СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА
METHOD FOR PRODUCING CAST IRON

Изобретение относится к металлургии и касается способов получения чугуна преимущественно из вторичного железосодержащего сырья в замкнутых реакторах, снабженных погружными фурмами.
На сегодняшний день основным способом получения чугуна остаётся доменная плавка. Известны также другие способы выплавки чугуна, в частности, в дуговой электропечи (патент РФ № 2409681, МПК C21B 11/10, опубл. 20.11.2011г., Бюл. №2). Этот способ позволяет перерабатывать отвальный мартеновский шлак, содержащий до 36% железа и до 9% марганца и других металлов. После восстановления железа и марганца обрабатывают расплав фторидами и хлоридами щелочных или щелочноземельных металлов, упакованных в металлические капсулы, после чего выпускают чугун и рафинировочный шлак. Способ обеспечивает повышение качества чугуна и снижение его стоимости. Вместе с тем, такая технология сопровождается образованием большого количества отходов, в том числе пылевидных, для утилизации которых требуется применение дополнительного дорогостоящего оборудования.
2
В качестве прототипа выбран «Усовершенствованный способ плавки для получения железа» (патент РФ № 2346057, МПК C21B 13/10, 11/08 опубл. 10.02.09г., Бюл. №4). По данному способу получение металлического железа и шлака осуществляют плавлением исходного материала в реакторе, содержащем расплавленную ванну со шлаковой фазой, с использованием вдувания в шлак топлива/восстановителя и газа, содержащего кислород, с помощью, как минимум, одной верхней погружной фурмы, с обеспечением улучшения использования тепловой энергии. Исходный материал подают в восстановительную зону реактора или в зону, прилегающую к ней, вместе с дополнительным восстановителем и флюсом для плавления и восстановления с образованием горячих газов, в состав которых входит СО и Н. Скорость вдувания газа, содержащего кислород, и топлива/восстановителя с помощью, как минимум, одной фурмы контролируют для создания условий, достаточных для восстановления. Контроль осуществляют таким образом, чтобы в результате содержание вдуваемого газа, содержащего кислород, в количестве приблизительно 40-100% от объема, было достаточным для обеспечения степени сгорания свыше 60% объемных топлива/восстановителя, вдуваемого, как минимум, одной фурмой. В реакторе над ванной осуществляют дожигание газов, образовавшихся в процессе плавления. Способ-прототип позволяет улучшить технологию плавки исходного материала для получения железа, при условии использования реактора, содержащего шлаковую ванну, а также снабженного, как минимум, одной погружной фурмой, и снизить при этом использование тепловой энергии. В то же время данный способ отличается довольно высокими пылегазовыми выбросами, требующими улавливания и последующей утилизации отходов.
В предлагаемом изобретении ставится задача создания нового способа получения чугуна, преимущественно из вторичного железосодержащего сырья, который бы минимизировал образование пылевидных отходов. Поставленная задача решается тем, что способ получения чугуна путем плавления исходного материала для получения железа, в котором железо присутствует в виде оксида, частично в металлическом виде или в их комбинации, в реакторе, содержащем ванну исходного шлакового расплава, включает:
- вдувание в шлак топлива/восстановителя и газа, содержащего кислород, с помощью верхней погружной фурмы;
- подачу в восстановительную зону реактора исходного оксидсодержащего материала  вместе с дополнительным восстановителем и флюсом;
- дожигание в реакторе над ванной газов, образовавшихся при сжигании в процессе плавления, при этом отличается тем, что:
- создают, как минимум, две барботажные зоны в исходном шлаковом расплаве путем изолирования части его поверхности от всей поверхности ванны и созданием слоя пенистого шлакового расплава;
- в полученный слой пенистого шлакового расплава подают оксидсодержащее сырье совместно с восстановителями и кислородсодержащим газом;
- упомянутую подачу осуществляют через нижний ярус погружной многоканальной вертикальной двухъярусной фурмы-горелки;
- в созданной таким образом нижней (восстановительной) зоне слоя пенистого шлакового расплава осуществляют восстановление оксидов железа исходного сырья;
- осуществляют дожигание избыточных восстановителей в верхней (окислительной) зоне слоя пенистого шлакового расплава кислородсодержащим газом, вдуваемым через верхний ярус указанной фурмы-горелки;
- поддерживают скорость подачи кислородсодержащего газа, топлива/восстановителя с помощью, как минимум, двух вертикальных погружных фурм-горелок для достижения условий, достаточных для восстановления оксидов железа исходного оксидсодержащего материала с образованием жидкого чугуна.
Минимизация образования пылевидных выбросов при выплавке чугуна достигается изолированием части поверхности шлакового расплава от всей поверхности ванны шлакового расплава погружным цилиндрическим сосудом без дна (фиг. 1). Образованное таким образом пространство служит для создания так называемого в металлургии «барботажного» реактора, в котором осуществляют барботаж расплава газами и проводят окислительно-восстановительные реакции с участием твёрдых и газообразных реагентов. Процесс осуществляют следующим образом. В нижний ярус фурмы-горелки подаётся газообразное топливо и осуществляется её розжиг. Сосуд без дна с закрепленной  фурмой-горелкой опускают в ёмкость с расплавом до создания гидрозатвора и включают отсасывающее устройство. Формируется относительно высокий столб шлаковой пены, в котором в дальнейшем осуществляют последующие стадии процесса. В нижний ярус фурмы-горелки подают твердые шихтовые материалы и газообразные реагенты и производят процесс восстановления оксидов железа в нижней зоне (зона I) «барботажного» реактора. Выделяющиеся газы дожигаются в верхней зоне (зона II), в слое пенистого шлака, воздухом или другим кислородсодержащим газом, вдуваемым через верхний ярус фурмы-горелки, после чего все газообразные продукты отводятся в систему газоочистки. При этом слой шлаковой пены служит эффективным фильтром-осадителем пылегазовых потоков и минимизирует выброс пыли в систему газоочистки.
Скорость подачи твердых и газообразных реагентов поддерживают с помощью, как минимум, двух вертикальных погружных фурм-горелок, каждая из которых встроена в индивидуальный погружной сосуд без дна. Это позволяет гибко управлять технологическим процессом и обеспечивать оптимальные условия для получения чугуна при минимальных выбросах пыли.
Новый процесс получения чугуна реализуется при создании, как минимум, двух вертикальных  барботажных зон (восстановительной и окислительной), требуемых для успешного протекания и полноты окислительно-восстановительных реакций с участием твёрдых и газообразных реагентов. Согласно предлагаемому изобретению, в качестве топлива могут использоваться различные горючие газы: коксовый, доменный и/или природный. Состав этих газов может быть любым при условии обеспечения в результате их сгорания в восстановительной зоне пенистого шлакового расплава температуры, достаточной для восстановления оксидов железа. Металлическое железо образуется преимущественно в результате эндотермической реакции окислов железа с твердым углеродсодержащим восстановителем. Выделившееся железо далее реагирует с углеродом с образованием жидкого чугуна, который постепенно накапливается на дне ёмкости. Наилучшие экономические показатели процесса реализуются при использовании в качестве газообразного топлива коксового, доменного и/или природного газа. В качестве твердого углеродсодержащего восстановителя может быть использовано любое горючее, включающее достаточное количество реакционноспособного углерода. Однако оптимальным технологическим решением является применение кокса и/или угля. Эти восстановители могут применяться как в кусковом виде, так и порошкообразном. Экономически целесообразно использование различных отходов этих восстановителей, в том числе пылевидных. Соотношение между твердым углеродсодержащим восстановителем и газообразным топливом выбирается из условий достижения оптимальной температуры восстановления и максимальной степени восстановления оксидов железа до образования жидкого чугуна. Известно, что большая часть тепловой энергии, полученной при сжигании углеродсодержащего топлива, выделяется в результате сгорания оксида углерода и водорода. В связи с этим необходимо максимально использовать эту энергию в технологическом процессе. Для решения этой задачи предлагается дожигание продуктов реакций в верхней (окислительной) зоне слоя пенистого шлакового расплава, что обеспечивает эффективный обогрев нижней зоны слоя пенистого шлакового расплава, где осуществляется процесс восстановления оксидов железа и образования чугуна.
В качестве кислородсодержащего газа используют воздух, кислород и воздух, обогащенный кислородом. В предлагаемом техническом решении в качестве газа, содержащего кислород, можно использовать любой газ, включающий в своем составе достаточное количество окислителя, обеспечивающего достижение оптимальной температуры процесса и максимальной степени окисления в зоне дожигания. С практической точки зрения наилучшие результаты показали воздух и воздух, обогащенный кислородом. В качестве исходного шлакового расплава целесообразно использовать шлаки доменного, конвертерного и электросталеплавильного производств.
Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что оно позволяет перерабатывать любое оксидсодержащее сырье, включающее железо. Вместе с тем, новый способ целесообразно применять для извлечения железа из шламов и других отходов металлургического производства, содержащих оксиды железа: окалины, колошниковой пыли, шлаков с высоким содержанием оксидов железа, а также железной руды и/или окатышей.