СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DIRECT REDUCTION OF IRON AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к способам для прямого восстановления металлов группы железа из дисперсного оксидного сырья газообразными и дисперсными восстановителями в плазменных печах.
В качестве наиболее перспективного приема для прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья современная наука предлагает восстановление в тонкой пленке расплава сырья, создаваемой на стенке цилиндрической плавильной камеры, за счет ввода дисперсного сырья восстановительным газом тангенциально к стенке либо за счет вращения всей плавильной камеры. Примеры таких способов восстановления и конструкций плазменных печей содержатся в обзорных работах (Ю.В.Цветков, С.А.Панфилов. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. М.: Наука, 1980 г., с.с.237-241, Энциклопедический словарь по металлургии, т.2, М., «Интернет Инжиниринг», 2000 г.).
Основным недостатком известных способов и конструкций является невозможность управления энерговводом в пленку по пути ее движения, что не позволяет оптимизировать процесс восстановления.
Ближайшим прототипом предлагаемого способа является способ прямого восстановления железа из дисперсного оксидного сырья, включающий возбуждение плазмы дугового разряда в восстановительном газе, вдув шихты тангенциально стенке цилиндрической плавильной камеры плазменной печи, ее расплавление, образование пленки на стенке камеры, восстановление шихты, сбор и раздельный выпуск металла и шлака (US №4002466). Согласно этому способу шихту вводят с помощью заранее образованной плазменной струи восстановительного газа в верхнюю часть плавильной камеры. Восстановление идет как в объеме потока шихты, так и в пленке расплава, образующейся на стенке камеры, и заканчивается в форкамере, где происходит накопление продукта и разделение его на металлическую и шлаковую фазы. Камера является анодом плазмогенератора. Интенсивно закрученный газодисперсный поток образует на стенках камеры пленку расплава. Благодаря высоким температуре и скорости восстановительного газа в форкамере - аноде процесс на поверхности жидкой пленки протекает достаточно быстро и времени пребывания шихты в форкамере оказывается достаточно для ее восстановления, если исходный размер частиц окислов железа не слишком велик - 35-50 мкм.
Недостаток такого способа получения жидкой пленки расплава шихты, стекающей по стенке форкамеры, заключается в неуправляемом перемещении анодного пятна дуги по поверхности пленки, сопровождающемся таким же перемещением места максимального выделения энергии. Изменение длины дуги и положения ее пятна влияет на режим течения пленки за счет изменения ее вязкости и предопределяет нестабильность процесса восстановления. В результате трудно получить железо требуемого качества.
Ближайшим прототипом устройства для реализации предлагаемого способа является СВЧ плазмохимический реактор, подсоединенный к источнику восстановительного газа и питателю шихты и состоящий из металлической разрядной камеры в виде трубы с крышкой, днищем, боковой стенкой и со сборником продукта под выпускным отверстием в днище, узла ввода СВЧ-энергии с коаксиальной частью в виде двух коаксиальных труб, металлической внешней и электропроводящей внутренней, причем внутренняя труба подключена к одному из полюсов источника электрического напряжения, переходного узла, состоящего из металлического тела в форме усеченного конуса, большее основание которого обращено к разрядной камере, расположенного вокруг внутренней трубы, и металлического кожуха, размещенного коаксиально металлическому телу и соединенного с внешней трубой, формирователя дополнительного вихревого газового потока и размещенных на боковой стенке разрядной камеры тангенциально к стенке сопел ввода восстановительного газа и установленного вокруг разрядной камеры источника магнитного поля (RU №2270536). Ко второму полюсу источника электрического напряжения подключена металлическая труба, установленная в днище. Стенка камеры может находиться под любым потенциалом, в том числе под потенциалом земли.
Недостаток этого устройства заключается в том, что пленка расплава, обеспечивающая полное восстановление, образуется лишь на стенке трубы - сборника, в то время как дисперсная шихта движется через объем плазмы по кратчайшей траектории вдоль оси камеры и, несмотря на то, что именно вдоль оси производится основной энерговклад, шихта не успевает восстановиться. Кроме того, ввод шихты через внутреннюю трубу узла ввода СВЧ-энергии, диаметр которой связан с длиной электромагнитной волны, ограничивает производительность устройства.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в стабилизации и увеличении производительности процесса восстановления и оптимизации энергозатрат при получении железа необходимого качества.
Технический результат заключается в обеспечении гарантированного пропускания шихты через зону плазменного разряда. Дополнительный результат заключается в достижении оптимального распределения энерговклада по пути движения пленки расплавленной шихты.
Указанный результат достигается в настоящем изобретении, одним аспектом которого является способ прямого восстановления рудного сырья. Сущность предлагаемого способа прямого восстановления железа из дисперсного оксидного сырья заключается в том, что дуговую плазму в объеме плавильной камеры возбуждают плазменным СВЧ-разрядом и в нее вдувают шихту в потоке восстановительного газа, при этом через плазму дополнительно пропускают электрический ток в поперечном к оси направлении, внутри камеры создают осевое магнитное поле.
Кроме того, восстановительный газ предварительно нагревают с помощью дугового плазмотрона, магнитное поле периодически перемещают вдоль оси камеры, через полость осевого графитового электрода вводят третий поток восстановительного газа, СВЧ-мощность модулируют по величине с частотой ультразвукового диапазона.
Другим аспектом изобретения является устройство, в первом предпочтительном варианте представляющее собой СВЧ-плазмохимический реактор для прямого восстановления железа из дисперсного оксидного сырья, подсоединенный к источнику восстановительного газа и питателю шихты и состоящий из металлической разрядной плавильной камеры в виде цилиндрической трубы с крышкой, днищем, боковой стенкой и со сборником продукта под выпускным отверстием в днище, узла ввода СВЧ-энергии с коаксиальной частью в виде двух коаксиальных труб, металлической внешней и электропроводящей внутренней, причем внутренняя труба подключена к одному из полюсов источника электрического напряжения, переходного узла, состоящего из металлического тела в форме усеченного конуса, большее основание которого обращено к разрядной камере, расположенного вокруг внутренней трубы, и конусного металлического кожуха, установленного вокруг упомянутой камеры источника магнитного поля, формирователя дополнительного вихревого газового потока и установленных на боковой стенке камеры тангенциально к стенке сопел ввода восстановительного газа, при этом конусный кожух снизу снабжен фартуком, выступающим в камеру и изолированным от нее, причем диаметр фартука превышает диаметр внешней трубы, внутренняя труба выступает в камеру за пределы фартука, сопла ввода газа размещены под крышкой камеры и дополнительно подсоединены к дозатору шихты, формирователь дополнительного вихревого газового потока установлен внутри внешней трубы на ее стенке.
В первом варианте предполагается, что внутренняя труба может быть выполнена из металла, например вольфрама, а в качестве источника магнитного поля может быть применен и постоянный магнит. Такое сочетание признаков благоприятно, например, в случае, когда размеры разрядной камеры вдоль оси невелики. Однако при больших осевых размерах упомянутой камеры велика масса постоянного магнита.
В случае больших осевых размеров упомянутой камеры, которые необходимы для получения высокой производительности реактора, в качестве материала внутренней трубы использован графит, как во втором предпочтительном варианте изобретения; при этом ее нижний конец выступает в камеру за пределы фартука и она с обеспечением электрического контакта и возможности перемещения вставлена в металлическую трубу, на которую установлено металлическое конусное тело, и источник магнитного поля выполнен в виде соленоида, которому в варианте изобретения придана возможность перемещения.
Секционирование соленоида позволяет переключением обмоток его секций передвигать магнитное поле вдоль оси устройства при стационарном положении самого соленоида, что и отражено в третьем предпочтительном варианте СВЧ плазмохимического реактора.
Выполнение стенок упомянутой камеры металлическими требует использования интенсивного охлаждения, которое не всегда возможно. Поэтому в четвертом предпочтительном варианте СВЧ плазмохимического реактора стенка камеры покрыта изнутри кольцами теплозащитной футеровки, разделенными электропроводящими промежутками, и в качестве оптимальной конструкции соленоида предложена трехсекционная.
λ
2
Кроме того, во всех вариантах фартук выступает в упомянутую камеру на глубину, примерно равную n·/ (λ - длина электромагнитной волны, n=1, 2...) и диаметр камеры составляет 2-3 диаметра фартука.
Используемые термины и определения.
Шихта - смесь, состоящая из рудного сырья (руда, концентрат), легирующих и рафинирующих добавок.
Питатель шихты - устройство, обычно содержащее бункер с исходным рудным сырьем и средство его подачи с заданной скоростью.
Сборник продукта - устройство, выполняемое обычно в виде подины или кристаллизатора.
Узел ввода СВЧ-энергии содержит коаксиальную часть и преобразователь типа электромагнитной волны, распространяющейся по тракту, подсоединенному к источнику СВЧ-энергии, к типу волны, используемому в устройстве. Коаксиальная часть выполнена в виде коаксиального волновода, служит для ввода СВЧ-энергии в упомянутую камеру и размещена между ней и преобразователем.
Преобразователь - устройство, в случае выполнения подводящего СВЧ-тракта в виде прямоугольного волновода (одного или нескольких), содержащее прямоугольный волновод, подсоединенный к СВЧ-тракту через герметизирующие диэлектрические окна связи, а к коаксиальной части узла ввода - с помощью коаксиально-волноводного перехода; в случае СВЧ-тракта в виде коаксиального волновода преобразователем является петля или штырь, введенные в коаксиальную часть узла ввода через отверстие в боковой стенке ее внешней трубы.
Коаксиальный волновод - СВЧ-тракт, состоящий из внешней и внутренней труб, тип волны и конфигурация электромагнитных полей в котором определяются его поперечными размерами.
Коаксиально-волноводный переход (КВП) - устройство, объединяющее прямоугольный и размещенный перпендикулярно его оси коаксиальный волноводы так, что внешняя труба коаксиала (корпус) закреплена на широкой стенке прямоугольного волновода, а внутренняя труба коаксиала (центральный проводник) введена в его полость.
Плавный переход - устройство, соединяющее СВЧ-тракты одинаковой конфигурации, но с разными размерами.
Конструкция реактора поясняется с помощью чертежей. На фиг.1 представлен в продольном сечении первый предпочтительный вариант предлагаемого устройства.
СВЧ плазмохимический реактор содержит преимущественно металлическую охлаждаемую разрядную плавильную камеру 1 в виде трубы с крышкой 2, днищем 3, боковой стенкой 4 и с выпускным отверстием 5 в днище 3, узел 6 ввода СВЧ-энергии в камеру 1, содержащий преобразователь 7 в виде, например, прямоугольного волновода и коаксиальной части в виде двух коаксиальных труб, металлической внешней 8 и электропроводящей внутренней 9, на которой установлено металлическое конусное тело 10, образующее вместе с конусным кожухом 11 переходный узел 12, укрепленный на кожухе 11 снизу фартук 13, источник 14 магнитного поля, установленный вокруг камеры 1, установленные под крышкой 2 камеры 1 на ее боковой стенке 4 тангенциально к ней сопла 15 ввода рабочего газа, подсоединенные к источнику 16 восстановительного газа и питателю 17 шихты. Внутренняя труба 9 и камера 1 подключены к полюсам источника электрического напряжения (не показан). Труба 9 выполнена с возможностью перемещения, ее нижний конец выступает в камеру 1 за пределы фартука 13.
Под выпускным отверстием 5 установлен сборник 18 продукта (металла и шлака), снабженный отверстиями: 19 для выпуска шлака, 20 для выпуска металла и 21 для выхода газа. Отверстие 21 через систему очистки 22 отходящего газа подсоединено к трубопроводу 23, подающему восстановительный газ от источника 16 газа к соплам 15. Формирователь 24 дополнительного вихревого газового потока размещен на стенке кожуха 11.
25, 26 и 27 - СВЧ-дроссели, обеспечивающие электрическую изоляцию узлов устройства и предотвращающие электромагнитное излучение из устройства в окружающее пространство. Дроссели 25 и 26 изолируют от узла 7 внутреннюю 9 и внешнюю 8 трубы, соответственно, дроссель 27 - фартук 13 от крышки 2 камеры 1. Роль устройств, предотвращающих излучение, могут также выполнять отрезки СВЧ-трактов, заполненные поглощающим СВЧ-энергию материалом или запредельные для рабочей частоты. СВЧ-дроссели - устройства более компактные и надежные.
При небольших осевых размерах камеры 1 труба 9 может быть выполнена не только из графита, как обычно в дуговых печах, но и из тугоплавкого металла, например вольфрама. При этом в качестве источника магнитного поля допустимо использовать постоянные магниты, не потребляющие электроэнергию.
Для обеспечения большой производительности реактора необходимо использовать камеру 1 большого диаметра (подобно дуговым печам с большой производительностью); при этом поперечные размеры труб 8 и 9, определяющие тип возбуждаемой в камере 1 электромагнитной волны, могут оказаться слишком малыми для введения СВЧ-энергии в камеру 1 без отражений. Увеличение диаметра фартука 13 по отношению к трубе 8 позволяет снять это ограничение.
Устройство работает следующим образом. Через сопла 15 в камеру 1 вдувают первый поток восстановительного газа, а через формирователь 24 тангенциально к стенке внешней трубы 8 вводят в пространство между трубами 8 и 9 второй поток восстановительного газа, который оказывается закрученным в этом пространстве вокруг оси, затем включают источник СВЧ-энергии и инициируют дуговой разряд одним из известных способов, например кратковременным касанием трубой 9 заранее установленной на днище камеры металлической полоски или использованием специально для этого предназначенного поджигающего электрода. Дуговой разряд, в свою очередь, инициирует СВЧ-разряд в пространстве под конусным телом 10 между фартуком 13 и трубой 9. Затем увеличивают СВЧ-мощность до штатного значения, при использовании в качестве источника магнитного поля соленоида включают его и устанавливают трубу 9 на заданном расстоянии от днища 3 камеры 1, увеличивают до заданной величины электрический ток и вводят шихту через сопла 15. Движущийся тангенциально к стенке 4 камеры 1 первый поток восстановительного газа смешивается со вторым потоком, созданным формирователями 24 и имеющим вид плазменного вихря. Частицы сырья прогреваются как под действием горячего плазменного газа, так и непосредственно СВЧ электромагнитным полем и, будучи выброшенными центробежными силами на стенку 4 камеры 1, прилипают к ней, накапливаются и образуют пленку расплава шихты. Так как частицы шихты уже частично восстановлены газом, пленка электропроводна, поэтому между этой пленкой и трубой 9 протекает электрический ток, который поддерживает плазменное состояние СВЧ-разряда по всей длине зазора между трубой 9 и стенкой 4 камеры 1, прогревая пленку. Носители этого электрического тока, протекающего поперек осевого магнитного поля, необязательно строго перпендикулярно оси устройства, вовлекаются во вращение вокруг оси камеры 1 под действием сил Лоренца и поддерживают вращение газа во всем объеме камеры 1. Благодаря этому все частицы шихты под действием центробежных сил выбрасываются в пленку на стенке камеры 1, что исключает пролет частиц в выходное отверстие 5 без восстановления плазмой восстановительного газа. В результате непрерывного воздействия на частицы шихты и на пленку достигается полное восстановление железа из шихты.
Пленка расплава через отверстие 5 поступает в сборник 18, где накапливается и разделяется на шлак и железо. С помощью обычных методов продукт в сборнике 18 подвергают рафинированию и легированию с получением стали заданной марки.
Отходящий газ из сборника 18 направляют в систему очистки и добавляют к газу, подводимому от источника восстановительного газа 16.
В соответствии со вторым предпочтительным вариантом изобретения внутренняя труба 9 выполнена из графита, ее нижний конец выступает в камеру за пределы фартука 13 и она с обеспечением электрического контакта и возможности перемещения вставлена в металлическую трубу 28, на которой размещено металлическое конусное тело 10 (фиг.2). При этом СВЧ-дроссели 25 и 26 установлены между трубой 28 и узлом 7. Между кожухом 11 и конусным телом 10 установлено герметизирующее диэлектрическое окно 29 в виде цилиндра. Устройство работает так же, как и в первом варианте. Использование соленоида в качестве источника 14 магнитного поля гарантированно обеспечивает перенос частично восстановленных частиц шихты на стенку 4 камеры 1 и полное ее восстановление, так как по мере движения пленки вниз растет степень ее восстановления, электропроводность и плотность поступающего на нее тока, что полностью предотвращает вероятность поступления в сборник 18 нерасплавленных и невосстановленных фракций. Известно, что при создании вблизи цилиндрической стенки магнитного поля в виде поперечных по отношению к оси входящих и выходящих из стенки 4 силовых линий пятна дуги располагаются между этими поперечными участками силовых линий магнитного поля (RU №№1641179, 1218909, 1503673). Поэтому, перемещая вдоль стенки камеры 1 внешний источник 14 магнитного поля, можно перемещать по ней пятно электрической дуги и зону максимальной плотности электрического тока. Управляемое энерговыделение по ходу движения пленки позволяет за счет управления ее вязкостью оптимизировать толщину пленки для получения заданной степени восстановления на всем пути ее движения, управлять температурой пленки, ее вязкостью и регулировать время ее пребывания в различных зонах по высоте камеры 1. Тот же эффект может быть обеспечен при использовании в качестве источника 14 перемещающегося магнитного поля секционированного соленоида при различном включении секций или статора асинхронного двигателя линейной конфигурации. Конструкция СВЧ плазмохимического реактора с секционированным соленоидом представлена в третьем предпочтительном варианте изобретения.
На фиг.2 схематически в продольном сечении представлено устройство СВЧ плазмохимического реактора в целом в соответствии с четвертым предпочтительным вариантом изобретения.
Рабочую температуру металлической стенки 4 камеры 1, выполненной в соответствии с первым предпочтительным вариантом изобретения, поддерживают с помощью одного из методов интенсивного охлаждения, например в режиме парообразования или жидким металлом. Если же использование этих методов затруднительно, применяют покрытие внутренней поверхности камеры 1 диэлектрической футеровкой. В отличие от обычных конструкций футеровка в предлагаемом изобретении выполнена в виде колец 30, разделенных металлическими кольцами 31, причем последние электрически соединены со стенкой 4 камеры 1. Тогда ставшая электропроводной частично восстановленная пленка течет по кольцам 30, 31 и служит вторым электродом для протекающего через плазму постоянного тока, как и в случае чисто металлической стенки 4. Трехсекционный соленоид 32 содержит минимальное число секций, допускающее перемещение магнитного поля вдоль оси реактора без перемещения самого соленоида.
2
Для увеличения срока службы графитовой трубы 9 за счет предотвращения разрушения ее кислородом, являющимся одним из продуктов технологического процесса, через нее вводят третий поток восстановительного газа, например природного газа, который в приосевой зоне циклонной камеры 1 вовлекается в восходящий поток газа и изолирует наружную поверхность трубы 9 от кислорода. Одновременно природный газ под действием кислорода преобразуется в синтез - газ (CO+H), который является хорошим восстановителем.
λ
2
Соотношение диаметров камеры 1 и фартука 13 в пределах 2-3 определено экспериментально из условия максимальной передачи энергии в камеру 1. Глубина погружения фартука 13 в камеру 1, выбранная из условия примерного равенства n·/ (λ - длина электромагнитной волны, n=1, 2…), диктуется тем же условием.
Вводимый через сопла 15 восстановительный газ при необходимости переводят в плазменное состояние с помощью плазмотронов (не показаны).
Модуляция СВЧ-мощности в ультразвуковом диапазоне приводит к возникновению ультразвуковых колебаний в плазме, способствующих интенсификации технологического процесса (ВЧ и СВЧ-плазмотроны. Низкотемпературная плазма, т.6, с.168).
При необходимости увеличить СВЧ составляющую вводимой энергии предусмотрена возможность введения в устройство коаксиально-волноводного перехода (КВП), подключаемого к дополнительному источнику СВЧ-энергии. В этом случае внешний проводник - корпус КВП размещен на переходном узле 7, а его центральный проводник установлен на верхнем торце внутренней трубы 9, с которой соединен плавным переходом, аналогично прототипу.
Так как плазма СВЧ-разряда гарантированно заполняет весь объем камеры, включая приосевую зону, процессы плавления и восстановления охватывают всю массу поступающей шихты, независимо от размера ее частиц, с получением железа необходимого качества. Благодаря пропусканию электрического тока в поперечном к оси направлении между стенкой 4 камеры 1 и осевым электродом, в данном случае трубой 9, исчезает дуговой канал и связанная с ним нестабильность скорости течения расплава и степени восстановления пленки. В предложенном устройстве и режиме работы плотность тока существенно снижена за счет распределения тока по всему объему, созданному СВЧ-разрядом. Это позволяет значительно повысить уровень вводимой в разряд энергии, что наряду с отсутствием существенных ограничений на количество подаваемой через сопла 15 шихты обеспечивает повышение производительности.
Оптимизация энергозатрат обеспечена благодаря тому, что увеличение плотности тока автоматически привязано к степени восстановления и к толщине пленки, т.е. ток возрастает в тех сечениях разрядной камеры, в которых это необходимо, «холостые» каналы разряда отсутствуют. Использование перемещаемого магнитного поля дает дополнительно возможность управления процессом энерговклада в зависимости от состава и скорости подачи шихты. Сочетание в одном процессе двух типов разряда позволяет, с одной стороны, вводить в плазму дешевую энергию постоянного тока в требуемых объемах, с другой стороны, вследствие присущих СВЧ-разряду особенностей образовать и поддерживать разряд во всем объеме камеры, а также более эффективно, чем в обычном дуговом разряде нагревать частицы шихты. Фактически изобретение реализует новый способ генерации технологической плазмы.