ПЕЧЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОССТАНОВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Предлагаемое техническое решение относится к технологии восстановленного металла посредством нагрева слоя материала, содержащего оксид металла и углеродистый восстановитель, и может быть использовано в производстве металлизированного продукта, например железа, в печи с подвижным подом.
Эффективность процесса прямого восстановления оксида металла из агрегатированной шихты, состоящей из углеродистого восстанавливающего агента и оксида материала, зависит от соотношений реагентов в шихте качества агломератов и, в значительной мере, от технологических параметров процесса, температурных и временных режимов обработки материалов. Предпочтительным вариантом реализации данной технологии, обеспечивающим как высокую производительность процесса, так и возможность оперативного регулирования и управления технологическими параметрами процесса, является печь внутреннего обогрева с подвижным подом, перемещающимся по замкнутой траектории.
1
2
3
4
Известен способ получения металлического железа (патент РФ №2279483, С21В 13/08, 2005 г., [1]), который реализуется в восстановительной печи с подвижным подом. Печь имеет куполообразную конструкцию с вращающимся подом тороидальной формы, движущимся с заданной скоростью с помощью приводного устройства. Внутренняя часть корпуса печи разделена тремя разделительными стенками на зону твердофазного восстановления (Z), зону восстановительной выдержки (Z), зону науглероживания и плавления (Z) и зону охлаждения (Z). Зоны разделены со стороны загрузки в направлении перемещения пода таким образом, чтобы температура атмосферы и/или состав газовой атмосферы могли регулироваться отдельно.
Основной недостаток известного решения - такое разделение перегородками по стадиям процесса и отдельное регулирование по каждой зоне возможно только при очень жестком входном контроле, поступающего в печь шихтового материала (гранулометрический и компонентный состав всей шихты), что в производственных условиях крайне затруднительно. Любые отклонения в свойствах шихтового материала приведут к необходимости срочной «перенастройке» технологических параметров по зонам печи, что приведет к нарушениям устоявшегося технологического режима. При изменении реологических характеристик сырьевых материалов могут потребоваться конструктивные изменения печи - изменение мест установки перегородок.
Известен способ и устройство для получения восстановленного железа (патент РФ №2303072, С21В 13/08, F27B 3/10, 2007 г., [2]).
Устройство представляет собой карусельную печь, включающую подвижный под, корпус и установленные внутри корпуса перегородки (не менее четырех), которые разделяют внутреннее пространство печи на четыре зоны: зону подачи шихты, включающую устройство для подачи шихты (загрузочное устройство) и устройство для выгрузки; зону нагревания/восстановления, зону плавления, снабженные горелками; зону охлаждения. Количество перегородок может быть увеличено за счет установки дополнительных перегородок в зонах высокотемпературной обработки. Перегородки снабжены отверстиями, с возможностью регулирования и вертикального перемещения. Продукты горения, образующиеся в результате работы горелок, удаляют через выпускное отверстие для газа, выполненное в корпусе печи.
По назначению, по технической сущности и наличию сходных признаков данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога для предлагаемого решения.
Основной недостаток известной технологии и устройства - локальное регулирование процесса по зонам регулированием потоков печного газа посредством регулирования проходных сечений, как перемещением перегородок, так и регулированием проходных сечений в самих перегородках. Устройство с таким регулированием не может обеспечивать высокую производительность печи, требует целой системы постоянного контроля и регулирования параметров в каждой зоне, что снижает надежность работы печи, усложняет эксплуатацию, значительно повышает материалоемкость устройства и затраты, как на изготовление, так и на обслуживание.
Задачей предлагаемого решения является повышение технико-экономических показателей процесса восстановления оксида металла из агрегатированной шихты и повышение эффективности работы печи.
Техническими результатами являются сокращение энергетических затрат и времени технологического цикла обработки материала.
Технические результаты достигаются тем, что в печи для получения восстановленного металла, включающей подвижный под, футерованный корпус, перекрывающий весь под сверху, при этом, внутреннее пространство печи включает зону загрузки и выгрузки, снабженную устройством для загрузки шихты и устройством для выгрузки продуктов реакции, зоны нагревания/восстановления, снабженные горелками, зону охлаждения и перегородки между зонами, зоны печи выполнены разной высоты, форсунки установлены на высоте, равной 0,32-0,64 высоты зоны, перегородки установлены между зоной загрузки и выгрузки и зоной нагрева шихты, между зоной восстановления и зоной охлаждения, причем, зоны восстановления и охлаждения соединены с газоотводящим устройством, а зона охлаждения снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя.
Кроме того, в зоне восстановления шаг установки форсунок может быть равен 0,4-0,6 шага установки форсунок в зоне нагрева, перегородка между зоной загрузки и выгрузки и зоной нагрева шихты может быть установлена на высоте от пода не более высоты слоя, загруженного на под материала, а перегородка между зоной восстановления и зоной охлаждения может быть выполнена с возможностью перемещения.
Предлагаемое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- подвижный под;
- футерованный корпус печи, перекрывающий весь под сверху;
- внутреннее пространство печи включает:
- - зону загрузки и выгрузки, снабженную устройством для загрузки шихты и устройством для выгрузки продуктов реакции, I;
- - зоны нагревания/восстановления, снабженные горелками, II, III;
- - зону охлаждения, IV;
- перегородки между зонами печи;
- перегородки выполнены с возможностью перемещения.
Предлагаемое устройство также характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу:
- зоны печи выполнены разной высоты;
- форсунки установлены на высоте, равной 0,32-0,64 высоты зоны;
- зоны восстановления и охлаждения соединены с газоотводящим устройством;
зона охлаждения снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя.
Также в предлагаемом решении перегородки установлены между зоной загрузки и выгрузки и зоной нагрева шихты, между зоной восстановления и зоной охлаждения, а в известном решении перегородки установлены между всеми зонами печи.
Кроме того, зоне восстановления шаг установки форсунок может быть равен 0,4-0,6 шага установки форсунок в зоне нагрева, перегородка между зоной загрузки и выгрузки и зоной нагрева шихты может быть установлена на высоте от пода не более высоты слоя, загруженного на под материала, а перегородка между зоной восстановления и зоной охлаждения может быть выполнена с возможностью перемещения.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности полезной модели «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения состоит в следующем.
Процесс прямого восстановления оксида металла из агрегатированной шихты, состоящей из углеродистого восстанавливающего агента и оксида материала, включает несколько последовательных стадий термообработки материала: нагрев исходной шихты, высокотемпературная обработка и охлаждение продуктов реакции. Основными задачами при реализации технологии являются: обеспечение полного протекания реакции восстановления по всему объему загруженного материала, контроль и регулирование технологических параметров процесса на всех стадиях, минимизация энергетических затрат. В предлагаемом техническом решении все задачи решаются комплексно.
Установка перегородки между зоной загрузки и выгрузки и зоной нагрева шихты, предпочтительно, на высоте от пода не более высоты слоя, загруженного на под материала обеспечивает предотвращение теплообмена между зоной нагрева и загрузки, сокращает непроизводительные теплопотери. Кроме того, в печь загружают материал, как правило, сразу после термообработки в устройстве для сушки агрегатированной шихты, что сокращает как расходы на транспортировку и хранение, но позволяет сохранить часть затраченной ранее тепловой энергии в загружаемом материале, а, следовательно, несколько сократить расход энергии на стадии предварительного нагрева. Движение пода из зоны загрузки в зону нагрева также способствует этому.
Регулирование режима эффективной термообработки материала в печи осуществляется:
- выполнением зоны предварительного нагрева материала меньшей высоты обеспечивает уменьшение объема рабочего пространства зоны и более интенсивную термообработку материала, чему также способствует и установка форсунок на высоте, равной 0,64 (~700 мм) высоты зоны нагрева II (1100 мм), так как форсунки расположены ближе к обрабатываемому материалу;
- предпочтительной установкой форсунок в зоне восстановления с шагом, равным 0,4-0,6 шага установки форсунок в зоне нагрева, что позволяет осуществить более интенсивную термообработку и обеспечить реакцию восстановления по всему объему загруженного материала и разделение продукта и шлака за счет изменения агрегатного состояния восстанавливаемого железа;
- установкой перегородки между зоной восстановления и зоной охлаждения, предпочтительно с возможностью перемещения, что позволяет регулировать температурный режим зоны восстановления;
- соединение зоны восстановления с газоотводящим устройством позволяет осуществить вывод части технологического газа из зоны восстановления и регулировать температурный режим;
- соединение зоны охлаждения с газоотводящим устройством позволяет интенсивно отводить избыточное тепло от продуктов реакции и подготовить материал к выгрузке;
снабжение зоны охлаждения устройством регулируемой подачи газообразного охладителя позволяет регулировать интенсивность отвода избыточного тепла.
Установка форсунок на высоте 0,32 (~1000 мм) высоты зоны восстановления III (3100 мм) обеспечивает необходимый нагрев материала и в то же время снижает потери восстановителя в шихте за счет выгорания, снижает запыленность в зоне реакции.
Регулирование режимов термообработки материала, в зависимости от характеристик загружаемого сырья, кроме вышеуказанного осуществляется также и изменением скорости вращения пода, варьированием толщины слоя материала, загружаемого на под, регулированием работы форсунок в зонах.
Предлагаемая печь для получения восстановленного металла (фиг.1) содержит подвижный под 1, перемещающийся по замкнутой траектории с помощью приводного устройства, футерованный корпус печи 2, перекрывающий весь под 1 сверху, устройство для загрузки материала 3, форсунки 4, вмонтированные в стенки футерованного корпуса печи 2, разгрузочное устройство 5.
Внутреннее пространство печи разделено на зоны (фиг.2):
I - зона загрузки шихтового агломерированного материала и выгрузки продуктов реакции;
II - зона предварительного нагрева материала;
III - зона восстановления металла из оксида;
IV - зона охлаждения продуктов реакции.
Зоны печи I и II разделены перегородкой 6, установленной внутри печи с возможностью перемещения. Между зонами III и IV также установлена перегородка 7 с возможностью перемещения. Зоны III и IV соединены с газоотводящим устройством 8, а зона охлаждения продуктов реакции IV снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя 9.
Печь работает следующим образом.
Агломерированный материал, содержащий оксид железа и углеродистый восстановитель в виде дробленого угля, как правило, сразу после термообработки в устройстве для сушки, поступает в зону I загрузки шихтового агломерированного материала и через устройство для загрузки материала 3 подается на подвижный под 1 слоем заданной толщины и перемещается в зону II предварительного нагрева материала, где происходит нагрев материала форсунками, установленными на высоте 0,64 (~700 мм) высоты зоны нагрева II (1100 мм). Температуру обработки в зоне нагрева II поддерживают (900+10)°С. Для обеспечения необходимых условий обработки, экономии энергоносителя, между зоной I, загрузки материала и зоной нагрева II, установлена перегородка 6, с зазором относительно пода 1, не менее толщины слоя обрабатываемого материала, затем нагретый материал поступает в зону III - восстановления металла из оксида, где происходит высокотемпературная обработка форсунками, установленными на высоте 0,32 (~1000 мм) высота зоны восстановления III (3100 мм). Температуру обработки в зоне восстановления III поддерживают (1400+10)°С. В зоне III происходит восстановление металлического железа из оксидсодержащего материала при его взаимодействии с углеродом. Продукты реакции, включающие гранулы металлического железа и шлак, перемещаются далее в зону охлаждения продуктов реакции IV.
Для обеспечения необходимых условий обработки и экономии энергоносителя между зоной III - восстановления и зоной IV охлаждения продуктов реакции установлена перегородка 7, с зазором относительно пода 1, не менее толщины слоя обрабатываемого материала.
Пройдя зону охлаждения IV, материал поступает в зону выгрузки продуктов реакции - зону I, где с помощью разгрузочного устройства 5 производится удаление продуктов реакции с движущегося пода. Далее технологический цикл повторяется, и каждый участок пода вновь последовательно перемещается по зонам с I по IV.
Для вывода избыточных продуктов реакции, регулирования температуры и состава газовой среды в реакционной зоне печи, зона восстановления III соединена с газоотводящим устройством 8.
Для регулирования температуры, отвода тепла от продуктов реакции зона охлаждения IV снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя 9 и также соединена с газоотводящим устройством 8.
ИНФОРМАЦИЯ
1. Патент РФ №2279483, С21В 13/08, 2005 г.
2. Патент РФ №2303072, С21В 13/08, F27B 3/10, 2007 г.