RU2228956C2

RU2228956C2 - Method of production of iron from its oxides without destruction of combustible nonrenewable minerals or products of their reworking

Info

Publication number: RU2228956C2
Application number: RU2002122189/02A
Authority: RU
Inventors: Г.П. Кузнецов (RU); Г.П. Кузнецов
Original assignee: Кузнецов Геннадий Петрович
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2004-05-20

Abstract

FIELD: metallurgy; production of iron from its oxides. SUBSTANCE: proposed method includes melting of iron concentrates and fluxes in furnace, entrapping and utilization of volatile agents, tapping of molten burden and separating iron melt from slag and slime; iron oxides are transported to reactors in molten state; said reactors are used for deoxygenation of iron oxides due to contact with hollow anode made from porous heat-resistant material at developed surface provided with coat made from absorbent working at temperatures of iron melting point. EFFECT: avoidance of irrevocable destruction of minerals or products of their reworking. 3 cl, 1 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к металлургическим процессам, в частности к способам извлечения кислорода из окислов металлов без уничтожения горючих невозобновляемых полезных ископаемых или продуктов их переработки.The invention relates to metallurgical processes, in particular to methods for extracting oxygen from metal oxides without destroying combustible non-renewable minerals or products of their processing.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Известно, что в традиционных металлургических производствах получение стали осуществляется в две стадии: восстановление в доменных печах железа из его окислов и окисление в сталеплавильных агрегатах углерода, кремния, марганца, фосфора, удаление серы из полученного на первой стадии чугуна. Для осуществления восстановительного процесса в доменных печах необходимо сжигать большое количество кокса.It is known that in traditional metallurgical industries, steel production is carried out in two stages: reduction of iron from its oxides in blast furnaces and oxidation of carbon, silicon, manganese, phosphorus in steelmaking units, removal of sulfur from pig iron obtained in the first stage. To carry out the recovery process in blast furnaces it is necessary to burn a large amount of coke.

Другим направлением в металлургии являются попытки разработки технологических решений процесса прямого получения железа из руд. При этом наибольшее распространение получили шахтные печи. Одним из способов металлизации железорудных материалов (в виде окатышей) является процесс "Мидрекс". В этом процессе на каждую тонну губчатого железа расходуется около 400 кубометров природного газа. За счет подачи в печь конвертированного газа, содержащего 35 процентов оксида углерода и 65 процентов водорода, при температуре около 1000 градусов по Цельсию получаются металлизированные окатыши, в которых 95 процентов железа и 1 процент углерода. Из-за высокой стоимости достаточно сложного оборудования и значительного расхода топлива - восстановителя к концу двадцатого века во всем мире только 2 процента выплавляемой стали производится с использованием установок для прямого восстановления руд (1).Another direction in metallurgy is attempts to develop technological solutions for the process of direct production of iron from ores. At the same time, the most common are shaft furnaces. One of the methods of metallization of iron ore materials (in the form of pellets) is the Midrex process. In this process, about 400 cubic meters of natural gas is consumed per ton of sponge iron. By supplying a converted gas containing 35 percent carbon monoxide and 65 percent hydrogen to the furnace, at a temperature of about 1000 degrees Celsius, metallized pellets are obtained in which 95 percent iron and 1 percent carbon. Due to the high cost of rather sophisticated equipment and significant fuel consumption - reducing agent, by the end of the twentieth century, only 2 percent of smelted steel worldwide is produced using plants for direct ore reduction (1).

Технический результат заключается в том, что исключается необходимость безвозвратного уничтожения полезных ископаемых или продуктов их переработки при производстве железа из его окислов.The technical result consists in eliminating the need for the irretrievable destruction of minerals or products of their processing in the production of iron from its oxides.

Для обеспечения технического результата способ производства железа из его окислов без уничтожения горючих невозобновляемых полезных ископаемых или продуктов их переработки включает плавление железных концентратов и флюсов в печи, улавливание и утилизацию летучих веществ, выпуск расплавленной шихты, при этом, согласно изобретению, после выпуска расплавленной шихты отделяют расплав железа от шлаков и шламов, транспортируют окислы железа в расплавленном состоянии в реакторы, в которых осуществляют деоксигенацию окислов железа за счет контакта их с полым анодом из пористого жаростойкого материала с развитой поверхностью, имеющего покрытие из абсорбента, работающего при температурах расплава железа.To ensure a technical result, a method for producing iron from its oxides without destroying combustible non-renewable minerals or products of their processing includes melting iron concentrates and fluxes in a furnace, collecting and disposing of volatile substances, releasing a molten charge, and according to the invention, after releasing a molten charge, it is separated molten iron from slag and sludge transport iron oxides in the molten state to reactors in which the iron oxides are deoxygenated due to their contact with the hollow anode of a porous heat-resistant material with a developed surface, having a coating of absorbent material, operating at iron melt temperatures.

Кроме того, при этом, полый анод с развитой поверхностью изготавливают из циркония, имеющего микропоры для пропуска кислорода в его внутреннюю полость, а в качестве абсорбента используют диоксид циркония.In addition, in this case, a hollow anode with a developed surface is made of zirconium having micropores for passing oxygen into its internal cavity, and zirconia is used as an absorbent.

Сущность описываемого способа получения железа из его окислов проиллюстрирована блок-схемой, приведенной на чертеже.The essence of the described method for producing iron from its oxides is illustrated by the flowchart shown in the drawing.

Печь 1 для плавления железорудного концентрата, смешанного с флюсами (шихты) 2, имеет трубы 3 из жаростойкого металла, например из тантала, предназначенные для передачи тепла от заполняющего их теплоносителя к шихте, поступающей через загрузочное устройство 4. В днище 5 печи 1 имеется устройство 6, предназначенное для выпуска расплавленной шихты в каналы 7, заканчивающиеся дозаторами 8. Непосредственно к дозаторам 8 примыкают сепараторы 9, предназначенные для разделения расплавленной шихты на слои в зависимости от плотности каждого слоя. Сепараторы 9 имеют в верхней своей части шиберные заслонки 10, предназначенные для выпуска легковесных шлаков, плавающих на поверхности расплава окислов железа, а в нижней части - воронку 11 для сбора и выпуска шламов, имеющих плотность большую, чем у расплава окислов железа. Между сепараторами 9 и реакторами 12 размещаются трубы 13 из жаростойкого немагнитного материала, например из тантала, предназначенные для транспортировки расплава окислов железа за счет воздействия на него магнитными системами 14. Во внутренних полостях реакторов 12 размещены панели 15 из жаростойкого пористого материала, например из циркония, в форме полых коробок, приваренных к центральному несущему коробу 16, который в верхней части соединен с трубой 17, предназначенной для вывода из реактора 12 кислорода и транспортировки его в ресивер 18. В самой нижней точке каждого реактора 12 имеются каналы 19, предназначенные для выпуска в накопители 20 шламов, имеющих плотность более высокую, чем плотность расплавленного железа. Каналы 19 отделены от внутренних полостей реакторов 12 заслонками 21, предназначенными для задержки легковесных шлаков в периоды удаления из реакторов 12 расплавленного железа. Непосредственно во внутренние полости каналов 19 введены трубы 22 из жаростойкого немагнитного материала, предназначенные для транспортировки расплавленного железа в ковши 23 за счет воздействия на него магнитными системами 24. В нижней части каждого ковша 23 имеются стыковочные узлы 25, предназначенные для герметичного соединения ковшей 23 с изложницами 26, размещенными на железнодорожных платформах 27. К трубам 3 печи 1 непосредственно присоединены горелки 28, предназначенные для сжигания водорода, подводимого по трубам 29, в атмосфере кислорода, подводимого по трубам 30. Трубы 29 присоединены к резервуарам 31, предназначенным для хранения водорода, через разобщительные краны 32. Трубы 30 присоединены к резервуарам 33, предназначенным для хранения кислорода, через разобщительные краны 34. Резервуары 31 и 33 соединены соответственно трубами 35 и 36 с электролизерами 37, предназначенными для обеспечения печи 1 водородом и кислородом. В самой высокой части печи 1 имеется устройство 38, предназначенное для улавливания и утилизации летучих веществ, образующихся во внутренней полости печи 1 при плавлении шихты. Печи 1 могут быть размещены в непосредственной близости от производственных комплексов, предназначенных для обогащения железной руды. В этих случаях исключаются затраты энергии на сушку железорудного концентрата, так как количества тепла, передаваемого через стенки труб 3 от водородных факелов с температурой 2600 градусов по Цельсию, вполне достаточно для прогрева шихты и доведения ее до расплавленного состояния в области днища 5.The furnace 1 for melting iron ore concentrate mixed with fluxes (charge) 2 has pipes 3 made of heat-resistant metal, for example, tantalum, designed to transfer heat from the coolant filling them to the charge entering through the charging device 4. There is a device in the bottom 5 of furnace 1 6, intended for the release of the molten charge into the channels 7, ending with the dispensers 8. Directly to the dispensers 8 are adjacent separators 9, designed to separate the molten charge into layers depending on the density of each layer. The separators 9 have, in their upper part, slide gates 10, intended for the release of lightweight slags floating on the surface of the iron oxide melt, and in the lower part, a funnel 11 for collecting and discharging sludges having a density higher than that of the iron oxide melt. Between the separators 9 and the reactors 12 there are tubes 13 made of heat-resistant non-magnetic material, for example, tantalum, designed to transport the molten iron oxides due to the action of magnetic systems 14. In the internal cavities of the reactors 12 there are panels 15 made of heat-resistant porous material, for example, zirconium, in the form of hollow boxes, welded to the Central carrier box 16, which in the upper part is connected to the pipe 17, designed to output oxygen from the reactor 12 and transport it to the receiver 18. In the lowest point of each reactor 12 has channels 19 for discharging slurries 20 having a density higher than the density of molten iron into the storage tanks 20. The channels 19 are separated from the internal cavity of the reactor 12 by shutters 21, designed to delay the lightweight slag during periods of removal of molten iron from the reactor 12. Pipes 22 made of heat-resistant non-magnetic material are introduced directly into the internal cavities of the channels 19, designed to transport molten iron to the ladles 23 by acting on it with magnetic systems 24. At the bottom of each ladle 23 there are docking assemblies 25, designed for the hermetic connection of the ladles 23 with the molds 26, located on railway platforms 27. To the pipes 3 of the furnace 1 directly connected to the burner 28, designed to burn hydrogen supplied through the pipes 29, in the atmosphere of oxygen a, supplied through pipes 30. Pipes 29 are connected to reservoirs 31 for storing hydrogen through uncoupling taps 32. Pipes 30 are connected to reservoirs 33 for storing oxygen through uncoupling taps 34. Reservoirs 31 and 33 are connected by pipes 35 and 36 with electrolytic cells 37 designed to provide the furnace 1 with hydrogen and oxygen. In the highest part of the furnace 1 there is a device 38 designed to capture and utilize volatile substances generated in the internal cavity of the furnace 1 during melting of the charge. Furnaces 1 can be placed in the immediate vicinity of industrial complexes designed for iron ore beneficiation. In these cases, the energy costs for drying the iron ore concentrate are excluded, since the amount of heat transferred through the walls of the pipes 3 from hydrogen plumes with a temperature of 2600 degrees Celsius is quite enough to heat the charge and bring it to a molten state in the region of the bottom 5.

Расплавленная шихта опускается в каналы 7 и накапливается в дозаторах 8. Очередные накопившиеся порции расплавленной шихты из дозаторов 8 заполняют сепараторы 9, где происходит отстой расплава для создания условий удаления легковесных шлаков через шиберные заслонки 10, а тяжеловесных шламов - через воронки 11. Остающиеся в сепараторах 9 расплавленные окислы железа перемещают по трубам 13 в реакторы 12 за счет воздействия на расплав бегущим магнитным полем, которое создается магнитными системами 14 известных конструкций, размещенными вблизи наружных поверхностей труб 13 на всем их протяжении. Заполнившие внутренний объем реакторов 12 расплавленные окислы железа соприкасаются с наружными поверхностями панелей 15, покрытыми материалом - абсорбентом, например стабилизированным диоксидом циркония. Для осуществления процесса деоксигенации расплавленных окислов железа внутри реакторов 12 к ним подается постоянный электрический ток таким образом, чтобы стенки реакторов 12 также использовались в качестве катодов, а коробки панелей 15 были бы анодами (токоподводящие устройства и их изоляция не показаны на чертеже во избежание затемнения блок-схемы). При этом слой абсорбента отнимает у расплава атомарный кислород и вытесняет его через поры стенок коробок панелей 15 внутрь этих коробок, а освобожденное от кислорода железо осаждается в реакторах 12. Кислород, поступающий внутрь коробок панелей 15, выводится в ресиверы 18 через внутренние полости несущих коробов 16 и труб 17. После завершения процесса деоксигенации расплава открывают заслонки 21 и содержимое реакторов 12 перетекает в каналы 19. После отстоя выпущенного из реакторов 12 расплава в каналах 19 шлам, имеющий плотность более высокую, чем плотность железа в расплавленном состоянии, выпускают в накопители 20. При подключении электрического тока к обмоткам магнитных систем 24 внутри труб 22 из немагнитного материала создается бегущее магнитное поле, под воздействием которого железо в расплавленном состоянии из каналов 19 транспортируется в ковши 23. При понижении уровня расплавленного железа в каналах 19 до отметок заслонок 21 осуществляется отсечение легковесных шлаков, плавающих на поверхности расплава, путем перекрытия заслонок 21. После завершения транспортировки всей массы расплавленного железа из каналов 19 в ковши 23 заслонки 21 открываются для выпуска легковесных шлаков в каналы 19 и далее в накопители 20. По мере подачи железнодорожных платформ 27 с изложницами 26 под стыковочные узлы 25 производится наполнение изложниц 26 расплавленным железом, накопившимся в ковшах 23. Железнодорожные платформы 27 с наполненными расплавленным железом изложницами 26 перевозятся к местам дальнейшей обработки железа, а на их место подаются новые платформы 27 с пустыми изложницами 26.The molten charge is lowered into the channels 7 and accumulated in the batchers 8. The next accumulated portions of the molten charge from the batchers 8 fill the separators 9, where the melt settles to create conditions for the removal of lightweight slag through the slide valves 10, and heavy sludge through funnels 11. Remaining in the separators 9, molten iron oxides are transported through pipes 13 to reactors 12 due to exposure to the melt by a traveling magnetic field, which is created by magnetic systems 14 of known structures located close to the outer surfaces of the pipes 13 along their entire length. The molten iron oxides filling the internal volume of the reactors 12 are in contact with the outer surfaces of the panels 15 coated with an absorbent material, for example, stabilized zirconia. To carry out the process of deoxygenation of molten iron oxides inside the reactors 12, a constant electric current is supplied to them so that the walls of the reactors 12 are also used as cathodes and the box panels 15 are anodes (current-carrying devices and their insulation are not shown in the drawing to avoid blocking -schemes). In this case, the absorbent layer takes atomic oxygen from the melt and displaces it through the pores of the walls of the panel boxes 15 inside these boxes, and the iron freed from oxygen is deposited in the reactors 12. Oxygen entering the panel boxes 15 is discharged into the receivers 18 through the internal cavities of the carrier boxes 16 and pipes 17. After completion of the process of deoxygenation of the melt, the shutters 21 are opened and the contents of the reactors 12 flows into the channels 19. After settling of the melt discharged from the reactors 12 in the channels 19, a sludge having a density higher than the density of iron in the molten state is released into the storage rings 20. When an electric current is connected to the windings of the magnetic systems 24, a traveling magnetic field is created from non-magnetic material inside the pipes 22, under the influence of which the iron is transported from the channels 19 into the ladles 23. When the level of the molten is lowered iron in the channels 19 to the marks of the dampers 21 is the cutting off of lightweight slag floating on the surface of the melt by closing the dampers 21. After completion of the transportation of the entire mass The molten iron from the channels 19 to the buckets 23 of the shutter 21 is opened to release lightweight slag into the channels 19 and further to the accumulators 20. As the railway platforms 27 with molds 26 are fed under the docking units 25, the molds 26 are filled with molten iron accumulated in the ladles 23. Railway platforms 27 with molds filled with molten iron 26 are transported to places of further processing of iron, and new platforms 27 with empty molds 26 are fed in their place.

Обеспечение подвода необходимого количества тепла во внутренний объем печей 1 осуществляется за счет сжигания водорода в атмосфере кислорода в горелках 28 известных конструкций. Водяной пар, являющийся продуктом сгорания водорода в кислороде, пройдя по трубам 3 через внутренний объем печи 1, поступает в электролизеры 37 известных конструкций, где осуществляется разделение его на водород и кислород. Образующийся при электролизе водяного пара водород выводится из электролизеров 37 по трубам 35 в резервуары 31, а кислород - в резервуары 33 через трубы 36. Дозирование количества водорода, подводимого к горелкам 28, осуществляется путем подачи управляющих команд на открытие разобщительных кранов 32, а кислорода - открытием кранов 34.Ensuring the supply of the necessary amount of heat to the internal volume of the furnaces 1 is carried out by burning hydrogen in an oxygen atmosphere in burners 28 of known designs. Water vapor, which is a product of the combustion of hydrogen in oxygen, passes through pipes 3 through the internal volume of the furnace 1 and enters electrolytic cells 37 of known structures, where it is separated into hydrogen and oxygen. Hydrogen generated during the electrolysis of water vapor is removed from the electrolysis cells 37 through pipes 35 to tanks 31, and oxygen to tanks 33 through pipes 36. The amount of hydrogen supplied to the burners 28 is dosed by sending control commands to open uncoupling valves 32, and oxygen - opening cranes 34.

В ходе непрерывного процесса прогрева и плавления шихты во внутренних объемах печей 1 образуются летучие вещества, которые скапливаются в самой верхней части куполов печей, откуда улавливаются и утилизируются устройствами 38 известных конструкций.During the continuous process of heating and melting the charge in the internal volumes of the furnaces 1, volatile substances are formed that accumulate in the very top of the domes of the furnaces, from where 38 known structures are captured and disposed of.

Поддержание необходимых температур шихты и окислов железа в расплавленном состоянии, расплава железа после его деоксигенации, а также шлаков, шламов после выпуска их из соответствующих агрегатов осуществляют подогревателями известных конструкций, например, за счет передачи через стенки труб из жаростойких материалов тепла от вводимых внутрь труб продуктов окисления водорода кислородом в их стехиометрической смеси.Maintaining the required temperature of the charge and iron oxides in the molten state, the molten iron after its deoxygenation, as well as slag, sludge after releasing them from the respective units is carried out by heaters of known designs, for example, by transferring heat through pipes from heat-resistant materials from products introduced into the pipes oxidation of hydrogen by oxygen in their stoichiometric mixture.

Технологические операции, которые необходимо проводить для уменьшения содержания вредных примесей в железе и повышения его качества, осуществляются известными способами по мере обработки расплава в сепараторах, в реакторах, а также после перевозки расплавленного железа в изложницах и слива его в специальные агрегаты для легирования.The technological operations that must be carried out to reduce the content of harmful impurities in iron and increase its quality are carried out by known methods as the melt is processed in separators, in reactors, and also after the transportation of molten iron in the molds and its discharge into special alloying units.

Ожидаемые технико-экономические преимущества описываемого способа получения железа в сравнении с распространенной в начале двадцать первого века схемой металлургического производства с восстановлением железа из руды в доменных печах основываются на следующих факторах:The expected technical and economic advantages of the described method for producing iron in comparison with the scheme of metallurgical production with the reduction of iron from ore in blast furnaces widespread at the beginning of the twenty-first century are based on the following factors:

1. Совсем исключается необходимость сжигания большого количества кокса.1. The need for burning large amounts of coke is completely eliminated.

2. Существенно сокращаются затраты энергии на сушку железных концентратов при размещении печей для плавления шихты в непосредственной близости от горно-обогатительных комбинатов. При этом также исключаются затраты, связанные с погрузкой, перевозкой и разгрузкой железного концентрата в процессе доставки его от горно-обогатительных комбинатов к местам дислокации доменных производств. Снижаются на треть массы перевозимых грузов от мест дислокации горно-обогатительных комбинатов, так как их готовой продукцией становится высококачественное железо (либо сталь с заданными свойствами) вместо железного концентрата, в массе которого железо составляет не более 65 процентов.2. Significantly reduced energy costs for drying iron concentrates when placing furnaces for melting the charge in the immediate vicinity of mining and processing plants. At the same time, the costs associated with loading, transporting and unloading iron concentrate in the process of delivering it from mining and processing plants to the locations of blast furnace operations are also excluded. Reduced by a third of the mass of goods transported from the locations of mining and processing plants, since their finished product is high-quality iron (or steel with specified properties) instead of iron concentrate, in the mass of which iron is not more than 65 percent.

3. Исключатся затраты на транспортирование кокса и угля к местам дислокации доменных производств, а также затраты, связанные с их погрузкой, разгрузкой, хранением и подачей к домнам.3. Excluded are the costs of transporting coke and coal to the locations of the blast furnace production, as well as the costs associated with their loading, unloading, storage and supply to the blast furnaces.

В сравнении со способом металлизации железорудных концентратов описываемый способ получения железа исключает безвозвратное уничтожение природного газа.Compared with the metallization method of iron ore concentrates, the described method for producing iron eliminates the irrevocable destruction of natural gas.

Источник информацииSourse of information

1. Кудрин В.А. "Металлургия стали", М., Металлургия, 1989, с.24.1. Kudrin V.A. "Metallurgy of steel", M., Metallurgy, 1989, p.24.

Claims

1. A method of producing iron from its oxides without destroying combustible non-renewable minerals or products of their processing, including the melting of iron concentrates and fluxes in a furnace, the collection and disposal of volatile substances, the release of the molten charge, characterized in that after the release of the molten charge, the molten iron is separated from the slag and sludge, transport iron oxides in the molten state to reactors in which the iron oxides are deoxygenated by contacting them with a hollow anode of porous heat ykogo material with a developed surface having a coating of absorbent working at temperatures of molten iron.

2. The method according to claim 1, characterized in that the hollow anode with a developed surface is made of zirconium having micropores for passing oxygen into its internal cavity.

3. The method according to claim 1, characterized in that zirconia is used as the absorbent.