МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ
METALLURGICAL TANK

Область техники
Настоящее изобретение относится к конструкции металлургических емкостей, в которых выполняют металлургические процессы. Изобретение является частным случаем, но не единственным возможным применением емкостей, используемых для выполнения прямой плавки для получения расплавленного металла в чистом виде или в виде сплава из металлосодержащего исходного материала, такого как руда, частично восстановленная руда и металлосодержащие отходы.
Известный процесс прямой плавки, который основывается в основном на использовании слоя расплавленного металла в качестве реакционной среды и известный как процесс HIsmelt, описан в патенте США 6267799 и международной заявке WO 96/31627 на имя заявителя. Процесс HIsmelt, описанный в этих документах, предусматривает:
(a) формирование ванны расплавленного железа и шлака в емкости;
(b) вдувание в ванну:
(i) металлосодержащего исходного материала, обычно оксиды металла; и
(ii) твердого углеродсодержащего материала, обычно уголь, который действует как восстановитель оксидов металла и источник энергии; и
(c) плавление металлосодержащего исходного материала до металла в слое металла.
Под термином "плавка" здесь понимается термический процесс, во время которого при производстве жидкого металла происходят химические реакции, при которых восстанавливаются оксиды металла.
2
Процесс HIsmelt также включает последующее дожигание реакционных газов, таких как CO и H, поступающих из ванны в пространство над ванной с содержащим кислород газом, и передачу тепла, выделяемого при последующем дожигании в ванну для того, чтобы предоставить тепловую энергию, необходимую для плавления металлосодержащих исходных материалов.
Процесс HIsmelt также включает формирование переходной зоны выше номинально спокойной поверхности ванны, в которой находится полезная масса поднимающихся и впоследствии опускающихся капель или всплесков или потоков расплавленного металла и/или шлака, которые создают эффективную среду для передачи в ванну тепловой энергии, полученной при последующем дожигании реакционных газов над ванной.
В процессе HIsmelt металлосодержащий исходный материал и твердый углеродсодержащий материал вдувают в слой металла через множество фурм/сопел, которые наклонены по отношению к вертикали для того, чтобы проходить вниз и внутрь через боковую стенку плавильной емкости и в нижнюю область емкости для того, чтобы доставить твердые материалы в слой металла, в нижней части емкости. Для того чтобы обеспечить последующее дожигание реакционных газов в верхней части емкости, поток горячего воздуха, который может быть обогащен кислородом, вдувается в верхнюю область емкости через проходящую вниз фурму для вдувания. Отходящие газы, полученные в результате последующего дожигания реакционных газов в емкости, отводятся из верхней части емкости через канал для отвода отходящих газов.
Процесс HIsmelt позволяет получить большое количество расплавленного металла прямой плавкой в одной небольшой емкости. Эта емкость должна выполнять функцию сосуда высокого давления, содержащего твердые материалы, жидкости и газы при очень высоких температурах в течение процесса плавки, который может протекать очень долгое время. Как описано в патенте США 6322745 и международной заявке WO 00/01854 на имя заявителя, емкость может состоять из стального кожуха, содержащего горн, выполненный из огнеупорного материала, имеющий основание и боковые стороны в контакте с, по крайней мере, расплавленным металлом и боковые стенки, проходящие вверх от боковых сторон горна и контактирующие со слоем шлака и заполненным газом пространством с, по крайней мере, теми боковыми стенками, состоящими из водоохлаждаемых панелей. Такие панели могут иметь двойную змеевидную форму с набитым или нанесенным в полости огнеупорным материалом. Другие металлургические емкости снабжаются внутренними огнеупорными материалами и огнеупорными системами охлаждения. При обычном производстве железа, например, в доменных печах система охлаждения, как правило, включает несколько холодильных плит в конструкции из прочного литейного чугуна, способного противостоять нагрузкам, создаваемым большими количествами шихты, проходящей вверх через шахту доменной печи. Такие холодильные плиты заменяются только при смене футеровки печи, в течение которой доменную печь выключают на длительный период. В наши дни период между сменой футеровки доменной печи, работающей непрерывно, может составлять более двадцати лет и смена футеровки печи продолжается несколько месяцев.
С другой стороны, для дуговых электропечей, таких как используемые для серийного производства стали, могут использоваться охлаждающие панели, которые легко подвешиваются к несущей конструкции каркаса, который может быть доступен при убранной крышке, причем охлаждающие панели используются как расходуемый материал. Охлаждающие панели могут быть заменены и/или отремонтированы в течение других запланированных остановок печи или между плавками.
Металлургическая емкость для осуществления процесса HIsmelt связана со специфической проблемой, заключающейся в том, что процесс идет непрерывно и емкость должна быть закрыта как сосуд высокого давления на длительный период, обычно примерно на год или больше, и затем должна быть быстро произведена смена футеровки за короткий период времени, как описано в патенте США 6565798 на имя заявителя. Это требует установки внутренних водоохлаждаемых панелей в области, к которой ограничен доступ. Более того, наиболее предпочтительно, чтобы поврежденные панели могли быть заменены без повреждения целостности кожуха и его рабочих характеристик как сосуда высокого давления.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает металлургическую емкость, включающую:
кожух; и
множество охлаждающих панелей, образующих внутреннюю футеровку, по крайней мере, для верхней части емкости, при этом каждая панель имеет внутренние каналы для протекания через них охладителя;
в которой кожух обеспечивает прилегание каждой охлаждающей панели с множеством отверстий, окруженных трубчатыми выступами, выступающими снаружи кожуха, и каждая панель снабжена множеством стержней, выступающих со стороны панели через упомянутые отверстия в кожухе и соединенных с наружными сторонами трубчатых выступов в местах, которые соединяют охлаждающую панель с кожухом и которые закрывают отверстия.
Охлаждающиеся панели могут быть установлены внутри емкости с огнеупорным материалом для формирования внутренней огнеупорной футеровки емкости, причем охлаждающие панели функционируют при протекании охладителя через упомянутые каналы для охлаждения огнеупорного материала.
Упомянутые стержни могут иметь вытянутую форму и могут выступать со стороны панели взаимно параллельно по отношению друг к другу.
Упомянутые стержни могут содержать несколько креплений.
Упомянутые стержни могут также включать трубчатые подвод и отвод охладителя.
Кожух емкости содержит, как правило, цилиндрическую секцию, футерованную несколькими упомянутыми охлаждающими панелями.
Данные панели могут иметь вытянутую дугообразную форму, при этом изгиб панелей совпадает с изгибом, как правило, цилиндрической секции емкости.
Дугообразные панели могут быть расположены в вертикально расположенных рядах панелей, расположенных по окружности емкости.
Панели могут быть расположены близко для того, чтобы уменьшить зазоры, требуемые между расположенными по окружности панелями для демонтажа каждой панели путем ее перемещения, при этом могут быть, по крайней мере, шесть расположенных по окружности панелей в каждом ряду. Более конкретно, в каждом ряду может быть примерно восемь панелей.
Панели могут состоять из труб, в которых протекает охладитель, имеющих зигзагообразную форму, для формирования панелей. В этом случае стержни могут состоять из креплений, прикрепленных к трубе зигзагообразной формы и трубчатому охладителю и соединителям подвода и отвода, выступающих из концов трубчатой зигзагообразной формы.
Каждая панель может иметь внутренние и внешние зигзагообразные формы, образующие внутренние и внешние секции панели относительно кожуха емкости.
При работе емкости воду пропускают через внутренние каналы панелей, выполняющих функции охладителя.
Изобретение также предусматривает способ установки охлаждающей панели на кожух металлургической емкости для того, чтобы образовать часть внутренней футеровки кожуха, включающий:
обеспечение охлаждающей панели множеством стержней, выступающих со стороны панели,
обеспечение кожуха емкости множеством отверстий для прохождения стержней панели и трубчатыми выступами, окружающими отверстия и выступающими наружу из кожуха,
прохождение через отверстия в кожухе стержней для размещения панели в положении, в котором они образуют внутреннюю часть кожуха, и
образование соединения между стержнями и наружными сторонами трубчатых выступов на внешней стороне кожуха, которые закрепляют панель на кожухе и герметизируют отверстия.
Изобретение также предусматривает охлаждающую панель для установки на кожухе металлургической емкости для того, чтобы образовать часть внутренней футеровки кожуха, включающую:
корпус панели, имеющий внутренние каналы для протекания через них охладителя, и
множество стержней, выступающих со стороны панели к одной стороне корпуса панели и способных закреплять панель, когда они проходят через отверстия в кожухе и присоединяются к кожуху с внешней стороны емкости.
Корпус панели может состоять из труб, в которых протекает охладитель и имеющих зигзагообразную форму.
Более конкретно, корпус панели может быть образован из одной охлаждающей трубы, сформированной для образования прилегающих внутренней и внешней секций панели зигзагообразной формы, и упомянутые стержни могут выступать с наружной стороны из внешней секции панели.
Панель может быть вытянутой дугообразной формы.
Внешняя секция панели может быть расположена на внешней стороне изгиба панели с стержнями, выступающими с наружной стороны параллельно друг другу и параллельно центральной плоскости, выступающей со стороны панели и радиально изгибу панели.
Стержни могут включать несколько креплений и соединителей подвода и отвода охладителя, выступающих из концов трубы, в которой протекает охладитель.
Соединители для трубчатого охладителя могут быть расположены на одном конце панели, и крепления могут быть расположены поперек панели между ее концами.
Крепления могут быть присоединены к панели при помощи соединительных накладок, каждая из которых закреплена ее концами к прилегающим участкам трубы внутренней секции панели и проходящих между ее концами наружу, поперек участка трубы внешней секции панели.
Соединительные накладки могут быть, как правило, V-образной формы с вершиной V-образной формы, изогнутой для того, чтобы примерно совпадать с соответствующим участком трубы внешней секции панели.
Крепления могут быть сварены с соединительными накладками для того, чтобы проходить наружу из вершины V-образной формы.
Краткое описание чертежей
Для того чтобы пояснить изобретение, более подробно будет описан один подробный вариант изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи:
фиг.1 - вертикальный разрез емкости для прямой плавки, снабженной охлаждающими панелями в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - вид сверху емкости, показанной на фиг.1;
фиг.3 - расположение охлаждающих панелей основной цилиндрической бочкообразной секции емкости;
фиг.4 - развертка охлаждающих панелей, показанных на фиг.3;
фиг.5 - развертка, схематически показывающая полный набор охлаждающих панелей, установленных на емкости;
фиг.6 - вертикальный разрез одной из охлаждающих панелей, установленных на цилиндрической бочкообразной секции емкости;
фиг.7 - вид панели, показанной на фиг.7;
фиг.8 - разрез по линии 8-8 на фиг.6;
фиг.9 - вид спереди охлаждающей панели, показанной на фиг.6;
фиг.10 - детальный чертеж охлаждающей панели; и
фиг.11 и 12 - детальный чертеж присоединения охлаждающей панели к кожуху емкости.
Подробное описание предпочтительного варианта изобретения
На фиг.1 и 2 показана емкость для прямой плавки, соответствующая операциям процесса HIsmelt, описанного в патенте США 6267799 и международной заявке WO 96/31627. Металлургическая емкость обозначена как 11 и имеет горн 12, который содержит основание 13 и боковые стороны 14, сформированные из огнеупорных кирпичей, копильник 15 для непрерывного выпуска расплавленного металла и выпускное отверстие 16 для выпуска расплавленного шлака.
Основание емкости присоединено к нижнему концу внешнего кожуха 17 емкости, выполненному из стали и включающему цилиндрическую основную бочкообразную секцию 18, сужающуюся вверх и внутрь секцию 19 свода и верхнюю цилиндрическую секцию 21 и секцию крышки 22, окружающую камеру 26 отходящих газов. Верхняя цилиндрическая секция 21 имеет выпускное отверстие 23 большого диаметра для отвода отходящих газов, и крышка 22 имеет отверстие 24, в которое устанавливается проходящая вниз фурма для вдувания, обеспечивающая вдувание горячего воздуха в верхнюю часть емкости. Основная цилиндрическая секция 18 кожуха имеет восемь расположенных на одной окружности трубчатых устройств 25, через которые проходят фурмы для вдувания твердого материала, такого как железная руда, углеродсодержащий материал, и флюс в нижнюю часть емкости.
При использовании емкости, содержащей жидкую ванну железа и шлака, верхняя часть емкости должна содержать горячие газы под давлением и с крайне высокой температурой порядка 1200°C. Следовательно, емкость должна работать, как сосуд высокого давления в течение длительного периода, и должна иметь надежную конструкцию и быть полностью герметичной. Доступ к внутренней части емкости чрезвычайно ограничен, доступ главным образом ограничивается при неработающей печи через отверстие 24 в крышке и дверце 27 для восстановления футеровки.
Кожух емкости 11 выложен внутри набором 107 отдельных охлаждающих панелей, через которые может циркулировать охлаждающая вода, и эти охлаждающие панели заключены в огнеупорном материале для обеспечения водного охлаждения внутренней огнеупорной футеровки емкости выше зоны плавления. Важно, чтобы огнеупорная футеровка была практически непрерывной для того, чтобы весь огнеупорный материал был подвержен охлаждению, поскольку неохлаждаемый огнеупорный материал будет быстро разрушен. Панели сформированы и закреплены на кожухе таким образом, что они могут быть установлены внутри кожуха 11 и могут быть отсоединены и заменены по отдельности при выключении, не нарушая целостность кожуха.
Охлаждающие панели представлены набором из сорока восьми панелей 31, которыми футеруют основную цилиндрическую бочкообразную секцию 18 кожуха, и набором из шестнадцати панелей 32, которыми облицовывают сужающуюся секцию свода 19. Первым набором из четырех панелей 33 облицовывают нижнюю часть камеры 26 отходящих газов непосредственно над сужающейся частью свода 19. Двадцатью панелями 34 обкладывают секцию камеры отходящих газов 26 над первым набором из четырех панелей 33. Одиннадцатью панелями 35 обкладывают крышку 22 и восемью панелями 40 обкладывают выпускное отверстие 23.
Панели камеры отходящих газов и нижнего ряда панелей в бочкообразной секции сформированы из одного ряда труб, тогда как оставшиеся панели 31 бочкообразной секции, а также сужающейся секции свода 19 сформированы из двух рядов труб, расположенных одна перед другой относительно кожуха 17 емкости. Нижний ряд панелей 31 бочкообразной секции расположен за огнеупорным материалом горна и наиболее близко к расплавленному металлу. В случае значительной эрозии или разрушения огнеупорного материала возможен контакт панелей с расплавленным металлом, и поэтому предпочтительно панели изготавливают из меди. Оставшиеся панели бочкообразной секции, а также камеры 26 отходящих газов могут быть изготовлены из стали.
Конструкция панелей 31 и порядок, согласно которому они установлены на основной цилиндрической бочкообразной секции 18 кожуха емкости, показаны на фиг.6-12. Как показано на фиг.3, 4 и 5, эти панели расположены в 6 вертикальных рядах дугообразных панелей, расположенных по окружности емкости, каждый ряд состоит из восьми отдельных панелей 31. Каждая панель 31 состоит из трубы, в которой протекает охладитель 36, изогнутый для формирования внутренней и внешней секций панели 37, 38 зигзагообразной формы. Внутренняя и внешняя секции панели 37, 38 также вертикально смещены так, что горизонтальные участки труб одной секции панели расположены между горизонтальными участками труб другой секции панели. Соединители подвода и отвода охладителя 42 выступают из внутренней секции панели, предпочтительно с одного конца каждой панели, хотя они могут также выступать из других секций или мест панели.
Панели 31 имеют вытянутую дугообразную форму, имеющую длину, большую, чем высота, и с изгибом для совпадения с изгибом основной цилиндрической бочкообразной секции 18 кожуха. Как может быть видно из фиг.3 и 4, несколько проемов 55 предусмотрены в наборе бочкообразных панелей 31. Эти проемы 55 совпадают с расположенными по окружности трубчатыми устройствами 25 и функционируют для обеспечения зазора, достаточного для прохождения фурм для вдувания твердых материалов внутрь емкости 11. Обычно проемы сформированы для того, чтобы разместить главным образом цилиндрические фурмы для вдувания твердых материалов, которые проходят через кожух 17 емкости и панели 31 под углом к вертикальной плоскости, по касательной к кожуху 17 емкости в центре прохождения. Проемы 55 сформированы размещением двух или более панелей, имеющих вырезы, сформированные по краям. Вырезы могут быть по вертикальным или горизонтальным краям или могут быть в одном или более углах. Трубчатые устройства 25 размещены по окружности емкости на одинаковой высоте. Панели, которые образуют проемы 55, имеют длину, соответствующую такому расстоянию по окружности между трубчатыми установками 25, что в основном осевая линия каждой фурмы совпадает с вертикальными краями двух или более прилегающих панелей. Такое расположение приводит к тому, что панели в области кислородных фурм для вдувания твердых материалов имеют вырезы по обоим вертикальным краям. Эти вырезы могут проходить по верхнему или нижнему углам панели.
Набор из четырех креплений 43 соединен с трубой зигзагообразной формы внешней секции 38 панели при помощи соединительных накладок 44 для того, чтобы выступать с наружной стороны панели. Каждая соединительная накладка 44 закреплена на концах прилегающих участков трубы внутренней секции панели и проходит между ее концами наружу через участок трубы внешней секции панели так, как это более подробно показано на фиг.10. Соединительные накладки 44 главным образом V-образной формы с вершиной V-образной формы изогнуты для того, чтобы плотно охватить участок трубы внешней секции панели. Крепления 43 сварены с соединительными накладками для того, чтобы проходить наружу из вершин V-образной формы. Соединительные накладки используются для скрепления панелей, закрепляя надежно участки трубы, расположенные на расстоянии во множестве мест, распределенных по всем панелям, что приводит к прочной, но гибкой конструкции панели.
Крепления 43 проходят через отверстия 45 в кожухе 17 и трубчатые выступы 46, окружающие отверстия 45 и выступающие наружу из кожуха 17. Концы креплений 43 выступают за фланцы 57, расположенные на наружных сторонах трубчатых выступов 46. Крепления 43 соединены с фланцами 57 путем приваривания кольцевых металлических дисков 47 к креплениям 43 и фланцам 57, таким образом образуя соединения внешней стороны кожуха, которые герметично закрывают отверстия 45.
Точно так же соединители 42 подвода и отвода панели выступают наружу через отверстия 48 в кожухе 17 и за трубчатыми выступами 49, окружающими эти отверстия и выступающими наружу из кожуха, причем выполняют соединения, приваривая кольцевые диски 51 между соединителями 42 и фланцами 59, расположенными на конце выступов 49. Таким образом, каждая панель 31 закреплена на кожухе посредством четырех креплений 43, и соединители 42 в отдельных местах выступают с внешней стороны кожуха. Крепления и соединители охладителя выполнены с возможностью подвижной посадки в трубчатых выступах труб 46, 49. Выступы 46, 49, фланцы 57, 59, диски 47 и крепления 43 закреплены неподвижно и имеют достаточную прочность для того, чтобы выдержать нагрузку панелей в свободно висящем состоянии на концах выступов, когда панели функционируют, заполнены охлаждающей водой и заключены в огнеупорный материал.
Панели 31 демонтируются стачиванием сварного шва между креплениями 43 и фланцами 57 и между соединителями 42 для охладителя и фланцами 59. Таким образом, панели легко демонтируются. Фланцы 57, 59 могут быть также демонтированы стачиванием перед установкой замененных панелей. Такой способ позволяет демонтировать панели с минимальным повреждением фланцев 57, 59, выступов 46, 49 и, следовательно, емкости 11.
Крепления 43 и соединители 42 для подвода и отвода охладителя направлены так, чтобы выступать со стороны наружу из панели, параллельно друг к другу, для того, чтобы быть параллельными центральной плоскости, проходящей со стороны через панель радиально по отношению к емкости так, чтобы панель могла быть установлена и демонтирована перемещением панели полностью внутрь или наружу цилиндрической бочкообразной секции емкости.
Зазоры 53 между расположенными по окружности панелями 31 должны быть достаточны для того, чтобы позволить демонтировать задние внешние кромки панели для того, чтобы освободить внутренние кромки прилегающих панелей, причем демонтируемая панель вытаскивается внутрь, по направлению креплений 46 и соединителей 42. Требуемый размер зазоров зависит от длины дугообразных панелей и, следовательно, количества панелей, проходящих окружность бочкообразной секции 18. В показанном варианте имеется восемь расположенных по окружности панелей в каждом из шести рядов панелей 31. Было обнаружено, что это обеспечивает минимальные зазоры между панелями и гарантирует соответствующее охлаждение огнеупорного материала в зазорах. Главным образом, для достаточного охлаждения необходимо поделить каждый ряд, по крайней мере, на шесть расположенных по окружности панелей. Более того, дугообразная длина внешней части панели может быть меньше, чем дугообразная длина внутренней части панели. Такое расположение обеспечивает между внутренней секцией панели прилегающих панелей минимальный зазор 53 по сравнению с расположением, где внешняя секция панелей и внутренняя секция панели имеют одинаковую длину.
Стопорные крепления 50 для огнеупоров сварены встык с трубами охладителя панелей 31 для того, чтобы выступать внутрь из панелей и функционировать как якоря для огнеупорного материала, расположенного на панели. Крепления 50 могут быть расположены по группам этих креплений, исходящих из центра наружу из соответствующей трубы, и расположены с равномерным расстоянием по всей трубе панели.
Панели 33 и 34, которые совпадают с цилиндрическими изогнутыми секциями емкости, сформированы и закреплены таким же образом, как панели 31, как описано выше, но некоторые из панелей 34 сформированы, как показано на фиг.5, для того, чтобы совпадать с окружностью выпускного отверстия для отвода отходящих газов 23.
Панели 32 и 35, которые совпадают с сужающимися секциями кожуха главным образом являются конически изогнутыми, как показано на поясняемой развертке фиг.5. За исключением различий в форме. Однако эти панели также сформированы и закреплены на кожухе, точно так же, как и панели 31, каждая из которых совпадает с креплениями, выступающими со стороны наружу от панели, и пара соединителей подвода/отвода охладителя на противоположных концах панелей, крепления и соединители проходят через отверстия в кожухе и соединяются с трубами, выступающими со стороны наружу из кожуха для того, чтобы образовать соединения снаружи кожуха, которые герметично закрывают отверстия и обеспечивают безопасное закрепление панелей, несмотря на то, что допускается небольшое свободное перемещение панелей.
Показанный вариант изобретения является только примером. Понятно, что изобретение не ограничивается конструктивными элементами этого варианта изобретения.