proudu, a že proces umožňuje řídit míru kontaktu pevné vsázky se spalinami a dále, že pracuje s malým množstvím strusky.

- Z logistického hlediska je výhodou, že při existenci několika agregátů vedle sebe je možné jednoduché řízení výroby bez ztráty účinnosti procesu jednoduchým ovlivněním počtu pracujících agregátů při omezení prostoje ocelárny na minimum.

- Z hlediska údržby je výhodou potřeba pouze jedné náhradní nádoby. Doba výměny nádoby je kratší ve srovnání s intenzifíkovanou elektrickou obloukovou pecí z důvodu jednodušší konstrukce, není nutné připojovat míchací plyny dmýchané spodem, chladicí vodu a jednotlivé hořáky.

-5 CZ 295780 B6

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresů, na kterých je na obr. Ia a obr. lb znázorněno schéma ocelárny s baterií rotačních pecí. Na obr. 2 je znázorněno schéma rotační pece. Na obr. 3a je znázorněn řez rotační pecí v rovině odpichových otvorů. Na obr. 3b je znázorněn řez rotační pecí v rovině mimo odpichové otvory.

Příklady provedení vynálezu

Vynález je blíže osvětlen na přiložených výkresech, kde na obr. Ia a obr. lb je znázorněno schéma ocelárny s baterií 1 rotačních pecí 2. Na obr. laje znázorněno schéma triplexního pochodu, který je vhodný pro zpracování tekutého kovu s obsahem uhlíku nad 1 %, odpíchnutého z rotačních pecí 2. Tekutý kov je z rotačních pecí 2 odpíchnut do pánve 4, která stojí na převážecím voze 1. Z vozu 1 je pánev 4 převezena a tekutý kov s vyšším obsahem uhlíku než 1 % je přelit do konvertoru 5 nebo je ponechán ve speciální pánvi 4 s velkým volným prostorem. Po oduhličení v konvertoru 5 nebo ve speciální pánvi 4 následuje zpracování v sekundární metalurgii 6, která může být tvořena například LF (Ladle Fumace - Pánvová pec) stanicí pro korekci teploty a chemického složení, a alternativně ve vakuovacím zařízení. Závěrečnou fází výroby je odlévání například kontinuální v zařízení, které se skládá z otočného stojanu 1, mezipánve 8 a jednotlivých proudů 9 kontilití. Odlévání je možné i na bramovém kontilití nebo do ingotů.

Příklad ocelárny pro zpracování taveniny vyrobené z pevné vsázky s obsahem uhlíku po roztavení pod 1 % je na obr. lb - tento pochod je možno označit jako duplexní pochod. Tekutý kov je z rotačních pecí 2 odpíchnut do pánve 4, která stojí na převážecím voze 1.. Z vozu 1 je pánev 4 převezena na zpracování v sekundární metalurgii 6, která může být tvořena například LF (Ladle Fumace - Pánvová pec) stanicí pro korekci teploty a chemického složení, a alternativně ve vakuovacím zařízení s možností dmýchání kyslíku. Závěrečnou fází výroby je odlévání například kontinuální, přičemž zařízení se skládá z otočného stojanu 7, mezipánve 8 a jednotlivých proudů 9 kontilití. Odlévání je možné i na bramovém kontilití nebo do ingotů.

Schéma rotační pece 2 je na obr. 2. Rotační pec 2 stojící na podkladu 10 je tvořena rotační nádobou 11 s čelem 12 s odpichovými otvory. Do čela 12 s odpichovými otvory je zastrčen hořák 13 s injektážní tryskou 14, která je do čela 12 zastrkována pomocí různých mechanismů, umožňujících snadné nasazení. Na tomto příkladě je tímto zařízením otočný mechanismus 15, umožňující snadné odklopení hořáku 13 a injektážního zařízení 14. Nádoba 11 rotační pece 2 je uchycena ve sklopném stojanu 16. Rotace rotační pece 2 je zajištěna pomocí úchytných rotačních válečků 11, umožňujících rotaci v libovolné poloze rotační pece 2. Sklopný stojan 16 rotační pece 2 je uchycen na základové desce 18. Zadní čelo 19 je opatřeno otvorem pro odvod spalin, které jsou vedeny pomocí kouřovodu 20. Rotační pec 2 je sázena ve sklopeném stavu 11b ze zásobníku 21 pomocí dopravníku 22. Sázení je možné i pomocí koryt dopravovaných jeřábem. Rotační pec 2 je možné sklopit do svislé polohy 11 a vhodné například pro opravy vyzdívky 27. Tekutý kov je z pece 2 odpichován do pánve 4, která může být umístěna na převážecím voze 1 nebo může být zavěšena na jeřábu nebo položena na zemi. V některých případech, zejména při slévání dvou nebo více taveb je možno použít licí žlab 25.

Na obr. 3a je znázorněn řez rotační pecí 2 v rovině odpichových otvorů. Rotační pec 2 je tvořena pláštěm 26 s čely 12 a 19. Rotační pec 2 je zevnitř opatřena žáruvzdornou vyzdívkou 27 tvořenou několika vrstvami materiálu včetně tepelně izolační vrstvy. V jednom z čel 12, 19 jsou umístěny odpichové otvory 28 a otvor 29 pro hořák 13. Rotační pec 2 rotuje kolem osy 30 rotace. Čela 12, 19 jsou kplášti 26 rotační pece 1 připevněna pomocí přírub 31. Plášť 26 je zpevněn pomocí výztuh 24, které slouží současně jako nosná část pro otáčení rotační pece 2. Pracovní prostor 23 rotační pece 2 je tvořen vnitřním objemem rotační pece 2.

-6CZ 295780 B6

Na obr. 3b je znázorněn řez rotační pecí 2 v rovině mimo odpichové otvory.

Příklad 1 - Fáze tavení

Zařízení a technologie jsou řešeny tak, aby proces dosahoval optimální tepelné účinnosti a aby se omezila oxidace vsázky na nutné minimum. Pro toto řešení je třeba zajistit vysokou teplotu plamene a intenzivní přestup tepla do taveného kovu a později i do lázně. Obou těchto požadavků je dosahováno v navrhovaném zařízení. Vysoké teploty plamene je dosahováno hořením paliva s kyslíkem nebo s předehřátým kyslíkem obohaceným vzduchem. Intenzivního přestupu tepla je dosahováno kombinací několika mechanismů přestupu tepla

Jedná se zejména o:

• Přímý ohřev kovu při jeho nízké povrchové teplotě.

• Po dosažení povrchové teploty vsázky 900 °C je dominantní mechanismus přestupu tepla změněn na přímý ohřev primární strusky a sálání plamene na kov a vyzdívku27.

• Při dosažení povrchové teploty vsázky nad 800 °C se rotační pec 2 začíná otáčet a tím vznikají podmínky pro další mechanismy přestupu tepla. Jedná se zejména o promíchávání vsázky, která zajistí přesun relativně chladné vsázky na povrch a rozehřáté vsázky z povrchu do objemu vsázky. Rozehřátá vsázka je mícháním vnášena do objemu, kde předává teplo okolní chladnější vsázce. Souběžně s tímto mechanismem dochází i k přestupu tepla z rozehřáté vyzdívky 27 do vsázky vedením při kontaktu vyzdívky 27 se vsázkou.

• Souběžně s kovem je ohřívána i struska. Po dosažení teploty vyšší než 1300 °C je proces veden tak, aby nedocházelo ke styku produktů hoření s kovem a přestup tepla běžel především nepřímo.

Navrhovaný proces tedy spočívá v tavení pevné vsázky pomocí fosilních paliv v podmínkách intenzifíkovaného přestupu tepla. Takové podmínky jsou vytvořeny ve válcové rotační peci 2. Dobrý přestup teplaje zajišťován mícháním vsázky nejen v tekutém stavu, ale i v pevném, a velkou plochou pro přestup tepla - vsázka je ohřívána nejen shora, ale i zespodu.

Tavba v novém typu tavící pece je vedena tak, aby nedocházelo k zbytečné oxidaci kovu. Kov je proti oxidaci chráněn struskou na povrchu kovu a uhlíkem rozpuštěným v tekutém kovu. Zbytečné oxidaci kovu je dále bráněno omezením přímého kontaktu spalin s kovem, kterého je dosahováno řízením směru a délky plamene. Stupeň oxidace kovu je dán potřebou odfosfoření v rotační peci 2.

Uhlík je do kovu dodáván při sázení a dále průběžně jedním ze tří níže specifikovaných způsobů nebo j ej ich kombinací:

• Přísadou uhlíku na povrch strusky a kovu.

• Injektáží uhlíku pod hladinu kovu.

• Injektáží plynného nebo kapalného uhlovodíku pod hladinu kovu.

Při injektáží kapalných nebo plynných uhlovodíků je injektážní zařízení následně inertizováno inertním plynem.

Přísada uhlíku umožňuje řízení obsahu uhlíku v tavenině a tím řízení teplot odpichu. Taveniny s vyšším obsahem uhlíku jsou odpichovány při nižších teplotách Taveniny s obsahem uhlíku ko

-7CZ 295780 B6 lem 0,15 % jsou odpichovány při teplotě minimálně 1560 °C. Taveniny s obsahem uhlíku kolem 1 % jsou odpichovány při teplotě minimálně 1450 °C. Při vyšším obsahu uhlíku odpichová teplota dále klesá.

Příklad 2 - Likvidace odpadů

Možnost přísady uhlíku umožňuje použití navrhovaného zařízení ke zpracování vsázky obsahující oxidy kovů (Fe, Cr, Mn) až do obsahu 50 %. V tomto případě však výrazně klesá produktivita zařízení. Tyto oxidické fáze mohou být přírodního původu (rudy a zbytky nezredukovaného kovu po přímé redukci) nebo mohou být produktem předchozí výroby kovů (odpady). Redukce probíhá ve struskové fázi na rozhraní struska kov.

Příklad 3 - Odfosfoření

Vsázka obsahující větší množství fosforu, než je povolená koncentrace v konečném produktu, je v průběhu procesu oxidována tak, aby vzniklá strusková fáze byla schopna na sebe vázat potřebné množství fosforu. Složení strusky je přibližně 20 % oxidů železa při bazicitě strusky minimálně 2. Tekutý kov má v tomto případě maximálně 0,15 % uhlíku. Za těchto podmínek dosahuje rozdělovači koeficient fosforu mezi struskou a kovem minimálně hodnoty 10. Pro zlepšení odstranění fosforuje možno do strusky přidávat oxidy železa - například okuje. Po odfosfoření je oxidační struska stažena a následně je zvýšen obsah uhlíku v tavenině.

Příklad 4 - Zpracování taveniny s vyšším obsahem uhlíku

Tavenina je odpichována do pánve 4 bez potřeby předběžné dezoxidace, neboť obsah uhlíku brání rozpouštění kyslíku v tavenině. Tavenina připravená výše popsaným postupem je připravena pro následné zpracování a to buď v konvertoru 5 nebo v pánvi 4 s velkým volným prostorem. Oduhličení se provádí dmýcháním kyslíku.

Zpracování v pánvi 4 může být provedeno za sníženého nebo normálního tlaku při probublávání lázně inertním plynem. Snížení tlaku při dmýchání kyslíku je prováděno na hodnoty nad 10 kPa. V závěrečné fázi oduhličení při dmýchání kyslíku může být tlak snížen i pod hodnotu 10 kPa. Po oduhličení je tavenina dále zpracována klasickými postupy sekundární metalurgie 6 v případě, že je pro oduhličení použito zařízení typu VOD nebo RH s dmýcháním kyslíku navazuje další zpracování bezprostředně na fázi oduhličení bez manipulací s pánví 4.

Navrhovaný technologický postup je tedy triplexní rotační pec 2 - oduhličovací zařízení (konvertor 5 nebo pánev 4 s velkým volným prostorem) - sekundární metalurgie 6. Procesům sekundární metalurgie při sníženém tlaku (VOD, RH-OB) je obecně dávána přednost, i když dmýchání kyslíku za normálního tlaku je také možné. Pro obsahy uhlíku v tavenině pod 1 % je ekonomičtější oduhličení v pánvi 4.

Příklad 5 - Zpracování taveniny s nízkým obsahem uhlíku pod 0,5 %

Tavenina je odpichována do pánve 4 bez potřeby předběžné dezoxidace. Podle potřebného snížení obsahu uhlíku je na hladinu kovu v pánvi 4 dmýchán kyslík. Po základním oduhličení následuje zpracování v hlubokém vakuu. Teprve po tomto zpracování ve vakuu je lázeň deoxidována a nalegována na požadované chemické složení. Tento navrhovaný technologický postup je tedy duplexní: rotační pec 4 - sekundární metalurgie 6.

-8CZ 295780 B6

Příklad 6 - Příprava oceli pro kontilití

Tavící agregáty jsou podle potřebného výkonu řazeny vedle sebe. Pro výrobnost pokrývající potřeby současného minimilu, tj. více než 0,5 milionu tun oceli za rok je potřeba nejméně tří rotačních pecí 2. Jednotlivé pánve 4 jsou postupně podle časového harmonogramu transportovány k plynulému odlévání. Požadovaná hmotnost tavby je dosahována v jednom nebo několika tavících agregátech. Odpich ze dvou nebo více rotačních pecí 2 je pak prováděn současně.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (10)

1. Způsob výroby tekuté oceli z pevné vsázky pomocí fosilních paliv v podmínkách intenzifikovaného přestupu tepla, který řeší zvýšení celkové tepelné účinnosti tavení kovonosných surovin při snížení investiční náročnosti procesu a v některých případech rovněž snížení emisí skleníkových plynů, vyznačující se tím, že pevná vsázka jako je šrot, surové železo, produkty přímé redukce, například briketované přímo redukované železo anebo přímo redukované železo, případně oxidy železa přírodního původu nebo odpady z předchozí výroby železa, se nejprve taví pomocí kyslíkového hořáku (13) na fosilní paliva v baterii (1) rotačních pecí (2), přičemž počet pecí (2) v baterii (1) se volí tak, aby byla dosažena požadovaná doba odpichu, přičemž tavba se řídí podle způsobu odfosfoření a odpichuje se s požadovaným obsahem uhlíku a aktivitou kyslíku, obsah uhlíku v kovu v průběhu procesu se řídí jedním ze tří níže specifikovaných způsobů a to sypáním na povrch kovu a strusky, injektáží do objemu kovu a injektáží plynných nebo kapalných uhlovodíků do objemu kovu s tím, že pro odfosfoření roztaveného kovu mimo tavící agregát jsou obsah uhlíku nad 0,15 % a aktivita kyslíku pod 0,02 % hmotnostních, pro odfosfoření roztaveného kovu v tavícím agregátu jsou obsah uhlíku pod 0,15 % a aktivita kyslíku nad 0,02 % hmotnostních, v případě odfosfoření v rotační peci (2) se struska z procesu odfosfoření oddělí od kovu před další zpravidla redukční operací, přičemž ve všech variantách je dokončení zpracování taveniny provedeno mimo tavící agregáty v konvertoru (5) anebo v sekundární metalurgii (6).

2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že tekutý kov s obsahem uhlíku nad 1 % se zpracovává v konvertoru (5) s následným zpracováním v sekundární metalurgii (6), jedná se tedy o triplexní pochod, tj. rotační pec (2) - konvertor (5) - sekundární metalurgie (6), přičemž se tekutý kov v konvertoru (5) zpracovává s minimálním množstvím strusky, neboť roztavený kov po odpichu z rotační pece (2), určený k dalšímu zpracování, neobsahuje křemík nad 0,1 % a hliník nad 0,05%.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že tekutý kov z rotační pece (2) s obsahem uhlíku nad 1 %, obsahem křemíku pod 0,1 % a hliníku pod 0,05 %, se zpracovává v pánvi (4) s velkou volnou výškou nad hladinou kovu - minimálně 1,25 m, při zpracování v pánvi (4) se používá zařízení využívající dmýchání kyslíku na hladinu kovu, přičemž se přednostně používá zařízení využívající sníženého tlaku.

4. Způsob podle nároku 1, vyznač u j í cí se tí m, že tekutý kov s obsahem uhlíku pod 1 % se dále zpracovává v zařízení sekundární metalurgie (6), přičemž se přednostně použije zařízení využívající sníženého tlaku.

5. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že se využívá tepla odcházejících plynů pro předehřev tuhé vsázky nebo kyslíkem obohaceného vzduchu, přičemž alternativa s využitím předehřátého kyslíkem obohaceného vzduchu se využívá zejména pro první fázi tavení, tj. ohřev vsázky s cílem snížit spotřebu kyslíku.

-9CZ 295780 B6

6. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že kov se při tavení chrání struskou nebo je vystaven přímému kontaktu se spalinami a že se přestup tepla zajišťuje jednak vedením tepla přes strusku, sáláním plamene přímo do kovu, na strusku a na vyzdívku (27), dále sáláním vyzdívky (27) a dále přímým kontaktem kovu a strusky s vyzdívkou (27), přičemž posílení radiační složky přestupu teplaje dosaženo karburizací plamene.

7. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že se provádí redukce kovonosných oxidických odpadů na rozhraní struska kov uhlíkem z kovu anebo strusky.

8. Zařízení k provádění způsobu dle nároku 1,vyznačující se tím, že sestává z minimálně dvou rotačních pecí (2), uspořádaných do baterie (1), umožňující dosažení vhodné frekvence odpichů a velikosti tavby pro následné operace zejména kontilití, výše zmíněná rotační pec (2) je tvořena nádobou (11) s pláštěm (26), dvěma vypouklými čely (12, 19) a vnitřní žáruvzdornou vyzdívkou (27), je opatřena na svých koncích ve směru své podélné osy (30) otvory, kde do prvního otvoru je nastrčen kyslíkový hořák (13) na fosilní paliva, který je buď pevný a neumožňuje řízení směru plamene anebo je pohyblivý umožňující řízení směru plamene, k hořákovému otvoru se přidává zařízení pro injektáž, např. injektážní tryska (14) uhlíku nebo dalších přísad zejména struskotvorných, a i tato dodatková zařízení jsou pevná nebo umožňují měnit úhel sklonu, přídavná injektážní zařízení jsou konstrukčně řešena jako integrální součást hořáku (13) nebo jako samostatná zařízení, s možností rychlé výměny, na druhý otvor je napojen odvod spalin, jeden z otvorů je současně sázecím otvorem pevné vsázky, dále je rotační pec (2) vybavena alespoň jedním excentricky umístěným odpichovým otvorem kovu nebo strusky, přičemž celá nádoba (11) je sklopná v příčném směru k ose (30) rotace, odpich se provádí do jedné pánve (4) a to přímo nebo pomocí soustavy licích žlabů (25).

9. Zařízení podle nároku 8, v y z n a č u j í c í se tí m , že baterie (1) rotačních pecí (2) má společné napojení na periferní zařízení jako je např. čistírna odpadních plynů, sázecí zařízení, přívod plynů, atp.

10. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že vyzdívka (27) je tvořená několika vrstvami materiálu včetně tepelné izolační vrstvy, přičemž její ochrana proti cyklické únavě je zabezpečována struskou, která se při otáčení rotační pece (2) nabaluje na její stěny, nebo vhodnou rychlostí otáčení rotační pece (2), zabraňující přehřátí vyzdívky (27) nad hořákem (13).