СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАВКИ
METHOD AND DEVICE FOR MELTING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для прямой плавки металлсодержащего материала, такого как железосодержащий материал (такой как железная руда), или титаноксидный шлак, или медьсодержащий материал.
В частности, настоящее изобретение относится к плавке металлсодержащего материала в резервуаре для прямой плавки, который содержит ванну расплава, имеющую слой расплавленного металла и слой расплавленного шлака, и имеет футерованный огнеупорным материалом горн, который требует охлаждения, чтобы максимизировать эксплуатационный срок службы горна. В частности, настоящее изобретение относится к охлаждению футерованного огнеупорным материалом горна резервуара для прямой плавки, чтобы максимизировать эксплуатационный срок службы горна.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует ряд известных способов плавки, основанных на ванне расплавленного металла.
Один способ плавки на основе ванны расплава, который обычно называется способом «HIsmelt», описан в значительном числе патентов и патентных заявок на имя настоящего заявителя.
Еще один способ плавки на основе ванны расплава далее называется способом «HIsarnaʺ. Способ HIsarna и устройство описаны в Международной заявке PCT/AU99/00884 (WO 00/022176) на имя настоящего заявителя.
Другие известные способы плавки на основе ванны расплава включают, только в порядке примера, способы плавки содержащего оксид титана шлака и плавки содержащего медь материала.
Нижеследующее описание изобретения сосредоточено на способах HIsmelt и HIsarna.
В частности, способы HIsmelt и HIsarna связаны с получением расплавленного железа из железной руды или другого железосодержащего материала.
В контексте получения расплавленного железа способ HIsmelt включает стадии:
(а) формирования ванны расплавленного железа и расплавленного шлака в плавильной камере плавильного резервуара;
(b) введения в ванну: (i) железной руды, обычно в форме мелких фракций; и (ii) твердого углеродсодержащего материала, обычно угля, который действует в качестве восстановителя железорудного загружаемого материала и источника энергии; и
(с) плавки железной руды с образованием железа в ванне.
Термин «плавка» здесь понимается как означающий термическую обработку, в которой протекают химические реакции, в которых оксиды металлов восстанавливаются с образованием расплавленного металла.
Способ HIsmelt позволяет получать большие количества расплавленного железа, обычно по меньшей мере 0,5 миллиона тонн в год, выплавкой в единственном компактном резервуаре.
Способ HIsarna проводится в плавильном устройстве, которое включает (а) плавильный резервуар, который включает плавильную камеру и фурмы для подачи твердого загружаемого материала и кислородсодержащего газа в плавильную камеру, и предназначен для содержания ванны расплавленного металла и шлака, и (b) плавильный циклон для предварительной обработки металлсодержащего загружаемого материала, который размещен над плавильным резервуаром и непосредственно сообщается с ним.
Термин «плавильный циклон» здесь подразумевает резервуар, который обычно определяет вертикальную цилиндрическую камеру и сооружен так, что загружаемые материалы, подводимые в камеру, перемещаются по пути вокруг вертикальной центральной оси камеры, и может выдерживать высокие эксплуатационные температуры, достаточные, чтобы по меньшей мере частично расплавлять металлсодержащие загружаемые материалы.
Способ HIsarna представляет собой двухстадийный противоточный процесс. Металлсодержащий загружаемый материал нагревается и частично восстанавливается отходящими реакционными газами из плавильного резервуара (с добавлением кислородсодержащего газа), и перетекает вниз в плавильный резервуар, и расплавляется с образованием расплавленного железа в плавильной камере плавильного резервуара. В общем смысле, эта противоточная конфигурация повышает производительность и эффективность использования энергии.
Термин «форкамера» здесь подразумевает камеру плавильного резервуара, которая открывается в атмосферу и соединена с плавильной камерой плавильного резервуара через проток (называемый здесь «форкамерным соединением», и, при стандартных эксплуатационных условиях, содержит расплавленный металл в камере, причем форкамерное соединение полностью заполнено расплавленным металлом.
Международная публикация WO 00/01854 на имя настоящего заявителя описывает такой резервуар для прямой плавки, который представляет собой пример резервуара, который может быть использован в способах HIsmelt и HIsarna, и включает горн, сформированный из огнеупорного материала, и боковые стенки, протяженные вверх от сторон горна, с боковыми стенками, включающими охлаждаемые водой панели, и форкамеру, соединенную с плавильной камерой через форкамерное соединение, которое позволяет металлическому продукту непрерывно вытекать из резервуара. Содержание изобретения в Международной публикации включено здесь перекрестной ссылкой.
Способы HIsmelt и HIsarna предусматривают интенсивное перемешивание, и тем самым обусловливается износ огнеупорной футеровки верхней части горна вследствие химического воздействия и физического износа расплавленным шлаком и расплавленным металлом в результате смывания и разбрызгивания на огнеупорный материал в верхней части горна. Этот износ является более значительным, чем обычно испытывают горны доменных печей, в которых горячий металл и шлак относительно малоподвижны.
Чтобы минимизировать упомянутый в предыдущем абзаце износ огнеупора, Международная публикация WO 2015/081376 на настоящего имя заявителя описывает применение тепловых труб, размещенных в футерованном огнеупорным материалом горне плавильного резервуара, таком, только в качестве примера, как в резервуаре для прямой плавки для способов HIsmelt и HIsarna, чтобы существенно сократить износ огнеупорного материала горна вследствие контакта с расплавленным материалом в форме расплавленного шлака или расплавленного металла. Тепловые трубы создают возможность использовать более широкий круг огнеупорных материалов в горне, чем это было раньше, и получать эксплуатационные преимущества как следствие выбора из более многообразных материалов.
Термин «тепловая труба» здесь подразумевает закрытую удлиненную трубу, которая переносит тепло без непосредственной проводимости как основного механизма, с использованием текучей среды, такой как вода, внутри трубы, которая имеет жидкую фазу, которая испаряется на горячем конце трубы в условиях, в которых находится горячий конец, и образует паровую фазу, которая конденсируется на более холодном конце трубы с образованием жидкой фазы, и тем самым отводит тепло, причем жидкая фаза перетекает из более холодного конца к горячему концу трубы.
Приведенное выше описание не должно толковаться как признание общеизвестного знания в Австралии или где-нибудь еще.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение имеет отношение к улучшению технических характеристик тепловых труб типа, описанного в Международной публикации WO 2015/081376, и следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается этими тепловыми трубами. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к минимизации риска неконтролируемого высвобождения теплопередающей текучей среды из тепловых труб в резервуар для прямой плавки, что могло бы создавать проблемы в плане эксплуатации и безопасности плавильного резервуара. Например, в ситуации, в которой теплопередающая текучая среда представляет собой воду, настоящее изобретение имеет отношение к минимизации опасности неконтролируемого высвобождения воды из тепловых труб, что могло бы вызвать образование больших количеств пара в плавильном резервуаре, который мог бы создавать проблемы в плане эксплуатации и безопасности плавильного резервуара.
Изобретение было выполнено в ходе опытно-конструкторской работы на плавильном резервуаре с тепловыми трубами, описанными в Международной публикации WO 2015/081376.
В ходе опытно-конструкторской работы заявитель выяснил, что важно конструировать тепловые трубы так, чтобы справляться с неожиданным разрушением тепловых труб, например, когда тепловые трубы прорываются, если внутренние давления и/или температуры превышают проектный предел, и вследствие этого тепловые трубы выходят из строя. В качестве примера, заявитель нашел, что отказ тепловых труб представляет собой потенциальную проблему вблизи проектного эксплуатационного срока службы тепловой трубы, когда труба находилась под слишком высокой термической нагрузкой в течение слишком длительного периода времени.
В широком смысле, настоящее изобретение представляет плавильный резервуар для получения расплавленного металла, включающий футерованный огнеупорным материалом горн, который при работе находится в контакте с расплавленным шлаком или расплавленным металлом в резервуаре, с горном, включающим многочисленные тепловые трубы, размещенные в огнеупорной футеровке по меньшей мере части горна, для охлаждения по меньшей мере части огнеупорной футеровки, по меньшей мере с одной из тепловых труб, включающей (а) жидкую фазу теплопередающей текучей среды, обычно воды, в нижней секции тепловой трубы, и (b) паровую фазу теплопередающей текучей среды, обычно пар, в верхней секции тепловой трубы, и (с) вентиляционный клапан для обеспечения паровой фазе возможности улетучиваться из тепловой трубы для снижения давления или температуры внутри тепловой трубы, когда давление пара или температура в тепловой трубе превышает предварительно определенные пороговые значения давления или температуры.
Давление пара или температура в тепловой трубе, превышающие предварительно определенные пороговые значения давления или температуры, выбираются на основе такого показателя, что тепловая труба уже больше не действует эффективно, и существует опасность неконтролируемого выхода тепловой трубы из строя с потенциальным высвобождением воды из тепловой трубы в расплавленный металл или расплавленный шлак в плавильном резервуаре.
Пороговое значение давления или температуры выбирается так, чтобы вызвать открывание вентиляционного клапана до того, как произойдет неконтролируемый отказ тепловой трубы. Предварительно определенное пороговое значение давления или температуры может представлять собой проектный предел давления и температуры для тепловой трубы в стандартных эксплуатационных условиях. Предварительно определенное пороговое значение давления или температуры может быть проектным ограничением давления и температуры для тепловой трубы плюс запас сверх проектного предела.
Вентиляционный клапан может быть приспособлен для создания возможности улетучивания из тепловой трубы паровой фазы, но не жидкой фазы, и для оставления жидкой фазы в тепловой трубе. Это является благоприятным в том отношении, что жидкая фаза является более быстро испаряющейся, если приходит в контакт с расплавленным металлом и расплавленным шлаком в плавильном резервуаре, и летучесть может оказывать влияние на характеристики эксплуатации и безопасности плавильного резервуара. Как упомянуто выше, в ситуации, в которой теплопередающая текучая среда представляет собой воду, неконтролируемое высвобождение воды из тепловых труб вызывало бы образование больших количеств пара в плавильном резервуаре, что могло бы создавать проблемы в плане эксплуатации и безопасности плавильного резервуара. Вентиляционный клапан может быть приспособлен для создания возможности улетучивания из тепловой трубы паровой фазы, но не жидкой фазы, и для оставления жидкой фазы в тепловой трубе, например, сообразно местоположению вентиляционного клапана в тепловой трубе.
Вентиляционный клапан может представлять собой любое подходящее отверстие в тепловой трубе, которое является закрытым при нормальных эксплуатационных условиях, в которых тепловая труба действует правильно, то есть, ниже предварительно определенного порогового значения давления или температуры, и открывается и позволяет паровой фазе улетучиваться из тепловой трубы для снижения давления или температуры внутри тепловой трубы, когда давление или температура в тепловой трубе превышает предварительно определенное пороговое значение давления или температуры.
Вентиляционный клапан может позволять паровой фазе выходить из тепловой трубы в огнеупорную футеровку горна резервуара. Вентиляционный клапан может позволять паровой фазе выходить в расплавленный шлак или расплавленный металл. Вентиляционный клапан может позволять паровой фазе выделяться наружу из резервуара.
Отдаваемое вентиляционному клапану предпочтение для обеспечения паровой фазе, но не жидкой фазе, возможности выходить из тепловой трубы создает ограничение в плане местоположения вентиляционного клапана в тепловой трубе, которое должно учитываться при проектировании резервуара.
Вентиляционный клапан может включать трубку, которая является протяженной в тепловую трубу и имеет открытый конец, который находится внутри тепловой трубы и сообщается только с паровой фазой (при стандартных условиях эксплуатации), и закрытый конец, который находится снаружи тепловой трубы, причем закрытый конец сформирован так, что при срабатывании закрытый конец открывается и позволяет паровой фазе, но не жидкой фазе, выходить из тепловой трубы для снижения давления или температуры внутри тепловой трубы, когда давление или температура в тепловой трубе превышает предварительно определенное пороговое значение давления или температуры, и тем самым сводить к минимуму риск неконтролируемого разрушения тепловой трубы. Таким образом, в этом состоянии жидкая фаза удерживается в тепловой трубе или постепенно испаряется, и выдувается из тепловой трубы.
Закрытый конец трубки может быть в форме заглушки, которая открывается, или плавкого барьера, который расплавляется, когда давление пара или температура в тепловой трубе превышает предварительно определенное пороговое значение давления или температуры. Изобретение не ограничивается этими вариантами формирования закрытого конца, и распространяется также на любой вариант конструкции, которая открывается в ответ на температуру или давление внутри тепловой трубы, превышающие предварительно определенное пороговое значение. Например, закрытый конец трубки может быть сформирован как образованное холодной сваркой сужение конца трубки, которое открывается, когда температура или давление внутри тепловой трубе превышает предварительно определенное пороговое значение.
Тепловая труба может быть в форме удлиненной пустотелой трубы, которая содержит жидкую фазу в нижней секции трубы и паровую фазу в верхней секции трубы.
Тепловая труба может включать нижнюю торцевую стенку.
Тепловая труба может включать верхнюю торцевую стенку.
Тепловая труба может включать боковую стенку.
Вентиляционный клапан может быть в боковой стенке выше уровня жидкой фазы в тепловой трубе.
Вентиляционный клапан может находиться в верхней стенке тепловой трубы.
Трубка может проходить через нижнюю торцевую стенку. Трубка может проходить через боковую стенку ниже уровня жидкой фазы в тепловой трубе. В обеих конфигурациях, как описано выше, открытый конец трубки находиться внутри тепловой трубы и сообщается только с паровой фазой (при стандартных условиях эксплуатации), и закрытый конец находится снаружи тепловой трубы.
Тепловые трубы могут быть размещены так, что они не выходят за пределы плавильного резервуара.
Футерованный огнеупорным материалом горн может включать верхнюю часть, которая при работе находится в контакте с расплавленным шлаком в шлаковой зоне резервуара, и нижнюю часть, которая при работе находится в контакте с расплавленным металлом в металлсодержащей зоне резервуара.
Тепловые трубы могут быть размещены в огнеупорной футеровке верхней части горна для охлаждения огнеупорной футеровки.
Тепловые трубы могут иметь любую подходящую форму.
Тепловые трубы могут включать нижние секции, которые размещаются протяженными вертикально в огнеупорную футеровку.
Нижние секции могут быть прямолинейными секциями.
Нижним секциям может быть придана, например, изогнутая форма, согласующаяся с геометрией горна.
Нижние секции тепловых труб могут быть параллельными друг другу.
Нижние секции тепловых труб могут быть размещены на расстоянии друг от друга.
Интервалы между нижними секциями тепловых труб могут быть одинаковыми.
Интервалы между нижними секциями тепловых труб могут быть различными.
Интервалы между нижними секциями тепловых труб могут быть одинаковыми в одной секции горна и различными в еще одной секции горна.
Например, может находиться относительно большее число тепловых труб в областях, которые требуют большего охлаждения. В качестве примера, в области отверстия летки для выпуска шлака может потребоваться дополнительное охлаждение.
Есть ряд факторов, которые имеют отношение к выбору расстояний между тепловыми трубами, включающих, например, положения тепловых труб, количество тепла, отводимого от огнеупорного материала, теплопроводность, и прочие относящиеся е делу характеристики огнеупорного материала, и теплопроводность тепловых труб.
Тепловые трубы могут быть размещены полностью вокруг горна.
Тепловые трубы могут быть позиционированы в кольце полностью вокруг горна.
Тепловые трубы могут быть размещены в многочисленных радиально отстоящих друг от друга кольцах полностью вокруг горна.
Тепловые трубы одного кольца могут быть размещены смещенными в шахматном порядке в окружном направлении относительно тепловых труб размещенного радиально наружу или радиально внутрь кольца.
Тепловые трубы могут быть одинаковой длины.
Тепловые трубы могут иметь различные длины.
Длина тепловых труб может увеличиваться по мере радиального отдаления тепловых труб от внутренней поверхности горна, в котором размещены тепловые трубы.
Огнеупорная футеровка горна, в котором размещены тепловые трубы, может иметь цилиндрическую внутреннюю поверхность перед началом операции плавки в резервуаре.
Резервуар может включать холодильник шлаковой зоны, размещенный в огнеупорной футеровке горна, для охлаждения огнеупорной футеровки, с тепловыми трубами, позиционированными ниже холодильника шлаковой зоны, с верхними секциями тепловых труб, которые взаимодействуют для теплопередачи с холодильником шлаковой зоны для переноса тепла от тепловых труб к холодильнику шлаковой зоны.
Холодильник шлаковой зоны может быть типа, описанного в Международной публикации WO 2007/134382 на имя настоящего заявителя.
Холодильник шлаковой зоны может быть сформирован в виде кольца из многочисленных холодильных элементов.
Каждый холодильный элемент может иметь форму сегмента кольца, с боковыми стенками, протяженными радиально в кольце.
Каждый холодильный элемент может включать базовую деталь полого литого корпуса с открытой задней частью, имеющего базовую стенку, пару боковых стенок, переднюю стенку и верхнюю стенку, сформированного интегрально в базовой детали литого корпуса и заключающего проточные каналы для хладагента для протекания через них хладагента.
Тепловые трубы могут включать верхние секции, которые размещены протяженными радиально вблизи холодильника шлаковой зоны, чтобы максимизировать теплопередачу на холодильник шлаковой зоны.
Например, тепловым трубам может быть в общем придана перевернутая L-образная форма или форма хоккейной клюшки, с протяженными вертикально нижними секциями и радиально или в общем радиально протяженными верхними секциями.
Резервуар может включать боковые стенки, протяженные вверх от горна, и многочисленные холодильные панели, размещенные вокруг боковых стенок так, чтобы образовывать внутреннюю облицовку на этих боковых стенках.
Резервуар может включать устройство для выпуска расплавленного металла и устройство для выпуска шлака из резервуара, одну или более чем одну фурму для подачи твердых загружаемых материалов, включающих твердый металлсодержащий материал и/или углеродсодержащий материал, в резервуар, и одну или более чем одну фурму для подачи кислородсодержащего газа в резервуар, для дожигания газообразных реакционных продуктов, образованных в процессе прямой плавки.
Устройство для выпуска расплавленного металла может представлять собой форкамеру.
Резервуар может включать плавильный циклон для частичного восстановления и частичного расплавления твердого металлсодержащего материала для резервуара, размещенный над резервуаром.
Резервуар может быть приспособлен, например, для получения железосодержащих сплавов способом прямой плавки на основе ванны расплава.
Согласно изобретению, представлен сборный узел из (а) холодильного элемента холодильника шлаковой зоны для охлаждения части огнеупорной футеровки горна плавильного резервуара, и (b) тепловых труб во взаимодействии для теплопередачи с холодильником шлаковой зоны, для переноса тепла от тепловых труб на холодильник шлаковой зоны, по меньшей мере с одной из тепловых труб, включающей (i) жидкую фазу теплопередающей текучей среды, обычно воды, в нижней секции тепловой трубы, и (ii) паровую фазу теплопередающей текучей среды, обычно пар, в верхней секции тепловой трубы, и (iii) вентиляционный клапан для возможности выхода паровой фазы из тепловой трубы для снижения давления или температуры внутри тепловой трубы, когда давление пара или температура в тепловой трубе превышает предварительно определенное пороговое значение давления или температуры.
Вентиляционный клапан может быть таким, как описано выше.
При работе многочисленные сборные узлы могут быть сформированы в виде кольца внутри горна плавильного резервуара.
Каждому холодильному элементу может быть придана форма сегмента кольца, с протяженными радиально боковыми стенками.
Каждый холодильный элемент может включать базовую деталь полого литого корпуса с открытой задней частью, имеющего базовую стенку, пару боковых стенок, переднюю стенку и верхнюю стенку, сформированного в виде единой цельной детали в базовой детали литого корпуса и заключающего проточные каналы для хладагента для протекания через них хладагента.
Согласно изобретению, представлен плавильный резервуар для получения расплавленного металла, включающий футерованный огнеупорным материалом горн, имеющий верхнюю часть, которая при работе находится в контакте со шлаком в шлаковой зоне резервуара, и нижнюю часть, которая при работе находится в контакте с расплавленным металлом в металлсодержащей зоне резервуара, причем горн включает (а) холодильник шлаковой зоны, размещенный в огнеупорной футеровке верхней части горна, для охлаждения огнеупорной футеровки, и (b) многочисленные тепловые трубы, позиционированные в огнеупорной футеровке верхней части горна ниже холодильника шлаковой зоны, для охлаждения огнеупорной футеровки, причем верхние секции тепловых труб находятся во взаимодействии для теплопередачи с холодильником шлаковой зоны для переноса тепла от тепловых труб на холодильник шлаковой зоны, и нижние секции, протяженные вниз внутри верхней части горна от холодильника шлаковой зоны, и причем по меньшей мере одна из тепловых труб включает (i) жидкую фазу теплопередающей текучей среды, обычно воды, в нижней секции тепловой трубы, и (ii) паровую фазу теплопередающей текучей среды, обычно пар, в верхней секции тепловой трубы, и (iii) вентиляционный клапан для возможности выхода паровой фазы из тепловой трубы для снижения давления или температуры внутри тепловой трубы, когда давление пара или температура в тепловой трубе превышает предварительно определенное пороговое значение давления или температуры.
Вентиляционный клапан может быть таким, как описано выше.
Холодильник шлаковой зоны и тепловые трубы могут быть сформированы в виде сборного узла из этих двух компонентов.
Согласно изобретению, представлен способ плавки металлсодержащего загружаемого материала, включающий расплавление металлсодержащего загружаемого материала в ванне расплава в вышеописанном плавильном резервуаре.
Способ может включать (а) по меньшей мере частичное восстановление и частичное расплавление металлсодержащего загружаемого материала в плавильном циклоне, и (b) полное расплавление по меньшей мере частично восстановленного/расплавленного материала в ванне расплава вышеописанного плавильного резервуара.
Металлсодержащий загружаемый материал может представлять собой любой материал, который содержит оксиды металла.
Металлсодержащий загружаемый материал может представлять собой руды, частично восстановленные руды и содержащие металл потоки отходов.
Металлсодержащий загружаемый материал может представлять собой железосодержащий загружаемый материал, такой как железная руда. В этом случае способ может быть охарактеризован поддерживанием температуры в плавильном циклоне по меньшей мере 1100°С, обычно по меньшей мере 1200°С.
Металлсодержащий загружаемый материал может быть содержащим титан шлаком.
Металлсодержащий загружаемый материал может представлять собой содержащий медь загружаемый материал.
Способ может включать поддерживание кислородного потенциала в плавильном циклоне, который является достаточным для того, чтобы отходящий газ из плавильного циклона имел степень дожигания по меньшей мере 80%.
Согласно настоящему изобретению, также представлено устройство для плавки металлсодержащего загружаемого материала, которое включает вышеописанный плавильный резервуар.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение описывается далее в порядке примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:
Фигура 1 представляет увеличенный вид нижней секции части резервуара для прямой плавки в одном варианте исполнения в соответствии с изобретением, перед началом процесса прямой плавки в резервуаре, причем Фигура включает уровни расплавленного металла и расплавленного шлака, которые были бы в резервуаре при работе в стационарном режиме процесса, с уровнями, показанными в неподвижном состоянии, то есть, в условиях неработающего резервуара;
Фигура 2 представляет схематический перспективный вид, который иллюстрирует сегмент верхней части горна резервуара, показанного в Фигуре 1, с огнеупорным материалом, удаленным, чтобы показать холодильник шлаковой зоны и тепловые трубы согласно варианту исполнения;
Фигура 3 представляет вид снизу конфигурации, показанной в Фигуре 2;
Фигура 4 представляет вид с торца конфигурации, показанной в Фигуре 2; и
Фигура 5 представляет схематический вид в разрезе, проведенном через одну из тепловых труб, показанных в Фигурах 1-4, который подробно иллюстрирует вентиляционный клапан тепловой трубы.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение имеет отношение к резервуарам для прямой плавки, которые применяются в установках HIsarna и HIsmelt. Изобретение не ограничивается резервуарами для прямой плавки, используемыми в этих установках, и имеет отношение к любому подходящему резервуару для прямой плавки, который содержит ванну расплава, которая включает слой расплавленного металла и слой расплавленного шлака, и имеет футерованный огнеупорным материалом горн, для которого требуется охлаждение, чтобы максимизировать эксплуатационный срок службы горна, более конкретно, для сокращения износа огнеупорного материала горна вследствие контакта с расплавленным материалом в форме расплавленного шлака или расплавленного металла.
Фигуры показывают часть резервуара 4 для прямой плавки, который соответствует варианту осуществления изобретения. Плавильный резервуар 4 пригоден для установок HIsarna и HIsmelt, и относится к типу, раскрытому в вышеупомянутой Международной публикации WO 2015/081376 на имя заявителя. Плавильный резервуар 4 включает горн, в общем и целом обозначенный кодовым номером 9 позиции в Фигуре 1, который сформирован из огнеупорного материала, и боковые стенки 11, протяженные вверх от сторон горна, причем боковые стенки 11 включают охлаждаемые водой панели. Содержание изобретения Международной публикации включено здесь перекрестной ссылкой.
Фигура 1 представляет увеличенный вид нижней секции части плавильного резервуара 4 перед началом процесса прямой плавки в резервуаре.
Со ссылкой на Фигуру 1, горн 9 имеет верхнюю часть 25, которая при работе находится в контакте с расплавленным шлаком в шлаковой зоне 18 в плавильном резервуаре 4, и нижнюю часть 26, которая при работе находится в контакте с расплавленным металлом в металлсодержащей зоне 19 в плавильном резервуаре 4. Шлаковая зона 18 и металлсодержащая зона 19 показаны в неподвижном состоянии, то есть, в неэксплуатационных условиях. Вполне понятно, что шлаковая и металлсодержащая зоны интенсивно перемешивались бы при эксплуатации в стационарном режиме способов HIsarna и HIsmelt, и перемешивались бы при работе в стационарном режиме других способов прямой плавки на основе ванны с расплавом.
С дополнительной ссылкой на Фигуру 1, горн 9 включает основание 43 и стороны 44, которые включают огнеупорную футеровку в форме огнеупорных кирпичей, форкамеру 27 для непрерывного выведения расплавленного металла, и выпускную летку 28 для выведения расплавленного шлака. Верхняя кольцеобразная поверхность 31 горна является конусообразной кверху и наружу к боковой стенке 11 плавильного резервуара 4. При работе резервуара эта часть горна подвергается воздействию разбрызгиваемых расплавленных металла и шлака.
С дополнительной ссылкой на Фигуру 1, горн 9 включает:
(а) Холодильник 20 шлаковой зоны, размещенный в огнеупорной футеровке верхней части горна 9, для охлаждения огнеупорной футеровки в этой части горна; и
(b) многочисленные тепловые трубы 21, размещенные в огнеупорной футеровке верхней части горна под холодильником 20 шлаковой зоны, для охлаждения огнеупорной футеровки в этой части горна.
Холодильник 20 шлаковой зоны является таким, как описано в Международной публикации WO 2007/134382 на имя заявителя, и содержание изобретения Международной публикации включено здесь перекрестной ссылкой. Холодильник 20 шлаковой зоны сформирован в виде кольца многочисленными холодильными элементами 35, один из которых показан в Фигурах 2-4. Каждый холодильный элемент 35 сформован в виде сегмента кольца, с боковыми стенками, протяженными радиально в кольце. Каждый холодильный элемент 35 включает базовую деталь 41 полого литого корпуса с открытой задней частью, имеющего нижнюю стенку 69, пару боковых стенок 64, двухсекционную переднюю стенку 65а, 65b, и верхнюю стенку 63, сформированного в виде единой цельной детали в базовой детали 41 литого корпуса и заключающего проточные каналы для хладагента в форме труб 48 (только Фигура 1) для протекания через них хладагента. Базовая деталь 41 литого корпуса выполнена из металла или металлического сплава с высокой теплопроводностью, такого как медь или медный сплав. Трубы для хладагента сформированы из меди или никеля.
Каждый холодильный элемент 35 шлаковой зоны и связанные с ним тепловые трубы 21 во взаимодействии для теплопередачи с холодильным элементом 35 шлаковой зоны могут быть сформированы как сборный узел, который может быть смонтирован как сборный узел на месте. В альтернативном варианте, холодильные элементы 35 шлаковой зоны и тепловые трубы 21 могут быть размещены на месте по отдельности.
Огнеупорная футеровка верхней части 25 горна эффективно охлаждается и поддерживается холодильником 20 шлаковой зоны. Холодильник 20 шлаковой зоны значительно снижает скорость износа огнеупорного материала в этой части горна. В частности, действие холодильника 20 шлаковой зоны охлаждает огнеупорную футеровку до температуры ниже температуры солидуса расплавленного шлака в области футеровки, и заставляет шлак затвердевать на его поверхности, и затвердевший шлак создает барьер против дальнейшего износа огнеупорного материала.
Как описано в Международной публикации WO 2015/081376, и более подробно ниже, при работе тепловые трубы 21 значительно сокращают износ огнеупора в огнеупорном материале горна 9 вследствие контакта с расплавленным материалом в форме расплавленного шлака или расплавленного металла, и делают возможным применение более широкого круга огнеупорных материалов в горне 9, чем это было раньше, и получение эксплуатационных преимуществ как следствие выбора из более многообразных материалов. Тепловые трубы 21 размещаются так, что они не выходят за пределы плавильного резервуара 4. Каждая тепловая труба 21 включает секцию, которая проходит вертикально. В результате получается конфигурация параллельных прямолинейных, протяженных вертикально трубных секций в огнеупорной футеровке.
Как можно лучше видеть в Фигуре 5, каждая тепловая труба 21 представляет собой удлиненную полую трубу, которая имеет боковую стенку 45, верхнюю торцевую стенку 49 и нижнюю торцевую стенку 51. Труба содержит (а) главным образом воду 53 в нижней секции трубы, и (b) в основном пар 55 в верхней секции трубы.
Тепловые трубы 21 являются протяженными от холодильника 20 шлаковой зоны вертикально вниз и параллельно друг другу внутри верхней части горна 9. При работе тепловые трубы 21 охлаждают огнеупорную футеровку верхней части горна, которая является более низкой, чем температура холодильника 20 шлаковой зоны. Верхние секции тепловых труб 21 взаимодействуют для теплопередачи с холодильником 20 шлаковой зоны и переноса тепла из тепловых труб 21 на холодильник 20 шлаковой зоны. При работе происходит испарение водной фазы и конденсация паровой фазы в ответ на теплоперенос из огнеупорной футеровки на тепловые трубы 21 и теплопередачу из тепловых труб 21 к холодильнику 20 шлаковой зоны. Каждая тепловая труба 21 переносит тепло без непосредственной проводимости в качестве основного механизма, в результате испарения воды у горячего нижнего конца и конденсации и образования воды у более холодного верхнего конца. Конденсация пара высвобождает тепло, которое переносится на холодильник 20 шлаковой зоны. Со ссылкой на Фигуру 5, водный конденсат стекает вниз и возвращается в горячий нижний конец, завершая внутренний цикл охлаждения. Например, водный конденсат может образовывать пленку, обычно тонкую пленку, на внутренней поверхности боковой стенки 47, которая стекает вниз к горячему нижнему концу. Слой тонкой пленки обозначен в Фигуре 5 кодовым номером 67 позиции.
Как правило, все тепловые трубы 21 выстраиваются вокруг горна. В варианте исполнения, показанном в Фигурах 1-4, тепловые трубы 21 размещены четырьмя радиально отстоящими друг от друга кольцами. Эту конфигурацию можно лучше различить в Фигуре 2. Тепловые трубы 21 в каждом кольце зигзагообразно смещены по окружному направлению относительно тепловых труб 21 в размещенных радиально внутрь и радиально наружу кольцах тепловых труб 21. Длина тепловых труб 21 увеличивается по мере радиального отдаления тепловых труб 21 от внутренней поверхности верхней части 25 горна, в которой размещены тепловые трубы. Тепловые трубы 21 могут находиться в любой другой подходящей конфигурации и ориентации. Например, изобретение не ограничивается конфигурациями, в которых тепловые трубы 21 являются вертикальными. В качестве еще одного примера, изобретение не ограничивается конфигурациями, в которых тепловые трубы 21 являются прямолинейными - тепловые трубы 21 могут включать изогнутые секции для согласования с конструкционными особенностями горна. В качестве дополнительного примера, изобретение не ограничивается конфигурациями, в которых возрастает длина тепловых труб 21 по мере радиального отдаления тепловых труб 21 от внутренней поверхности верхней части 25 горна.
Тепловые трубы 21 могут иметь любую пригодную конструкцию.
Как правило, тепловые трубы 21 содержат воду. Может быть использована любая другая пригодная теплопередающая текучая среда при эксплуатационной температуре процесса, такая как спирт, ацетон, или даже металл, такой как натрий. Тепловые трубы 21 отводят тепло от жаростойкого материала огнеупорной футеровки и любого защитного затвердевшего материала (шлака или металла), который образуется на внутренней поверхности огнеупорной футеровки. Назначение тепловых труб 21 состоит в поддерживании по возможности большого объема жаростойкого материала огнеупорной футеровки, в котором размещены тепловые трубы 21, ниже температуры начала плавления шлака в области огнеупорной футеровки, чтобы вызвать затвердевание шлака (или металла) на поверхности горна и образование слоя затвердевшего шлака (или металла), который действует как барьер против износа.
Со ссылкой на Фигуру 5, по меньшей мере одна из тепловых труб 21 включает вентиляционный клапан, в целом обозначенный кодовым номером 63 позиции, который позволяет пару, но не воде, улетучиваться из тепловой трубы 21, когда давление или температура в тепловой трубе превышает предварительно определенное пороговое значение - которое является показателем того, что тепловая труба 21 уже больше не действует эффективно, и существует опасность неконтролируемого отказа тепловой трубы 21 с потенциальным высвобождением воды из тепловой трубы 21 в расплавленный металл или расплавленный шлак в плавильном резервуаре.
С дополнительной ссылкой на Фигуру 5, вентиляционный клапан включает трубку 57 в форме удлиненной трубы, которая проходит в тепловую трубу 21 через нижнюю торцевую стенку 51, и имеет открытый конец 59, который находится внутри тепловой трубы 21 и сообщается только с паром 55 в тепловой трубе 21, и закрытый конец 61, который находится снаружи тепловой трубы 21 и размещается внутри огнеупорной футеровки горна 9. Закрытый конец 61 трубки 57 сформирован посредством заглушки (плавкого барьера) 75 из подходящего материала, который закупоривает конец. Закрытый конец 61 сформирован так, чтобы открываться, когда давление пара или температура в тепловой трубе 21 превышает предварительно определенное пороговое значение давления или температуры. Когда трубка 57 открывается, пар может выходить из тепловой трубы 21 через трубку 57 для снижения давления и температуры внутри тепловой трубы 21, и тем самым минимизировать риск неконтролируемого разрушения тепловой трубы 21. Таким образом, в этом состоянии жидкая вода изначально удерживается в тепловой трубе 21, пока она постепенно не испарится под действием непрерывно поступающего теплового потока. Пар выходит через трубку 57 в огнеупорную футеровку горна 9.
С дополнительной ссылкой на Фигуру 5, можно видеть, что трубка 57 включает секцию внутри тепловой трубы 21, и секцию, которая находится снаружи тепловой трубы 21. Выбор этих длин трубки 57 внутри и снаружи тепловой трубы 21, и выбор внутреннего диаметра трубки 57 зависят от ряда факторов, включающих размер тепловой трубы 21 и количество теплопередающей текучей среды в тепловой трубе 21, и от эксплуатационных условий, в которых находится тепловая труба 21.
Назначение вентиляционного клапана преимущественно состоит в сокращении риска выхода жидкой воды из тепловой трубы 21 и внезапного создания большого объема пара. Это является благоприятным в плане сокращения опасности того, что вода придет в контакт с расплавленным металлом и расплавленным шлаком в плавильном резервуаре, создавая тем самым неконтролируемое происшествие в плавильном резервуаре 4, такое как опасный взрыв или неконтролируемое изменение давления. Трубка 57 позволяет выходить пару, но не жидкости, непосредственно из тепловой трубы 21, когда превышается пороговое значение давления и температуры.
Пороговое значение давления и температуры может быть любым подходящим значением, имеющим отношение к конструкции тепловой трубы 21 и эксплуатационным условиям (в том числе необходимым тепловым нагрузкам) на тепловые трубы 21. Предварительно определенное пороговое значение давления или температуры может представлять собой проектный предел давления и температуры для тепловой трубы в стандартных эксплуатационных условиях. Предварительно определенное пороговое значение давления или температуры может быть проектным ограничением давления и температуры для тепловой трубы плюс запас сверх проектного предела. В качестве примера, в случае способа HIsmelt или HIsarna плавки металлсодержащего загружаемого материала в форме железной руды обычно конструкция тепловой трубы 21 является такой, что тепловая труба 21 будет прорываться, то есть, неконтролируемо разрушаться, при температурах ~270°С внутри тепловой трубы 21. В этой ситуации пороговое значение температуры выбиралось бы на уровне ниже 270°С так, чтобы трубка 57 открывалась и позволяла пару выходить из трубки раньше, чем тепловая труба достигнет температуры разрушения.
Заявитель провел лабораторное тестирование изобретения. Более конкретно, две тепловых трубы с трубками 57 в качестве вентиляционного клапана типа, описанного в Фигурах, были изготовлены следующим образом, и затем испытаны, как описано ниже.
Изготовление
- Тепловые трубы: наружный диаметр (OD) ¾ дюйма и длиной 24,5 дюйма (645,2 мм), сформированные из сплава монель, содержащие 30 г (~25% внутреннего объема) воды в качестве теплопередающей текучей среды.
- Трубки: трубки с размерами 1/8 дюйма OD (3,175 мм) и 1/16 дюйма OD (1,59 мм), соответственно, сформированные из меди и припаянные в вакууме к тепловым трубам, с длиной трубок ~22 дюйма (559 мм) внутри тепловых труб и длиной трубок 6-7 дюймов (152,4-177,8 мм) снаружи тепловых труб.
- Концы трубок были закрыты обжимом концов и холодной сваркой обжатых концов.
Описание условий испытаний
- Тепло подводилось к нижним 3 дюймам (76 мм) тепловых труб.
- Тепло отводилось от тепловых труб естественной конвекцией и излучением от открытой длины тепловых труб (~21,5 дюйма (546 мм)).
- К поверхностям тепловых труб были точечной сваркой присоединены термопары.
- Тест на постоянную тепловую мощность: к тепловым трубам подводилась постоянная мощность 450 Вт, и отслеживалась температура, при которой трубка выпускала пар.
- Тест на высокотемпературную выдержку: использовался регулятор температуры для варьирования рабочей температуры тепловых труб в ступенчатом режиме.
- Каждая температура поддерживалась на заданном уровне в течение ~30 минут для определения, зависит ли высвобождение из трубки от времени/температуры.
Результаты
- Перед разрушением выполненного холодной сваркой обжатия обе тепловые трубы демонстрировали надлежащую работу тепловой трубы, показанную изотермическими температурами по всей поверхности каждой трубы.
- Во всех испытаниях вода оставалась в испаренном (или паровом) состоянии во время вентиляции из трубок.
- Результаты испытаний показали, что трубки могли бы надежно вентилировать тепловые трубы с высвобождением только пара.
Многие модификации описанных выше вариантов исполнения способа согласно настоящему изобретению могут быть сделаны без выхода за пределы смысла и области изобретения.
Например, в то время как варианты исполнения предусматривают вентиляционные клапаны в форме трубок 57, которые позволяют пару, но не воде, выходить из тепловых труб 21, когда давление или температура в тепловых трубах превышает предварительно определенное пороговое значение, настоящее изобретение не ограничивается трубками и распространяется на любые подходящие конструкции вентиляционного клапана.
В качестве примера, в то время как варианты исполнения включают трубки 57, имеющие закрытые концы, образованные заглушкой (плавким барьером) 75 из подходящего материала, который закупоривает конец, настоящее изобретение не ограничивается этим и распространяется на любые подходящие варианты закупоривания концов трубок. К закупориванию предъявляется только то требование, что оно ответственно за выбранное пороговое значение давления или температуры в тепловой трубе. Пороговое значение давления или температуры выбирается таким, чтобы вызывать вентиляцию открыванием до того, как возникает неконтролируемый отказ тепловой трубы с разрушением тепловой трубы.
Например, в то время как варианты исполнения включают конфигурации тепловых труб 21, в которых длины тепловых труб 21 увеличиваются по мере радиального отдаления тепловых труб 21 от внутренней поверхности верхней части горна, в которой размещены тепловые трубы, настоящее изобретение не ограничивается этим, и тепловые трубы 21 могут иметь любую подходящую длину.
В качестве примера, в то время как варианты исполнения включают холодильник 20 шлаковой зоны, настоящее изобретение не ограничивается этим, и распространяется на конфигурации, в которых холодильники 20 шлаковой зоны отсутствуют. Следует отметить, что холодильники 20 шлаковой зоны типа, показанного в вариантах исполнения, представляют собой стандартный вариант, чтобы облегчить теплопередачу от тепловых труб 21 вовне из резервуара 4.
Например, в то время как варианты исполнения сосредоточены на контакте огнеупорных футеровок с расплавленным шлаком, настоящее изобретение не ограничивается этим, и также распространяется на ситуации, где огнеупорные футеровки контактируют с расплавленным металлом.