СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА
MANUFACTURING METHOD OF GRANULATED METALLIC IRON

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу производства гранулированного металлического железа и, в частности, к способу производства гранулированного металлического железа путем нагрева смеси исходных материалов, включающей вещество, содержащее оксид железа, и углеродсодержащий восстановитель, в печи для термического восстановления для осуществления прямого восстановления.
Уровень техники
Процесс получения железа в шахтной печи используется, главным образом, как процесс производства железа из материала, содержащего оксид железа, такого как железная руда или оксид железа. В настоящее время разработан перспективный процесс получения железа в малых масштабах путем прямого восстановления, который подходит для производства небольших партий и продукции широкого диапазона.
В ходе процесса получения железа путем прямого восстановления сначала получают смесь исходных материалов, включающую материал, содержащий оксид железа, и углеродсодержащий восстановитель, такой как уголь или кокс (далее также называемый "углеродным материалом"), в качестве альтернативы - простую прессованную заготовку из смеси или прессованную заготовку из смеси, содержащую углеродный материал, причем прессованная заготовка, содержащая углеродный материал, имеет вид окатыша или брикета. Затем смесь исходных материалов размещают на поде печи для термического восстановления (печи для термического восстановления с движущимся подом, например, печи с вращающимся подом). Смесь нагревают за счет теплоты и теплового излучения от нагревательной горелки при одновременном перемещении этой смеси в печи, в результате чего оксид железа из смеси исходных материалов подвергаются прямому восстановлению под действием углеродсодержащего восстановителя с получением металлического железа (восстановленного железа). Восстановленное железо науглероживается и плавится. Затем восстановленное железо подвергается коалесценции в гранулы при одновременном отделении от шлака, образующегося как побочный продукт. Восстановленное железо охлаждается и затвердевает. Таким образом, получают гранулированное металлическое железо (восстановленное железо), см., например, Патентные документы 1-3).
Для процесса получения железа путем прямого восстановления не требуется больших установок, таких как шахтная печь, и этот процесс интенсивно исследуют, чтобы обеспечить его практическое использование. Однако, чтобы реализовать его в промышленном масштабе, необходимо решить множество проблем, связанных с качеством, производительностью, стабильностью функционирования, стоимостью, безопасностью и т.п., при производстве гранулированного металлического железа (продукта).
Одной из задач является предотвращение неизбежного загрязнения серой из угля, имеющего высокое содержание серы, в случае, если используется уголь, являющийся наиболее распространенным материалом - углеродсодержащим восстановителем.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что при термическом восстановлении смеси исходных материалов, включающей уголь в качестве углеродсодержащего восстановителя, приблизительно 70% или более массовых процентов серы, содержащейся в угле, переходит в гранулированное металлическое железо, полученное путем термического восстановления. В некоторых случаях содержание серы в гранулированном металлическом железе (далее содержание серы в гранулированном металлическом железе также обозначается как [S], а содержание серы в шлаке обозначается как (S)) достигает 0,1 массового процента или более и 0,2 массового процента или более, в зависимости от используемого сорта угля (далее содержание в массовых процентах сокращенно также обозначается %). Если металлическое железо имеет столь высокое содержание серы, ценность продукции существенно снижается и, кроме того, существенно ограничивается его область применения. В случае, если гранулированное металлическое железо, произведенное при помощи процесса получения железа путем прямого восстановления, направляется в существующие установки для получения стали, такие как электропечи и конвертеры, и используется в качестве источника железа, содержание серы в гранулированном металлическом железе желательно снижать до минимума.
2
2
2
2
2
2
2
2
В качестве способа снижения содержания серы в гранулированном металлическом железе, произведенном при помощи процесса получения железа путем прямого восстановления, в Патентном документе 4 описано управление основностью ((CaO)/(SiO), определяемой, исходя из содержания CaO и SiO в шлаке, являющемся побочным продуктом, образующимся при плавлении металлического железа, где (CaO) и (SiO) представляют собой содержание, соответственно, CaO и SiO в шлаке. Кроме того, в Патентном документе 5 указано, что основность (([CaO]+[MgO])/[SiO]) шлакообразующего компонента, вычисленную, исходя из содержания CaO, содержания MgO и содержания SiO в смеси исходных материалов, задают в диапазоне от 1,3 до 2,3, и что подходящим образом управляют содержанием MgO в шлакообразующем компоненте, где [CaO], [MgO] и [SiO] представляют собой содержание, соответственно, CaO, MgO и SiO в смеси исходных материалов.
2
2
В Патентном документе 5 также указано следующее: (I) основность (((CaO)+(MgO))/(SiO)) получающегося в результате шлака, составляющая 1,7 или более, по мере ее увеличения приводит к снижению текучести, таким образом, существенно снижая способность к коалесценции мелких частиц восстановленного железа, образовавшихся при восстановлении материала, содержащего оксид железа, в смеси исходных материалов; (II) невозможно в процессе производства стабильным образом обеспечить высокий выход металлического железа с большим размером зерна из-за снижения способности к коалесценции; (III) для повышения упомянутого выхода достаточно добавить материал, содержащий CaF (например, плавиковый шпат), здесь (MgO) представляет собой содержание MgO в шлаке.
Патентный документ 1: Нерассмотренная заявка на японский патент № 2-228411.
Патентный документ 2: Нерассмотренная заявка на японский патент № 2001-279313.
Патентный документ 3: Нерассмотренная заявка на японский патент № 2001-247920.
Патентный документ 4: Нерассмотренная заявка на японский патент № 2001-279315.
Патентный документ 5: Нерассмотренная заявка на японский патент № 2004-285399.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение создано с учетом приведенных выше обстоятельств. Задачей настоящего изобретения является создание характеризующегося хорошей производительностью способ производства гранулированного металлического железа, имеющего низкое содержание серы, причем этот способ отличается от способов, описанных выше. Другой задачей настоящего изобретения является обеспечить получение шлака как побочного продукта, образующегося при выполнении упомянутого способа производства.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения, способ производства гранулированного металлического железа включает следующие этапы, на которых:
загружают смесь исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель и соединение щелочного металла, в печь для термического восстановления, нагревают упомянутую смесь исходных материалов и восстанавливают оксид железа, находящийся в упомянутом материале, содержащем оксид железа, при помощи углеродсодержащего восстановителя с получением металлического железа и шлака в качестве побочного продукта, обеспечивают коалесценцию металлического железа в гранулы при одновременном отделении металлического железа от шлака, и охлаждают металлическое железо и позволяют ему затвердеть,
2
2
2
2
причем упомянутая смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg, Si и щелочной металл как составляющие элементы таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO, SiO и оксид щелочного металла, а оксид щелочного металла представлял собой, по меньшей мере, один оксид, выбранный из LiO, NaO и KO,
оксид щелочного металла удовлетворял, по меньшей мере, одному из приведенных ниже выражений (1)-(3), и основность шлака удовлетворяла приведенному ниже выражению (4):
2
(LiO)≥0,03(1)
2
(NaO)≥0,10(2)
2
(KO)≥0,10(3)
2
1,3≤((CaO)+(MgO))/(SiO)≤2,3(4),
2
2
2
2
2
2
2
2
где в выражениях (1)-(4) (LiO), (NaO), (KO), (CaO), (MgO) и (SiO) представляют собой доли (в массовых процентах) LiO, NaO, KO, CaO, MgO и SiO в шлаке, соответственно.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, способ производства гранулированного металлического железа включает следующие этапы, на которых
загружают соединение щелочного металла и смесь исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа и углеродсодержащий восстановитель, в печь для термического восстановления, нагревают упомянутую смесь исходных материалов и восстанавливают оксид железа, находящийся в упомянутом материале, содержащем оксид железа, при помощи углеродсодержащего восстановителя с получением металлического железа и шлака в качестве побочного продукта, обеспечивают коалесценцию металлического железа в гранулы при одновременном отделении металлического железа от шлака, и охлаждают металлическое железо и позволяют ему затвердеть,
2
2
2
2
причем упомянутая смесь исходных материалов или соединение щелочного металла содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg, Si и щелочной металл как составляющие элементы таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO, SiO оксид щелочного металла, причем оксид щелочного металла представляет собой, по меньшей мере, один оксид, выбранный из LiO, NaO и KO,
оксид щелочного металла удовлетворял, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), и основность шлака удовлетворяла указанному выше выражению (4).
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения, способ производства гранулированного металлического железа включает этапы загрузки смеси исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа, и углеродсодержащий восстановитель, в печь для термического восстановления, нагрева смеси исходных материалов и восстановления оксида железа, находящегося в материале, содержащем оксид железа, при помощи углеродсодержащего восстановителя с получением металлического железа и шлака в качестве побочного продукта, обеспечения коалесценции металлического железа в гранулы при одновременном отделении металлического железа от шлака, и охлаждения и затвердевания металлического железа,
причем упомянутая смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg и Si как составляющие элементы таким образом, чтобы
2
шлак содержал CaO, MgO и SiO, основность шлака удовлетворяла приведенному ниже выражению (5), и содержание MgO в шлаке удовлетворяло приведенному ниже выражению (6):
2
1,5≤((CaO)+(MgO))/(SiO)≤2,2(5)
13<(MgO)≤25(6),
2
2
где в выражениях (5) и (6) (CaO), (MgO) и (SiO) представляют собой количества (в массовых процентах) CaO, MgO и SiO в шлаке, соответственно.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предлагается шлак, образующийся в качестве побочного продукта при выполнении описанных выше способов производства.
Задачи, отличительные особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из приведенного далее подробного описания и приложенных чертежей.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 схематично показана примерная печь для термического восстановления с вращающимся подом.
Фиг.2 - график, иллюстрирующий взаимосвязь между основностью шлака и коэффициентом распределения серы в Примере а.
Фиг.3 - график, иллюстрирующий взаимосвязь между основностью шлака и коэффициентом распределения серы в Примере b.
Фиг.4 - график, иллюстрирующий взаимосвязь между основностью шлака и коэффициентом распределения серы в Примере с.
Фиг.5 - график, иллюстрирующий взаимосвязь между содержанием MgO в шлаке и коэффициентом распределения серы в Примере с.
Предпочтительные варианты реализации изобретения
Первый вариант
Ниже будет описан первый вариант реализации настоящего изобретения.
2
2
2
Для получения железа путем прямого восстановления в качестве промышленной печи для термического восстановления, как правило, используют промышленную печь для термического восстановления с вращающимся подом. В печи для термического восстановления с вращающимся подом с использованием множества горелок, установленных над вращающимся подом, сжигают топливный газ, например, природный газ. Возникающая в результате теплота сгорания поступает в смесь исходных материалов, размещенную на поде, и служит в качестве теплоты, необходимой для восстановления с плавлением. Отходящий газ, возникающий при горении, содержит окисляющие газы, такие как CO и HO. Окисляющие газы влияют на состав газовой атмосферы вокруг смеси исходных материалов. Как следствие, очень трудно сохранить восстановительный потенциал газовой атмосферы в печи на высоком уровне, если не удалять окисляющие газы подходящим образом. В то же время в случае достаточно высокого восстановительного потенциала газовой атмосферы внутри смеси исходных материалов или вокруг нее, сера, содержащаяся в углеродсодержащем восстановителе, таком как уголь или кокс, включенном в состав смеси исходных материалов, фиксируется в виде CaS из-за наличия CaO в шлаке. CaS отделяется от смеси исходных материалов вместе со шлаком. Включение в состав смеси исходных материалов фторсодержащего вещества, такого как плавиковый шпат (CaF), приводит к дальнейшему выделению серы, находящейся в смеси исходных материалов, из этой смеси.
Что касается способа удаления окисляющих газов, то на поде печи А для термического восстановления, показанной на Фиг.1, заранее создают слой углеродсодержащего порошка (далее называемый подстилающим слоем), который не показан. Смесь исходных материалов размещают на подстилающем слое и подвергают термическому восстановлению. Условия для прохождения целевой реакции восстановления при плавлении эффективным образом создают при одновременном вращении пода упомянутой печи для термического восстановления с вращающимся подом с циклом, составляющим от приблизительно 8 до приблизительно 16 минут. Восстановительный потенциал газовой атмосферы в непосредственной близости от смеси исходных материалов можно поддерживать на высоком уровне. Кроме того, можно в некоторой степени повысить способность к обессериванию.
Однако авторы настоящего изобретения обнаружили, что исключительно рассмотренной выше операции создания подстилающего слоя все же недостаточно, чтобы гарантировать производство гранулированного металлического железа, имеющего низкое содержание серы, в используемой на практике печи для термического восстановления с вращающимся подом. Использование способов, рассмотренных в Патентных документах 4 и 5, которые указаны выше, повышает гарантии получения гранулированного металлического железа, имеющего сниженное содержание серы. В способах, соответствующих этим патентным документам, главное внимание сосредоточено на основности шлака. Объяснение этому в общих чертах приведено ниже.
Чтобы снизить содержание [S] серы в гранулированном металлическом железе (то есть увеличить наблюдаемую степень обессеривания), чрезвычайно важно поддерживать на стабильном уровне содержание (S) серы в шлаке при ее фиксации в шлаке в виде CaS, а также препятствовать миграции серы в направлении восстановленного железа. Если говорить более конкретно, необходимо поддерживать восстановительный потенциал газовой атмосферы на высоком уровне и увеличить до максимума основность получаемого в результате шлака. В отличие от обычной печи для получения чугуна или стали, где используется расплавленное железо, в способе восстановления с плавлением, являющимся предметом настоящего изобретения, температура атмосферы, превышающая 1550°С, не является предпочтительной с точки зрения оборудования и функционирования печи для термического восстановления с вращающимся подом. Желательно функционирование при поддержании температуры атмосферы на уровне приблизительно 1550°С или ниже, и предпочтительно - 1500°С или ниже. Однако в случае, если основность шлака, образующегося на этапе восстановления при плавлении, при указанных температурных условиях начинает превышать приблизительно 1,7, температура плавления шлака повышается, что замедляет его коалесценцию. Кроме того, также замедляется коалесценция восстановленного железа. Это затрудняет обеспечение в процессе производства высокого выхода металлического железа с большим размером кусков.
Авторы настоящего изобретения провели глубокие исследования с целью обеспечить как можно более быстрое плавление шлакообразующих компонентов с образованием шлака в условиях нагрева смеси исходных материалов, размещенной в печи для термического восстановления с вращающимся подом, и, как следствие, сделать возможной коалесценцию возникающего в результате шлака, чтобы способствовать коалесценции остающегося восстановленного железа, что увеличит выход гранулированного металлического железа, а также с целью снижения доли серы, которая неизбежно загрязняет гранулированное металлическое железо, получаемое при помощи такого процесса.
2
2
2
2
На основе этих исследований было обнаружено следующее: если смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg, Si и щелочной металл как составляющие элементы таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO, SiO и оксид щелочного металла, оксид щелочного металла представлял собой, по меньшей мере, один оксид, выбранный из LiO, NaO и KO, оксид щелочного металла удовлетворял, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), и основность шлака удовлетворяла указанному выше выражению (4), то коэффициент распределения серы между получающимся в результате шлаком и получающимся в результате гранулированным металлическим железом, т.е. (S)/[S], существенно улучшается, обеспечивая заметное снижение содержания [S] серы в гранулированном металлическом железе, в результате чего можно обеспечить хороший выход гранулированного металлического железа, имеющего низкое содержание серы. Это привело к созданию способа производства гранулированного металлического железа, соответствующего первому варианту реализации настоящего изобретения. Способ производства гранулированного металлического железа, соответствующий первому варианту реализации настоящего изобретения, а также получение шлака в качестве побочного продукта, образующегося при выполнении упомянутого способа производства, будут подробно описаны ниже.
[Компоненты шлака]
2
2
Шлак, образующийся при выполнении обычного процесса получения железа путем прямого восстановления, содержит в качестве составляющих CaO, MgO и SiO. Основность шлака (((CaO)+(MgO))/(SiO)) определяется долями этих составляющих. Основность шлака тесно связана с коэффициентом распределения серы (S)/[S] в реакции "шлак-металл" в ходе обычного процесса получения чугуна и стали.
2
2
В то же время шлак, образующийся в этом варианте реализации настоящего изобретения, также содержит в качестве составляющей оксид щелочного металла. Шлак, содержащий оксид щелочного металла в дополнение к CaO, MgO и SiO, обеспечивает более глубокое обессеривание по сравнению с обычным шлаком, содержащим CaO, MgO и SiO.
2
Причину, по которой шлак, содержащий оксид щелочного металла в дополнение к CaO, MgO и SiO, обеспечивает превосходное обессеривание, еще предстоит объяснить теоретически. Однако на основе описанных ниже результатов экспериментов сделан вывод о следующем. А именно, предполагается, что подходящее управление основностью шлака, образующегося в качестве побочного продукта при производстве гранулированного металлического железа, и подходящее управление содержанием оксидов щелочных металлов в шлаке приводят к снижению температуры плавления шлака, являющегося побочным продуктом, оптимизации таких физических свойств, как текучесть шлака, и увеличению до максимума коэффициента распределения серы (S)/[S] для шлака, являющегося побочным продуктом.
2
2
2
2
2
2
Тип оксида щелочного металла в шлаке конкретным образом не ограничивается. В случае, если оксидом щелочного металла является NaO, KO или LiO, оксид щелочного металла существенно влияет на снижение температуры плавления шлака. Как следствие, оксид щелочного металла может представлять собой, по меньшей мере, один оксид, выбираемый из группы, состоящей из NaO, KO и LiO.
2
2
2
[Содержание LiO, NaO и KO в шлаке]
2
2
2
2
2
2
Эффект обессеривания обеспечивается при содержании оксида щелочного металла в шлаке, составляющем приблизительно 0,03 массового процента, если этим оксидом является LiO, приблизительно 0,10 массового процента, если этим оксидом является NaO, или приблизительно 0,10 массового процента, если этим оксидом является KO. Содержание LiO в образующемся шлаке предпочтительно составляет 0,1 массового процента или более, и более предпочтительно - 0,3 массового процента или более. Содержание NaO в образующемся шлаке предпочтительно составляет 0,2 массового процента или более, и более предпочтительно - 0,5 массового процента. Содержание KO в образующемся шлаке предпочтительно составляет 0,3 массового процента или более, и более предпочтительно - 0,7 массового процента.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Верхний предел содержания LiO в образующемся шлаке предпочтительно составляет 12 массовых процентов. Верхний предел содержания NaO в образующемся шлаке предпочтительно составляет 5 массовых процентов. Верхний предел содержания KO в образующемся шлаке предпочтительно составляет 5 массовых процентов. Активное включение LiO, NaO или KO в образующийся шлак приводит к снижению температуры плавления этого шлака, являющегося побочным продуктом, и к увеличению коэффициента распределения серы для данного шлака. Однако чересчур высокое содержание LiO, NaO или KO в шлаке вызывает сильное их испарение, в результате чего испарившийся LiO, NaO или KO реагирует с огнеупорными материалами в печи, способствуя повреждению стенок этой печи. Содержание LiO предпочтительно составляет 11 массовых процентов или менее и более предпочтительно - 10 массовых процентов или менее. Содержание NaO предпочтительно составляет 4,5 массовых процента или менее и более предпочтительно - 4 массовых процента или менее. Содержание KO предпочтительно составляет 3 массовых процента или менее и более предпочтительно - 2 массовых процента или менее. Шлак может содержать отдельно LiO, NaO или KOлибо в комбинации из двух или более из них.
[Соединение щелочного металла]
Соединение щелочного металла, соответствующее этому варианту реализации настоящего изобретения, может представлять собой, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из группы, состоящей из соединений лития, соединений натрия и соединений калия. То есть соединение щелочного металла, соответствующее этому варианту реализации настоящего изобретения, может представлять собой соединение лития, соединение натрия или соединение калия. В качестве альтернативы соединение щелочного металла, соответствующее этому варианту реализации настоящего изобретения, может представлять собой комбинацию из двух или более соединений, выбираемых из группы, состоящей из соединений лития, соединений натрия и соединений калия. Кроме того, соединение щелочного металла, соответствующее этому варианту реализации настоящего изобретения, может также представлять собой комбинацию любого из упомянутых соединений лития, соединений натрия и соединений калия с соединением щелочного металла, отличающимся от упомянутых соединений лития, соединений натрия и соединений калия.
2
2
2
Смесь исходных материалов может содержать, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из группы, состоящей из соединений лития, соединений натрия и соединений калия, в качестве соединения щелочного металла таким образом, чтобы оксид щелочного металла в шлаке удовлетворял, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3). Как следствие, смесь исходных материалов может содержать соединение щелочного металла таким образом, чтобы шлак содержал оксид щелочного металла, отличающийся от упомянутых LiO, NaO или KO.
2
3
2
Тип соединения лития конкретным образом не ограничивается. Его примеры включают карбонат лития (LiCO) и оксид лития (LiO).
2
3
2
Тип соединения натрия конкретным образом не ограничивается. Его примеры включают карбонат натрия (NaCO) и оксид натрия (NaO).
2
3
2
Тип соединения натрия конкретным образом не ограничивается. Его примеры включают карбонат калия (KCO) и оксид калия (KO).
2
2
2
2
2
2
2
2
4
Соединение щелочного металла может представлять собой соединение, которое образует в шлаке любые два или более из оксидов LiO, NaO и KO. Примером комплексного оксида на основе М1-М2, в котором оксид щелочного металла (М1) просто смешан с оксидом химического элемента (М2), отличающегося от щелочных металлов, является NaO-LiO-SiO-CaO. Примером соединения щелочного металла, которое образует в шлаке NaO и KO, является нефелин [состав: (Na,K)(Al,Si)O]. Отметим, что нефелин также соответствует описанному ниже комплексному оксиду, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит щелочной металл.
Соединение щелочного металла предпочтительно представляет собой комплексный оксид, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл. Как описано выше, печь для термического восстановления с движущимся подом, как правило, работает в условиях поддержания в ней температуры (температуры атмосферы) на уровне от приблизительно 1450°С до приблизительно 1550°С. Таким образом, нагрев смеси исходных материалов, содержащей комплексный оксид, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже в упомянутой печи приводит к быстрому плавлению этого оксида. Его коалесценция приводит к быстрому образованию шлака. Быстрое образование шлака способствует коалесценции остающегося металлического железа с получением гранул, что повышает выход гранулированного металлического железа. То есть включение (добавление извне) комплексного оксида, имеющего низкую температуру плавления, в смесь исходных материалов приводит к быстрому плавлению этого оксида под воздействием теплоты с возникновением состояния предварительного плавления, что повышает выход гранулированного металлического железа. Как описано ниже в Примере b, использование комплексного оксида в качестве соединения щелочного металла приводит к уменьшению не только содержания серы в металлическом железе, но также и к уменьшению времени, требующегося для плавления смеси исходных материалов, по сравнению с использованием простого оксида щелочного металла, что дополнительно увеличивает упомянутый выход.
Примеры щелочных металлов в комплексном оксиде включают Li, Na и K, Li и Na используются в предпочтительном случае с точки зрения доступности. Описанный выше комплексный оксид может содержать, по меньшей мере, один щелочной металл. Например, комплексный оксид в предпочтительном случае содержит, по меньшей мере, один из следующих металлов: Li, Na и K.
2
2
2
2
2
2
2
3
2
3
2
Термин "комплексный оксид, содержащий, по меньшей мере, один щелочной металл" используется, чтобы указать на оксид, содержащий, по меньшей мере, один химический элемент, выбираемый из группы, состоящей из химических элементов - щелочных металлов, и содержащий, по меньшей мере, один химический элемент, отличающийся от щелочных металлов, на основе анализа химического состава при помощи, например, спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP, Inductively-Coupled Plasma) или атомно-абсорбционной спектрометрии. Если говорить более конкретно, при анализе химического состава оксида, например, при помощи спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой или атомно-абсорбционной спектрометрии, обнаруживаются, по меньшей мере, один щелочной металл и один химический элемент, отличающийся от щелочных металлов. Комплексный оксид содержит оксид щелочного металла (например, NaO, LiO или KO) и оксид другого химического элемента (например, оксид шлакообразующего компонента), отличающегося от щелочных металлов, если предполагается, что каждый из обнаруженных химических элементов находится в виде простого оксида. То есть комплексный оксид может содержать, по меньшей мере, один оксид, выбираемый из группы, состоящей из NaO, LiO и KO, и, по меньшей мере, один оксид, выбираемый из группы, состоящей из MgO, CaO, BaO, MnO, FeO, BO, AlO и SiO.
Комплексный оксид может быть получен следующим образом: сначала материал, снабжающий щелочным металлом, смешивают с материалом, который снабжает химическим элементом, отличающимся от щелочных металлов. Затем полученную в результате смесь прокаливают. В качестве альтернативы смесь плавят и дают ей затвердеть. Полученный в результате комплексный оксид при необходимости может быть превращен в порошок, чтобы отрегулировать размер частиц.
2
3
2
3
2
3
Примеры упомянутого материала, снабжающего щелочным металлом, включают карбонат натрия (NaCO) в качестве материала, вносящего Na; карбонат калия (KCO) в качестве материала, вносящего K; и карбонат лития (LiCO) в качестве материала, вносящего Li.
Примеры упомянутого материала, снабжающего химическим элементом, отличающимся от щелочных металлов, описаны ниже.
2
3
3
3
3
3
3
2
3
Его примеры включают SiO в качестве материала, вносящего Si; обожженная известь (CaO) и карбонат кальция (CaCO) в качестве материала, вносящего Ca; MgO и MgCO в качестве материала, вносящего Mg; BaCO в качестве материала, вносящего Ba; MnCO в качестве материала, вносящего Mn; FeO в качестве материала, вносящего Fe; HBO в качестве материала, вносящего B; и AlO в качестве материала, вносящего Al. Эти материалы обычно содержат несущественные примеси.
4
Примером материала, вносящего Na, K и Si, является нефелин [состав: (Na,K)(Al,Si)O].
Описанный выше комплексный оксид может дополнительно содержать другой химический элемент, пока этот элемент не увеличивает температуру плавления комплексного оксида сверх 1400°С. Однако в оксиде на основе М1-М2 эффект уменьшения времени плавления не возникает в связи с тем, что при простом смешивании оксида М1 с оксидом М2 температура плавления результирующей смеси не снижается до 1400°С или меньше.
Смесь исходных материалов может содержать упомянутый комплексный оксид, который имеет температуру 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл, а также простое соединение щелочного металла в качестве соединения щелочного металла. Примеры упомянутого простого соединения щелочного металла включают оксиды щелочных металлов и карбонаты щелочных металлов.
В случае использования упомянутого комплексного оксида, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл, в качестве соединения щелочного металла, комплексный оксид может быть добавлен к смеси исходных материалов таким образом, чтобы суммарная доля простых оксидов составляла 0,03 массового процента или более, предпочтительно - 0,05 массового процента или более, и более предпочтительно - 0,2 массового процента или более, если предполагается, что химические элементы - щелочные металлы находятся в шлаке в виде простых оксидов.
Помимо этого, в случае использования упомянутого комплексного оксида, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл, в качестве соединения щелочного металла, комплексный оксид может быть добавлен в смесь исходных материалов таким образом, чтобы суммарная доля простых оксидов составляла 15 массовых процентов или менее, предпочтительно - 14,5 массовых процентов или менее, и более предпочтительно - 13 массовых процентов или менее, если предполагается, что химические элементы - щелочные металлы находятся в шлаке в виде простых оксидов. Обоснование этому является следующим: как описано выше, активное включение оксида щелочного металла в образующийся шлак приводит к снижению температуры плавления этого шлака, являющегося побочным продуктом, и к увеличению коэффициента распределения серы для данного шлака. Однако чересчур высокое содержание оксида щелочного металла вызывает чересчур сильное испарение щелочного металла в печи, в результате чего испарившийся щелочной металл реагирует с огнеупорными материалами в печи, способствуя повреждению этих материалов.
2
Тот факт, что химические элементы - щелочные металлы, как предполагается, находятся в виде простых оксидов, указывает на то, что при обозначении химического элемента - щелочного металла как М1, оксид этого химического элемента - щелочного металла, содержащийся в шлаке, представлен формулой M1O.
Доли простых оксидов химических элементов - щелочных металлов в шлаке можно регулировать, регулируя количество комплексного оксида, добавляемого в смесь исходных материалов, в соответствии с его химическим составом. То есть регулирование количества комплексного оксида, добавляемого в смесь исходных материалов, в соответствии с химическим составом этого комплексного оксида, который содержит, по меньшей мере, один химический элемент, выбираемый из группы, состоящей из химических элементов - щелочных металлов, регулирует содержание оксидов щелочных металлов в шлаке.
[Основность шлака: 1,3-2,3]
2
Основность шлака (((CaO)+(MgO))/(SiO)) задают в диапазоне от 1,3 до 2,3. Наличие более высокой доли материала, вносящего CaO/MgO, который служит агентом, регулирующим основность (материала, который образует CaO и MgO в шлаке), такого как известняк или доломитовая руда, в смеси исходных материалов приводит к увеличению содержания CaO и MgO в получаемом в результате шлаке, таким образом, увеличивая основность шлака. Включение избыточного количества материала, вносящего CaO/MgO, приводит к образованию шлака, имеющего основность более 2,3. Однако чересчур высокая основность шлака вызывает увеличение текучести шлака, замедляя коалесценцию восстановленного железа и, таким образом, затрудняя получение гранулированного металлического железа с предпочтительной, в основном сферической формой. Помимо этого, появляется тенденция к уменьшению выхода гранулированного металлического железа. Как следствие, определено, что верхним пределом основности шлака является 2,3. Основность шлака предпочтительно составляет 2,2 или менее и более предпочтительно - 2,0 или менее. Отметим, что более высокая основность шлака приводит к уменьшению температуры плавления получаемого в результате шлака.
В то же время основность шлака меньше 1,4 вызывает снижение обессеривающей способности шлака, в результате чего предполагаемая цель не достигается, даже если восстановительный потенциал атмосферы поддерживается на достаточно высоком уровне. Как следствие, определено, что нижним пределом основности шлака является 1,4. Основность шлака предпочтительно составляет 1,5 или более.
2
2
2
В этом описании термин "основность шлака" используется, чтобы указать отношение (CaO)+(MgO) к (SiO), то есть ((CaO)+(MgO))/(SiO), определяемое на основе количеств CaO, MgO и SiO в шлаке, если не указано иное.
[Содержание MgO в шлаке: от 5 до 22 массовых процентов]
2
В варианте реализации настоящего изобретения шлак предпочтительно содержит MgO на уровне 5 массовых процентов или более. Это связано с тем, что даже при основности шлака, составляющей 2,3 или менее, по существу, способность к коалесценции мелких частиц восстановленного железа, образующихся при восстановлении материала, содержащего оксид железа, находящегося в смеси исходных материалов, постепенно снижается с увеличением основности в области относительно высоких ее уровней, начиная от 1,9 и выше. То есть в области относительно высоких уровней основности способность шлака к коалесценции существенно снижается, и также снижается способность к коалесценции образующихся частиц восстановленного железа, что затрудняет обеспечение высокого выхода при производстве металлического железа с большим размером кусков, являющееся целью в этом варианте реализации настоящего изобретения. Как следствие, в области относительно высоких уровней основности, даже при основности получаемого в результате шлака, составляющей 2,3 или менее, предпочтительно, чтобы шлак содержал 5 массовых процентов или более MgO с точки зрения обеспечения экономичной работы в этом варианте реализации настоящего изобретения. Это связано с тем, что содержание MgO в шлаке менее 5 массовых процентов приводит к формированию в шлаке комплексного оксида, представленного формулой 2CaO•SiO при обычной рабочей температуре, вызывая потерю текучести шлаком и потерю способности к коалесценции. С другой стороны, при относительно высокой основности, составляющей 1,9 или более, содержание MgO в шлаке, превышающее 22 массовых процента, вызывает выделение чистого MgO в шлаке, затрудняя коалесценцию. Как следствие, нельзя обеспечить высокий выход при производстве целевого металлического железа с большим размером кусков. Поэтому содержание MgO в шлаке предпочтительно составляет 22 массовых процента или менее. В более предпочтительном случае содержание MgO в шлаке составляет 20 массовых процентов или менее.
2
2
Основностью шлака и содержанием MgO в шлаке можно управлять путем регулирования добавляемых количеств материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя. Это связано с тем, что материал, содержащий оксид железа, и углеродсодержащий восстановитель содержат, по меньшей мере, CaO, MgO и SiO. Железная руда, добавляемая как материал, содержащий оксид железа, а также уголь или кокс, добавляемые как углеродсодержащий восстановитель, являются природными продуктами. Следовательно, доли CaO, MgO и SiO различаются в зависимости от их типов. Поэтому трудно однозначно определить добавляемые количества этих материалов. Предпочтительно подходящим образом регулировать количества материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя с учетом химического состава пустой породы, содержащейся, например, в железной руде, добавляемой в качестве материала, содержащего оксид железа, и химического состава золы, содержащейся в угле или коксе, добавляемых в качестве углеродсодержащего восстановителя.
То же справедливо для добавляемого количества комплексного оксида. Трудно однозначно определить количество комплексного оксида в связи с тем, что химический состав различается в зависимости от типа оксида. Таким образом, добавляемое количество комплексного оксида можно регулировать подходящим образом с учетом химического состава этого оксида.
Например, в случае загрузки углеродсодержащего порошка, используемого как компонент, образующий подстилающий слой, основностью шлака и содержанием MgO в шлаке можно управлять, регулируя добавляемые количества материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя с учетом состава и количества загружаемого углеродсодержащего порошка.
2
2
2
Как описано выше, основными особенностями этого варианта реализации настоящего изобретения являются следующие: образующийся шлак содержит оксид щелочного металла; и задают содержание NaO, содержание KO и содержание LiO, а также основность шлака. Соответственно, не всегда необходимо использовать углеродсодержащий порошок, служащий компонентом, образующим подстилающий слой, который размещен на поде. Однако размещение на поде углеродсодержащего порошка, служащего компонентом, образующим подстилающий слой, приводит к более значительному увеличению восстановительного потенциала в печи, в результате чего можно более эффективным образом обеспечить как эффект повышения степени металлизации, так и эффект снижения содержания [S] серы в металлическом железе. Чтобы с большей уверенностью обеспечить такие эффекты от компонента, образующего подстилающий слой, желательно разместить гранулированный углеродсодержащий порошок с получением слоя, имеющего толщину приблизительно 2 мм или более. В случае, если углеродсодержащий порошок размещен в качестве компонента, образующего подстилающий слой, таким образом, что слой имеет определенную толщину, подстилающий слой будет служить буфером между смесью исходных материалов и огнеупорным материалом пода или служить для защиты огнеупорного материала пода от шлака, являющегося побочным продуктом, таким образом, увеличивая срок службы упомянутого огнеупорного материала пода.
Слишком большая толщина подстилающего слоя, однако, может вызвать неблагоприятное замедление восстановления, давая возможность смеси исходных материалов погружаться в этот подстилающий слой, расположенный на поде. Как следствие, толщину подстилающего слоя предпочтительно задают на уровне приблизительно 7,5 мм или менее.
Тип углеродсодержащего порошка, используемого в качестве компонента, образующего подстилающий слой, конкретным образом не ограничивается. Можно использовать размолотый обычный уголь или кокс. В предпочтительном случае можно использовать размолотый обычный уголь или кокс, размер зерна которых контролируют должным образом. В случае использования угля подходит антрацит, который имеет низкую текучесть, а также не увеличивается в размере или не прилипает к поду.
Как железная руда, служащая материалом, содержащим оксид железа, так и уголь, служащий углеродсодержащим восстановителем, которые добавляют в смесь исходных материалов, соответствуют материалу, вносящему MgO (материалу, который вводим MgO в шлак). В качестве другого материала, вводящего MgO, к смеси исходных материалов может быть добавлен материал, отличающийся от материала, содержащего оксид железа, углеродсодержащего восстановителя или соединения щелочного металла. Упомянутый другой материал, вносящего MgO, соответствует внешней добавке по сравнению с материалом, содержащим оксид железа, углеродсодержащим восстановителем и соединением щелочного металла. В этом случае добавляемые количества упомянутого другого материала, вносящего MgO, материала, содержащего оксид железа, углеродсодержащего восстановителя и соединения щелочного металла могут быть отрегулированы с учетом их химических составов таким образом, чтобы шлак имел основность, составляющую от 1,3 до 2,3, и, как это необходимо, содержание MgO от 5 до 22 массовых процентов.
3
Тип упомянутого другого материала, вносящего MgO, конкретным образом не ограничивается. Его примеры включают порошок MgO, природную руду, Mg-содержащие материалы, извлекаемые из морской воды и подобное, а также карбонат магния (MgCO).
Как железная руда, служащая материалом, содержащим оксид железа, так и уголь, служащий углеродсодержащим восстановителем, которые добавляют в смесь исходных материалов, также соответствуют материалу, вносящему CaO (материалу, который вводит CaO в шлак). В качестве другого материала, вносящего CaO, к смеси исходных материалов может быть добавлен материал, отличающийся от материала, содержащего оксид железа, углеродсодержащего восстановителя или соединения щелочного металла. Упомянутый другой материал, вносящий CaO, соответствует внешней добавке по сравнению с материалом, содержащим оксид железа, углеродсодержащим восстановителем и соединением щелочного металла. В этом случае добавляемые количества упомянутого другого материала, вносящего CaO, материала, содержащего оксид железа, углеродсодержащего восстановителя и соединения щелочного металла могут быть отрегулированы с учетом их химических составов таким образом, чтобы шлак имел основность, составляющую от 1,3 до 2,3, и, как это необходимо, содержание CaO в подходящем диапазоне.
3
Тип упомянутого другого материала, вносящего CaO, конкретным образом не ограничивается. Его примеры включают известь CaO и карбонат кальция (CaCO).
Например, к смеси исходных материалов в качестве материала, вносящего CaO/MgO, может быть добавлена доломитовая руда.
Способ добавления упомянутого другого материала, вносящего MgO, и другого материала, вносящего CaO, конкретным образом не ограничивается. Вместо добавления упомянутых другого материала, вносящего MgO, и другого материала, вносящего CaO, к смеси исходных материалов, упомянутые другой материал, вносящий MgO, и другой материал, вносящий CaO, могут быть заранее размещены на вращающемся поде вместе с компонентом, образующим подстилающий слой, или независимо от него. В качестве альтернативы, упомянутые другой материал, вносящий MgO, и другой материал, вносящий CaO, могут загружаться одновременно с загрузкой смеси исходных материалов, либо могут загружаться сверху отдельно, после загрузки смеси исходных материалов.
Смесь исходных материалов может содержать небольшое количество полисахарида (например, крахмала из муки) в качестве связующего.
В предпочтительном случае плавиковый шпат не добавляют к смеси исходных материалов по соображениям экологической безопасности. Согласно описанному выше варианту реализации настоящего изобретения, можно достаточным образом повысить способность к обессериванию и способность к коалесценции без добавления плавикового шпата. Однако добавление плавикового шпата к смеси исходных материалов может дополнительно повысить упомянутые способность к обессериванию и способность к коалесценции.
В этом варианте реализации настоящего изобретения, как описано выше, в случае выполнения работы с использованием печи для термического восстановления с вращающимся подом, обычно применяемой на практике, когда основность получаемого в результате шлака увеличивается приблизительно до 2,3 при условии, что материалом, который регулирует основность, служит материал, вносящий MgO, шлак может плавиться в достаточной степени при температуре из диапазона до 1450°С, что отличается от существующего уровня техники. Это позволяет производить гранулированное металлическое железо в стабильном режиме. Кроме того, можно обеспечить коэффициент распределения серы между шлаком и металлом, (S)/[S], равное приблизительно 10 или более, и, в частности, 20 или более. Как результат, хотя существуют некоторые различия, зависящие от сорта угля, служащего углеродсодержащим восстановителем, компонента, образующего подстилающий слой, и так далее, содержание серы в получаемом в результате гранулированном металлическом железе может устойчиво снизиться до 0,080% или менее и, в частности, до 0,05% или менее. В случае использования упомянутого комплексного оксида, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл, в качестве соединения щелочного металла, содержание серы в получаемом в результате гранулированном металлическом железе может устойчиво снизиться до 0,05% или менее и, в частности, до 0,01% или менее.
2
2
2
Как описано выше, в случае использования наиболее универсальных газовых горелок для нагрева промышленной печи, нельзя избежать снижения коэффициента распределения серы (S)/[S] из-за уменьшения восстановительного потенциала газовой атмосферы. В этом варианте реализации настоящего изобретения, однако, можно предотвратить снижение коэффициента распределения серы (S)/[S], так как оксид щелочного металла (например, LiO, NaO и KO) в шлаке удовлетворяет, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений с (1) по (3), и так как основность шлака удовлетворяет указанному выше Уравнению (4).
Основные характеристики печи для термического восстановления с подвижным подом, используемой в этом варианте реализации настоящего изобретения, основные характеристики способа производства гранулированного металлического железа с использованием печи для термического восстановления и механизм получения гранулированного металлического железа будут подробно описаны ниже со ссылкой на Фиг.1. Чертежи не ограничиваются этим вариантом реализации настоящего изобретения. Они могут быть должным образом изменены в соответствии с целями, указанными выше и ниже в этом описании. Все такие изменения не выходят за пределы объема настоящего изобретения.
На Фиг.1 схематично показан пример конструкции печи А для термического восстановления с вращающимся подом, по типу относящейся к печам для термического восстановления с подвижным подом. Чтобы показать внутреннее устройство печи, показан частичный разрез.
Смесь 1 исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель и соединение щелочного металла, непрерывно подают на вращающийся под 4 печи А для термического восстановления с вращающимся подом через бункер 3 подачи материала. В качестве материала, содержащего оксид железа, обычно используются железная руда, магнитный железняк и подобное. В качестве углеродсодержащего восстановителя обычно используются уголь, кокс и подобное. В качестве соединения щелочного металла обычно используются карбонат натрия, нефелин и подобное.
Форма подаваемой смеси 1 исходных материалов конкретным образом не ограничивается. Как правило, используется простая прессованная заготовка из смеси исходных материалов, включающей материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель и соединение щелочного металла. В качестве альтернативы используется прессованная заготовка из смеси исходных материалов, содержащая углеродный материал, которая имеет вид окатыша или брикета. Может подаваться смесь, в которой материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель, соединение щелочного металла и подобное перемешаны подходящим образом. Помимо этого, вместе с простой прессованной заготовкой или прессованной заготовкой, содержащей углеродный материал, может подаваться гранулированный углеродсодержащий порошок 2.
При необходимости в печь А для термического восстановления может быть загружен материал (например, материал, вносящий MgO, или материал, вносящий CaO), отличающийся от смеси исходных материалов. Однако в предпочтительном случае фторсодержащий обессеривающий агент не загружается по соображениям экологической безопасности.
Процедура подачи смеси 1 исходных материалов в печь А для термического восстановления будет более конкретно описана ниже. В предпочтительном случае через бункер 3 подачи материалов на вращающийся под 4 подают гранулированный углеродсодержащий порошок 2, чтобы получить постель перед подачей смеси 1 исходных материалов, а затем на ней размещают смесь 1 исходных материалов.
На Фиг.1 показан пример с одним бункером 3 подачи материала, который используется как для подачи углеродсодержащего порошка 2, так и для подачи смеси 1 исходных материалов. В качестве альтернативы углеродсодержащий порошок 2 и смесь 1 исходных материалов могут загружаться по отдельности с использованием двух или более бункеров. Углеродсодержащий порошок 2, используемый для создания подстилающего слоя (постели), очень полезен не только с точки зрения роста эффективности восстановления, но также и с точки зрения способствования снижению содержания серы в гранулированном металлическом железе, получаемом путем прямого восстановления. Однако подачу углеродсодержащего порошка 2 можно исключить. Тип углеродсодержащего порошка, подаваемого с целью создания постели, конкретным образом не ограничивается. Его примеры включают уголь и кокс. Углеродсодержащий порошок, подаваемый с целью создания постели, в предпочтительном случае имеет более низкое содержание серы по сравнению с углеродсодержащим восстановителем, добавляемым в смесь исходных материалов.
Вращающийся под 4 печи А для термического восстановления, показанной на Фиг.1, вращается в направлении против часовой стрелки. Скорость вращения меняется в зависимости от размера и рабочих параметров печи А. Цикл вращения вращающегося пода 4, как правило, составляет от приблизительно 8 до приблизительно 16 минут. На стенках корпуса 8 печи А для термического восстановления установлено множество нагревательных горелок 5. Под нагревается за счет теплоты сгорания или теплового излучения, поступающих от нагревательных горелок 5. Нагревательные горелки 5 могут быть установлены на своде печи.
Смесь 1 исходных материалов, размещенная на вращающемся поде 4, созданном из огнеупорного материала, нагревается за счет теплоты сгорания или теплового излучения, поступающих от нагревательных горелок 5, при этом упомянутая смесь перемещается в направлении по окружности на вращающемся поде 4 в печи А для термического восстановления. Оксид железа, содержащийся в смеси 1 исходных материалов, восстанавливается, проходя через зону нагрева в печи А для термического восстановления. Затем восстановленное железо подвергается науглероживанию с использованием оставшегося углеродсодержащего восстановителя при одновременном отделении от расплавленного шлака, образующегося в качестве побочного продукта, и коалесцирует в гранулированное металлическое железо 10. Гранулированное металлическое железо 10 затвердевает при охлаждении в зоне вращающегося пода 4, находящейся дальше в направлении перемещения, после чего выгружается с пода при помощи устройства 6 выгрузки, такого как шнек. При этом также выгружается шлак, образовавшийся как побочный продукт. Гранулированное металлическое железо 10 и шлак проходят через бункер 9, и затем разделяются на металлическое железо и шлак с использованием любого разделяющего средства (например, сита или магнитного сепаратора). На Фиг.1 ссылочным номером 7 обозначен канал отходящих газов.
В этом варианте реализации настоящего изобретения, как описано выше, в шлаке, который образовался как побочный продукт при термическом восстановлении, оксид щелочного металла удовлетворяет, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), а основность шлака удовлетворяет указанному выше выражению (4). Таким образом, можно подходящим образом контролировать температуру плавления образующегося шлака и соотношение распределения серы (S)/[S], а также с высокой эффективностью получать гранулированное металлическое железо, имеющее низкое содержание серы.
Примеры
Способ производства гранулированного металлического железа, соответствующий этому варианту реализации настоящего изобретения, ниже будет описан более подробно при помощи примеров. Настоящее изобретение не ограничивается упомянутыми примерами, которые рассмотрены ниже. Эти примеры могут быть должным образом изменены в соответствии с целями, указанными выше и ниже в этом описании. Все такие изменения не выходят за пределы объема настоящего изобретения. В приведенных далее примерах рассмотрены результаты тестов, выполненных с использованием небольшой экспериментальной печи для термического восстановления.
Пример а
В качестве материала, содержащего оксид железа, использовалась железная руда. В качестве углеродсодержащего восстановителя использовался уголь. Они были смешаны с образованием смеси М. В Таблице 1 приведен химический состав железной руды. В Таблице 2 приведен химический состав угля ("Прочие" в Расчетных значениях указывает на углеродсодержащее твердое вещество).
Таблица 1
Химический состав железной руды, массовые проценты
Сумм.Fe
FeO
SiO<sub>2</sub>
CaO
MgO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
S
P
69,39
30,10
1,75
0,45
0,40
0,49
0,028
0,013
Таблица 2
Уголь
Расчетное значение, массовые проценты
Химический состав золы, массовые проценты
Летучие вещества
Суммарная зола
Сера
Прочие
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
15,8
4,3
0,61
79,29
13,84
43,09
27,57
4,95
1,54
Таблица 3
Химический состав доломитовой руды, массовые проценты
CO<sub>2</sub>
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
47,60
1,02
0,21
30,08
21,09
3
3
3
2
3
2
4
2
3
В смесь М, в дополнение к материалу, содержащему оксид железа и углеродсодержащему восстановителю, была добавлена связка (мука). Для получения окончательной смеси исходных материалов (далее также называемой комплексом) были добавлены, как это необходимо, вспомогательные материалы, регулирующие основность шлака, такие как карбонат кальция (CaCO), служащий материалом, вносящим CaO, и доломитовая руда (состоящая, главным образом, из CaCO•MgCO, подробный химический состав которой приведен в Таблице 3), служащая материалом, вносящая CaO/MgO, карбонат натрия (NaCO) в качестве соединения щелочного металла, оксид натрия (NaO), нефелин [состав: (Na,K)(Al,Si)O], карбонат лития (LiCO) и подобное. В Таблице 4 приведен химический состав комплексов.
Таблица 4
Химический состав комплекса, массовые проценты
Тестовый пример
Железная руда
Уголь
Связка
CaCO<sub>3</sub>
Доломитовая руда
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
Нефелин
Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
а1
75,7
16,0
0,5
5,8
-
-
2,0
-
а2
77,7
16,0
1,0
0,7
3,8
0,8
-
-
а3
77,1
15,5
1,0
0,8
4,0
1,6
-
-
а4
77,8
15,6
1,0
3,6
1,0
1,0
-
-
а5
78,0
15,1
1,0
2,7
2,3
0,9
-
-
а6
77,3
15,4
1,0
3,0
2,0
1,3
-
-
а7
77,7
15,2
1,0
2,0
3,0
1,1
-
-
а8
77,3
15,4
1,0
3,0
2,0
1,3
-
-
а9
78,1
15,6
1,0
4,0
-
1,3
-
-
а10
79,1
15,8
1,0
3,0
1,0
0,1
-
-
а11
76,6
15,4
1,0
4,0
-
3,0
-
-
а12
73,7
14,9
1,0
5,4
-
5,0
-
-
а13
78,5
15,7
1,0
4,7
-
-
-
0,10
а14
77,6
15,6
1,0
5,7
-
-
-
0,10
а15
78,2
15,7
1,0
3,1
-
-
-
2,00
а16
77,8
15,6
1,0
4,0
-
-
-
1,60
а17
77,3
15,5
1,0
2,2
2,0
-
-
2,00
а18
77,0
15,4
1,0
3,0
2,0
-
-
1,60
а19
76,1
15,3
1,0
5,6
-
-
-
2,00
а20
79,0
15,8
1,0
3,0
1,2
-
-
0,01
а21
73,9
14,6
1,0
-
6,5
-
-
4,00
а22
78,4
15,4
1,0
2,7
1,5
0,5
-
0,50
а23
77,9
15,4
1,0
2,7
1,5
0,5
-
1,00
а24
75,5
15,2
1,0
5,2
1,0
2,1
-
-
а25
74,0
15,0
1,0
6,0
-
-
-
4,00
а26
80,5
15,8
1,0
1,5
1,2
-
-
0,01
а27
81,7
17,3
1,0
-
-
-
-
-
а28
79,0
15,0
1,0
3,0
2,0
-
-
-
а29
84,0
15,0
1,0
-
-
-
-
-
а30
81,0
15,0
1,0
1,5
1,5
-
-
-
а31
81,7
14,9
1,0
1,2
1,2
-
-
-
а32
81,0
14,8
1,0
1,7
1,5
-
-
-
а33
80,6
14,7
1,0
2,2
1,5
-
-
-
а34
79,7
15,1
1,0
2,7
1,5
-
-
-
Каждый из полученных в результате комплексов был превращен в прессованные заготовки из исходных материалов в форме окатышей. Полученные в результате прессованные заготовки из исходных материалов были загружены в небольшую экспериментальную печь для термического восстановления и подвергались термическому восстановлению. Перед загрузкой прессованных заготовок из исходных материалов на поде был размещен уголь (углеродсодержащий порошок), имеющий химический состав, приведенный в Таблице 2, чтобы получить подстилающий слой, имеющий толщину приблизительно 5 мм. Температура в печи была задана равной 1450°С.
Оксид железа в прессованных заготовках из исходных материалов, расположенных на поде печи для термического восстановления, восстанавливался при нагреве в печи в течение от приблизительно 10 до приблизительно 16 минут с сохранением твердого состояния этого оксида. Полученное в результате восстановленное железо подвергалось науглероживанию с использованием оставшегося после восстановления углеродсодержащего порошка, что приводило к снижению температуры плавления и коалесценции восстановленного железа. В то же время шлак, образующийся как побочный продукт, частично или полностью плавился и коалесцировал. При этом расплавленное гранулированное металлическое железо отделялось от расплавленного шлака. Затем расплавленное гранулированное металлическое железо и расплавленный шлак охлаждались до их температур плавления (а именно приблизительно 1100°С) и затвердевали. Твердое гранулированное металлическое железо и твердый шлак выгружались из печи.
2
2
В Таблицах 5 и 6 приведен химический состав гранулированного металлического железа и шлака в каждом тестовом примере. Помимо этого, на основе содержания CaO, содержания MgO и содержания SiO в шлаке была вычислена основность шлака (((CaO)+(MgO))/(SiO)) в каждом тестовом примере. В Таблицах 5 и 6 также приведена основность шлака в каждом тестовом примере.
В каждом тестовом примере из отношения массы Fe (далее также называемой Fe1) гранулированного металлического железа, образующегося путем коалесценции, к массе Fe (далее также называемой Fe0), определенной на основе расчета химического состава, была вычислена степень выхода (Fe1/Fe0). Способность к коалесценции в тестовом примере со степенью выхода, превышающей 98%, была оценена как хорошая (А). Способность к коалесценции в тестовом примере со степенью выхода, равной 98% или менее, была оценена как плохая (В). В Таблицах 5 и 6 также приведены результаты оценки в тестовых примерах. В Таблице 6 способность к коалесценции "С" указывает, что гранулированное металлическое железо не было извлечено, так как оно не отделилось от шлака.
Помимо этого, в каждом тестовом примере было вычислено отношение содержания (S) серы в шлаке к содержанию [S] серы в гранулированном металлическом железе (коэффициент распределения серы (S)/[S]). В Таблицах 5 и 6 также приведен коэффициент распределения серы в каждом тестовом примере.
В тестовом примере а1, приведенном в Таблице 5, в качестве соединения щелочного металла в смесь исходных материалов было добавлено соединение щелочного металла, являющееся соединением натрия и соединением калия. Содержание оксидов щелочных металлов в шлаке и основность шлака удовлетворяли указанным выше выражениям (2)-(4). Отметим, что соединение щелочного металла, использованное в тестовом примере а1, также соответствует упомянутому комплексному оксиду, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл. В каждом из тестовых примеров с а2 по а12, приведенных в Таблице 5, в качестве соединения щелочного металла в смесь исходных материалов было добавлено только соединение натрия. Содержание оксидов щелочных металлов в шлаке и основность шлака удовлетворяли указанным выше выражениям (2) и (4). В каждом из тестовых примеров с а13 по а21, приведенных в Таблице 5, в качестве соединения щелочного металла в смесь исходных материалов было добавлено только соединение лития. Содержание оксидов щелочных металлов в шлаке и основность шлака удовлетворяли указанным выше выражениям (1) и (4). В каждом из тестовых примеров а22 и а23, приведенных в Таблице 5, в качестве соединения щелочного металла в смесь исходных материалов были добавлены только соединение натрия и соединение лития. Содержание оксидов щелочных металлов в шлаке и основность шлака удовлетворяли указанным выше выражениям (1), (2) и (4). Все тестовые примеры с а1 по а23, приведенные в Таблице 5, находились в пределах диапазона, соответствующего этому варианту реализации настоящего изобретения. Уровни содержания MgO в шлаке находились в диапазоне от 5 до 22 массовых процентов.
В тестовом примере а26, приведенном в Таблице 6, хотя в качестве соединения щелочного металла в смесь исходных материалов было добавлено только соединение лития, содержание оксидов щелочных металлов не удовлетворяло любому из выражений (1)-(3). В каждом из тестовых примеров с а27 по а34, приведенных в Таблице 6, в смесь исходных материалов соединение щелочного металла не добавлялось. Содержание оксидов щелочных металлов в шлаке не удовлетворяло любому из выражений (1)-(3). Все тестовые примеры а26-а34, приведенные в Таблице 6, выходили за пределы диапазона, соответствующего этому варианту реализации настоящего изобретения.
На Фиг.2 показана взаимосвязь между основностью каждого из шлаков, образовавшихся в тестовых примерах а1-а23 и а26-а34, и коэффициентом распределения серы. На Фиг.2 основность образовавшегося шлака отложена по горизонтальной оси. Коэффициент распределения серы отложен по вертикальной оси.
На Фиг.2 закрашенные квадраты соответствуют тестовым примерам а1-а12, приведенным в Таблице 5. Закрашенные треугольники соответствуют тестовым примерам а13-а21, приведенным в Таблице 5. Незакрашенные ромбы соответствуют тестовым примерам а22 и а23, приведенным в Таблице 5. Незакрашенные окружности соответствуют тестовым примерам а26-а34, приведенным в Таблице 6.
Из Таблиц 5 и 6 ясно видно, что для обеспечения содержания серы в гранулированном металлическом железе, составляющего 0,080% или менее, необходимо, чтобы содержание оксидов щелочных металлов в шлаке и основность шлака находились в диапазоне, соответствующем этому варианту реализации настоящего изобретения. За счет этого можно гарантировать коэффициент распределения серы на уровне 10 или более.
Из Фиг.2 ясно видно, что коэффициент распределения серы (S)/[S] резко увеличивается с увеличением основности шлака. В частности, основность шлака, превышающая 1,4, приводит к существенному увеличению коэффициента распределения серы.
Из Фиг.2 ясно видно, что коэффициент распределения серы (S)/[S] увеличивается с увеличением основности вне зависимости от того, добавлено ли к смеси исходных материалов соединение щелочного металла. Однако в каждом тестовом примере, в котором к смеси исходных материалов добавлено соединение щелочного металла и в котором содержание оксидов щелочных металлов в шлаке удовлетворяет, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), коэффициент распределения серы (S)/[S] выше, чем в тех тестовых примерах, в которых содержание оксида щелочного металла в шлаке не удовлетворяет указанным выше выражениям (1)-(3).
Каждый тестовый пример, в котором соединение щелочного металла не добавлялось к смеси исходных материалов, продемонстрировал, что при увеличении основности получаемого в результате шлака до приблизительно 1,7 увеличивалась температура плавления шлака, что являлось причиной трудностей при коалесценции расплавленного шлака и препятствования образованию восстановленного железа. Возникло большое количество гранулированного металлического железа с небольшим размером зерна, что вызвало трудности с обеспечением высокой степени выхода гранулированного металлического железа с большим размером зерна.
В Примере а основность шлака и содержание MgO в шлаке регулируют путем добавления доломитовой руды, служащей в качестве материала, вносящего CaO/MgO. В каждом из составов комплексов в Примере а основность шлака и содержание MgO в шлаке можно контролировать в пределах диапазонов основности и содержания MgO, которые заданы в этом варианте реализации настоящего изобретения, управляя содержанием доломитовой руды в комплексе таким образом, чтобы оно составляло приблизительно от 0 до 6,5 массовых процентов.
2
Как описано выше, Пример а продемонстрировал, что в случае, когда в смесь исходных материалов подходящим образом добавлялись материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель, соединение щелочного металла и подобное, оксид щелочного металла в шлаке удовлетворял, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), а основность получаемого в результате шлака, определенная на основе содержания CaO, содержания MgO и содержания SiO, удовлетворяла выражению (4), коэффициент распределения серы составлял 10 или более, и содержание [S] серы в гранулированном металлическом железе снижалось до 0,080% или менее даже в области, где основность шлака составляла 1,7 или более.
Пример b
Ниже будет описан пример способа производства гранулированного металлического железа с использованием в качестве соединения щелочного металла упомянутого комплексного оксида, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл.
В качестве материала, содержащего оксид железа, использовалась железная руда, приведенная в Таблице 1. В качестве углеродсодержащего восстановителя использовался уголь, приведенный в Таблице 2. Они были смешаны с образованием смеси N.
В дополнение материалу, содержащему оксид железа, и углеродсодержащему восстановителю в смесь N была добавлено связующее. Чтобы получить окончательную смесь исходных материалов (комплекс) были добавлены, как необходимо, вспомогательные материалы, регулирующие основность шлака, и соединение щелочного металла (комплексный оксид, простой оксид, либо карбонат).
3
В качестве связующего добавлялась мука. В качестве вспомогательных материалов, регулирующих основность шлака, были добавлены карбонат кальция (CaCO), служащий материалом, вносящим CaO, и доломитовая руда, вносящим материалом, вносящим CaO/MgO, приведенные в Таблице 3.
В Таблице 7 приведен химический состав комплексных оксидов и простого оксида. Приведенные в Таблице 7 типы А-F являются примерами, в которых в качестве соединений щелочного металла используются комплексные оксиды. Приведенный в Таблице 7 тип G является примером, в котором в качестве соединения щелочного металла используется простой оксид (оксид щелочного металла). В Таблице 7 приведены химические составы комплексных оксидов и простого оксида, для которых содержание оксидов было рассчитано при помощи спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой или атомно-абсорбционной спектрометрии.
Таблица 7
Химический состав сложного оксида и простого оксида, массовые проценты
Температура плавления, °С
Тип
SiO<sub>2</sub>
CaO
Na<sub>2</sub>O
Li<sub>2</sub>O
A
55,0
-
-
45,0
1024
B
59,1
24,8
-
16,1
1090
C
38,7
50,0
-
11,3
1050
D
50,9
31,6
17,5
-
1284
E
51,0
15,6
33,4
-
1200
F
50,0
43,0
7,0
-
1400
G
-
-
-
100
1570
2
3
2
3
2
3
Комплексные оксиды типов А-F, приведенные в Таблице 7, были приготовлены путем поддержания в расплавленном состоянии SiO, CaCO, NaCO и LiCO при 1500°С в течение 1-2 часов и выполнения измельчения таким образом, чтобы средний размер зерна составлял 100 мкм или менее. В Таблице 7 также приведены температуры плавления оксидов.
2
3
Карбонат был тем соединением щелочного металла, используемым вместе с комплексным оксидом, которое отличается от коплексного оксида. В качестве соединения лития был добавлен карбонат лития (LiCO).
В Таблице 8 приведены химические составы комплексов.
Таблица 8
Химический состав комплекса, массовые проценты
Тестовый пример
Железная руда
Уголь
CaCO<sub>3</sub>
Доломитовая руда
Оксид
Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
Связка
Тип
Содержание
b1
81,7
17,3
-
-
-
-
-
1
b2
79
15
3,0
2
-
-
-
1
b3
84
15
-
-
-
-
-
1
b4
81
15
1,5
1,5
-
-
-
1
b5
81,7
14,9
1,2
1,2
-
-
-
1
b6
81
14,8
1,7
1,5
-
-
-
1
b7
79,7
15,1
2,7
1,5
-
-
-
1
b8
80,6
14,7
2,2
1,5
-
-
-
1
b9
66
13,5
8,5
6
А
5
-
1
b10
68,5
14
6,5
5
А
5
-
1
b11
70,1
14,4
5,0
4,5
А
5
-
1
b12
72,1
15,8
3,5
3,9
B
2
1,7
1
b13
73,5
16,2
2,1
3,5
C
2
1,7
1
b14
71
15,6
4,5
2,2
C
4
1,7
1
b15
69,8
14,4
6,3
5,5
B
3
-
1
b16
72,3
14,7
5,0
4
B
3
-
1
b17
75
15,2
3,0
2,8
B
3
-
1
b18
75,6
15,4
2,5
2,5
B
3
-
1
b19
76,9
15,4
4,1
2,5
B
0,1
-
1
b20
78,2
15,7
3,0
2
B
0,1
-
1
b21
80
15,9
1,5
1,5
B
0,1
-
1
b22
80,3
16,1
1,5
1
B
0,1
-
1
b23
79,05
15,9
2,0
2
B
0,05
-
1
b24
79,08
15,9
2,0
2
B
0,02
-
1
b25
79,09
15,9
2,0
2
B
0,01
-
1
b26
73,5
16,1
3,5
3,9
D
2
-
1
b27
73,5
16,1
3,5
3,9
E
2
-
1
b28
74
15,6
3,5
3,9
F
2
-
1
b29
77,5
16,1
2,4
2
G
1
-
1
Каждый из полученных в результате комплексов был превращен в прессованные заготовки из исходных материалов в форме окатышей. Полученные в результате прессованные заготовки из исходных материалов были загружены в небольшую экспериментальную печь для термического восстановления и подверглись термическому восстановлению. Перед загрузкой прессованных заготовок из исходных материалов на поде был размещен уголь (углеродсодержащий порошок), имеющий химический состав, приведенный в Таблице 2, чтобы получить подстилающий слой, имеющий толщину приблизительно 5 мм. Температура в печи была задана равной 1450°С.
Оксид железа в прессованных заготовках из исходных материалов, расположенных на поде печи для термического восстановления, восстанавливался при нагреве в печи в течение от приблизительно 10 до приблизительно 16 минут с сохранением твердого состояния этого оксида. Полученное в результате восстановленное железо подвергалось науглероживанию с использованием оставшегося после восстановления углеродсодержащего порошка, что приводило к снижению температуры плавления и в результате к коалесценции восстановленного железа. В то же время шлак, являющийся побочным продуктом, частично или полностью плавился и коалесцировал. При этом расплавленное гранулированное металлическое железо отделялось от расплавленного шлака. Затем расплавленное гранулированное металлическое железо и расплавленный шлак охлаждались до их температур плавления (а именно приблизительно 1100°С) и затвердевали. Твердое гранулированное металлическое железо и твердый шлак выгружались из печи.
После загрузки прессованных заготовок из исходных материалов в экспериментальную печь для термического восстановления визуально отслеживалось состояние внутри этой печи. Было измерено время, требующееся для плавления всех прессованных заготовок, находящихся в поле зрения. В Таблице 9 приведено время для полного расплавления, измеренное в каждом тестовом примере. Время полного расплавления, составляющее 14 минут или менее, оценивалось как приемлемое.
Таблица 9
Коэффициент распределения серы
Время полного расплавления
Тестовый пример
Основность
Значение
Оценка
Минуты
Оценка
b1
0,39
0,34
Неприемлемо
9,5
Приемлемо
b2
1,95
9,59
Неприемлемо
14,75
Неприемлемо
b3
0,33
0,27
Неприемлемо
9,5
Приемлемо
b4
1,21
2,90
Неприемлемо
10,75
Приемлемо
b5
1,21
1,56
Неприемлемо
10,75
Приемлемо
b6
1,45
2,95
Неприемлемо
12,00
Приемлемо
b7
1,70
5,05
Неприемлемо
13,25
Приемлемо
b8
1,52
3,75
Неприемлемо
12,50
Приемлемо
b9
1,95
1109,0
Приемлемо
11,00
Приемлемо
b10
1,57
257,5
Приемлемо
11,00
Приемлемо
b11
1,31
41,2
Приемлемо
10,00
Приемлемо
b12
1,64
187,6
Приемлемо
11,50
Приемлемо
b13
1,79
211,6
Приемлемо
11,25
Приемлемо
b14
1,82
418,5
Приемлемо
11,00
Приемлемо
b15
2,27
152,1
Приемлемо
11,75
Приемлемо
b16
1,83
58,1
Приемлемо
11,50
Приемлемо
b17
1,32
18,1
Приемлемо
10,50
Приемлемо
b18
1,19
9,0
Неприемлемо
10,25
Приемлемо
b19
Нет коалесценции
b20
1,93
31,5
Приемлемо
11,75
Приемлемо
b21
1,31
12,3
Приемлемо
10,50
Приемлемо
b22
1,17
7,5
Неприемлемо
10,25
Приемлемо
b23
1,64
19,7
Приемлемо
10,50
Приемлемо
b24
1,65
12,5
Приемлемо
10,50
Приемлемо
b25
1,65
6,7
Неприемлемо
11,00
Приемлемо
b26
1,96
277,8
Приемлемо
11,50
Приемлемо
b27
1,83
162,0
Приемлемо
11,00
Приемлемо
b28
1,99
57,8
Приемлемо
12,00
Приемлемо
b29
1,91
35,4
Приемлемо
13,75
Приемлемо
2
2
В Таблице 10 приведен химический состав гранулированного металлического железа и шлака в каждом тестовом примере. Помимо этого, на основе содержания CaO, содержания MgO и содержания SiO в шлаке была вычислена основность шлака (((CaO)+(MgO))/(SiO)) в каждом тестовом примере. Основность шлака для каждого тестового примера приведена в Таблице 9. В тестовом примере b19, приведенном в Таблице 10, основность шлака отрегулировали таким образом, чтобы она составляла приблизительно 2,4, в результате чего коалесценции не происходило.
Помимо этого, в каждом тестовом примере было вычислено отношение содержания (S) серы в шлаке к содержанию [S] серы в гранулированном металлическом железе (коэффициент распределения серы (S)/[S]). В Таблице 9 также приведен коэффициент распределения серы в каждом тестовом примере.
В каждом из тестовых примеров b9-b17, b20, b21, b23, b24 и b29, приведенных в Таблице 10, в качестве соединения щелочного металла к смеси исходных материалов были добавлены одно или два соединения лития. Содержание оксидов щелочных металлов в шлаке и основность шлака удовлетворяли указанным выше выражениям (1) и (4). В каждом из тестовых примеров b9-b17, b20, b21, b23 и b24, приведенных в Таблице 10, в качестве соединения щелочного металла был добавлен комплексный оксид. В тестовом примере b29 в качестве соединения щелочного металла был добавлен простой оксид. В каждом из тестовых примеров b26-b28, приведенных в Таблице 10, в качестве соединения щелочного металла к смеси исходных материалов было добавлено соединение натрия, соответствующее комплексному оксиду. Содержание оксидов щелочных металлов в шлаке и основность шлака удовлетворяли указанным выше выражениям (2) и (4). Все тестовые примеры b9-b17, b20, b21, b23, b24 и b26-b29, приведенные в Таблице 10, находились в диапазоне, соответствующем этому варианту реализации настоящего изобретения. Содержание MgO в шлаке находилось в диапазоне 5-22 массовых процента.
В каждом из тестовых примеров b1-b8, приведенных в Таблице 10, к смеси исходных материалов соединение щелочного металла не добавлялось. Содержание оксидов щелочных металлов в шлаке не удовлетворяло ни одному из выражений (1)-(3). В каждом из тестовых примеров b18 и b22, приведенных в Таблице 10, в качестве соединения щелочного металла к смеси исходных материалов было добавлено соединение лития. Хотя содержание оксидов щелочных металлов в шлаке удовлетворяло указанному выше выражению (1), основность шлака не удовлетворяла указанному выше выражению (4). В тестовом примере b25, приведенном в Таблице 10, хотя в качестве соединения щелочного металла к смеси исходных материалов было добавлено соединение лития, содержание оксидов щелочных металлов в шлаке не удовлетворяло ни одному из указанных выше выражений (1)-(3). Все тестовые примеры b1-b8, b18, b22 и b25, приведенные в Таблице 10, выходили за пределы диапазона, соответствующего этому варианту реализации настоящего изобретения.
На Фиг.3 показана взаимосвязь между основностью каждого из шлаков, образовавшихся в тестовых примерах b1-b18 и b20-b29, и коэффициентом распределения серы. На Фиг.3 основность образовавшегося шлака отложена по горизонтальной оси. Коэффициент распределения серы отложен по вертикальной оси.
На Фиг.3 закрашенные ромбы соответствуют тестовым примерам b1 - b8. Незакрашенные окружности соответствуют тестовым примерам b9 - b17, b20, b21, b23 и b24. Закрашенные окружности соответствуют тестовым примерам b18, b22 и b25. Незакрашенные ромбы соответствуют тестовым примерам b26 и b28.
Как видно из Таблицы 9, время полного расплавления в каждом из тестовых примеров b9-b17, b20, b21, b23, b24 и b26-b29, которые находятся в пределах диапазона, соответствующего этому варианту реализации настоящего изобретения, оценивается как приемлемое. Время полного расплавления в каждом из тестовых примеров b9-b17, b20, b21, b23, b24 и b26-b28, в которых в качестве соединений щелочных металлов добавлены упомянутые комплексные оксиды, каждый из которых имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл, снижается до 13,5 минут или менее. Таким образом, в случае добавления в качестве соединения щелочного металла упомянутого комплексного оксида, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл, можно повысить выход продукции по сравнению со случаем добавления упомянутого соединения щелочного металла, такого как простой оксид или карбонат, отличающегося от комплексного оксида.
Из Таблиц 8 и 9 ясно видно, что для обеспечения содержания серы в гранулированном металлическом железе на уровне 0,05% или менее необходимо, чтобы содержание щелочных оксидов в шлаке и основность шлака находились в диапазоне, соответствующем этому варианту реализации настоящего изобретения. За счет этого можно гарантировать коэффициент распределения серы на уровне 10 или более.
Из Фиг.3 ясно видно, что коэффициент распределения серы (S)/[S] резко увеличивается с увеличением основности шлака.
Из Таблицы 8 и Фиг.3 ясно видно, что коэффициент распределения серы (S)/[S] увеличивается с увеличением основности шлака, вне зависимости от того, добавлено ли к смеси исходных материалов соединение щелочного металла или нет. Однако в каждом из тестовых примеров b9-b17, b20, b21, b23, b24 и b26-b28, в котором к смеси исходных материалов добавляются соединения щелочных металлов, и в котором содержание оксидов щелочных металлов в шлаке удовлетворяет, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), коэффициент распределения серы (S)/[S] составляет 10 или более. То есть коэффициент распределения серы (S)/[S] выше, чем в тестовых примерах b1-b8, в которых содержание оксида щелочного металла в шлаке не удовлетворяет выражениям (1)-(3).
В Примере b основность шлака и содержание MgO в шлаке регулируют путем добавления доломитовой руды, служащей в качестве вспомогательного материала, регулирующего основность шлака.
2
Как описано выше, Пример b продемонстрировал, что в случае, когда в смесь исходных материалов подходящим образом добавлялись материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель, соединение щелочного металла и подобное, оксид щелочного металла в шлаке удовлетворял, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), а основность получаемого в результате шлака, определенная на основе содержания CaO, содержания MgO и содержания SiO, удовлетворяла выражению (4), соотношение распределения серы составляло 10 или более (до 1109,0), и содержание [S] серы в гранулированном металлическом железе снижалось до 0,05% массовых процентов или менее даже в области, где основность шлака составляла 1,7 или более.
Второй вариант
Будет описан способ производства гранулированного металлического железа, соответствующий второму варианту реализации настоящего изобретения.
Способ производства гранулированного металлического железа, соответствующий этому варианту реализации настоящего изобретения, включает этапы загрузки соединения щелочного металла и смеси исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа, и углеродсодержащий восстановитель, в печь для термического восстановления, нагрева смеси исходных материалов и восстановления оксида железа, находящегося в материале, содержащем оксид железа, при помощи углеродсодержащего восстановителя с получением металлического железа и шлака в качестве побочного продукта, обеспечения коалесценции металлического железа в гранулы при одновременном отделении металлического железа от шлака, и охлаждения и затвердевания металлического железа.
2
2
2
2
Смесь исходных материалов или соединение щелочного металла содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg, Si и щелочной металл как составляющие элементы таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO, SiO и оксид щелочного металла, при этом оксид щелочного металла представляет собой, по меньшей мере, один оксид, выбранный из LiO, NaO и KO, причем оксид щелочного металла удовлетворяет, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), и основность шлака удовлетворяла указанному выше выражению (4).
То есть данный способ аналогичен способу производства гранулированного металлического железа, соответствующему первому варианту реализации настоящего изобретения, за исключением того, что соединение щелочного металла не содержится в смеси исходных материалов, а напрямую загружается в печь для термического восстановления.
В этом варианте реализации настоящего изобретения при загрузке (добавлении) смеси исходных материалов и соединения щелочного металла в печь для термического восстановления внешняя поверхность смеси исходных материалов начинает контактировать с внешней поверхностью соединения щелочного металла. В области контакта под воздействием теплоты в печи для термического восстановления происходит та же реакция, что и в первом варианте реализации настоящего изобретения. То есть предполагается, что в случае, когда основностью шлака, образующегося как побочный продукт при производстве гранулированного металлического железа, управляют таким образом, чтобы она удовлетворяла указанному выше выражению (4), и когда содержанием оксида щелочного металла в шлаке управляют таким образом, чтобы оно удовлетворяло, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), температура плавления шлака, образующегося как побочный продукт, снижается, оптимизируются такие физические свойства, как текучесть шлака, и увеличивается до максимума коэффициент распределения серы (S)/[S] для шлака, являющегося побочным продуктом. В этом варианте реализации настоящего изобретения также можно в процессе производства обеспечить хороший выход гранулированного металлического железа, имеющего низкое содержание серы.
Способ загрузки соединения щелочного металла конкретным образом не ограничивается. В качестве способа добавления соединения щелочного металла к смеси исходных материалов можно использовать, например, загрузку соединения щелочного металла вместе с компонентом, образующим подстилающий слой. Соединение щелочного металла можно заранее размещать на вращающемся поде, независимо от упомянутого компонента, образующего подстилающий слой. В качестве альтернативы, соединение щелочного металла можно загружать одновременно с загрузкой смеси исходных материалов или можно загружать сверху отдельно, после загрузки смеси исходных материалов. Помимо этого, можно использовать несколько способов загрузки в комбинации. Эффект от этого варианта реализации настоящего изобретения обеспечивается при любом способе загрузки.
Третий вариант
Ниже будет описан третий вариант реализации настоящего изобретения.
2
Чтобы решить задачу настоящего изобретения, авторы провели глубокие исследования, в частности, на основе технологии, описанной в указанном выше Патентном документе 5: регулирование основности шлака (((CaO)+(MgO))/(SiO)); и снижение содержания серы в восстановленном железе путем регулирования содержания MgO в шлаке. В частности, в третьем варианте реализации настоящего изобретения приоритетом является экологическая безопасность. Особое внимание уделено упомянутому проведению процесса получения железа путем прямого восстановления с использованием смеси исходных материалов, не содержащей плавикового шпата.
2
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что с точки зрения упомянутой экологической безопасности, в случае, когда основность шлака регулируют таким образом, чтобы она находилась, по существу, в том же диапазоне, который указан в Патентном документе 5, и когда содержание MgO в шлаке регулируют таким образом, чтобы оно находилось в упомянутом диапазоне от более чем 13 массовых процентов до 25 массовых процентов или менее, выходящем за пределы, указанные в Патентном документе 5, можно обеспечить получение восстановленного железа, которое имеет низкое содержание серы и может использоваться в качестве источника железа для электропечей и конверторов. Обнаруженная информация привела к созданию способа производства гранулированного металлического железа, соответствующего третьему варианту реализации настоящего изобретения. То есть в случае, когда смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg и Si в качестве составляющих элементов таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO и SiO, основность шлака удовлетворяла указанному выше выражению (5), а содержание MgO в шлаке удовлетворяло указанному выше выражению (6), можно в процессе производства обеспечить хороший выход гранулированного металлического железа, имеющего низкое содержание серы. Способ производства гранулированного металлического железа, соответствующий третьему варианту реализации настоящего изобретения, а также шлак, образующийся в качестве побочного продукта при выполнении этого способа, будут подробно описаны ниже.
Общей особенностью Патентного документа 5 и этого варианта реализации настоящего изобретения является то, что содержание серы в восстановленном железе снижают путем регулирования основности шлака и содержания MgO в шлаке. Однако они различаются диапазоном содержания MgO, что обусловлено, главным образом, их задачами. А именно, в Патентном документе 5 говорится, что основным приоритетом является дополнительное снижение содержания серы. Верхний предел содержания MgO в шлаке задают на уровне 13 массовых процентов, чтобы обеспечить целевой уровень, соответствующий этому Патентному документу 5 (коэффициент распределения серы составляет 25 или более, и содержание серы в восстановленном железе составляет 0,050 массового процента или менее). В противоположность этому, основным приоритетом этого варианта реализации настоящего изобретения является экологическая безопасность. Верхний предел содержания MgO задают на уровне 25 массовых процентов с целью предоставить технологию, позволяющую обеспечить низкий уровень содержания серы (соотношение распределения серы составляет 10 или более, и содержание серы в металлическом железе составляет 0,080 массового процента или менее) для возможности использования получаемого железа как исходного материала для конвертеров, хотя это и хуже по сравнению с целевым уровнем Патентного документа 5.
Например, если рассматривать наличие или отсутствие плавиковое шпата, в Патентном документе 5 рекомендуется добавлять плавиковый шпат в диапазоне, когда основность шлака ≥1,7. Указано, что это предотвращает значительное снижение способности мелких частиц восстановленного железа к коалесценции и увеличивает выход продукции. В противоположность этому, в данном варианте реализации настоящего изобретения можно производить восстановленное железо, имеющее низкое содержание серы, без использования плавикового шпата, пока основность шлака находится в пределах диапазона от 1,5 до 2,2 (см. рассмотренный ниже Пример с).
[Основность шлака: 1,5-2,2]
Значимость основности шлака в этом варианте реализации настоящего изобретения, по существу, та же, что и в Патентном документе 5. То есть основность шлака является параметром, вносящим вклад в увеличение выхода гранулированного металлического железа и снижение доли [S] серы, которая загрязняет это железо. Таким образом, ее нижний предел задают равным 1,5. Основность шлака менее 1,5 вызывает снижение обессеривающей способности шлака. При реализации этого варианта на практике основность шлака предпочтительно составляет 1,6 или более. Однако более высокая основность шлака вызывает увеличение текучести шлака, замедляя коалесценцию восстановленного железа и, таким образом, затрудняя получение гранулированного металлического железа с предпочтительной в основном сферической формой. Помимо этого, появляется тенденция к уменьшению выхода гранулированного металлического железа. Как следствие, определено, что верхним пределом основности шлака является 2,2. Основность шлака предпочтительно составляет 2,1 или менее и более предпочтительно - 2,0 или менее. Основность шлака можно регулировать в пределах указанного выше диапазона.
[Содержание MgO в шлаке: более 13 массовых процентов и до 25 массовых процентов]
Значимость упомянутого содержания MgO в шлаке в этом варианте, по существу, та же, что и Патентном документе 5. То есть содержание задают таким образом, чтобы обеспечить удовлетворительное соотношение распределения серы (S)/[S]. Однако в Патентном документе 5 основным приоритетом является упомянутое значительное снижение содержания серы. Как определено, верхний предел содержания MgO должен составлять 13 массовых процентов с точки зрения обеспечения коэффициента распределения серы, равного 25 или более. В противоположность этому, в данном варианте реализации настоящего изобретения определено, что нижний предел содержания MgO должен составлять более 13 массовых процентов, а его верхний предел должен составлять 25 массовых процентов с точки зрения обеспечения низкого уровня содержания серы (коэффициент распределения серы составляет 10 или более, и содержание серы в металлическом железе составляет 0,080 массовых процентов или менее) для возможности использования получаемого железа как исходного материала для конвертеров, хотя это и хуже по сравнению с целевым уровнем Патентного документа 5. Согласно этому варианту реализации настоящего изобретения, можно гарантированно обеспечить целевой уровень этого варианта без использования плавикового шпата. Более низкое содержание MgO предпочтительно с точки зрения дополнительного снижения содержания серы. Верхний предел содержания MgO задают равным 20 массовым процентам.
Температура плавления шлака, образующегося как побочный продукт, может быть задана от приблизительно 1350°С до приблизительно 1550°С за счет регулирования компонентов исходных материалов таким образом, чтобы образующийся шлак удовлетворял указанным выше выражениям (5) и (6). Температура находится на уровне приблизительно ниже 1550°С, являющейся типичной температурой при работе печи для термического восстановления с движущимся подом. Как следствие, в случае, когда в печи для термического восстановления с движущимся подом нагревают смесь исходных материалов, включающую компоненты, количество которых отрегулировано таким образом, чтобы образовавшийся шлак удовлетворял упомянутому требованию, шлакообразующие компоненты плавятся и коалесцируют с быстрым образованием шлака. Быстрое образование шлака способствует коалесценции в гранулы остающегося металлического железа, что приводит к повышению выхода гранулированного металлического железа.
Коэффициент распределения серы (S)/[S] между получаемым в результате шлаком и получаемым в результате гранулированным металлическим железом существенно улучшается за счет регулирования компонентов исходных материалов таким образом, чтобы образующийся шлак удовлетворял указанным выше выражениям (5) и (6). Это приводит к существенному снижению содержания серы в гранулированном металлическом железе.
2
3
2
2
3
2
Чтобы отрегулировать температуру плавления шлака, образующегося как побочный продукт, таким образом, чтобы она составляла от приблизительно 1350°С до приблизительно 1550°С, компоненты исходных материалов можно отрегулировать таким образом, чтобы шлак удовлетворял указанным выше выражениям (5) и (6). В предпочтительном случае также регулируют доли других оксидов, содержащихся в шлаке (например, содержание CaO, содержание AlO и содержание SiO), так как температура плавления шлака в некоторой степени зависит также и от доли этих оксидов. Содержание CaO может быть задано на уровне от приблизительно 20 до приблизительно 50 массовых процентов. Содержание AlO может быть задано на уровне приблизительно менее 20 массовых процентов. Содержание SiOможет быть задано на уровне приблизительно менее 40 массовых процентов.
2
2
2
2
Указанные выше выражения (5) и (6) могут быть соблюдены за счет подходящего регулирования добавляемых количеств материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя, служащих исходными материалами. Это связано с тем, что материал, содержащий оксид железа, и углеродсодержащий восстановитель обычно содержат компоненты, являющиеся пустой породой, такие как CaO, MgO и SiO, и, таким образом, служат в качестве материала, вносящего CaO, материала, вносящего MgO, и материала, вносящего SiO (материала, который в шлаке образует SiO). Железная руда, обычно используемая как материал, содержащий оксид углерода, и уголь или кокс, обычно используемые как углеродсодержащий восстановитель, являются природными продуктами. Следовательно, доли CaO, MgO и SiO различаются в зависимости от их типов. Поэтому трудно однозначно определить добавляемые количества этих материалов. Предпочтительно подходящим образом регулировать добавляемые количества с учетом химического состава железной руды и подобного, а также химического состава угля и подобного. В случае загрузки углеродсодержащего порошка, используемого как компонент, образующий подстилающий слой, основностью шлака и содержанием MgO в шлаке можно управлять, регулируя добавляемые количества материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя с учетом состава и количества углеродсодержащего порошка.
Смесь исходных материалов, используемая в этом варианте реализации настоящего изобретения, может содержать упомянутый другой материал, вносящий MgO (внешнюю добавку по сравнению с материалом, содержащим оксид железа, и углеродсодержащим восстановителем), который отличается от материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя, в дополнение к последним двум упомянутым материалам. В этом случае количества материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя регулируют с учетом химического состава и добавляемого количества упомянутого другого материала, вносящего MgO, что позволяет управлять основностью шлака и содержанием MgO в шлаке.
3
Тип упомянутого другого материала, вносящего MgO, конкретным образом не ограничивается. Его примеры включают порошок MgO, природную руду, Mg-содержащие материалы, извлекаемые из морской воды и подобное, а также карбонат магния (MgCO).
Помимо этого, смесь исходных материалов, используемая в этом варианте реализации настоящего изобретения, может содержать упомянутый другой материал, вносящий CaO (внешнюю добавку по сравнению с материалом, содержащим оксид железа, и углеродсодержащим восстановителем), который отличается от материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя, в дополнение к последним двум упомянутым материалам. В этом случае количества материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя регулируют с учетом химического состава и добавляемого количества упомянутого другого материала, вносящего CaO, что позволяет управлять основностью шлака и содержанием CaO в шлаке.
3
Тип упомянутого другого материала, вносящего CaO, конкретным образом не ограничивается. Его примеры включают известь (CaO) и карбонат кальция (CaCO).
Примером материала, служащего в качестве упомянутых другого материала, вносящего MgO, и другого материала, вносящего CaO, является доломитовая руда. Может добавляться доломитовая руда.
В предпочтительном случае плавиковый шпат не добавляется к смеси исходных материалов по соображениям экологической безопасности. Согласно этому варианту реализации настоящего изобретения, можно существенно улучшить способность к обессериванию и способность к коалесценции без добавления плавикового шпата. Однако добавление плавикового шпата к смеси исходных материалов может дополнительно улучшить способность к обессериванию и способность к коалесценции.
Способ производства гранулированного металлического железа с использованием печи для термического восстановления с движущимся подом, который соответствует этому варианту реализации настоящего изобретения, будет подробно описан ниже со ссылкой на Фиг.1. На Фиг.1 показан не накладывающий ограничений пример печи для термического восстановления с движущимся подом, которую подходящим образом можно использовать при выполнении способа производства, соответствующего этому варианту реализации настоящего изобретения.
На Фиг.1 схематично показан пример конструкции печи А для термического восстановления с подвижным подом, по типу относящейся к печам для термического восстановления с подвижным подом. Чтобы показать внутреннее устройство печи, показан частичный разрез.
Смесь 1 исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа и углеродсодержащий восстановитель, непрерывно подают на вращающийся под 4 печи А для термического восстановления с вращающимся подом через бункер 3 подачи материала. В качестве материала, содержащего оксид железа, обычно используются железная руда, магнитный железняк и подобное. В качестве углеродсодержащего восстановителя обычно используются уголь, кокс и подобное.
Форма подаваемой смеси 1 исходных материалов конкретным образом не ограничивается. Как правило, используется простая прессованная заготовка из смеси исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа, и углеродсодержащий восстановитель. В качестве альтернативы используется прессованная заготовка из смеси исходных материалов, содержащая углеродный материал, которая имеет вид окатыша или брикета. Может подаваться смесь, в которой материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель и подобное перемешаны подходящим образом. Помимо этого, вместе с простой прессованной заготовкой или прессованной заготовкой, содержащей углеродный материал, может подаваться гранулированный углеродсодержащий порошок 2.
В этом варианте реализации настоящего изобретения при необходимости может загружаться материал (например, материал, вносящий MgO, или материал, вносящий CaO), отличающийся от смеси исходных материалов.
Процедура подачи смеси 1 исходных материалов в печь А для термического восстановления будет более конкретно описана ниже. В предпочтительном случае через бункер 3 подачи материалов на вращающийся под 4 подают гранулированный углеродсодержащий порошок 2, чтобы получить постель перед подачей смеси 1 исходных материалов, а затем размещают на ней смесь 1 исходных материалов.
Способ добавления материала, вносящего MgO, и материала, вносящего CaO, которые могут добавляться в дополнение к материалу, содержащему оксид углерода, и углеродсодержащему восстановителю, конкретным образом не ограничивается. Подходящим образом могут быть использованы следующие способы: например, материал, вносящий MgO, и материал, вносящий CaO, могут добавляться на этапе приготовления смеси исходных материалов. Материал, вносящий MgO, и материал, вносящий CaO, могут быть заранее размещены на вращающемся поде, вместе с компонентом, образующим подстилающий слой, или независимо от него. В качестве альтернативы, материал, вносящий MgO, и материал, вносящий CaO, могут загружаться одновременно с загрузкой смеси исходных материалов или могут быть отдельно загружены сверху, после загрузки смеси исходных материалов.
Смесь исходных материалов может содержать небольшое количество полисахарида (например, крахмал из муки) в качестве связующего.
На Фиг.1 показан пример с одним бункером 3 подачи материала, который используется как для подачи углеродсодержащего порошка 2, так и для подачи смеси 1 исходных материалов. В качестве альтернативы углеродсодержащий порошок 2 и смесь 1 исходных материалов могут загружаться по отдельности с использованием двух или более бункеров.
Отметим, что не всегда обязательно использовать углеродсодержащий порошок, служащий компонентом, образующим подстилающий слой, который размещают на поде. Загрузку углеродсодержащего порошка можно исключить. Однако размещение на поде углеродсодержащего порошка, служащего компонентом, образующим подстилающий слой, приводит к более значительному увеличению восстановительного потенциала в печи, в результате чего можно более эффективным образом обеспечить как эффект повышения степени металлизации, так и эффект снижения содержания серы в металлическом железе, что является предпочтительным. Чтобы с большей уверенностью обеспечить такие эффекты от компонента, образующего подстилающий слой, желательно разместить гранулированный углеродсодержащий порошок с получением слоя, имеющего толщину приблизительно 2 мм или более. В случае, если углеродсодержащий порошок размещен в качестве компонента, образующего подстилающий слой, таким образом, что слой имеет определенную толщину, подстилающий слой будет служить буфером между смесью исходных материалов и огнеупорным материалом пода или служить для защиты огнеупорного материала пода от шлака, являющегося побочным продуктом, таким образом, увеличивая срок службы упомянутого огнеупорного материала пода.
Слишком большая толщина подстилающего слоя, однако, может вызвать неблагоприятное замедление восстановления, давая возможность смеси исходных материалов погружаться в этот подстилающий слой, расположенный на поде. Как следствие, толщину подстилающего слоя предпочтительно задают на уровне приблизительно 7,5 мм или менее.
Тип углеродсодержащего порошка, используемого в качестве компонента, образующего подстилающий слой, конкретным образом не ограничивается. Можно использовать размолотый обычный уголь или кокс. В предпочтительном случае можно использовать размолотый обычный уголь или кокс, размер зерна которых контролируют должным образом. В случае использования угля подходит антрацит, который имеет низкую текучесть, а также не увеличивается в размере или не прилипает к поду. Углеродсодержащий порошок, подаваемый для получения постели, в предпочтительном случае имеет более низкое содержание серы по сравнению с углеродсодержащим восстановителем, добавляемым в смесь 1 исходных материалов.
Вращающийся под 4 печи А для термического восстановления, показанной на Фиг.1, вращается в направлении против часовой стрелки. Скорость вращения вращающегося пода 4 меняется в зависимости от размера и рабочих параметров печи А. Цикл вращения вращающегося пода 4, как правило, составляет от приблизительно 8 до приблизительно 16 минут. На стенках корпуса 8 печи А для термического восстановления установлено множество нагревательных горелок 5. Под нагревается за счет теплоты сгорания или теплового излучения, поступающих от нагревательных горелок 5. Нагревательные горелки 5 могут быть установлены на своде печи.
Смесь 1 исходных материалов, размещенная на вращающемся поде 4, созданном из огнеупорного материала, нагревается за счет теплоты сгорания или теплового излучения, поступающих от нагревательных горелок 5, при этом упомянутая смесь перемещается в направлении по окружности на вращающемся поде 4 в печи А для термического восстановления. Оксид железа, содержащийся в смеси 1 исходных материалов, восстанавливается, проходя через зону нагрева в печи А для термического восстановления. Затем восстановленное железо подвергается науглероживанию с использованием оставшегося углеродсодержащего восстановителя при одновременном отделении от расплавленного шлака, образующегося в качестве побочного продукта, и коалесцирует в гранулированное металлическое железо 10. Гранулированное металлическое железо 10 затвердевает при охлаждении в зоне вращающегося пода 4, находящейся дальше в направлении перемещения, после чего выгружается с пода при помощи устройства 6 выгрузки, такого как шнек. При этом также выгружается шлак, образовавшийся как побочный продукт. Гранулированное металлическое железо 10 и шлак проходят через бункер 9, и затем разделяются на металлическое железо и шлак с использованием любого разделяющего средства (например, сита или магнитного сепаратора). На Фиг.1 ссылочным номером 7 обозначен канал отходящих газов.
В этом варианте реализации настоящего изобретения, как описано выше, для шлака, который образовался как побочный продукт при термическом восстановлении, основность шлака и содержание MgO в шлаке регулируют таким образом, чтобы они удовлетворяли указанным выше выражениям (5) и (6), в результате чего подходящим образом контролируют температуру плавления образующегося шлака и соотношение распределения серы (S)/[S], что позволяет эффективным образом гарантированно получать гранулированное металлическое железо, имеющее низкое содержание серы.
Пример
Способ производства гранулированного металлического железа, соответствующий этому варианту реализации настоящего изобретения, ниже будет описан более подробно при помощи примеров. Настоящее изобретение не ограничивается упомянутыми примерами, которые рассмотрены ниже. Эти примеры могут быть должным образом изменены в соответствии с целями, указанными выше и ниже в этом описании. Все такие изменения не выходят за пределы объема этого варианта реализации настоящего изобретения. В приведенных далее примерах рассмотрены результаты тестов, выполненных с использованием небольшой экспериментальной печи для термического восстановления.
Пример с
В качестве материала, содержащего оксид железа, использовалась железная руда, характеристики которой приведены в Таблице 11. В качестве углеродсодержащего восстановителя использовался уголь, характеристики которого приведены в Таблице 2. Они были смешаны с образованием смеси. В Таблице 11 приведен химический состав железной руды.
Таблица 11
Химический состав железной руды, массовые проценты
Сумм.Fe
FeO
SiO<sub>2</sub>
CaO
MgO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
S
P
69,33
29,92
1,64
0,42
0,41
0,45
0,013
0,014
В смесь, в дополнение к материалу, содержащему оксид железа, и углеродсодержащему восстановителю, была добавлена связка. Для получения окончательной смеси исходных материалов (комплекса) были добавлены, как это необходимо, вспомогательные материалы, регулирующие основность шлака. В качестве упомянутой связки была добавлена мука.
3
В качестве вспомогательных материалов, регулирующих основность шлака, были добавлены карбонат кальция (CaCO), служащий материалом, вносящим CaO, и доломитовая руда, служащая материалом, вносящим CaO/MgO, характеристики которых приведены в Таблице 3. В Таблице 12 приведен химический состав комплексов.
Таблица 12
Химический состав комплекса, массовые проценты
Тестовый пример
Железная руда
Уголь
Связка
MgO
CaCO<sub>3</sub>
Доломитовая руда
с1
79,7
16,5
1,0
0,8
2,0
с2
79,1
16,3
1,0
1,3
2,3
с3
78,5
16,2
1,0
1,8
2,5
с4
80,0
15,0
1,0
1,5
2,5
с5
80,8
16,2
1,0
1,1
0,9
с6
80,6
16,1
1,0
0,6
1,7
с7
80,2
16,1
1,0
1,0
1,7
с8
81,7
17,3
1,0
с9
79,0
15,0
1,0
3,0
2,0
с10
84,0
15,0
1,0
с11
81,0
15,0
1,0
1,5
1,5
с12
81,7
14,9
1,0
1,2
1,2
Каждый из полученных в результате комплексов был превращен в прессованные заготовки из исходных материалов в форме окатышей. Полученные в результате прессованные заготовки из исходных материалов были загружены в небольшую экспериментальную печь для термического восстановления и подверглись термическому восстановлению. Перед загрузкой прессованных заготовок из исходных материалов на поде был размещен уголь (углеродсодержащий порошок), имеющий химический состав, приведенный в Таблице 2, чтобы получить подстилающий слой, имеющий толщину приблизительно 5 мм. Температура в печи была задана равной 1450°С.
Оксид железа в прессованных заготовках из исходных материалов, расположенных на поде печи для термического восстановления, восстанавливался при нагреве в печи в течение от приблизительно 10 до приблизительно 16 минут с сохранением твердого состояния этого оксида. Полученное в результате восстановленное железо подвергалось науглероживанию с использованием оставшегося после восстановления углеродсодержащего порошка, что приводило к снижению температуры плавления и в результате к коалесценции восстановленного железа. В то же время шлак, образующийся как побочный продукт, частично или полностью плавился и коалесцировал. При этом расплавленное гранулированное металлическое железо отделялось от расплавленного шлака. Затем расплавленное гранулированное металлическое железо и расплавленный шлак охлаждались до их температур плавления (а именно приблизительно 1100°С) и затвердевали. Твердое гранулированное металлическое железо и твердый шлак выгружались из печи.
2
2
В Таблице 13 приведен химический состав гранулированного металлического железа и шлака в каждом тестовом примере. Помимо этого, на основе содержания CaO, содержания MgO и содержания SiO в шлаке была вычислена основность шлака (((CaO)+(MgO))/(SiO)) в каждом тестовом примере. В Таблицах 13 также приведена основность шлака в каждом тестовом примере.
Помимо этого, в каждом тестовом примере было вычислено отношение содержания серы (S) в шлаке к содержанию серы [S] в гранулированном металлическом железе (коэффициент распределения серы (S)/[S]). В Таблице 13 также приведен коэффициент распределения серы в каждом тестовом примере.
В каждом из тестовых примеров с1-с4, приведенных в Таблице 13, основность шлака и содержание MgO в шлаке удовлетворяли указанным выше выражениям (5) и (6). Все тестовые примеры с1-с4 находились в диапазоне, соответствующем этому варианту реализации настоящего изобретения.
В каждом из тестовых примеров с5, с6, с8 и с10-с12, приведенных в Таблице 5, основность шлака не удовлетворяла выражению (5). В каждом из тестовых примеров с7 и с9, приведенных в Таблице 13, хотя основность шлака удовлетворяла выражению (5), содержание MgO в шлаке не удовлетворяло выражению (6). Все тестовые примеры с5-с12, приведенные в Таблице 13, выходили за пределы диапазона, соответствующего этому варианту реализации настоящего изобретения.
На Фиг.4 показана взаимосвязь между основностью каждого из шлаков, образовавшихся в тестовых примерах с1-с12, и коэффициентом распределения серы. На Фиг.3 основность образовавшегося шлака отложена по горизонтальной оси. Коэффициент распределения серы отложен по вертикальной оси. На Фиг.4 незакрашенные ромбы соответствуют тестовым примерам с1-с4, приведенным в Таблице 13. Закрашенные треугольники соответствуют тестовым примерам с5-с12, приведенным в Таблице 13.
На Фиг.5 показана взаимосвязь между содержанием MgO в каждом из шлаков, образовавшихся в тестовых примерах с1-с12, и коэффициентом распределения серы. На Фиг.5 содержание MgO (в массовых процентах) в образовавшемся шлаке отложено по горизонтальной оси. Коэффициент распределения серы отложен по вертикальной оси. На Фиг.5 незакрашенные ромбы соответствуют тестовым примерам с1-с4, приведенным в Таблице 13. Закрашенные треугольники соответствуют тестовым примерам с5-с12, приведенным в Таблице 13.
В каждом тестовом примере из соотношения упомянутой массы Fe (Fe1) гранулированного металлического железа, образующегося путем коалесценции, к упомянутой массе Fe (Fe0), определенной на основе расчета химического состава, была вычислена степень выхода (Fe1/Fe0). Способность к коалесценции в тестовом примере со степенью выхода, превышающей 95%, была оценена как приемлемая. Способность к коалесценции в тестовом примере со степенью выхода, составляющей менее 95%, была оценена как неприемлемая. В Таблице 13 также приведены эти результаты оценки.
Из Таблицы 13, а также Фиг.4 и 5 ясно видно, что в случае, когда основность шлака и содержание MgO находятся в пределах диапазонов, соответствующих этому варианту реализации настоящего изобретения (то есть основность шлака и содержание MgO удовлетворяют выражениям (5) и (6)), можно гарантировать коэффициент распределения серы (S)/[S], равное 10 или более, и обеспечить содержание серы в гранулированном металлическом железе, составляющее 0,080 массового процента или менее.
Из Таблицы 13 ясно видно, что в случае, когда содержание MgO находится в пределах диапазона, соответствующего этому варианту реализации настоящего изобретения, можно увеличить выход гранулированного металлического железа до 99,0% или более.
Как рассмотрено выше, Пример с продемонстрировал, что в случае, когда в смесь исходных материалов подходящим образом добавлялись материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель и подобное, и когда основность шлака и содержание MgO в шлаке удовлетворяли выражениям (5) и (6), коэффициент распределения серы составлял 10 или более, и содержание [S] серы в гранулированном металлическом железе снижалось до 0,080 массового процента или менее.
Как подробно описано выше, согласно одному из аспектов настоящего изобретения, способ производства гранулированного металлического железа включает следующие этапы, на которых:
загружают смесь исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа, углеродсодержащий восстановитель и соединение щелочного металла, в печь для термического восстановления, нагревают упомянутую смесь исходных материалов и восстанавливают оксид железа, находящийся в упомянутом материале, содержащем оксид железа, при помощи углеродсодержащего восстановителя с получением металлического железа и шлака в качестве побочного продукта, обеспечивают коалесценцию металлического железа в гранулы при одновременном отделении металлического железа от шлака, и охлаждают металлическое железо и позволяют ему затвердеть,
2
2
2
2
причем упомянутая смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg, Si и щелочной металл как составляющие элементы таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO, SiO и оксид щелочного металла, при этом оксид щелочного металла представлял собой, по меньшей мере, один оксид, выбранный из LiO, NaO и KO,
оксид щелочного металла удовлетворял, по меньшей мере, одному из приведенных ниже выражений (1)-(3), и основность шлака удовлетворяла приведенному ниже выражению (4):
2
(LiO)≥0,03(1)
2
(NaO)≥0,10(2)
2
(KO)≥0,10(3)
2
1,3≤(CaO)+(MgO))/(SiO)≤2,3(4),
2
2
2
2
2
2
2
2
где в выражениях (1)-(4) (LiO), (NaO), (KO), (CaO), (MgO) и (SiO) представляют собой доли (в массовых процентах) LiO, NaO, KO, CaO, MgO и SiO в шлаке, соответственно.
2
2
2
2
Согласно этому способу, смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg, Si и щелочной металл в качестве составляющих элементов таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO, SiO и оксид щелочного металла, оксид щелочного металла представлял собой, по меньшей мере, один оксид, выбранный из LiO, NaO и KO, оксид щелочного металла удовлетворял, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), и основность шлака удовлетворяла указанному выше выражению (4). Как следствие, даже в случае использования углеродсодержащего восстановителя, такого как уголь или кокс, имеющего высокое содержание серы, можно снизить долю серы, которая загрязняет гранулированное металлическое железо, даже в области, где основность шлака составляла 1,7 или более. Можно производить гранулированное металлическое железо, имеющее содержание серы 0,080 массового процента или менее, со степенью выхода, превышающей 98%, то есть в процессе производства можно обеспечить высокий выход гранулированного металлического железа, имеющего сниженное содержание серы.
2
2
2
При этом способе производства смесь исходных материалов в качестве соединения щелочного металла может содержать, например, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из NaO и карбоната натрия, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из KO и карбоната калия, и, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из LiO и карбоната лития, либо нефелин.
В этом случае предпочтительно, чтобы смесь исходных материалов дополнительно содержала в качестве соединения щелочного металла комплексный оксид, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл. Включение комплексного оксида, служащего соединением щелочного металла, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл, в дополнение к оксиду щелочного металла и карбонату щелочного металла приводит к дополнительному снижению содержания серы в гранулированном металлическом железе.
При этом способе производства соединение щелочного металла предпочтительно представляет собой комплексный оксид, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл. Согласно этому способу, смесь исходных материалов содержит комплексный оксид, который имеет температуру плавления 1400°С или ниже и содержит, по меньшей мере, один щелочной металл. Как следствие, в случае нагрева смеси исходных материалов в печи для термического восстановления комплексный оксид легко плавится с быстрым образованием шлака. В результате можно расплавлять смесь исходных материалов за 13,5 минут или менее, что дополнительно улучшает производительность.
При этом способе производства шлак предпочтительно имеет содержание MgO от 5 до 22 массовых процентов. Так как шлак имеет содержание MgO от 5 до 22 массовых процентов, можно сохранить способность к коалесценции частиц восстановленного железа на высоком уровне, даже когда работу выполняют при высокой основности шлака. Как следствие, в процессе производства можно обеспечить высокий выход металлического железа с большим размером зерна.
При этом способе производства предпочтительно, чтобы смесь исходных материалов дополнительно содержала, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из доломитовой руды, MgO и карбоната магния, либо, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из CaO и карбоната кальция. Железная руда, добавляемая как материал, содержащий оксид железа, а также уголь или кокс, добавляемые как углеродсодержащий восстановитель, являются природными продуктами. Следовательно, содержание CaO и содержание MgO меняются в зависимости от их типов. Согласно этому способу, доломитовую руду, MgO, карбонат магния, CaO или карбонат кальция добавляют в смесь исходных материалов в соответствии с изменениями в содержании CaO и содержании MgO в материале, содержащем оксид железа, и углеродсодержащем восстановителе, таким образом, регулируя содержание CaO и содержание MgO в шлаке и основность шлака. Как следствие, можно обеспечить хорошую производительность при производстве гранулированного металлического железа, имеющего сниженное содержание серы.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, способ производства гранулированного металлического железа включает следующие этапы, на которых:
загружают соединение щелочного металла и смесь исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа и углеродсодержащий восстановитель, в печь для термического восстановления, нагревают упомянутую смесь исходных материалов и восстанавливают оксид железа, находящийся в упомянутом материале, содержащем оксид железа, при помощи углеродсодержащего восстановителя с получением металлического железа и шлака в качестве побочного продукта, обеспечивают коалесценцию металлического железа в гранулы при одновременном отделении металлического железа от шлака, и охлаждают металлическое железо и позволяют ему затвердеть,
2
2
2
2
причем упомянутая смесь исходных материалов или соединение щелочного металла содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg, Si и щелочной металл как составляющие элементы таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO, SiO и оксид щелочного металла, оксид щелочного металла представлял собой, по меньшей мере, один оксид, выбранный из LiO, NaO и KO,
оксид щелочного металла удовлетворял, по меньшей мере, одному из приведенных ниже выражений (1)-(3), и основность шлака удовлетворяла приведенному ниже выражению (4):
2
(LiO)≥0,03(1)
2
(NaO)≥0,10(2)
2
(KO)≥0,10(3)
2
1,3≤((CaO)+(MgO))/(SiO)≤2,3(4),
2
2
2
2
2
2
2
2
где в выражениях (1)-(4) (LiO), (NaO), (KO), (CaO), (MgO) и (SiO) представляют собой количества (в массовых процентах) LiO, NaO, KO, CaO, MgO и SiO в шлаке, соответственно.
2
2
2
2
Согласно этому способу, смесь исходных материалов или соединение щелочного металла содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg, Si и щелочной металл в качестве составляющих элементов таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO, SiO и оксид щелочного металла, оксид щелочного металла представляет собой, по меньшей мере, при этом один оксид, выбранный из LiO, NaO и KO, и оксид щелочного металла удовлетворяет, по меньшей мере, одному из указанных выше выражений (1)-(3), причем основность шлака удовлетворяла указанному выше выражению (4). Как следствие, в процессе производства можно обеспечить хороший выход гранулированного металлического железа, имеющего сниженное содержание серы.
2
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения, способ производства гранулированного металлического железа включает этапы загрузки смеси исходных материалов, которая включает материал, содержащий оксид железа, и углеродсодержащий восстановитель, в печь для термического восстановления, нагрева смеси исходных материалов и восстановления оксида железа, находящегося в материале, содержащем оксид железа, при помощи углеродсодержащего восстановителя с получением металлического железа и шлака в качестве побочного продукта, обеспечения коалесценции металлического железа в гранулы при одновременном отделении металлического железа от шлака, и охлаждения и затвердевания металлического железа, причем упомянутая смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, Fe, Ca, Mg и Si как составляющие элементы таким образом, чтобы шлак содержал CaO, MgO и SiO, основность шлака удовлетворяла приведенному ниже выражению (5), и содержание MgO в шлаке удовлетворяло приведенному ниже выражению (6):
2
1,5≤((CaO)+(MgO))/(SiO)≤2,2(5)
13<MgO≤25(6),
2
2
где в выражениях (5) и (6) (CaO), (MgO) и (SiO) представляют собой количества (в массовых процентах) CaO, MgO и SiO в шлаке, соответственно.
2
Согласно этому способу, шлак содержит CaO, MgO и SiO, основность шлака удовлетворяет указанному выше выражению (5), и содержание MgO в шлаке удовлетворяет указанному выше выражению (6). Как следствие, можно снизить долю серы, которая загрязняет гранулированное металлическое железо, даже в области, где основность шлака составляет 1,7 или более. Можно производить гранулированное металлическое железо, имеющее содержание серы 0,080 массового процента или менее, со степенью выхода, превышающей 95%, то есть можно обеспечить высокую производительность при производстве гранулированного металлического железа, имеющего сниженное содержание серы.
В этом способе производства предпочтительно, чтобы смесь исходных материалов дополнительно содержала, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из доломитовой руды, MgO и карбоната магния, либо, по меньшей мере, одно соединение, выбираемое из CaO и карбоната кальция. Железная руда, добавляемая как материал, содержащий оксид железа, а также уголь или кокс, добавляемые как углеродсодержащий восстановитель, являются природными продуктами. Следовательно, содержание CaO и содержание MgO меняются в зависимости от их типов. Согласно этому способу, доломитовую руду, MgO, карбонат магния, CaO или карбонат кальция добавляют в смесь исходных материалов в соответствии с изменениями в содержании CaO и содержании MgO в материале, содержащем оксид железа, и углеродсодержащем восстановителе, таким образом, регулируя содержание CaO и содержание MgO в шлаке и основность шлака. Как следствие, можно обеспечить хорошую производительность при производстве гранулированного металлического железа, имеющего сниженное содержание серы.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предлагается шлак, образующийся в качестве побочного продукта при выполнении любого из описанных выше способов производства. Шлак, образующийся в качестве побочного продукта при выполнении упомянутого способа производства, имеет высокое содержание оксида щелочного металла или высокое содержание MgO по сравнению с обычным шлаком. Таким образом, анализ химического состава шлака выявляет, произведен ли этот шлак при выполнении способа производства гранулированного металлического железа, соответствующего настоящему изобретению, или нет.
Промышленная применимость
При помощи способа производства гранулированного металлического железа, предлагаемого настоящим изобретением, можно обеспечить хорошую производительность при производстве гранулированного металлического железа, имеющего сниженное содержание серы.