ПЕЧЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОССТАНОВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Предлагаемое техническое решение относится к технологии получения 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 скомпонованной 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, C21B 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 «перенастройки» 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, C21B 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.
Задачами предлагаемого решения являются повышение технико-экономических показателей процесса термообработки материала и повышение эффективности работы печи.
Техническими результатами являются повышение эффективности термообработки материала, снижение энергетических затрат на процесс.
Технические результаты достигаются тем, что в печи для получения восстановленного металла, содержащей кольцевой вращающийся под, корпус печи, перекрывающий весь под сверху, внутреннее пространство которой включает зону загрузки материала и зону выгрузки продуктов реакции, зоны нагревания и восстановления, в которых установлены горелки, зону охлаждения, устройство для отвода газов, соединенное с внутренним пространством печи, перегородки, установленные между зонами, зоны загрузки, выгрузки и нагревания выполнены высотой, равной 0,5-0,7 высоты зон восстановления и охлаждения, которые соединены с устройством для отвода газов, а зона охлаждения дополнительно снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя, причем, в линии отвода газов перед газоочистной установкой установлены утилизационная котельная и рекуператор тепла.
При этом, рекуператор тепла может быть выполнен в виде воздушного теплообменника, перегородки могут быть установлены между зоной загрузки материала и зоной нагревания и между зоной восстановления и зоной охлаждения. Перегородки могут быть выполнены с возможностью перемещения.
Сравнение предлагаемого решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.
Предлагаемое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- подвижный кольцевой под;
- корпус печи, перекрывающий весь под сверху;
- внутреннее пространство печи включает:
- - зону загрузки исходной шихты и зону выгрузки продуктов реакции, I;
- - зоны нагревания II и восстановления III, снабженные горелками;
- - зону охлаждения IV;
- перегородки между зонами печи;
- устройство для отвода газов.
Предлагаемое устройство также характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу:
- зоны загрузки, выгрузки и нагревания выполнены высотой, равной 0,5-0,7 высоты зон восстановления и охлаждения;
- зоны восстановления и охлаждения соединены с газоотводящим устройством;
зона охлаждения снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя;
- в линии отвода газов перед газоочистной установкой установлены утилизационная котельная и рекуператор тепла.
Также в предлагаемом решении рекуператор тепла может быть выполнен в виде воздушного теплообменника, перегородки могут быть установлены между зоной загрузки и зоной нагрева шихты, между зоной восстановления и зоной охлаждения, перегородки могут быть выполнены 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 скомпонованной шихты (окатыши, гранулы и т.п.), 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 на вращающийся под печи 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 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 тепловые потери. Кроме того, в печь загружают материал, как правило, сразу после термообработки в устройстве для сушки скомпонованной шихты, что сокращает как расходы на транспортировку и хранение, так и 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 (0,5-0,7 высоты зоны восстановления) и охлаждения) обеспечивает уменьшение объема рабочего пространства зоны и более интенсивную термообработку материала (форсунки расположены ближе к обрабатываемому материалу);
- 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.
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.
Установка в линии отвода газов перед газоочистной установкой утилизационная котельная и рекуператор тепла позволяет вернуть значительную часть затраченной в процессе энергии. При прохождении горячих газов через утилизационную котельную - в виде электроэнергии и тепла на технологические потребности процесса, при прохождении газов через рекуператор - в виде тепловой энергии на подогрев газа, подаваемого на технологическое оборудование. Таким образом достигается снижение общих энергетических затрат на реализацию технологии и повышение технико-экономических показателей процесса термообработки материала и эффективности работы печи.
Печь для получения восстановленного металла (фиг.1, фиг.2) содержит кольцевой вращающийся под 1, корпус печи 2, перекрывающий весь под 1 сверху. Внутреннее пространство печи включает зону загрузки материала 3 (I), зону выгрузки продуктов реакции 4 (I), зону предварительного нагревания материала 5 (II), зону восстановления 6 (III), горелки 7, установленные в зонах II, III зону охлаждения 8 (IV), устройство для отвода газов 9, соединенное входным отверстием с зонами восстановления III и охлаждения IV и линией отвода газов 10, через утилизационную котельную 11, через рекуператор тепла 12, в виде воздушного теплообменника с газоочистной установкой 13. Между зоной загрузки материала 3 и зоной предварительного нагревания материала II, зоной восстановления III и зоной охлаждения IV установлены перегородки 14, 14а. Зона охлаждения IV снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя 15, а через рекуператор тепла 12 в виде воздушного теплообменника проходят линии подачи нагретого воздуха 16 в процесс. Корпус печи 2, перекрывающий весь под 1 сверху выполнен различной высоты по зонам печи: зоны загрузки и выгрузки 1 и зона нагревания II, выполнены высотой, равной 0,5-0,7 высоты зон восстановления III и охлаждения IV.
Печь работает следующим образом. Агломерированный материал в виде окатышей, содержащий оксид железа в виде железорудного концентрата и углеродистый восстановитель в виде дробленого угля, как правило, сразу после термообработки окатышей в устройстве для сушки, поступает в зону I загрузки шихтового агломерированного материала и через устройство для загрузки материала подается на подвижный под 1 слоем заданной толщины и перемещается в зону II предварительного нагрева материала, где происходит нагрев материала форсунками 7. 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 14, 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 материала с использованием форсунок 7. 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 14а, с зазором относительно пода 1, не менее толщины слоя обработанного материала. Пройдя зону охлаждения IV, материал поступает в зону выгрузки продуктов реакции - зону I, где с помощью разгрузочного устройства, например, шнека 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 9.
Для регулирования температуры, отвода тепла от продуктов реакции зона охлаждения IV снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя 15 и также соединена с газоотводящим устройством 9.
Использование предлагаемого технического решения позволяет реализовать технологический процесс с высокими технико-экономическими показателями за счет эффективного использования энергии и оборудования.
ИНФОРМАЦИЯ
1. Патент РФ №2279483, С21В 13/08, 2005 г.
2. Патент РФ №2303072, С21В 13/08, F27B 3/10, 2007 г.