СПОСОБ ДЛЯ ПРЯМОЙ ПЛАВКИ И ЦЕХ
METHOD FOR DIRECT MELTING AND DEPARTMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к цеху для прямой плавки и способу прямой плавки для получения расплавленного металла из металлосодержащего исходного материала, такого как руда, частично восстановленная руда и металлосодержащие отходы.
Под термином "плавка" здесь понимается термическая обработка, во время которой при производстве жидкого металла происходят химические реакции, которые восстанавливают оксиды металла.
Известный способ прямой плавки, который использует в основном слой расплавленного металла в качестве реакционной среды, и вообще, известный как процесс HIsmelt, описан в международной заявке PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) и других заявках на выдачу патента, таких как международные заявки PCT/AU2004/000473 (WO2004/090174) и PCT/AU2004/000472 (WO2004/090173) на имя заявителя, которые были поданы позже (которые сосредоточены на получении расплавленного железа из частиц железной руды).
Процесс HIsmelt включает этапы:
(a) формирование ванны расплавленного металла и шлака в емкости для прямой плавки;
(b) вдувание в ванну:
(i) металлосодержащего исходного материала, обычно оксидов металла; и
(ii) твердого углеродсодержащего материала, обычно угля, который действует как восстановитель оксидов металла и источник энергии; и
(c) плавление металлосодержащего исходного материала до металла в слое металла.
В процессе HIsmelt металлосодержащий исходный материал и твердый углеродсодержащий материал вдувают в жидкую ванну через устройства подачи твердых материалов в виде фурм, которые наклонены по вертикали для того, чтобы проходить вниз и внутрь емкости для прямой плавки через боковую стенку, и в нижнюю область емкости для того, чтобы доставить, по меньшей мере, часть твердого материала в слой металла, в нижнюю часть емкости.
2
Процесс HIsmelt также включает последующее дожигание реакционных газов, таких как CO и H, выпускаемых из ванны, потоком горячего воздуха, которым может быть обогащенный кислородом воздух и который вдувается в верхнюю область емкости, по меньшей мере, через одну проходящую вниз фурму для вдувания горячего воздуха, и передачу тепла, выделяемого при последующем дожигании в ванну для того, чтобы увеличить тепловую энергию, необходимую для плавления металлосодержащих исходных материалов.
Горячий воздух, полученный в воздухонагревателях, подается к фурме или фурмам через огнеупорный, футерованный кирпичом трубопровод для горячего воздуха. Воздухонагреватели состоят, по меньшей мере, из двух отдельных ступеней воздухонагревателей, которые работают на двух стадиях, стадии нагрева и стадии теплообмена. На стадии теплообмена воздухонагреватель предоставляет горячий воздух при температурах более 1000°C (здесь и в дальнейшем обозначенный как "подогретый воздух") к фурме для вдувания горячего воздуха, и на стадии нагрева воздухонагреватель регенерирует тепло во внутренней конструкции путем сжигания топлива и прохождения продуктов сгорания через воздухонагреватель. Работа воздухонагревателей скоординирована так, чтобы всегда работал, по меньшей мере, один воздухонагреватель на стадии теплообмена и предоставлял подогретый воздух в любую точку вовремя.
Отходящие газы, возникшие в результате последующего дожигания реакционных газов в емкости, уносятся из верхней части емкости через трубопровод для отвода отходящих газов. Емкость включает футерованные водоохлаждаемые панели на боковой стенке и своде емкости, и вода непрерывно циркулирует через панели по непрерывной схеме.
Процесс HIsmelt позволяет получить прямой плавкой большое количество расплавленного металла, такого как расплавленное железо, в одной небольшой емкости.
Однако для того, чтобы достичь этого, необходимо подавать в емкость большие количества (a) твердых исходных материалов, таких как железосодержащие исходные материалы, углеродсодержащие материалы и флюсы через фурмы для вдувания твердых материалов и (b) подогретый воздух через фурму или фурмы для вдувания горячего воздуха.
Подача твердых исходных материалов и подогретого воздуха в емкость для прямой плавки должна продолжаться в течение периода плавки, который приблизительно составляет, по меньшей мере, 12 месяцев, и важно, чтобы подача этих материалов была постоянной и осуществлялась в течение периода плавки.
В конце периода плавки емкость для прямой плавки останавливают для проведения технического обслуживания, которое обычно включает частичную смену футеровки или полную смену внутренней огнеупорной футеровки емкости. Период остановки может изменяться значительно в зависимости от обстоятельств, в пределах от коротких периодов в 1 месяц до значительно более длительных периодов. Как правило, периоды остановки составляют 8 недель. Предпочтительно, период остановки составляет кратчайшее возможное время.
Одна из проблем, с которой сталкиваются операторы процесса HIsmelt, заключается в том, что полная остановка воздухонагревателей, которые используются для получения подогретого воздуха для процесса в конце периода плавки, составляет через 12-18 месяцев, что является нежелательным. Это совершенно другая ситуация по сравнению с воздухонагревателями горячего воздуха, которые используются доменными печами. Доменные печи, как правило, работают в течение 20 лет перед требуемой сменой футеровки, и это является практичным вариантом к полной остановке воздухонагревателей доменных печи после такого длительного срока службы.
Также является нецелесообразным продолжать использовать воздухонагреватели в течение остановки емкости для прямой плавки так же, как и работу воздухонагревателей в течение периода плавки, то есть вырабатывают очень большое количество подогретого воздуха. В частности, является совершенно неэкономным предложением использовать воздухонагреватели также, когда нет производства металла в емкости для прямой плавки.
Более того, газ, использованный как топливо в течение нормальной работы воздухонагревателей, обычно, является отходящим газом из емкости для плавки и, как правило, недоступным в течение остановки.
Известно, что при временной остановке емкости для плавки, в течение которой не требуется остановка подачи подогретого воздуха из воздухонагревателей, для продолжения сжигания газа временно в камеру для дожигания в воздухонагревателе и для выпуска сгоревшего газа подают газ через купол воздухонагревателя. Однако это не сохраняет огнеупорную кирпичную футеровку трубопровода горячего воздуха в горячем состоянии, которое может привести к проблемам с кирпичной кладкой и компенсационными швами в трубопроводе горячего воздуха.
При таких обстоятельствах существует потребность в экономически эффективном процессе, который поддерживает воздухонагреватели и трубопровод горячего воздуха в течение остановки и уменьшает повреждение оборудования.
Настоящее изобретение предусматривает экономически эффективный и надежный способ и оборудование для поддержания воздухонагревателей и трубопровода горячего воздуха в течение остановки емкости для прямой плавки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предусматривает способ и устройство, которые поддерживают воздухонагреватели и трубопровод горячего воздуха, который соединяет воздухонагреватели с фурмой или фурмами для вдувания горячего воздуха (или горячего обогащенного кислородом воздуха) емкости для прямой плавки в течение остановки емкости.
В частности, в способе поддерживают температуру воздухонагревателей и трубопровода горячего воздуха в температурных интервалах, которые уменьшают повреждение воздухонагревателей и трубопровода горячего воздуха.
Согласно настоящему изобретению предусмотрен способ для поддержания воздухонагревателей и трубопровода горячего воздуха, который соединяет воздухонагреватели с фурмой или фурмами для вдувания горячего воздуха (или горячего обогащенного кислородом воздуха) емкости для прямой плавки в горячем состоянии в течение остановки емкости, который включает:
(a) отсоединение трубопровода горячего воздуха от фурмы или фурм для вдувания горячего воздуха (или горячего обогащенного кислородом воздуха);
(b) управление горелкой каждого воздухонагревателя, использующей газообразное топливо и поток воздуха и образующей поток продуктов сгорания, которые протекают по газовому тракту воздухонагревателя от одного конца к его противоположному концу и, таким образом, нагревают огнеупорную насадку воздухонагревателя на стадии нагрева воздухонагревателя и;
(с) передачу тепла от каждого воздухонагревателя трубопроводу горячего воздуха на стадии теплообмена воздухонагревателя путем подачи потока воздуха к упомянутому противоположному концу газового тракта, и затем последовательное прохождение потока воздуха через газовый тракт воздухонагревателя и трубопровода горячего воздуха, в результате чего воздушный поток нагревается при помощи теплообмена с огнеупорной насадкой воздухонагревателя, и воздухонагреватель охлаждается при помощи такого теплообмена, и образующийся горячий поток воздуха нагревает трубопровод горячего воздуха.
В течение остановки емкости основная цель заключается в том, чтобы гарантировать, что воздухонагреватель и трубопровод горячего воздуха поддерживаются в пределах рабочих температурных интервалов, которые предотвращают повреждения воздухонагревателей и трубопроводов горячего воздуха. Заявитель установил, что эта цель может быть достигнута при работе воздухонагревателей в течение остановки для создания сильно отличающихся условий теплопереноса, чем условий теплопереноса, которые требуются в течение нормальной работы воздухонагревателей для подачи потока горячего воздуха в емкость для прямой плавки. Заявитель также установил, что объемные расходы продуктов сгорания и горячего воздуха через воздухонагреватели являются важными факторами при создании требуемых условий теплопереноса в течение остановки. Более того, заявитель определил, что объемные расходы продуктов сгорания и горячего воздуха через воздухонагреватели могут быть доставлены воздушным вентилятором для горения, который используется обычно для подачи воздуха для горения к горелке воздухонагревателя на стадии нагрева воздухонагревателя. Таким образом, воздушный вентилятор может быть успешно использован как вентилятор с двойной функцией для подачи воздуха на стадии нагрева и на стадии теплообмена в течение остановки. Более того, заявитель установил, что модифицированная конструкция трубопровода горячего воздуха является эффективной для оптимизации поддержания воздухонагревателей и трубопровода горячего воздуха в течение остановки.
Предпочтительно, способ включает координирование операций стадии нагрева и стадии теплообмена каждого воздухонагревателя в течение остановки так, чтобы воздухонагреватели подавали непрерывно горячий поток воздуха к трубопроводу горячего воздуха в течение остановки.
Предпочтительно, объемный расход продуктов сгорания, выработанных на этапе (b) в течение остановки относительно небольшой, по сравнению с объемным расходом продуктов сгорания, образовавшихся в течение стадий нагрева воздухонагревателей, когда воздухонагреватели работают при нормальных условиях работы с трубопроводом горячего воздуха, соединенным с фурмой или фурмами для вдувания горячего воздуха.
Предпочтительно, объемный расход продуктов сгорания, выработанных на этапе (b) в течение остановки составляет 50% или менее объемного расхода продуктов сгорания, выработанных в течение нормальных стадий нагрева воздухонагревателей.
Более предпочтительно, объемный расход продуктов сгорания, выработанных на этапе (b) в течение остановки составляет 40% или менее от объемного расхода продуктов сгорания, выработанных в течение нормальных стадий нагрева воздухонагревателей.
Предпочтительно, объемный расход горячего воздуха, выработанного на этапе (c) в течение остановки относительно небольшой, по сравнению с объемным расходом горячего воздуха, выработанным в течение стадий теплообмена воздухонагревателей, когда воздухонагреватели работают при нормальных условиях работы с трубопроводом горячего воздуха, соединенным с фурмой или фурмами для вдувания горячего воздуха.
Предпочтительно, объемный расход горячего воздуха, выработанного на этапе (c) в течение остановки, составляет 50% или менее объемного расхода горячего воздуха, выработанного в течение нормальных стадий нагрева воздухонагревателей.
Более предпочтительно, расход горячего воздуха, выработанного на этапе (c) в течение остановки составляет 40% или менее от объемного расхода горячего воздуха, выработанного в течение нормальных стадий нагрева воздухонагревателей.
Предпочтительно, способ включает использование одного и того же вентилятора или вентиляторов для подачи потоков воздуха к каждому воздухонагревателю в течение стадии нагрева и стадии теплообмена воздухонагревателя в течение остановки.
Предпочтительно, горячий воздух, выработанный на этапе (c), выпускается через устройство для выпуска, соединенное с трубопроводом горячего воздуха.
Предпочтительно, устройства для выпуска расположено ближе к переднему концу трубопровода горячего воздуха, то есть концу, который соединен с фурмой или фурмами для вдувания горячего воздуха.
Предпочтительно, газообразным топливом является природный газ.
В дополнение к вышеописанным этапам, способ может включать дополнительные этапы в течение остановки.
Например, способ может включать дополнительный этап передачи тепла от одного или более воздухонагревателя путем подачи потока воздуха к противоположному концу газового тракта воздухонагревателя или воздухонагревателей и затем последовательное прохождение потока воздуха через газовый тракт, и впоследствии выпуск потока воздуха без прохождения потока воздуха через трубопровод горячего воздуха, в результате чего поток воздуха нагревается теплообменом с огнеупорной насадкой воздухонагревателя или воздухонагревателей, и воздухонагреватель или воздухонагреватели охлаждаются при таком теплообмене. Этот этап способа является подходящим в ситуациях, когда температура трубопровода горячего воздуха находится в подходящем температурном интервале и не требуется дальнейший теплоперенос к трубопроводу, и воздухонагреватель или воздухонагреватели, о которых идет речь, имеют температуру выше минимальной температуры остановки и могут обеспечить дальнейший теплоперенос к потоку воздуха. Более предпочтительно, этот этап способа включает выпуск горячего потока воздуха из воздухонагревателя или воздухонагревателей путем прохождения потока через подводящий трубопровод отходящего газа воздухонагревателя или воздухонагревателей.
В качестве дальнейшего примера способ может включать дополнительный этап "наполнения" одного или более воздухонагревателей полностью на время в течение остановки. Как и в предшествующем параграфе, этот этап способа является подходящим в ситуациях, когда температура трубопровода горячего воздуха находится в подходящем температурном интервале и не требуется дальнейший теплоперенос к трубопроводу, в то же время и воздухонагреватель или воздухонагреватели, о которых идет речь, имеют температуру выше минимальной температуры остановки.
В любой ситуации продолжительность вышеописанных этапов способа в течение остановки будет определена, исходя из ряда факторов, включая факторы, описанные в следующих параграфах.
Как правило, каждый воздухонагреватель имеет основную камеру теплообмена, которая снабжена огнеупорной насадкой, и упомянутая противоположная секция конца газового тракта находится в нижней секции камеры и проходит по кривой вверх через насадку. Более того, обычно насадка закреплена на металлической сетке в нижней секции камеры.
Важно, чтобы на стадии нагрева в течение остановки не нагревалась опорная сетка насадки до температур, при которых сетка теряет значительную механическую прочность, то есть теряет механическую прочность до степени, при которой нарушается внутренняя структурная целостность огнеупорной насадки.
В такой ситуации способ, предпочтительно, включает управление стадией нагрева каждого воздухонагревателя в течение остановки до тех пор, пока температура в нижней секции основной камеры и, более предпочтительно, опорной сетки насадки приблизится, но не достигнет температуры, при которой опорная сетка насадки теряет значительную механическую прочность.
Как правило, опорная сетка насадки выполнена из чугуна. Чугун начинает терять механическую прочность до степени, которая является причиной для беспокойства при температурах выше 350°C.
В таких ситуациях способ, предпочтительно, включает управление стадией нагрева каждого воздухонагревателя в течение остановки до температуры в нижней секции основной камеры воздухонагревателя, приближающейся, но не достигающей 350°C.
В качестве дальнейшего примера, обычно, каждый воздухонагреватель включает куполообразную секцию, которая футерована динасовыми кирпичами. Динасовые кирпичи подвергаются фазовому превращению при температуре 875°C, что приводит изменению объема и, исходя из этого, является нежелательным охлаждать куполообразную секцию до температуры фазового превращения или ниже температуры фазового превращения в течение остановки.
В ситуации, в которой один или более одного воздухонагревателя имеют динасовые кирпичи в куполообразной секции, способ, предпочтительно, включает управление процессом в течение остановки так, чтобы температура куполообразной секции воздухонагревателя или воздухонагревателей оставалась выше температуры фазового превращения.
В качестве дальнейшего примера, обычно, трубопровод горячего воздуха включает множество секций, футерованных огнеупорным кирпичом, и множество компенсационных швов, которые соединяют футерованные кирпичом секции. В такой ситуации тепловые циклические нагрузки могут нанести ущерб кладке и швам, и, исходя из этого, являются нежелательными.
Следовательно, способ, предпочтительно, включает контролирование процесса в течение остановки так, чтобы было минимальное циклическое воздействие температуры на трубопровод горячего воздуха.
Согласно настоящему изобретению также обеспечивают устройство для подогрева воздуха для завода, осуществляющего прямую плавку для получения расплавленного металла из металлосодержащего исходного материала, которое включает:
(a) множество воздухонагревателей для создания потоков подогретого воздуха для завода прямой плавки;
(b) трубопровод горячего воздуха для подачи подогретого воздуха из воздухонагревателей в устройства для вдувания газа, проходящие в емкость для прямой плавки, когда завод работает при нормальных условиях работы и производит расплавленный металл из металлосодержащего исходного материала в емкости, когда завод работает;
(c) устройство для подачи газообразного топлива для подачи газообразного топлива к горелке каждого воздухонагревателя в течение нормальных условий работы завода и в течение остановки емкости;
(d) первое устройство для подачи воздуха для подачи воздуха (i) к горелке каждого воздухонагревателя в течение стадии нагрева воздухонагревателя, при нормальных условиях работы завода, и (ii) к горелке каждого воздухонагревателя в течение стадии нагрева воздухонагревателя при остановке емкости;
(e) второе устройство для подачи воздуха для подачи воздуха к каждому воздухонагревателю в течение стадии теплообмена воздухонагревателей при нормальных условиях работы завода; и
(f) вентиляционный канал в трубопроводе горячего воздуха, позволяющий потокам горячего воздуха, образовавшимся на стадии теплообмена каждого воздухонагревателя, проходить из трубопровода горячего воздуха после протекания через него и нагревания трубопровода.
Предпочтительно, вентиляционный канал включает концевую заглушку, которая закрывает выход вентиляционного канала, когда происходит способ прямой плавки, и открывает его, когда емкость остановлена.
Предпочтительно, вентиляционный канал имеет змеевидную траекторию между трубопроводом горячего воздуха и выходом вентиляционного канала. Назначением змеевидной траектории является избежание прямого воздействия концевой заглушки на теплоту излучения трубопровода горячего воздуха в течение способа прямой плавки, когда заглушка находится на месте и закрывает выход.
Предпочтительно вентиляционный канал проходит горизонтально наружу из трубопровода горячего воздуха, а затем вверх и внутрь в положение над трубопроводом горячего воздуха и затем вверх к выходу.
Термин "горизонтально" понимается здесь, как расположение, которое находится в пределах 15(выше или ниже горизонтального расположения.
Предпочтительно, вентиляционный канал расположен ближе к переднему концу трубопровода горячего воздуха, то есть концу, который соединен с фурмой или фурмами для вдувания горячего воздуха.
Предпочтительно, первое устройство для подачи воздуха предназначено для подачи воздуха к отдельному входному отверстию каждого воздухонагревателя на стадии теплообмена воздухонагревателя при остановке емкости, когда второе устройство для подачи воздуха не функционирует.
Предпочтительно, устройство содержит клапанное устройство, позволяющее первому устройству подачи воздуха переключаться с подачи воздуха к горелкам каждого воздухонагревателя на подачу к отдельному входному отверстию воздухонагревателя, как требуется в течение остановки емкости.
Согласно настоящему изобретению также обеспечивают завод для прямой плавки для получения расплавленного металла из металлосодержащего исходного материала, который содержит:
(a) емкость для прямой плавки для вмещения жидкой ванны металла и шлака и пространства, заполненного газом над ванной;
(b) устройства для подачи твердых материалов в емкость;
(c) устройства вдувания газа, проходящие вниз в емкость для вдувания подогретого воздуха в газовое пространство над ванной;
(d) устройства для отвода отходящих газов для содействия удаления потока отходящего газа из емкости;
(e) устройства для выпуска металла и шлака, для выпуска расплавленного металла и шлака из ванны и перемещения этого расплавленного металла от емкости; и
(f) вышеописанное устройство подогрева воздуха для емкости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты настоящего изобретения будут описаны в дальнейшем более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показано:
фиг.1 - схема, которая иллюстрирует основные компоненты одного варианта завода для прямой плавки, в соответствии с настоящим изобретением, которые соответствуют описанию варианта изобретения;
фиг.2 - вид сбоку емкости для прямой плавки вышеупомянутого завода;
фиг.3 - вертикальный разрез по трубопроводу горячего воздуха и вентиляционному каналу трубопровода вышеупомянутого завода, с вентиляционным каналом, установленным для способа прямой плавки;
фиг.4 - вертикальный разрез по трубопроводу горячего воздуха и вентиляционному каналу трубопровода вышеупомянутого завода с вентиляционным каналом, установленным для остановки завода;
фиг.5 - вертикальный разрез по воздухонагревателю вышеупомянутого завода; и
фиг.6 - схема, которая иллюстрирует основные компоненты другого варианта завода для прямой плавки в соответствии с настоящим изобретением, которые соответствуют описанию варианта изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее описание применительно к плавке частиц железной руды для получения расплавленного железа, в соответствии с процессом HIsmelt, как описано в вышеупомянутой международной заявке на выдачу патента PCT/AU96/00197. Раскрытие описания патента в международной заявке включено здесь посредством ссылки.
Завод для прямой плавки, показанный на чертежах, включает емкость 11 для прямой плавки, два воздухонагревателя 27 для вырабатывания потоков горячего воздуха, трубопровод 29 горячего воздуха для подачи потоков горячего воздуха из воздухонагревателей 27 в емкость 11, нагнетатель 31 холодного воздуха, трубопровод 38 для подачи холодного воздуха и линии передачи 37 холодного воздуха для подачи воздуха под давлением к воздухонагревателям 27, в течение нормальной работы воздухонагревателей 27, два вентилятора 35 воздуха горения и линии передачи 39a и 39b воздуха горения для подачи воздуха при температуре окружающей среды и давлении к воздухонагревателям 27 при нормальной работе емкости и также при остановке емкости 11. Линии передачи 37, 39a и 39b включают регулируемые клапаны для регулирования потока воздуха, проходящего через линии.
Емкость 11 такого типа подробно описана в вышеупомянутых международных заявках PCT/AU2004/000473 (WO2004/090174) и PCT/AU2004/000472 (W02004/090173), и раскрытие описаний патентов в этих заявках включено здесь посредством ссылки.
Со ссылкой сначала на фиг.2, емкость 11 содержит горн 13, как правило, цилиндрический корпус 15, проходящий вверх от пода, круглый свод 17, камеру 19 отходящих газов, трубопровод 21 отходящих газов для выпуска отходящих газов, накопитель 23 для непрерывного выпуска расплавленного металла, и летку (не показана) для выпуска расплавленного шлака в течение плавки.
Емкость 11 также содержит фурму 41 для вдувания горячего воздуха для подачи потока горячего воздуха в верхнюю область емкости 11. Фурма установлена по центру для прохода вниз через камеру 19 отходящих газов в верхнюю область корпуса 15. На фиг.2 видна только верхняя секция фурмы 41 для вдувания горячего воздуха. Фурма соединена с трубопроводом 29 горячего воздуха.
Со ссылкой на все чертежи, емкость 11 также содержит множество фурм для вдувания твердых материалов (не показаны), проходящих вниз и внутрь через отверстия (не показаны) в боковых стенках нижней части корпуса 15 для вдувания частиц железной руды, твердых углеродсодержащих материалов, и флюсов, захватываемых газом-носителем с недостатком кислорода в емкость.
Трубопровод 21 отходящих газов емкости 11 переносит отходящий из емкости 11 газ. Отходящий газ разбивается на два потока, один поток поступает в воздухонагреватели 27, а другой поток поступает на станцию обработки (не показана) для подогрева железной руды, загружаемой в емкость 11. Трубопровод 21 отходящих газов включает слегка наклонную первую секцию 21а, проходящую из верхней части корпуса 19 емкости 11 и проходящую вертикально вторую секцию 21b, которая проходит из первой секции 21a.
Трубопровод 29 горячего воздуха футерован огнеупорным кирпичом, и обычно составляет, по меньшей мере, 75 м длины, кругового сечения, как показано на фиг.2-4.
Трубопровод 29 горячего воздуха содержит вентиляционный канал 61 рядом с его нижним концом, ближним к фурме 41 для вдувания горячего воздуха.
На фиг.3 показан вентиляционный канал 61, установленный для процесса HIsmelt, а на фиг.4 показан вентиляционный канал 61, установленный при остановке процесса HIsmelt.
Основное различие между этими двумя размещениями заключается в том, что при размещении, показанном на фиг.3, имеется концевая заглушка 91, которая герметично закрывает вентиляционный канал 61 при операции процесса HIsmelt, а при размещении, показанном на фиг.4, имеется изогнутая секция 93, которая заменяет концевую заглушку 91 в течение периода остановки. Целью изогнутой секции 93 является направление потока горячего воздуха из вентиляционного канала 61 от оборудования около вентиляционного канала и предотвращение попадания потока воды в вентиляционный канал 61.
Дальнейшее различие заключается в том, что при расположении, показанном на фиг.4, запирающая пластина (не показана), обычно устанавливается в трубопровод 29 горячего воздуха, соединенный с кислородной фурмой 41 горячего воздуха в течение остановки процесса HIsmelt. Запирающая пластина служит для отделения трубопровода горячего воздуха 29 от фурмы 41 горячего воздуха и, таким образом, гарантирует, что весь поток горячего воздуха, поданный к трубопроводу горячего воздуха, проходит через вентиляционный канал 61 в течение остановки емкости, как описано далее.
Со ссылкой на фиг.3 и 4, вентиляционный канал 61 имеет змеевидную траекторию для горячего воздуха, протекающего из трубопровода 29 горячего воздуха в атмосферу, когда емкость не работает. Назначение змеевидной траектории заключается в том, чтобы избежать прямого воздействия концевой заглушки 91 на теплоту излучения трубопровода 29 горячего воздуха в течение процесса HIsmelt, когда размещена концевая заглушка 91.
Вентиляционный канал 61 включает U-образную секцию, которая имеет одно колено 68, которое проходит горизонтально наружу из трубопровода 27 горячего воздуха, основание 65, которое проходит вертикально вверх, и другое колено 67, которое проходит горизонтально внутрь, в положение над трубопроводом 27 горячего воздуха. Вентиляционный канал 61 также включает вертикальную секцию 69, которая проходит вверх из колена 67 U-образной секции.
В расположениях, показанных на фиг.3 и 4, колено 68 и половина основания 65 U-образной секции вентиляционного канала 61 футерованы огнеупорными кирпичами. Остальной вентиляционный канал 61 футерован литым материалом.
В процессе плавки, в соответствии с процессом HIsmelt, емкость 11 содержит жидкую ванну железа и шлака, которая включает слой расплавленного металла и слой расплавленного шлака на слое металла. Подходящий газ-носитель переносит частицы железной руды, угля и флюса в жидкую ванну через фурмы для вдувания твердых материалов. Поток твердых материалов и газа-носителя вызывает прохождение твердого материала через слой металла в емкости 11. Уголь дегазируется и, таким образом, образует газ в слое металла. Углерод частично растворяется в металле и частично остается, как твердый углерод. Частицы руды расплавляются до металла, и в результате реакции плавления образуется оксид углерода. Газы, перенесенные в слой металла, и образованные в результате удаления летучих веществ и реакций плавления вызывают значительный подъем расплавленного металла, твердого углерода и шлака (вовлеченных в слой металла, как последствие вдувания твердого материала/газа), которые образуют перемещение вверх всплесков, капель и потоков расплавленного металла, твердого углерода и шлака. Эти всплески, капели и потоки уносят шлак, поскольку они двигаются через слой шлака. Подъем расплавленного металла, твердого углерода и шлака вызывает значительное перемешивание слоя шлака в емкости, в результате чего слой шлака увеличивается в объеме. Более того, перемещение вверх всплесков, капель и потоков расплавленного металла, твердого углерода и шлака проходит в пространство над ванной расплавленного металла и образует переходную зону.
Вдувание горячего воздуха через фурму 41 для вдувания горячего воздуха вызывает последующее дожигание реакционных газов, таких как оксид углерода и водород (которые выделяются в течение удаления летучих веществ угля и реакций плавления), в верхней части емкости. Отходящие газы, образовавшиеся в результате дожигания реакционных газов в емкости, уносятся из верхней части емкости через трубопровод 21 отходящих газов. Жидкий металл, полученный в течение процесса плавки, выпускается из емкости 11 через систему выпуска металла, которая содержит накопитель 23.
Последующее дожигание реакционных газов образует значительное тепло и количество тепла передается всплескам, каплям и потокам расплавленного металла, твердого углерода и шлака, и тепло передается ванне расплавленного металла, когда капли, всплески и потоки возвращаются в ванну. Переданное ванне тепло способствует протеканию эндотермических реакций плавления в ванне.
Со ссылкой на фиг.5, каждый воздухонагреватель 27 имеет обычную конструкцию и включает горелку (не показана) и вертикальную цилиндрическую конструкцию (с куполообразной крышей 81), образованную из внешнего металлического кожуха 83 и внутренней огнеупорной кирпичной футеровки 85 и внутренней вертикальной перегородки 87, которая разделяет конструкцию на камеру 51 для дожигания с одной стороны и основную камеру 57 теплообмена с другой стороны. Камера 57 теплообмена и камера 51 для дожигания соединены с куполообразной секцией 55. Вместе, камера 57 теплообмена, куполообразная секция 55 и камера 51 для дожигания образуют газовый тракт через воздухонагреватель.
В течение стадии нагрева каждого воздухонагревателя 27 при плавлении в емкости 11, горелка вырабатывает поток продуктов сгорания, которые поступают к камере 51 для дожигания и проходят вверх через камеру 51 для дожигания в куполообразную секцию 55 воздухонагревателя 27. Продукты сгорания затем проходят вниз через систему огнеупорной насадки в основной камере 57 теплообмена воздухонагревателя 27 и нагревают насадку. Затем охлажденные продукты сгорания проходят из воздухонагревателя 27 через отверстие 59 в нижней секции камеры 57 теплообмена. Нижняя секция камеры 57 теплообмена сформирована, как газовая камера 64 для прохождения газового потока. В этом случае воздухонагреватель 27 включает расположенную горизонтально сеть 63, поддерживаемую колоннами 65, которые поддерживают насадку. Сеть 63 и колонны 65 выполнены из чугуна.
В течение стадии нагрева каждого воздухонагревателя 27 при плавлении в емкости 11 газообразное топливо в виде выпущенного из емкости 11 отходящего газа подается к горелке (не показана), и воздух для горения при температуре окружающей среды подается к горелке воздушным вентилятором 35 и в линию передачи 39b для воздухонагревателя 27 (фиг.1), и продукты сгорания, выработанные горелкой, нагревают воздухонагреватель 27.
На стадии теплообмена каждого воздухонагревателя 27 при плавлении в емкости 11 горелка не используется, и поток воздуха направляется через воздухонагреватель 27 в направлении, противоположном потоку продуктов сгорания. В частности, воздух подается к отверстию 59 в воздухонагревателе 27 и проходит вверх из газовой камеры 64 через камеру 57 теплообмена. Поток воздуха нагрет при помощи теплообмена с насадками, поскольку поток воздуха проходит через камеру 57 теплообмена. Горячий воздух проходит вблизи куполообразной секции 55 и вниз через камеру 51 для дожигания и покидает камеру через отверстия 71 для горячего воздуха в нижней секции камеры 51 для дожигания. Отверстие 71 для горячего воздуха соединено с трубопроводом 29 горячего воздуха.
В течение стадии теплообмена каждого воздухонагревателя 27, при плавлении в емкости 11, воздух под давлением (упоминаемый как "холодный воздух") подается на линию передачи 37 для воздухонагревателя 27 (фиг.1) от нагнетателя 31 холодного воздуха, которым является вентилятор высокого давления, который может поставлять большие количества сжатого воздуха. Полученный поток горячего воздуха, который выходит из воздухонагревателя 27 через отверстие 71 для горячего воздуха, упоминается как "горячий воздух" или "поток горячего воздуха". Горячий воздух проходит по трубопроводу 29 горячего воздуха к фурме 41 для вдувания горячего воздуха в емкости 11 для прямой плавки.
Как правило, при плавлении в емкости 11 процесс HIsmelt требует непрерывного потока горячего воздуха при температуре 1200°C. Для достижения этого огнеупорный материал в куполообразной секции 55 каждого воздухонагревателя 27 нагревают до температур выше 1200°C в течение стадии нагрева каждого воздухонагревателя 27 так, чтобы исходный горячий воздух из воздухонагревателя 27 имел температуру выше заданной 1200°C. Холодный воздух подается к воздухонагревателям 27 до тех пор, пока его температура не упадет до 1200°C, после чего воздухонагреватель повторяет стадию нагрева, и горячий воздух получают из другого воздухонагревателя 27. Для достижения постоянной температуры горячего воздуха 1200°C часть холодного воздуха смешивается с горячим воздухом при помощи смесителя 43 (смотрите вариант изобретения на фиг.6) так, чтобы средняя заданная температура горячего воздуха была 1200°C.
3
3
3
3
В течение процесса плавки процесс HIsmelt требует значительное количество горячего воздуха. Поэтому нагнетатель 31 холодного воздуха должен быть способен вырабатывать значительное количество воздуха для подачи через воздухонагреватели 27 и по трубопроводу 29 горячего воздуха к фурме 41 для вдувания горячего воздуха. Более того, воздухонагреватели 27 и трубопровод 29 горячего воздуха должны быть значительных размеров для размещения большого количества воздуха. Как правило, нагнетатель 31 холодного воздуха поставляет приблизительно 110000 Нм/ч сжатого воздуха при давлении приблизительно 170 кПа (эталонная величина). Холодный воздух может быть обогащен кислородом приблизительно 30000 Нм/ч для того, чтобы воздухонагреватели вырабатывали приблизительно 140000 Нм/ч горячего воздуха, который подается к трубопроводу горячего воздуха и плавильной восстановительной емкости в течение нормальной работы. Вентиляторы воздуха горения поставляют приблизительно 74000 Нм/ч воздуха при давлении приблизительно 13 кПа (эталонная величина). Воздухонагреватели 27 также работают в течение остановки емкости 11 для поддержания температуры в воздухонагревателях 27 и трубопроводе 29 горячего воздуха.
В частности, каждый воздухонагреватель 27 работает со стадиями нагрева и теплообмена в течение остановки емкости. Эти стадии поддерживают температуру воздухонагревателей 27 в пределах заданного температурного интервала и переносят тепло к трубопроводу 29 горячего воздуха для поддержания температуры трубопровода 29 горячего воздуха в пределах заданного температурного интервала.
В течение стадии нагрева каждый воздухонагреватель 27 при остановке емкости 11 (и не доступен отходящий газ, как источник энергии) природный газ подается к горелке из источника (не показан) через трубопровод 91 природного газа и линию передачи 93, и воздух для горения при температуре окружающей среды подается к горелке через вентилятор 35 воздуха горения и линию передачи 39b (фиг.1), и продукты сгорания вырабатываются теплом горелки воздухонагревателей 27. Как правило, продукты сгорания нагревают куполообразную секцию 55 воздухонагревателей 27 до температур приблизительно 1250°C. Стадия нагрева продолжается до тех пор, пока температура расположенной горизонтально чугунной опорной сетки 63 насадки и колонны 65 приближалась, но не достигала 350°C. Основанием для выбора температуры в 350°C является то, что чугун начинает терять заметную механическую прочность выше этой температуры.
В течение стадии теплообмена каждого воздухонагревателя 27 течение остановки емкости 11, холодный воздух подается к отверстию 59 воздухонагревателя 27 через нагнетатель 31 холодного воздуха при плавлении в емкости 11 и замещается воздухом при температуре и давлении окружающей среды. Этот воздух подается к линии передачи 37 от воздушного вентилятора 35 для воздухонагревателей 27 через линию передачи 39a (фиг.1). Полученный горячий поток воздуха выходит из воздухонагревателей 27 через отверстие 71 для горячего воздуха и проходит по трубопроводу 29 горячего воздуха к вентиляционному каналу 61, из которого он выпускается. Горячий поток воздуха нагревает трубопровод 29 горячего воздуха так, чтобы температура в трубопроводе 29 горячего воздуха была выше заранее заданной минимальной температуры. Вентилятор 35 воздуха горения подает значительное количество воздуха для удовлетворения требований теплопередачи в течение остановки. Стадия теплообмена продолжается до тех пор, пока куполообразная секция купола 55 воздухонагревателя охладится до 900°C. При температурах ниже этой температуры динасовые кирпичи в куполообразной секции 55 подвергаются фазовым превращениям, которые приводят к нежелательному изменению объема кирпичей.
Предпочтительно, временем стадий нагрева и теплообмена обоих воздухонагревателей 27 в течение остановки управляют так, чтобы не было никакого совпадения этих стадий, и один воздухонагреватель 27 работал на стадии нагрева, а другой, в то же время работал на стадии теплообмена, и наоборот.
Способ также включает необязательный этап отвода потоков горячего воздуха, выработанных на стадиях теплообмена воздухонагревателей 27, из трубопровода 29 горячего воздуха в ситуациях, когда трубопровод находится в заданном температурном интервале и не требуется дальнейшее нагревание.
Способ также включает необязательный этап наполнения воздухонагревателей 27 полностью в ситуациях, когда воздухонагреватели и трубопровод 29 горячего воздуха находятся в заданном температурном интервале, и не требуется дальнейшее нагревание.
На фиг.6 показан альтернативный вариант, хотя и не единственно возможный альтернативный вариант, показанный на фиг.1. Оба варианта включают воздушные вентиляторы. Однако на фиг.1 вентиляторы работают независимо и подают воздух горения к линиям передач 39a и 39b отдельно. На фиг.6 вентиляторы работают для подачи воздуха горения в один трубопровод 42, который подает воздух горения к линиям передач 39a и 39b. Это обеспечивает небольшой избыток в системе воздуха горения и позволяет поддержать вентиляторы в течение периода плавки. Это также позволяет вентиляторам работать в тандеме для того, чтобы обеспечить комбинированный поток воздуха.
Много изменений могут быть сделаны к вариантам настоящего изобретения, описанного выше, не выходя за пределы и сущность действия изобретения.
Например, в то время как настоящее изобретение было описано применительно к способу прямой плавки, может быть легко оценено, что описанный способ для поддержания воздухонагревателей и трубопровода горячего воздуха не так ограничен и распространяется на воздухонагреватели и трубопроводы горячего воздуха, которые используются для других целей.