PL201389B1 - Sposób wytwarzania granulowanego metalicznego żelaza - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania granulowanego metalicznego zelaza. Przed- miotowy wynalazek dotyczy ulepsze n w dziedzinie redukowania tlenku zelaza, takiego jak ruda zela- za, przez ogrzewanie przy u zyciu w eglowego czynnika redukujacego, takiego jak koks, w celu wytwa- rzania metalicznego zelaza. Wynalazek ten dotyczy zw laszcza ulepszonego sposobu, który nadaje si e do sprawnego redukowania tlenku zelaza do metalicznego zelaza przez uproszczon a obróbk e przy równoczesnym skutecznym oddzielaniu sk ladników tworz acych zu zel, zawartych w skale p lonnej w rudzie zelaza itp., od metalicznego zelaza, w postaci zu zla, przez co otrzymuje si e metaliczne gra- nulowane zelazo o wysokiej czysto sci z wysok a wydajno sci a. PL PL PL PL PL

Description

RZECZPOSPOLITA POLSKA	(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (21) Numer zgłoszenia: 353575	(11) 201389 (13) B1
	(22) Data zgłoszenia: 28.03.2001	(51) Int.Cl. C21B 13/10 (2006.01)
	(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 28.03.2001, PCT/EP01/03538	F27B 3/00 (2006.01)
Urząd Patentowy	(87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:
Rzeczypospolitej Polskiej	04.10.2001, WO01/73137 PCT Gazette nr 40/01

(54)

Sposób wytwarzania granulowanego metalicznego żelaza (73) Uprawniony z patentu:

KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO (KOBE STEEL, LTD.),Hyogo,JP (30) Pierwszeństwo:

30.03.2000,JP,2000-94764 (43) Zgłoszenie ogłoszono:

01.12.2003 BUP 24/03 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

30.04.2009 WUP 04/09 (72) Twórca(y) wynalazku:

Shuzo Ito,Osaka,JP Yasuhiro Tanigaki,Osaka,JP Shoichi Kikuchi,Osaka,JP

Osamu Tsuge,Osaka,JP Isao Kobayashi,Osaka,JP Keisuke Honda,Osaka,JP Koji Tokuda,Osaka,JP

Hidekazu Okamoto,Osaka,JP (74) Pełnomocnik:

Twardowska Aleksandra,

JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY,

BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH ⁽⁵⁷⁾ Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania granulowanego metalicznego żelaza. Przedmiotowy wynalazek dotyczy ulepszeń w dziedzinie redukowania tlenku żelaza, takiego jak ruda żelaza, przez ogrzewanie przy użyciu węglowego czynnika redukującego, takiego jak koks, w celu wytwarzania metalicznego żelaza. Wynalazek ten dotyczy zwłaszcza ulepszonego sposobu, który nadaje się do sprawnego redukowania tlenku żelaza do metalicznego żelaza przez uproszczoną obróbkę przy równoczesnym skutecznym oddzielaniu składników tworzących żużel, zawartych w skale płonnej w rudzie żelaza itp., od metalicznego żelaza, w postaci żużla, przez co otrzymuje się metaliczne granulowane żelazo o wysokiej czystości z wysoką wydajnością.

PL 201 389 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania granulowanego metalicznego żelaza.

Przedmiotowy wynalazek dotyczy ulepszeń w dziedzinie redukowania tlenku żelaza, takiego jak ruda żelaza, przez ogrzewanie przy użyciu węglowego czynnika redukującego, takiego jak koks, w celu wytwarzania metalicznego ż elaza. Wynalazek ten dotyczy zwł aszcza ulepszonego sposobu, który nadaje się do sprawnego redukowania tlenku żelaza do metalicznego żelaza przez uproszczoną obróbkę przy równoczesnym skutecznym oddzielaniu składników tworzących żużel, zawartych w skale płonnej w rudzie żelaza itp., od metalicznego żelaza, w postaci żużla, przez co otrzymuje się metaliczne granulowane żelazo o wysokiej czystości z wysoką wydajnością.

Proces w piecu szybowym, którego reprezentantem jest proces Midrex, jest znany jako sposób bezpośredniego wytwarzania żelaza, by uzyskiwać zredukowane żelazo przez bezpośrednie redukowanie źródła tlenku żelaza, takiego jak ruda żelaza lub tlenek żelaza, przy użyciu materiału redukującego lub redukującego gazu. Zgodnie ze sposobem bezpośredniego wytwarzania żelaza tego typu redukujący gaz wytworzony z gazu ziemnego wdmuchuje się w piec poprzez otwór dyszowy utworzony w dolnej części pieca szybowego, a tlenek żelaza redukuje się do metalicznego żelaza dzięki redukującemu działaniu gazu redukującego. Jest znany inny proces wytwarzania zredukowanego żelaza, który wykorzystuje materiał węglowy, taki jak węgiel, zamiast gazu ziemnego jako czynnika redukującego, a jeden taki proces, zwany procesem SL/RN, został już praktycznie wprowadzony do wykorzystania.

Opis patentowy US 3.443.931 przedstawia inny proces, w którym materiał węglowy i sproszkowany tlenek żelaza, miesza się ze sobą, a następnie formuje się w masę lub tabletkę, którą z kolei poddaje się redukcji przez ogrzewanie na obrotowym trzonie, by wytworzyć zredukowane żelazo.

Opis patentowy US 5.885.521 przedstawia rozwiązanie, według którego granulowany surowiec zredukowanego żelaza wysuszony w piecu suszącym, doprowadza się do trzonu poprzez rurę zasilającą przebiegającą przez stropową część pieca z ruchomym trzonem do dołu do miejsca przy trzonie, a grubość warstwy granulowanego surowca zredukowanego ż elaza reguluje się zasadniczo za pomocą urządzenia do poziomowania granulek, usytuowanego na bocznej powierzchni przedniego końca rury zasilającej, a następnie dodatkowo reguluje się za pomocą urządzenia wygładzającego, usytuowanego w kierunku ruchu trzonu za urządzeniem do poziomowania granulek.

Ponadto, proces wytapiania redukującego, taki jak proces DIOS, jest znany jako proces bezpośredniego redukowania tlenku żelaza w zredukowane żelazo. Według tego procesu tlenek żelaza jest uprzednio redukowany do stopnia redukcji około 30%, a następnie taki tlenek żelaza jest bezpośrednio poddawany reakcji redukcji węglem w kąpieli żelaza, aż tlenek żelaza zostaje zamieniony w metaliczne żelazo.

Japońskie czasopismo wyłożeń patentowych nr HEI 8-27507 opisuje inny proces bezpośredniego redukcyjnego wytwarzania żelaza, w którym warstwę proszku węglowego czynnika redukującego, zawierającą czynnik odsiarczający i warstwę sproszkowanego tlenku żelaza układa się w stos jedną na drugiej na ruchomym trzonie, a tak utworzony stos ogrzewa się w celu otrzymania gąbczastego żelaza.

Japońskie czasopismo wyłożeń patentowych nr HEI 11-106812 opisuje rozwiązanie, według którego surowiec zawierający rudę żelaza i czynnik redukujący w postaci stałej, doprowadzany do pieca z obrotowym trzonem (piec redukcyjny) poprzez rurowy otwór ładowania, przebiegający poprzez stropową część pieca, przechodzi na przegrodzie do trzonu, a trzon wspierający surowiec jest przemieszczany, by umożliwić redukowanie surowca podczas jednego obrotu w piecu i następnie wyrzucenie go. Rozwiązanie to charakteryzuje się zwłaszcza tym, że zredukowana ruda o wysokiej temperaturze kładziona jest pod przegrodą w celu podgrzewania surowca na przegrodzie ciepłem promieniowania zredukowanej rudy, zaś zredukowaną rudę o obniżonej temperaturze wyrzuca się poprzez otwór wyrzucania.

Japońskie czasopismo wyłożeń patentowych nr HEI 9-256017 opisuje rozwiązanie, według którego przy produkcji metalicznego żelaza przez redukcję uformowanej bryły zawierającej węglowy czynnik redukujący i tlenek żelaza przez ogrzewanie redukuje się tlenek żelaza w stanie stałym przez grzanie, by utworzyć i hodować naskórek z metalicznego żelaza, przy czym redukcja przez grzanie jest kontynuowana aż wewnątrz nie będzie już tlenku żelaza, a grzanie jest dalej prowadzone, by spowodować wypływanie wytworzonego wewnątrz żużla na zewnątrz naskórka z metalicznego żelaza, przez co oddziela się metaliczne żelazo od żużla.

PL 201 389 B1

Chociaż możliwości redukcyjne gazu atmosferycznego usytuowanego w pobliżu uformowanego surowca są utrzymywane na wysokim poziomie przez gaz redukujący (głównie tlenek węgla), otrzymywany z reakcji pomiędzy dużą ilością węglowego czynnika redukującego a tlenkiem żelaza zawartym w uformowanym surowcu, kiedy postępuje redukcja w stanie stałym, tak wytworzone zredukowane żelazo ma tendencję do wtórnego utleniania w ostatnim etapie redukcji w stanie stałym i w późniejszej fazie nawęglającego roztapiania, ponieważ ilość tlenku węgla wytwarzanego w tych etapach zmniejsza się, gdy stężenie gazu utleniającego, takiego jak dwutlenek węgla lub pora wodna powstającego jako odprowadzane gazy wynikające z działania palnika ogrzewającego, staje się stosunkowo duża w tych etapach.

Celem wynalazku jest opracowanie techniki, która umożliwia zmniejszenie do minimum wtórnego utleniania metalicznego żelaza w ostatnim etapie redukcji w stanie stałym i po nim, zwłaszcza w nawę glają cej fazie roztapiania, przy wytwarzaniu metalicznego ż elaza, przez co skutecznie wytwarza się granulowane metaliczne żelazo o dużym stopniu metalizacji i wysokiej czystości żelaza przy dużej wydajności. Innym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie techniki, która umożliwia zmniejszenie erozji lub zużycia ogniotrwałych materiałów trzonu na skutek roztopionego FeO powstającego w procesie wytwarzania metalicznego żelaza, by przedłużyć żywotność ogniotrwałych materiałów trzonu a przez to zwiększyć możliwość utrzymywania sprzętu i zapewnić ciągłą produkcję przez długi czas. Jeszcze innym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie techniki, która umożliwia ładowanie pomocniczego surowca do trzonu w taki sposób, by utworzyć cienką warstwę tego pomocniczego surowca, która jest równomierna na szerokości trzonu.

Według przedmiotowego wynalazku opracowano sposób wytwarzania granulowanego metalicznego żelaza grzanie uformowanego surowca zawierającego węglowy czynnik redukujący i substancję zawierającą tlenek żelaza w redukcyjnym piecu wytopowym, do poddawania redukcji w stanie stałym tlenku, żelaza zawartego w uformowanym surowcu, oraz nawęglanie zredukowanego żelaza, otrzymanego z redukcji w stanie stałym, węglem zawartym w węglowym czynniku redukującym, aby spowodować roztopienie zredukowanego żelaza z równoczesnym oddzielaniem składników skały płonnej zawartych w uformowanym surowcu i powodowaniem koagulacji uzyskiwanego roztopionego metalicznego żelaza w granulowane metaliczne żelazo, charakteryzujący się tym, że atmosfera gazowa w pobliżu uformowanego surowca w etapie nawęglania i roztapiania ma stopień działania redukującego nie mniejszy niż 0,5, przy czym uformowany surowiec miesza się ze źródłem tlenku wapnia podczas przygotowywania surowca, w celu regulowania zasadowości CaO/SiO2 składnika tworzącego żużel, zawartego w uformowanym surowcu do wartości w zakresie 0,6-1,8, tak że siarka zawarta w uformowanym surowcu jest zatrzymywana przez ż u ż el otrzymywany podczas produkcji, przez co uzyskuje się granulowane metaliczne żelazo o małej zawartości siarki, i że na trzon redukcyjnego pieca wytopowego ładuje się czynnik regulujący atmosferę, z materiału węglowego, co najmniej przed roztopieniem uformowanego surowca, i że stosuje się czynnik regulujący atmosferę mający przeciętną średnicę cząstek 3 mm lub mniejszą i ładuje się go na trzon do grubości 7 mm lub mniejszej, przy czym czynnik regulujący atmosferę ładuje się na trzon poprzez kanał zasilający, który jest połączony pionowo z częścią stropową pieca, i że stosuje się redukcyjny piec wytopowy z ruchomym trzonem, przedzielony na co najmniej dwa przedziały w kierunku ruchu trzonu, przy czym jeden przedział po stronie wejściowej w kierunku ruchu jest przeznaczony do redukcji w stanie stałym, a drugi przedział po stronie wyjściowej w kierunku ruchu jest przeznaczony do nawęglania i roztapiania, zaś w każdym przedziale reguluje się temperaturę i skład gazowej atmosfery, i że w przedziale nawęglania i roztapiania utrzymuje się temperaturę o 50-200°C wyższą od temperatury w przedziale redukcji w stanie stałym.

Korzystnie, gdy w ostatnim etapie redukcji w stanie stałym stosuje się tlenek żelaza mający stopień zredukowania nie mniejszy niż 80% i resztkową zawartość węgla nie mniejszą niż 3,5%. Korzystnie, gdy wytworzone granulowane metaliczne żelazo ładuje się do pieca stalowniczego dla wytwarzania roztopionej stali. Korzystnie, gdy temperaturę metalicznego żelaza ładowanego do pieca stalowniczego utrzymuje się na poziomie 800°C lub wyższej. Korzystnie, gdy granulowane metaliczne żelazo roztapia się przed ładowaniem go do pieca stalowniczego.

Te i inne cechy i zalety przedmiotowego wynalazku staną się oczywiste po przeczytaniu następującego szczegółowego opisu przy uwzględnieniu załączonych rysunków.

Figura 1 jest schematycznym widokiem przedstawiającym urządzenie do wytapiania redukującego stosowane według przedmiotowego wynalazku.

Figura 2 jest widokiem równoważnym przekrojowi wzdłuż linii A-A z fig. 1.

PL 201 389 B1

Figura 3 jest wyjaśniającym przekrojem urządzenia z fig. 1 rozwiniętego w kierunku wzdłużnym.

Figura 4 jest wykresem pokazującym odpowiednie zmiany temperatury atmosfery, temperatury uformowanego surowca, stopnia redukcji i ilości odprowadzanego gazowego CO oraz odprowadzanego gazowego CO2 w etapie redukcji w stanie stałym oraz w etapie roztapiania w dwustopniowym systemie grzania stosowanym według wynalazku.

Figura 5 jest również wykresem pokazującym odpowiednie zmiany stopnia metalizacji tlenku żelaza zawartego w uformowanym surowcu i ilości resztkowego tlenku żelaza w etapie redukcji w stanie stałym i w etapie wytapiania.

Figura 6 jest wykresem przedstawiającym zależność pomiędzy ilością resztkowego węgla w zredukowanym żelazie w chwili, gdy stopień metalizacji osiągnął 100%, a ilością resztkowego węgla w ostatecznie otrzymanym metalicznym ż elazie.

Figura 7 jest wykresem pokazującym zależność pomiędzy stopniem metalizacji a stopniem redukcji.

Figura 8 jest wykresem pokazującym odpowiednie zmiany temperatury wewnątrz uformowanego surowca i stopnia redukującego działania gazowej atmosfery z zastosowaniem lub bez zastosowania proszku węglowego w charakterze czynnika regulującego atmosferę.

Figura 9 jest schematycznym przekrojem przedstawiającym strukturę głównej części pieca z ruchomym trzonem według korzystnego przykładu realizacji wynalazku.

Figura 10 jest przekrojem wzdłuż linii A-A z fig. 9.

Figura 11 jest widokiem przedstawiającym główną część innego korzystnego urządzenia doprowadzającego według przedmiotowego wynalazku.

Figura 12 jest widokiem przedstawiającym podstawową część innego korzystnego urządzenia doprowadzającego według przedmiotowego wynalazku.

Figura 13 jest widokiem przedstawiającym podstawową część innego korzystnego urządzenia doprowadzającego według przedmiotowego wynalazku.

Figura 14 jest fotografią przedstawiającą metaliczne żelazo i żużel w stanie bezpośrednio po nawęglaniu-roztapianiu w produkcji doświadczalnej.

Figura 15 jest wykresem wykazującym zmniejszenie zawartości siarki w metalicznym żelazie w doś wiadczeniu, w którym źródł o CaO celowo dodawano do uformowanego surowca, by regulować zasadowość żużla.

Figura 16 jest wykresem przedstawiającym zależność pomiędzy zasadowością wytworzonego żużla a zawartością siarki w wynikowym metalicznym żelazie.

Figura 17 jest wyjaśniającym widokiem ilustrującym cały system produkcji żelaza-stali stosowany według przedmiotowego wynalazku.

Figura 18 jest widokiem koncepcyjnym przedstawiającym stan warstwy osadu żużlowego utworzonej przy stosowaniu niniejszego wynalazku.

Figura 19 jest widokiem koncepcyjnym ilustrującym, jak trzon jest naprawiany według innego przykładu wynalazku.

Figura 20 jest widokiem koncepcyjnym pokazującym, jak trzon jest naprawiany według jeszcze innego przykładu wynalazku.

Figura 21 jest widokiem koncepcyjnym pokazującym, jak trzon jest naprawiany według jeszcze innego przykładu wynalazku.

Figura 22 jest widokiem koncepcyjnym pokazującym sytuację naprawiania trzonu, kiedy uformowana jest przykrywająca warstwa czynnika regulującego atmosferę.

Figura 23 jest widokiem koncepcyjnym pokazującym inną sytuację naprawiania trzonu, kiedy uformowana jest przykrywająca warstwa czynnika regulującego atmosferę.

Figura 24 jest objaśniającym schematem pokazującym formulację surowca, stosunek i kompozycje produktów itp. w procesie wytwarzania metalicznego żelaza stosowanym w pewnym przykładzie.

Figura 25 jest fotografią pokazującą przykładowe metaliczne żelazo otrzymane w pewnym przykładzie wynalazku.

Figura 26 jest objaśniających schematem pokazującym preparowanie surowca, stosunek i kompozycje produktów itp. w procesie wytwarzania metalicznego żelaza stosowanym w innym przykładzie.

Figura 27 jest fotografią przedstawiającą stan metalicznego żelaza osiągany wtedy, gdy gazowa atmosfera w pobliżu uformowanego surowca ma stopień działania redukującego mniejszy niż 0,5 w etapie nawę glania-roztapiania-koagulacji.

PL 201 389 B1

Figury 1-3 są schematycznymi widokami przedstawiającymi przykład pieca do wytapiania redukcyjnego z ruchomym trzonem. Pokazany piec ma konstrukcję kopułową z obrotowym trzonem.

Przez 1 oznaczono obrotowy trzon, który ma taką konstrukcję, by był napędzany obrotowo z odpowiednią prędkością przez nie pokazane urządzenie napędzające, a przez 2 oznaczono korpus pieca przykrywający obrotowy trzon 1.

Piec do wytapiania redukcyjnego z obrotowym trzonem nie jest ograniczony do kształtu i konstrukcji pokazanej na fig. 1-3. Przedmiotowy wynalazek może być skutecznie realizowany w piecu do redukcyjnego wytapiania z ruchomym trzonem o dowolnej innej konstrukcji, takiej jak konstrukcja z prostym rusztem, jeżeli tylko istotną częścią składową pieca jest ruchomy trzon.

Korpus 2 pieca jest wyposażony w wiele palników 3 na odpowiednich powierzchniach swych ścian, a ciepło spalania z tych palników 3 i ciepło promieniowania palników jest przenoszone do uformowanego surowca na obrotowym trzonie 1, by powodować redukcję uformowanego surowca podczas ogrzewania. Pokazany korpus 2 pieca, który jest korzystnym przykładem, ma wnętrze podzielone na pierwszą strefę Z1, drugą strefę Z2, trzecią strefę Z3 i czwartą strefę Z4 za pomocą trzech przegród K1, K₂ i K3. Po wejściowej stronie korpusu 2 pieca w kierunku obrotu obrotowego trzonu i umieszczone jest urządzenie 4 doprowadzania surowca i pomocniczego surowca, zwrócone do obrotowego trzonu 1 natomiast urządzenie odprowadzające 6 jest umieszczone po wyjściowej stronie w kierunku obrotu. Należy zauważyć, że ponieważ trzon i jest typu obrotowego, można powiedzieć, że urządzenie odprowadzające 6 jest umieszczone tuż przed urządzeniem doprowadzającym 4.

Podczas działania pieca do redukcyjnego wytapiania kawałki uformowanego surowca zawierającego rudę żelaza itp. i materiał węglowy doprowadzane są za pomocą doprowadzającego urządzenia 4 na obrotowy trzon 1 obracający się z określoną prędkością w taki sposób, aby utworzyć warstwę o odpowiedniej grubości. Uformowany surowiec doprowadzony do trzonu j poddaje się działaniu ciepła spalania z palników 3 i ich ciepła promieniowania podczas przechodzenia przez strefę Zj. na skutek czego tlenek żelaza w uformowanym surowcu jest redukowany pod działaniem ciepła z utrzymywaniem go w stanie stałym przez materiał węglowy zawarty w uformowanym surowcu i tlenek węgla wytwarzany przez spalanie materiału węglowego. Następnie uformowany surowiec jest dalej redukowany podczas grzania w drugiej strefie Z2, aby wytworzyć zredukowane żelazo, które zostało zasadniczo całkowicie zredukowane. Uzyskane zredukowane żelazo jest następnie nawęglane i roztapiane przez dalsze grzanie w atmosferze redukującej w trzeciej strefie Z3, na skutek czego następuje koagulacja zredukowanego żelaza w granulowane żelazo metaliczne z równoczesnym oddzieleniem od żużla wytwarzanego jako produkt uboczny. Granulowane metaliczne żelazo wytworzone w ten sposób jest chłodzone i krzepnie w dowolnym urządzeniu chłodzącym C w czwartej strefie Z4, a potem jest wygrabiane przez usytuowane dalej urządzenie odprowadzające 6. W tym czasie żużel wytworzony jako produkt uboczny jest również wyrzucany wraz z metalicznym żelazem. To metaliczne żelazo i żużel doprowadza się do urządzenia rozdzielającego (sito lub rozdzielacz magnetyczny) poprzez lej H, tak aby oddzielić je od siebie. W końcu można otrzymać metaliczne żelazo o czystości około 95% lub więcej, korzystnie około 98% lub więcej i o bardzo małej zawartości żużla.

Chociaż czwarta strefa Z4 na rysunku jest otwarta do zewnętrznej atmosfery, praktycznie pożądane jest, by piec był zasadniczo zamknięty pokrywą, aby zmniejszyć do minimum rozpraszanie ciepła i umożliwić prawidłową regulację atmosfery wewnętrznej. Chociaż wnętrze pokazanego pieca jest przegrodzone na pierwszą strefę Z1 drugą strefę Z2, trzecią strefę Z3 i Z_e trzema przegrodami K1, K2 i K3, wynalazek nie jest ograniczony do takiej przegrodzonej konstrukcji i oczywiście można wprowadzić odpowiednie modyfikacje, by dostosować do siebie wielkość pieca, docelową wydajność produkcji, system działania itp. Według wynalazku jest jednak pożądane, by przegroda była zastosowana przynajmniej pomiędzy obszarem redukcji w stanie stałym, odpowiadającym pierwszej połowie procesu redukcji przez grzanie, a obszarem nawęglania-roztapiania-koagulacji, odpowiadającym drugiej połowie, aby umożliwić kontrolowanie na bazie obszaru gazu atmosferycznego w piecu.

Ponadto, według przedmiotowego wynalazku pożądane jest, by obszar dojrzewania redukcji w stanie stałym był przewidziany przynajmniej pomiędzy obszarem redukcji w stanie stałym odpowiadającym pierwszej połowie obszaru redukcji przez grzanie, i obszarem nawęglania-roztapiania-koagulacji, odpowiadającym drugiej połowie i aby temperatura i gaz atmosferyczny w piecu były kontrolowane na bazie obszaru.

Jak wynika z fig. 3, pierwszy obszar Z1 jest obszarem redukcji w stanie stałym, a drugi obszar Z? jest obszarem dojrzałości redukcji w stanie stałym, zaś trzeci obszar Z₃ jest obszarem nawęglaniaroztapiania-koagulacji. W tym obszarze dojrzałości redukcji w stanie stałym stopień redukcji gazu at6

PL 201 389 B1 mosferycznego w piecu jest zwiększany za pomocą pewnych środków, takich jak dodawanie gazu ziemnego, gazu pochodzącego ze zgazowania węgla, gazowego metanu itd. przez co wewnątrz pieca utrzymuje się temperaturę, przy której uformowany surowiec pozostaje w stanie stałym. W rezultacie maleje rozrzut prędkości redukcji uformowanych materiałów na skutek rozrzutu wielkości granulek uformowanych surowców, heterogeniczność stanu w piecu itd., a prędkość redukcji całości uformowanych surowców zwiększa się. Nawęglanie i roztapianie uformowanych surowców w obszarze nawęglania-roztapiania-koagulacji są stałe.

Kiedy temperatura atmosfery w etapie redukcji (w stanie stałym) procesu wytopu redukcyjnego jest zbyt wysoka, zwłaszcza kiedy temperatura atmosfery stanie się wyższa niż temperatura topnienia składnika żużla obejmującego składniki skały płonnej zawarte w surowcu, niezredukowany tlenek żelaza itp. w pewnej fazie procesu redukcji, tak jak składnik żużla o niższej temperaturze topnienia, topi się i reaguje z materiałami ogniotrwałymi ruchomego trzonu, co powoduje erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych. W konsekwencji nie można utrzymać gładkości trzonu. Ponadto, kiedy tlenek żelaza jest ogrzany bardziej niż to jest konieczne do zredukowania w etapie redukcji w stanie stałym, FeO jako tlenek żelaza zawarty w surowcu topi się przed zredukowaniem, przez co szybko przebiega proces nazywany redukcją z roztapianiem (tlenek żelaza jest redukowany w trakcie topienia, co różni się od redukcji w stanie stałym), w której roztopiony FeO reaguje z węglem (C) zawartym w materiale węglowym. Chociaż redukcja w trakcie roztapiania również daje metaliczne żelazo, to jednak redukcja w trakcie roztapiania wytwarza ż uż el zawierający FeO o większej płynności, co z kolei powoduje poważną erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych trzonu. Trudno jest zatem zapewnić ciągłą produkcję, która jest potrzebna w praktycznym zastosowaniu pieca.

Chociaż na zjawisko takie ma wpływ ruda żelaza i materiał węglowy, tworzące uformowany surowiec, albo skład składnika tworzącego żużel, zawartego w spoiwie itp., odkryto, że kiedy temperatura atmosfery w redukcji w stanie stałym jest wyższa niż około 1400°C, żużel o niskiej temperaturze topnienia, jak opisano powyżej, infiltruje powodując erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych trzonu, a kiedy temperatura atmosfery jest wyższa niż 1500°C, niepożądana redukcja w trakcie roztapiania przebiega niezależnie od rodzaju lub gatunku rudy żelaza lub podobnego surowca, na skutek czego materiały ogniotrwałe trzonu ulegają poważnej erozji lub zużyciu.

Figura 4 przedstawia graficznie sytuacje reakcji w wypadku, kiedy formowany surowiec (w postaci granulek o średnicy 16-19 mm) zawierający rudę żelaza, jako źródło tlenku żelaza i węgiel jako węglowy czynnik redukujący był załadowany do pieca kontrolowanego tak, by utrzymywać temperaturę atmosfery około 1300°C (linia 1 na wykresie), poddawany był redukcji w stanie stałym, aż stopień redukcji (stopień usunięcia tlenu z tlenku żelaza zawartego w formowanym surowcu) osiągnął około 100%, a uzyskane zredukowane żelazo było ładowane do strefy roztapiania kontrolowanej tak, by utrzymywać temperaturę atmosfery około 1425°C (linia prosta 2) w chwili zaznaczonej linią prostą 3. Fig. 4 pokazuje również wewnętrzną temperaturę formowanego surowca mierzoną ciągle przez termoparę uprzednio wprowadzoną w formowany surowiec, temperaturę atmosfery w piecu i odpowiednie zmiany w czasie w stężeniach dwutlenku węgla i tlenku węgla wytwarzanych w procesie redukcji.

Jak wynika z fig. 4, granulowane metaliczne żelazo można sprawnie i stabilnie wytwarzać, jeżeli zastosuje się dwuetapowy system grzania, tak aby spowodować przebieg redukcji, aż stopień redukcji (stopień usunięcia tlenu) osiągnie 80% (punkt A na fig. 4) lub więcej, korzystnie 95% (punkt B na fig. 4) lub więcej, przy czym uformowany surowiec w piecu jest utrzymywany w stanie stałym bez występowania częściowego roztapiania składnika żużla zawartego w uformowanym surowcu.

W szczególności dwuetapowy system grzania jest taki, że redukcja w stanie stałym może przebiegać przy temperaturze wewnątrz pieca utrzymywanej w zakresie 1200-1500°C, korzystniej 1200-1400°C, po czym temperatura wewnątrz pieca jest zwiększana do 1350-1500°C, aby zredukować część tlenku żelaza, która pozostała niezredukowana i spowodować nawęglenie/roztopienie/koagulację uzyskanego metalicznego żelaza.

Jeśli chodzi o zmianę w czasie temperatury atmosfery mierzonej ciągle na fig. 4, spadek temperatury około 80-100°C od ustalonej temperatury wewnętrznej ustawionej na 1300°C przed rozpoczęciem eksperymentu zaobserwowano wtedy, gdy uformowany surowiec został załadowany do pieca, a nastę pnie temperatura wewnę trzna stopniowo rosł a i w ostatnim etapie redukcji w stanie sta ł ym powróciła do początkowo ustawionej temperatury. Ponieważ ten spadek temperatury na początku eksperymentu był spowodowany zgodnie z właściwościami pieca, taki spadek temperatury w etapie początkowym można zmniejszyć do minimum, jeżeli zmodyfikuje się elementy grzejne pieca.

PL 201 389 B1

Jeśli chodzi o czas na osi odciętych na fig. 4, redukcja w stanie stałym, roztapianie i koagulacja tlenku żelaza mogą zostać zwykle zakończone w około 10-13 minut, chociaż czas ten ulega niewielkim zmianom w zależności od składu rudy żelaza i materiału węglowego w uformowanym surowcu oraz podobnych czynników.

Jeżeli redukcja w stanie stałym uformowanego surowca przebiega ze stopniem redukcji utrzymywanym poniżej 80%, po czym następuje roztopienie przez grzanie, zachodzi infiltracja żużla o niskiej temperaturze topnienia z formowanego surowca, powodując erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych trzonu, jak opisano powyżej. Jeśli natomiast stopień redukcji jest utrzymywany na wartości 80% lub wyższej, korzystnie 95% lub wyższej, w ostatnim etapie redukcji w stanie stałym i przeprowadza się dalszy proces, mianowicie nawęglanie-roztapianie-koagulację, zmniejszenie części FeO pozostawionej bez redukcji w formowanym surowcu zachodzi wewnątrz formowanego surowca, a więc infiltrację żużla moż na zmniejszyć do minimum zapewniając przez to ustabilizowaną ciągłą produkcję bez poważnej erozji lub zużycia materiałów ogniotrwałych trzonu.

Prawidłowa temperatura wnętrza pieca, przy której można zapewnić większy stopień redukcji bez przesiąkania żużla o niskiej temperaturze topnienia w pierwszym etapie, mianowicie w etapie redukcji w stanie stałym na fig. 4, jest w zakresie 1200-1500°C, korzystnie 1200-1400°C. Jeżeli temperatura wnętrza pieca jest niższa niż 1200°C, redukcja w stanie stałym przebiega powoli, a zatem formowany surowiec powinien przebywać w piecu przez dłuższy czas, na skutek czego zmniejsza się wydajność produkcyjna. Z drugiej strony, jeżeli temperatura wnętrza wynosi 1400°C lub jest większa, zwłaszcza większa niż 1500°C, przesiąkanie żużla o niskiej temperaturze topnienia występuje w procesie redukcji niezależnie od rodzaju lub gatunku rudy żelaza itp. w surowcu, jak opisano powyżej, powodując poważną erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych trzonu, co utrudnia ciągłą produkcję. Chociaż może wystąpić przypadek, że pewien skład lub proporcja rudy żelaza użytej jako surowiec nie pozwala na wystąpienie zjawiska przesiąkania w zakresie temperatury 1400-1500°C, częstość i prawdopodobieństwo takich przypadków są stosunkowo małe. Odpowiednia temperatura w stopniu redukcji w stanie stałym jest zatem w zakresie 1200-1500°C, korzystnie 1200-1400°C. W praktycznym działaniu jest oczywiście możliwe, że temperatura wnętrza pieca jest ustawiona na 1200°C lub poniżej na początku stopnia redukcji w stanie stałym, a następnie zwiększana do wartości w zakresie 1200-1500°C w późniejszej połowie stopnia redukcji w stanie stałym, by powodować przebieg redukcji w stanie stałym.

Formowany surowiec po zakończeniu żądanej redukcji w fazie stałej, w obszarze redukcji w stanie stałym, jest przenoszony do obszaru roztapiania, gdzie temperatura wnętrza pieca jest zwiększona do 1425°C. W obszarze roztapiania temperatura wewnętrzna formowanego surowca wzrasta na chwilę, tymczasowo zmniejsza się w punkcie C, a następnie rośnie znów by osiągnąć 1425°C, to znaczy ustawioną wartość temperatury. Spadek temperatury w punkcie C wydaje się być spowodowany zabraniem ciepła przez ciepło utajone uczestniczące w roztapianiu zredukowanego żelaza, a zatem punkt C można traktować jako punkt początkowy roztapiania. Punkt początkowy roztapiania jest zasadniczo określony przez ilość resztkowego węgla w cząstkach zredukowanego żelaza. W punkcie początkowym roztapiania temperatura topnienia takich cząstek zredukowanego żelaza jest obniżona na skutek nawęglenia takim resztkowym węglem i gazowym CO, w związku z czym zredukowane żelazo szybko topi się. Aby zapewnić takie szybkie roztapianie, pożądane jest, by w cząstkach żelaza po zakończeniu redukcji w stanie stałym pozostała ilość węgla wystarczająca do nawęglania. Ta ilość resztkowego węgla jest określona przez proporcje rudy żelaza itp. i materiału węglowego w mieszaninie do formowania surowca. Zgodnie z doświadczeniami przeprowadzonymi przez twórców niniejszego wynalazku stwierdzono, że zredukowane żelazo może być szybko nawęglane w celu obniżenia jego temperatury topnienia i spowodowania szybkiego roztapiania w zakresie temperatury 1300-1500°C, jeżeli materiał węglowy jest początkowo zmieszany w ilości takiej, że ilość resztkowego węgla (to znaczy nadmiar węgla) w produkcie zredukowanym w stanie stałym wynosi nie mniej niż 1,5%, kiedy końcowy stopień redukcji w etapie redukcji w stanie stałym osiąga zasadniczo 100%, albo inaczej mówiąc, kiedy stopień metalizacji osiąga 100%. Należy zauważyć, że jeśli ilość resztkowego węgla w zredukowanym ż elazie jest mniejsza niż 1,5%, temperatura topnienia zredukowanego ż elaza nie maleje wystarczająco ze względu na niewystarczającą ilość węgla do nawęglania, a zatem potrzebne jest podwyższenie temperatury do 1500°C lub wyżej do roztapiania przez grzanie.

Czyste żelazo, które w ogóle nie jest nawęglone, ma temperaturę topnienia 1537°C. Zredukowane żelazo może zatem topić się przy ogrzaniu do temperatury wyższej niż ta temperatura topnienia.

Pożądane jest jednak, by temperatura działania praktycznego pieca była możliwie niska, aby zmniejszyć obciążenie cieplne materiałów ogniotrwałych trzonu. Kiedy rozważy się ponadto temperaturę

PL 201 389 B1 topnienia żużla wytwarzanego jako produkt uboczny, korzystna temperatura działania powinna być ustawiana na wartości około 1500°C lub mniejszej. W szczególności pożądane jest, by warunki działania były kontrolowane tak, aby temperaturę można było podwyższyć o około 50-200°C od punktu początkowego topnienia (punkt C) w fazie roztapiania pokazanej na fig. 4. Jest to spowodowane tym, że temperatura w etapie nawęglania-roztapiania jest korzystnie ustawiana powyżej temperatury w etapie redukcji w stanie stał ym o okoł o 50-200°C, korzystniej 50-150°C, aby redukcja w stanie stałym i nawęglanie-roztapianie przebiegały bardziej gładko i sprawniej.

Według przedmiotowego wynalazku pożądane jest ponadto, by warunki wytwarzania były kontrolowane tak, aby zawartość węgla w otrzymywanym ostatecznie metalicznym żelazie mogła wynosić 1,5-4,5%, korzystniej 2,0-4,0%. Taka zawartość węgla jest zasadniczo określona przez ilość węglowego materiału zmieszanego w trakcie przygotowania formowanego surowca i przez kontrolowanie atmosfery w etapie redukcji w stanie stałym. Dolna granica takiej zawartości węgla jest określona zwłaszcza przez ilość resztkowego węgla w zredukowanym żelazie w ostatnim etapie redukcji w stanie stałym i późniejszy czas przebywania (mianowicie ilość nawęglenia). Jednakże zawartość węgla w otrzymywanym ostatecznie metalicznym żelazie można zwię kszyć do wartości większej niż dolna granica wymienionego powyżej zakresu, jeżeli stopień redukcji w ostatnim etapie redukcji w stanie stałym osiągnie zasadniczo 100%, a równocześnie zapewniona jest zawartość resztkowego węgla w iloś ci 1,5%, jak opisano powyż ej. Ponadto stwierdzono, że zawartość węgla w otrzymywanym ostatecznie metalicznym żelazie można zwiększyć do maksymalnej wartości lub 4,8%, jeżeli ilość resztkowego węgla w zredukowanym żelazie wynosi 4,0% lub więcej po zakończeniu etapu redukcji w stanie stałym, a w następującym etapie roztapiania może przebiegać proces nawęglania-roztapiania-koagulacji. Jednakże w celu zapewnienia stabilnego ciągłego działania i uzyskania metalicznego żelaza o wyższej jakości produktu ilość resztkowego węgla wynosi korzystnie 1,5-4,5%.

Jeśli chodzi o gazową atmosferę, w reakcji pomiędzy tlenkiem żelaza a materiałem węglowym zawartym w formowanym surowcu wytwarzana jest duża ilość tlenku węgla, a zatem atmosfera w pobliż u uformowanego surowca jest silnie redukują ca w zwią zku ze swym dział aniem samoosł aniającym. Jednakże nie można oczekiwać takiego działania samoosłaniającego w ostatnim etapie redukcji w stanie stałym i w późniejszym etapie nawęglania-roztapiania, ponieważ ilość wytwarzanego gazowego tlenku węgla jest gwałtownie zmniejszana w tych etapach.

Figura 5 pokazuje wyniki określania zależności pomiędzy stopniem metalizacji produktu zredukowanego w stanie stałym, ilością resztkowego FeO i ilością resztkowego węgla. Jak pokazano, ilość resztkowego FeO zmniejszała się w miarę postępu redukcji w stanie stałym, mianowicie wraz z rosnącym stopniem metalizacji. Redukcja w stanie stałym uformowanego surowca przebiegała w piecu z utrzymywaną temperaturą 1200-1500°C, jak pokazano na fig. 4, aż do linii prostej 1 na fig. 5, a następnie proces nawęglania-roztapiania-koagulacji wynikowego zredukowanego żelaza przebiegał w obszarze roztapiania, w którym atmosfera był a silnie redukuj ą ca, a temperatura był a utrzymywana w zakresie 1350-1500°C przez kontrolowanie jej. Zależność pomi ę dzy stopniem metalizacji, iloś cią resztkowego FeO i ilością resztkowego węgla w ostatnim etapie zmienia się zgodnie z krzywymi po prawej stronie linii prostej 1 na fig. 5.

Krzywe (1) i (2) na fig. 5 przedstawiają zależność pomiędzy stopniem metalizacji a ilością resztkowego węgla. W szczególności krzywa (1) pojawiała się w takim przypadku, gdzie ilość resztkowego węgla wynosiła 1,5% z chwilą osiągnięcia 100% metalizacji, natomiast krzywa (2) pojawiała się w przypadku, gdy ilość resztkowego węgla wynosił a 3,0% z chwilą osią gnię cia 100% metalizacji. Przy praktycznym realizowaniu przedmiotowego wynalazku pożądane jest, by ilość węglowego materiału stosowana przy wytwarzaniu formowanego surowca była regulowana tak, aby ilość resztkowego węgla mogła tworzyć krzywą powyżej krzywej (1).

Należy zauważyć, że ilość resztkowego węgla w chwili gdy stopień metalizacji osiąga 100% waha się nieco, na skutek wahań stopnia redukcji powodowanej przez gazową atmosferę w piecu, nawet jeśli stała ilość węglowego materiału jest stosowana przy wytwarzaniu uformowanego surowca. Zaleca się zatem, aby stosowaną ilość węglowego materiału regulować w zależności od stopnia redukującego działania gazowej atmosfery podczas działania pieca przy każdym wytwarzaniu uformowanego surowca. W każdym przypadku ilość stosowanego węglowego materiału musi być regulowana tak, aby końcowa ilość resztkowego węgla w chwili osiągnięcia stopnia metalizacji 100% wynosiła 1,5% lub więcej.

Figura 6 pokazuje wyniki określania zależności pomiędzy końcową ilością resztkowego węgla przy 100% metalizacji a zawartością węgla w uzyskiwanym metalicznym żelazie. Jak pokazano na fig. 6,

PL 201 389 B1 kiedy ilość resztkowego węgla była w zakresie 1,5-5,0%, ilość węgla w wynikowym metalicznym żelazie zapewniana była w zakresie 1,0-4,5%, natomiast kiedy ilość resztkowego węgla była w zakresie 2,0-4,0%, wówczas ilość węgla w uzyskiwanym metalicznym żelazie była w zakresie 1,0-4,5%.

W powyż szym opisie do przedstawiania zredukowanego stanu FeO stosuje się dwie wielkoś ci, mianowicie stopień metalizacji i stopień redukcji. Wielkości te mają odpowiednie definicje podane poniżej, a zależność pomiędzy nimi może być reprezentowana przykładowo przez wykres pokazany na fig. 7. Chociaż zależność pomiędzy tymi dwiema wielkościami zmienia się w zależności od rodzaju lub gatunku rudy żelaza używanej jako źródło tlenku żelaza, fig. 7 przedstawia zależność pomiędzy stopniem metalizacji a stopniem redukcji w takim przypadku, gdy jako źródło tlenku żelaza stosuje się magnetyt (Fe3O4). Stopień metalizacji = [uzyskiwane metaliczne żelazo/(uzyskiwane metaliczne żelazo + żelazo zawarte w rudzie żelaza)] x 100%

Stopień redukcji = (ilość tlenu usuniętego w procesie redukcji/ilość tlenu w tlenku żelaza zawartym w uformowanym surowcu) x 100%

W redukcyjnym piecu wytopowym uż ywanym w praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku grzanie palnikiem jest stosowane do ogrzewania uformowanego surowca, jak to opisano powyżej. Jak to również opisano w odniesieniu do fig. 4, ponieważ z reakcji pomiędzy źródłem tlenku żelaza a materiał em wę glowym zawartymi w uformowanym surowcu ł adowanym do pieca uzyskuje się dużą ilość gazowego tlenku węgla i niewielką ilość dwutlenku węgla, atmosfera w pobliżu uformowanego surowca jest utrzymywana jako wystarczająco redukująca przez osłaniające działanie gazowego tlenku węgla wydzielanego z uformowanego surowca podczas redukcji w stanie stałym.

Jednakże takie działanie samoosłaniające jest osłabiane na skutek gwałtownego zmniejszenia ilości gazowego tlenku węgla wytwarzanego w czasie od środka do ostatniej fazy etapu redukcji w stanie stałym, na skutek czego na atmosferę działa odprowadzany gaz (gaz utleniający, zawierający CO2, H2O itp.), otrzymywany ze spalania w palniku. W konsekwencji metaliczne żelazo, które zostało całkowicie zredukowane, staje się podatne na wtórne utlenienie. W etapie następującym po zakończeniu redukcji w stanie stałym roztapianie i koagulacja drobnych cząstek zredukowanego żelaza przebiegają na skutek obniżenia temperatury topnienia zredukowanego żelaza, spowodowanego przez nawęglenie resztkowym węglem zawartym w uformowanym surowcu. W etapie tym osłabione jest również działanie samoosłaniające, w związku z czym zredukowane żelazo jest podatne jest na wtórne utlenienie.

Ważne jest odpowiednie kontrolowanie składu atmosfery gazowej w obszarze nawęglania-roztapiania, by zmniejszyć do minimum takie wtórne utlenianie przy równoczesnym umożliwieniu sprawnego przebiegu procesu nawęglania-roztapiania-koagulacji po redukcji w stanie stałym.

Prowadzono badania w celu określenia warunków atmosferycznych, które umożliwiają sprawny przebieg nawęglania-roztapiania, równocześnie zapobiegając wtórnemu utlenianiu zredukowanego żelaza w etapie nawęglania-roztapiania następującym po zakończeniu redukcji w stanie stałym.

Wyniki badań opisano poniżej w odniesieniu do fig. 8. W eksperymencie objętym tymi badaniami wykorzystywano skrzyniowe ukształtowany piec elektryczny, sproszkowany lub granulowany materiał węglowy jako środek regulujący atmosferę w etapie nawęglania-roztapiania i przyjęto sposób utrzymywania silnie redukującej atmosfery w etapie nawęglania-roztapiania przez rozprowadzanie węglowego materiału nad trzonem pieca, by utworzyć warstwę o odpowiedniej grubości.

Mówiąc dokładniej, różne rodzaje granulowanego węgla o różnych wielkościach ziaren, używane jako czynnik regulacji atmosfery, rozłożono na tacy z tlenku glinowego o grubości około 3 mm i na to nałożono rzędem 50-60 kawałków uformowanego surowca, każdy o średnicy około 19 mm, przy czym jeden z tych kawałków został wyposażony w termoparę. Tacę z uformowanym surowcem załadowano do skrzyniowego pieca elektrycznego, aby zmierzyć temperaturę uformowanego surowca podczas grzania i określić skład wytwarzanego gazu w celu przeanalizowania prawdopodobieństwa wtórnego utlenienia uzyskiwanego metalicznego żelaza. Temperaturę pieca elektrycznego ustawiono tak, by osiągała ona najwyżej 1450°C, natomiast początkowy skład gazowej atmosfery w piecu był CO2-20% i N2-80%.

Figura 8 pokazuje wyniki pomiaru w czasie temperatury uformowanego surowca, wykonane za pomocą termopary, oraz skład gazowej atmosfery, gdy temperatura w piecu była stopniowo zwiększana. Na fig. 8 oś odciętych reprezentuje temperaturę, a oś rzędnych reprezentuje prosty stopień redukcji [CO/(CO + CO2)] atmosfery gazowej. Na rysunku tym wykreślono wyniki z czterech eksperymentów. W szczególności wykres (3) reprezentuje wyniki otrzymane wtedy, gdy nie stosowano czynnika regulującego atmosferę, wykres (4) reprezentuje wyniki otrzymane wtedy, gdy jako czynnik regulujący

PL 201 389 B1 atmosferę stosowano gruboziarnisty węgiel o średniej średnicy cząstek nie mniejszej niż 3,0 mm, a wykresy (1) i (2) przedstawiają wyniki otrzymane wtedy, gdy stosowano drobnoziarniste wę glowe proszki A i B, każdy o średnicy cząstek ustawionej na 2,0 mm lub mniej. Fig. 8 przedstawia również krzywą równowagi FeO-Fe i krzywą równowagi Fe3O4-Fe jako miary prawdopodobieństwa wtórnego utleniania. Na fig. 8 każdy z obszarów w kółku reprezentuje czas, kiedy w każdym eksperymencie rozpoczynał się etap nawęglania-roztapiania-koagulacji zasadniczo po zakończeniu redukcji w stanie stałym. Kontrola atmosfery gazowej w tym czasie jest najważniejsza dla przedmiotowego wynalazku.

Jak wynika z fig. 8, w przypadku reprezentowanym przez wykres (3), gdzie nie zastosowano żadnego czynnika regulującego atmosferę, obszar (C), w którym rozpoczął się proces nawęglania-roztapiania-koagulacji, jest usytuowany znacznie niżej niż krzywa równowagi FeO-Fe. Oznacza to, że zredukowane żelazo jest całkowicie roztopione z występowaniem częściowej redukcji przy roztapianiu. Chociaż metaliczne żelazo wytwarzane jest nawet w takim wypadku, wystąpienie redukcji w trakcie roztapiania nie tylko powoduje, że roztopiony żużel przesącza się z uformowanego surowca, ale również wytwarza roztopiony FeO, który z kolei powoduje poważną erozję lub zużycie ogniotrwałych materiałów trzonu, co stanowi przeszkodę w praktycznej produkcji, jak opisano powyżej.

W przypadkach reprezentowanych przez wykresy (1) i (2), gdy stosowane są węglowe proszki o drobniejszych ziarnach, stopień redukcji powodowanej przez gazową atmosferę jest natomiast znacznie polepszony, a obszar (A), w którym rozpoczynała się procedura nawęglania-roztapiania-koagulacji zredukowanego żelaza, jest usytuowany powyżej krzywej równowagi FeO-Fe i utrzymywany w strefie, w której nie może występować wytwarzanie FeO. W przypadku reprezentowanym przez wykres (3), kiedy stosowano gruboziarnisty węgiel, obszar (B), w którym rozpoczynała się procedura nawęglania-roztapiania-koagulacji, jest usytuowany nieco niżej niż krzywa równowagi FeO-Fe. Oznacza to, że w tym obszarze może wystąpić niewielkie utlenianie wtórne. Jednakże analiza składników uzyskiwanego metalicznego żelaza wykazała, że wtórne utlenianie rzadko występowało.

Zostało zatem potwierdzone, że proces nawęglania-roztapiania-koagulacji zredukowanego żelaza uzyskanego z redukcji w stanie stałym może przebiegać gładko bez powodowania wtórnego utleniania tego żelaza, przez co sprawnie wytwarza się metaliczne żelazo o wysokiej czystości, jeśli gazowa atmosfera jest kontrolowana tak, by miała stopień działania redukującego nie mniejszy niż 0,5, korzystnie nie mniejszy niż 0,6, korzystniej nie mniejszy niż 0,7, a najkorzystniej usytuowany powyżej krzywej równowagi FeO-Fe, przynajmniej na początku etapu nawęglania-roztapiania-koagulacji. Należy zauważyć, że chociaż istnieje obawa znacznego utlenienia wtórnego przy stopniu prostej redukcji 0,5-0,7, kiedy analizuje się dane eksperymentalne, to jednak eksperyment ten był prowadzony w celu określenia stopnia prostego działania redukującego gazowej atmosfery i zakłada się, że wtórne utlenianie nie występuje w gazowej atmosferze mającej stopień działania redukcyjnego 0,5-0,7, zmierzony rzeczywiście, ponieważ rzeczywiście istniejąca atmosfera wewnątrz i w pobliżu uformowanego surowca musi być utrzymywana jako wysoce redukująca przez obecność resztkowego węgla w uformowanym surowcu oraz czynnika regulują cego atmosferę , a ponadto ponieważ gazy utleniaj ą ce, takie jak CO2 i H2O, wędrujące z atmosfery usytuowanej nad trzonem pieca ku uformowanemu surowcowi, są natychmiast redukowane przez czynnik regulujący atmosferę złożony z materiału węglowego. Kiedy stopień działania redukcyjnego jest mniejszy niż 0,5, metaliczne żelazo będzie prawdopodobnie wtórnie utleniane, jak pokazano na fig. 2, co zostanie objaśnione później, a równocześnie nawęglanie odbywa się z trudem, a więc i koagulacja metalicznego żelaza w ziarna przebiega z trudem, na skutek czego otrzymuje się muszelkowe ziarna ż elaza częściowo zawierające ż użel. Ponieważ taki produkt ma mniejszą czystość i pogorszoną jakość kształtu, nie można osiągnąć celu przedmiotowego wynalazku.

Chociaż stopień redukującego działania atmosfery gazowej szybko obniża się po zakończeniu procesu nawęglania-roztapiania-koagulacji zredukowanego żelaza, roztopione i skoagulowane metaliczne żelazo jest zasadniczo całkowicie oddzielone od żużla wytwarzanego jako produkt uboczny w tym czasie w rzeczywistej produkcji, a zatem takie zmniejszenie stopnia redukują cego dział ania gazowej atmosfery ma niewielki wpływ na to zredukowane żelazo. Kiedy na skutek chłodzenia takie roztopione metaliczne żelazo krzepnie, można sprawnie otrzymywać granulowane metaliczne żelazo o wysokim stopniu czystoś ci.

Jak wynika z powyższego opisu, proszek węglowy używany jako czynnik regulacji atmosfery korzystnie ma średnicę cząstek nie większą niż 3 mm, korzystniej nie większą niż 2 mm, ponieważ taki drobnoziarnisty proszek węglowy może hamować wtórne utlenianie w etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji bardziej niezawodnie. Kiedy weźmie się pod uwagę dodatkowo wydajność i funkcjonalność

PL 201 389 B1 pieca w praktycznej produkcji itp., najkorzystniejszy zakres średnicy cząstek takiego proszku węglowego jest 0,3-1,5 mm. Chociaż nie ma żadnego konkretnego ograniczenia grubości warstwy proszku węglowego rozkładanego na trzonie, grubość ta korzystnie wynosi w przybliżeniu 2 mm lub więcej, korzystniej 3 mm lub więcej, ponieważ bezwzględna ilość węgla, jako czynnika regulującego atmosferę staje się niewystarczająca, jeżeli warstwa proszku węglowego jest zbyt cienka. Chociaż nie ma żadnego konkretnego ograniczenia jeśli chodzi o górną granicę grubości warstwy, to jednak górna granica grubości warstwy korzystnie wynosi około 7 mm lub mniej, korzystniej około 6 mm lub mniej z praktycznego punktu widzenia, ponieważ regulujące atmosferę działanie czynnika regulującego atmosferę w sposób naturalny staje się nasycone, a zatem nadmierna grubość warstwy jest niepotrzebna. Każde źródło wytwarzające tlenek węgla, takie jak korek lub węgiel drzewny, można zastosować zamiast węgla w charakterze czynnika regulującego atmosferę. Takie źródła wytwarzające tlenek węgla można stosować oddzielnie lub jako mieszaninę.

Jako czynnik regulujący atmosferę można zastosować palny gaz, taki jak gaz ziemny, gaz ze zgazowania węgla, metan itp. W takim wypadku stopień redukcji można regulować przez wprowadzanie gazu w pobliżu uformowanego surowca podczas ostatniej fazy redukcji w stanie stałym, aż do etapu nawęglania-roztapiania-koagulacji.

Czynnik regulujący atmosferę można rozłożyć na trzonie pieca przed załadowaniem do pieca uformowanego surowca. W takim przypadku czynnik regulujący atmosferę służy również do ochrony materiałów ogniotrwałych trzonu przed roztopionym żużlem, który może przenikać na skutek wahań warunków działania w procesie wytapiania redukcyjnego. Oczywiście, ważne jest również by czynnik regulujący atmosferę był ładowany na trzon od góry tuż przed rozpoczęciem nawęglania-roztapiania uformowanego surowca, ponieważ od czynnika regulującego atmosferę oczekuje się wywierania takiego działania ochronnego w etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji po zakończeniu redukcji w stanie stałym.

Ponadto gaz, który wytwarza gaz redukujący, albo gaz redukujący taki jak gaz ziemny, gaz ze zgazowania węgla i metan, może być również zastosowany jako czynnik regulujący atmosferę. W takim wypadku pożądane jest zastosowanie środków doprowadzania gazu w ścianie przegradzającej i doprowadzanie gazu z końca ściany przegradzającej. Środki doprowadzania gazu mogą być przez to łatwo chronione przed atmosferą o wysokiej temperaturze w piecu, a gaz redukujący może być pewnie dostarczany blisko trzonu.

Nie ma żadnego szczególnego ograniczenia sposobu ładowania czynnika regulującego atmosferę. Jednakże jeżeli stosuje się zasilanie w postaci rury, może być trudno doprowadzać surowce pomocnicze na trzon w sposób ciągły z równomierną grubością.

Według przedmiotowego wynalazku zaleca się zatem, aby urządzenie zasilające do ładowania pomocniczych surowców, takich jak czynnik regulujący atmosferę, na trzon było ulepszone tak, aby doprowadzać pomocnicze surowce przez wykorzystanie kanału połączonego pionowo z częścią stropową pieca. Korzystnie takie urządzenie zasilające jest skonfigurowane tak, aby pomocnicze surowce mogły spadać grawitacyjnie na trzon poprzez ten kanał. Dzięki zastosowaniu takiego kanału możliwe jest tworzenie na trzonie cienkiej warstwy czynnika regulującego atmosferę o jednakowej grubości w kierunku szerokości trzonu, przez co przezwycięża się problem polegający na tym, że surowce pomocnicze są ładowane nierównomiernie w kierunku szerokości trzonu. Załadowany tak równomiernie czynnik regulujący atmosferę może skutecznie wywierać swe oddziaływanie zabezpieczające przed wtórnym utlenieniem.

Jednakże odległość pomiędzy trzonem a wylotem kanału wynosi korzystnie 300 mm lub mniej, korzystniej 200 mm lub mniej, aby uniknąć szkodliwego wpływu na doprowadzanie materiałów na trzon z równomierną grubością (zakłócanie kanału spadania materiałów) na skutek przepływu atmosfery gazowej w piecu pomiędzy nimi. Jeżeli wylot kanału jest usytuowany zbyt blisko trzonu, prędkość przepływu atmosfery gazowej w tej części staje się zbyt duża, co może powodować rozbryzgiwanie pomocniczych surowców. Zalecana jest zatem wystarczająca odległość pomiędzy trzonem a wylotem kanału, by zmniejszyć prędkość przepływu gazowej atmosfery i osiągnąć co najwyżej końcową prędkość materiałów.

Poniżej na podstawie fig. 9-14, pokazujących schematycznie przykład realizacji, opisano doprowadzanie czynnika regulującego atmosferę jako pomocniczego surowca przy użyciu korzystnego przykładu realizacji urządzenia zasilającego według przedmiotowego wynalazku. Fig. 9 jest schematycznym widokiem pokazującym część ładującą czynnik regulujący atmosferę w piecu z ruchomym trzonem.

PL 201 389 B1

Urządzenie zasilające 10 zawiera zasilający lej 11 i wylotowy kanał 12, poprzez który czynnik regulujący atmosferę jest doprowadzany z zasilającego leja 11 do dozownika 13, służącego jako element regulujący doprowadzanie. Nie ma żadnego konkretnego ograniczenia jeśli chodzi o konstrukcję urządzenia zasilającego 10. Chociaż dozownik 13 na fig. 9 pokazano jako dozownik wibracyjny przeznaczony do regulowania doprowadzania czynnika regulującego atmosferę przez zmienianie amplitudy drgań, nie ma żadnego konkretnego ograniczenia do takiego dozownika wibracyjnego i przykładowo można stosować dozownik bębnowy.

Zasilający kanał 14, jako element służący do doprowadzania czynnika regulującego atmosferę z zasilającego urządzenia 10 do trzonu 1, jest pionowo włączony pomiędzy zasilający otwór 14a dozownika 13 a otwór wykonany w części stropowej pieca. Kiedy czynnik regulujący atmosferę spadający poprzez kanał 14 styka się z wewnętrzną ścianą kanału 14, ten czynnik regulujący atmosferę może przywierać do kontaktującej się z nim części wewnętrznej ściany, przez co czynnik regulujący atmosferę może być nierównomiernie doprowadzany na trzon. Z tego powodu wymagane jest, by kanał 14 był połączony pionowo z częścią stropową pieca, aby czynnik regulujący atmosferę był równomiernie doprowadzany do trzonu.

Aby czynnik regulujący atmosferę był równomiernie rozkładany w kierunku szerokości trzonu (w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu trzonu), szerokość kanału 14 jest korzystnie równa szerokości trzonu. Alternatywnie można zastosować kilka kanałów, z których każdy ma dowolną szerokość, tak że ich całkowita szerokość jest równa szerokości trzonu. W takim przypadku każdy kanał może być niezależnego rodzaju, może być ruchomo zamontowany niezależnie, albo też kanał 14 jest przedzielony przegrodą 15 umieszczoną w nim tak, aby czynnik regulujący atmosferę mógł spadać przez każdy odgrodzony przewód. Chociaż pokazano trzy przegrodowe płyty 15 na fig. 10, liczba przegrodowych płyt 15 nie jest szczególnie ograniczona i może być określona w zależności od szerokości każdego kanału.

Czynnik regulacji atmosfery doprowadzany do zasilającego leja 11 mieszany jest z innymi dodatkami według potrzeb, a następnie doprowadzany jest do wibracyjnego dozownika 13 poprzez wylotowy przewód 12. Wibracyjny dozownik 13 doprowadza czynnik regulujący atmosferą do pieca poprzez zasilający otwór 14a i zasilający kanał 14, równocześnie regulując prędkość doprowadzania. W tym przypadku niezależne kanały 14 korzystnie mają odpowiednie zasilające otwory 14a, z których każdy jest wyposażony w wibracyjny dozownik 13 do regulowania doprowadzania czynnika regulującego atmosferę. Zwłaszcza w piecu z obrotowym trzonem ciągła warstwa czynnika regulującego atmosferę o równomiernej grubości w kierunku szerokości trzonu, może być tworzona przez kontrolowanie każdego wibracyjnego dozownika 13 tak, aby zmieniać doprowadzanie czynnika regulującego atmosferę.

Ponadto, jeśli kanał 14 jest przegrodzony na wiele przedziałów w kierunku szerokości trzonu, przepływ gazu w piecu, wchodzący do góry w kanał 14 może być powstrzymywany przed rozchodzeniem się w kierunku szerokości trzonu. Ponieważ czynnik regulujący atmosferę podczas spadania ma pewną siłę bezwładności, jego droga opadania nie jest zakłócana przez taki przepływ gazu wznoszącego się w kanale 14. Czynnik regulujący atmosferę spada zatem zasadniczo wzdłuż swej drogi spadania grawitacyjnie bez odchylania się w jedną stronę kanału, a więc uzyskiwana warstwa czynnika regulującego atmosferę jest ciągła i nie przechyla się ku jednej stronie w kierunku szerokości trzonu.

Tak skonstruowane urządzenie zasilające nadaje się do utworzenia ciągłej warstwy czynnika regulującego atmosferę mającej równomierną grubość na trzonie bez wymagania stosowania elementu wyrównującego lub wygładzającego granulki.

Pożądane jest, by obojętny gaz, taki jak azot, był doprowadzany z górnej części kanału tak, aby spychać wznoszący się przepływ atmosfery gazowej w kanał 14. Skierowany do dołu przepływ takiego doprowadzanego obojętnego gazu w tym kanale może spychać wznoszący się przepływ atmosfery gazowej z wnętrza pieca równocześnie zmniejszając zakłócenia drogi spadania czynnika regulującego atmosferę, przez co zapewnione jest sprawniejsze tworzenie warstwy czynnika regulującego atmosferę o równomiernej grubości.

Chociaż nie ma szczególnego ograniczenia jeśli chodzi o usytuowanie miejsca doprowadzania obojętnego gazu, co najmniej jeden otwór 16 doprowadzania gazu skierowany do wewnątrz kanału 14, jak pokazano na fig. 11, jest korzystnie przewidziany z punktu widzenia spychania wznoszącego się przepływu gazowej atmosfery w kanał 14. W takim wypadku przednia część końcowa otworu 16 doprowadzania gazu jest korzystnie zwrócona do trzonu (pionowo do dołu) dla wprowadzanego obojętnego gazu.

PL 201 389 B1

Nie ma żadnego szczególnego ograniczenia jeśli chodzi o ilość doprowadzanego obojętnego gazu, jeśli tylko obojętny gaz jest doprowadzany w ilości potrzebnej do spychania wznoszącego się przepływu atmosfery gazowej w kanał 14. Ilość dostarczanego obojętnego gazu może być odpowiednio regulowana, np. przez wyposażenie otworu 15 doprowadzania gazu w zawór sterowania przepływu (nie pokazano).

Ponadto pożądane jest, by na zewnętrznej ścianie kanału 14 przewidziane były elementy chłodzące, by uchronić pomocniczy surowiec, taki jak czynnik regulujący atmosferę, który spada wewnątrz kanału 14, przed przywieraniem do wewnętrznej ściany kanału 14. Usytuowanie elementów chłodzących nie jest szczególnie ograniczone, przykładowo kanał ten może być całkowicie lub częściowo wyposażony w elementy chłodzące. Pożądane jest jednak, by w dolnej części kanału, jak pokazano na fig. 12, zastosowany był chłodzący płaszcz 17, ponieważ konstrukcja taka umożliwia skuteczniejsze przeciwdziałanie przywieraniu czynnika regulującego atmosferę do części ściany wewnętrznej kanału usytuowanej przy otworze w stropie pieca.

Przywieraniu lub osadzaniu się pomocniczych surowców, takich jak czynnik regulujący atmosferę, można skuteczniej przeciwdziałać przez powleczenie wewnętrznej ściany kanału materiałem przeciwadhezyjnym, który może przeciwdziałać przywieraniu lub osadzaniu się takich surowców pomocniczych. Przykładowo, warstwa 18 czynnika przeciwadhezyjnego może być utworzona z tworzyw fluorowych, jak pokazano na fig. 13. Usytuowanie i grubość warstwy czynnika przeciwadhezyjnego nie są szczególnie ograniczone. Chociaż wewnętrzna ściana kanału może być całkowicie lub częściowo wykonana z takiej warstwy czynnika przeciwadhezyjnego, to warstwa czynnika przeciwadhezyjnego jest korzystnie utworzona na dolnej części kanału, która będzie ogrzana do wyższej temperatury.

Urządzenie zasilające o powyższych właściwościach według przedmiotowego wynalazku może być wykorzystywane do ładowania innych surowców pomocniczych, takich jak dodatek regulujący temperaturę topnienia, który zostanie opisany później oraz materiał tlenkowy złożony głównie z tlenku glinowego w celu tworzenia pierwotnej warstwy ochronnej, jak również z czynnika regulującego atmosferę. Postać takiego surowca pomocniczego nie jest ograniczona do proszku. Surowiec pomocniczy może być w postaci drobnych granulek lub w postaci zmielonej z cząstkami większymi niż w postaci proszkowej. Ponadto, urządzenie zasilające według przedmiotowego wynalazku może być używane do ładowania surowca (np. sproszkowanego surowca).

Charakterystyczna cecha przedmiotowego wynalazku polega na tym, że stopień działania redukcyjnego atmosfery gazowej jest zwiększony zwłaszcza w etapie nawęglania-roztapiania, przez co zapobiega się wtórnemu utlenianiu zredukowanego żelaza i umożliwia się sprawny przebieg procesu nawęglania-roztapiania. Aby szereg procesów od redukcji w stanie stałym do zakończenia procesu nawęglania-roztapiania-koagulacji przebiegał sprawnie, pożądane jest, by temperatura i atmosfera gazowa w każdym etapie były odpowiednio kontrolowane.

Zwłaszcza temperatura w etapie redukcji w stanie stałym jest korzystnie utrzymywana w zakresie 1200-1400°C tak, aby nie wytwarzać roztopionego FeO przez reakcję redukcji podczas roztapiania, natomiast temperatura w etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji jest korzystnie utrzymywana w zakresie 1300-1500°C. Korzystniej temperatura w etapie redukcji w stanie stałym jest kontrolowana tak, aby była niższa niż temperatura w etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji o 50-200°C.

Kontrola warunków atmosfery gazowej nie jest wymagana tak bardzo w etapie redukcji w stanie stałym, ponieważ atmosfera gazowa jest utrzymywana jako silnie redukująca przez dużą ilość gazowego tlenku węgla wytwarzanego przez spalanie węglowego materiału zawartego w uformowanym surowcu w tym etapie. W etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji i potem prawidłowa kontrola atmosfery gazowej w piecu jest jednak ważna, ponieważ ilość gazowego tlenku węgla wytwarzanego z uformowanego surowca jest silnie zmniejszona i prawdopodobne jest wtórne utlenianie przez utleniający gaz wytwarzany przez spalanie w palniku.

Aby temperatura i skład atmosfery gazowej były prawidłowo regulowane zgodnie z każdym poprzednim etapem redukcyjnego procesu wytapiania, redukujący piec wytopowy korzystnie ma konstrukcję przegrodzoną na dwa lub więcej przedziałów za pomocą przegrody w kierunku ruchu trzonu, jak opisano powyżej w odniesieniu do fig. 1-3. Przedział po stronie tylnej i przedział po stronie przedniej są wykorzystywane jako przedział redukcji w stanie stałym i przedział nawęglania-roztapiania-koagulacji, aby umożliwić kontrolowanie temperatury i składu gazowej atmosfery w każdym przedziale niezależnie od innego przedziału. Chociaż fig. 3 przedstawia przykładowy piec przegrodzony na cztery przedziały trzema przegrodami, by umożliwić dokładniejsze kontrolowanie temperatury i składu

PL 201 389 B1 gazowej atmosfery, możliwe jest zmienianie liczby przedziałów zgodnie z wymaganiami w zależności od skali lub konstrukcji zastosowanego sprzętu do wytapiania redukcyjnego.

Metaliczne żelazo otrzymane sposobem opisanym powyżej jest zasadniczo pozbawione żużla i ma bardzo wysoką czystość. Zwykle takie metaliczne żelazo dostarczane jest do istniejących urządzeń stalowniczych, takich jak piec elektryczny lub konwertor i wykorzystywane jako źródło żelaza. Przy wykorzystywaniu takiego metalicznego żelaza jako surowca przy produkcji stali zawartość w nim siarki (S) jest korzystnie w miarę możliwości zmniejszona. Przeprowadzono dalsze badania, by zmniejszyć zawartość siarki w rudzie żelaza lub materiale węglowym w procesie wytwarzania metalicznego żelaza w dążeniu do uzyskania metalicznego żelaza o mniejszej zawartości siarki.

W rezultacie odkryto, że zawartość siarki w ostatecznie otrzymanym metalicznym żelazie można zmniejszyć do 0,10% lub poniżej, w szczególności około 0,5% lub poniżej, przez celowe domieszanie źródła CaO (zawierającego wapno palone, wapno gaszone, węglan wapnia itp.) do surowca przy wytwarzaniu uformowanego surowca zawierającego rudę żelaza i materiał węglowy, tak że zasadowość (stosunek CaO/SiO2) wszystkich składników tworzących żużel, łącznie z takimi składnikami tworzącymi żużel, jak składniki skały płonnej zawarte w rudzie żelaza, przyjmuje wartość w zakresie 0,6-1,8, korzystniej 0,9-1,5.

Korek lub węgiel najczęściej stosowane jako węglowy czynnik redukujący zwykle zawierają około 0,2-1,0% siarki, a większość takiej zawartości siarki przechodzi do metalicznego żelaza. W przypadku, gdy taka regulacja zasadowości przez celowe dodawanie źródła CaO nie jest przeprowadzana, zasadowość obliczona na podstawie tworzących żużel składników zawartych w uformowanym surowcu zwykle wynosi 0,3 lub mniej, chociaż zasadowość ta zmienia się w zależności od rodzaju i gatunku rudy żelaza lub podobnego czynnika. Przy takim żużlu o małej zasadowości wtrącenie siarki (siarkowanie) do metalicznego żelaza w etapie redukcji w stanie stałym lub w późniejszym etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji jest niemożliwe do uniknięcia i około 85% całej zawartości siarki w uformowanym surowcu przechodzi do metalicznego żelaza. Otrzymane ostatecznie metaliczne żelazo zawiera zatem na skutek tego 0,1-0,2% siarki, to znaczy bardzo dużo, a więc końcowy produkt ma pogorszoną jakość.

Jednakże odkryto, że jeżeli zasadowość składnika tworzącego żużel ustawia się na wartości w zakresie 0,6-1,8 przez celowe dodanie źródła CaO przy wytwarzaniu formowanego surowca, jak opisano powyżej, następuje unieruchomienie siarki w żużlu wytwarzanym jako produkt uboczny w etapie redukcji w stanie stałym oraz w etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji, na skutek czego można znacznie zmniejszyć zawartość siarki w uzyskiwanym metalicznym żelazie.

Mechanizm zmniejszania zawartości siarki wydaje się polegać na tym, że siarka zawarta w uformowanym surowcu reaguje z CaO wytwarzając CaS (CaO+S=CaS), który jest unieruchamiany w żużlu. W sytuacji stanu techniki, gdzie mechanizm wytopu redukcyjnego według przedmiotowego wynalazku nie był wyjaśniony, uważano, że odsiarczanie przez dodanie CaO, jak w typowym procesie odsiarczania gorącego metalu, nie może być oczekiwane w procesie wytapiania redukcyjnego. Zgodnie z odkryciem twórców przedmiotowego wynalazku, CaO zawarty w żużlu przechwytuje jednak i unieruchamia siarkę w takim procesie, gdzie umożliwione jest roztapianie i koagulacja zredukowanego żelaza oraz oddzielanie żużla przez nawęglanie resztkowym węglem pozostałym w zredukowanym żelazie po zakończeniu redukcji w stanie stałym, przez co znacznie zmniejsza się zawartość siarki w wynikowym metalicznym żelazie.

Zgłaszający uważa, że taki mechanizm zmniejszania zawartości siarki w metalicznym żelazie różni się od typowego odsiarczania gorącego metalu przez zastosowanie żużla zawierającego CaO, i jest reakcją charakterystyczną dla realizacji sposobu według przedmiotowego wynalazku. Oczywiście, jeżeli wystarczający kontakt pomiędzy roztopionym metalem a roztopionym żużlem, jako produktem ubocznym w trakcie ogrzewania jest zapewniony po nawęglaniu-roztapianiu zredukowanego żelaza, można uważać, że stosunek zawartości siarki w żużlu (S%) do zawartości siarki w metalicznym żelazie [S%], mianowicie stosunek rozprowadzenia, jest określony przez reakcję ciecz-ciecz (roztopione żelazo-roztopiony żużel). Jednakże według przedmiotowego wynalazku obszar kontaktu żużelmetal jest bardzo mały, jak to może potwierdzić fotografia na fig. 14, a zatem nie można oczekiwać bardzo dużego zmniejszenia zawartości siarki w metalicznym żelazie na skutek reakcji równowagowej żużel-metal, która przebiega po zakończeniu procesu nawęglania-roztapiania-koagulacji zredukowanego żelaza. Dlatego też mechanizm odsiarczania oparty na celowym dodawaniu CaO do uformowanego surowca według przedmiotowego wynalazku uważany jest za złożony z reakcji przechwytywania siarki, charakterystycznej dla CaO, przebiegającej w procesie, w którym zachodzi nawęglaniePL 201 389 B1

-roztapianie-koagulacja zredukowanego żelaza i oddzielanie żużla, oraz z zabezpieczającego przed zasiarczeniem działania na metaliczne żelazo, uzyskiwanego z reakcji przechwytywania siarki.

Chociaż ilość CaO dodawanego w celu regulacji zasadowości powinna być określona w zależności od ilości i składu składnika skały płonnej zawartego w rudzie żelaza itp., rodzaju i ilości domieszki materiału węglowego i podobnych czynników, standardowa ilość CaO w przeliczeniu na zawartość czystego CaO dodawana przy regulowaniu zasadowości wszystkich składników tworzących żużel do wartości w zakresie 0,6-1,8 jest w zakresie 2,0-7,0%, korzystniej 3,0-5,0% w odniesieniu do całej ilości uformowanego surowca. Kiedy stosuje się wapno gaszone (Ca(OH)2), węglan wapnia (CaCO3), ilość takiego materiału powinna być zgodna z powyższą ilością w przeliczeniu na zawartość czystego CaO. Zostało potwierdzone, że kiedy zasadowość składnika tworzącego żużel była ustawiona na około 0,9-1,1 przez dodanie CaCO3 w ilości przykładowo 4% do uformowanego surowca, wówczas można zapewnić pozorny stopień odsiarczenia 45-50%, a kiedy zasadowość składnika tworzącego żużel była ustawiona na około 1,2-1,5 przez dodanie CaCO3 w ilości około 6% do uformowanego surowca, można było zapewnić pozorny stopień odsiarczenia 70-80%. Pozorny stopień odsiarczenia określony jest następującym wzorem:

Pozorny stopień odsiarczenia (%) = [zawartość S (%) w metalicznym żelazie otrzymanym z uformowanego surowca zmieszanego z CaO/zawartość S (%) w metalicznym ż elazie otrzymanym z uformowanego surowca bez domieszki CaO] x 100%

Zjawisko zmniejszania zawartości siarki na skutek dodania CaO opisano poniżej na podstawie danych eksperymentalnych otrzymanych przy użyciu skrzynkowego pieca elektrycznego. Fig. 15 przedstawia zmianę zawartości siarki w eksperymencie, gdzie użyto uformowanego surowca przygotowanego przez zmieszanie rudy żelaza, materiału węglowego, niewielkiej ilości spoiwa (bentonit itp.) oraz odpowiedniej ilości CaO, i przeprowadzono wytapianie redukujące sposobem według wynalazku.

Wykres słupkowy dotyczący suchego uformowanego surowca na fig. 15 pokazuje, że jeśli zawartość siarki w uformowanym surowcu przed procesem wytapiania redukcyjnego przyjąć za 100%, wówczas około 89% zawartości siarki pochodzi z materiału węglowego, a około 11% pochodzi z rudy żelaza. Kiedy taki uformowany surowiec poddano wytapianiu redukcyjnemu sposobem według wynalazku, około 85% zawartości siarki pozostało w zredukowanym żelazie po zakończeniu redukcji w stanie stałym, opisanej powyżej na podstawie fig. 4, a około 12% zawartoś ci siarki wyparowało z pieca podczas redukcji w stanie stał ym. Kiedy użyto uformowanego surowca bez domieszki ź ródł a CaO (zasadowość określona na podstawie składu składnika tworzącego żużel, zawartego w uformowanym surowcu, wynosiła 0,165) stwierdzono, że 74,8% zawartości siarki zostało wprowadzone do otrzymanego ostatecznie metalicznego żelaza, a 10,2% zawartości siarki zostało przechwycone przez żużel.

Natomiast kiedy zastosowano uformowany surowiec zmieszany z 4,5% źródła CaO, by ustawić zasadowość składnika tworzącego żużel na 1,15, wówczas ilość siarki zawartej w metalicznym żelazie zmalała do 43,2%, a ilość siarki przechwyconej przez żużel wzrosła do 48,8%, podczas gdy ilość siarki wyparowanej z pieca podczas procesu produkcyjnego zmalała do około 8%. Kiedy użyto uformowanego surowca zmieszanego z 5,0% źródła CaO do ustawiania zasadowości składnika tworzącego żużel na wartość 1,35, wówczas ilość siarki zawartej w metalicznym żelazie zmalała do 19,7%, a ilość siarki przechwyconej przez żużel wzrosła do 78,8%, natomiast ilość siarki odparowanej z pieca w procesie produkcyjnym zmala ła do około 1,5%.

Teraz, kiedy podstawowy eksperyment z zastosowaniem skrzynkowego pieca elektrycznego potwierdził, że regulacja zasadowości przez dodanie źródła CaO jest bardzo skuteczna, jeśli chodzi o zmniejszanie zawartości siarki w metalicznym ż elazie, przeprowadzono podobny eksperyment z zastosowaniem demonstracyjnego pieca, by zbadać iloś ciowy wpł yw zasadowoś ci na zjawisko zmniejszania zawartości siarki w metalicznym żelazie w przypadku, gdy zasadowość żużla była różnie zmieniana przez zmienianie ilości dodanego źródła CaO. Wyniki przedstawiono na fig. 16.

Figura 16 przedstawia graficznie zależność pomiędzy końcową zasadowością żużla a zawartością siarki w metalicznym żelazie, jaką uzyskuje się wtedy, gdy ilość dodanego źródła CaO jest zmieniana, przy czym każdy punkt na wykresie reprezentuje stwierdzoną wartość. Fig. 16 pokazuje również, jako obszar zakreskowany, wyniki podstawowego eksperymentu z zastosowaniem skrzynkowego pieca elektrycznego. Ponieważ w podstawowym eksperymencie wykorzystuje się elektryczny system grzejny, w którym obojętny gaz jest stosowany jako atmosfera gazowa, potencjał utleniający takiej atmosfery jest niski, co jest korzystne dla pozornego odsiarczenia. Z drugiej strony, przypadku gdy demonstracyjny piec wykorzystuje do ogrzewania spalanie w palniku, stopień redukującego działania

PL 201 389 B1 atmosfery gazowej jest niższy niż w podstawowym eksperymencie ze względu na spaliny, a zawartość siarki w metalicznym żelazie jest większa niż wynik uzyskany z eksperymentu podstawowego. Jednakże wyniki otrzymane w tym przypadku miały zasadniczo tendencję do nadążania za wynikami eksperymentu podstawowego. Jak pokazano, zawartość siarki w metalicznym żelazie w obszarze (A), która reprezentuje przypadek, gdzie nie dodano żadnego źródła CaO, miała wartość około 0,120, natomiast zawartość siarki w metalicznym żelazie w obszarze (B), który reprezentuje przypadek, gdzie zasadowość była ustawiona na wartość około 1,0, zmalała do 0,050-0,080%, zaś pozorny stopień odsiarczenia miał wartość w przybliżeniu 33-59%. Kiedy zasadowość dalej zwiększono do 1,5, uzyskano potwierdzenie, że zawartość siarki w metalicznym żelazie zmniejszyła się do 0,050%, jak zaznaczono w obszarze (C).

Należy zauważyć, że jeśli źródło CaO jest dodawane aż do uzyskania zasadowości 1,8 lub większej, temperatura działania zwiększa się nadmiernie na skutek wzrostu temperatury topnienia uzyskiwanego żużla. Sytuacja taka nie jest korzystna, ponieważ przyspiesza to uszkodzenie pieca, co pogarsza wykorzystanie paliwa, a ponadto osłabiona zostaje zdolność koagulacji zredukowanego żelaza, przez co uzyskuje się bardziej drobnoziarniste metaliczne żelazo o obniżonej wartości handlowej.

Jak wynika z tych eksperymentów, kiedy odpowiednią ilość źródła CaO celowo doda się do uformowanego surowca, by zwiększyć zasadowość składnika tworzącego żużel do około 0,6% lub więcej, zdolność uzyskiwanego żużla do przechwytywania siarki jest znacznie zwiększona, by znacznie zmniejszać ilość siarki zawartej w metalicznym żelazie, przez co uzyskuje się metaliczne żelazo o zmniejszonej zawartości siarki. Ponadto, jak opisano w odniesieniu do fig. 15, ilość siarki wyprowadzanej z pieca w postaci SO4 itp. jest znacznie zmniejszona, a zatem skażenie atmosfery takimi spalinami można zmniejszyć, co zmniejsza problemy związane z obowiązkiem odsiarczania spalin.

Jeżeli dodawanie źródła CaO stosuje się w celu zmniejszenia zawartości siarki w metalicznym żelazie, temperaturę topnienia żużla wytwarzanego jako produkt uboczny można obniżyć przez dodanie pewnej ilości źródła CaO, na skutek czego mniej prawdopodobne staje się przesiąkanie żużla o niskiej temperaturze topnienia, który może powodować erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych trzonu. W praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku niepożądane przesiąkanie takiego żużla będącego produktem ubocznym można zmniejszyć do minimum, ponieważ stosuje się dwustopniowy system grzania, w którym warunki temperaturowe etapu redukcji w stanie stałym i etapu nawę glania-roztapiania-koagulacji są ustawione w korzystnych zakresach 1200-1400°C i odpowiednio 1350-1500°C, aby redukcja w stanie stał ym mogła przebiegać wystarczająco przy temperaturze niższej niż temperatura topnienia żużla będącego produktem ubocznym, a potem umożliwia się przebieg redukcji częściowo pozostałego FeO i procesu nawęglania-roztapianiakoagulacji zredukowanego żelaza, jak opisano powyżej.

Przedmiotowy wynalazek umożliwia zatem otrzymanie granulowanego metalicznego żelaza o bardzo wysokiej czystoś ci bez powodowania wtórnego utleniania zredukowanego ż elaza, przez regulację stopnia redukcyjnego działania gazowej atmosfery na 0,5 lub więcej, korzystnie 0,6 lub więcej, korzystniej 0,7 lub jeszcze więcej, w etapie nawęglania-roztapiania przy produkcji metalicznego żelaza, w którym uformowany surowiec zawierający rudę żelaza i materiał węglowy poddawany jest redukcji w stanie stałym, a następnie procesowi nawęglania-roztapiania-koagulacji. Ponadto przedmiotowy wynalazek może zmniejszyć zawartość siarki w takim metalicznym żelazie przez celowe dodawanie CaO do uformowanego surowca, by regulować zasadowość składnika tworzącego żużel. Po krzepnięciu na skutek chłodzenia i następnie oddzieleniu od zakrzepłego żużla granulowane metaliczne żelazo otrzymane w taki sposób może być wykorzystywane jako surowiec do wytapiania w różnych piecach służących do wytapiania żelaza lub stali.

Według przedmiotowego wynalazku metaliczne żelazo wyjęte z redukcyjnego pieca wytopowego ochłodzono do temperatury poniżej temperatury topnienia tego żelaza, ale jeszcze utrzymano w stanie wysokiej temperatury 800-1200°C. Dalsze chł odzenie metalicznego ż elaza do normalnej temperatury przed dostarczeniem do pieca stalowniczego jest marnowaniem energii cieplnej. Bardzo praktycznie straty cieplne zmniejsza się zatem, jeżeli cała linia produkcji żelaza-stali jest skonstruowana tak, by doprowadzać metaliczne żelazo o wysokiej temperaturze w istniejącym stanie lub po doprowadzeniu do roztopienia przez dalsze ogrzewanie do pieca stalowniczego, by wykorzystywać skutecznie potencjalne ciepło metalicznego żelaza.

Oczywiście, znane są następujące sposoby, takie jak technika oszczędzania energii elektrycznej w piecu elektrycznym itp. i polepszania wydajności produkcyjnej przez doprowadzanie zredukoPL 201 389 B1 wanego żelaza o wysokiej temperaturze otrzymanego w znanym procesie wytwarzania zredukowanego żelaza, do sąsiedniego pieca stalowniczego, takiego jak piec elektryczny, bez chłodzenia tego żelaza, proces wytwarzania żelaza-stali (publikacja międzynarodowa nr 99/11826), w którym roztopione żelazo jest przygotowywane przez wytwarzanie zredukowanego żelaza o wysokiej temperaturze w piecu wytwarzającym zredukowane żelazo, wykorzystującym materiał węglowy na bazie węgla, i dostarczanie natychmiast takiego zredukowanego ż elaza do pieca wytopowego, oraz podobne techniki. Te znane techniki różnią się od całego procesu produkcyjnego proponowanego przez przedmiotowy wynalazek tym, że wytwarzają zredukowane żelazo, które zawiera znaczną ilość żużla pochodzącego z zawartości popiołu i składników skały płonnej, tlenek żelaza wynikający z wtórnego utlenienia w ostatnim etapie redukcji i ewentualnie dużą ilość siarki, jeżeli zredukowane żelazo jest wytwarzane przy zastosowaniu czynnika redukującego na bazie węgla. Natomiast cały proces wytwarzania według przedmiotowego wynalazku produkuje i wykorzystuje metaliczne żelazo całkowicie oddzielone od składników żużlowych przez nawęglanie-roztapianie-koagulację.

Ponieważ znacznie zmniejsza się problem z obowiązkiem odsiarczania w piecu oczyszczającym w trakcie całego procesu produkcyjnego z wykorzystaniem metalicznego żelaza o zmniejszonej zawartości siarki, możliwe jest skonstruowanie systemu produkcyjnego, który jest bardzo użyteczny i praktyczny, jako całego procesu produkcji żelaza-stali realizującego wytapianie redukcyjne źródła żelaza i oczyszczanie wytopionego metalu.

Figura 17 jest widokiem objaśniającym, który ilustruje przykład takiego całkowitego systemu produkcyjnego. Na fig. 17 proces A jest procesem wytwarzania stali, w którym metaliczne żelazo pozbawione żużla, wytworzone w redukującym piecu wytopowym, jest chłodzone do normalnej temperatury, a następnie doprowadzane w odpowiedniej ilości jako surowiec stalowniczy do pieca stalowniczego, takiego jak piec elektryczny proces B jest przeznaczony do doprowadzania metalicznego żelaza w stanie o wysokiej temperaturze (800-1200°C) do pieca stalowniczego, takiego jak piec elektryczny, usytuowanego przy redukującym piecu wytopowym, aby przez to zmniejszyć energię elektryczną potrzebną do dostarczania ciepła, a proces C jest przeznaczony do doprowadzania całego metalicznego żelaza o wysokiej temperaturze, wytworzonego w redukującym piecu wytopowym, do sąsiedniego pieca wytopowego, przeznaczonego do roztapiania metalicznego żelaza i następnie podawania roztopionego żelaza do pieca stalowniczego. Ponieważ metaliczne żelazo otrzymane według przedmiotowego wynalazku jest pozbawione żużla, ma wysoki stopień czystości i ewentualnie ma małą zawartość siarki, jeżeli metaliczne żelazo zostało wytworzone z zasadowością regulowaną w celu zmniejszenia zawartości siarki, cały system produkcyjny zbudowany w celu wykorzystywania takiego metalicznego żelaza jako surowca stalowniczego umożliwia wytwarzanie roztopionej stali o stabilnej jakości z dużą wydajnością produkcyjną przy równoczesnym zmniejszeniu mocy elektrycznej pieca elektrycznego itp. lub zmniejszeniu problemów związanych z obowiązkiem odsiarczania.

W powyż szym procesie wytwarzania metalicznego ż elaza, gdzie uformowany surowiec zawierający tlenek żelaza, jako źródło żelaza, i węglowy czynnik redukujący przeznaczony do redukowania tlenku żelaza są ogrzewane na ruchomym trzonie, by powodować redukowanie tlenku żelaza w stanie stałym, po czym następuje proces nawęglania-roztapiania-koagulacji uzyskanego zredukowanego żelaza, by wytworzyć granulowane metaliczne żelazo, które jest następnie usuwane z tego pieca po ochłodzeniu, wahania warunków działania mogą spowodować przesiąkanie roztopionego żużla, a taki roztopiony żużel jest w znacznym stopniu odpowiedzialny za erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych trzonu. Zwłaszcza jeżeli niezredukowany roztopiony FeO jest zawarty w takim roztopionym żużlu, taka erozja lub zużycie staje się poważniejsze ze względu na penetrację i korozję, co znacznie skraca żywotność materiałów ogniotrwałych trzonu pieca.

W związku z powyż szym przedmiotowy wynalazek przewiduje technik ę , która zmniejsza do minimum taką erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych pieca równocześnie umożliwiając, by uszkodzone części materiałów ogniotrwałych trzonu pieca były naprawiane w trakcie działania pieca, nawet jeśli taka strata wystąpi, przez co umożliwia się znaczne przedłużenie żywotności materiałów ogniotrwałych trzonu pieca i polepszenie ciągłej zdolności pieca do działania.

Niniejszy wynalazek charakteryzuje się tym, że metaliczne żelazo wytwarza się z równoczesnym wytwarzaniem na materiałach ogniotrwałych trzonu pieca osadzonej warstwy zawierającej żużel wytworzony w powyższym redukującym procesie wytopowym, by chronić materiały ogniotrwałe trzonu pieca.

Figura 18 jest schematycznym przekrojem przedstawiającym korzystny przykład realizacji przedmiotowego wynalazku. Jak pokazano, pierwotna warstwa ochronna 28 zawierająca materiał

PL 201 389 B1 tlenkowy złożony głównie z tlenku glinowego (lub mieszaniny rud posiadającej skład analogiczny do żużla wytwarzanego jako produkt uboczny w redukującym procesie wytopowym, albo żużla recyrkulacyjnego) jest uprzednio tworzony na materiałach ogniotrwałych 27 trzonu redukującego pieca wytopowego z ruchomym trzonem na początku produkcji, a kawałki uformowanego surowca G są kolejno doprowadzane na obracający się trzon (patrz fig. 18A).

Jak opisano w odniesieniu do fig. 1-3, uformowany surowiec jest wystawiany na działanie ciepła z palnika i ciepła promieniowania podczas swego przejścia przez strefę Z1 roztapiania redukującego, na skutek czego tlenek żelaza zawarty w uformowanym surowcu zamieniany jest w zredukowane żelazo przez redukcję w stanie stałym, a następnie zredukowane żelazo jest dodatkowo ogrzewane, by spowodować nawęglenie, które obniża temperaturę topnienia zredukowanego żelaza, przez co uzyskuje się roztopione żelazo. Tak otrzymane roztopione żelazo koaguluje i rośnie w granulowane metaliczne żelazo o stosunkowo dużym ziarnie, z równoczesnym oddzieleniem od żużla Sg będącego produktem ubocznym. Żużel Sg również koaguluje, a zatem metaliczne żelazo i żużel Sg są oddzielone od siebie (patrz fig. 18B).

Granulowane metaliczne żelazo Fe i żużel Sg chłodzone są bezpośrednio przed urządzeniem wyprowadzającym, a następnie są przemieszczane do miejsca usytuowania urządzenia wyprowadzającego, które z kolei wygarnia granulowane metaliczne żelazo Fe i żużel Sg w stanie zakrzepłym z powierzchni trzonu. Procesu tego nie pokazano.

Roztopiony żużel wytworzony jako produkt uboczny podczas redukującego procesu wytapiania jest łączony z pierwotną ochronną warstwą 28, by utworzyć żużlową warstwę osadową T. Ponieważ ten proces roztapiania-krzepnięcia wytwarza drobnoziarniste granulowane metaliczne żelazo Fes (dalej zwane żelazem cząstkowym), które jeszcze nie skoagulowało i nie wzrosło wystarczająco, oraz żużel Sgs o wysokiej temperaturze topnienia w znacznych ilościach, takie cząstkowe żelazo Fes i żużel Sgs przechodzą przez przestrzeń pomiędzy urządzeniem wyprowadzającym 6 a powierzchnią żużlowej warstwy osadowej T i pozostają na powierzchni żużlowej warstwy osadowej T, lub są częściowo przechwytywane i przez to w sposób wymuszony wprowadzane w osadową warstwę T (patrz fig. 18C).

Jeżeli w tym stanie prowadzona jest ciągła produkcja, cząstkowe żelazo Fes itp. pozostające na lub wprowadzone w powierzchnię żużlowej warstwy osadowej T jest stopniowo osadzane i powiększane, a zatem przestaje nadawać się do wyrzucenia.

Według przedmiotowego wynalazku takiej niedogodności powodowanej przez osadzanie się cząstkowego żelaza Fes itp. unika się przez zgarnianie cząstkowego żelaza Fes itp. wraz z częścią lub całością osadowej warstwy T, kiedy ilość cząstkowego żelaza Fe_s itp. osadzonego na i wprowadzonego w osadową warstwę T osiągnie pewien poziom. Powierzchnia osadowej warstwy T na trzonie jest zatem wygładzana, jak pokazano na fig. 18D, przez co uzyskuje się gładką warstwę ochronną zawierającą pierwotną warstwę ochronną 28 utworzoną na początku produkcji i cienką osadową warstwę T przykrywającą tę warstwę pierwotną.

Kiedy produkcja jest kontynuowana w tym stanie, a warstwa T osadu żużlowego urośnie do pewnego poziomu, znów na skutek osadzania się i przywierania, osadową warstwę T (lub osadową warstwę T i część ochronnej warstwy 28) usuwa się w sposób przerywany lub ciągły razem z cząstkowym żelazem Fes itp. Przez powtarzalne przeprowadzanie takiej operacji w odpowiednich interwałach stopniowo odnawia się utworzoną pierwotną warstwę ochronną 28 na jej górnej stronie warstwą T osadu żużlowego i w końcu pierwotna warstwa ochronna 29 jest w większości zastąpiona warstwą T osadu żużlowego, dając stan pokazany na fig. 18E. W tym stanie powierzchnia trzonu zostaje ustabilizowana. W takim przypadku część pierwotnej warstwy ochronnej 28 pozostaje na powierzchniach materiałów ogniotrwałych 27 trzonu przez znaczny czas od początku produkcji, albo też niewielka część pierwotnej warstwy ochronnej 28 może pozostawać na powierzchniach materiałów ogniotrwałych 27 trzonu przez cały czas, przy czym przy spełnieniu pewnego warunku warstwa T osadu żużlowego jest wygarniana.

Kiedy produkcja jest kontynuowana w tym stanie, tylko powierzchniowa strona osadowej warstwy T jest ciągle odnawiana żużlem wytwarzanym jako produkt uboczny w procesie wytapiania redukcyjnego, a w rezultacie powierzchnia trzonu jest ciągle utrzymywana w stanie gładkim bez żadnej szkody dla ogniotrwałych materiałów 27 trzonu.

Grubość warstwy T osadu żużlowego może być łatwo kontrolowana za pomocą pionowo przesuwającego się urządzenia usuwającego warstwę osadową (które może również służyć jako urządzenie wyprowadzające 6, albo może być utworzone oddzielnie), aby regulować odstęp pomiędzy urząPL 201 389 B1 dzeniem usuwającym a powierzchnią trzonu. W szczególności, w początkowym okresie produkcji kontrola jest przeprowadzana tak, że osadowa warstwa T staje się stopniowo coraz grubsza przez stopniowe przesuwanie położenia ostrza urządzenia usuwającego do góry, aby zwiększyć odstęp pomiędzy tym ostrzem a powierzchnią osadowej warstwy T, a kiedy ilość cząstkowego żelaza Fe_s itp. przywartego i osadzonego na i w warstwie osadowej T wzrośnie do pewnego poziomu, grubość osadowej warstwy T, która ma być usuwana lub pozostawiana, jest regulowana według potrzeb przez przesuwanie ostrza urządzenia usuwającego do dołu do położenia odpowiadającego głębokości osadowej warstwy T, która ma zostać usunięta.

Przerywane lub ciągłe powtarzanie takiego przesuwania do góry i do dołu ostrza z odpowiednimi interwałami umożliwia stałe utrzymywanie powierzchni warstwy osadowej w stanie gładkim z równoczesnym uniemożliwianiem powstania nadmiernego osadu cząstkowego żelaza Fes na i w osadowej warstwie T.

Figura 19 schematycznie przedstawia takie operacje. W szczególności fig. 19A przedstawia operację umożliwiającą pogrubienie osadowej warstwy T przez stopniowe przesuwanie położenia ostrza urządzenia odprowadzającego 6 do góry, natomiast fig. 19B ilustruje operację usuwania części osadowej warstwy T wraz z cząstkowym żelazem Fe_s przez przesuwanie położenia ostrza odprowadzającego urządzenia 6 do dołu do położenia odpowiadającego głębokości osadowej warstwy T, którą trzeba usunąć, gdy osadzona ilość cząstkowego żelaza Fes itp. pozostawionego na i wprowadzonego w osadową warstwę T wzrośnie do pewnego poziomu.

Chociaż powyższy opis odnosi się do przypadku, gdy osadowa warstwa T może być stopniowo pogrubiana przez stopniowe przesuwanie położenia ostrza odprowadzającego urządzenia 6 do góry i kiedy przywarta lub osadzona ilość cząstkowego żelaza Fes wzrośnie do pewnego poziomu, część powierzchniowa osadowej warstwy T jest usuwana do żądanej głębokości przez przesuwanie położenia ostrza odprowadzającego urządzenia 6 do dołu do położenia odpowiadającego głębokości osadowej warstwy T na pewnym odcinku, możliwa jest inna procedura, taka że poziom osadowej warstwy, przy którym piec działa, jest określony na początku produkcji. Ostrze zgarniające odprowadzającego urządzenia 6 jest ustawione zgodnie z uprzednio określonym poziomem warstwy osadowej, by umożliwić osadzenie pierwotnej warstwy ochronnej 23 do tego poziomu, a kiedy penetracja i korozja pierwotnej warstwy ochronnej 28 i osadu cząstkowego żelaza dojdą do pewnego stopnia, ostrze zgarniające jest opuszczane na pewnym odcinku, by usunąć powierzchniową część osadowej warstwy T.

Jak opisano powyżej, urządzenie usuwające warstwę osadu żużlowego może służyć również jako urządzenie odprowadzające wytworzone metaliczne żelazo Fe lub też może być wykonane oddzielnie. Nie ma żadnego konkretnego ograniczenia, jeśli chodzi o specyficzny mechanizm i konstrukcję urządzenia usuwającego i można zastosować dowolny rodzaj urządzenia usuwającego, np. urządzenie ślimakowe lub zgarniające, jeżeli tylko takie urządzenie usuwające ma za zadanie skuteczne usuwanie części lub całości osadowej warstwy T z równoczesnym wygładzaniem warstwy ochronnej. Ponadto, nie ma żadnego konkretnego ograniczenia, jeśli chodzi o specyficzne środki do pionowego przesuwanie położenia ostrza urządzenia usuwającego i można wybrać do stosowania według potrzeby dowolne znane urządzenie przesuwania pionowego.

Według przedmiotowego wynalazku powierzchnie materiałów ogniotrwałych trzonu są stale chronione przez pierwotną warstwę ochronną 28 utworzoną na początku produkcji i warstwę osadową T utworzoną przez osadzenie się żużla wytworzonego jako produkt uboczny podczas późniejszych procesów w trakcie produkcji, a cząstkowe żelazo przywarte do lub osadzone na powierzchni trzonu jest zrzucane z powierzchni trzonu przy usuwaniu powierzchniowej części warstwy osadowej T okresowo lub w sposób ciągły. Nie występują zatem kłopoty ani niedogodności spowodowane nadmiernym osadzeniem się cząstkowego żelaza.

Nawet jeśli powierzchnia warstwy T osadzonego żużla jest nieco uszkodzona, taka uszkodzona część sama naprawia się przez osadzanie się żużla wytworzonego jako produkt uboczny podczas działania pieca, a zatem powierzchnię trzonu można utrzymywać w stanie gładkim prawie stale, jeżeli nie zdarzy się nic nieoczekiwanego. Fig. 20 jest schematycznym przekrojem przedstawiającym proces samonaprawiania w przypadku, gdy powierzchnia warstwy T osadu żużlowego jest wyszczerbiona. Kiedy w powierzchni osadowej warstwy T (patrz fig. 20A) powstanie wyszczerbienie Q, będący produktem ubocznym żużel Sg wraz z cząstkowym żelazem Fes itp. wytworzonym w procesie redukcyjnego wytapiania następnym cyklu produkcyjnym osadza się w tym wyszczerbieniu Q (patrz fig. 20B), a część powierzchni osadowej warstwy T zawierająca żużel Sg i cząstkowe żelazo Fes tak osadzone jest usuwana po stronie wyjściowej, przez co powierzchnia trzonu jest wygładzana (patrz fig. 20C).

PL 201 389 B1

Alternatywnie, mieszanina rudy O (lub recyrkulowany żużel), której skład jest regulowany tak, aby był zasadniczo taki sam jak skład żużla stanowiącego produkt uboczny, może być umieszczana w wyszczerbieniu Q, by osiągnąć podobne naprawienie, jak pokazano na fig. 21A -21C.

Aby powierzchnia trzonu była stale utrzymywana gładka przez samonaprawiające działanie takiego żużla będącego produktem ubocznym, pożądane jest, by kontrolować utrzymywanie grubości warstwy T osadu żużlowego w prawidłowym zakresie, korzystnie w zakresie od kilku milimetrów do dziesiątków milimetrów.

Jako materiał tworzący pierwotną warstwę ochronną 28 najkorzystniejszy jest materiał tlenkowy złożony głównie z tlenku glinowego, który ma doskonałą odporność na erozję i zużycie powodowane przez typowy roztopiony żużel. Jednakże, ponieważ sposób według przedmiotowego wynalazku wykorzystuje osadzanie żużla wytwarzanego jako produkt uboczny podczas produkcji, możliwe jest stosowanie substancji mineralnej o składzie analogicznym do składu takiego żużla będącego produktem ubocznym lub żużla recyrkulowanego. Ponieważ osadzona warstwa T jest tworzona stopniowo na powierzchni materiałów ogniotrwałych trzonu pieca od początkowego etapu produkcji, wystarczające działanie ochronne na materiałach ogniotrwałych trzonu można otrzymać przez utworzenie pierwotnej warstwy ochronnej 28 w minimalnej ilości potrzebnej do początkowego zabezpieczenia ogniotrwałych materiałów trzonu i przez pozwolenie, by z czasem osadzał się na niej żużel wytwarzany jako produkt uboczny. Chociaż pierwotna warstwa ochronna 28 utworzona na początku produkcji prawdopodobnie zostanie zastąpiona osadową warstwą T żużla będącego produktem ubocznym zasadniczo całkowicie, w szczególności w długotrwałej produkcji ciągłej, nadal istnieje wystarczające działanie ochronne wobec ogniotrwałych materiałów trzonu pieca.

Nie ma żadnego szczególnego ograniczenia, jeśli chodzi o wymiar materiału tworzącego pierwotną warstwę ochronną. Jednakże materiał ten korzystnie ma mniejszą wielkość, korzystnie ma postać proszku, ponieważ części składowe w stanie stałym o większym wymiarze w takim materiale tworzą prześwity, które prawdopodobnie umożliwią przepływ roztopionego materiału do kontaktu z ogniotrwałymi materiałami trzonu pieca. Korzystnie wielkość materiału wynosi 4 mm lub mniej, korzystniej 2 mm lub mniej.

Materiał tworzący pierwotną warstwę ochronną korzystnie ładuje się na trzon za pomocą urządzenia doprowadzającego pomocnicze surowce według wynalazku, ponieważ zastosowanie tego urządzenia doprowadzającego umożliwia tworzenie pierwotnej warstwy ochronnej, która ma równą grubość w kierunku szerokości trzonu i jest ciągła w kierunku przemieszczania trzonu.

Jeżeli temperatura topnienia powierzchniowej części warstwy T osadu żużlowego, która ma być stopniowo zastępowana roztopionym lub połowicznie roztopionym żużlem wytwarzanym jako produkt uboczny w procesie wytapiania redukcyjnego, jak opisano powyżej, jest zbyt niska, uzyskiwane granulowane metaliczne żelazo o dużym ciężarze właściwym wnika w osadową warstwę T, a zatem trudno je zrzucić. Z tego powodu twardość osadowej warstwy T jest korzystnie utrzymywana w takim stopniu, aby nie pozwolić, by granulowane metaliczne żelazo wnikało w osadową warstwę T. W tym celu skład składnika tworzącego żużel, który ma być wprowadzony do uformowanego surowca, można regulować przy wytarzaniu uformowanego surowca tak, że jako produkt uboczny wytwarzany będzie żużel o żądanej temperaturze topnienia. Jednakże kiedy temperatura topnienia żużla jako produktu ubocznego jest zbyt wysoka, metaliczne żelazo uzyskiwane z redukcji w stanie stałym staje się trudne do oddzielenia od żużla będącego produktem ubocznym w etapie rozdzielania z roztapianiem. Jest to znaczna przyczyna pogorszenia czystości metalicznego żelaza jako produktu.

Aby rozwiązać ten problem przeprowadzono badania nad ograniczaniem wnikania metalicznego żelaza w warstwę osadową, na ile to możliwe, przez zwiększenie temperatury topnienia warstwy T osadu żużlowego, która ma być odnawiana, przy czym temperatura topnienia żużla będącego produktem ubocznym utrzymywana jest stosunkowo nisko. W rezultacie odkryto, że wprowadzenie dodatku regulującego temperaturę topnienia skutecznie zwiększa temperaturę topnienia osadu w części powierzchniowej warstwy T osadu żużlowego. W szczególności, kiedy taki dodatek regulujący temperaturę topnienia jest dodawany do części powierzchniowej warstwy osadowej T w sposób przerywany lub ciągle w żądanym miejscu, temperatura topnienia osadowej warstwy T jest zwiększana, nawet jeśli żużel będący produktem ubocznym ma niską temperaturę topnienia, a zatem warstwa osadowa T staje się twardsza, przez co unika się wnikania granulowanego metalicznego żelaza w warstwę osadową, na ile to jest możliwe.

Chociaż rodzaj stosowanego dodatku regulującego temperaturę topnienia jest różny w zależności od składu żużla będącego produktem ubocznym, przykłady korzystnych dodatków regulujących

PL 201 389 B1 temperaturę topnienia obejmują materiał tlenkowy zawierający tlenek glinowy i materiał tlenkowy zawierający tlenek magnezowy. Takie korzystne dodatki mogą być stosowane albo oddzielnie, albo w połączeniu dwóch lub więcej takich dodatków.

Taki dodatek regulujący temperaturę topnienia można stosować w odpowiedniej ilości w zależności od składu żużla będącego produktem ubocznym w dowolnym miejscu bez ograniczenia. Zwykle dodatek regulujący temperaturę topnienia ładuje się okresowo lub ciągle na warstwę T osadu żużlowego w miejscu przy punkcie ładowania uformowanego surowca lub przy odpowiednim miejscu w strefie wytapiania redukcyjnego. Chociaż sposób ładowania dodatku nie jest ograniczony, pożądane jest stosowanie do tego celu urządzenia doprowadzającego pomocnicze surowce według przedmiotowego wynalazku.

Taki sam wynik, jak powyżej, można skutecznie uzyskać stosując sposób chłodzenia taki, aby chłodzić warstwę T osadu żużlowego od spodniej strony trzonu za pomocą chłodzącego płaszcza lub przez doprowadzanie chłodzącego gazu, by spowodować krzepnięcie osadowej warstwy T do takiej twardości, która uniemożliwia wnikanie metalicznego żelaza w osadową warstwę T. Takie chłodzenie od spodniej strony trzonu wykorzystuje się w celu ułatwiania krzepnięcia osadowej warstwy T, ponieważ taki sposób chłodzenia pozwala na zmniejszenie przeszkód w redukcji tlenku żelaza przez ogrzewanie, powodowanych chłodzeniem. Ponieważ tlenek żelaza jest ogrzewany i redukowany przez ciepło wytwarzane przez spalanie w palniku zamontowanym na powierzchni ściany pieca do wytapiania redukcyjnego i ciepło promieniowania nad trzonem pieca, jak opisano wcześniej, nie ma żadnej obawy, że wystąpi znaczny wpływ na skuteczność wytapiania redukcyjnego, nawet jeśli warstwa T osadu żużlowego na powierzchni trzonu jest silnie chłodzona od spodniej strony trzonu w procesie redukcji.

Jak opisano powyżej, usuwanie nadmiaru warstwy T osadu żużlowego uzyskuje się za pomocą urządzenia odprowadzającego, które służy również do odprowadzania granulowanego metalicznego żelaza otrzymanego jako produkt, lub za pomocą urządzenia usuwającego, przeznaczonego do usuwania takiego nadmiaru warstwy osadu żużlowego. Aby zmniejszyć do minimum obciążenie takiego urządzenia odprowadzającego lub urządzenia usuwającego i uzyskać możliwie gładką powierzchnię na skutek usuwania, pożądane jest takie kontrolowanie temperatury, by warstwa osadu żużlowego przyjmowała stan stało-ciekły, podobny do sorbetu, w czasie usuwania przez wygarnianie. Do realizowania takiej kontroli temperatury służy przykładowo chłodzenie od spodniej strony trzonu za pomocą płaszcza chłodzącego lub przez doprowadzanie gazu chłodzącego.

Ponieważ osad żużlowy wygarniany z warstwy osadzonego żużlu zawiera znaczną ilość cząstkowego żelaza, jak również składnika żużlowego, a takie cząstkowe żelazo ma wysoką czystość, korzystnie takie cząstkowe żelazo gromadzi się wraz z metalicznym żelazem, będącym produktem, przez oddzielanie cząstkowego żelaza od wygarniętego osadu żużlowego za pomocą dowolnych żądanych środków, takich jak separator magnetyczny.

W jeszcze innym trybie realizacji przedmiotowego wynalazku korzystne jest cienkie rozprowadzenie czynnika regulującego atmosferę na ochronnej warstwie 28 lub na warstwie T osadu żużlowego przed załadowaniem uformowanego surowca. Aby ułatwić redukcję w stanie stałym przez ogrzewanie z równoczesnym zapobieganiem wtórnemu utlenianiu zredukowanego żelaza gazami utleniającymi (obejmującymi CO2 i H2O), otrzymywanymi ze spalania przy ogrzewaniu, korzystne jest podwyższenie potencjału redukującego działania atmosfery w piecu, zwłaszcza atmosfery w pobliżu uformowanego surowca. Przez rozprowadzenie czynnika regulującego atmosferę na powierzchni trzonu, jak opisano powyżej, potencjał działania redukującego atmosfery w piecu utrzymuje się wysoki, przez co ułatwia się skuteczne wytapianie redukcyjne z zabezpieczeniem przed wtórnym utlenieniem zredukowanego żelaza. Ponadto, czynnik regulujący atmosferę działa również powstrzymujące na przywieranie metalicznego żelaza do warstwy T osadu żużlowego, a zatem ułatwia oddzielanie granulowanego metalicznego żelaza od powierzchni trzonu, przez co ułatwiane jest usuwanie tego żelaza.

Figury 22 A - 22E są schematycznymi przekrojami przedstawiającymi, jak przebiega wytapianie redukujące i jak uzyskuje się samoczynne naprawianie trzonu w przypadku, gdy czynnik regulujący atmosferę jest rozłożony na trzonie. Przypadek ten zasadniczo nie różni się od przypadku pokazanego na fig. 18A - 18E z tym wyjątkiem, że warstwa Cl czynnika regulującego atmosferę jest utworzona na warstwie T osadu żużlowego, a na wierzchu umieszczony jest uformowany surowiec G.

Fig. 23A i 23B są schematycznym widokiem pokazującym jak trzon jest naprawiany w przypadku, gdy czynnik Cl regulujący atmosferę jest rozłożony na trzonie. Proces ten przebiega następująco. Czynnik Cl regulujący atmosferę rozkłada się najpierw na warstwie T osadu żużlowego, a następnie

PL 201 389 B1 uformowany surowiec G ładuje się na tę warstwę czynnika regulującego atmosferę, po czym następuje proces redukcyjnego wytapiania uformowanego surowca (patrz fig. 23A). Kiedy osadzona ilość cząstkowego żelaza Fe_s itp. w i na warstwie T osadu żużlowego oraz warstwa Cl czynnika regulującego atmosferę wzrosną do pewnego stopnia, ostrze jest opuszczane, jak pokazano na fig. 23B, aby usunąć powierzchniową część warstwy T osadu żużlowego niosącą zgromadzone cząstkowe żelazo Fe_s wraz z czynnikiem Cl regulującym atmosferę, przez co wygładza się poziomo warstwę T osadu żużlowego. Następnie czynnik Cl regulujący atmosferę znów ładuje się do określonej grubości z urządzenia 9 doprowadzającego surowiec pomocniczy, zanim trzon osiągnie podczas swego obrotu położenie doprowadzania surowca, a następnie ładuje się znów uformowany surowiec G. W ten sposób odbywa się ciągła produkcja. Przy ładowaniu lub doprowadzaniu czynnika regulującego atmosferę korzystne jest stosowanie powyższego urządzenia doprowadzającego.

Chociaż nie ma żadnego określonego ograniczenia jeśli chodzi o grubość rozkładanej warstwy Cl czynnika regulującego atmosferę, wystarczy bardzo mała grubość, by skutecznie zwiększyć potencjał redukującego działania atmosfery w pobliżu uformowanego surowca lub ułatwić odłączanie granulowanego metalicznego żelaza od powierzchni trzonu pieca. Zwykle do tego celu służy warstwa Cl czynnika regulującego atmosferę o grubości 1-10 mm lub mniej. W praktyce zalecany jest prosty i skuteczny sposób polegający na tym, że odpowiednią ilość dodatku regulującego temperaturę topnienia miesza się z czynnikiem Cl regulującym atmosferę, by uzyskać zwiększenie temperatury topnienia warstwy T osadu żużlowego w połączeniu z powyższym działaniem czynnika Cl regulującego atmosferę.

PRZYKŁADY

Poniżej przedmiotowy wynalazek zostanie wraz ze swymi zaletami opisany na podstawie przykładów. Nie trzeba mówić, że wynalazek ten nie ogranicza się do następujących przykładów i można go praktycznie realizować przez zmienianie lub modyfikowanie tych przykładów, jeśli tylko takie zmiany i modyfikacje są zgodne z kontekstem niniejszego opisu. Oczywiście takie zmiany lub modyfikacje mieszczą się w technicznym zakresie przedmiotowego wynalazku.

P r z y k ł a d 1

Uformowany surowiec o średnicy około 19 mm przygotowano przez homogeniczne mieszanie hematytowej rudy żelaza jako źródła żelaza, węgla i niewielkiej ilości spoiwa (bentonit), a taki uformowany surowiec stosuje się do wytwarzania metalicznego żelaza. W szczególności, uformowany surowiec ładuje się do pieca wytapiania redukcyjnego z obrotowym trzonem, jak pokazano na fig. 1-3, a temperaturę atmosfery w piecu ustawia się na około 1350°C, aby mogła przebiegać redukcja w stanie stałym, aż do osiągnięcia stopnia metalizacji około 90%. Po tej redukcji w stanie stałym uformowany surowiec przenosi się do strefy nawęglania-roztapiania-koagulacji, w której temperaturę atmosfery ustawia się na 1440°C, aby powodować nawęglanie-roztapianie-koagulację żelaza i oddzielanie żużla stanowiącego produkt uboczny, przez co uzyskuje się metaliczne żelazo pozbawione żużla.

W tym przypadku warstwę granulowanego węgla o średnicy cząstek 2 mm lub mniej, W służącego jako czynnik regulacji atmosfery, utworzono uprzednio do grubości około 5 mm na trzonie przed załadowaniem uformowanego surowca, tak że stopień redukującego działania gazowej atmosfery w etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji wynosi 0,60-0,75. Fig. 24 przedstawia formulację surowca, skład zredukowanego żelaza po zakończeniu redukcji w stanie stałym, skład otrzymanego ostatecznie metalicznego żelaza, skład uzyskanego żużla itp. w tym procesie produkcyjnym.

Metaliczne żelazo zasadniczo całkowicie pozbawione żużla przez roztapianie-koagulację przenosi się do strefy chłodzenia i chłodzi się do 100°C, by spowodować jego zakrzepnięcie, a następnie tak zakrzepłe metaliczne żelazo jest wyrzucane przez urządzenie odprowadzające. Tak otrzymane metaliczne żelazo, żużel będący produktem ubocznym i nadmiar materiału węglowego analizuje się pod względem ich stosunku produkcyjnego i odpowiednich składów. Incydentalnie, zgodnie z analizą składu próbek zredukowanego żelaza pobranych z pieca wytapiania redukcyjnego tuż przed etapem nawęglania-roztapiania, stopień metalizacji wynosi około 90%, a ilość resztkowego węgla wynosi 4,58%. Czas od załadowania uformowanego surowca do pieca do usunięcia metalicznego żelaza z pieca wynosi około 9 min, to znaczy jest bardzo krótki, a uzyskane metaliczne żelazo zawiera węgiel w ilości 2,88%, krzem w ilości 0,25% i siarkę w ilości 0,17%. Możliwe jest zatem oddzielenie metalicznego żelaza od żużla będącego produktem ubocznym. Wygląd otrzymanego ostatecznie metalicznego żelaza pokazano na fig. 25 (fotografia).

PL 201 389 B1

P r z y k ł a d 2

Stosując uformowany surowiec o wielkości cząstek 19-20 mm zmieszany z kamieniem wapiennym w ilości 5% przeprowadzano redukcję w stanie stałym i nawęglanie-roztapianie-koagulację, by wytworzyć granulowane metaliczne żelazo. To metaliczne żelazo ochłodzono do 800°C i usunięto z pieca. Następnie metaliczne żelazo o takiej samej temperaturze załadowano do pieca elektrycznego wraz ze złomem żelaznym jako źródłem żelaza i wytopiono w nim. Udział metalicznego żelaza w całej ilości źródeł żelaza wynosił około 40%, przy czym resztę stanowił złom żelaza.

W rezultacie zostało potwierdzone, że pobór energii elektrycznej pieca elektrycznego został zmniejszony o około 68 kWh/t (15%) w porównaniu z przypadkiem, gdy piec elektryczny zużywał 448 kWh/t przy wytapianiu surowca złożonego tylko ze złomu żelaznego, a wydajność produkcyjna była polepszona o około 14% dzięki skróceniu czasu wytapiania. Ponadto potwierdzone zostało, że metaliczne żelazo zawierało siarkę w ilości zmniejszonej do 0,018%, to znaczy w ilości zasadniczo równej zawartości siarki w planowanej roztopionej stali, a zatem problemy związane z obowiązkiem odsiarczania nałożonym na piec elektryczny mogły być znacznie zmniejszone i można było zapewnić ustabilizowaną i wydajną produkcję. Ponadto, ponieważ metaliczne żelazo było zasadniczo pozbawione żużla, zastosowanie metalicznego żelaza umożliwiało wytwarzanie roztopionej stali o wyższej jakości i o mniejszych wtrąceniach zanieczyszczeń.

P r z y k ł a d 3 (porównawczy)

Przeprowadzono eksperyment z wytwarzaniem granulowanego metalicznego żelaza w taki sam sposób, jak w przykładzie 1 z tym wyjątkiem, że regulację atmosfery przeprowadzano tak, że stopień redukcyjnego działania gazowej atmosfery w strefie nawęglania-roztapiania, umożliwiający nawęglanie i roztapianie cząstkowego zredukowanego żelaza, zasadniczo utworzonego przez redukcję w stanie stałym, przyjmował wartość 0,35-0,45. Metaliczne żelazo otrzymane z takiego eksperymentu miało gorszą wartość handlową, ponieważ miało kształt muszelkowy, częściowo zawierający związany z nim żużel, jak pokazano na fig. 27, a czystość żelaza była niewielka, około 90% lub mniej i niewielka była zawartość węgla (około 0,7% lub mniej).

Jak z tego wynika, kiedy stopień redukującego działania atmosfery w etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji jest mniejszy niż 0,5, nie można otrzymać granulowanego metalicznego żelaza o wysokim stopniu czystości, ponieważ resztkowy węgiel zostaje wyczerpany przez atmosferę gazową, drobnoziarniste i aktywne zredukowane żelazo jest podatne na wtórne utlenianie, roztapianie zredukowanego żelaza jest trudne przy 1500°C lub poniżej ze względu na niewystarczające nawęglenie, a oddzielanie żużla będącego produktem ubocznym nie przebiega sprawnie.

P r z y k ł a d 4

Czynnik regulujący atmosferę (proszek zawierający materiał węglowy) doprowadzano na trzon 1 pieca z ruchomym trzonem za pomocą doprowadzającego urządzenia 10, jak pokazano na fig. 9, by utworzyć warstwę czynnika regulującego atmosferę. Następnie sproszkowany surowiec redukowanego żelaza, przygotowany przez zmieszanie przynajmniej węglowego czynnika redukującego i substancji zawierającej tlenek żelaza, doprowadzano na surowiec pomocniczy (warstwa czynnika regulującego atmosferę) tak, aby nie zetknął się bezpośrednio z trzonem 1. Sproszkowany surowiec poddawano następnie redukcji w stanie stałym w podwyższonej temperaturze, a metaliczne żelazo otrzymane z tej redukcji w stanie stałym roztapiano następnie przez ogrzewanie, by spowodować oddzielenie przynajmniej składników żużla zawartych w surowcu i koagulację roztopionego metalicznego żelaza w żelazo granulowane.

Sposobem wytwarzania zredukowanego żelaza według przykładu 4 przedmiotowego wynalazku można tworzyć cienką i ciągłą warstwę czynnika regulującego atmosferę z jednakową grubością na trzonie 1 za pomocą urządzenia 10 doprowadzającego surowiec, a zatem można otrzymać zhomogenizowane granulowane żelazo o ulepszonej jakości z większą wydajnością i mniejszym kosztem. Ponadto, taka cienka i ciągła warstwa czynnika regulującego atmosferę utworzona z jednakową grubością na trzonie 1 umożliwia osiągnięcie wyższego stopnia metalizacji przy równoczesnym zabezpieczeniu trzonu. Ponadto, ponieważ możliwe jest doprowadzanie czynnika regulującego atmosferę w minimalnej potrzebnej ilości, można uniknąć rozrzutnego stosowania proszku zawierającego materiał węglowy, a równocześnie zredukowane żelazo można chronić przed heterogenicznością na skutek różnic na trzonie 1.

Jeżeli piec 11 z ruchomym trzonem jest typu obrotowego, wówczas występuje różnica prędkości pomiędzy wewnętrznym obwodem a zewnętrznym obwodem trzonu, która może spowodować przepływ atmosfery gazowej w piecu z różnymi prędkościami. Jednakże proces według tego przykładu doskonale zapobiega zmianom stanu zredukowania żelaza w uformowanym surowcu na skutek takich różnic.

PL 201 389 B1

W przykładzie 4 warstwa czynnika regulującego atmosferę utworzona była na trzonie 1 przez doprowadzenie do niego czynnika regulującego atmosferę przy wykorzystaniu urządzenia 10 doprowadzającego sproszkowany surowiec zredukowanego żelaza według przykładu wykonania 1, a następnie na trzonie 1 tworzono warstwę uformowanego surowca przez doprowadzanie sproszkowanego surowca. Urządzenie 10 doprowadzania surowca można zastąpić urządzeniem doprowadzania surowca posiadającym kanał zasilający nie przedzielony przegrodą, albo dowolnym z urządzeń doprowadzania surowca według przykładów realizacji wynalazku. Nawet jeśli doprowadza się zmieszany proszek zawierający sproszkowany surowiec zredukowanego żelaza, przygotowany przez zmieszanie przynajmniej proszku zawierającego tlenek żelaza i proszku zawierającego materiał węglowy oraz materiału węglowego zawierającego proszek, można oczekiwać uzyskania pewnego wyniku.

Oczywiście surowiec, który ma być dostarczany, może być przynajmniej w postaci niewielkich bryłek lub w postaci małych granulek, jak również w postaci proszku.

P r z y k ł a d 5

Czynnik regulujący atmosferę (proszek zawierający materiał węglowy) doprowadzano na trzon 1 pieca z ruchomym trzonem za pomocą urządzenia doprowadzającego 10, jak pokazano na fig. 9, by utworzyć warstwę czynnika regulującego atmosferę. Następnie uformowany surowiec (granulat), przygotowany przez zmieszanie przynajmniej węglowego czynnika redukującego i substancji zawierającej tlenek żelaza, doprowadzano na pomocniczy surowiec (warstwa czynnika regulującego atmosferę) za pomocą innego urządzenia doprowadzającego (nie pokazano), tak aby uniemożliwić bezpośredni kontakt z trzonem 1. Uformowany surowiec poddawano następnie redukcji w stanie stałym w podwyższonej temperaturze, a metaliczne żelazo uzyskiwane z redukcji w stanie stałym roztapiano przez późniejsze grzanie, by spowodować oddzielenie przynajmniej tych składników żużla, które były zawarte w surowcu i koagulację roztopionego metalicznego żelaza w żelazo granulowane.

Sposobem wytwarzania zredukowanego żelaza według przykładu 5 przedmiotowego wynalazku można tworzyć cienką i ciągłą warstwę czynnika regulującego atmosferę o jednakowej grubości na trzonie 2 za pomocą urządzenia 10 doprowadzania surowca, a zatem można otrzymać homogenizowane granulowane żelazo o polepszonej jakości z większą wydajnością przy mniejszych kosztach. Ponadto taka cienka i ciągła warstwa czynnika regulującego atmosferę utworzoną z równą grubością na trzonie 1 umożliwia osiągnięcie wyższego stopnia metalizacji przy równoczesnym chronieniu trzonu 1. Ponadto, ponieważ możliwe jest doprowadzanie czynnika regulującego atmosferę w minimalnej potrzebnej ilości, można uniknąć rozrzutnego stosowania proszku zawierającego materiał węglowy, a równocześnie zredukowane żelazo nie staje się heterogeniczne na skutek różnic na trzonie 1.

W przypadku, gdy piec 11 z ruchomym trzonem jest typu obrotowego, występuje różnica prędkości pomiędzy wewnętrznym obwodem a zewnętrznym obwodem trzonu, co może spowodować przepływ atmosfery gazowej w piecu z różnymi prędkościami. Jednakże proces według tego przykładu doskonale pozwala na unikanie zmian stanu zredukowania żelaza w uformowanym surowcu na skutek takich różnic.

W przykładzie 5 warstwa czynnika regulującego atmosferę była tworzona na trzonie 1 przez doprowadzanie czynnika regulującego atmosferę za pomocą urządzenia 10 doprowadzania surowca według przykładu wykonania 1, a następnie warstwę uformowanego surowca tworzono na trzonie 1 przez doprowadzanie uformowanego surowca. Urządzenie 10 doprowadzania surowca można zastąpić urządzeniem posiadającym kanał zasilający nie przedzielony przegrodą lub dowolnym z urządzeń doprowadzających surowiec według dowolnych przykładów realizacji niniejszego wynalazku.

Według wynalazku, jako substancję zawierającą węglowy czynnik redukujący i tlenek żelaza można wykorzystywać pył z wielkiego pieca, zgorzelinę walcowniczą, pył z pieca elektrycznego, szlam, pył stalowniczy itp.

Według wynalazku, wtórne utlenianie zredukowanego żelaza można zmniejszyć do minimum, zwiększając przez to czystość wynikowego metalicznego żelaza, a równocześnie żużel będący produktem ubocznym można zasadniczo całkowicie oddzielić od metalicznego żelaza przez prawidłowe kontrolowanie gazowej atmosfery, zwłaszcza w etapie nawęglania-roztapiania-koagulacji, następującym po etapie redukcji w stanie stałym. Ponadto, wynalazek umożliwia zmniejszanie do minimum przenikania roztopionego żużla oraz erozję lub zużycie materiałów ogniotrwałych trzonu pod wpływem roztopionego tlenku żelaza, przez co wydajnie wytwarza się granulowane metaliczne żelazo o większej czystości w produkcji ciągłej.

W praktycznej realizacji wynalazku, jeżeli odpowiednią ilość źródła CaO doda się celowo do uformowanego surowca w celu zwiększenia zasadowości uzyskiwanego żużla, wówczas siarka pochodząca z materiału węglowego może być skutecznie przechwytywana przez żużel, przez co obniża

PL 201 389 B1 się zawartość siarki w wynikowym metalicznym żelazie i zmniejsza się problemy związane z obowiązkiem odsiarczania. Ponadto, ilość siarki wyprowadzanej z pieca w postaci SOx można zmniejszyć w miarę moż liwoś ci, przez co zmniejsza się problemy zwią zane z obowią zkiem odsiarczania spalin.

Jeżeli zbudowany jest cały system produkcji żelaza-stali z piecem stalowniczym usytuowanym przy urządzeniu do wytapiania redukcyjnego, by wykorzystywać metaliczne żelazo o wysokiej temperaturze jako takie lub po roztopieniu przez dalsze doprowadzanie ciepła w charakterze źródła żelaza, taki system produkcji może skutecznie wykorzystywać ciepło utrzymywane przez takie metaliczne żelazo, a zatem nadaje się dobrze do praktycznej produkcji.

Składniki żużla otrzymywane z uformowanego surowca mogą osadzać się na materiałach ogniotrwałych trzonu pieca do wytapiania redukcyjnego z obrotowym trzonem. Otrzymaną warstwę osadu żużlowego usuwa się okresowo lub ciągle podczas produkcji, przez co unika się przywierania lub osadzania się na warstwie osadu żużlowego cząstkowego metalicznego żelaza w produkcji ciągłej, z równoczesnym utrzymywaniem gładkiej powierzchni trzonu przez samoczynne naprawianie się uszkodzonych powierzchni warstwy osadu. Można zatem zapewnić ciągłą produkcję bez znacznego uszkadzania początkowo zastosowanych materiałów ogniotrwałych trzonu, a równocześnie cykl konserwacji trzonu można znacznie przedłużyć zauważalnie zwiększając przez to wydajność produkcji ciągłej. Ponieważ naprawianie trzonu uzyskuje się samoczynnie przez skuteczne wykorzystywanie żużla wytwarzanego podczas produkcji, nie ma potrzeby doprowadzania żadnego materiału do naprawy z zewnątrz, oprócz materiału potrzebnego do wytworzenia pierwotnej warstwy ochronnej na początku produkcji, a zatem sposób ten jest bardzo tani. Jeżeli żużel zawracany do obiegu jest wykorzystywany jako materiał do tworzenia pierwotnej warstwy ochronnej, sposób ten staje się droższy.

Stosowane urządzenie doprowadzające nadaje się do wytwarzania ciągłej warstwy pomocniczego surowca o zasadniczo jednakowej grubości na trzonie do żądanej grubości. Ponieważ kanał może być przegrodzony na szerokości trzonu, ilość doprowadzanego pomocniczego surowca może być zmieniana przez kontrolowanie otwarcia każdego przedziału kanału, przez co umożliwia się tworzenie cienkiej i ciągłej warstwy pomocniczego surowca o zasadniczo jednakowej grubości na szerokości trzonu, nawet jeśli jest to trzon obrotowy. Nie ma zatem konieczności stosowania urządzenia do regulacji grubości warstwy, takiego jak urządzenie poziomujące lub wygładzające w piecu, przez co produkcja jest tańsza. Ponadto, jeśli urządzenie doprowadzające jest wykorzystywane do doprowadzania pomocniczego surowca na trzon, zapobiega się przywieraniu takiego pomocniczego surowca do powierzchni wewnętrznej ściany kanału, przez co skutecznie unika się problemów z zatykaniem kanału i spadaniem brył osadzonego surowca pomocniczego.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania granulowanego metalicznego żelaza, obejmujący grzanie uformowanego surowca zawierającego węglowy czynnik redukujący i substancję zawierającą tlenek żelaza w redukcyjnym piecu wytopowym do poddawania redukcji w stanie stałym tlenku żelaza zawartego w uformowanym surowcu, oraz nawęglanie zredukowanego żelaza, otrzymanego z redukcji w stanie stałym, węglem zawartym w węglowym czynniku redukującym, aby spowodować roztopienie zredukowanego żelaza z równoczesnym oddzielaniem składników skały płonnej zawartych w uformowanym surowcu i powodowaniem koagulacji uzyskiwanego roztopionego metalicznego żelaza w granulowane metaliczne żelazo, znamienny tym, że atmosfera gazowa w pobliżu uformowanego surowca w etapie nawęglania i roztapiania ma stopień działania redukującego nie mniejszy niż 0,5, przy czym uformowany surowiec miesza się ze źródłem tlenku wapnia podczas przygotowywania surowca, w celu regulowania zasadowości CaO/SiO2 składnika tworzącego żużel, zawartego w uformowanym surowcu, do wartości w zakresie 0,6-1,8 tak że siarka zawarta w uformowanym surowcu jest zatrzymywana przez żużel otrzymywany podczas produkcji, przez co uzyskuje się granulowane metaliczne żelazo o małej zawartości siarki, i że na trzon redukcyjnego pieca wytopowego ładuje się czynnik regulujący atmosferę, z materiału węglowego, co najmniej przed roztopieniem uformowanego surowca, i że stosuje się czynnik regulujący atmosferę mający przeciętną średnicę cząstek 3 mm lub mniejszą i ładuje się go na trzon do grubości 7 mm lub mniejszej, przy czym czynnik regulujący atmosferę ładuje się na trzon poprzez kanał zasilający, który jest połączony pionowo z częścią stropową pieca, i że stosuje się redukcyjny piec wytopowy z ruchomym trzonem, przedzielony na co najmniej dwa przedziały w kierunku ruchu trzonu,

   PL 201 389 B1 przy czym jeden przedział po stronie wejściowej w kierunku ruchu jest przeznaczony do redukcji w stanie stał ym, a drugi przedział po stronie wyjś ciowej w kierunku ruchu jest przeznaczony do nawę glania i roztapiania, zaś w każdym przedziale reguluje się temperaturę i skład gazowej atmosfery, i że w przedziale nawęglania i roztapiania utrzymuje się temperaturę o 50-200°C wyższą od temperatury w przedziale redukcji w stanie stałym.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w ostatnim etapie redukcji w stanie stałym stosuje się tlenek żelaza mający stopień zredukowania nie mniejszy niż 80% i resztkową zawartość węgla nie mniejszą niż 3,5%.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wytworzone granulowane metaliczne żelazo ładuje się do pieca stalowniczego dla wytwarzania roztopionej stali.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że temperaturę metalicznego żelaza ładowanego do pieca stalowniczego utrzymuje się na poziomie 800°C lub wyższej.
5. 5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że granulowane metaliczne żelazo roztapia się przed ładowaniem go do pieca stalowniczego.