RU2476601C1

RU2476601C1 - Method for electric-arc carbon-thermal reduction of iron from titanomagnetite so that metal product is obtained in form of powder and granules, and device for its implementation

Info

Publication number: RU2476601C1
Application number: RU2011129274/02A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Николаев; Анатолий Владимирович Николаев; Дмитрий Евгеньевич Кирпичев
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-02-27
Also published as: RU2011129274A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method is implemented in the device; at that, an electric arc is excited between an electrode and molten metal contained in a cooled melting pot; charges from disperse oxide raw material and carbon are supplied to molten metal below the level of the bath surface; charge is molten; iron is reduced from oxide molten metal; electromagnetic arc is stabilised; gas is removed from reaction volume and the obtained metal and slag are collected. Charge represents a mixture of particles of titanomagnetite and carbon of equal size d_s, the value of which is equal to d_s<5 mm. Besides, reduction products including iron and slag are dispersed with gas generated during reduction and transported with that gas in the form of powder and granules from the pot to metal product collecting vessel. Maximum size of particles of the obtained powder and granules is determined from the ratio d_p=2.8•10^-8·(G_o ^0.5/d_s ^1.5), where G_o - supply mass velocity of titanomagnetite, and d_s - size of particles of titanomagnetite and carbon.

EFFECT: reduction of power consumption for iron reduction; obtaining metal product in the form of powder and granules immediately during reduction process.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, а именно к производству металлопродукта - железа и шлака в виде порошка и гранул посредством жидкофазного углетермического восстановления руд, рудных концентратов и техногенного сырья в плазмохимическом восстановительном реакторе, основная доля энергии в который вводится дуговым разрядом.The invention relates to non-coke metallurgy, in particular to the production of metal products - iron and slag in the form of powder and granules by means of liquid-phase coal-thermal reduction of ores, ore concentrates and industrial raw materials in a plasma-chemical reduction reactor, the bulk of the energy of which is introduced by an arc discharge.

Известные способы углетермического восстановления железа заключаются в том, что под воздействием дугового разряда оксидное сырье и восстановитель, помещенные в тигель, расплавляют и при взаимодействии оксида с углеродом металл восстанавливают и накапливают в тигле. Металл и шлак периодически или непрерывно сливают из тигля в сборники жидкого металла и шлака. При восстановлении металла образуются СО и СО₂, которые по трубопроводу отводят из реакционного пространства печи. При этом используют один или несколько дуговых разрядов.Known methods for carbon thermal reduction of iron are that, under the influence of an arc discharge, the oxide feed and the reducing agent placed in the crucible are melted and, when the oxide and carbon interact with the metal, the metal is reduced and accumulated in the crucible. Metal and slag are periodically or continuously poured from the crucible into collectors of liquid metal and slag. When the metal is reduced, CO and CO _{2 are formed} , which are removed from the reaction space of the furnace via a pipeline. In this case, one or more arc discharges are used.

Устройства для осуществления данных способов обычно включают камеру, отделяющую рабочее пространство от внешней среды, керамический или металлический тигель, в котором производится плавление оксида с формированием в тигле ванны расплава, являющейся электродом дуги или нескольких дуг. Устройства снабжены средствами подачи в ванну оксидного сырья и восстановителя, средствами удаления из тигля и сбора металла и шлака, а также одним или несколькими электродами или плазмотронами для электродугового нагрева ванны. Электроды или плазмотроны устанавливают обычно над расплавом.Devices for implementing these methods typically include a chamber separating the working space from the external environment, a ceramic or metal crucible in which oxide is melted to form a melt bath in the crucible, which is an electrode of an arc or several arcs. The devices are equipped with means for supplying oxide raw material and a reducing agent to the bath, means for removing from the crucible and collecting metal and slag, as well as one or more electrodes or plasmatrons for electric arc heating of the bath. Electrodes or plasmatrons are usually mounted above the melt.

Для эффективного нагрева реагентов используют обычно дуговой разряд с графитированным электродом. Электрод является катодом дугового разряда. Роль анода выполняет ванна расплава, контактирующая с металлическими стенками тигля или с подовым электродом. Для пространственной стабилизации дугового разряда и перемешивания расплава используют аксиальное магнитное поле, создаваемое соленоидом, расположенным с внешней стороны тигля.For efficient heating of reagents, an arc discharge with a graphite electrode is usually used. The electrode is the cathode of the arc discharge. The role of the anode is performed by the molten bath in contact with the metal walls of the crucible or with the bottom electrode. For spatial stabilization of the arc discharge and mixing of the melt, an axial magnetic field created by a solenoid located on the outside of the crucible is used.

Так как керамические тигли при контакте с расплавленными оксидами железа подвержены значительной эрозии, то в них восстанавливают только сырье с низким содержанием оксидов железа, например, ильменитовые концентраты и частично восстановленные железные руды. Для непосредственного восстановления железорудных концентратов и другого сырья с высоким содержанием оксидов железа, например, некоторых титаномагнетитовых концентратов, возможно применение металлических охлаждаемых тиглей. При этом печи с металлическими тиглями для обеспечения приемлемых энергозатрат должны обладать высокой удельной производительностью.Since ceramic crucibles are subject to significant erosion in contact with molten iron oxides, only raw materials with a low content of iron oxides are reduced in them, for example, ilmenite concentrates and partially reduced iron ores. For the direct reduction of iron ore concentrates and other raw materials with a high content of iron oxides, for example, some titanomagnetite concentrates, it is possible to use metal cooled crucibles. At the same time, furnaces with metal crucibles must have high specific productivity to ensure acceptable energy consumption.

Способы и устройства жидкофазного восстановления металлов группы железа и соответствующие устройства на основе дуговых разрядов описаны в известной технической литературе: «Энциклопедический словарь по металлургии», т.2, Способ Ремина, М., «Интермет Инжиниринг», 2000, 414 с.; «Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева». Под ред. Свенчанского А.Д., М., Энергоиздат, 1981, 296 с.; «Физика и химия плазменных металлургических процессов». Под редакцией Патона Б.Е., М., Наука, 1985, 184 с., Тулин Н.А., Кудрявцев B.C., Пчелкин С.А. и др. «Развитие бескоксовой металлургии», М., Металлургия, 1987, 328 с.; Блинов В.А., Конкс Г.Я., Косач Ю.Э. и др. «Восстановление монооксида никеля природным газом при электродуговой плавке», Физика и химия обработки материалов, 1988, №6, с.30-33; Цветков Ю.В., Николаев А.В. «Плазменные процессы в составе энергометаллургического комплекса (некоторые проблемы металлургии будущего)», Ресурсы. Технологии. Экономика, 2006, №3, с.36-42; Резниченко В.А., Устинов B.C., Карязин И.А., Петрунько А.Н. «Электрометаллургия и химия титана», М., Наука, 1982, 278 с; Книсс В.А., Казаков П.В., Жуков В.П., Набойченко С.С. «Восстановительная электроплавка оксида кобальта в печи постоянного тока», Цветная металлургия, 2004, №2, с.8-11; патент RU №2335549 C2, 11.10. 2006, Николаева А.В., Николаева А.А., Леонтьева И.А.Methods and devices for liquid-phase reduction of iron group metals and corresponding devices based on arc discharges are described in the well-known technical literature: “Encyclopedic Dictionary of Metallurgy”, v.2, Remin Method, M., Intermet Engineering, 2000, 414 pp .; “Electric industrial furnaces. Arc furnaces and special heating installations. ” Ed. Svenchansky A.D., M., Energoizdat, 1981, 296 p .; "Physics and chemistry of plasma metallurgical processes." Edited by Paton B.E., M., Nauka, 1985, 184 p., Tulin N.A., Kudryavtsev B.C., Pchelkin S.A. and others. "Development of non-coke metallurgy", M., Metallurgy, 1987, 328 p .; Blinov V.A., Konks G.Ya., Kosach Yu.E. et al. “Recovery of Nickel Monoxide with Natural Gas during Electric Arc Melting”, Physics and Chemistry of Materials Processing, 1988, No. 6, pp. 30-33; Tsvetkov Yu.V., Nikolaev A.V. “Plasma processes as part of the energy and metallurgical complex (some problems of the metallurgy of the future)”, Resources. Technologies. Economics, 2006, No. 3, p. 36-42; Reznichenko V.A., Ustinov B.C., Karyazin I.A., Petrunko A.N. "Electrometallurgy and chemistry of titanium", M., Nauka, 1982, 278 p .; Kniss V.A., Kazakov P.V., Zhukov V.P., Naboychenko S.S. “Reducing electrofusion of cobalt oxide in a direct current furnace”, Non-ferrous metallurgy, 2004, No. 2, pp. 8-11; RU patent No. 2353549 C2, 11.10. 2006, Nikolaev A.V., Nikolaev A.A., Leontiev I.A.

Известны способы и устройства, в которых дисперсное оксидное сырье и восстановитель подают на поверхность ванны, сформированной в металлическом охлаждаемом тигле, в область анодного пятна дуги постоянного тока, расположенного на поверхности ванны, через полый графитовый катод, а удаление восстановленного металла из тигля производят посредством непрерывной вытяжки слитка или непрерывного слива металла из донной части тигля в приемник (Николаев А.В., Николаев А.А. «Плазменно-дуговые восстановительные печи в структуре энергометаллургического комплекса», Труды пятого конгресса сталеплавильщиков, М., Черметинформация, 1999, с.275-279; Кирпичёв Д.Е., Николаев А.А., Николаев А.В., Цветков Ю.В. «Морфологические и химические характеристики железа, полученного плазменно-дуговым жидкофазным восстановлением». Сталь, 2007, №9, с.41-44).Known methods and devices in which a dispersed oxide feed and a reducing agent are supplied to the surface of a bath formed in a metal cooled crucible, to the region of the anode spot of a DC arc located on the surface of the bath, through a hollow graphite cathode, and the reduction metal is removed from the crucible by continuous extraction of an ingot or continuous discharge of metal from the bottom of the crucible to the receiver (Nikolaev A.V., Nikolaev A.A. “Plasma-arc reduction furnaces in the structure of power metallurgy complex ”, Proceedings of the Fifth Congress of Steelmakers, M., Chermetinformation, 1999, pp. 275-279; Kirpichyov D.E., Nikolaev A.A., Nikolaev A.V., Tsvetkov Yu.V." Morphological and chemical characteristics iron obtained by plasma-arc liquid-phase reduction. ”Steel, 2007, No. 9, p. 41-44).

Известен способ ввода шихты, содержащей оксидное сырье и восстановитель, в плазменно-дуговую электропечь и устройство для его осуществления, в котором шихта подается сверху на поверхность ванны в виде гранул размером 1-2 см («Низкотемпературная плазма в процессах восстановления», Цветков Ю.В., Панфилов С.А., М., Наука, 1980, 360 с.).A known method of introducing a charge containing oxide raw materials and a reducing agent into a plasma-arc electric furnace and a device for its implementation, in which the charge is supplied from above to the surface of the bath in the form of granules 1-2 cm in size ("Low-temperature plasma in the reduction processes", Tsvetkov Yu. V., Panfilov S.A., M., Nauka, 1980, 360 pp.).

Известен способ ввода шихты в плазменно-дуговую электропечь и устройство для его осуществления, в которых шихта вводится непосредственно в расплав ниже уровня зеркала ванны на боковую или донную поверхность расплава со скоростью, обеспечивающей формирование стационарной поверхности раздела между твердой шихтой и расплавом, полностью или частично ограничивающей расплав и выполняющей роль стенки тигля (Николаев А.В., Николаев А.А., Леонтьев И.А. Патент РФ на изобретение №2335549, 2006).A known method of introducing a charge into a plasma-arc electric furnace and a device for its implementation, in which the charge is introduced directly into the melt below the level of the bath mirror on the side or bottom surface of the melt at a speed that ensures the formation of a stationary interface between the solid charge and the melt, fully or partially limiting the melt and the crucible wall (Nikolaev A.V., Nikolaev A.A., Leontiev I.A. Patent of the Russian Federation for the invention No. 2355549, 2006).

Известны способы и устройства, в которых энергия в расплав оксидного сырья вводится посредством дуги постоянного тока (Книсс В.А., Казаков П.В., Жуков В.П., Набойченко С.С.«Восстановительная электроплавка оксида кобальта в печи постоянного тока», Цветная металлургия, 2004, №2, с.8-11) и дуг переменного тока (Резниченко В.А., Устинов B.C., Карязин И.А., Петрунько А.Н. «Электрометаллургия и химия титана», М., Наука, 1982, 278 с.; «Энциклопедический словарь по металлургии», т.2, Способ Ремина, М., «Интермет Инжиниринг», 2000, 414 с.).Known methods and devices in which energy is introduced into the melt of oxide raw materials by means of a direct current arc (Kniss V.A., Kazakov P.V., Zhukov V.P., Naboyuchenko S.S. “Reducing electrofusion of cobalt oxide in a direct current furnace ", Non-ferrous metallurgy, 2004, No. 2, pp. 8-11) and alternating current arcs (Reznichenko VA, Ustinov BC, Karyazin IA, Petrunko AN" Electrometallurgy and chemistry of titanium ", M. , Science, 1982, 278 pp .; “Encyclopedic Dictionary of Metallurgy”, v.2, Remin Method, M., Intermet Engineering, 2000, 414 pp.).

Известны также способы и устройства (Цветков Ю.В., Николаев А.В. «Плазменные процессы в составе энергометаллургического комплекса (некотрые проблемы металлургии будущего)», Ресурсы. Технологии. Экономика, 2006, №3, с.36-42), в которых энергия в расплав вводится посредством плазменной конической дуги или несколькими плазмотронами, установленными в ряд над общей ванной.There are also known methods and devices (Tsvetkov Yu.V., Nikolaev A.V. “Plasma processes as part of the energy metallurgical complex (some problems of the metallurgy of the future)”, Resources. Technologies. Economics, 2006, No. 3, p. 36-42), in which energy is introduced into the melt by means of a plasma conical arc or by several plasma torches installed in a row above a common bath.

Известные способы и устройства жидкофазного углетермического восстановления железа с использованием дугового нагрева шихты, состоящей из оксидного сырья и углерода, находящейся в тигле электрической печи, имеют следующие недостатки:Known methods and devices for liquid-phase carbon thermal reduction of iron using arc heating of a mixture consisting of oxide raw materials and carbon located in the crucible of an electric furnace have the following disadvantages:

1. Электродуговые жидкофазные углетермические восстановительные печи имеют высокие удельные энергозатраты при получении полезного металлопродукта - железа и шлака, что обусловлено низкой скоростью восстановительного процесса (например, Резниченко В.А., Устинов B.C., Карязин И.А., Петрунько А.Н. «Электрометаллургия и химия титана», М., Наука, 1982, 278 с.). При низкой скорости восстановления существенно возрастают тепловые потери в тигель, с излучением дуги, в электрод и пр. Низкая скорость восстановления железа в электрических печах - вынужденная мера, вызванная необходимостью уменьшения вспенивания и разбрызгивания расплава. Скорость восстановления снижают различными методами, в том числе посредством укрупнения частиц углеродного восстановителя. Высокоскоростное менее энергоемкое жидкофазное восстановление с использованием мелкодисперсных частиц углерода (≈1 мм и меньше), обладающих большой реакционной поверхностью, на практике реализовать не удается, т.к. при высокой объемной скорости восстановления происходит недопустимое вспенивание и разбрызгивание расплава (например, неудавшийся способ Ремина, см. «Энциклопедический словарь по металлургии», т.2, Способ Ремина, М., «Интермет Инжиниринг», 2000, 414 с.).1. Electric-arc liquid-phase coal-thermal reduction furnaces have high specific energy consumption for obtaining a useful metal product - iron and slag, which is due to the low speed of the recovery process (for example, Reznichenko VA, Ustinov BC, Karyazin IA, Petrunko AN " Electrometallurgy and chemistry of titanium ”, M., Nauka, 1982, 278 pp.). At a low recovery rate, the heat losses to the crucible, with arc radiation, to the electrode, etc. increase significantly. The low rate of reduction of iron in electric furnaces is a necessary measure due to the need to reduce foaming and spraying of the melt. The reduction rate is reduced by various methods, including by enlarging the particles of a carbon reducing agent. High-speed, less energy-intensive liquid-phase reduction using finely dispersed carbon particles (≈1 mm or less) with a large reaction surface cannot be realized in practice, because at a high volumetric recovery rate, unacceptable foaming and spraying of the melt occurs (for example, the failed Remin method, see "The Encyclopedic Dictionary of Metallurgy", vol. 2, Remin Method, M., Intermet Engineering, 2000, 414 pp.).

2. Металлопродуктом жидкофазных электрических печей при углетермическом восстановлении железа являются слитки металла, ферросплавов и шлака. Однако в ряде случаев металлопродукт целесообразно иметь в виде порошка или гранул. Например, полученное в процессе восстановления титаномагнетита железо, содержащее значительные количества титана и ванадия и используемое в последующих металлургических переделах как лигатура, желательно иметь в виде гранул. Титаносодержащий шлак, используемый в химической технологии для получения титана, также предпочтительнее иметь в виде порошка или гранул. Известные электродуговые способы и устройства жидкофазного углетермического восстановления железа (например, описанные в работах «Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева». Под ред. Свенчанского А.Д., М., Энергоиздат, 1981, 296 с.; «Физика и химия плазменных металлургических процессов». Под редакцией Патона Б.Е., М., Наука, 1985, 184 с., Тулин Н.А., Кудрявцев B.C., Пчелкин С.А. и др. «Развитие бескоксовой металлургии», М., Металлургия, 1987, 328 с.; Блинов В.А., Конкс Г.Я., Косач Ю.Э. и др. «Восстановление монооксида никеля природным газом при электродуговой плавке», Физика и химия обработки материалов, 1988, №6, с.30-33; Цветков Ю.В., Николаев А.В. «Плазменные процессы в составе энергометаллургического комплекса (некоторые проблемы металлургии будущего)», Ресурсы. Технологии. Экономика, 2006, №3, с.36-42; Резниченко В.А., Устинов B.C., Карязин И.А., Петрунько А.Н. «Электрометаллургия и химия титана», М., Наука, 1982, 278 с; Книсс В.А., Казаков П.В., Жуков В.П., Набойченко С.С.«Восстановительная электроплавка оксида кобальта в печи постоянного тока», Цветная металлургия, 2004, №2, с.8-11; патенте RU №2335549 C2, 11.10.2006, Николаева А.В., Николаева А.А., Леонтьева И.А.) не позволяют получать металлопродукт в виде порошка и гранул непосредственно в процессе восстановления, что является их недостатком.2. The metal product of liquid-phase electric furnaces during coal-thermal reduction of iron are ingots of metal, ferroalloys and slag. However, in some cases, it is advisable to have a metal product in the form of powder or granules. For example, iron obtained in the process of titanomagnetite reduction, containing significant amounts of titanium and vanadium and used as a master alloy in subsequent metallurgical processes, it is desirable to have in the form of granules. The titanium-containing slag used in chemical technology to produce titanium is also preferably in the form of a powder or granules. Known electric arc methods and devices for liquid-phase carbon thermal reduction of iron (for example, those described in the works “Industrial electric furnaces. Arc furnaces and special heating installations.” Edited by A. Svenchansky, M., Energoizdat, 1981, 296 p .; “Physics and chemistry of plasma metallurgical processes. ”Edited by Paton B.E., M., Nauka, 1985, 184 pp., Tulin N.A., Kudryavtsev BC, Pchelkin S.A. et al.“ Development of non-coke metallurgy ”, M ., Metallurgy, 1987, 328 pp .; Blinov V.A., Konks G.Ya., Kosach Yu.E. et al. "Recovery of nickel monoxide pri gas during electric arc smelting ”, Physics and Chemistry of Material Processing, 1988, No. 6, pp. 30-33; Tsvetkov Yu.V., Nikolaev AV“ Plasma processes as part of the energy metallurgical complex (some problems of the metallurgy of the future) ”, Resources, Technologies, Economics, 2006, No. 3, pp. 36-42; Reznichenko VA, Ustinov BC, Karyazin IA, Petrunko AN "Electrometallurgy and Chemistry of Titanium", M., Nauka, 1982 , 278 p .; Kniss V.A., Kazakov P.V., Zhukov V.P., Naboychenko S.S. “Reducing electric melting of cobalt oxide in a direct current furnace”, Non-ferrous metallurgy, 2004, No. 2, p.8- eleven; patent RU №2335549 C2, 10/11/2006, Nikolaev A.V., Nikolaev A.A., Leontiev I.A.) do not allow to obtain a metal product in the form of powder and granules directly in the recovery process, which is their disadvantage.

Таким образом, при создании электродуговых жидкофазных углетермических агрегатов для восстановления железа из титаномагнетита вышеизложенные недостатки рассмотренных известных способов и устройств не позволяют снизить энергоемкость и улучшить экологические показатели восстановления и не имеют возможности одностадийно получать металлопродукт в виде порошка и гранул.Thus, when creating electric arc liquid-phase coal-thermal aggregates for the reduction of iron from titanomagnetite, the above-mentioned disadvantages of the known methods and devices considered do not allow reducing the energy consumption and improving the environmental recovery indices and are not able to obtain the metal product in the form of powder and granules in a single stage.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ ввода шихты, состоящей из оксидного сырья и восстановителя, в плазменно-дуговую печь для прямого восстановления металлов, описанный в патенте РФ Николаева А.В., Николаева А.А., Леонтьева И.А. №2335549, 2006, включающей возбуждение электрической дуги на расплав, находящийся в тигле, подачу шихты в расплав ниже уровня зеркала ванны, нагрев и плавление шихты, восстановление металла, слив расплава в металлоприемник, отвод газа.The prototype of the invention is a method of introducing a mixture consisting of oxide raw materials and a reducing agent into a plasma-arc furnace for direct reduction of metals described in the patent of the Russian Federation Nikolayev A.V., Nikolaev A.A., Leontiev I.A. No. 23355549, 2006, including the excitation of an electric arc to a melt located in the crucible, feeding the mixture into the melt below the level of the bath mirror, heating and melting the mixture, metal reduction, draining the melt into the metal receiver, and gas removal.

Недостатком этого способа производства железа и шлака является то, что способ не обеспечивает восстановление железа с экстремально высокой скоростью, позволяющей снизить энергоемкость процесса, и не производит металлопродукт в виде порошка и гранул.The disadvantage of this method of producing iron and slag is that the method does not provide iron recovery with an extremely high speed, which allows to reduce the energy intensity of the process, and does not produce metal products in the form of powder and granules.

Прототипом для осуществления предлагаемого способа является устройство ввода шихты в плазменно-дуговую печь прямого восстановления металлов из оксидного расплава, описанное в том же патенте РФ Николаева А.В., Николаева А.А., Леонтьева И.А. №2335549, 2006, включающее металлический тигель с расплавом и отверстием в донной части для подачи в расплав шихты, электрод, расположенный над расплавом, электрическую дугу, горящую между электродом и расплавом, средства для подачи в расплав шихты ниже уровня зеркала ванны, соленоид, создающий аксиальное магнитное поле, механизм для перемещения электрода, средства для сбора металлопродукта, газопровод для отвода газа, источник электрического питания дуги, подключенный к электроду и тиглю.The prototype for the implementation of the proposed method is a device for introducing a charge into a plasma-arc furnace of direct reduction of metals from oxide melt, described in the same patent of the Russian Federation Nikolaev A.V., Nikolaev A.A., Leontiev I.A. No. 2353549, 2006, comprising a metal crucible with a melt and an opening in the bottom for feeding the mixture into the melt, an electrode located above the melt, an electric arc burning between the electrode and the melt, means for feeding the mixture into the melt below the level of the bath mirror, a solenoid creating axial magnetic field, mechanism for moving the electrode, means for collecting metal product, gas pipeline for gas removal, electric arc power source connected to the electrode and crucible.

Недостатком этого устройства производства железа и шлака является то, что устройство не позволяет производить процесс восстановления с экстремально высокой скоростью, позволяющей снизить энергоемкость восстановления железа, и получать металлопродукт в виде порошка и гранул.The disadvantage of this device for the production of iron and slag is that the device does not allow the recovery process to be performed at an extremely high speed, which reduces the energy intensity of iron reduction and to obtain the metal product in the form of powder and granules.

Задача, на решение которой направлено наше изобретение, заключается в создании способа электродугового углетермического восстановления железа из титаномагнетита и устройства для его осуществления, позволяющих уменьшить энергоемкость, улучшить экологические показатели восстановительного процесса и получать металлопродукт в виде порошка и гранул непосредственно в процессе восстановления.The problem to which our invention is directed is to create a method for electric arc carbon-thermal reduction of iron from titanomagnetite and a device for its implementation, which can reduce energy intensity, improve the environmental performance of the recovery process and obtain a metal product in the form of powder and granules directly in the recovery process.

Техническим результатом изобретения являются экстремально высокая скорость восстановления железа из оксидного расплава титаномагнетита при использовании в качестве восстановителя дисперсного углерода, высокоскоростное выделение газа из расплава, диспергирование этим газом продуктов восстановления с образованием частиц металла и шлака, вынос выделяющимся из расплава газом частиц металла и шлака из тигля и транспорт их в виде порошка и гранул в сборник металлопродукта.The technical result of the invention is an extremely high rate of reduction of iron from titanium magnetite oxide melt when using dispersed carbon as a reducing agent, high-speed gas evolution from the melt, dispersion of the reduction products by this gas to form metal particles and slag, removal of metal particles and slag from the crucible from the melt and transporting them in the form of powder and granules to a metal product collection.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения металлопродукта в виде порошка и гранул электродуговым углетермическим восстановлением железа из титаномагнетита, включающем возбуждение электрической дуги между электродом и расплавом, находящимся в охлаждаемом металлическом тигле, подачу в расплав ниже уровня зеркала ванны шихты из дисперсных оксидного сырья и углерода, плавление шихты, восстановление железа из оксидного расплава, электромагнитную стабилизацию дуги, отвод газа из реакционного объема, сбор полученного металла и шлака, согласно изобретению в расплав тигля подают шихту из смеси частиц титаномагнетита и углерода одинакового размера (диаметра) d_s, величина которого d_s<5 мм, продукты восстановления, включающие железо и шлак, диспергируются образующимся при восстановлении газом и транспортируются этим газом в виде порошка и гранул из тигля в сборник металлопродукта, при этом максимальный размер (диаметр) частиц получаемых порошка и гранул определяется из соотношения d_p=2,8·10^-8·(G_o ^0,5/d_s ^1,5) [м], где G_o- массовая скорость подачи титаномагнетита [кг/с], а d_s - размер частиц титаномагнетита и углерода [м].The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for producing a metal product in the form of powder and granules by electric arc carbon-thermal reduction of iron from titanomagnetite, which includes the excitation of an electric arc between the electrode and the melt located in the cooled metal crucible, feeding the charge from the dispersed oxide raw materials into the melt below the mirror level of the bathtub and carbon, charge melting, reduction of iron from oxide melt, electromagnetic stabilization of the arc, gas removal from the reaction volume, failure p of the obtained metal and slag, according to the invention, a mixture is fed into the crucible melt from a mixture of particles of titanomagnetite and carbon of the same size (diameter) d _s , the value of which d _s <5 mm, the reduction products, including iron and slag, are dispersed by the gas formed during reduction and transported this gas in the form of powder and granules from the crucible to the metal product collector, while the maximum size (diameter) of the particles of the obtained powder and granules is determined from the ratio d _p = 2,8 · 10 ^-8 · (G _o ^0,5 / d _s ^{1, 5} ) [m], where G _o is the mass feed rate of titus nomagnetite [kg / s], and d _s is the particle size of titanomagnetite and carbon [m].

Устройство для осуществления способа получения металлопродукта в виде порошка и гранул электродуговым углетермическим восстановлением железа из титаномагнетита, включающее камеру, расположенный в ней металлический тигель с расплавом и отверстием в донной части для подачи в расплав шихты, электрод, расположенный над расплавом, электрическую дугу, горящую между электродом и расплавом, соленоид, создающий аксиальное магнитное поле для стабилизации дуги, механизм для перемещения электрода, средства для подачи в расплав дисперсных оксидного сырья и углерода ниже уровня зеркала ванны, сборник металлопродукта, газопровод для отвода из камеры газа, источник электрического питания дуги, подключенный к электроду и тиглю, согласно изобретению продукты восстановления, включающие частицы железа и шлака, образованные в тигле над зеркалом ванны исходящим из расплава газом, в виде порошка и гранул транспортируются этим газом из тигля через зазор между стенками камеры и тиглем по коническому трубопроводу в сборник металлопродукта, при этом диаметр камеры определяют из соотношения D=1,4D_n, где D_n - внешний диаметр тигля, равный D_n=1,2D_b, a D_b - внутренний диаметр тигля, который определяют по формуле D_b=7,6 (G_od_s)^0,4 [м], где G_o - массовая скорость подачи титаномагнетита, d_s - размер одинаковых частиц титаномагнетита и углерода (d_s<5 мм) шихты, подаваемой в расплав через аксиальное отверстие в донной части тигля диаметром d=D_b/3.A device for implementing a method for producing a metal product in the form of powder and granules by electric arc coal-thermal reduction of iron from titanomagnetite, including a chamber, a metal crucible with a melt and an opening in the bottom for feeding a charge into the melt, an electrode located above the melt, an electric arc burning between an electrode and a melt, a solenoid creating an axial magnetic field to stabilize the arc, a mechanism for moving the electrode, means for feeding dispersed oxide into the melt of raw materials and carbon below the level of the bath mirror, a metal product collector, a gas pipeline for exhausting the gas chamber, an electric arc supply connected to the electrode and the crucible, according to the invention, reduction products comprising iron and slag particles formed in the crucible above the bath mirror emanating from the melt gas, in the form of powder and granules are transported by this gas from the crucible through the gap between the walls of the chamber and the crucible through a conical pipe into the metal product collector, while the diameter of the chamber is determined from the ratio D = 1,4D _n, where D _n - crucible outer diameter equal to _{_{D n = 1,2D b, a D}} b - inner diameter of the crucible, which is determined according to the formula _{_{D b = 7,6 (G o d}} s) ^{0 4} [m], where G _o is the mass flow rate of titanomagnetite, d _s is the size of identical particles of titanomagnetite and carbon (d _s <5 mm) of the charge fed into the melt through an axial hole in the bottom of the crucible with a diameter d = D _b / 3.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Использование шихты, состоящей из мелкодисперсных частиц титаномагнетита и углерода, позволяет осуществлять жидкофазное электродуговое углетермическое восстановление железа с экстремально высокой скоростью. Образующиеся при восстановлении газы (СО и CO₂) приводят к «вскипанию» расплава и его диспергированию. Высокоскоростной поток газа, исходящий из расплава, выносит из тигля образовавшиеся над расплавом частицы железа и шлака и транспортирует их в виде порошка и гранул в сборник металлопродукта.The use of a mixture consisting of finely dispersed particles of titanomagnetite and carbon allows liquid-phase electric arc carbon-thermal reduction of iron with an extremely high speed. Gases formed during reduction (CO and CO ₂ ) lead to “boiling” of the melt and its dispersion. A high-speed gas stream emanating from the melt removes particles of iron and slag formed above the melt from the crucible and transports them in the form of powder and granules to the metal product collector.

Для осуществления стационарного жидкофазного углетермического восстановления железа необходимо, чтобы скорость плавления подаваемого в расплав частиц оксида не лимитировала процесс восстановления, т.е. скорость плавления оксидного сырья должна быть меньше (примерно на порядок) скорости его восстановления. Из работы А.А. Николаева, Д.Е. Кирпичева, А.В. Николаева, Ю.В. Цветкова «Расчет энерготехнологических параметров плазменного жидкофазного восстановительного реактора», Физика и химия обработки материалов, 2010, №6, с.30-37 следует, что время химического взаимодействия частицы углерода, характеризующее скорость восстановления оксидного расплава, выражается формулой τ=Rγ_с/αω. В работе А.В. Николаева «Плазменно-дуговой нагрев вещества», Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов, М., Наука, с.243 показано, что время плавления подаваемых в расплав частиц оксида составляет t_b≈3Т=c_oγ_oR²/λ_ol. Таким образом, для стационарного жидкофазного восстановительного процесса необходимо, чтобы t_b<<τ. Это условие при одинаковом размере (диаметре) частиц титаномагнетита и углерода выполняется при d_s<γ_cλ_ol/10αωγ_oc_o. Здесь R - радиус частиц шихты, γ_с - плотность углерода, α - отношение массовых расходов углерода и производимого железа, ω - скорость прямого восстановления титаномагнетита углеродом, Т - постоянная времени нагрева частицы титаномагнетита до температуры плавления, c_o - теплоемкость и γ_о - плотность титаномагнетита, λ_ol - теплопроводность расплава титаномагнетита, в который подается шихта.To carry out a stationary liquid-phase coal-thermal reduction of iron, it is necessary that the melting rate of the oxide particles supplied to the melt does not limit the reduction process, i.e. the melting rate of oxide raw materials should be less (about an order of magnitude) than the rate of its reduction. From the work of A.A. Nikolaev, D.E. Kirpicheva, A.V. Nikolaev, Yu.V. Tsvetkova “Calculation of the energy-technological parameters of a plasma liquid-phase reduction reactor”, Physics and Chemistry of Materials Processing, 2010, No. 6, pp. 30-37, shows that the time of chemical interaction of a carbon particle, characterizing the rate of reduction of an oxide melt, is expressed by the formula τ = Rγ _c / αω . In the work of A.V. Nikolaev "Plasma-arc heating of matter", Plasma processes in metallurgy and technology of inorganic materials, M., Nauka, p. 243 shows that the melting time of oxide particles supplied to the melt is t _b ≈3T = c _o γ _o R ² / λ _ol . Thus, for a stationary liquid-phase recovery process, it is necessary that t _b << τ. This condition, with the same size (diameter) of the particles of titanomagnetite and carbon, is fulfilled for d _s <γ _c λ _ol / 10αωγ _o c _o . Here R is the radius of the charge particles, γ _c is the carbon density, α is the ratio of the mass flow rates of carbon and the produced iron, ω is the direct reduction rate of titanomagnetite with carbon, T is the time constant for heating the titanomagnetite particle to the melting temperature, c _o is the heat capacity and γ _o - density of titanomagnetite, λ _ol - thermal conductivity of the melt of titanomagnetite, into which the charge is fed.

Верхний предел размера частиц титаномагнетита, при котором их плавления не лимитирует процесс восстановления железа, составляет d_s<8 мм. В дальнейшем принято d_s<5 мм.The upper limit of the particle size of titanomagnetite, at which their melting does not limit the iron reduction process, is d _s <8 mm. Subsequently, d _s <5 mm was adopted.

При отклонении размера частиц шихты от d_s в сторону увеличения скорость плавления титаномагнетита уменьшится. В этом случае появляется вероятность неполного проплавления шихты и замещения оксидного расплава твердыми частицами титаномагнетита, что приведет к прекращению жидкофазного восстановительного процесса. При отклонении размера частиц титаномагнетита от d_s в сторону его уменьшения скорость плавления оксида возрастет. При этом жидкофазный восстановительный процесс не нарушится. Однако это приведет к технологически неэффективному расходу энергии на дополнительное измельчение оксидного сырья.If the particle size of the charge deviates from d _s in the direction of increase, the melting rate of titanomagnetite will decrease. In this case, the probability of incomplete penetration of the charge and the replacement of the oxide melt with solid particles of titanomagnetite appears, which will lead to the cessation of the liquid-phase reduction process. If the particle size of titanomagnetite deviates from d _s in the direction of its decrease, the melting rate of the oxide will increase. In this case, the liquid-phase recovery process will not be disturbed. However, this will lead to technologically inefficient energy consumption for additional grinding of oxide raw materials.

В работе А.А. Николаева, Д.Е. Кирпичева, А.В. Николаева, Ю.В. Цветкова «Расчет энерготехнологических параметров плазменного жидкофазного восстановительного реактора», Физика и химия обработки материалов, №6, 2010, с.30-37 показано, что объемная скорость жидкофазного восстановления изменяется обратно пропорционально размеру частиц восстановителя. С уменьшением размера частиц углерода d_c скорость восстановления железа возрастает. Так, при размере частиц углерода 5 мм скорость восстановления железа из оксидного расплава равна 11 кг/м³с, а при размере частиц 50 мкм - 1080 кг/м³с, т.е. в 100 раз больше. При этом скорость выделения газа из расплава возрастает также в 100 раз. При этом отношение массовой скорости генерации газа к массовой скорости образования железа равно 0,75, т.е. при восстановлении 1 кг железа выделяется 0,75 кг или около 4 м³ газа.In the work of A.A. Nikolaev, D.E. Kirpicheva, A.V. Nikolaev, Yu.V. Tsvetkova “Calculation of the energy-technological parameters of a plasma liquid-phase reduction reactor”, Physics and Chemistry of Materials Processing, No. 6, 2010, p.30-37, shows that the volumetric rate of liquid-phase reduction varies inversely with the particle size of the reducing agent. As the carbon particle size d _c decreases, the rate of iron reduction increases. So, with a carbon particle size of 5 mm, the rate of reduction of iron from the oxide melt is 11 kg / m ³ s, and with a particle size of 50 μm, 1080 kg / m ³ s, i.e. 100 times more. In this case, the rate of gas evolution from the melt also increases 100 times. The ratio of the mass rate of gas generation to the mass rate of iron production is 0.75, i.e. when recovering 1 kg of iron, 0.75 kg or about 4 m ^{3 of} gas is released.

При использовании мелкодисперсного углерода и соблюдении условия d_c=d_o=d_s<5 мм, например, при d_s=1 мм в результате высокой объемной скорости восстановления железа произойдет «вскипание» и диспергирование расплава с образованием над его поверхностью продуктов восстановления в виде мелкодисперсных частиц. Образовавшиеся частицы будут выноситься из тигля исходящим из расплава газом, когда газодинамическая сила, действующая на них, будет превосходить их вес. Совместным решением уравнения газодинамики и уравнений, описывающих химические процессы объемного восстановления железа из оксидного расплава, приведенных в работе А.А. Николаева, Д.Е. Кирпичева, А.В. Николаева, Ю.В. Цветкова «Расчет энерготехнологических параметров плазменного жидкофазного восстановительного реактора», Физика и химия обработки материалов, №6, 2010, с.30-37, получено выражение, позволяющее определить наибольший размер выносимых из тигля частиц d_p в зависимости от скорости подачи титаномагнетита, G_o и размера его частиц и углерода, d_s: d_p≤2,8·10^-8·(G_o ^0,5/d_s ^1,5).When using finely dispersed carbon and observing the condition d _c = d _o = d _s <5 mm, for example, when d _s = 1 mm, as a result of the high volumetric rate of iron reduction, “boiling” and dispersion of the melt will occur with the formation of reduction products over its surface in the form fine particles. The resulting particles will be carried out of the crucible by the gas exiting from the melt when the gas-dynamic force acting on them exceeds their weight. By a joint solution of the gas dynamics equation and the equations describing the chemical processes of volumetric reduction of iron from an oxide melt, given by A.A. Nikolaev, D.E. Kirpicheva, A.V. Nikolaev, Yu.V. Tsvetkova “Calculation of the energy-technological parameters of a plasma liquid-phase reduction reactor”, Physics and Chemistry of Materials Processing, No. 6, 2010, p.30-37, an expression is obtained that allows to determine the largest particle size taken out from the crucible d _p depending on the feed rate of titanomagnetite, G _o and particle size and carbon, d _s : d _p ≤2.8 · 10 ^-8 · (G _o ^0.5 / d _s ^1.5 ).

Таким образом, для осуществления стационарного процесса жидкофазного углетермического восстановления железа из титаномагнетита с получением металлопродукта в виде порошка и гранул необходимо, чтобы скорость плавления титаномагнетита была много меньше скорости восстановления железа. Это условие выполняется для одинакового размера частиц шихты - титаномагнетита и углерода при d_s<5 мм. Размер получаемых частиц порошка и гранул при этом определяют из формулы, отражающей зависимость размера получаемых частиц от скорости подачи титаномагнетита и размера частиц шихты (титаномагнетита и углерода), обеспечивающих необходимые скорость плавления титаномагнетита и скорость газового потока, исходящего из тигля.Thus, in order to carry out a stationary process of liquid-phase carbon-thermal reduction of iron from titanomagnetite to obtain a metal product in the form of powder and granules, it is necessary that the melting rate of titanomagnetite be much lower than the rate of iron reduction. This condition is fulfilled for the same particle size of the charge - titanomagnetite and carbon at d _s <5 mm. The size of the obtained powder particles and granules is determined from a formula that reflects the dependence of the size of the obtained particles on the feed rate of titanomagnetite and the particle size of the charge (titanomagnetite and carbon), providing the necessary melting speed of titanomagnetite and the gas flow rate coming from the crucible.

Приводится схема конструктивного исполнения устройства, позволяющего реализовать предложенный способ электродугового углетермического восстановления железа из титаномагнетита с получением металлопродукта в виде порошка и гранул. Конструкция устройства обеспечивает восстановление железа, диспергирование продуктов восстановления выделяющимся газом с образованием частиц железа и шлака, охлаждение и затвердевание этих частиц и их газодинамический транспорт в виде порошка и гранул в сборник металлопродукта. Приведены формулы для определения основных конструктивных размеров устройства: внутреннего и внешнего диаметра тигля, диаметра камеры и диаметра отверстия в донной части тигля для подачи шихты в расплав.A design diagram of the device is presented, which allows to implement the proposed method of electric arc coal-thermal reduction of iron from titanomagnetite to obtain a metal product in the form of powder and granules. The design of the device ensures the reduction of iron, dispersion of the reduction products by the liberated gas with the formation of iron and slag particles, cooling and solidification of these particles and their gas-dynamic transport in the form of powder and granules in a metal product collector. Formulas are given for determining the main structural dimensions of the device: the inner and outer diameter of the crucible, the diameter of the chamber, and the diameter of the hole in the bottom of the crucible for feeding the mixture into the melt.

Высокая скорость восстановления, полученная в результате развитой реакционной поверхности оксид - углерод, позволяет образовывать и транспортировать порошок и гранулы в металлоприемник. При высокой скорости восстановления снижаются тепловые потери и уменьшается энергоемкость процесса. Экологические показатели восстановления железа в предлагаемом изобретении также будут улучшены, так как при уменьшении энергоемкости снижаются вредные выбросы в атмосферу.The high reduction rate obtained as a result of the developed oxide - carbon reaction surface allows the formation and transportation of powder and granules to a metal receiver. At a high recovery rate, heat losses are reduced and the energy intensity of the process is reduced. Environmental indicators of iron recovery in the present invention will also be improved, since with a decrease in energy intensity, harmful emissions into the atmosphere are reduced.

Использование энергии образующегося при восстановлении газа для диспергирования продуктов восстановления с получением непосредственно в восстановительном процессе порошка и гранул расширяет технологические возможности восстановительного процесса и приводит к улучшению его технико-экономических и экологических показателей.Using the energy of gas generated during reduction to disperse reduction products to obtain powder and granules directly in the recovery process expands the technological capabilities of the recovery process and leads to an improvement in its technical, economic and environmental indicators.

Используемые термины и определенияTerms and definitions used

Продукты восстановления, металлопродукт - металлическое железо и шлак, во многих случаях содержащий ценные элементы и являющийся сырьем для их получения.Reduction products, metal product - metallic iron and slag, in many cases containing valuable elements and being the raw material for their production.

Оксидное сырье - минеральное или техногенное сырье на основе оксидов железа, в том числе железорудные концентраты.Oxide raw materials - mineral or technogenic raw materials based on iron oxides, including iron ore concentrates.

Титаномагнетит - титаномагнетитовый концентрат с содержанием оксидов железа 70-75 и оксидов титана 9-10 мас.%.Titanomagnetite is a titanomagnetite concentrate containing iron oxides 70-75 and titanium oxides 9-10 wt.%.

Шихта - перерабатываемое сырье, состоящее из смеси титаномагнетита и углерода.The mixture is a processed raw material consisting of a mixture of titanomagnetite and carbon.

Сборник металлопродукта - контейнер для продуктов восстановления.Metal product collection - a container for recovery products.

Электрическая дуга, дуговой разряд - газовый электрический разряд, характеризующийся низким напряжением 10-10³ В и большим током 10-10⁵ A.Electric arc, arc discharge - gas electric discharge characterized by a low voltage of 10-10 ³ V and a high current of 10-10 ⁵ A.

Описание чертежейDescription of drawings

На фиг.1 представлен вертикальный разрез устройства для осуществления электродугового углетермического восстановления железа из титаномагнетита с получением металлопродукта в виде порошка и гранул. На фиг.2 представлено горизонтальное сечение устройства по А-А.Figure 1 shows a vertical section of a device for performing electric arc coal-thermal reduction of iron from titanomagnetite to obtain a metal product in the form of powder and granules. Figure 2 presents a horizontal section of the device along aa.

Устройство, представленное на фиг.1 и 2, включает цилиндрическую металлическую камеру 1, в которой соосно расположены металлический охлаждаемый тигель 2 с расплавом 3 и аксиальным отверстием в донной части для подачи в расплав шихты 4, состоящей из дисперсных титаномагнетита и углерода, электрод 5, расположенный в верхней части камеры над расплавом, электрическую дугу 6, горящую между электродом и расплавом, соленоид 7, размещенный на внешней стороне камеры, создающий аксиальное магнитное поле для пространственной стабилизации дугового разряда, механизм 8 для перемещения электрода, трубу 9 для подачи в расплав шихты при помощи механизма 10, конический газопровод 14 для отвода из камеры газа и транспорта порошка и гранул в сборник металлопродукта, фильтрующее устройство 12 с трубопроводом 16 для отвода из устройства отработавшего газа, сборник металлопродукта 13 с порошком и гранулами 11, источник электрического питания дуги 15, подключенный к электроду 5 и расплаву 3 через трубу 9 и тигель 2. Стрелками показано движение порошка, гранул и газа.The device shown in FIGS. 1 and 2 includes a cylindrical metal chamber 1, in which a metal cooled crucible 2 with a melt 3 and an axial hole in the bottom is coaxially arranged for feeding a mixture 4 consisting of dispersed titanomagnetite and carbon into the melt, electrode 5, located in the upper part of the chamber above the melt, an electric arc 6 burning between the electrode and the melt, a solenoid 7 located on the outside of the chamber, creating an axial magnetic field for spatial stabilization of the arc discharge yes, a mechanism 8 for moving the electrode, a pipe 9 for feeding the mixture into the melt using the mechanism 10, a conical gas pipe 14 for discharging gas from the chamber and transporting powder and granules to the metal product collector, a filter device 12 with a pipe 16 for discharging the exhaust gas from the device, a metal product collector 13 with powder and granules 11, an electric power source for the arc 15 connected to the electrode 5 and the melt 3 through the pipe 9 and the crucible 2. The arrows show the movement of the powder, granules and gas.

Устройство, представленное на фиг.1 и 2, функционирует следующим образом. Вначале в тигель 2 через шлюз (на фигурах не показан) загружают металлическую «затравку». Между «затравкой» и электродом 5 при включенном соленоиде 7 возбуждают дуговой разряд 6 и наводят «болото». После наведения «болота» по трубе 9 при помощи механизма 10 через отверстие в донной части тигля в центральную область расплава 3 непрерывно подают шихту 4. Шихту подают в виде сыпучей массы или компактной заготовки, состоящих из дисперсных титаномагнетита и углерода, размер частиц которых одинаков и меньше 5 мм. При использовании шихты с размером частиц титаномагнетита, превышающим размер частиц углерода, возникает вероятность неполного расплавления титаномагнетита и прекращения жидкофазного восстановительного процесса. Уменьшение размера частиц титаномагнетита относительно частиц углерода не повлияет на процесс восстановления, однако приведет к расходу энергии на излишнее измельчение оксидного сырья. При диаметре отверстия d=D_b/3 нагрев шихты наиболее эффективен. При d<D_b/3 не вся площадь теплового пятна дуги будет использоваться для нагрева шихты, при d>D_b/3 часть шихты будет попадать в пристеночную менее нагретую область расплава.The device shown in figures 1 and 2, operates as follows. Initially, the metal "seed" is loaded into the crucible 2 through a lock (not shown in the figures). Between the "seed" and the electrode 5 with the solenoid 7 turned on, an arc discharge 6 is excited and a "swamp" is induced. After the “swamp” is guided through the pipe 9 using the mechanism 10, a charge 4 is continuously fed through the hole in the bottom of the crucible to the central region of the melt 3. The charge is fed in the form of a loose mass or compact billet consisting of dispersed titanomagnetite and carbon, the particle size of which is the same and less than 5 mm. When using a charge with a particle size of titanomagnetite exceeding the particle size of carbon, there is a possibility of incomplete melting of titanomagnetite and termination of the liquid-phase reduction process. Reducing the particle size of titanomagnetite relative to carbon particles will not affect the recovery process, but will lead to energy consumption for excessive grinding of oxide raw materials. When the diameter of the hole d = D _b / 3, the heating of the mixture is most effective. At d <D _b / 3, not the entire area of the arc heat spot will be used to heat the charge; at d> D _b / 3, part of the charge will fall into the near-wall less heated region of the melt.

При плавлении титаномагнетита происходит высокоскоростное восстановление железа мелкодисперсным углеродом с интенсивным выделением газа. Расплав «вскипает» с образованием над зеркалом ванны мелкодисперсных продуктов восстановления - железа и шлака. Газ, исходящий из расплава, производит силовое газодинамическое воздействие на образовавшиеся частицы. При превышении газодинамической силы, действующей на частицы, над их весом последние выносятся из тигля в виде порошка и гранул. Выносимые газовым потоком порошок и гранулы через зазор между тиглем и стенками камеры по коническому газопроводу 14 поступают в фильтрующее устройство 12, например циклонный фильтр, в котором газ отделяется от порошка и гранул и отводится от устройства через трубу 16, а порошок и гранулы поступают в сборник металлопродукта 13.During melting of titanomagnetite, high-speed reduction of iron by finely dispersed carbon with intense gas evolution occurs. The melt “boils” with the formation of finely divided reduction products - iron and slag over the bathtub mirror. The gas emanating from the melt produces a gas-dynamic force on the particles formed. If the gas-dynamic force acting on the particles exceeds their weight, the particles are removed from the crucible in the form of powder and granules. Powder and granules carried out by the gas flow through the gap between the crucible and the chamber walls through a conical gas pipe 14 enter a filter device 12, for example, a cyclone filter, in which gas is separated from the powder and granules and removed from the device through a pipe 16, and the powder and granules enter the collector metal product 13.

Технологические параметры, при которых происходит превышение газодинамической силы над весом частицы, определяются из совместного решения уравнений газодинамики и химических процессов объемного восстановления железа из оксидного расплава. При заданных массовой скорости подачи титаномагнетита G_o и размере частиц шихты d_s(титаномагнетита и углерода) наибольший размер получаемых частиц порошка и гранул равен d_p=2,8·10^-8·(G_o ^0,5/d_s ^1,5). Как следует из приведенного выражения, при увеличении размера частиц шихты размер получаемых частиц порошка и гранул будет уменьшаться, а при уменьшении - размер получаемых частиц будет возрастать.The technological parameters at which the excess of the gas-dynamic force over the particle weight are determined from the joint solution of the equations of gas dynamics and the chemical processes of volume reduction of iron from an oxide melt. Given the mass flow rate of titanomagnetite G _o and the particle size of the charge d _s (titanomagnetite and carbon), the largest particle size of the obtained powder and granules is d _p = 2.8 · 10 ^-8 · (G _o ^0.5 / d _s ^1.5 ) As follows from the above expression, with increasing particle size of the mixture, the size of the obtained powder particles and granules will decrease, and with a decrease in the size of the resulting particles will increase.

Скорость подачи шихты и мощность дугового разряда устанавливают такими, чтобы расплав в тигле при производстве порошка и гранул оставался на заданном уровне. При снижении уровня расплава скорость подачи шихты следует увеличить, при повышении уровня расплава необходимо повысить мощность (ток) дуги, что приведет к возрастанию скорости химических реакций и более интенсивному уносу материала из тигля.The feed rate of the charge and the power of the arc discharge are set such that the melt in the crucible during the production of powder and granules remains at a given level. With a decrease in the level of the melt, the feed rate of the charge should be increased; with an increase in the level of the melt, it is necessary to increase the arc power (current), which will lead to an increase in the rate of chemical reactions and a more intensive ablation of material from the crucible.

Диаметр камеры определяется из условия равенства массовых скоростей газа в тигле и в зазоре между камерой и тиглем по соотношению D=1,4D_n, где D_n - внешний диаметр тигля. При диаметре камеры меньше 1,4D_n возникает вероятность налипания частиц порошка на камеру в результате чрезмерного ее приближения к «кипящему» расплаву, а при диаметре камеры больше 1,4D_n массовая скорость газа может быть недостаточной для эффективного транспорта порошка и гранул. Внешний диаметр тигля определяется как D_n=1,2D_b, где D_b - внутренний диаметр тигля, который рассчитывается по методике, изложенной в работе А.А. Николаева, Д.Е. Кирпичева, А.В. Николаева, Ю.В. Цветкова «Расчет энерготехнологических параметров плазменного жидкофазного восстановительного реактора», Физика и химия обработки материалов, №6, 2010, с.30-37: D_b=7,6 (G_od_s)^0,4, где G_o - массовая скорость подачи титаномагнетита, d_s - размер частиц шихты (титаномагнетита и углерода), Превышение внешнего диаметра тигля над размером 1,2D_b приведет к чрезмерному увеличению площади торца тигля и скапливанию на его поверхности порошка и гранул, а уменьшение внешнего диаметра меньше 1,2D_b усложнит систему охлаждения тигля.The diameter of the chamber is determined from the condition of equal mass velocities of gas in the crucible and in the gap between the chamber and the crucible by the ratio D = 1.4D _n , where D _n is the outer diameter of the crucible. When the diameter of the chamber is less than 1.4D _n, there is a likelihood of powder particles sticking to the chamber as a result of its excessive approximation to the "boiling" melt, and when the diameter of the chamber is greater than 1.4D _n, the gas mass velocity may be insufficient for the efficient transport of powder and granules. The outer diameter of the crucible is defined as D _n = 1,2D _b , where D _b is the inner diameter of the crucible, which is calculated according to the method described in A.A. Nikolaev, D.E. Kirpicheva, A.V. Nikolaev, Yu.V. Tsvetkova “Calculation of energy-technological parameters of a plasma liquid-phase reduction reactor”, Physics and Chemistry of Materials Processing, No. 6, 2010, pp. 30-37: D _b = 7.6 (G _o d _s ) ^0.4 , where G _o is the mass velocity supply of titanomagnetite, d _s is the particle size of the charge (titanomagnetite and carbon). Exceeding the external diameter of the crucible over the size of 1.2D _b will lead to an excessive increase in the area of the end of the crucible and the accumulation of powder and granules on its surface, and a decrease in the external diameter is less than 1.2D _b complicate the crucible cooling system.

Как было изложено выше, шихту 4 приготавливают из смеси частиц одинакового размера титаномагнетита и углерода. Массовое соотношение титаномагнетита и углерода устанавливают на основании термодинамического расчета из условия полного восстановления железа. Для титаномагнетита отношение массы оксидного сырья к массе углерода равно 5,8. Мощность дуги устанавливают такой, чтобы обеспечить тепловой поток в расплав, достаточный для непрерывного плавления титаномагнетита, восстановления железа и покрытия тепловых потерь в тигель с излучением зеркала ванны, в электрод и камеру. При восстановлении железа из титаномагнетита количество энергии, которое расходуется на плавление и восстановление железа, равно 7,9 МДж/кг восстановленного железа. Расчет энергетических потерь в восстановительном реакторе изложен в работе А.А.Николаева, Д.Е.Кирпичева, А.В.Николаева, Ю.В.Цветкова «Расчет энерготехнологических параметров плазменного жидкофазного восстановительного реактора», Физика и химия обработки материалов, №6, 2010, с.30-37.As described above, the mixture 4 is prepared from a mixture of particles of the same size of titanomagnetite and carbon. The mass ratio of titanomagnetite and carbon is established on the basis of thermodynamic calculation from the condition of complete reduction of iron. For titanomagnetite, the ratio of the mass of oxide feed to the mass of carbon is 5.8. The arc power is set so as to provide a heat flux into the melt sufficient for continuous melting of titanomagnetite, reduction of iron, and coating of heat losses in a crucible with radiation from a bath mirror, an electrode, and a chamber. When reducing iron from titanomagnetite, the amount of energy that is spent on melting and reducing iron is 7.9 MJ / kg of reduced iron. The calculation of energy losses in a reduction reactor is described in the work of A.A. Nikolayev, D.E. Kirpichev, A.V. Nikolayev, Yu.V. Tsvetkov "Calculation of the energy-technological parameters of a plasma liquid-phase reduction reactor", Physics and Chemistry of Material Processing, No. 6 , 2010, p. 30-37.

При заданных скорости восстановления железа из титаномагнетита C_m=120 кг/ч, что соответствует скорости подачи титаномагнетита G_o=211 кг/ч, и размере частиц углерода, входящего в состав шихты, равном d_c=d_s=1 мм, размер получаемых частиц порошка металлопродукта согласно вышеприведенной в предлагаемом изобретении расчетной формуле составляет d_p≤2,8·10^-8·(G_o ^0,5/d_s ^1,5)≤0,1 мм. Внутренний и внешний размеры тигля, определенные по формулам данного изобретения, соответственно равны D_b=190 мм и D_n=228 мм. Диаметр камеры в этом случае равен D=320 мм, а диаметр отверстия в донной части тигля равен 63 мм. При этом энергоемкость производства железа по электричеству согласно работе А.А.Николаева, Д.Е.Кирпичева, А.В.Николаева, Ю.В.Цветкова «Расчет энерготехнологических параметров плазменного жидкофазного восстановительного реактора», Физика и химия обработки материалов, №6, 2010, с.30-37 составляет Е_е=14,5 ГДж/т (энергоемкость производства чугуна в доменной печи равна 25-30 ГДж/т). Для этой же производительности энергоемкость, рассчитанная по данным вышеприведенной работы, но для d_c≥10 мм, имеет величину Е_е≥22,8 ГДж/т железа. Таким образом, производство металлопродукта в виде порошка и гранул за счет увеличения скорости восстановления посредством уменьшения размера частиц углерода, входящего в состав шихты, позволяет значительно (в 1,5-2 раза) снизить энергоемкость восстановления железа.For a given rate of reduction of iron from titanomagnetite C _m = 120 kg / h, which corresponds to a feed rate of titanomagnetite G _o = 211 kg / h, and the size of the carbon particles included in the mixture is d _c = d _s = 1 mm, the size obtained particles of metal product powder according to the calculation formula above in the present invention is d _p ≤2.8 · 10 ^-8 · (G _o ^0.5 / d _s ^1.5 ) ≤0.1 mm The internal and external dimensions of the crucible, determined by the formulas of this invention, are respectively equal to D _b = 190 mm and D _n = 228 mm The diameter of the chamber in this case is D = 320 mm, and the diameter of the hole in the bottom of the crucible is 63 mm. In this case, the energy intensity of iron production by electricity according to the work of A.A. Nikolayev, D.E. Kirpichev, A.V. Nikolayev, Yu.V. Tsvetkov "Calculation of energy-technological parameters of a plasma liquid-phase reduction reactor", Physics and Chemistry of Material Processing, No. 6 , 2010, pp. 30-37 is E _e = 14.5 GJ / t (energy consumption of pig iron production in a blast furnace is 25-30 GJ / t). For the same performance, the energy intensity calculated according to the above work, but for d _c ≥10 mm, has a value of E _e ≥22.8 GJ / t of iron. Thus, the production of metal products in the form of powder and granules by increasing the recovery rate by reducing the size of the carbon particles included in the charge, can significantly (1.5-2 times) reduce the energy consumption of iron reduction.

Необходимая мощность дугового разряда при тепловом КПД дуги 70% (70% энергии дуги передается расплаву) при скорости производства железа из титаномагнетита в виде порошка G_m=120 кг/час составляет Р_е=480 кВт.The necessary arc discharge power at a thermal arc efficiency of 70% (70% of the arc energy is transferred to the melt) at a rate of production of iron from titanomagnetite in the form of a powder G _m = 120 kg / h is P _e = 480 kW.

Устройство в зависимости от технологической задачи (дополнительное восстановление, легирование, рафинирование частиц металла, повышение эффективности выноса частиц из тигля) может функционировать также при использовании дополнительных плазмообразующих газов (природного газа, азота, водорода и др.), подаваемых в дуговой разряд в область тигля, например, через осевой канал в электроде или сопло плазмотрона.Depending on the technological task (additional reduction, alloying, refining of metal particles, increasing the efficiency of removal of particles from the crucible), the device can also function using additional plasma-forming gases (natural gas, nitrogen, hydrogen, etc.) supplied to the arc discharge into the crucible region , for example, through an axial channel in an electrode or a plasma torch nozzle.

Предлагаемое изобретение позволяет:The present invention allows:

1. Снизить удельные энергозатраты при восстановлении железа из титаномагнетита.1. To reduce the specific energy consumption during the reduction of iron from titanomagnetite.

2. Непосредственно при восстановлении железа из титаномагнетита получать металлопродукт - железо и шлак в виде порошка и гранул.2. Directly during the reduction of iron from titanomagnetite to obtain a metal product - iron and slag in the form of powder and granules.

3. Улучшить экологические показатели восстановления железа из Титаномагнетита.3. Improve the environmental performance of iron recovery from Titanomagnetite.

Изобретение может быть использовано на металлургических предприятиях для прямого восстановления железа с использованием дисперсных титаномагнетита и углерода, а также из оксидного сырья иного минералогического состава с получением порошка и гранул стали, в том числе природнолегированной, и шлака как сырья, например, для производства титана, ванадия и др. металлов.The invention can be used at metallurgical enterprises for direct reduction of iron using dispersed titanomagnetite and carbon, as well as from oxide raw materials of a different mineralogical composition to produce powder and granules of steel, including natural alloyed, and slag as a raw material, for example, for the production of titanium, vanadium and other metals.

Промышленная применимость изобретения определяется также широким использованием в промышленности отдельных элементов изобретения, как это следует из описания устройства для осуществления предлагаемого способа восстановления железа, но в других сочетаниях и с другими техническими результатами.The industrial applicability of the invention is also determined by the widespread use in industry of individual elements of the invention, as follows from the description of the device for implementing the proposed method for reducing iron, but in other combinations and with other technical results.

Claims

1. A method of producing a metal product in the form of a powder and granules by electric arc carbon-thermal reduction of iron from titanomagnetite, including the excitation of an electric arc between the electrode and the melt located in a cooled metal crucible, feeding the mixture of dispersed oxide raw materials and carbon into the melt below the bath mirror, melting the charge, reduction of iron from an oxide melt, electromagnetic stabilization of the arc, gas removal from the reaction volume, collection of the obtained metal and slag, characterized in that crucible lava serves a mixture of a mixture of particles of titanomagnetite and carbon of the same size d _s , the value of which d _s <5 mm, the reduction products, including iron and slag, are dispersed by the gas formed during reduction and transported by this gas in the form of powder and granules from the crucible to the metal product collector while the maximum particle size of the obtained powder and granules is determined from the ratio d _p = 2,8 · 10 ^-8 · (G _o ^0,5 / d _s ^1,5 ), where G _o - the mass flow rate of titanomagnetite, and d _s - particle size of titanomagnetite and carbon.

2. A device for producing a metal product in the form of a powder and granules by electric arc coal-thermal reduction of iron from titanomagnetite, containing a chamber, a metal crucible with a melt and an opening in the bottom for feeding the charge into the melt, an electrode located above the melt, an electric arc burning between electrode and melt, a solenoid creating an axial magnetic field to stabilize the arc, a mechanism for moving the electrode, means for feeding dispersed oxide raw materials and carbon into the melt below the level of the bathtub’s mirror, a metal product collector, a gas pipeline for exhausting the gas from the chamber, an arc electric power source connected to the electrode and the crucible, characterized in that the reduction products, including iron and slag particles, formed in the crucible above the bath’s mirror, gas emanating from the melt, in the form of powder and granules are transported by that gas from the crucible through the gap between the walls of the chamber and the crucible by conical metal products in the collection line, wherein the diameter of the chamber is determined from the relationship D = 1,4D _n, where D _n - are external crucible diameter equal to D _n = 1,2D _b, and D _b - inner diameter of the crucible, which is determined according to the formula _{_{D b = 7,6 (G o d}} s) 0,4, where G _o - mass feed rate titanomagnetite, d _s is the size of identical particles of titanomagnetite and carbon of the charge fed into the melt through an axial hole in the bottom of the crucible with a diameter d = D _b / 3.