PL170853B1 - Sposób wytwarzania zelaza gabczastego lub surówki PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1 Sposób wytwarzania zelaza gabczastego lub surówki w piecu posiadajacym kapiel poczatkowa zawierajaca albo zuzel albo stopiony metal, na którym jest warstwa zuzla, w którym surowiec 1 reduktor wprowadza sie do komory pieca, gaz zawierajacy tlen wprowadza sie do zuzla poprzez co najmniej jedna zanurzona od góry lance, a CO i H2 wytwarzane podczas stapiania i jakikolwiek pyl weglowy wynoszony z kapieli przez gaz odpadowy podlegaja dopalaniu, znamienny tym, ze paliwo i inny reduktor wprowadza sie do zuzla z gazem zawierajacym tlen przez przynajmniej jedna zanurzona od góry lance w celu wytworzenia ciepla 1 warunków redukcji w co najmniej jednej strefie redukcji w kapieli, nastepnie reduktor wprowadza sie do pieca z surowcem zawierajacym wegiel i wzbogaca sie go przez wprowadzenie do niego topnika do lub w poblize co najmniej jednej strefy redukcji, tak by surowiec byl poddany redukcji topnienia, po czym kontroluje sie stopien wpro- wadzenia gazu zawierajacego tlen, paliwa i dalszego reduktora przez co najmniej jedna lance, dalej dopala sie w piecu ponad kapiela, i kontroluje sie zawartosc tlenu wprowadzanego do gazu zawierajacego tlen w granicach od 40% do 100% objetosciowo wystarczajacej do uzyskania stopnia spalania od 40 do 50% wagowo paliwa 1 innego reduktora wprowadzanego przez co najmniej jedna lance F IG 2 PL PL PL PL PL

Description

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania żelaza gąbczastego lub surówki z surowców żelazonośnych poprzez bezpośrednią redukcję. Sposób znajduje szczególne zastosowanie w bezpośredniej redukcji surowców o niewielkim stopniu zawartości żelaza, takich jak piaski żelazowe, które obecnie nie są wykorzystywane w celach produkcyjnych. Jednakże, wynalazek znajduje również zastosowanie przy surowcach o większym stopniu zawartości żelaza, takich jak rudy żelaza zazwyczaj podawane tradycyjnej operacji wytapiania. Sposób może być również zastosowany do wytapiania złomu żelaznego.

Wytwarzanie żelaza przy użyciu typowego wielkiego pieca posiada tę wadę, iż wymaga operowania na dużą skalę wielkim wsadem głównym w celu utrzymywania niskich kosztów na tonę produkowanego żelaza. Proces wymaga grubego koksu jako paliwa i reduktora. Jednakże produkcja koksu jest kosztowna i stwarza problemy związane z zanieczyszczeniem środowiska, będącego konsekwencją emisji gazów takich jak siarkowodór oraz gromadzenia się w powietrzu pyłów. Proces wymaga również wsadu w postaci grubych brył a obecną praktyką jest spiekanie wsadu wraz z topnikami. Produkcja w zakładzie spiekalniczym jest także kosztowna i powoduje duże zanieczyszczania środowiska. Generalnie, wytwarzanie surówki w wielkich piecach jest opłacalne jedynie w wielkich hutach, wytwarzających ponad milion ton surówki rocznie.

170 853

Produkcja w elektrycznych piecach rozwija się w mniejszych hutach, wytwarzających od około dwustu tysięcy do miliona ton surówki rocznie. Elektryczne piece pracują zasadniczo z wcześniej zredukowanym wsadem, lub ze złomem żelaznym, a mająca miejsce wielkość redukcji składników żelaza jest zazwyczaj niewielkim elementem procesu. W procesie do tej redukcji wykorzystuje się koks, przez co powstają te same niedogodności co przy procesach wielkopiecowych. W produkcji wykorzystuje się również prąd elektryczny w celu ogrzewania, który jest drogim źródłem w większości procesów wymagających wysokiej temperatury wytopu.

Zaproponowano i udoskonalono pewną ilość procesów bezpośredniego wytopu do stosowania w zakładach doświadczalnych, wymagających bezpośredniego spalania węgla w kąpieli żelazowej lub w kąpieli żużlowej przy częściowym spalaniu w warunkach redukcji czystym tlenem lub poprzez wysoki poziom wzbogacenia tlenem wtryskiwanego paliwa. Te procesy zasadniczo wymagają użycia częściowo zredukowanej rudy żelaza jako wsadu, przez co wymagane jest pośrednictwo wstępnie redukujących urządzeń i operacji, będących częścią procesu. Wymusiło to większą złożoność procesu i większe koszty całkowite.

Jeden z takich bezpośrednich sposobów został ujawniony w opisie patentowym St. Zjedn. nr 5000784 (Trakahashi et al. scedowanym na NKK Corporation). W tym sposobie ruda żelaza jest wstępnie podgrzewana i wstępnie redukowana w piecu do wstępnego ogrzewania i redukcji przy użyciu gazów wytwarzanych w redukcyjnym piecu do wytapiania. Wstępnie zredukowana ruda, materiał węglonośny i topnik są następnie ładowane do redukcyjnego pieca do wytapiania zawierającego roztopiony metal i warstwę żużla i wstępnie zredukowana ruda jest następnie roztapiana i poddawana dalszej redukcji. Redukcja roztopionego metalu osiągana jest przez:

a) użycie górnej lancy przez którą wprowadzany jest tlen do niższego obszaru odwęglania żużla i do wprowadzania tlenu do górnego obszaru podwyższania temperatury żużla,

b) nadmuchiwanie gazu mieszającego przez ściany i trzon redukcyjnego pieca do wytapiania (z boku i od dołu) w taki sposób, że nadmuch oddolny gazu mieszającego powoduje puchnięcie powierzchni stopionego metalu i wchodzenia jej w kontakt z gazem mieszającym nadmuchiwanym z boku co tworzy kropelki stopionego metalu w żużlu: oraz

c) kontrolowanie stopnia przepływu tlenu i gazów mieszających w celu osiągnięcia stopnia utleniania gazu użytego do przejścia przez piec wstępnej redukcji od 0,5 do 1,0. Jednakże w sposobie tym gaz z redukcyjnego pieca do wytapiania nie może osiągnąć stopnia utlenienia 1,0 jeśli ma spowodować wstępną redukcję rudy, ponieważ nie zawiera H₂CO ani innych składników redukujących. Także, zachowanie oddzielnych stref odwęglania i wypalania żużla jak również kontrolowanej dyspersji kropelek metalu w żużlu powoduje konieczność takiego stopnia kontroli w całym procesie, który jest trudny do osiągnięcia i utrzymania i jest wariantem otrzymania wysokiego stopnia redukcji wstępnie zredukowanej rudy do stopionego metalu.

Rozwijające się sposoby generalnie używały dysz dennych do wdmuchiwania paliwa, powietrza i surowca żelazowego do kąpieli metalowej. Wymaga to kosztownego wdmuchiwania pod dużym ciśnieniem i wymusza surowe warunki na ogniotrwałość materiałów w sąsiedztwie dyszy. Niektóre procesy wykorzystują wdmuchiwanie od góry paliwa i powietrza do kąpieli, lecz powoduje to względnie słabe przewodzenie ciepła do kąpieli i względnie wolne reakcje topienia.

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu produkcji żelaza wnoszącego usprawnienia do procesów wykorzystujących surowce o niewielkim stopniu zawartości żelaza, oraz który umożliwia bardziej neutralną dla środowiska produkcję niż typowo stosowane procesy.

Sposób wytwarzania żelaza gąbczastego lub surówki według wynalazku w piecu posiadającym kąpiel początkową zawierającą albo żużel albo stopiony metal, na którym jest warstwa żużla, w którym surowiec i reduktor wprowadza się do komory pieca, gaz zawierający tlen wprowadza się do żużla poprzez co najmniej jedną zanurzoną od góry lancę, a CO i H₂ wytwarzane podczas stapiania i jakikolwiek pył węglowy wynoszony z kąpieli przez gaz odpadowy podlegają dopalaniu, charakteryzuje się tym, że paliwo i inny reduktor wprowadza się do żużla z gazem zawierającym tlen przez przynajmniej jedną zanurzaną od góry lancę w celu wytworzenia ciepła i warunków redukcji w co najmniej jednej strefie redukcji w kąpieli, następnie reduktor wprowadza się do pieca z surowcem zawierającym węgiel i wzbogaca się go

170 853 przez wprowadzenie do niego topnika do lub w pobliżę co najmniej jednej strefy redukcji, tak by surowiec był poddany redukcji topnienia, po czym kontroluje się stopień wprowadzania gazu zawierającego tlen, paliwa i dalszego reduktora przez co najmniej jedną lancę dalej dopala się w piecu ponad kąpielą i kontroluje się zawartość tlenu wprowadzanego do gazu zawierającego tlen w granicach od 40% do 100% objętościowo wystarczającej do uzyskania stopnia spalania od 40 do 50% wagowo paliwa i innego reduktora wprowadzanego przez co najmniej jedną lancę.

Korzystne jest, że wprowadzone paliwo i inny reduktor wybiera się z grupy składającej się z węgla w postaci drobnych cząsteczek, oleju opałowego, naturalnego gazu, LPG - gazu płynnego i ich mieszanin.

Korzystne jest także, że opał i inny reduktor są miałkim węglem wprowadzanym przy użyciu gazu nośnego.

Korzystne jest, że gaz nośny zawiera co najmniej część tlenu potrzebnego do spalania paliwa.

Korzystne jest również, że gaz nośny jest wybrany z grupy składającej się z mieszaniny gazu obojętnego z powietrzem, powietrza wzbogaconego tlenem, tlenu lub gazu obojętnego, a także że gaz nośny jest azotem lub powietrzem wzbogaconym azotem.

Ponadto korzystne jest, że część tlenu wymagana do spalania wprowadza się strumieniem przez lancę oddzielnym od strumienia paliwa i innego reduktora, przy czym mieszanie obu strumieni zachodzi w pobliżu dolnego końca lancy.

Korzystne jest, że część tlenu wprowadzanego oddzielnym strumieniem wybiera się z grupy składającej się z samego tlenu, powietrza i powietrza wzbogaconego tlenem i jest mieszana z gazem obojętnym.

Korzystne jest także, że węgiel wprowadzany do reaktora z surowcem jest w postaci zbrylonej i, że węgiel zbrylony jest wymieszany z surowcem zawierającym żelazo.

Korzystne jest, że węgiel zbrylony wprowadza się w ilości od 20 do 60% wagowych surowca.

Korzystne jest również, że topnik wybiera się spośród wapna, krzemionki i miesza się go z surowcem.

Korzystne jest, że surowiec wprowadza się w sposób ciągły podczas procesu topienia przy ciągłym usuwaniu żużla i żelaza metalicznego i, że surowiec wprowadza się do procesu topienia w sposób ciągły, przy okresowym usuwaniu żużla i żelaza metalicznego.

Korzystne jest także, że redukcje topienia prowadzi się w temperaturze od 1350 do 1500°C i, że każdą lancę chłodzi się cieczą chłodzącą doprowadzaną do niej w czasie redukcji topnienia. Dlatego najlepiej, gdy każda lanca jest wykonana z odpowiedniej stali stopowej, takiej jak stal nierdzewna. Preferowana jest stal stopowa o wysokiej jakości, odporna na korozję i odporna na utlenianie i rozpuszczanie się w żużlach o wysokich temperaturach; przy czym odpowiednie byłyby ASTM 321 o zawartości 0,04% Cu, 1% Mn, 18% Cr, 9% Ni, 0,5% Ti i pomijając przypadkowe zanieczyszczenia reszta Fe i ASTM 316 o zawartości 0,05% Cu, 1% Mn, 17% Cr, 2% Mo, 11% Ni i pomijając przypadkowe zanieczyszczenia, reszta Fe, oraz inne wysoko chromowane stale. Również, zasadniczo konieczne jest chłodzenie lancy, poprzez dostarczenie do niej płynu chłodzącego w czasie operacji wytapiania, a taka lanca może mieć postać zaprezentowaną w naszym międzynarodowym zgłoszeniu PCT/AU90/00466 (W091/05214), złożonym 26 września 1990. Najlepiej, gdy lanca ma postać przedstawioną w naszym uzupełniającym zgłoszeniu patentowym w Australii PK8457, złożonym 20 września 1991 (numer rzeczników IRN228989). Opis każdego z tych odniesień ma związek z niniejszym tekstem i może być czytany jako część opisu niniejszego wynalazku.

Korzystne jest również, że proces dopalania prowadzi się używając tlenu lub gazu zawierającego tlen takiego jak powietrze wzbogacone tlenem wdmuchiwanego do przestrzeni pieca powyżej kąpieli żużla i, że proces dopalania prowadzi się w pobliżu powierzchni kąpieli dla uzyskania wysokiego stopnia przepływu ciepła do kąpieli żużla oraz, że gaz zawierający tlen do dopalania wprowadza się przez co najmniej jedną lancę mającą niższy koniec wylotowy powyżej powierzchni kąpieli.

170 853

Korzystne jest, że gaz zawierający tlen do dopalania wdmuchuje się do powierzchni kąpieli przez rurę osłonową, poprzez którą przechodzi górna lanca zanurzeniowa do paliwa i innego reduktora a rura osłonowa kończy się ponad powierzchnią kąpieli i, że palenie prowadzi się aż do uzyskania stopnia utleniania powyżej 0,2 wyznaczonego stosunkiem (CO2 + H2O) do (Co + H2 + CO2 + H2) oraz, że stopień utlenienia nie przekracza 0,95.

Korzystne jest ponadto, że stopień utlenienia kontroluje się tak, aby osiągnąć maksymalny poziom przepływu ciepła do wytopu, przy czym nie utleniając ponownie kąpieli. Korzystne jest, że surowiec spieka się z topnikiem i zbrylonym węglem i, że co najmniej część surowca i topnika wprowadza się do pieca poprzez jedną lub każdą górną lancę zanurzeniową oraz, że wprowadzając odgórnie tlen osiąga się odpowiednie turbulencje w strefie redukcyjnej z odpowiednim puchnięciem powierzchni kąpieli.

Korzystne jest, że surowiec wybiera się spośród rudy żelaza w postaci bryły, miału, grudek, miałkich grudek, piasków żelazowych, pozostałości żelaza, łusek, pyłów hutniczych, wysokożelazistego żużla i ich mieszanek.

Dla większej przejrzystości sposobu wytwarzania surówki według wynalazku uwidoczniono urządzenia w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok od góry pieca dostosowanego do użycia w sposobie według niniejszego wynalazku, fig. 2 - wzdłużny przekrój poprzeczny wzdłuż linii A-A z fig. 1, fig. 3 - przekrój poprzeczny lancy stosowanej w niniejszym wynalazku, a fig. 4 - powiększony przekrój poprzeczny dolnego końca lancy z fig. 3.

Piec 10 z fig. 1 i 2 składa się zasadniczo z odkrytego zbiornika, posiadającego trzon 12, obwodową boczną ścianę 14 i ścianę sufitową łó.Przyjednym z końców tego zbiornika znajduje się wylot gazów spalinowych 18 wyznaczony częściowo w ścianie 14 i częściowo w ścianie sufitowej 1. Korzystne jest, gdy piec 10 posiada metalową obudowę wyłożoną odpowiednim materiałem ogniotrwałym. Przy jednym z końców, piec 10 posiada otwór spustowy 20, do spuszczania żelaza z warstwy 22 poniżej kąpieli żużlowej 24. Przy innym końcu piec posiada otwory spustowe 26 do spuszczania żużla z warstwy żużla 28 z kąpieli żużlowej 24.

Wzdłuż środka ściany sufitowej 16, piec posiada serie luków lanc 30, w każdy z których włożona jest zanurzona od góry lanca 32. Po obu stronach luków 30 znajdują się luki zasilające 34, służące do dostarczania zawierających żelazo surowców, topników lub, jeśli jest to wymagane reduktora węglowego. Takie doprowadzanie powinno odbywać się w sposób ciągły wraz z zanurzeniowym wdmuchiwaniem od góry przez lance 32.

Każda lanca może być taka, jak przedstawiono w opisie zgłoszenia międzynarodowego nr PCT/AU90/00466 lub korzystniej we wspomnianym wcześniej uzupełniającym australijskim zgłoszeniu patentowym PK8457. Każda z lanc 32 posiada centralny kanał 36, korzystnie składający się z przynajmniej dwóch zasadniczo koncentrycznych rur oraz zewnętrznej rury osłonowej 38 koncentrycznej z kanałem 36. Przy swym górnym końcu każdy kanał 36 jest podłączony (przez zespoły nie pokazane) do zasilania w paliwo/reduktor, takie jak węgiel lub gaz zawierający tlen. Dolny koniec kanału 36 zawiera końcówkę wylotową lub dyszę i jak pokazano jest od góry zanurzony w warstwie żużla 28 w kąpieli żużla. Wdmuchiwanie paliwa/reduktora i zawierającego tlen gazu i również gazu nośnego dla paliwa/reduktora jeśli stosuje się inny niż zawierający tlen gaz, jest wykonywane w taki sposób, by wytwarzać rejony redukcji 40, w których tworzą się pęcherze 42 w warstwie 28. Względne rozmieszczenie luków 30, 34 jest takie, że zasilanie poprzez luki odbywa się nad pęcherzami 42.

Przy swoim górnym końcu, każda rura osłonowa 38 jest podłączona (przez zespoły nie pokazane) do źródła gazu zawierającego tlen. Gaz ten przechodzi w dół przez pierścieniowe przejście pomiędzy rurą 38 i jej kanałem 36. Dolny koniec każdej z rur 38 jest umieszczony powyżej dolnego końca jej kanału 36 tak, że gaz po przejściu w dół tymi przejściami wylatuje z nich do przestrzeni pieca 10a, ponad każdą strefą reakcji 42. Ponowne spalanie lub dopalanie CO i H ulatniających się z kąpieli 24 może dać w rezultacie przekazywanie dużej części energii cieplnej do kąpieli 24.

Ciągłe zasilanie jest stosowane do wszystkich materiałów, podczas gdy spuszczanie warstw 22, 28 może odbywać się w sposób ciągły lub porcjami. Zanurzeniowe wdmuchiwanie

170 853

Ί od góry przez lance 32 dostarcza ciepło w nie utleniających warunkach podczas gdy redukcja odbywa się po części zbrylonym węglem lub węglem miałkim nie zawierającym materiału surowca, wprowadzanymi przez luki 34.

Lanca 50 z fig. 3 i 4 posiada kanał 52 rozciągający się od górnego końcowego przekroju 50a lancy 50 do końcówki 54 w dolnym końcu wylotowym.

Kanał 52 zawiera wewnętrzną i zewnętrzną koncentryczne rury 56,58 oraz trzecią rurę 60 umieszczona współosiowo pomiędzy rurami 56,58. Końcówka 54 jest szczelnie podłączona do obwodu dolnego końca każdej z rur 56, 58. Jednakże, dolny koniec rury 60 kończy się powyżej końcówki 54 tak, że przestrzeń pomiędzy rurami 56, 58 jest podzielona na zewnętrzne i wewnętrzne pierścieniowe przejścia 61,62, które mają połączenie 63, pomiędzy dolnym końcem rury 60 i końcówka 54.

W przekroju górnego końca 50a, przejście 61 jest zamykane przez współpracujące, wzajemnie połączone kołnierze 56a, 60a, rur 56,60. Podobnie, przejście 62 jest zamykane przez pierścieniową promieniową ścianę 58a rury 58, która jest uszczelniona wokół rury 60. Rura 60 posiada wlotowy przyłączeniowy kanał 60b, przez który kanał 52 jest łączony ze źródłem płynu chłodzącego znajdującego się pod ciśnieniem, takiego jak woda tak, że płyn chłodzący jest doprowadzany do przejścia 61. Również rura 58 posiada wylotowy kanał przyłączeniowy 58b, przez który kanał 52 jest połączony z linią wylotową do odprowadzania płynu chłodzącego z przejścia 62. Rozmieszczenie jest takie, że płyn chłodzący do chłodzenia przewodu 52 jest dostarczany przez kanał 60b, by przepływać w dół przez i wokół przejścia 61, a następnie do góry i wokół przejścia 62, aż do odpływu przez kanał 58b. W takim przepływie, płyn chłodzący przepływa w poprzek górnego końca końcówki 54, przez połączenie 63, w celu zapewnienia chłodzenia końcówki 54.

Rura 56 wyznacza otwór 64 rozciągający się od górnego końca rury 56 w przekroju 50a do końcówki 54, przy czym końcówka 54 stanowi przedłużenie otworu 64 do dolnego końca lancy 50. Koncentrycznie wewnątrz rury 56 znajduje się doprowadzająca paliwo rura 66, która rozciąga się od górnego końca lancy 50 do poziomu w jednym z przykładów sąsiadującego z górą końcówki 54. Górny koniec rury 66 jest wkładany do kołnierza 67, przez który jest podłączony do linii zasilania 68. Ta ostatnia może być połączona ze źródłem paliwa i gazu nośnego dla paliwa dla wdmuchiwania paliwa przez lancę 50 rurą 66.

Pomiędzy rurami 56, 66 istnieje pierścieniowe przejście dla gazu, przez otwór 64. Górny koniec rury 56 jest rozszerzony w miejscu 56b i zaopatrzony we wlotowy kanał przyłączeniowy 56c, przez który przejście 70 może być łączone ze źródłem sprężonego tlenu lub zawierającego tlen gazu, w celu umożliwienia wdmuchiwania tego gazu do lancy 50.

Końcówka 54 posiada wewnętrzną obwodową powierzchnię 54a która oprócz tego, że stanowi przedłużenie otworu 64, ma kształt ściętego stożka tak, że idąc w dół i rozszerza prześwit otworu 64 w rurze 56. Zbieżność powierzchni 54a ma półkąt stożka od około 10 do 20 stopni, z powodów powyżej wymienionych. Powierzchnia 54a łączy się z zewnętrzną cylindryczną powierzchnią 54b końcówki 54, w celu wyznaczania ostrej dolnej krawędzi 54c końcówki przy wylocie lancy 50.

Dolny koniec rury 66 może posiadać liczne obwodowo rozstawione trzpienie 72, które sterczą osiowo wewnątrz końcówki 54. Wewnątrz końcówki 54, na trzpieniach 72 przymocowana jest stożkowata przegroda 74 o przekroju poprzecznym zwiększającym się w kierunku dolnego końca lancy 50. Przegroda 74 posiada półkąt stożka podobny do półkąta powierzchni 54a końcówki 54 i powoduje, że strumień paliwa wychodzący z rury 66 rozprzestrzenia się wewnątrz strumienia tlenu wychodzącego z przejścia 70. Przegroda 74 i również powierzchnia 54a końcówki 54 minimalizują wchodzenie żużla do końcówki 54.

Wewnątrz dolnej części przejścia 70 może znajdować się śrubowy zawirowywacz 76 do nadawania obwodowego ruchu wypływającemu stamtąd tlenowi. Zawirowywacz 76 zawiera dwuzwojową śrubową przegrodę osadzoną na rurze 66, o zmniejszającym się skoku w stronę zakończenia 54. Powierzchnia 54a końcówki 54 i przegroda 74 powodują dobre wymieszanie paliwa i tlenu wewnątrz końcówki 54, co jest ponadto wspomagane działaniem zawirowywacza 76. Takie mieszanie i działanie zawirowywacza 76 powoduje również dobre rozprowadzenie

170 853 paliwa i tlenu w żużlu, do którego są wdmuchiwane przez zanurzeniowe wdmuchiwanie od góry z lancy 50.

W górnej części kanału 52 znajduje się koncentrycznie rozmieszczona rura osłonowa 78. Osłonowe przejście 80 jest wyznaczone pomiędzy rurami 58, 76, przy czym to przejście 80 jest zamknięte przy swym górnym końcu przez odpowiednie kołnierze 58d i 78a tych rur. Rura 78 posiada kanał wlotowy 78b, połączony z przejściem 80, który może być podłączony do źródła sprężonego gazu osłonowego, takiego jak zawierający tlen gaz do dopalania ponad kąpielą żużlową, jak to szczegółowo tutaj opisano. Gaz osłonowy może wydobywać się z otwartego dolnego końca przejścia 80 tak, jak wydobywają się gazy w piecu lub reaktorze ponad kąpielą.

Wokół przynajmniej części długości rury 78, znajduje się dodatkowy system chłodzący 82, generalnie rzecz biorąc jest to rozwiązanie opcjonalne. Składa się on z koncentrycznych rur 84, 86, każda zamknięta przy swym górnym końcu, przy czym rura 86 jest również zamknięta przy swym dolnym końcu. Każda rura posiada kanał połączeniowy 84a, 86a, umożliwiający dostarczanie lub odprowadzanie, odpowiednio płynu chłodzącego dodatkowo, identycznie jak to opisano w przypadku obiegu takiego płynu wewnątrz kanału 52. System 82 ulepsza całkowite chłodzenie lancy 50 i, w szczególności rury osłonowej 78, przeciwdziałając oddziaływaniu piecowych i reaktorowych gazów oraz ciepła dopalania.

Lanca 50, do zanurzeniowego wdmuchiwania od góry, powinna wykorzystywać system chłodzący o zewnętrznym obiegu, najlepiej wykorzystujący wodę jako płyn chłodzący. Zapewnia to długi czas poprawnej pracy lancy, zapobiegając konieczności jej częstych napraw. Lanca 50 jest używana do wdmuchiwania paliwa, powietrza i tlenu do kąpieli żużlowej dla dostarczenia ciepła, jak również energicznego mieszania, w celu uzyskania szybkich i wydajnych reakcji. Ma ona szczególną zaletę, gdy jest używana do wdmuchiwania węgla i reduktora z tlenem oraz powietrza, dla wytworzenia warunków silnej redukcji w wysokich temperaturach, takich jakie są wymagane do wytopu i redukcji zawierających żelazo materiałów.

Najlepiej, gdy lanca jest wyprodukowana z wykonanych z nierdzewnej stali rur lub tulei, dla zapobiegania korozji i zapewnienia wytrzymałości na utlenianie w wysokich temperaturach. Końcówka 54 również najlepiej, gdy jest wykonana z nierdzewnej stali, przy czym, jak zaznaczono, jej wewnętrzny półkąt stożka o wartości 10-20 stopni zapobiega blokowaniu przez skrzepnięty żużel. Zewnętrzne chłodzenie wodą utrzymuje niską temperaturę lancy, oraz pożądane jest także w systemie obejmującym lancę niskociśnieniowe chłodzenie cieczą mechanizmu odcinającego i podnoszącego lancę.

Najlepiej, gdy lanca najmniejszą dopuszczalną strefę powierzchniową przy jednoczesnej zdolności do utrzymywania wysokich prędkości przepływu gazu i paliwa. Standardowo strumienie gazu i paliwa mogą przepływać z prędkością z zakresu od 0,05 Mach do 1,0 Mach., najlepiej od 0,3 Mach do 0,5 Mach. Podobnie, wysokie prędkości przepływu chłodziwa umożliwiają minimalizację obszaru powierzchniowego lancy, przy którym przepływ wody jako chłodziwa odbywa się z prędkością od 1 do 5 m/s.

Obecność rury osłonowej 78 na zewnątrz kanału 52 umożliwia wdmuchiwanie powietrza i innych osłonowych gazów ponad kąpiel. Te gazy osłonowe mogą również dostarczać tlen do zachodzących ponad kąpielą reakcji wymaganych dla sprawnego przebiegu procesu i osiągania wystarczającego dopalania tlenku węgla, wodoru i pyłu węglowego, wydobywających się z kąpieli w czasie zanurzeniowego wdmuchiwania od góry. Położenie rury osłonowej 78 jest optymalizowane dla osiągnięcia maksymalnego odzyskiwania ciepła z takich reakcji do kąpieli, przy unikaniu ponownego utleniania kąpieli żużlowej i produktów metalowych.

Obecność zawirowywaczy 76 w drogach powietrznych/tlenowych zwiększa wymieszanie wdmuchiwanych materiałów przed ich wejściem do kąpieli, jak również zapewnia stabilne warunki wypływu dla wdmuchiwanych do kąpieli gazów.

Obecność przegrody 74 zapobiega wpadaniu żużla do zakończenia i blokowaniu przepływu.

Dodatkowy chłodzony wodą górny rejon, wokół kanału 52, może dawać korzyści, jeśli ilość gazu osłonowego wyprowadzanego ponad kąpiel żużlową nie jest wystarczająco duża dla zapobieżenia takiego nagrzewania się rury osłonowej, które może spowodować utlenienie lub

170 853 zniszczenie. Dodatkowe chłodzenie preferowalnie utrzymuje dolny koniec rury osłonowej 78 w temperaturze od 400 do 800 stopni Celsjusza, w zależności od użytych materiałów.

Głównym celem wynalazku jest umożliwienie wdmuchiwania paliwa, reduktora, powietrza i/lub tlenu do kąpieli żużlowej w warunkach, w których lanacajest poddawana minimalnemu zużywaniu się i wymaga minimalnych kosztów. Jednakże, dalszą korzyścią z obecności rury osłonowej 78 jest umożliwienie wdmuchiwania dopalającego powietrza lub tlenu do przestrzeni gazowej ponad kąpielą, w odpowiedniej bliskości punktu wdmuchiwania, dla zapewnienia, by uwalniające się w czasie dopalania ciepło wydajnie ogrzewało kąpiel, przy jednoczesnym zapobieganiu ponownemu utlenieniu składników kąpieli. Ten ostatni cel jest szczególnie związany z wytopem i redukcją zawierających żelazo surowców w celu wyprodukowania metalicznego żelaza, w postaci surówki lub żelaza zawierającego mniej węgla niż surówka.

W celu lepszego zilustrowania wynalazku przedstawiono następujące, nie ograniczające przykłady.

Przykład I. W zakładzie doświadczalnym została przeprowadzona operacja, w której materiał w postaci piasku żelazawego o składzie 46,6% Fe, 7,00% TiO2,13,4% SiCb, 4,5% MgO, 4,0% CaO, 4,45% AI2 O3,0,16% Cr, 0,45% V2Os oraz 0,29% P2O5, został wprowadzony do pieca zanurzoną od góry lancą przez luk zasilający po zmieszaniu z wapnem palonym i zbrylonym węglem i nawodnieniu do poziomu 19,5% H2O w mieszarce śrubowej. Zanurzona od góry lanca paliła się z miałkim węglem, tlenem i powietrzem dla wytworzenia warunków wytopu o silnej redukcji w kąpieli żużlowej. Powietrze zostało wdmuchnięte przez rurę osłonową wokół lancy dla zapewnienia dopalenia CO, H2 i węgla z wydobywających się gazów, tuż ponad kąpielą.

Sposób zasilania był następujący:

szybkość wprowadzania piasków żelazawych 65 kg/h zbrylonego węgla 30 kg/h wapna 6,:5 kg/h szybkość wdmuchiwania miałkiego węgla 150 kjg/h tlenu 85 Nm/h nośnego powietrza 50 do 65 Nm³/h powietrza osłonowego 200 Nm³3h

Temperatura wytopu była w przedziale 1400 - 1450 stopni Celsjusza. Metal i żużel były spuszczone w czasie wytopu. Po całkowitym czasie 19,6 godzin zawartość pieca została całkowicie spuszczona.

Całkowita masa 937,4 kg piasków żelazowych była wprowadzona w czasie wypalania przy poziomie spalania przy zakończeniu lancy o wartości 43%. Poziom wzbogacenia tlenem we wdmuchiwanych gazach miał wartość 60%. Stopień dopalenia przy użyciu powietrza osłonowego miał wartość 25%.

Zostało wyprodukowane żelazo o składzie 94,8% Fe, 2,74% C, 0,11% S, 0,05% V, 0,05% P, przy pozyskaniu żelaza na poziomie 87%. Poziom żelaza pozostawionego w spuszczonym żużlu wynosił 4%.

Przykład II. Materiał w postaci piasków żelazowych o tym samym składzie co w przykładzie I został stopiony w piecu, jak pokazano na fig. 1 i 2 przy szybkości wytopu 80 ton na godzinę. Zbrylony węgiel i wapno palone były wprowadzane do kąpieli z prędkością odpowiednio, 17300 kg/h i 8400 kg/h razem z piaskami żelazowymi i przy 15% zawartości wody aglomerycznej.

Użyto trzech lanc do wdmuchiwania ogółem 29 522 kg/h miałkiego węgla, 15028 Nm3/h i 15413 Nm3/m powietrza do spalania w kąpieli, przy 60% wzbogaceniu tlenem i 45% wypalaniu miałkiego węgla. Osłony lanc zostały użyte do dostarczenia 248460 Nm3/h powietrza do dopalania, co zapewniło 30% odzysk ciepła dopalania do kąpieli.

Spaliny zawierały znaczną ilość ciepła i, jeśliby wszystkie przeszły przez kocioł utylizacyjny, mogłoby wytworzyć wystarczającą ilość pary wodnej potrzebnej do wyprodukowania 40 Mw mocy. Huta wykorzystywała 10 MW mocy głównie do produkcji tlenu, a więc powstawała nadwyżka mocy, jeśli całe ciepło utylizacyjne zostało użyte. Alternatywnie, kocioł utylizacyjny i turbina elektrowni mogą mieć odpowiednie wielkości niezbędne tak do produkowania tlenu

170 853 wymaganego do wytopu, jak i wytwarzania prądu elektrycznego do napędu urządzeń hutniczych. Reszta gazów została wydalona do atmosfery po oczyszczeniu z pyłów.

Zakład produkował 40,7 ton na godzinę żelaza o składzie 95,8% Fe, 4,0% C oraz 32,2 ton na godzinę żużla o składzie 5% Fe, 29,2% CaO, 15,2% SiO²,9,1% Mg, zbrylonego jako odpad. Uzysk żelaza w procesie wyniósł 96,1%.

Miałki węgiel, powietrze nośne i tlen były wdmuchiwane do kąpieli płynnego żużla przez lancę. Ta mieszanina miała 60% poziom wzbogacenia tlenem i 45% stopień spalania. To wdmuchiwanie dostarczało energię niezbędną do topienia w zanurzeniu, jak również do wytwarzania turbulencji i warunków silnej redukcji w kąpieli. Powietrze było wdmuchiwane przez rury osłonowe lancy dla pełnego spalenia Co, H2 i węgla wynoszonych z kąpieli przez wydobywające się gazy. To dopalanie dostarczało energię sponad kąpieli do kąpieli w miejscu, gdzie pojawia się znaczący uzysk. Zawierający żelazo wsad w postaci zbrylonej do miałkiej został zmieszany z topnikiem, którym było wapno palone, reduktorem w postaci zbrylonego węgla i według potrzeb, pewną ilością wody aglomeracyjnej i następnie został wprowadzony przez luki zasilające, jak pokazano na fig. 1 i 2. Najlepiej, gdy pył z pieca jest zawracany do obiegu, z dodanym wapnem palonym.

Wyprodukowane żelazo i żużel o niskiej zawartości żelaza były spuszczane z odpowiednich otworów spustowych po przeciwnych końcach pieca. Metal nadawał się do przetworzenia w stal przez oddzielne zakłady stosujące znane sposoby lub do sprzedaniajako surówka, podczas gdy żużel mógł być granulowany w celach użytkowych lub jako odpad.

Gazy spalinowe wytwarzane w piecu posiadały dużą energię, wystarczającą do wytwarzania od 3 do 4 razy większej mocy, niż moc używana przez zakład, jeśli przeszły przez kocioł utylizacyjny i towarzyszącą mu elektrownię o turbinę parową.

Podsumowując, zrozumiałe jest, że różne zmiany, modyfikacje i/lub dodatki mogą być wprowadzane do konstrukcji i układów, których części zostały tutaj opisane, bez wychodzenia poza ramy wynalazku.

Claims (27)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania żelaza gąbczastego lub surówki w piecu posiadającym kąpiel początkową zawierającą albo żużel albo stopiony metal, na którym jest warstwa żużla, w którym surowiec i reduktor wprowadza się do komory pieca, gaz zawierający tlen wprowadza się do żużla poprzez co najmniej jedną zanurzoną od góry lancę, a CO i H2 wytwarzane podczas stapiania i jakikolwiek pył węglowy wynoszony z kąpieli przez gaz odpadowy podlegają dopalaniu, znamienny tym, że paliwo i inny reduktor wprowadza się do żużla z gazem zawierającym tlen przez przynajmniej jedną zanurzoną od góry lancę w celu wytworzenia ciepła i warunków redukcji w co najmniej jednej strefie redukcji w kąpieli, następnie reduktor wprowadza się do pieca z surowcem zawierającym węgiel i wzbogaca się go przez wprowadzenie do niego topnika do lub w pobliże co najmniej jednej strefy redukcji, tak by surowiec był poddany redukcji topnienia, po czym kontroluje się stopień wprowadzenia gazu zawierającego tlen, paliwa 1 dalszego reduktora przez co najmniej jedną lancę; dalej dopala się w piecu ponad kąpielą, i kontroluje się zawartość tlenu wprowadzanego do gazu zawierającego tlen w granicach od 40% do 100%> objętościowo wystarczającej do uzyskania stopnia spalania od 40 do 50% wagowo paliwa i innego reduktora wprowadzanego przez co najmniej jedną lancę.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wprowadzone paliwo i inny reduktor wybiera się z grupy składającej się z węgla w postaci drobnych cząsteczek, oleju opałowego, naturalnego gazu, LPG i ich mieszanin.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że opał i inny reduktor są miałkim węglem wprowadzanym przy użyciu gazu nośnego.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że gaz nośny zawiera co najmniej część tlenu potrzebnego do spalania paliwa.

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że gaz nośny jest wybrany z grupy składającej się z mieszaniny gazu obojętnego z powietrzem, powietrza wzbogaconego tlenem, tlenu lub gazu obojętnego.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że gaz nośny jest azotem lub powietrzem wzbogaconym azotem.

7.Sposób według zastrz. 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że część tlenu wymagana do spalania wprowadza się strumieniem przez lancę oddzielnym od strumienia paliwa i innego reduktora, przy czym mieszanie obu strumieni zachodzi w pobliżu dolnego końca lancy.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że część tlenu wprowadzanego oddzielnym strumieniem wybiera się z grupy składającej się z samego tlenu, powietrza i powietrza wzbogaconego tlenem i jest mieszana z gazem obojętnym.

9. Sposób według zastrz. 1 albo 8, znamienny tym, że węgiel wprowadzany do reaktora z surowcem jest w postaci zbrylonej.

10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że węgiel zbrylony jest wymieszany z surowcem zawierającym żelazo.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że węgiel zbrylony wprowadza się w ilości od 20 do 60% wagowych surowca.

12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że topnik wybiera się spośród wapna, krzemionki i miesza się go z surowcem.

13. Sposób według zastrz. 1 albo 9, znamienny tym, że surowiec wprowadza się w sposób ciągły podczas topienia przy ciągłym usuwaniu żużla i żelaza metalicznego.

14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że surowiec wprowadza się do procesu topnienia w sposób ciągły, przy okresowym usuwaniu żużla metalicznego.

170 853

15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że redukcje topnienia prowadzi się w temperaturze od 1350 do 1500°C.

16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że każdą lancę chłodzi się cieczą chłodzącą doprowadzaną do niej w czasie redukcji topnienia.

17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces dopalania prowadzi się używając tlenu lub gazu zawierającego tlen takiego jak powietrze lub powietrze wzbogacone tlenem wdmuchiwanego do przestrzeni pieca powyżej kąpieli żużla.

18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że proces dopalania prowadzi się wpobliżu powierzchni kąpieli dla uzyskania wysokiego stopnia przepływu ciepła do kąpieli żużla.

19. Sposób według zastrz. 1 albo 18, znamienny tym, że gaz zawierający tlen do dopalania wprowadza się przez co najmniej jedną lancę mającą niższy koniec wylotowy powyżej powierzchni kąpieli.

20. Sposób według zastrz. 1 albo 18, znamienny tym, gaz zawierający tlen do dopalania wdmuchuje się do powierzchni kąpieli przez rurę osłonową , poprzez którą przechodzi górna lanca zanurzeniowa do paliwa i innego reduktora a rura osłonowa kończy się ponad powierzchnią kąpieli.

21. Sposób według zastrz. 1 albo 20, znamienny tym, że dopalanie prowadzi się aż do uzyskania stopnia utleniania powyżej 0,2 wyznaczonego stosunkiem (CO2+H2O) do (CO+H2+CO2+H2).

22. Sposób według zastrz. 21, znamienny tym, że stopień utlenienia nie przekracza 0,95.

23. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że stopień utlenienia kontroluje się, tak aby osiągnąć maksymalny poziom przepływu ciepła do wytopu, przy czym nie utleniając ponownie kąpieli.

24. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że surowiec spieka się z topnikiem i zbrylonym węglem

25. Sposób według zastrz. 1 albo 8, znamienny tym, że co najmniej część surowca i topnika wprowadza się do pieca poprzez jedną lub każdą górną lancę zanurzeniową.

26. Sposób według zastrz. 1 albo 8 znamienny tym, że wprowadzając odgórnie tlen osiąga się odpowiednie turbulencje w strefie redukcyjnej z odpowiednim puchnięciem powierzchni kąpieli.

27. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że surowiec wybiera się spośród rudy żelaza w postaci bryły, miału, grudek, miałkich grudek, piasków żelazowych, pozostałości żelaza, łusek, pyłów hytniczych, wysokożelazistego żużla i ich mieszanek.