СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА
METHOD OF DIRECT REDUCTION OF IRON

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к способам и устройствам для прямого восстановления металлов группы железа из дисперсного (неоднородного по размерам частиц) оксидного сырья газообразными и дисперсными восстановителями.
Известен способ прямого восстановления металлов в плазменно-дуговой печи с ванной расплава (Цветков Ю.В., Панфилов С.А. «Низкотемпературная плазма в процессах восстановления». М.: Наука, 1980, с.232). Печь имеет керамический тигель и плазмотрон, вводимый в рабочее пространство печи через ее свод. Плазменная дуга горит непосредственно на расплав, находящийся в керамическом тигле. Ввод шихты осуществляют сверху на зеркало ванны. В случае восстановления металлов в печь подают плазмообразующий газ, являющийся необходимым химическим реагентом, при этом восстановительный процесс сопровождается большим количеством как подаваемого в печь, так и отходящего газа, отводимого через отверстие в своде. Недостаток известного способа заключается в уносе с отходящими газами значительной части подаваемой шихты.
Для устранения этого недостатка используют компактирование и окомкование оксидной мелочи (Кинетика восстановления и морфологическая оценка самовосстанавливающихся брикетов на основе гематитовых и магнетитовых руд. Ж.Х.Нолдин и др. Сталь №10, 2005 г.), восстановление в циклонных реакторах (Утилизация пыли от производства стали в дуговых сталеплавильных печах. Л.Н.Кузнецов, Л.А.Волохонский. Электрометаллургия 2004 г., №9), ввод дисперсных реагентов в расплав посредством газовой струи (пат. РФ №2226219).
В известных способах не решена проблема восстановления шихты, состоящей из нескольких фракций по размеру частиц. А именно либо полностью восстанавливается фракция из крупных частиц, но велик унос мелкодисперсной фракции, либо восстанавливается вся поступающая мелкодисперсная фракция, но крупные частицы не успевают расплавиться и восстановиться. При этом компактирование и окомкование дисперсных материалов является сложным и энергоемким технологическим процессом. Использование различных конструкций циклонных аппаратов значительно усложняет технологическую схему и также приводит к значительным затратам энергии, так как эти аппараты основаны на газотермическом укрупнении дисперсной массы (оплавление, коагуляция, слипание частиц).
В известном способе прямого восстановления (пат. РФ №2072639 от 1992 г.) выносимую отходящим газом плазменно-дуговой установки мелкодисперсную часть шихты собирают с помощью отдельно установленной пылеоосадительной камеры, в выходном патрубке которой встроен фильтр тонкой очистки, снабженный фильтрующими элементами из композиционных жаростойких материалов, при этом шихта подается через отверстие в крышке. Использование фильтров из композиционных материалов усложняет и удорожает процесс.
Известен способ прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья, включающий введение шихты в реакционный объем плазменной печи, возбуждение разряда, плавление и восстановление шихты, отведение отходящего газа, (Плазменно-дуговые восстановительные печи в структуре энергометаллургического комплекса. А.В.Николаев, А.А.Николаев. Труды пятого конгресса сталеплавильщиков. 1999 г.). Плазменный разряд горит между поверхностью ванны и полым графитовым электродом, вводимым через свод печи. Ввод шихты в печь осуществляется непосредственно в дуговой разряд печи через внутреннюю полость электрода. При этом шихта подается на поверхность ванны в область электрической привязки дуги.
В этом устройстве шихта, выходящая из канала электрода над поверхностью ванны, попадает в зону высокоскоростных плазменных потоков, значительная часть введенной шихты не достигает поверхности ванны и уносится из печи с отходящими газами.
Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является способ прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья, включающий введение шихты в реакционный объем плазменной печи, возбуждение плазменного разряда, плавление шихты и восстановление железа, отведение отходящего газа (RU 2040548). В известном способе после появления расплава в плавильной камере в него периодически вводят пылевидный материал до полного окончания плавки. Отходящие газы, фильтруясь через слой шихты, предварительно нагревают и обрабатывают шихту. Содержащаяся в шихте мелкодисперсная часть уносится отходящими газами.
Известный способ имеет следующие недостатки:
- процесс восстановления сырья до железа проводится в расплаве шихты, что неэффективно и требует больших энергетических затрат;
- процесс является циклическим;
- отходящие газы содержат пылевидные частицы, которые забивают входные отверстия в бункере с шихтой.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в устранении недостатков прототипа, обеспечении непрерывности процесса, повышении эффективности процесса восстановления и более полном использовании подаваемого дисперсного сырья.
Основной технический результат использования предлагаемого изобретения заключается в значительном сокращении уноса из печи мелкодисперсной части шихты с отходящими газами и проведении процесса восстановления в газовой фазе.
Указанный результат достигается тем, что предварительно шихту разделяют на две фракции, различающиеся размером частиц, мелкодисперсную фракцию вводят в реакционный объем вместе с потоком восстановительного газа, а фракцию с крупным размером частиц вводят навстречу потоку отходящего газа.
При этом в одном варианте мелкодисперсную фракцию вводят по центру печи, а фракцию с крупным размером частиц вводят по ее периферии, в другом варианте - наоборот.
Используемые термины и определения
Плазменный разряд - разряд, возбуждаемый в газе одним из известных способов, например с помощью плазмотрона.
Плазменная печь - устройство, содержащее средства для формирования плазменного разряда и тигель с перерабатываемым материалом, нагрев, плавление и химико-термическую обработку которого осуществляют при помощи плазменного разряда.
Оксидное сырье - руды, концентраты и техногенные вещества на основе оксидов металлов.
Шихта - смесь, состоящая из оксидного сырья, легирующих и рафинирующих добавок и, в ряде случаев, твердого восстановителя.
Мелкодисперсная фракция шихты - шихта с размерами частиц, не превышающими (300-400) мкм.
Фракция с крупным размером частиц - шихта с частицами, превышающими 400 мкм.
Способ реализуют следующим образом. Сначала разделяют шихту на две фракции - мелкодисперсную и с крупным размером частиц, обычными приемами в реакционном объеме плазменной печи возбуждают плазменный разряд, в который вместе с потоком восстановительного газа подают мелкодисперсную фракцию шихты. Газ, отходящий после взаимодействия с мелкодисперсной фракцией, приобретает в плазменном разряде высокую температуру и сохраняет в значительной степени восстановительные свойства. Навстречу потоку этого газа, несущего восстановленные до металла частицы мелкодисперсной шихты, подают фракцию с крупными частицами, которые нагреваются этим газом и частично восстанавливаются. Продолжая движение навстречу потоку отходящего газа, крупные частицы шихты попадают в реакционный объем печи, где происходит их окончательное восстановление.
Так как крупные частицы шихты могут быть восстановлены только в жидкой фазе, предварительный нагрев и частичное их восстановление гарантирует расплавление и полное восстановление этой части шихты в реакционном объеме.
Возможны по крайней мере два варианта конкретного осуществления способа. В одном варианте мелкодисперсную фракцию и восстановительный газ подают по центральной оси печи, например по осевой полости центрального электрода, направляют отходящий газ в верхнюю часть реакционной камеры печи по ее периферии, и фракцию с крупным размером частицами вводят через сопла в боковой стенке или в крышке разрядной камеры навстречу потоку отходящего газа.
В другом варианте мелкодисперсную фракцию с восстановительным газом вводят на периферии реакционной камеры, а отходящие газы направляют вверх вдоль оси печи, например, по осевой полости центрального электрода, и навстречу ему вводят фракцию с крупным размером частицами.
В любом случае поток фракции крупных частиц, направленный навстречу потоку отходящих газов, увлекает с собой мелкодисперсную фракцию шихты в обратное движение к реакционному объему печи и сборнику металла и препятствует ее уносу. Шихта и восстановительный газ подаются непрерывно, готовый металл может отводиться также непрерывно.
Пример осуществления способа
Мелкодисперсная фракция с размерами частиц шихты от 400 мкм и менее.
Крупная фракция с размерами частиц от 400 мкм до 5 мм.
Напряжение дуги - 90-100 В.
Ток дуги - 600 А.
Расход газа 45 л/мин при расходе сырья 60 г/мин.
Скорость потока газа - (1-3) м/с.
Длительность плавки - 42 мин.
Выход металла - 1170 г.
Расчет скорости потока газа, необходимой для выноса падающих вниз частиц сырья, может быть выполнен на основании законов аэродинамики (Г.Эберт. Краткий справочник по физике. Физматгиз, М., 1963, с.с.168 - 170). Как известно, на тело, обдуваемое потоком газа, действует сила f, величина которой при небольших скоростях потока и малых числах Рейнольдса равна
f=6πηυα,
где η - вязкость газа,
υ - скорость потока газа,
α - радиус частицы (форму частиц принимаем сфероидной),
π=3,14.
Из условия превышения силы тяжести над силой восходящего потока газа, действующих на частицу, для частиц оксида железа после преобразований получаем соотношение для размера частиц шихты α, при котором они не могут быть унесены потоком газа с заданной скоростью υ
-3
1/2
2α>10υ
Здесь υ выражено в [см/с], α - в [см].
Из приведенного соотношения следует, что для уноса отходящими газами частиц с размером 2α=400 мкм (минимальном для частиц крупного размера) необходима скорость встречного потока газа не менее 16 м/с, что существенно выше скорости потока в экспериментальной плавке.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет:
- значительно снизить потери шихты вследствие уноса с отходящими газами;
- снизить энергоемкость процесса за счет восстановления шихты в газовой фазе с одновременным использованием тепловой и химической энергии отходящего газа для частичного предварительного восстановления фракции шихты с крупными частицами;
- вести процесс в непрерывном режиме.
Изобретение может быть использовано на предприятиях металлургии и машиностроения для прямого получения металла из дисперсного оксидного сырья с использованием газообразных и дисперсных восстановителей.
Возможность реализации всех эффектов, сопровождающих предложенный в настоящем изобретении способ ввода шихты в плазменную печь, установлена нами впервые и нигде не опубликована.