PL196624B1

PL196624B1 - Sposób wytwarzania metalicznego żelaza

Info

Publication number: PL196624B1
Application number: PL359526A
Authority: PL
Inventors: Mitsutaka Hino; Isao Kobayashi; Shoichi Kikuchi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2008-01-31
Also published as: EP1307596B1; AU7774001A; ES2258095T3; CN100390303C; KR20020037773A; RU2244015C2; ZA200202624B; WO2002012570A3; PL359526A1; TW565618B; AU784378B2; ATE317917T1; UA74565C2; KR100470089B1; EP1307596A2; BR0107120B1; DE60117269D1; CA2387343C; CN1623003A; DE60117269T2

Abstract

1. Sposób wytwarzania metalicznego zelaza przez ogrzewanie, redukowanie i roztapianie mieszaniny surowców zawieraj acej czynniki redukuj ace zawieraj ace w egiel i substancj e zawieraj ac a tlenek zelaza, znamienny tym, ze reguluje si e udzia l frakcji ciek lej w zawiera- j acym faz e stala wspó listniej ac a z faz a ciek l a zu zlu zawieraj acym wielosk ladnikow a ska le p lonn a, aby przyspieszy c roztapianie wytwo- rzonego metalicznego zelaza w postaci sta lej, przy czym podczas naw eglania i roztapiania udzia l frakcji ciek lej w zu zlu reguluje si e w za- kresie wynosz acym 50-80% masowych. PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196624 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 359526 ⁽¹³⁾ (22) Data zgłoszenia: 09.08.2001 ^{(51) Int.Cl.}

C21B 13/10 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: C21B 13/00 (2006.01)

09.08.2001, PCT/JP01/06863 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

14.02.2002, WO02/12570 PCT Gazette nr 07/02 (54)

Sposób wytwarzania metalicznego żelaza

(30) Pierwszeństwo:	(73) Uprawniony z patentu: KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO, Hyogo,JP
09.08.2000,JP,2000-241485 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 23.08.2004 BUP 17/04	(72) Twórca(y) wynalazku: Mitsutaka Hino,Miyagi,JP Isao Kobayashi,Osaka,JP Shoichi Kikuchi,Osaka,JP
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.01.2008 WUP 01/08	(74) Pełnomocnik:
	Wierzchoń Jan, JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY, BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH

⁽⁵⁷⁾ 1. Sposób wytwarzania metalicznego żelaza przez ogrzewanie, redukowanie i roztapianie mieszaniny surowców zawierającej czynniki redukujące zawierające węgiel i substancję zawierającą tlenek żelaza, znamienny tym, że reguluje się udział frakcji ciekłej w zawierającym fazę stałą współistniejącą z fazą ciekłą żużlu zawierającym wieloskładnikową skałę płonną, aby przyspieszyć roztapianie wytworzonego metalicznego żelaza w postaci stałej, przy czym podczas nawęglania i roztapiania udział frakcji ciekłej w żużlu reguluje się w zakresie wynoszącym 50-80% masowych.

FIG. 1

o :	Materiał węglowy A	▲ : Materiał węglowy D
• ;	Materiał węglowy B	♦: Grafit
0:	Materiał węglowy C	—: Likwidus Fe-C

PL 196 624 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania metalicznego żelaza.

Prowadzono wiele badań dotyczących sposobu bezpośredniego wytwarzania żelaza przez tworzenie mieszaniny surowcowej zawierającej źródło tlenku żelaza (takie jak ruda żelaza) i węglowe czynniki redukujące (takie jak koks), grzanie tej mieszaniny w celu zredukowania tlenku żelaza w źródle tlenku żelaza za pomocą węglowych czynników redukujących i oddzielanie wytworzonego metalicznego żelaza od wytworzonego składnika żużlowego, by wytworzyć metaliczne żelazo.

Opracowano następujący sposób, jako wynik tych badań. Sposób ten obejmuje, przy wytwarzaniu metalicznego żelaza przez ogrzewanie i redukowanie brył zawierających węglowe czynniki redukujące i tlenek żelaza, redukcję tlenku żelaza w stanie stałym przez grzanie, aby wytworzyć i powodować wzrost powłoki z metalicznego żelaza, kontynuowanie redukcji w stanie stałym, aż zasadniczo wewnątrz nie będzie tlenku żelaza, a ponadto kontynuowanie grzania, by spowodować wypłynięcie wytworzonego żużla z powłoki z metalicznego żelaza, po czym następuje oddzielenie metalicznego żelaza od żużla.

Przy przeprowadzaniu powyższego sposobu, część powłoki z metalicznego żelaza może być roztopiona, aby spowodować wypłynięcie roztopionego materiału z powłoki z metalicznego żelaza. W tym czasie, aby roztopić część lub całość powłoki z metalicznego żelaza, węgiel uzyskany z węglowych czynników redukujących, obecny wewnątrz powłoki z metalicznego żelaza, może być rozpuszczany w metalicznym żelazie (zjawisko to jest czasami nazywane nawęglaniem), aby na skutek tego obniżyć temperaturę topnienia powłoki z metalicznego żelaza.

Metaliczne żelazo o dużej czystości otrzymane powyższym sposobem i wytworzony żużel są chłodzone i krzepną, by rozkruszyć żużel, a zakrzepłe cząstki metalicznego żelaza są sortowane magnetycznie lub przez przesiewanie, albo też metaliczne żelazo jest oddzielane od żużla przez ogrzewanie i topienie, przy czym dzięki różnicy gęstości otrzymuje się materiał o wysokiej czystości powyżej 95% masowych albo powyżej 98% masowych. Ponadto, powyższe rozwiązanie dotyczy sposobu przeprowadzania redukcji tlenku żelaza w stanie stałym, dzięki czemu można zmniejszyć ilość roztopionego FeO w wytworzonym żużlu do minimum, przez co chroni się materiały ogniotrwałe pieca przed erozją i/lub korozją powodowaną przez roztopiony FeO. Oczekuje się, że powyższy sposób będzie w praktyce korzystny z punktu widzenia konserwacji urządzeń.

Sposób obejmujący chłodzenie i krzepnięcie wytworzonego metalicznego żelaza i wytworzonego żużla, kruszenie wytworzonego żużla i następnie otrzymywanie cząstek metalicznego żelaza przez sortowanie magnetyczne lub przesiewanie wydaje się lepiej nadawać do zastosowania na skalę przemysłową, w porównaniu ze sposobem rozdzielania ich na skutek różnicy gęstości po roztopieniu. W sposobie z roztapianiem i rozdzielaniem, konieczne jest podgrzanie do wysokiej temperatury w celu roztopienia, do czego potrzeba dużej ilości energii cieplnej, a ponadto po rozdzieleniu część roztopionego żelaza przechodzi do roztopionego żużla na powierzchni międzyfazowej, przez co zmniejsza się wydajność wytwarzania metalicznego żelaza. Z drugiej strony przy stosowaniu sposobu otrzymywania cząstek metalicznego żelaza przez kruszenie, sortowanie magnetyczne lub przesiewanie energia cieplna jest niepotrzebna, a ponadto łatwo jest skonstruować system ciągłego rozdzielania na skalę urządzeń do produkcji żelaza i można również zmniejszyć do minimum straty żelaza.

Według opisanego powyżej sposobu w etapie grzania i redukcji wytwarzana jest powłoka z metalicznego żelaza, a wewnątrz tej powłoki powstaje silnie redukująca atmosfera, dzięki czemu skutecznie przeprowadzana jest metalizacja. Jednakże według późniejszych badań potwierdzone zostało, że kiedy w sąsiedztwie brył surowca silniej redukująca atmosfera jest utrzymywana dzięki dużej ilości gazowego CO, wytwarzanego przez spalanie węglowego materiału redukującego zawartego w bryłach surowca, taka powłoka z metalicznego żelaza nie jest zawsze konieczna.

Z drugiej strony, jeśli chodzi o regulowanie składu wytwarzanego żużla, by przyspieszyć oddzielanie się metalicznego żelaza przy bezpośrednim wytwarzaniu żelaza sposobem opisanym powyżej, zaproponowano kilka sposobów.

Przykładowo, jest znany sposób wykorzystywania pyłu jako źródła tlenku żelaza po zmieszaniu z materiał em wę glowym (wę glowe czynniki redukują ce) i dodatkowym materiał em (czynnik tworzą cy żużel), z regulowaniem składu wytwarzanego żużla w zakresie 1,4-1,6 stosunku CaO/SiO2 (zasadowość), z poddawaniem tej mieszaniny grzaniu i redukowaniu przy 1250-1350°C, w celu wytworzenia metalicznego żelaza, oraz z oddzielaniem cząstek metalicznego żelaza od żużla zawierającego FeO o niskiej temperaturze topnienia.

PL 196 624 B1

Jednakże jest to sposób z wykorzystywaniem pyłu jako źródła tlenku żelaza, a regulowanie zasadowości według tego sposobu odbywa się w czasie początkowego przygotowania surowca. Przy tym sposobie nie uwzględnia się zachowania się żużla wytworzonego podczas ogrzewania i redukowania, to znaczy wtedy, gdy wytworzony żużel przechodzi do stanu roztopionego w etapie współistnienia fazy stałej i fazy ciekłej, wpływając na przyspieszenie oddzielenia wytworzonego metalicznego żelaza. Ponadto, według tego sposobu żużel o niskiej temperaturze topnienia, zawierający FeO, jest wykorzystywany do przyspieszenia oddzielenia się metalicznego żelaza, ale sposób z zastosowaniem roztopionego żużla zawierającego FeO związany jest z wieloma problemami podanymi poniżej.

Po pierwsze, roztopiony żużel zawierający roztopione FeO poważnie szkodzi ogniotrwałej wymurówce trzonu pieca.

Po drugie, roztopiony FeO wchodzi w kontakt z materiałem węglowym, na skutek czego następuje reakcja redukcji, która jest reakcją endotermiczną, przez co regulowanie temperatury jest utrudnione.

Po trzecie, ponieważ metaliczne żelazo wytwarzane przy kontaktowej reakcji pomiędzy roztopionym FeO w żużlu a materiałem węglowym jest rozproszone w postaci drobnych granulek w żużlu, praca mająca na celu schłodzenie i zakrzepnięcie tego metalicznego żelaza wraz z żużlem jest bardzo skomplikowana.

Pożądane jest zatem sprawne odbieranie metalicznego żelaza z równoczesnym zmniejszeniem wytwarzania roztopionego FeO w żużlu.

Jest znany dalszy sposób, polegający na załadunku mieszaniny surowców, zawierającej drobnoziarnistą rudę żelaza i czynniki redukujące w postaci stałej na ruchomy trzon pieca, gdzie mieszaninę tę ogrzewa się i redukuje w celu wytworzenia metalicznego żelaza, przy czym uprzednio umieszcza się drobnoziarniste czynniki redukujące w postaci stałej na trzonie pieca, a grzanie i redukcję prowadzi się w etapie, gdy ruda żelaza jest usytuowana w niewielkiej sekcji na nim bez bezpośredniego kontaktu z trzonem, przy czym zredukowane żelazo roztapia się co najmniej raz na trzonie. Według tego sposobu, celem umieszczenia w niewielkiej sekcji, jak podano powyżej, jest uniemożliwienie, by roztopiona substancja, zawierająca wytworzone metaliczne żelazo przez grzanie i redukcję oraz żużel, stopiła się lub przywarła do powierzchni trzonu, powodując korozję trzonu pieca. Jednakże do przeprowadzenia sposobu opisanego powyżej potrzebny jest nie tylko skomplikowany sprzęt dla utworzenia niewielkiej sekcji lub ładowania surowca do tej niewielkiej sekcji, ale również potrzebna jest duża ilość drobnoziarnistych substancji redukujących w postaci stałej, w związku z czym sposobu tego nie należy traktować jako praktycznego rozwiązania z punktu widzenia wydajności surowca. Ponadto, według tego sposobu utworzenie niewielkiej sekcji raczej przyspiesza stopienie i sklejenie się roztopionej substancji z powierzchnią trzonu pieca, utrudniając odprowadzanie wytworzonych substancji.

Ponadto, powyższy sposób przewiduje środki zapobiegania uszkodzeniu przy założeniu, że roztopiona substancja, wytworzona przez grzanie i redukcję, mogłaby spowodować uszkodzenie ogniotrwałego materiału trzonu pieca. Jest jednak raczej ważne dla rzeczywistego działania, by zmniejszyć dużą ilość drobnoziarnistych czynników redukujących w postaci stałej. Ponadto, również z punktu widzenia opłacalności i konstrukcji urządzeń, pożądane jest, by powstał sposób zmniejszania uszkodzeń ogniotrwałego materiału trzonu pieca powodowanych przez sam żużel tak, że nawet po ochłodzeniu i zakrzepnięciu żużel lub metaliczne żelazo nie przywiera do powierzchni trzonu pieca.

Jest znany inny sposób regulowania zasadowości żużlowego składnika w surowcu w zakresie 0,4-1,3, regulowania nie krótszego niż 1/3 czasu potrzebnego do grzania i redukcji na trzonie pieca do zakresu temperatury 1200-1350°C, by spowodować stopień redukcji tlenku żelaza 40-80%, a następnie roztapiania zredukowanej substancji.

Stosowane według tego sposobu regulowanie zasadowości przeprowadza się przez obliczanie, kiedy surowiec jest przygotowywany, a zasadowość jest określana przy założeniu, że wszystkie składniki żużlowe surowca są roztopione. Jednakże to czy wszystkie, czy nie wszystkie składniki żużlowe są roztopione, zależy od warunków pracy (zwłaszcza temperatury). Ponadto, nie jest wiadomo w jaki sposób dynamiczne zachowanie od początku roztapiania żużla do roztopienia całego żużla poprzez stan współistnienia żużla w fazie stałej i w fazie cieczy wpływa na warunki oddzielania wytworzonego metalicznego żelaza oraz na erozję i/lub korozję materiału ogniotrwałego trzonu pieca. W ogóle nie zauważono, że jest regulowana frakcja ciekła w stanie współistnienia frakcji stałej z frakcją ciekłą, ani że roztopienie żelaza metalicznego jest przez to przyspieszane.

Przedstawiono wiele propozycji dotyczących techniki grzania, redukowania i roztapiania mieszaniny zawierającej źródło tlenku żelaza i węglowe czynniki redukujące, by wytworzyć metaliczne

PL 196 624 B1 żelazo, jak opisano powyżej. Współczesne problemy związane ze stanem techniki w tej dziedzinie są następujące.

Po pierwsze, podczas grzania, redukowania i roztapiania mieszaniny zawierającej źródło tlenku żelaza i węglowe czynniki redukujące, w celu wytworzenia metalicznego żelaza, trzeba stosować technikę umożliwiającą roztapianie wytworzonego stałego tlenku żelaza przy skutecznym redukowaniu przy niższej temperaturze, tj. skutecznego oddzielania tego żelaza od wytworzonego żużla oraz oddzielania i otrzymywania metalicznego żelaza o wysokiej czystości przy niższej temperaturze i z dużą wydajnością.

Po drugie, aby uzyskać wymienioną wyżej technikę, pożądane jest, by przyspieszyć nawęglanie metalicznego żelaza w postaci stałej, wytworzonego przez grzanie i redukowanie, aby metaliczne żelazo było roztapiane przy niższej temperaturze i wydajnie, a oddzielanie od wytworzonego żużlu mogło być skutecznie przeprowadzane w celu wytworzenia metalicznego żelaza o wysokiej czystości. Możliwość regulowania stężenia węgla, które jest ważnym czynnikiem przy praktycznym wykorzystywaniu metalicznego żelaza jest bardzo korzystne, gdy żelazo to stosuje się jako surowiec do produkcji stali w piecach elektrycznych itp.

Po trzecie, proponowano już, jak wspomniano powyżej, pewne sposoby regulowania żużlowego składnika w surowcu poprzez zasadowość, itp. Są one proponowane dla ostatecznie wytworzonego żużla. Jednakże, jeśli metaliczne żelazo może być roztapiane i skutecznie oddzielane przy żądanej minimalnej ilości żużla, bez roztapiania całego żużla wytworzonego w etapie grzania i redukowania, wówczas szkodliwy wpływ na materiały ogniotrwałe trzonu pieca można dalej zmniejszyć, a ponadto jest to korzystne dla sprawności cieplnej i konserwacji urządzeń.

Po czwarte, wiadomo, że roztopiony FeO w żużlu ma duży wpływ na uszkadzanie materiału ogniotrwałego trzonu pieca. Aby zmniejszyć takie uszkodzenia, pożądane jest zmniejszenie ilości roztopionego FeO w wytworzonym żużlu do minimum. Jeżeli osiągnie się zmniejszenie ilości roztopionego FeO, uszkodzenia trzonu pieca znacznie maleją, przez co zmniejsza się w szczególności mechaniczne lub eksploatacyjne obciążenie potrzebne do ochrony trzonu pieca.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu umożliwiającego rozwiązanie problemów wymienionych powyżej, aby wytwarzać metaliczne żelazo o dużej czystości, wydajnie i w stabilnych warunkach działania, przy zmniejszeniu uszkodzeń ogniotrwałego materiału trzonu pieca do minimum.

Sposób wytwarzania metalicznego żelaza przez ogrzewanie, redukowanie i roztapianie mieszaniny surowców zawierającej czynniki redukujące zawierające węgiel i substancję zawierającą tlenek żelaza, według wynalazku charakteryzuje się tym, że reguluje się udział frakcji ciekłej w zawierającym fazę stałą współistniejącą z fazą ciekłą żużlu zawierającym wieloskładnikową skałę płonną, aby przyspieszyć roztapianie wytworzonego metalicznego żelaza w postaci stałej, przy czym podczas nawęglania i roztapiania udział frakcji ciekłej w żużlu reguluje się w zakresie wynoszącym 50-80% mas.

Korzystnie, reguluje się udział frakcji ciekłej w zawierającym fazę stałą współistniejącą z fazą ciekłą żużlu zawierającym wieloskładnikową skałą płonną, przy czym ciekły żużel łączy się z czynnikami redukującymi zawierającymi węgiel, aby przyspieszyć nawęglanie metalicznego żelaza w postaci stałej, by obniżyć temperaturę topnienia zredukowanego żelaza w postaci stałej.

W szczególności, udział frakcji ciekłej reguluje się przez nastawianie składu mieszaniny surowców.

Ewentualnie, przy wytwarzaniu mieszaniny surowców określa się z góry temperaturę wytworzonego żużla i udział frakcji ciekłej w zależności od zawartości składników tworzących żużel w mieszaninie surowców, przy czym do mieszaniny surowców dodaje się inny składnik tworzący żużel, przez co reguluje się udział frakcji ciekłej w żużlu w określonej temperaturze działania.

W szczególności, udział frakcji ciekłej reguluje się przez temperaturę ogrzewania mieszaniny surowców.

Korzystnie, podczas nawęglania i roztapiania udział frakcji ciekłej w żużlu reguluje się w zakresie wynoszącym 70-80% masowych.

Korzystnie, mieszaninę surowców zbryla się do ogrzewania i redukowania.

Korzystnie, nastawia się udział frakcji ciekłej w wytworzonym żużlu, aby regulować stopień nawęglenia wytwarzanego metalicznego żelaza w postaci stałej.

Korzystnie, nastawia się udział frakcji ciekłej w wytworzonym żużlu, aby regulować stężenie węgla w wytworzonym metalicznym żelazie.

Korzystnie, metaliczne żelazo skupione przez nawęglanie i roztapianie chłodzi się i zestala się, by otrzymać je w postaci cząstek metalicznego żelaza.

PL 196 624 B1

Korzystnie, żużel otrzymany z tworzących żużel składników surowców chłodzi się, po czym granulowany żużel otrzymany z fazy ciekłej współistniejącej z fazą stałą żużla oraz granulowany żużel otrzymany z fazy stałej współistniejącej z fazą ciekłą żużla, oddziela się od siebie i odprowadza się.

Korzystnie, ilość roztopionego FeO w wytworzonym żużlu reguluje się tak, aby wynosiła nie więcej niż 50% masowych.

W szczególnoś ci, ilość roztopionego FeO w wytworzonym ż u ż lu reguluje się tak, aby wynosiła zasadniczo 0%.

Ewentualnie, podczas ogrzewania i redukowania wytwarzanego żużla ogrzewa się mieszaninę surowców z szybkością wynoszącą co najmniej 300°C/min., aby zmniejszyć ilość roztopionego FeO w żużlu.

Według przedmiotowego wynalazku frakcję ciekłą żużla reguluje się, aby umożliwić przez to odpowiednie regulowanie stopnia nawęglenia wytwarzanego metalicznego żelaza w postaci stałej, a w rezultacie można również regulować stężenie węgla w wytworzonym metalicznym żelazie. Ponadto, według przedmiotowego wynalazku metaliczne żelazo skupione przez nawęglanie i roztapianie jest chłodzone i krzepnie, by umożliwić dzięki temu otrzymanie cząstek metalicznego żelaza. Takie cząstki metalicznego żelaza można oddzielać od ochłodzonego i skoagulowanego, wytworzonego kruchego żużla przez przesiewanie lub sortowanie magnetyczne, a zatem cząstki metalicznego żelaza można łatwo wydzielić.

Metaliczne żelazo jest wytwarzane wydajnie, korzystnie w postaci cząstek. Dodatkową zaletą regulowania frakcji ciekłej wytwarzanego żużla jest to, że wytworzony żużel można oddzielać i odbierać w postaci granulek lub cząstek o stosunkowo równomiernym rozkładzie wielkości. Żużel ze skały płonnej w surowcu chłodzi się po ogrzewaniu, redukowaniu i topieniu, otrzymując szklisty granulat żużlowy z fazy ciekłej współistniejącej z fazą stałą żużla i sproszkowany żużel wytworzony z fazy stałej współistniejącej z fazą ciekłą żużla, do rozdzielenia i odebrania. Można wtedy łatwo otrzymać granulat żużlowy o jednolitej wielkości ziaren i sproszkowany żużel.

Zmniejszenie ilości roztopionego FeO w żużlu ma istotny wpływ na zmniejszenie erozji/korozji materiału ogniotrwałego trzonu pieca, powodowanej przez domieszanie dużej ilości roztopionego FeO do żużla.

Sposób według wynalazku, w przykładach wykonania, jest objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia wykres temperatury topnienia, gdy ogrzewana jest mieszanina złożona z elektrolitycznego żelaza i różnych materiałów węglowych, przy obserwacji zależ ności pomiędzy temperaturą topnienia a zawartością węgla za pomocą wysokotemperaturowego mikroskopu laserowego, zgodnie z wykresem termodynamicznej równowagi faz układu Fe-C, fig. 2 - wykres zależności pomiędzy temperaturą roztapiania surowca a udziałem cieczy, kiedy mieszaninę elektrolitycznego żelaza i dostępnego w handlu materiału węglowego stosuje się do zmieniania ilości dodatku CaO (ilość CaO w popiele z materiału węglowego) do mieszaniny, fig. 3 - wykres pokazujący zależność pomiędzy temperaturą roztapiania surowca a zawartością fazy ciekłej, kiedy mieszaninę elektrolitycznego żelaza i innego dostę pnego w handlu materiał u wę glowego stosuje się do zmieniania iloś ci dodatku CaO (ilość CaO w popiele z materiału węglowego) do mieszaniny, fig. 4 - wykres pokazujący zależność pomiędzy temperaturą roztapiania surowca a zawartością fazy ciekłej, kiedy mieszaninę elektrolitycznego żelaza i innego dostępnego w handlu materiału węglowego stosuje się do zmieniania ilości dodatku CaO (ilość CaO w popiele z materiału węglowego) do mieszaniny, zaś fig. 5 przedstawia wykres pokazujący wpływ na zawartość cieczy w wytwarzanym żużlu i na zawartość FeO w żużlu, kiedy zmienia się szybkość grzania przy grzaniu i redukowaniu mieszaniny złożonej z materiału węglowego i z tlenku ż elaza, którego zawartość skały pł onnej jest stał a.

Przedmiotowy wynalazek zostanie objaśniony szczegółowo w odniesieniu do szczegółowych danych eksperymentalnych.

Zaobserwowano szczegółowo przy ogrzewaniu, redukowaniu i roztapianiu mieszaniny surowców do produkcji metalicznego żelaza zachowanie się żużla wytwarzanego w obecnym systemie węglowych czynników redukujących oraz przebieg nawęglania i roztapiania wytwarzanego metalicznego żelaza i potwierdzony został następujący fakt.

Dla poddawania metalicznego żelaza, wytworzonego przez ogrzewanie i redukowanie nawęglaniu ważne jest, by w systemie obecne były węglowe czynniki redukujące. Jednakże, nawet jeśli węglowe czynniki redukujące są stosowane, w przypadku gdy węglowe czynniki redukujące w postaci ciała stałego występują jedynie w stanie bliskim stałemu metalicznemu żelazu, nawęglanie powoli

PL 196 624 B1 przebiega i nie można oczekiwać znacznego przyspieszenia roztapiania powodowanego przez obniżenie temperatury topnienia stałego zredukowanego żelaza.

Jednakże potwierdzone zostało, że kiedy węglowe czynniki redukujące współistnieją z żużlem w stanie roztopionym, nawęglanie stałego metalicznego żelaza moż e przebiegać bardzo skutecznie. Jest to spowodowane tym, że roztopiony żużel w stanie płynnym działa jak nośnik tak, że szybko dochodzi do kontaktu ze stałym metalicznym żelazem wraz ze stałymi czynnikami redukującymi, by przez to przyspieszyć nawęglanie. Potwierdzone zostało, że przyspieszające działanie nawęglania powodowane przez współistnienie roztopionego żużla nie jest skuteczne tylko wtedy, gdy cały żużel jest w stanie roztopionym, ale działanie takie zmienia się w zależności od udziału ciekłego żużla w stanie współistnienia ciała stałego i cieczy.

Dla potwierdzenia wpływu ciekłej części wytworzonego żużla na nawęglanie metalicznego żelaza zastosowano zbryloną substancję (brykiet), uzyskaną przez zmieszanie sproszkowanego tlenku żelaza i sproszkowanego redukującego materiału węglowego, a zachowanie się podczas ogrzewania, redukowania i roztapiania obserwowano za pomocą wysokotemperaturowego mikroskopu laserowego, zaś zachowanie się roztopionej substancji podczas produkcji określano ilościowo przez analizę obrazu. Podczas tej obserwacji udział cieczy w surowym zbrylonym materiale podczas ogrzewania i zwię kszania temperatury otrzymywano przez analizę obrazu, by okreś lić stopień roztopienia substancji. Ponadto temperaturę, przy której udział cieczy wynosi 100% podczas ogrzewania, określono jako temperaturę roztopienia.

Określony tu udział cieczy jest usytuowany pomiędzy linią solidusu a linią likwidusu i jest określony jako stosunek masowy cieczy w materiale złożonym z ciała stałego i cieczy (to znaczy faza stała + faza ciekła). Przy opisanej powyżej obserwacji za pomocą wysokotemperaturowego mikroskopu laserowego stosunek masowy zastąpiono stosunkiem pola powierzchni w analizie obrazu. Ponadto, opisany dalej przewidywany udział cieczy oznacza wartość przewidywaną na podstawie składu skały płonnej i temperatury, zgodnie z wykresem układu wielofazowego.

Najpierw badano zawartość procentową węgla (stopień nawęglenia) w metalicznym żelazie i temperaturę roztapiania metalicznego ż elaza (to znaczy temperaturę topnienia). Jako metaliczne żelazo zastosowano sproszkowane żelazo elektrolityczne, a jako materiał węglowy zastosowano grafit i cztery rodzaje sproszkowanego wę gla, jak podano w tabeli 1, przy czym mieszaninę wykonano tak, że stężenia stałego węgla w stosunku do sproszkowanego elektrolitycznego żelaza wynoszą 1% (tu i dalej oznacza to procent masy), 2%, 3% i 4,3%. Zmierzone temperatury topnienia przedstawiono na wykresie fazowym Fe-C na fig. 1.

T a b e l a 1

Rodzaj materiału węglowego	Analizowana wartość (% mas)
	Ilość stałego węgla	Ilość substancji lotnej	Ilość popiołu	Zawartość siarki
A	69,39	21,25	9,36	0,334
B	71,60	19,60	8,80	0,530
C	53,63	36,41	9,95	0,320
D	77,10	5,90	17,00	0,210

Jak wynika z fig. 1, zrozumiałe jest, że w przypadku, gdy jako materiał węglowy stosowany jest grafit, roztapia się on zasadniczo wzdłuż linii likwidusu na wykresie fazowym, a temperatura roztopienia jest zasadniczo zależna od stężenia węgla w metalicznym żelazie poddawanym nawęglaniu. Z drugiej strony, w przypadku gdy jako materiał wę glowy uż ywany jest wę giel zawierają cy popiół , temperatura roztopienia jest po wysokotemperaturowej stronie linii likwidusu na wykresie fazowym, co sugeruje, że popiół w węglu ma wpływ na temperaturę roztopienia metalicznego żelaza, to znaczy na nawęglanie.

Następnie połączono sproszkowane elektrolityczne żelazo i materiał węglowy o składzie podanym w tabeli 1, zaś aby zmienić udział ciekłego żużla w żużlu wytwarzanym z popiołu z węgla, do sproszkowanego węgla dodano CaO (reagent), aby zmienić przez to zawartość procentową CaO w wytwarzanym ż u ż lu. Zmieszaną ilość materiał u wę glowego ustawiano tak, aby otrzyma ć stężenie węgla 4,3% w elektrolitycznym żelazie.

PL 196 624 B1

Próbkę obserwowano pod wysokotemperaturowym mikroskopem laserowym w sposób podobny, jak opisano powyżej, aby zmierzyć temperaturę roztopienia każdej mieszaniny elektrolitycznego żelaza i materiału węglowego. Ponadto, odpowiednio, udział cieczy przy 1300°C wyliczono z diagramu fazowego. Ponieważ frakcja ciekła jest zdefiniowana jak powyżej, jako proporcja mas likwidusu i solidusu, udział cieczy w każdym żużlu może być wyliczony ze składu komponentu żużlowego oraz temperatury z wykorzystaniem diagramu fazowego układu wieloskładnikowego.

Wyniki przedstawiono na fig. od 2 do 4, a analiza może być wykonana na podstawie tych wykresów w sposób następujący.

Nawet w przypadku, gdy stosuje się którykolwiek z materiałów węglowych, temperatura roztapiania obniża się, jeśli zwiększa się stężenia CaO w składnikach tworzących żużel (popiół i dodany CaO) oraz udział frakcji ciekł ej wytworzonego żuż la w 1300°C zwiększa się , jeś li stężenie CaO zwiększa się.

Temperatura roztapiania metalicznego żelaza obniża się, jeśli udział frakcji ciekłej wytworzonego żużla zwiększa się. Ponieważ fakt, że temperatura roztapiania się metalicznego żelaza zależy od stopnia nawęglania został potwierdzony na fig. 1, stopień nawęglenia metalicznego żelaza zwiększa się, jeśli udział ciekłej frakcji żużla zwiększa się i fakt, że temperatura roztapiania obniża się ze zwiększeniem ilości węgla w metalicznym żelazie może być potwierdzony.

Jak wynika z doświadczeń, kiedy węglowy materiał zawierający popiół jest używany jako węglowy czynnik redukujący do ogrzewania, redukowania i roztapiania mieszaniny surowców złożonej z materiał u wę glowego i tlenku ż elaza, temperatura roztopienia wytwarzanego metalicznego ż elaza znacznie zmienia się w zależności od zawartości CaO dodanego do mieszaniny surowców, przy czym temperatura roztopienia gwałtownie maleje, gdy ilość CaO rośnie. Z drugiej strony, odwrotnie udział cieczy w wytworzonym żużlu szybko rośnie, gdy zawartość CaO rośnie. Na podstawie opisanej powyżej tendencji można zauważyć, że kiedy udział cieczy w wytworzonym żużlu jest zwiększany przez dodanie CaO, wówczas temperatura roztopienia wytworzonego metalicznego żelaza gwałtownie maleje. Można zatem potwierdzić, że gdy udział cieczy w wytwarzanym żużlu rośnie, nawęglanie stałego zredukowanego żelaza węglowym materiałem pozostającym w surowcu jest przyspieszone. Sądząc na podstawie opisanej tendencji jest zrozumiałe, że materiał węglowy pozostający w surowcu po redukcji ciał stałych istnieje wraz z roztopionym żużlem i kontaktuje się skutecznie ze stałym zredukowanym żelazem, na skutek czego nawęglanie stałego zredukowanego żelaza jest przyspieszone, a temperatura roztopienia mo ż e być obniż ona przez szybki spadek temperatury topnienia stałego zredukowanego żelaza.

Dla skutecznego przyspieszania nawęglania za pomocą węglowych czynników redukujących niezwykle ważny jest udział cieczy w wytworzonym żużlu. Istnieje pewna różnica w lepkości (płynności) ciekłego żużla, ale zostało potwierdzone, że jeżeli zawartość roztopionego żużla w wytworzonym żużlu (współistniejące: faza stała i faza ciekła), to znaczy udział cieczy jest nie mniejszy niż 50%, korzystniej nie mniejszy niż 70%, spadek temperatury topnienia stałego zredukowanego żelaza, powodowany przez nawęglanie przebiega szybko, a szybkie roztapianie można realizować przy stosunkowo niskiej temperaturze.

Udział cieczy w wytwarzanym żużlu można regulować przez mieszaninę surowców (zawartość i skład składników żużla w tlenku żelaza i popiołu w materiale węglowym), kiedy mieszanina surowców jest przygotowywana tak, aby mieć prawidłowy skład żużla w zależności od docelowej temperatury pracy (zwłaszcza docelowej temperatury roztapiania). Korzystniej, przez uzyskanie zależności pomiędzy temperaturą wytworzonego żużla a temperaturą frakcji ciekłej od razu z kompozycji składników żużla w mieszaninie surowców, a także przez dodawanie i regulowanie w miarę potrzeb ilości innego składnika tworzącego żużel, można zapewnić uzyskiwanie prawidłowej frakcji ciekłej żużla w docelowym zakresie temperatury roztopienia.

Inaczej mówiąc, według wynalazku temperaturę roztopienia można regulować w zależności od składu żużla w surowcu albo też skład żużla można regulować tak, by uzyskać określony udział cieczy przy danej temperaturze roztapiania przy ustaleniu z góry temperatury roztopienia.

Takie zjawisko, jak opisano powyżej, pojawia się jako podobna tendencja również w tym przypadku, gdy ruda żelaza zawiera znaczną ilość składników skały płonnej jako źródło tlenku żelaza. Jeżeli udział cieczy w wieloskładnikowym żużlu wytworzonym ze składników skały płonnej i popiołu w materiale węglowym jest w łaściwością kontrolowaną w temperaturze pracy, nawęglanie stałego wytworzonego metalicznego żelaza może przebiegać skutecznie, a temperatura roztopienia stałego metalicznego żelaza może być znacznie obniżona.

PL 196 624 B1

Kontrolę udziału cieczy w wytworzonym żużlu przy realizacji przedmiotowego wynalazku można przeprowadzać przez mieszanie kilku rud żelaza ze sobą tak, aby mieć właściwy skład żużla w zależności od składników skały płonnej zawartych w rudzie żelaza, zastosowanej jako źródło tlenku żelaza. Korzystnie, istnieje sposób dodawania jednego lub nie mniej niż dwóch rodzajów wapna (CaO), kamienia wapiennego (CaCO3), krzemionki (SiO2), serpentynu (MgO), rudy manganu (MnO), boksytu (AI2O3) itd., w charakterze dodatków umożliwiających zmianę udziału cieczy w zależności od składnika skały płonnej zawartego w rudzie. W szczególności, kiedy źródło tlenku żelaza i węglowe czynniki redukujące oraz w razie konieczności spoiwo miesza się by przygotować mieszaninę surowców, stosunek pomiędzy temperaturą a udziałem cieczy otrzymywany jest na podstawie wykresu faz systemu wieloskładnikowego ze składu skały płonnej zawartej w surowcach i odpowiednią ilość tlenku, jak opisano powyżej, miesza się jako dodatek, aby mieć prawidłowy udział cieczy, jak wspomniano powyżej, przy docelowej temperaturze roztapiania.

Dla skutecznego przyspieszania nawęglania przez towarzyszący roztopiony żużel i obniżania temperatury roztapiania, jak wspomniano powyżej, konieczne jest spowodowanie wystarczającego spadku temperatury topnienia metalu w stanie stałym przez nawęglenie. Zostało potwierdzone, że najskuteczniejsze jest kontrolowanie stężenia węgla w metalicznym żelazie po nawęgleniu w zakresie 0,5-4,8%, korzystniej 1,5-3,5% oraz kontrolowanie temperatury roztopienia w zakresie 1147-1500°C, korzystniej 1200-1450°C. Korzystne stężenie węgla w metalicznym żelazie po nawęgleniu może być regulowane w zależności od ilości węglowych czynników redukujących, zmieszanych w fazie przygotowania surowców. Konkretnie, węglowe czynniki redukujące niezbędne do nawęglenia dodaje się w ilości, która jest teoretycznie potrzebna do zredukowania źródła tlenku żelaza. Jednakże w normalnych warunkach pracy, część węglowych czynników redukujących jest zużywana przez utlenianie gazu wytwarzanego przez spalanie w palniku podczas grzania i redukowania, a zatem w rzeczywistości, by decydować o ilości mieszanego materiału węglowego, należy ilość tę ustawić uwzględniając opisane powyżej zużycie.

Ponadto, jeżeli mieszaną ilość węglowych czynników redukujących ustawia się, jak opisano powyżej, przygotowując surowiec, można regulować stopień nawęglenia metalicznego żelaza, dzięki czemu można regulować końcową zawartość węgla w metalicznym żelazie.

W mieszaninie surowców uż ywanej wedł ug przedmiotowego wynalazku, korzystnie, zarówno źródło tlenku żelaza, jak i węglowe czynniki redukujące występują w postaci proszku. Mieszanina surowców może być dostarczana w postaci lekko sprasowanej na trzonie, ale korzystnie, jeżeli jest dostarczana w postaci zbrylonej, gdzie mieszanina jest zbrylona w odpowiednie kształty, takie jak kule, brykiety lub granulki, na powierzchni zbrylonego materiału podczas redukowania ciał stałych przez ogrzewanie powstaje metaliczny płaszcz ze zredukowanego żelaza, by umożliwić utrzymywanie wewnątrz wysokiego potencjału redukcyjnego, przy czym korzystne jest, że można skuteczniej zwiększać stopień metalizacji.

Ponadto, piec użyty do realizacji sposobu według wynalazku jest korzystnie piecem z ruchomym trzonem, przy czym szczególnie korzystny jest piec z obrotowym trzonem. W takim przypadku, surowce dobrane tak, aby mieć żądany udział cieczy, kładzie się na trzonie za pomocą rurowego lub miskowego urządzenia doprowadzającego tak, aby były nie więcej niż dwie warstwy w przypadku materiału zbrylonego szerszego i o większej średnicy. Materiał ogrzewa się od góry za pomocą palnika itp., aby redukować i roztapiać go, a po ochłodzeniu materiał ten jest wyprowadzany za pomocą zgarniakowego lub ślimakowego urządzenia wyprowadzającego. Jeżeli przed doprowadzeniem surowca powstała warstwa sproszkowanych substancji zawierających węgiel lub warstwa sproszkowanych substancji ogniotrwałych, takich jak tlenek glinowy, jest to korzystne ze względu na ochronę trzonu, łatwiejsze wyprowadzanie produktu i ochronę przed wtórnym utlenieniem od końca redukcji do roztopienia.

Kiedy metaliczne żelazo, które jest nawęglone i roztopione oraz skoagulowane po ogrzaniu i zredukowaniu jest chł odzone i krzepnie, moż na otrzymać czą stki metalicznego ż elaza i oddzielać je od równocześnie wytwarzanego żużla przez przesiewanie lub rozdzielanie magnetyczne.

Jak opisano powyżej, przedmiotowy wynalazek charakteryzuje się tym, że udział cieczy w wytworzonym żużlu jest regulowany, by przyspieszać przez to nawęglanie i przeprowadzać roztapianie metalicznego żelaza przy niskiej temperaturze i skutecznie, przy czym ostatecznie można skutecznie wytwarzać cząstki metalicznego żelaza o dużym stopniu metalizacji, to znaczy żelazo o dużej czystości. Zostało potwierdzone, że przez regulowanie udziału cieczy w wytwarzanym żużlu można również uzyskać przedstawiane poniżej działanie wtórne.

PL 196 624 B1

Przy przeprowadzaniu sposobu według wynalazku, by regulować temperaturę roztopienia metalicznego żelaza, wytworzony żużel w warunkach temperatury roztopienia istnieje równocześnie w stanie stałym i w stanie ciekłym, a po ochłodzeniu i zakrzepnięciu skoagulowany żużel, wytworzony z fazy ciekłej współistniejącej z fazą stałą jest zbierany przez napięcie powierzchniowe w szklisty granulat, przy czym skoagulowany żużel wytworzony z fazy stałej współistniejącej z fazą ciekłą przetwarzany jest w drobne granulki żużlowe. Kiedy żużle takie są sortowane za pomocą odpowiedniego sita, mogą być rozdzielane na szklisty granulat żużlowy i drobny granulat żużlowy. Ponieważ tak rozdzielony żużel ma wąski zakres wielkości cząstek i równomierny rozkład wielkości cząstek, taki rozdzielony żużel jest niezwykle korzystny również jako surowiec pomocniczy do budowy dróg lub jako kruszywo o ma łych lub dużych ziarnach do betonu.

Ponadto, zbadano również roztopiony wustyt (FeO) wytwarzany podczas ogrzewania i redukowania, by zmniejszyć uszkodzenia materiałów ogniotrwałych, powodowane przez roztopiony FeO w ż uż lu wytwarzanym przy redukowaniu i roztapianiu, przy czym zostaną objaśnione wyniki badań.

W eksperymentach tych, przy założeniu kompozycji żużlowej ze źródła tlenku żelaza i materiału węglowego, przy zastosowaniu syntetycznego żużla, w którym do podstawowego żużla SiO2 : AI2O3 : : CaO = 70:2:5 (stosunek masowy) dodano FeO, badano zależ ność pomię dzy szybkoś cią grzania a udział em cieczy podczas grzania.

Wyniki przedstawiono na fig. 5. Rysunek ten przedstawia zmianę stężenia FeO i stosunek cieczy (to znaczy udział cieczy), kiedy temperatura grzania jest stała 1156°C, a szybkość grzania była zmieniana: 100°C/min, 300°C/min, 500°C/min jako parametr. Jak wynika z tego rysunku, istnieje tendencja wzrostu udziału cieczy, gdy zwiększa się stężenie FeO, ale udział cieczy jest wyraźnie zmieniany przez szybkość grzania i udział cieczy szybko rośnie gdy szybkość grzania maleje.

Oznacza to, że przy grzaniu, redukowaniu i roztapianiu mieszaniny surowców, kiedy szybkość grzania jest mała w etapie FeO podczas redukcji, FeO łączy się ze składnikiem skały płonnej, roztapia się i wytwarza ciecz i łatwo powstaje roztopiony żużel zawierający dużą ilość FeO.

Przeciwnie, kiedy szybkość grzania rośnie, czas jest tracony na roztopienie FeO i przejście do żużla, mieszanie roztopionego FeO z żużlem jest tłumione, a w konsekwencji tlenek żelaza jest redukowany szybko do metalicznego żelaza w warunkach grzania z dużą szybkością.

Zostało potwierdzone, że wpływ redukowania zawartości roztopionego FeO w żużlu, powodowany przez szybkość grzania, jak opisano powyżej, objawiał się skutecznie przez zwiększenie szybkości podczas grzania i redukowania do nie mniej niż 300°C/min, korzystnie nie mniej niż 400°C/min, jeszcze korzystniej nie mniej niż 500°C/min.

Ponadto badania potwierdziły, że uszkodzenie materiałów ogniotrwałych, powodowane przez roztopiony FeO mieszający się z żużlem, ulega znacznym zmianom przy granicy, gdy zawartość roztopionego FeO w żużlu wynosi, w przybliżeniu, 50% i jeśli szybkość grzania jest kontrolowana tak, że zawartość roztopionego FeO jest nie większa niż, w przybliżeniu, 50%, korzystnie nie większa niż 20%, jeszcze korzystniej wynosi zasadniczo 0%, a uszkodzenie materiału ogniotrwałego trzonu, powodowane przez roztopiony żużel, można w miarę możliwości zmniejszyć i umożliwić uproszczenie stosowania określonych środków zapobiegających uszkodzeniu materiału ogniotrwałego, stosowanych w tej dziedzinie. Ponadto, korzystne warunki by zawartość FeO w roztopionym żużlu była korzystnie nie większa niż około 20% lub wynosiła zasadniczo 0, polegają na tym, że zakresy temperatury 600-1350°C, korzystnie 500-1250°C, podczas grzania i redukowania są podnoszone z szybkością nie mniejszą niż 300°C/min, korzystnie nie mniejszą niż 500°C/min.

Zmniejszenie zawartości FeO w roztopionym żużlu, jak opisano powyżej, skutecznie chroni przed uszkodzeniem materiał ogniotrwały trzonu, co jest niezwykle ważne podczas pracy, a ponadto wynika z tego zwiększenie wydajności metalicznego żelaza, a wzrost szybkości grzania skraca czas grzania i redukowania oraz zwiększa wydajność produkcyjną.

Ponadto, kiedy udział cieczy w wytwarzanym żużlu staje się nadmiernie duży w etapie redukcji ciał stałych, zbrylony surowiec zaczyna topić się przed wystarczającym przeprowadzeniem redukcji ciał stałych tak, że nie zredukowany FeO ma tendencję do roztapiania się w roztopionym żużlu. W takim przypadku, jak opisano, skuteczne jest również dodawanie topnika w celu regulowania składu żużla (tlenki, jak wspomniano powyżej) w odpowiedniej ilości w etapie przygotowania surowca, a roztapianie w zakresie niskich temperatur jest tłumione, by zwiększyć temperaturę redukcji, przez co zwiększa się szybkość redukowania ciał stałych. Oznacza to, że przy przeprowadzaniu przedmiotowego wynalazku regulację udziału cieczy w wytworzonym żużlu można skutecznie wykorzystać jako środek do zwiększania wydajności produkcyjnej przez podwyższenie temperatury wytwarzania cieczy

PL 196 624 B1 (to znaczy początkowej temperatury nawęglania) i zwiększenie szybkości redukcji ciał stałych przez podwyższenie temperatury redukcji dodatkowo wobec przypadku, kiedy obniża się temperaturę pracy przez zmniejszenie temperatury nawęglania w zależności od temperatury roztapiania.

Istota, działanie i korzyści przedmiotowego wynalazku zostaną opisane szczegółowo na podstawie przykładów. Oczywiście, wynalazek nie jest ograniczony przez następujący przykład i można wprowadzać odpowiednie modyfikacje w zakresie możliwości dostosowania do celów opisanych powyżej i dalej, które są zawarte w zakresie przedmiotowego wynalazku.

Do przeprowadzenia następujących eksperymentów użyto rudy o składzie przedstawionym w tabeli 2 poniż ej i materiału węglowego o składzie podanym w tabeli 3.

T a b e l a 2

Rodzaj rudy	Skład (% mas.)
	Fe (całkowite)	FeO	SiO2	AI2O3	CaO
A	68,06		1,36	0,52
B	69,20	30,56	1,81	0,51	0,45

T a b e l a 3

Rodzaj materiału węglowego	Skład (% mas.)
	Popiół	Składniki lotne	Związany węgiel
A	8,08	19,60	71,60
B	9,36	21,25	69,39
C	12,36	17,77	69,87
D	17,00	5,90	77,10

P r z y k ł a d 1 (eksperymentalny przykład zmiany temperatury pracy w tej samej mieszaninie)

Użyty surowiec przygotowano przez równomierne zmieszanie rudy B (przeciętna średnica ziaren: 21 μm) 83,5% masowych z tabeli 2 materiału węglowego C (przeciętna średnica ziaren: 45 μm) 18,5% masowych z tabeli 3 oraz bentonitu (przeciętna średnica ziaren: 9 μm) 1,0% masowych w charakterze spoiwa, zbrylono w kształt zasadniczo kulisty o średnicy około 17 mm (dalej zwany bryłą), a następnie wstępnie wysuszono przy temperaturze 120°C.

Bryłę surowca załadowano do doświadczalnego pieca do grzania i podnoszenia temperatury i obserwowano zachowanie się bryły surowca przy roztapianiu w podanej temperaturze, aby zbadać udział cieczy w wytworzonym żużlu na zgodność z szacunkową oceną na podstawie składu surowca. Jeżeli nie ma roztapiania, obserwowano stan powierzchni i przekrój wewnętrzny. Uzyskano wyniki przedstawione w tabeli 4.

T a b e l a 4

Temperatura próbki, szacunkowa wartość udziału cieczy oraz zachowanie się przy roztapianiu

Temperatura próbki (°C)	Szacunkowa wartość udziału cieczy (%)	Zachowanie się bryły przy roztapianiu
1280	0	Nie ma roztopionej substancji wewnątrz zredukowanego żelaza
1330	24,7	Utrzymuje się kształt powierzchni i ślady wytwarzania cieczy wewnątrz
1870	55,8	Utrzymuje się kształt powierzchni, a wewnątrz jest stan roztopiony
1400	77,0	Całkowite roztopienie
1450	100	Całkowite roztopienie

Jak wynika z tabeli 4, kiedy szacunkowa wartość udziału cieczy wynosi 0%, w bryle nie ma żadnych śladów roztopionej substancji, a kiedy szacunkowa wartość udziału cieczy wynosi 25%, wówczas wewnątrz są ślady roztopionej substancji, ale bryła utrzymuje swój pierwotny kształt i nie ma

PL 196 624 B1 roztopienia. Ponadto, kiedy szacunkowa wartość udziału cieczy wzrośnie do 55%, występuje wytwarzanie znacznej ilości roztopionych substancji, ale bryła utrzymuje swój pierwotny kształt i nie roztapia się (nawęglenie roztopienie metalicznego żelaza i wypływanie).

Z drugiej strony potwierdzone zostało, że gdy szacunkowa wartość udziału cieczy osiąga 100%, bryła zostaje roztopiona, ale nawet kiedy udział cieczy osiąga 77% stałe zredukowane żelazo w bryle zaczyna topić się i przechodzi do materiału roztopionego. Zostało zatem potwierdzone, że grzanie i redukowanie bryły postępuje w miarę wzrostu temperatury grzania, a równocześnie zwiększa się również szacunkowa wartość udziału cieczy, ale kiedy udział cieczy przewyższy około 70%, następuje szybkie roztopienie.

Jak to wynika z doświadczeń, jeśli temperatura jest regulowana, by otrzymać udział cieczy na poziomie 70% może nastąpić wystarczające roztopienie, a temperatura pracy może zmaleć o około 50°C przy ustawieniu temperatury grzania 1400°C i utrzymywaniu udziału cieczy na poziomie 70-80% bez zwiększania udziału cieczy do 100% przy podwyższeniu temperatury grzania do 1450°C.

P r z y k ł a d 2 (dodawana jest krzemionka, by zmienić udział cieczy)

Ruda A (przeciętna średnica ziaren: 38 μm) w ilości 74,6% masowych (tabela 2), materiał węglowy A (przeciętna średnica ziaren: 37 μ m) w ilości 23,4% masowych (tabela 3) oraz bentonit (przeciętna średnica ziaren: 9 μm) w ilości 2,0% masowych jako spoiwo tworzą podstawową kompozycję, do której domieszana jest krzemionka (o zawartości SiO2 wynoszącej 92,7% masowych) w odpowiedniej ilości, aby regulować przez to temperaturę roztapiania żużla. Udział cieczy przy 1200°C oceniany na podstawie wykresu fazowego w zależności od składu żużla w mieszaninie surowców/ przedstawiono w tabeli 5. Po jednorodnym wymieszaniu powyższych substancji mieszaninę taką zbrylono w bryły w kształcie kuł o średnicy 17 mm i wysuszono przy temperaturze 120°C.

Takie bryły surowca załadowano do doświadczalnego pieca, służącego do grzania i redukcji, przy czym mierzono temperaturę atmosfery, kiedy bryły surowca roztapiały się, a wyniki przedstawiono w tabeli 5.

T a b e l a 5

Zmiana udziału cieczy powodowana przez domieszanie krzemionki oraz temperatura atmosfery przy roztapianiu

Domieszka krzemionki (% masowych)	0	0,8	2,4
Udział cieczy (%) przy 1200°C	77	85	96
Temperatura atmosfery przy roztapianiu	1435	1425	1405

Jak wynika z tabeli 5, przy zwiększaniu domieszki krzemionki udział cieczy w wytwarzanym żużlu przy 1200°C rośnie, a temperatura roztapiania brył surowca odpowiednio maleje. Oznacza to, że jeśli odpowiednią ilość źródła SiO2 (lub innego tlenku) domiesza się do składników surowca w celu regulowania udziału cieczy przy temperaturze pracy, wówczas temperatura roztapiania ogrzanej i redukowanej bryły, to znaczy temperatura pracy może zmniejszyć się. Ponadto dodatkową ilość materiału topnikowego (takiego jak źródło SiO2) reguluje się tak, że jeśli określona jest docelowa temperatura pracy, otrzymuje się udział cieczy wystarczający do roztapiania przy temperaturze pracy, aby przez to umożliwić zasadniczo regulację temperatury roztapiania do temperatury pracy.

P r z y k ł a d 3 (zwiększona temperatura wytwarzania fazy ciekłej w celu przyspieszenia przebiegu redukcji ciał stałych)

Jak opisano powyżej, kiedy faza ciekła wytwarzanego żużla powstaje przy niskiej temperaturze, roztapianie bryły następuje przed redukcją tlenku żelaza zawartego w fazie stałej w stopniu wystarczającym, a nie zredukowany FeO zostaje roztopiony i zmieszany z żużlem, powodując przyspieszenie erozji i/lub korozji materiału ogniotrwałego trzonu pieca. Przeprowadzono eksperyment z praktyczną realizacją wynalazku z punktu widzenia zapobiegania uszkodzeniu materiałów ogniotrwałych trzonu pieca.

Surowiec przygotowano przez zmieszanie składników w stosunku według przypadków A i B przedstawionych w tablicy 6 i z surowca tego ukształtowano kule, podobnie jak opisano powyżej. Następnie przeprowadzono eksperymentalnie grzanie, redukcję i roztapianie, otrzymując wyniki przedstawione w tabeli 6 po wysuszeniu brył.

PL 196 624 B1

T a b e l a 6

Mieszanie surowców, temperatura wytwarzania fazy ciekłej itd.

	Ruda C	Materiał węglowy B	Spoiwo	Dodany CaO	Temp. wytwarzania fazy ciekłej (°C)	Temp. redukcji (°C)	Temp. topnienia (°C)
Przypadek A	76,54	21,81	1,65	-	1177	1320	1430
Przypadek B	72,51	20,99	1,5	5	1332	1340	1430

W tabeli 6, w mieszaninie oznaczonej przypadek A temperatura wytwarzania fazy ciekł ej wynosi 1177°C, a ciecz jest wytwarzana przed wystarczającym postępem redukcji ciał stałych. Domieszka nie zredukowanego FeO w wytworzonym żużlu powoduje uszkodzenie materiału ogniotrwałego trzonu pieca. Temperatura grzania i redukcji jest więc nieco obniżona do 1320°C, na skutek czego maleje szybkość redukcji ciał stałych i znacznie zmniejsza się wydajność produkcyjna. Stosunek mieszania zmieniono zatem zgodnie z przypadkiem B (dodatkowa domieszka kamienia wapiennego) i temperatura wytwarzania fazy ciekłej została zwiększona do 1332°C. Potwierdzone zostało zatem, że kiedy temperatura grzania i redukcji oraz temperatura roztapiania były ustawione na 1340°C i odpowiednio 1430°C, wówczas można utrzymać niezakłócone działanie bez uszkadzania materiału ogniotrwałego trzonu pieca.

Ponadto, wytworzoną substancję otrzymaną w powyższym przypadku B ochłodzono i następnie poddano sortowaniu magnetycznemu, przez co można było ją rozdzielić zasadniczo całkowicie na metal i żużel. Rozkład średnic cząstek metalu i żużla przedstawiono w tabeli 7. Jest zrozumiałe, że cząstka metalu posiadająca średnicę (kształt zasadniczo kołowy jest reprezentowany przez średnicę, a kształt elipsy lub owalu jest reprezentowany przez wartość średnią z dłuższej średnicy i mniejszej średnicy) nie mniejszą niż 3,35 mm może być otrzymywana z wydajnością 94,3%. Z drugiej strony, żużel dzieli się zasadniczo na szklisty granulat żużlowy o średnicy cząstek nie mniejszej niż 3,35 mm oraz na sproszkowany żużel o średnicy cząstek mniejszej niż 3,35 mm. Zostało potwierdzone, że sproszkowany żużel jest zawracany do systemu przetwarzania surowców, by umożliwić odzyskanie i wykorzystanie pozostałości materiału węglowego i żelaza, a szklisty granulat żużlowy może być skutecznie wykorzystywany jako drobnoziarniste kruszywo nie zawierające żelaza.

T a b e l a 7

Rozkład średnicy cząstek metalu i żużla po magnetycznym sortowaniu produktów

Średnica cząstek (mm)	Powyżej 6,7	3,35-6,7	Poniżej 3,35
Metal (% masowy)	84,3	10,0	5,7
Żużel (% masowy)	34,4	17,5	48,1

Według wynalazku, jak opisano powyżej, przy grzaniu, redukowaniu i roztapianiu mieszaniny zawierającej źródło rudy żelaza i węglowe czynniki redukujące w celu wytwarzania metalicznego żelaza, udział cieczy w wytwarzanym żużlu utworzonym z fazy stałej i fazy ciekłej jest prawidłowo kontrolowany, aby umożliwić przez to odpowiednią regulację temperatury początku nawęglania stałego metalicznego żelaza oraz różnych działań i efektów przedstawionych poniżej.

Zależność pomiędzy temperaturą a udziałem cieczy w wytworzonym żużlu otrzymywana jest przez tworzące żużel składniki w surowcu oraz pewną ilość materiału topnikowego dodanego do surowca, przy czym poprzez udział cieczy reguluje się temperaturę początku nawęglania, to znaczy można kontrolować temperaturę roztopienia surowca, a temperaturę roztopienia obniża się, aby umożliwić przez to zmniejszenie temperatury pracy w celu zwiększenia sprawności energetycznej i powstrzymania cieplnego uszkadzania konstrukcji ogniotrwał ej.

Jeśli udział cieczy w wytworzonym żużlu, w określonym zakresie temperatury, jest otrzymywany w etapie mieszania surowców, moż na podać jako zasadniczy cel temperaturę roztapiania, a temperaturę można regulować na odpowiednią temperaturę roztapiania w zależności od sprawności cieplnej sprzętu i odporności cieplnej sprzętu, przez co ułatwione jest uzyskanie zgodności różnych urządzeń roboczych.

PL 196 624 B1

Temperatura początku nawęglania, to znaczy temperatura roztapiania, może być regulowana przez regulację udziału cieczy bez roztapiania całej ilości wytworzonego żużla, by umożliwić obniżenie temperatury pracy i uzyskać oszczędności, wynikające ze zmniejszenia zapotrzebowania na energię i ze zwię kszenia sprawnoś ci cieplnej.

Jeżeli ilość węglowych czynników redukujących w mieszaninie jest regulowana w etapie przygotowania surowców, zawartość węgla w otrzymanym metalicznym żelazie może być kontrolowana zasadniczo docelowo w zależności od zastosowań metalicznego żelaza, przy odpowiedniej zawartości węgla.

Kontrolowanie udziału cieczy w wytworzonym żużlu umożliwia ustawianie optymalnej temperatury roztapiania na temperaturę zakończenia grzania i redukcji, a w rezultacie domieszkę roztopionego FeO w roztopionym żużlu można zmniejszyć do możliwie najmniejszej wartości. W szczególności, jeśli szybkość grzania podczas grzania i redukowania jest prawidłowo regulowana, wytwarzanie roztopionego żużla można zmniejszyć do minimum, by umożliwić przeciwdziałanie łączeniu się lub sklejaniu wytwarzanych substancji na trzonie pieca, co jest powodowane przez wytwarzanie żużla o niskiej temperaturze topnienia, zawierającego roztopiony FeO, a przez to umożliwia się skuteczne chronienie materiału ogniotrwałego trzonu pieca przed erozją i/lub korozją.

Dodatkowa zaleta sposobu według wynalazku polega na tym, że wytwarzany żużel występuje w postaci szklistego granulatu żużlowego, otrzymanego z fazy ciekłej oraz w postaci granulowanego żużla otrzymanego z fazy stałej i mającego wąski rozkład wielkości cząstek, przy czym ten granulowany żużel można skutecznie wykorzystywać w różnych zastosowaniach jako drobnoziarniste lub gruboziarniste kruszywo.

Przedmiotowy wynalazek korzystnie nadaje się do zastosowania przy wytwarzaniu metalicznego żelaza i cząstek metalicznego żelaza o dużej czystości z dużą wydajnością przez sprawne redukowanie i oddzielanie metalicznego żelaza od żużla, przy stabilnym działaniu z zapobieganiem uszkodzeniu ogniotrwałego materiału trzonu pieca.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania metalicznego żelaza przez ogrzewanie, redukowanie i roztapianie mieszaniny surowców zawierającej czynniki redukujące zawierające węgiel i substancję zawierającą tlenek żelaza, znamienny tym, że reguluje się udział frakcji ciekłej w zawierającym fazę stałą współistniejącą z fazą ciekłą żużlu zawierającym wieloskładnikową skałę płonną, aby przyspieszyć roztapianie wytworzonego metalicznego żelaza w postaci stałej, przy czym podczas nawęglania i roztapiania udział frakcji ciekłej w żużlu reguluje się w zakresie wynoszącym 50-80% masowych.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reguluje się udział frakcji ciekłej w zawierającym fazę stałą współistniejącą z fazą ciekłą żużlu zawierającym wieloskładnikową skałą płonną, przy czym ciekły żużel łączy się z czynnikami redukującymi zawierającymi węgiel, aby przyspieszyć nawęglanie metalicznego żelaza w postaci stałej, by obniżyć temperaturę topnienia zredukowanego żelaza w postaci stał ej.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że udział frakcji ciekłej reguluje się przez nastawianie składu mieszaniny surowców.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że przy wytwarzaniu mieszaniny surowców określa się z góry temperaturę wytworzonego żużla i udział frakcji ciekłej w zależności od zawartości składników tworzących żużel w mieszaninie surowców, przy czym do mieszaniny surowców dodaje się inny składnik tworzący żużel, przez co reguluje się udział frakcji ciekłej w żużlu w określonej temperaturze działania.
5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że udział frakcji ciekłej reguluje się przez temperaturę ogrzewania mieszaniny surowców.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas nawęglania i roztapiania udział frakcji ciekłej w żużlu reguluje się w zakresie wynoszącym 70-80% masowych.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszaninę surowców zbryla się do ogrzewania i redukowania.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nastawia się udział frakcji ciekłej w wytworzonym żużlu, aby regulować stopień nawęglenia wytwarzanego metalicznego żelaza w postaci stałej.

PL 196 624 B1
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nastawia się udział frakcji ciekłej w wytworzonym żużlu, aby regulować stężenie węgla w wytworzonym metalicznym żelazie.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że metaliczne żelazo skupione przez nawęglanie i roztapianie chłodzi się i zestala się, by otrzymać je w postaci cząstek metalicznego ż elaza.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że żużel otrzymany z tworzących żużel składników surowców chłodzi się, po czym granulowany żużel otrzymany z fazy ciekłej współistniejącej z fazą stałą żużla oraz granulowany żużel otrzymany z fazy stałej współistniejącej z fazą ciekłą żużla, oddziela się od siebie i odprowadza się.
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ilość roztopionego FeO w wytworzonym żużlu reguluje się tak, aby wynosiła nie więcej niż 50% masowych.
13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że ilość roztopionego FeO w wytworzonym żużlu reguluje się tak, aby wynosiła zasadniczo 0%.
14. Sposób według zastrz. 12 albo 13, znamienny tym, że podczas ogrzewania i redukowania wytwarzanego żużla ogrzewa się mieszaninę surowców z szybkością wynoszącą co najmniej 300°C/min., aby zmniejszyć ilość roztopionego FeO w żużlu.