PL188820B1 - Sposób redukcji i topienia związku zawierającego metal - Google Patents

Abstract

1. Sposób redukcji i topienia zwiazku za- wierajacego metal, w którym laduje sie wsad zawierajacy mieszanine zwiazku zawierajacego metal i odpowiedniego reduktora w postaci czastek stalych do podgrzewanej komory pieca indukcyjnego typu tunelowego zawierajacego kapiel metalowa, tak by powstala co najmniej jedna pryzma wsadu powyzej kapieli metalo- wej, znamienny tym, ze z zaladowanego do komory (11) wsadu (15) tworzy sie ciagla war- stwe (19) w postaci pomostu ponad cala kapie- la metalowa (18) i zuzlem (23) oraz strefe re- akcji we wsadzie (15) i redukuje sie w tej stre- fie caly zwiazek zawierajacy metal oraz tworzy sie ponizej strefy redukcji strefe topienia ( 2 2) calego zredukowanego metalu, przy czym re- guluje sie utrzymywanie ciaglej warstwy (19) z tym, ze stosuje sie cala redukcje zwiazku zawierajacego metal w fazie stalej. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji i topienia związku zawierającego metal.

Większość konwencjonalnych sposobów redukcji związku zawierającego metal polega na podgrzewaniu związku zawierającego metal, zwykle tlenku metalu, w obecności reduktora takiego jak odpowiedni związek zawierający węgiel lub podobny. Związek zawierający metal i reduktor są zwykle razem zwane wsadem.

W znanych sposobach podgrzewanie zachodzi zwykle tak szybko, że co najmniej znaczna część wsadu ulega stopieniu zanim zakończą się reakcje redukcji. Znaczna część redukcji zachodzi więc w fazie płynnej.

Na tak roztopionym wsadzie tworzy się żużel, który oprócz tlenków metalu zawartego w związku zawiera także tlenki innych metali, które mogą być także obecne we wsadzie.

188 820

W celu odzyskania związku zawierającego metal z jego tlenku w żużlu konieczne jest załadowanie dodatkowej ilości reduktora do reakcji, co może spowodować zwiększenie zawartości produktu metalowego z niepożądanie dużą zawartością węgla.

Tak duża zawartość węgla w produkcie jest zwykle następnie usuwana poprzez utlenianie albo dzięki dodaniu do produktu tlenu w postaci gazowej lub powietrza, albo przez utylizację odpowiedniego tlenku metalu w środowisku reakcji. Reakcja utleniania również zachodzi w fazie płynnej.

Jest zrozumiałe, że oprócz wymaganego wstępnego dodania nadmiaru reduktora konieczne jest następnie utlenienie tego nadmiaru, co powoduje konieczność zastosowania dodatkowego etapu sposobu.

W wyniku opisanych reakcji redukcji i utleniania powstaje na powierzchni ciekłego metalu i żużla stosunkowo duża ilość niepożądanego gazu, który następnie uwalnia się w postaci pęcherzy z ciekłego metalu i żużla.

W opisie patentowym US-A-5 411 570 ujawniony jest sposób produkcji stali, w którym wsad doprowadza się do pieca w dwóch porcjach, które pozostają oddzielone od siebie warstwą żużla pływającego na powierzchni kąpieli metalowej. W takim przypadku możliwe jest, że wsad przemieści się bezpośrednio do kąpieli metalowej lub do żużla, który może być obecny, tak więc co najmniej część redukcji wsadu następuje w fazie ciekłej, co nie tylko powoduje powstanie niepożądanego gazu w piecu, ale również potencjalne straty produktu.

Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji i topienia związku zawierającego metal, w którym ładuje się wsad zawierający mieszaninę związku zawierającego metal i odpowiedniego reduktora w postaci cząstek stałych do podgrzewanej komory pieca indukcyjnego typu tunelowego zawierającego kąpiel metalową, tak by powstała co najmniej jedna pryzma wsadu powyżej kąpieli metalowej, charakteryzujący się tym, że z załadowanego do komory wsadu tworzy się ciągłą warstwę w postaci pomostu ponad całą kąpielą metalową i żużlem oraz strefę reakcji we wsadzie i redukuje się w tej strefie cały związek zawierający metal oraz tworzy się poniżej strefy redukcji strefę topienia całego zredukowanego metalu, przy czym reguluje się utrzymywanie ciągłej warstwy, z tym, że stosuje się całą redukcję związku zawierającego metal w fazie stałej.

Wsad ładuje się do komory przez oddalone od siebie otwory wsadowe i formuje się oddalone od siebie pryzmy wsadu wewnątrz komory, po czym podstawy pryzm łączy się ze sobą.

Ciągłą warstwę tworzy się poprzez regulowanie wielkości pryzm wsadu wewnątrz komory i przez odpowiednie usytuowanie otworów, przez które wsad ładuje się do komory, poprzez regulowanie ilości wlotów i szybkości, z jaką wsad jest przez nie ładowany oraz przez regulację poziomu ciekłego metalu w komorze.

Proces prowadzi się przez regulację co najmniej jednego z takich parametrów jak rozkład i szybkość ładowania wsadu do komory, wielkość cząsteczek wsadu, stopień wymieszania wsadu, ilość ciepła dostarczana do komory, przy czym stosuje się cząsteczki wsadu przechodzące przez sito o otworach 10 mm, korzystnie 6 mm, a najkorzystniej 3 mm.

Spala się CO powstały podczas redukcji związku zawierającego metal i przenikającego przez wsad, powyżej wsadu oraz utylizacji wytworzonego podczas tej reakcji ciepła.

Do spalania stosuje się tlenowe i powietrzne palniki umieszczone w komorze powyżej wsadu.

Stosuje się metal zawarty w związku zawierającym jeden lub więcej metali takich jak żelazo, chrom, magnez, miedź, ołów.

Korzystnie w związku zawierającym metal stosuje się żelazo.

Ponieważ w sposobie według wynalazku, nie zachodzą wspomniane wcześniej reakcje w fazie płynnej, powstawanie niepożądanego gazu jest praktycznie wyeliminowane, a również nie tworzą się pęcherze w kąpieli metalowej ani w powstałym żużlu, co jest wskaźnikiem, że proces jest właściwie prowadzony.

Korzystnym jest również, że proces może być prowadzony w taki sposób, że nie ma właściwie żadnej potrzeby usuwania jakiegokolwiek nadmiaru reduktora, dzięki czemu redukuje się ilość etapów procesu w stosunku do znanych sposobów.

Co więcej, zgodnie ze sposobem według wynalazku, regulowanie procesu prowadzi się przez kontrolę co najmniej jednego z wymienionych parametrów, sposób i szybkość ładowa4

188 820 nia wsadu do komory, wielkość cząsteczek wsadu, stopień wymieszania wsadu, ilość ciepła dostarczoną do komory.

Ponieważ zgodnie ze sposobem według wynalazku wsad ładuje się do komory w takim rozłożeniu i z taką szybkością, że pokrywa się nim całą kąpiel i cały żużel, który jest tam obecny, zapobiega się wejściu w bezpośredni kontakt nie przereagowanego wsadu z ciekłym metalem lub żużlem. Takie „krótkie spięcie”, które mogłoby spowodować powstanie co najmniej kilku reakcji zachodzących w fazie ciekłej, jest więc faktycznie wyeliminowane.

Gdy wsad jest, na przykład, ładowany do komory przez oddalone od siebie otwory wlotowe formując oddalone od siebie pryzmy wewnątrz komory, sposób zawiera etap mający na celu spowodowanie, że ładowanie wsadu przebiega tak, by podstawy pryzm łączyły się ze sobą, aby utworzyć ciągłą warstwę wsadu rozprzestrzeniającą się w postaci pomostu ponad kąpielą i żużlem. Taki pomost zabezpiecza materiał wsadowy obsuwający się z pryzm przed wejściem w bezpośredni kontakt z ciekłym metalem lub żużlem.

Fakt, że pomost się uformował, może być ustalony w każdy odpowiedni sposób, na przykład optycznie lub dzięki obrazowi przekazanemu przez urządzenie rejestrujące, takie jak kamera i tym podobne. W praktyce taka rejestracja optyczna może być przeprowadzona przez włożenie sztywnego elementu w postaci głębokościomierza prętowego od góry komory do wsadu.

Tworzenie pomostu zachodzi przez regulowanie rozmiarów pryzm wsadu wewnątrz komory lub alternatywnie i/lub dodatkowo, może być to osiągnięte przed odpowiednie usytuowanie otworów, przez które wsad ładuje się do komory i/lub poprzez regulowanie ilości wlotów i szybkości, z jaką wsad jest przez nie ładowany.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku wielkość cząsteczek wsadu jest tak dobrana, by przechodzić przez sito o otworach 10 mm, korzystnie 6 mm, a najkorzystniej 3 mm. Odkryto, że gdy użyje się cząsteczek o tak małej wielkości, całość poszczególnej cząsteczki ulega redukcji do odpowiedniego metalu w strefie reakcji uzyskując postać stałą, zanim temperatura cząsteczkowa podniesie się do wymaganej dla topienia nie zredukowanych tlenków, które mogą być obecne w danej cząsteczce.

Istnieje niewielka możliwość, że ciekły metal w postaci tlenku metalu ulegnie topieniu w niższej temperaturze niż temperatura topienia metalu i uwolni się z cząsteczki w postać żużla.

Tak więc, na przykład, w przypadku żelaza, jądro cząsteczki zwykle zawiera FeO, które topi się w temperaturze 1378°C, podczas gdy otoczka cząsteczki zawiera Fe, które topi się w temperaturze 1535°C. Jeśli więc użyje się większych cząsteczek niż przewidziane, temperatura jądra takiej cząsteczki może podnieść się do wymienionej 1378°C zanim całe Fe lub FeO w cząsteczce zostanie zredukowane, co może prowadzić do ucieczki płynnego FeO z jądra.

Ponieważ opisane reakcje w strefie stałej są regulowane dyfuzją, maksymalny konieczny stopień dostarczania ciepła będzie funkcją wielkości cząsteczki i stopnia wymieszania składników wsadu, stopień ten korzystnie powinien być taki, by wsad zawiera! jednorodną mieszaninę.

Co więcej, zgodnie ze sposobem według wynalazku, proces zawiera etap spalania powyżej wsadu CO powstałego podczas redukcji związku zawierającego metal i przenikającego przez wsad.

Spalanie to może, na przykład, być prowadzone przez odpowiednie tlenowe lub powietrzne palniki umieszczone w komorze powyżej wsadu.

Korzystnym jest, że powstałe w ten sposób ciepło służy do podniesienia temperatury wewnątrz komory, głównie poprzez promieniowanie górnej powłoki komory.

Korzystnie komora zawiera część grzewczą typu tunelowego pieca indukcyjnego.

W innych wariantach wykonania metal zawarty w związku zawierającym metal może zawierać lub stanowić inny odpowiedni metal taki jak chrom i/lub magnez, i/lub miedź, i/lub cynk, i/lub ołów i tym podobne.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia przekrój pieca według wynalazku.

W wykonaniu tym zastosowany jest indukcyjny piec typu tunelowego 10 zawierający wydłużoną rurową komorę 11 o przekroju okrągłym i zaopatrzony wzdłuż podstawy w dwa rzędy elektrycznych induktorów 12, przy czym każdy rząd zawiera pięć induktorów 12 o mocy 2,2 MW każdy.

188 820

Komora 11 ma dwa równolegle usytuowane rzędy otworów wlotowych, z których tylko dwa otwory, 13 i 14 są przedstawione na rysunku, ciągnące się wzdłuż przeciwległych stron komory 11. Otwory te używane są do wprowadzania wsadu 15 do pieca 10 dla formowania dwóch ciągnących się wzdłużnie pryzm 16 i 17 pływających nad kąpielą metalową 18. Jeśli konieczne, kąpiel metalowa 18 jest wstępnie wprowadzona do komory 11 przez otwór wlotowy, nie przedstawiony na rysunku.

Wsad 15 zawiera jednorodną mieszaninę w postaci cząsteczkowej związku zawierającego węgiel, przykładowo takiego jak węgiel kamienny i tlenek żelaza. Związek zawierający węgiel charakteryzuje się stężeniem trochę mniejszym niż ilość stechiometryczna węgla konieczna dla redukcji rudy, przy czym cząsteczki wsadu 15 mają wielkość umożliwiającą przejście przez sito o otworach 3 mm.

Wsad 15 jest wprowadzany do komory 11 w taki sposób i z taką szybkością, żeby podstawy pryzm 16 i 17 łączyły się między sobą, aby utworzyć pomost 19 z metalu wsadowego rozciągający się ponad kąpielą metalową 18.

Fakt, że pomost 19 został uformowany może być ustalony na przykład optycznie przy użyciu głębokościomierza prętowego, który wprowadza się z góry komory 11 lub przez odpowiednie okno kontrolne (nie pokazane) w ścianie komory 11.

Komora 11 jest również zaopatrzona w górnej części w wiele palników tlenowych, z których jedynie dwa palniki, 20 i 21 są pokazane, dzięki którym CO powstałe w reakcji i przenikające przez górną warstwę wsadu 15 może być dopalone.

W czasie działania tworzy się strefa reakcji we wsadzie znajdującym się pryzmach 16 i 17 rozciągająca się od podstawy pryzm do ich wierzchołków. Jednocześnie powstaje strefa topienia 22 rozciągająca się pomiędzy podstawami pryzm 16 i 17 i górną powierzchnią kąpieli metalowej 18. Podczas reakcji zredukowany wsad 15 przemieszcza się pod wpływem grawitacji ze strefy reakcji w kierunku strefy topienia 22.

Żużel, który powstaje podczas topienia, pływa na powierzchni kąpieli metalowej 18 w tunelu 23, który również rozciąga się poniżej strefy topienia 22. Tunel 23 prowadzi do otworu wylotowego (nie pokazanego) w komorze 11, przy czym otwory wlotowe wsadu 13 i 14 są tak umiejscowione w stosunku do otworu wylotowego, że żużel w tunelu 23 przepływa w jego kierunku.

Podczas trwania procesu pomost 19 służy do uniemożliwienia opadnięcia materiału wsadowego 15 bezpośrednio z pryzm 16 i 17 na żużel w tunelu 23 lub na materiał ciekły w kąpieli 18, zapobiegając jakiemukolwiek „krótkiemu spięciu”.

Ciepło dostarczane do kąpieli 18 poprzez induktory 12 rozprasza się we wsadzie 15 w pryzmach 16 i 17 i razem z ciepłem ze spalania CO przez palniki 20 i 21 wywołuje reakcję tlenku żelaza i węgla z wsadu 15, która powoduje redukcję tlenku żelaza. Prawie cała redukcja, która ma miejsce w fazie stałej, zachodzi w najwyższej 20 mm warstwie pryzm 16 i 17, głównie dzięki ciepłu dostarczonemu do tej warstwy ze spalania CO w palnikach 20 i 21. W tym samym czasie zredukowane żelazo w stanie stałym rozpuszcza się w strefie 22, z której, pod wpływem grawitacji, przemieszcza się do kąpieli 18.

Należy zauważyć, że oprócz ominięcia problemów wspomnianych na wstępie niniejszego opisu, na które napotykają znane sposoby, dodatkową korzyścią wynikającą ze sposobu według wynalazku jest to, że ponieważ można w nim stosować wsad o cząsteczkach o tak małej wielkości, może być użyty dla wsadów, które w innych wypadkach mogłyby być użyte tylko po poprzedniej granulacji i/lub spiekaniu.

Oczywiście istnieje wiele możliwych wariantów w szczegółach przy stosowaniu sposobu redukcji i topienia związku zawierającego metal według wynalazku i w urządzeniu do prowadzenia tego procesu, które nie mają wpływu na pomysł wynalazczy i/lub zakres załączonych zastrzeżeń.

188 820

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób redukcji i topienia związku zawierającego metal, w którym ładuje się wsad zawierający mieszaninę związku zawierającego metal i odpowiedniego reduktora w postaci cząstek stałych do podgrzewanej komory pieca indukcyjnego typu tunelowego zawierającego kąpiel metalową, tak by powstała co najmniej jedna pryzma wsadu powyżej kąpieli metalowej, znamienny tym, że z załadowanego do komory (11) wsadu (15) tworzy się ciągłą warstwę (19) w postaci pomostu ponad całą kąpielą metalową (18) i żużlem (23) oraz strefę reakcji we wsadzie (15) i redukuje się w tej strefie cały związek zawierający metal oraz tworzy się poniżej strefy redukcji strefę topienia (22) całego zredukowanego metalu, przy czym reguluje się utrzymywanie ciągłej warstwy (19) z tym, że stosuje się całą redukcję związku zawierającego metal w fazie stałej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ładuje się wsad (15) do komory (11) przez oddalone od siebie otwory wlotowe (13,14) i formuje się oddalone od siebie pryzmy (16, 17) wsadu (15) wewnątrz komory (11), po czym podstawy pryzm łączy się ze sobą.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ciągłą warstwę (19) tworzy się poprzez regulowanie wielkości pryzm (16,17) wsadu wewnątrz komory (11).
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ciągłą warstwę (19) tworzy się przez odpowiednie usytuowanie otworów (13, 14), przez które wsad (15) ładuje się do komory (U), poprzez regulowanie ilości wlotów (13, 14) i szybkości, z jaką wsad (11) jest przez nie ładowany oraz przez regulację poziomu ciekłego metalu (18) w komorze (11).
5. 5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że proces prowadzi się przez regulację co najmniej jednego z takich parametrów jak rozkład i szybkość ładowania wsadu (15) do komory (11), wielkość cząsteczek wsadu (15), stopień wymieszania wsadu (15), ilość ciepła dostarczona do komory (11).
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że stosuje się cząsteczki wsadu (15) przechodzące przez sito o otworach 10 mm, korzystnie 6 mm, a najkorzystniej 3 mm.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dopala się CO powstały podczas redukcji związku zawierającego metal i przenikający przez wsad, powyżej wsadu oraz utylizuje się ciepło wytworzone podczas tej reakcji.
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że do spalania stosuje się tlenowe i powietrzne palniki (20, 21) umieszczone w komorze (11) powyżej wsadu (15).
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się metal zawarty w związku zawierającym jeden lub więcej metali takich jak żelazo, chrom, magnez, miedź, ołów.
10. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że w związku zawierającym metal stosuje się żelazo.