СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО РУДОУГОЛЬНОГО СЫРЬЯ
METAL COATING METHOD OF IRON-BEARING ORE-COAL RAW MATERIAL

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для изготовления окатышей или брикетов - товарных продуктов для металлургических предприятий. В частности, изобретение позволяет получить сырье, которое содержит восстановленное железо, использование которого снижает затраты металлургического передела и, соответственно, снижает себестоимость товарной продукции.
Известен способ получения металлизированного продукта с использованием в качестве восстановителя и теплоносителя природного газа, в котором как возобновляемый материал используют обожженные окисленные окатыши из высокосортных железорудных концентратов. Предварительно освобожденные от мелочи, окатыши поступают сверху в шахтную печь-реактор, которая работает под давлением, и оставляют их снизу уже в металлизированном виде. Одновременно с окатышами в печь поступает горячий восстановительный газ, который подается через сопла в средней части печи. Восстановительный газ имеет температуру около 760°C и при абсолютном давлении около 0,2 МПа движется навстречу потоку окатышей вверх, выходит из печи с температурой около 400°C. При реализации восстановительных процессов, которые осуществляются в реакторах, используется предварительно конверсированный природный газ [Кудрявцев B.C., Пчелкин С.А. Металлизованные окатыши - М.: Металлургия - 1974 - с.136].
К недостаткам этого способа следует отнести необходимость предварительного высокотемпературного обжига сырых окатышей с затратами тепловой энергии и применения громоздкого оборудования, а также необходимо наличие дополнительных технологических процессов, связанных с дополнительными затратами. В процессе восстановления окатышей они теряют прочность и под значительным весом верхних слоев и разрушаются, что снижает технологичность процесса. Процесс связан со значительными удельными затратами природного газа.
th
Известен также способ металлизации, в котором используются восстановительные газы. Способ включает получение металлизированного железа в восстановительном реакторе с помощью газа, добытого путем парокислородной конверсии углеводородов (природного газа) непосредственно в восстановительном реакторе с использованием свежевосстановленного железа как катализатора. Способ отличается тем, что, содержание углерода в продукте поддерживают путем регулирования количества водного пара, двуокиси углерода и кислорода в восстановительном газе (Quintero R., Becerra J. HyL's carbide process // 4 European Coke and Ironmaking Congress-Paris-June 19-20. 2000 Proceeding-1-Paric-2000 - p.356-362).
Недостатком процесса является сложность в подготовке восстановительного агрегата, поддержка его восстановительной способности для получения готового продукта стабильного качества. Кроме того, необходимо иметь в наличии природный газ на объекте.
Известен также способ восстановления и металлизации с применением твердого углерода. В способе используют богатый железорудный концентрат или окалину, смесь угля с известняком. Продукт загружают слоями, в круглые керамические капсели. Капсели с шихтой на вагонетках непрерывно подают в туннельную печь, где их нагревают, выдерживают при 1150-1200°C и охлаждают, после чего губчатое железо извлекают из капселей (Бондаренко Б.И., Курганский Н.П., Пекач В.Ф. Восстановительно-обезуглероживающий отжиг металлических порошков - Киев: Наук. мысль, 1991, 328 с.).
Недостатками известного способа является прерывистость процесса и его низкая производительность, низкое и неоднородное качество восстановленного металлизированного продукта.
Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является способ термической металлизации железосодержащего рудоугольного сырья, которое включает получение окатышей (брикетов) из рудо-флюсоугольной шихты, их термическую обработку, которая состоит из операций сушки на сушильном агрегате конвейерного типа, высокотемпературного обжига, осуществляемого в кольцевой печи со вращающимся подом в восстановительной атмосфере, создаваемой с помощью твердого топлива и с использованием внешнего источника тепла, например природного газа.
Способ предусматривает смешивание железорудного концентрата с углем и бентонитом, после чего его подвергают окомкованию. Сырые рудно-топливные окатыши сушат в сушилке конвейерного типа при 150°C на протяжении 15 мин, после чего укладывают их тонким слоем на под вращающейся кольцевой печи с прямым обогревом, где последовательно проходят зоны нагрев и восстановления. Печь отапливается за счет сжигания природного газа или мазута. Получаемое губчатое железо выгружают в вертикальный холодильник шахтного типа, где охлаждают до 120°C. Кольцевая печь условно разделена на температурные зоны (Реферативный журнал "Металлургия" - 2000 - реф. 00.04-15 В66).
Недостатком этого способа является сложность в получении заданной восстановительной атмосферы в объеме печи, так как сжигание природного газа с добавлением воздуха осуществляется внутри печи, вследствие чего сложно стабилизировать необходимые условия для металлизации.
Задачей изобретения является усовершенствование способа термической металлизации железосодержащеего рудоугольного сырья за счет комплексного поэтапного воздействия на сырье, использование термических режимов, которые обеспечивают поэтапную ее термическую подготовку и постепенную металлизацию до кондиции, которая обеспечивает образование продукта предназначенного для металлургической промышленности.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения состоит в получении высококачественного продукта предназначенного для металлургической промышленности при минимальной себестоимости технологического процесса и значительном снижении затрат энергоносителей за счет утилизации созданного тепла.
Поставленная задача решается за счет того, что способ термической металлизации железосодержащего рудоугольного сырья включает получение окатышей (брикетов) из рудо-флюсоугольной шихты, их термическую обработку, которая состоит из операций сушки на сушильном агрегате конвейерного типа, высокотемпературный обжиг, осуществляемый в кольцевой печи со вращающимся подом в восстановительной атмосфере, создаваемой с помощью твердого топлива с использованием внешнего источника тепла, например природного газа.
4
4
3
2
4
4
3
2
Согласно изобретению, предварительно высушенные и нагретые до температуры 600-800°C рудо-флюсоугольные окатыши или брикеты загружают в реакционную теплоизолированную электрогерметичную камеру кольцевой печи карусельного типа, вращающийся под которой разделяют перегородками на секторы, при этом в реакционной камере, в каждом секторе, размещают волноводы-излучатели энергии сверхвысокой частоты, которые связывают с генераторами энергии сверхвысокой частоты мощностью 50-100 кВт с рабочей частотой 0,95 или 2,45 ГГц, причем посекторно, с помощью волноводов-излучателей, поэтапно повышают температуру сырья от 950°C до 1300°C, причем удельную мощность энергии сверхвысокой частоты для соответствующего нагрева подают в импульсном режиме в размере 0,44-0,78 кВт на 1 кг массы сырья, которое находится в зоне действия волноводов-излучателей, после чего металлизированный продукт направляют в нижерасположенный охладитель с кольцевым вращающимся подом с двумя зонами охлаждения, в первой из которых - высокотемпературной, предают 58-63% общей рабочей площади охладителя и обеспечивают скорость фильтрации атмосферного воздуха через слой сырья, которая равняется от 1,1·10 до 1,6·10 м/м·ч, а в другой, низкотемпературной зоне, рабочей площади, которая занимает другую часть охладителя, обеспечивают скорость фильтрации атмосферного воздуха через слой от 0,9·10 до 1,1·10 м/м·ч.
Для стабилизации работы генераторов СВЧ, излучаемый ими поток излучения СВЧ формируют при коэффициенте стоящей волны (КСВ), который равняется 2,5±0,3, при этом скорость нарастания потока мощности устанавливают в пределах 92-105 Вт/с, увеличивая ее в каждом секторе реакционной камеры на 1,8-2,6 Вт/с относительно предыдущего сектора.
Для обеспечения технологического процесса металлизации железорудного сырья в реакционной камере выполняют окна, оборудованные экранной решеткой с запредельными ячейками.
Способ реализуется следующим образом.
Сырые окатыши диаметром от 10 до 30 мм, приготовленные из шихты, в состав которой входят: железосодержащий продукт (концентрат) или тонкоизмельченная руда, или металосодержащие отходы техногенных месторождений, твердое топливо, флюсующая добавка, упрочняющая добавка (бентонит), которые имеют влажность в пределах 9-10%, направляют в сушильный агрегат. В сушильном агрегате с помощью специального устройства окатыши укладывают на решетку с отверстиями 5-6 мм равномерным слоем и подают на него теплоноситель. В сушильном агрегате окатыши выдерживают на протяжении времени, достаточного для полного удаления влаги из них и нагревания до необходимой заданной температуры, соблюдая при этом условия: не допустить трещинообразования или полного разрушения окатышей.
Для соблюдения этих условий, нагревание делают в зональном режиме с постепенным повышением температуры в слое окатышей за счет подачи теплоносителя в различном количестве и с различной температурой, которая повышается от загрузочного участка до разгрузочного.
В качестве теплоносителя используют рекуперационный горячий воздух, полученный при последующих высокотемпературных технологических процессах.
Повышение температуры в слое окатышей осуществляют в следующей последовательности: в первой зоне - до 150-250°C; во второй зоне - до 350-450°C; а в третьей зоне - до 600-800°C.
Предварительная сушка и нагрев окатышей до температуры не менее 600-800°C обусловлена условиями термообработки железосодержащего сырья на следующих стадиях. Меньшее значение температуры нагрева приводит к дальнейшим потерях энергоносителей при их металлизации, а превышение температуры более 800°C приводит к увеличению себестоимости продукции.
Последующие стадии обработки предусматривают восстановительный обжиг и металлизацию нагретых окатышей в реакционной камере агрегата, который использует тепловую энергию СВЧ источников. Направленное от них электромагнитное поле на слой нагретых окатышей превращается в тепловую энергию, вследствие чего происходит быстрое нагревание окатышей и происходят процессы диссоциации и восстановления до металлизации, т.е. происходит процесс прямого получения железа с помощью твердого восстановителя, который находится в объеме окатыша в тесном контакте с минералами окислов железа.
Восстановительный газ, который образуется, взаимодействуя с углем, дополнительно подается в обрабатываемый слой, ускоряет восстановительные реакции. Дополнительный уголь вводят в печь одновременно с нагретыми окатышами и сосредоточивают в основном в нижнем горизонте слое, фильтруясь через слой окатышей он образует "постель".
Установлено экспериментально, что окатыши, а именно компоненты и минералы которые их составляют, нагретые до температуры 600-800°C, в сравнении с холодными окатышами, более быстро и полно воспринимают энергию электромагнитного поля СВЧ-источника.
Высушенные и нагретые до температуры 600-800°C рудо-флюсоугольные окатиши или брикеты загружают в реакционную теплоизолированную электрогерметичную камеру кольцевой печи карусельного типа, под которой разделяют перегородками на секторы. В каждом секторе печи сырье подвергается с помощью волноводов-излучателей воздействию энергии СВЧ, которую вырабатывают генераторами энергии сверхвысокой частоты мощностью 50-100 кВт с рабочей частотой 0,95 или 2,45 ГГц, которые являются исключительно оптимальными для хода технологического процесса.
При меньшей величине мощности энергии сверхвысокой частоты не осуществляется преобразование сырья для следующей металлизации, а при мощности, которая превышает 100 кВт, ход технологического процесса нарушает установленный оптимальный регламент по получению качественной продукции.
Окатыши, в которых процесс восстановления протекает от гематита до магнетита и дальше до вюстита (Fe) и металлического железа, поэтапно продвигаются в зону с более высокой температурой, которая составляет 950-1300°C и является оптимальной для процесса металлизации.
Удельную мощность энергии для соответствующего нагревания подают в импульсном режиме в размере 0,44-0,78 кВт на 1 кг массы сырья, которое находится в зоне действия волноводов-излучателей. При указанных технологических режимах завершается процесс металлизации. Меньшее значение мощности не позволяет обеспечить процесс металлизации сырья до момента подачи его до разгрузочного устройства, а увеличение мощности превышает рациональные затраты энергоносителя и нарушение регламента металлизации в сырье.
Указанные условия применения энергии СВЧ определялись экспериментально. Подача потока мощности с применением импульсного режима оказывала содействие снижению количества общего потока энергии, т.е. снижению затрат электроэнергии. Показатели приведенной удельной мощности ниже нижних границ не позволяли получить необходимую температуру в технологической зоне реакционной камеры печи и получить заданную степень металлизации. Эти условия связаны с изменением теплофизических и электрических свойств нагретых материалов, их восприятием электромагнитного поля СВЧ-энергии.
Превышение верхней границы удельной мощности приведет к преждевременному, быстрому повышению температуры и вследствие этого раннему образованию расплава, из-за чего не успеет завершиться в полной мере процесс металлизации.
После практически полной металлизации железосодержащих минералов в объеме окатышей, материал продвигается в последнюю зону печи, в которой происходит плавление материала окатышей с образованием металлического ядра в центре и шлаковой оболочке.
Применяемые в изобретении генераторы, которые осуществляют подачу СВЧ-энергии в реакционную камеру, должны иметь достаточную мощность, чтобы получить заданную температуру в определенной зоне. Применяемая в нашем случае мощность в пределах 50-100 кВт обеспечивает необходимое количество тепла для равномерного повышения температуры в секторах-зонах. Мощность менее нижней границы не позволит поддерживать заданный режим нагревания, а применение мощности больше верхней границы связано с лишними затратами электроэнергии.
Стабильность работы генератора, т.е. подача необходимого потока энергии во внутренний объем реакционной камеры, организация движения волн в волноводах, соответственно электродинамике СВЧ, характеризуется показателем КСВ, который определяют экспериментально для определенного процесса.
Для наших условий КСВ должен составлять величину 2,5±0,3 (единицы), что было установлено экспериментально. Установленное значение этого коэффициента позволяет стабилизировать весь процесс восстановительного обжига с получением продукта равномерного качества.
Одновременно регулируют скорость нарастания плотности потока мощности энергии электромагнитного поля, которое поступает в процесс и превратится в слое обрабатываемого материала в тепловую энергию.
Экспериментально определили, что скорость нарастания потока мощности при восстановительной термообработке окатышей должна составлять 92-105 Вт/с, с увеличением ее значения от минимального на 1,8-2,6 Вт/с в каждом температурном секторе. Показатели меньше нижней границы не позволяют на протяжении заданного времени достичь заданной температуры в слое материала, что приводит к снижению производительности, а увеличение скорости нарастания плотности потока выше верхней границы способствует перерасходу энергии на процесс, а также возможному непредусмотренному оплавлению продукта.
Принятые величины рабочей частоты генератора 0,9 или 2,45 ГТц обеспечивают эффективную глубину проникновения электромагнитного поля и позволяет обрабатывать слой окатышей (брикетов) размером от 0,05-0,35 м с соблюдением разработанных режимов.
Дальше материал поступает на охлаждение с высокой скоростью отбора тепла путем вдувания холодного воздуха в горячий слой двухслойных металлизированных окатышей.
Охлаждения осуществляют в охладителе с кольцевым вращающимся подом с двумя зонами охлаждения: в первой из которых, высокотемпературной, предают 58-63% общей рабочей площади охладителя.
4
4
3
2
Эффективное охлаждение достигается в том случае, когда обеспечивают скорость фильтрации атмосферного воздуха через слой сырья, равный от 1,1·10 до 1,6·10 м/м·ч.
4
4
3
2
Во второй низкотемпературной зоне, которая занимает другую часть рабочей площади охладителя, обеспечивают и поддерживают скорость фильтрации атмосферного воздуха через слой от 0,9·10 до 1,1·10 м/м·ч.
При разгрузке из охладителя получают товарный охлажденный продукт для металлургической промышленности.
Наличие двух температурных зон в круговом охладителе продиктовано условиями охлаждения металлизированного материала, а также получения определенного количества нагретого до заданной температуре рекуперационного воздуха.
4
4
3
2
В первой зоне охлаждения, в которую попадает материал имеющий температуру 1050-1150°C, необходимо получить нагретый воздух с температурой не менее 400-450°C в количестве, которое обеспечивает скорость фильтрации его через слой окатышей в пределах 1,1·10-1,6·10 м/м·ч. Указанная скорость фильтрации определена экспериментально. Значение меньше указанной границы не позволит получить предельные скорости фильтрации и не позволит получить необходимое количество воздуха для поддержки заданной скорости охлаждения. Превышение верхней границы фильтрации в первой зоне охладителя потребует большого количества воздуха и также не позволит получить необходимые скорости фильтрации из-за роста аэродинамического сопротивления слоя сырья на поде охладителя.
Предельные показатели скорости фильтрации, установленые экспериментально, диктуются следующими условиями: меньше нижних границ невозможно охладить материал до заданных параметров (температура и скорость охлаждения), а выше верхней границы скорости фильтрации будет происходить нарушение стабильности слоя и вынос материала из слоя в газопровод.
Для обеспечения технологического процесса металлизации железорудного сырья, в реакционной камере выполняют окна с диэлектрической экранной решеткой с запредельными ячейками, которые препятствуют проникновению электрического поля СВЧ-излучения за границы камеры.
Температурные и восстановительные процессы, которые происходят в печи, требуют контроля их параметров. Кроме того, процессы, которые происходят в печи, сопровождаются выделением газообразных продуктов и требуют постоянного удаления их из внутреннего пространства печи. В этой связи, в стенке печи для каждого технологического сектора предусмотрены окна для установки и подключения необходимых контрольно-измерительных аппаратов, а также для удаления образуемых газообразных продуктов.
Опытно-промышленные испытания способа показали возможность получения высококачественного металлургического сырья при незначительных затратах энергоносителей. Это позволяет получать товарную продукцию с низкой себестоимостью и конкурентностью на рынке металлургической промышленности.