МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к области металлургии цветных металлов, именно к устройствам для получения алюминия и его сплавов из алюмосодержащего сырья и может найти применение при создании металлургического комплекса для получения алюминия методом углеродно-термического восстановления с одновременной выработкой электроэнергии, низко потенциального тепла для нужд теплоснабжения, а также дополнительной товарной продукции в виде ферросплавов и изделий из шлака.
Известна система для восстановления алюминия, включающая средства для воздействия металлического натрия на расплавленную двойную соль треххлористого алюминия и хлористого натрия (см. Популярная библиотека химических элементов, изд. 2-е, изд. «Наука», М., 1977 г., с.172).
Недостатком известной системы является сравнительно высокая стоимость получаемого алюминия из-за дороговизны исходных реагентов.
Известна система получения алюминия, включающая средства для электролитического выделения его из водных растворов одновременно с водородом и использованием жидкометаллического катода из сплава галлия с алюминием (см. патент РФ №2138582, МПК С25С 1/02, БИ №27, 1999 г).
К недостаткам такой системы следует отнести сложность выделения алюминия из получаемого насыщенного твердого раствора, который переплавляют и подвергают перекристаллизации при температурах ниже 660°С, отделяя последовательно твердые растворы от жидкости до получения целевого продукта технической чистоты.
Известен комплекс для получения алюминия, включающий средства для электролиза глинозема, растворенного в расплавленном криолите (см. Глинка Н.Л. Общая химия, изд. 12, изд. «Химия», М - Л., 1966 г., с.602).
Получение алюминия таким методом в настоящее время является общепринятым, при этом электролиз раствора глинозема в криолите осуществляется при температуре около 950°С, напряжении на электродах 4,5 В и токах до 150000 А. Несмотря на постоянное совершенствование средств добычи сырья и технологии производства алюминия, его стоимость остается достаточно высокой, в том числе, по причине значительного потребления дорогостоящей электроэнергии (энергозатраты при электролизном производстве алюминия составляют до 30 МВт. час на одну тонну конечного продукта).
Наиболее близким техническим решением к предложенному является металлургический комплекс для углеродно-термического восстановления металла из рудного сырья, включающий шахтную печь, средства для подготовки и подачи в ее верхнюю часть рудного сырья, реагента - восстановителя, флюсующих компонентов, а в нижнюю часть - горячего воздуха с выводом жидких металла и шлака (см. Коротич В.И., Братчиков С.Г. Металлургия черных металлов, изд. «Металлургия», М., 1987 г., с.14 - прототип).
Основным предназначением такого металлургического комплекса является углеродно-термическое восстановление железа из его оксидов, осуществляемое в два этапа: получение чугуна из руды в доменной печи шахтного типа и передел чугуна в железо и сталь в мартеновской, конвертерной или электросталеплавильной печи. Современные доменные печи, при производительности более 12000 т чугуна в сутки, имеют объем до 5000 куб.м. и более. Перерабатываемые железорудные материалы содержат оксиды железа и пустую породу (оксиды кремния, алюминия, кальция, магния и др.), при этом реагентом-восстановителем является кокс, а флюсами - известняк и оксид кальция. Через фурменные отверстия в нижней части печи под давлением подают воздух, нагретый до 1200°С, который поддерживает горение кокса. Образующиеся в горне печи продукты сгорания, преимущественно СО и азот с температурой до 1600°С в противотоке нагревают шихту, участвуя в восстановительных процессах.
Конечным продуктом переработки руды в указанных специфических условиях является не чистое железо, а железоуглеродистый сплав, содержащий до 4,5% углерода и до 5% других элементов, при этом шлак является одним из основных регуляторов химического состава получаемого чугуна. Расплавленные чугун и шлак в нижней части шахтной печи при температуре около 1200°С стекают вниз и накапливаются в горне в виде двух разделенных слоев. При приближении верхнего уровня шлаковой ванны к горизонту фурм, примерно через каждые 1-2 часа, требуется производить выпуск чугуна и шлака из печи через летки. Доменные печи такого типа работают в непрерывном режиме в течение нескольких лет.
Недостатком известного металлургического комплекса, является невозможность его использования для углеродно-термического восстановления алюминия и его сплавов из алюмосодержащего сырья по причине сравнительно малой температуры для его восстановления, хотя принципиальные основы углеродно-термического восстановления алюминия из оксидов, а также возможность реализации процесса известны сравнительно давно (см., например, Ахметов Н.С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. М. «Просвещение», 1991 г., с.194).
Максимальный уровень температуры жидких продуктов плавки в горновой части железорудной доменной печи по условиям термодинамики восстановительных процессов составляет менее 1600°С, тогда как для восстановления алюминия и его сплавов требуется прогрев шихтовых материалов по высоте шахтной печи до более высокой температуры с достижением температуры жидких продуктов плавки в горне до 2300°С и более.
Для указанных физико-химических условий углеродно-термического восстановления алюминия из алюмосодержащего сырья в ОИВТ РАН проведены необходимые термодинамические расчеты для процессов восстановления алюминия и его сплавов на основе имеющихся экспериментальных данных по восстановлению чистых и многокомпонентных алюмосодержащих веществ. Полученные результаты определяют необходимый состав шихтовых материалов, распределение температуры по высоте и сечению высокотемпературной шахтной печи (ВШП), а также указанный уровень жидких продуктов плавки при условии поддержания равномерного поля температур в горновой части печи
Решаемой задачей полезной модели является создание, на основе имеющихся достижений и опыта разработки доменных печей, металлургического комплекса для получения в высокотемпературной шахтной печи алюминия и его сплавов методом углеродно-термического восстановления. Дополнительными к указанной задаче являются разработка экологически чистой технологии получения целевых продуктов из различных типов алюмосодержащего сырья с одновременной выработкой товарных количеств электроэнергии, газового топлива, ферросплавов для металлургии и строительных материалов на основе литьевых шлаков.
Указанная задача решается тем, что в металлургическом комплексе для углеродно-термического восстановления металла из рудного сырья, включающем шахтную печь, средства для подготовки и подачи в ее верхнюю часть рудного сырья, реагента-восстановителя, флюсующих компонентов, а в нижнюю часть - горячего воздуха с выводом жидких металла и шлака, системы их переработки и утилизации, согласно полезной модели, комплекс содержит первый модуль для предварительной углеродно-термической переработки алюмосодержащего рудного сырья в металл в виде ферросплава и в шлак в виде глинозема и второй модуль для углеродно-термической переработки полученного глинозема в металл в виде алюминиевого сплава и в технический шлак, причем первый и второй модули выполнены в виде высокотемпературных шахтных печей, по крайней мере, один фурменный пояс которых размещен в горновой части в зоне жидкого металла, входы фурм упомянутых модулей соединены с выходами высокотемпературного регенеративного нагревателя, выходы упомянутых модулей по колошниковому газу соединены через фильтры с входом котла энергоблока, выход первого модуля по глинозему соединен через систему его переработки, накопления и транспортировки с колошником второго модуля, а выходы первого и второго модулей по металлу и шлаку связаны с системами переработки и утилизации ферросплава, глинозема, алюминия и технического шлака.
Кроме того, первый и второй модуль металлургического комплекса могут быть выполнены с возможностью поочередного включения в процессы переработки сырья в глинозем и глинозема в алюминиевый сплав.
Кроме того, основой алюмосодержащего рудного сырья могут служить бокситы, бемиты, коалиниты, муллиты или пирофиллиты, реагентом-восстановителем первого и второго модулей - малозольные сорта каменного угля, нефтяной кокс или бой электродов, а флюсующими компонентами - известняк или оксид кальция.
Кроме того, энергоблок комплекса может содержать паротурбинную и газотурбинную установки для выработки электроэнергии и низко потенциального тепла для нужд теплоснабжения.
Кроме того, системы переработки и утилизации ферросплава, алюминия и технического шлака могут содержать средства для непрерывной разливки металла в целевой продукт и линию для изготовления изделий из шлака.
Такое выполнение металлургического комплекса позволяет решить важную задачу создания экологически чистой технологии получения дешевого алюминия и его сплавов из доступного алюмосодержащего сырья. Ключевым фактором для решения указанной задачи является использование для углеродно-термического восстановления алюминия ВШП, снабженной средствами для создания равномерного по сечению горна поля температур жидких продуктов плавки до 2300°С и выше.
Функционирование данного металлургического комплекса связано с получением ферросплава, глинозема, алюминия и шлака для изготовления изделий и материалов широкого назначения, в том числе, литьевых металлических изделий и шлакоблоков при одновременной выработке в энергоблоке сопутствующей электроэнергии. Решение указанной задачи связано с необходимой модернизацией ВШП, в том числе, горновой части и соответствующих средств подготовки и подачи рудного сырья, восстановителя, флюсующих компонентов и горячего воздуха, а также систем переработки жидких металла и шлака.
На фиг.1 представлена принципиальная схема металлургического комплекса с двумя модулями для последовательной переработки бокситов в глинозем и ферросплав и затем глинозема в алюминий и технический шлак.
Металлургический комплекс для углеродно-термического восстановления металла из рудного сырья содержит первый модуль 1, для предварительной углеродно-термической переработки алюмосодержащего рудного сырья в металл в виде ферросплава и в шлак в виде глинозема, и второй модуль 2 для углеродно-термической переработки полученного глинозема в металл в виде алюминиевого сплава и в технический шлак. Первый и второй модули 1, 2 выполнены в виде ВШП, причем верхняя часть первого модуля 1 связана транспортером через систему 3 подготовки и подачи алюмосодержащего рудного сырья (бокситов), реагента-восстановителя (низкокалорийный уголь) и флюсующих компонентов (известняк) с выходом системы 4 для их приемки и временного складирования. Колошниковая часть второго модуля 2 связана транспортером через систему 5 переработки, накопления и транспортировки получаемого глинозема с выходом первого модуля 1 по шлаку. При этом система 5 может иметь второй вход для подачи в нее глинозема, поставляемого независимым поставщиком, дополнительных реагентов-восстановителей и флюсующих компонентов.
ВШП модулей 1, 2 содержат по два фурменных пояса, нижний из которых размещен в горновой части в зоне жидкого металла, а верхний в зоне распара. Входы указанных фурм модулей 1, 2 соединены через блоки 6, 7 электрических подогревателей с соответствующими выходами высокотемпературного регенеративного нагревателя 8. Выходы первого и второго модулей 1, 2 по колошниковому газу соединены через фильтры грубой 9, 10 и тонкой очистки 11, 12 с входом котла (не показан) энергоблока 13 для выработки электроэнергии и низко потенциального тепла для нужд теплоснабжения. При этом энергоблок 13 может быть выполнен, в частности, на основе паротурбинной установки.
Системы переработки и утилизации ферросплава обозначена поз.14, алюминия - поз.15, технического шлака - поз.16, а система 5 переработки, накопления и транспортировки получаемого глинозема может быть соединена с системой 17 накопления и передела глинозема для передачи независимому потребителю. Системы 14, 15 могут быть снабжены средствами для непрерывной разливки металла в целевой продукт, а система 16 - линией для изготовления изделий из шлака. Горны модулей 1, 2 обозначены поз.18, 19, а колошники - поз.20, 21.
В частном случае выполнения металлургического комплекса его первый и второй модуль могут быть выполнены с возможностью поочередного включения в процессы переработки сырья в глинозем и глинозема в алюминиевый сплав. Этот вариант выполнения комплекса характеризуется поочередной работой сначала первого, а затем второго модуля.
Металлургический комплекс содержит дополнительные участки для складирования привозимого сырья и получаемой продукции, участки для размещения вспомогательных систем электроснабжения, водоснабжения, водоочистки, управления комплексом и др. (не показаны).
Металлургический комплекс функционирует следующим образом.
Поставщики с помощью железнодорожного транспорта направляют необходимое сырье по согласованному графику на площадку системы 4 для приемки, временного складирования и подготовки алюмосодержащего рудного сырья, реагентов-восстановителей и флюсующих компонентов.
Подготовленное сырье необходимого состава в требуемом количестве подают по транспортеру в колошник 20 ВШП первого модуля 1 для осуществления технологического цикла переработки шихты в глинозем в горне 18 в виде слоя шлака над слоем ферросплава. Периодически через летки выводят глинозем и ферросплав в емкости систем 5 и 14 для их переработки и утилизации. По мере необходимости накопленный глинозем и реагент-восстановитель с добавками флюсов из системы 5 направляют на вход колошника 21 ВШП второго модуля 2 для осуществления технологического цикла переработки шихты в алюминиевый сплав и технический шлак, которые в жидком виде накапливаются в горне 19 ВШП модуля 2. По мере их накопления алюминиевый сплав и технический шлак через летки подают соответственно в системы 15, 16 для их переработки в целевой продукт.
В нижние фурменные пояса ВШП модулей 1, 2, размещенные в горновой части в зоне жидкого металла, подают горячий воздух или воздух, обогащенный кислородом, для обеспечения необходимого уровня и распределения температур в ванне жидкого расплава. Воздух подают в фурмы под давлением из регенеративного нагревателя 8 через блоки 6 электрических подогревателей. Через фурмы верхних поясов в зонах распара ВШП модулей 1, 2 горячий воздух от указанных нагревателей 7 обеспечивает расчетный уровень температур по высоте столба шихты ВШП модулей 1, 2 в соответствии с режимами углеродно-термического восстановления глинозема и алюминия. Для дополнительного повышения уровня температур по шихте ВШП через указанные фурменные пояса возможно подавать реагент-восстановитель, например, в виде пылеугольного топлива.
Получаемый в результате функционирования ВШП модулей 1, 2 горючий газ с высоким содержанием СО поступает через фильтры 9-12 на вход котла энергоблока 13 для выработки электроэнергии и низко потенциального тепла, например, для нужд собственного теплоснабжения комплекса. Системы 14-16 переработки и утилизации ферросплава, алюминиевого сплава и технического шлака могут быть снабжены средствами для непрерывной разливки металла в целевой продукт и линией для изготовления потребительских изделий из шлака.
В современной доменной печи, являющейся прототипом предложенного устройства, при высоте печи 20-30 м обычный рядовой уголь сильно измельчается по мере схода шихты вниз до уровня воздушных фурм в верхней части горна печи. При этом угольная мелочь в шихте железорудного комплекса обуславливает образование в центральной части горна газонепроницаемых шлакоуглеродных масс, приводящих к неровности хода печи, снижению температуры продуктов плавки и ухудшению качества выплавляемого чугуна.
По этой причине приходится использовать кокс из дефицитных и дорогих марок углей, требующих существующих материальных затрат и повышающих себестоимость черных металлов. ВШП в модулях 1, 2 предложенного металлургического комплекса для углеродно-термического восстановления глинозема и алюминия не подвержены образованию загустевших шлакоуглеродистых масс в горне.
3
Реагент-восстановитель любой модификации будет связан в горне ВШП жидкой закисью железа FeO, образующейся при контакте дутья с ванной жидкого металла в горнах модулей 1, 2. Это позволяет загружать в ВШП практически любой рядовой уголь для его газификации. При этом в ВШП предложенного комплекса требуется загрузка небольшого количества известняка СаСО для получения шлаков оптимальной вязкости, способных поглотить серу и галогены.
Расчеты, проведенные в ОИВТ РАН показывают, что, для подмосковных углей, содержащих около 60% углерода и сжигаемых в ВШП с нагревом дутья до 1300°С, в печи создаются условия, обеспечивающие полное восстановление из пустой породы железа, кремния и алюминия. При этом из ВШП модулей 1, 2 возможно получение газа с калорийностью 1300-1500 ккал/м3 и около 100 кг (на тонну газифицируемого угля) металла, содержащего 54% Si, 28% Аl и 18% Fe.
Получаемый в модуле 1 ферросплав является ценным и достаточно дорогим компонентом, пригодным для многих целей и, в том числе, для раскисления и легирования сталей в сталеплавильных цехах. В шлаке ВШП модуля 2 будет оставаться только окись кальция, в том числе, и сернистый кальций, поглотивший серу шихты, с примесью двуокиси кремния и глинозема. Количество получаемого в ВШП модуля 2 технического шлака (100-150 кг на тонну угля) также является востребованным материалом для различного рода цементов и строительных изделий.
Оценки эффективности металлургического комплекса на основе ВШП предложенного типа показывают, что модуль 1 комплекса с полезным объемом 500 куб. м способен газифицировать около 150000 т/год подмосковного угля, содержащего 60% углерода. При этом будет выработано до 15000 т ферросплавов указанного выше состава и приблизительно 150 млн. кВт. час товарной электроэнергии. Остальная энергия полностью обеспечивает собственные нужды производства. При стоимости сооружения одного модуля ВШП около 45 млн. долл. США, с учетом указанной производительности и в указанной комплектации (бункерная эстакада, воздуходувные средства, воздухонагреватели, газоочистка, системы водяного охлаждения, энергоблока котел-турбина и т.д.) окупаемость ВШП одного модуля комплекса обеспечивается за 2,7 года.
2
2
3
ВШП модулей 1, 2 предложенного комплекса характеризуются также возможностью подачи горячего воздуха и, частично, шихты непосредственно в жидкую металлическую ванну в горне. Жидкие продукты плавки при этом могут быть нагреты до 2300°С. Этой температуры достаточно для того, чтобы восстановить из шихты все металлы, имеющиеся в рудной части шихты. Это значит, что в металлическую ванну ВШП модулей перейдет все железо, марганец, кремний, титан и алюминий. В остающемся небольшом количестве технического шлака будут присутствовать только СаО и примеси SiO и АlО.
2
3
2
3
При проведении процессов восстановления в два этапа в модулях 1, 2 можно получить из боксита в первой плавке модуля 1 ферросплав, содержащий железо, кремний, титан, хром, магний, а в шлаке - чистый глинозем АlО. Получающийся в ВШП модуля 1 металл представляет собой ценный ферросплав, который может найти широкое применение в металлургии. Для северо-онежского боксита из одной его тонны можно получить 160 кг металла (50% кремния, 37% железа, 9% титана, 2% хрома, 2% магния) и 514 кг АlО. При этом в ВШП модулей 1,2 образуется колошниковый газ, содержащий 40% СО и 60% азота с калорийностью 1200 ккал/куб.м, который может частично пойти на покрытие расходов тепла в комплексе, в том числе, на унос с горячим металлом и шлаком, потери с отходящими газами и в систему водяного охлаждения печи.
2
3
В ВШП модуля 1 в пересчете на получение одной тонны АlО расход углерода кокса должен составить около 900 кг и суммарное количество тепла - около 3 млн. ккал. В виде товарной продукции при этом можно получить тонну глинозема, 320 кг ферросплава, около 2600 куб.м. товарного колошникового газа. Если сжечь этот газ для производства электроэнергии на энергоблоке с КПД 40% и перевести условно израсходованные 900 кг. углерода кокса также в электроэнергию, то конечный приведенный расход технологической электроэнергии на получение одной тонны глинозема составит 1,8 МВт. час, что в 4,5-6,5 раза меньше той величины, которая расходуется сегодня на получение глинозема.
Во второй плавке в ВШП модуля 2 на выплавку одной тонны алюминия или алюминиевого сплава необходимо расходовать около 1,9 т глинозема. Если брать с запасом в 10% расход глинозема (2,1 т) на тонну алюминия и в дальнейшем проводить плавку при нагреве металла до 2000°С, становиться возможным получить следующий основной показатель процесса плавки - расход углерода топлива около 3,5 т в расчете на одну тонну алюминия. Выход электроэнергии из товарного колошникового газа при этом составляет около 5,7 МВт.ч, а приведенный расход технологической электроэнергии - 12,6 МВт.ч., что составляет около 40% от ныне расходуемой электроэнергии при электролизном производстве алюминия. Таким образом, общий расход технической электроэнергии на получение алюминия из бокситов в предложенном комплексе снижается в три раза.
Преимущества восстановительных процессов, проводимых в ВШП предложенного металлургического комплекса, перед существующими технологиями очевидны. Резкое сокращение расхода энергетических ресурсов в значительной степени уменьшает выбросы нагретых дымовых газов в атмосферу, а возможность получения на выходе товарной продукции широкого спроса делают подобные процессы привлекательными для отечественной металлургии цветных металлов.