СПОСОБ ПРЯМОЙ ПЛАВКИ
METHOD FOR DIRECT MELTING

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для плавки металлсодержащего загружаемого материала.
В частности, хотя ни в коем случае не исключительно, настоящее изобретение относится к способу прямой плавки на основе ванны расплавленного металла для получения расплавленного металла (данный термин включает сплавы металлов) из металлсодержащего загружаемого материала в резервуаре для прямой плавки.
Более конкретно, хотя ни в коем случае не исключительно, настоящее изобретение относится к способу прямой плавки на основе ванны расплавленного металла, для получения расплавленного металла из металлсодержащего загружаемого материала в резервуаре для прямой плавки, который имеет мощный фонтан ванны/шлака, создаваемый выделением газа в ванне расплавленного металла, причем выделение газа, по меньшей мере частично, является результатом выделения летучих компонентов из углеродсодержащего материала в ванну расплавленного металла.
Металлсодержащий загружаемый материал может представлять собой любой материал, который содержит оксиды металлов. Металлсодержащий загружаемый материал может представлять собой руды, частично восстановленные руды и потоки металлсодержащих отходов.
В частности, хотя ни в коем случае не исключительно, настоящее изобретение относится к плавке железосодержащего металлсодержащего загружаемого материала, такого как железная руда, содержащий титан железистый песок или титано-ванадиевый магнетит.
Известный способ прямой плавки на основе ванны расплавленного металла в основном называется способом «HIsmelt», описан в значительном числе патентов и патентных заявок от имени заявителя настоящей заявки.
Еще один способ прямой плавки на основе ванны расплавленного металла далее называется способом «HIsarna». Способ «HIsarna» и устройство для него описаны в Международной заявке PCT/AU99/00884 (WO 00/022176) от имени заявителя.
В частности, способ «HIsmelt» связан с получением расплавленного железа из железной руды.
В контексте получения расплавленного железа способ «HIsmelt» включает стадии, в которых:
(а) формируют ванну расплавленного железа и шлака в резервуаре для прямой плавки;
(b) инжектируют в ванну: (i) железную руду, обычно в форме мелких фракций; и (ii) твердый углеродсодержащий материал, обычно уголь, который действует в качестве восстановителя железорудного загружаемого материала и источника энергии; и
(с) проводят плавку железной руды с образованием железа в ванне.
Термин «плавка» здесь понимается как означающий термический процесс, в котором протекают химические реакции восстановления оксидов металла с получением расплавленного металла.
В способе «HIsmelt» твердые загружаемые материалы в форме металлсодержащего материала и твердого углеродсодержащего материала вдувают с помощью газа-носителя в ванну расплавленного металла через несколько фурм, которые наклонены относительно вертикали так, что проходят вниз и внутрь сквозь боковую стенку резервуара для прямой плавки и в нижнюю область резервуара, чтобы вводить по меньшей мере часть твердых загружаемых материалов в слой металла в донной части резервуара. Твердые загружаемые материалы и газ-носитель проникают в ванну расплавленного металла и обусловливают выбросы расплавленного металла и/или шлака в пространство над поверхностью ванны и формирование переходной зоны. Струю кислородсодержащего газа, обычно обогащенного кислородом воздуха или чистого кислорода, вдувают в верхнюю область резервуара через проходящую вниз фурму, чтобы вызывать дожигание реакционных газов, выделяющихся из ванны расплавленного металла в верхнюю область резервуара. В переходной зоне присутствует надлежащая масса поднимающихся вверх и после этого падающих обратно капель или всплесков или потоков расплавленного металла и/или шлака, которые создают эффективную среду для переноса в ванну тепловой энергии, генерируемой дожиганием реакционных газов над ванной.
Как правило, в случае получения расплавленного железа, когда используют обогащенный кислородом воздух, его подают при температуре порядка 1200°С и генерируют в нагревателях дутья. Если используют технический чистый кислород, то его обычно подают при температуре окружающей среды или близкой к ней.
Отходящие газы, образованные при дожигании реакционных газов в резервуаре для прямой плавки, выводят из верхней области резервуара через дымоход для отходящих газов.
Резервуар для прямой плавки включает футерованные огнеупорным материалом секции в нижней подовой части и охлаждаемые водой панели в боковых стенках и крыше резервуара, и вода непрерывно циркулирует через панели в замкнутом контуре.
Способ «HIsmelt» позволяет получать большие количества расплавленного железа, обычно по меньшей мере 0,5 миллиона тонн в год, производимых прямой плавкой в единственном компактном резервуаре.
Процесс «HIsmelt» проводят в плавильном устройстве, которое включает (а) плавильный резервуар, куда входят фурмы для вдувания твердых материалов и фурмы для вдувания кислородсодержащего газа, и приспособлен для содержания ванны расплавленного металла, и (b) плавильный циклон для предварительной обработки металлсодержащего загружаемого материала, который размещен выше плавильного резервуара и сообщается с ним.
Термин «плавильный циклон» здесь понимается как означающий резервуар, который обычно формирует цилиндрическую камеру и сооружен так, что загружаемые материалы, подводимые в камеру, перемещаются по пути вокруг вертикальной центральной оси камеры и могут подвергаться воздействию высоких рабочих температур, достаточных, чтобы по меньшей мере частично расплавить металлсодержащие загружаемые материалы.
2
2
2
2
В одной форме способа «HIsarna» углеродсодержащий загружаемый материал (обычно уголь) и флюс (обычно известняк) вдувают в ванну расплавленного металла в плавильном резервуаре. Металлсодержащий загружаемый материал, такой как железная руда, вдувают в плавильный циклон, и нагревают, частично расплавляют и частично восстанавливают в нем. Этот расплавленный, частично восстановленный металлсодержащий материал стекает вниз из плавильного циклона в ванну расплавленного металла в плавильном резервуаре и расплавляется с образованием расплавленного металла в ванне. Горячие реакционные газы (обычно СО, СО, Н и НО), образованные в ванне расплавленного металла, частично сгорают в кислородсодержащем газе (обычно кислороде технической чистоты) в верхней части плавильного резервуара. Теплота, генерированная дожиганием, переносится в расплавленный материал в верхней секции, который падает обратно в ванну расплавленного металла, для поддержания температуры ванны. Горячие, частично сгоревшие реакционные газы вытекают вверх из плавильного резервуара и поступают в донную часть плавильного циклона. Кислородсодержащий газ (обычно кислород технической чистоты) вдувают в плавильный циклон через фурмы, которые размещены таким образом, чтобы генерировать режим циклонического завихрения в горизонтальной плоскости, то есть вокруг вертикальной центральной оси камеры плавильного циклона. Это вдувание кислородсодержащего газа приводит к дополнительному сгоранию газов из плавильного резервуара, создавая очень горячие (циклонические) очаги пламени. Тонко измельченный поступающий металлсодержащий загружаемый материал пневматически нагнетают в эти очаги пламени через фурмы в плавильном циклоне, что обусловливает быстрое нагревание и частичное расплавление, сопровождающееся частичным восстановлением (приблизительно 10-20%-ным восстановлением). Восстановление происходит посредством СО и Н в реакционных газах из плавильного резервуара. Горячий, частично расплавленный металлсодержащий загружаемый материал отбрасывается наружу на стенки плавильного циклона под действием циклонического завихрения и, как описано выше, стекает вниз в расположенный ниже плавильный резервуар для расплавления в этом резервуаре.
В способе «HIsmelt» и способе «HIsarna» важной задачей является управление процессом. Каждый процесс требует создания условий интенсивного перемешивания в ванне расплавленного металла и в верхних секциях резервуара для прямой плавки над ванной, чтобы достигать требуемой теплопередачи и реакционных условий внутри резервуара, и сводить к минимуму теплопотери через боковые стенки и крышу резервуара. Эти реакционные условия включают относительно окислительные условия в шлаке (сравнительно, например, с доменной печью), и восстановительные условия в расплавленном железе, и теплоперенос из верхней секции резервуара в ванну расплавленного металла, в частности в расплавленное железо в нижней секции ванны расплавленного металла.
Вышеприведенное обсуждение не предполагает изложения общего уровня техники в Австралии или где-нибудь еще.
Настоящее изобретение представляет способ прямой плавки на основе ванны расплавленного металла, который включает регулирование условий процесса в резервуаре для прямой плавки таким образом, что расплавленный шлак в ванне из расплавленного металла и шлака в резервуаре имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 пуаз, когда температура шлака находится в рабочем температурном диапазоне для процесса.
Настоящее изобретение представляет способ прямой плавки, который включает стадии, в которых подводят (а) металлсодержащий материал, (b) твердый углеродсодержащий загружаемый материал и (с) кислородсодержащий газ в резервуар для прямой плавки, содержащий ванну из расплавленного металла и шлака, и проводят прямую плавку металлсодержащего загружаемого материала в резервуаре с созданием продуктов процесса в виде расплавленного металла, расплавленного шлака и отходящего газа, и способ отличается тем, что проводят регулирование условий процесса, таким образом, что расплавленный шлак имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 пуаз в рабочем температурном диапазоне для процесса.
Термин «металлсодержащий материал» понимается здесь как включающий твердые загружаемые материалы и расплавленный загружаемый материал. Термин также включает в пределах его области частично восстановленный металлсодержащий материал.
Термин «расплавленный шлак» понимается здесь как означающий шлак, который является полностью жидким.
Термин «расплавленный шлак» понимается здесь как означающий шлак, который включает взвесь твердого материала в жидкостной фазе.
Твердый материал в расплавленном шлаке может представлять собой твердую оксидную фазу при температуре шлака в процессе, тем самым шлак представляет собой взвесь из твердой оксидной фазы в жидкой шлаковой фазе.
Термин «условия процесса» предполагается здесь имеющим широкое значение и распространяющимся, в качестве примера, на: (а) технологические условия внутри резервуара для прямой плавки, такие как температура и давление, и скорости вдувания твердых загружаемых материалов и кислородсодержащего газа в резервуар; (b) состав ванны расплавленного металла, в частности состав шлака; и (с) характеристики ванны расплавленного металла. Состав ванны расплавленного металла может включать выбор компонентов шлака так, чтобы шлак представлял собой расплавленный шлак, как здесь описано, в рабочем температурном диапазоне процесса. Как указано в изложенном выше определении «расплавленный шлак», расплавленный шлак может включать твердую оксидную фазу и жидкую шлаковую фазу в рабочем температурном диапазоне процесса. Характеристики расплавленного шлака включают, в качестве примера, вязкость и/или кислородный потенциал вышеупомянутого расплавленного шлака. Характеристики также включают, в качестве примера, основность расплавленного шлака и турбулизацию шлака. Эти характеристики зависят от технологических условий и состава шлака.
Настоящее изобретение основывается на понимании заявителем в результате работы по исследованию и разработке, проведенной заявителем, что регулирование вязкости в диапазоне 0,5-5 пуаз в рабочем температурном диапазоне для способа согласно изобретению создает благоприятную возможность управления процессом для более эффективного получения расплавленного металла.
Способ может включать контроль условий процесса регулированием состава шлака и температуры ванны расплавленного металла до уровня ниже, обычно слегка ниже, температуры ликвидуса шлака таким образом, что твердая оксидная фаза выделяется из жидкой фазы расплавленного шлака, тем самым регулируя вязкость шлака. Фактическая температура ванны «от точки к точке» может варьировать в резервуаре вследствие ряда факторов, включающих расслоение шлака. Для цели оценки вязкости шлака температуру шлака принимают как температуру жидкого металла, выпускаемого из резервуара, когда процесс выполняют в непрерывном режиме.
Термины «вязкость» и «температура ликвидуса», как используемые здесь, понимаются как означающие вязкость и температуру ликвидуса, рассчитываемые с использованием пакета программ FactSage (для температуры ликвидуса версия «FactSage 6.1» или более поздняя, и для вязкости версия «FactSage Viscosity 6.0» или более поздняя). Принимая во внимание возможность получения нестандартных результатов, обусловленную различными методами измерения и расчетов, рационализация с помощью расчетов по FactSage рассматривается как подразумеваемая в значении этих терминов. Такие расчеты, когда выполняются, являются полностью согласующимися с инструкциями по применению программного пакета FactSage, и, при необходимости, подлежат рецензированию и санкционированию владельцами программного пакета FactSage. В частности, расчеты, которые (преднамеренно или иным образом) пренебрегают определенными возможными комбинациями химических веществ, не будут считаться согласующимися с «вязкостью» и «температурой ликвидуса», как применяемыми здесь.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что твердый материал в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 5% от расплавленного шлака.
Твердый материал в расплавленном шлаке может составлять по меньшей мере 10% расплавленного шлака.
Твердый материал в расплавленном шлаке может составлять менее 30% расплавленного шлака.
Твердый материал в расплавленном шлаке может составлять 15-25% расплавленного шлака.
Металлсодержащий загружаемый материал может представлять собой любой материал.
Например, металлсодержащий загружаемый материал может представлять собой железосодержащий материал, такой как железная руда.
Когда металлсодержащий загружаемый материал представляет собой железосодержащий материал, способ может включать регулирование условий процесса, как здесь описанных, таким образом, что расплавленный шлак имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 пуаз, когда температура шлака варьирует в диапазоне 1400-1550°С в резервуаре для прямой плавки.
Когда металлсодержащий загружаемый материал представляет собой железосодержащий материал, способ может включать контроль условий процесса регулированием отношения концентраций железа в шлаке к углероду в металле на уровне менее 2:1, типично менее 1,5:1, более типично от 1:1 до 1,3:1.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что расплавленный шлак имеет высокий кислородный потенциал.
В контексте металлсодержащего загружаемого материала в форме железосодержащего материала, термин «высокий» в контексте «кислородный потенциал» понимается здесь как означающий высокий относительно шлака в доменной печи.
Когда металлсодержащий загружаемый материал представляет собой железосодержащий материал, способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что содержание FeO в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 3% по весу, чтобы расплавленный шлак имел высокий кислородный потенциал.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что содержание FeO в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 4% по весу, чтобы расплавленный шлак имел высокий кислородный потенциал.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что содержание FeO в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 5% по весу, чтобы расплавленный шлак имел высокий кислородный потенциал.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что содержание FeO в расплавленном шлаке составляет менее 6% по весу.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что содержание FeO в расплавленном шлаке составляет менее 10% по весу.
Когда металлсодержащий загружаемый материал представляет собой железосодержащий материал, способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что содержание углерода в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 3% по весу.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что содержание углерода в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 4% по весу.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что содержание углерода в расплавленном шлаке составляет менее 5% по весу.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что вязкость расплавленного шлака варьирует в диапазоне 0,5-4 пуаз.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что вязкость расплавленного шлака варьирует в диапазоне 0,5-3 пуаз.
Способ может включать регулирование условий процесса таким образом, что вязкость расплавленного шлака составляет более 2,5 пуаз.
Способ может включать добавление в ванну расплавленного металла одной или более чем одной добавки для облегчения регулирования характеристик расплавленного шлака, например, состава шлака и/или вязкости шлака.
В качестве примера, добавка может быть выбрана для регулирования основности расплавленного шлака, например, добавлением СаО, чтобы снизить вязкость шлака и свести к минимуму опасность вспенивания шлака.
Способ может включать проведение процесса при давлении выше атмосферного в резервуаре для прямой плавки.
Кислородсодержащий газ может представлять собой обогащенный кислородом воздух или кислород технической чистоты.
Способ может включать подачу твердых загружаемых материалов в резервуар вдуванием металлсодержащего загружаемого материала и твердого углеродсодержащего материала и газа-носителя в ванну расплавленного металла через фурмы для вдувания твердых материалов, которые проходят вниз и внутрь через боковую стенку резервуара таким образом, что твердые загружаемые материалы, по меньшей мере частично, проникают в слой расплавленного железа в ванне расплавленного металла.
Способ может включать регулирование процесса, включающее регулирование вдувания твердых загружаемых материалов и газа-носителя, для создания интенсивного перемешивания ванны расплавленного металла.
Степень перемешивания ванны расплавленного металла может быть такой, что в ванне имеет место по существу однородная температура.
Способ может включать выведение расплавленного металла и расплавленного шлака как конечных продуктов процесса в виде отдельных технологических потоков.
Способ может представлять собой способ «HIsmelt», как описанный выше.
Способ может представлять собой способ «HIsarna», как описанный выше.
Настоящее изобретение описано далее более подробно с привлечением сопровождающих чертежей, в которых:
Фиг. 1 представляет схематический вид резервуара для прямой плавки, подходящего для варианта осуществления способа прямой плавки согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 представляет фазовую диаграмму состояния трехкомпонентной системы для оксида кальция, оксида алюминия и оксида кремния в шлаке, в одном варианте осуществления способа прямой плавки согласно настоящему изобретению; и
Фиг. 3 представляет фазовую диаграмму состояния псевдотройной системы для шлака, и отдельные графики ликвидуса шлака для двух отмеченных сечений фазовой диаграммы для загружаемого материала с высоким содержанием оксида титана, в одном варианте осуществления способа прямой плавки согласно настоящему изобретению.
Нижеследующее описание приведено в контексте плавки металлсодержащего загружаемого материала в форме титано/железосодержащей руды, более конкретно титаномагнетита, для получения расплавленного железа согласно процессу «HIsmelt». Настоящее изобретение не ограничивается плавкой титаномагнетита и распространяется на плавку любого подходящего металлсодержащего загружаемого материала. В дополнение, настоящее изобретение не ограничивается процессом «HIsmelt» и распространяется на любой способ плавки на основе ванны расплавленного металла, который может создавать необходимые технологические условия. В частности, в качестве примера, настоящее изобретение распространяется на способ «HIsarna», как описанный выше.
Как указано выше, способ «HIsmelt» описан в значительном числе патентов и патентных заявок, поданных от имени заявителя. В качестве примера, способ «HIsmelt» описан в Международной заявке PCT/AU96/00197 от имени заявителя. Содержание описания изобретения к патенту, относящегося к Международной заявке, включено в настоящее описание посредством указанной ссылки.
Способ основывается на применении резервуара 3 для прямой плавки.
Резервуар 3 относится к типу, подробно описанному в Международных заявках PCT/AU2004/000472 и PCT/AU2004/000473 от имени заявителя. Содержание описаний изобретений к патентам, относящихся к этим заявкам, включено в описание настоящей ссылкой.
Резервуар 3 имеет под 51, который включает основание и боковины, сформированные из огнеупорных кирпичей, боковую стенку 53, которая образует в общем цилиндрический барабан, проходящий вверх от боковин пода, и включает верхнюю секцию барабана и нижнюю секцию барабана, крышу 55, дымоход 9 для отходящих газов в верхней секции резервуара 3, копильник 67 для непрерывного выпуска расплавленного металла из резервуара 3 и летку (не показана) для периодического выведения расплавленного шлака из резервуара 3.
При работе резервуар содержит ванну расплавленного металла из железа и шлака, которая включает слой 15 расплавленного металла и слой 16 расплавленного шлака на слое 15 металла. Стрелка, маркированная номером 17, показывает положение условной спокойной поверхности слоя 15 металла, и стрелка, обозначенная номером 19, показывает положение условной спокойной поверхности слоя 16 шлака. Термин «спокойная поверхность» понимается как означающий поверхность, когда отсутствует вдувание газа и твердых материалов в резервуар. Как правило, температура ванны расплавленного металла варьирует в диапазоне 1400-1500°С.
Резервуар 3 оснащен проходящей вниз фурмой 7 с водяным охлаждением для горячего воздушного дутья («HAB»), проходящей в верхнее пространство резервуара 3, и многочисленными фурмами 5 с водяным охлаждением для вдувания твердых материалов, проходящими вниз и внутрь через боковую стенку и в шлак. Фурмы 5 проходят вниз и внутрь под углом 30-60° к вертикали сквозь боковую стенку и в слой 16 шлака в ванне расплавленного металла. Положение фурм 5 выбирают так, чтобы нижние концы были выше спокойной поверхности 17 слоя 15 металла в ванне расплавленного металла.
2
При работе титаномагнетит, уголь и шлаковые добавки, увлеченные газом-носителем (обычно N), вдуваются непосредственно в ванну через фурмы 5 для вдувания твердых материалов.
2
Кинетическая энергия вдуваемых твердых материалов/газа-носителя обусловливает внедрение твердого материала и газа в слой 15 металла. Уголь выделяет летучие компоненты и тем самым создает значительные объемы газа в слое 15 металла. Углерод частично растворяется в металле и частично остается в виде твердого углерода. Оксиды железа в титаномагнетите расплавляются до расплавленного металла, и реакция при расплавлении генерирует газообразный монооксид углерода. Газы, введенные в слой 15 металла и генерированные в результате выделения летучих компонентов и расплавления, создают значительный восходящей поток для подъема расплавленного металла, твердого углерода, непрореагировавшего твердого материала в титаномагнетите (преимущественно TiO) и шлака (затянутого в слой 15 металла вследствие вдувания твердого материала/газа), из слоя 15 металла, за счет чего создаются перемещение вверх, всплески, капли и потоки расплавленного металла и шлака и увлеченного непрореагировавшего титаномагнетита, и эти всплески, и капли, и потоки увлекают шлак, когда они движутся через слой 16 шлака.
Восходящий поток вышеописанного материала вызывает значительное перемешивание в слое 15 металла и слое 16 шлака, с тем результатом, что слой 16 шлака расширяется в объеме и имеет поверхность, обозначенную стрелкой 30. Степень перемешивания является такой, что в областях металла и шлака имеет место достаточно однородная температура - обычно 1400-1550°С, с вариацией температуры порядка 30°С в каждой области.
В дополнение, перемещение вышеописанного материала вверх распространяется в верхнее пространство 31 резервуара 3, которое находится над ванной расплавленного металла в резервуаре, и:
(а) образует переходную зону 23; и
(b) выбрасывает некоторое количество расплавленного материала (преимущественно шлака) за пределы переходной зоны и на участок боковой стенки резервуара 3, который находится выше переходной зоны 23.
Вообще говоря, слой 16 шлака представляет собой жидкий сплошной объем, с твердым материалом и газовыми пузырьками, и переходная зона 23 представляет собой газообразный сплошной объем с всплесками, каплями и потоками расплавленного металла и шлака. Альтернативно, слой 16 шлака может быть описан как взвесь твердого материала в жидкой фазе с дисперсией газовых пузырьков в жидкой фазе.
Положение фурмы 7 для кислородсодержащего газа и величину расхода потока газа через фурму 7 выбирают таким образом, чтобы кислородсодержащий газ проникал в центральную область переходной зоны 23 и поддерживал по существу свободное от металла/шлака пространство (не показано) вокруг конца фурмы 7. Фурма 7 включает в себя сборный узел, который обеспечивает вихреобразное движение кислородсодержащего газа при вдувании в резервуар.
2
Вдувание кислородсодержащего газа через фурму 7 обусловливает дожигание реакционных газов СО и Н в переходной зоне 23 и в свободном пространстве вокруг конца фурмы 7, и создает высокие температуры порядка 2000°С или выше в газовом объеме. Теплота переносится на взлетающие и падающие обратно всплески, капли и потоки материала из слоя металла, и затем теплота частично передается в слой 15 металла, когда материал падает вниз в слой 15 металла.
Описанный вариант осуществления способа согласно изобретению включает регулирование условий процесса таким образом, что расплавленный шлак находится в пределах выбранного диапазона составов таким образом, что шлак представляет собой расплавленный шлак, как описано здесь, в рабочем температурном диапазоне 1400-1550°С процесса, с высоким кислородным потенциалом и вязкостью в диапазоне 1-5 пуаз, когда температура шлака варьирует в диапазоне 1400-1550°С в резервуаре 3.
Необходимое регулирование условий процесса может быть достигнуто в одном или более чем одном ряду возможных вариантов, включающих, но не ограничивающихся таковыми, регулирование содержания FeO в расплавленном шлаке для достижения требуемого высокого кислородного потенциала, и регулирование содержания СаО в расплавленном шлаке для достижения необходимой вязкости в диапазоне 1-5 пуаз, когда температура шлака варьирует в диапазоне 1400-1550°С в ванне расплавленного металла в резервуаре 3.
Более конкретно, когда используют титаномагнетитовый сырьевой материал, необходимое регулирование условий процесса включает выбор загружаемых материалов и эксплуатационных условий таким образом, что расплавленный шлак имеет следующие компоненты в указанном диапазоне температур 1400-1550°С ванны расплавленного металла:
2
TiO: по меньшей мере 15% по весу,
2
SiO: по меньшей мере 15% по весу,
СаО: по меньшей мере 15% по весу,
2
3
AlO: по меньшей мере 10% по весу, и
FeO: по меньшей мере 3% по весу.
2
Когда используют нормальную железную руду, ограничением процентного содержания TiO в шлаке можно пренебречь.
Более конкретно, необходимое регулирование условий процесса включает регулирование состава шлака и рабочей температуры таким образом, что расплавленный шлак находится в состоянии субликвидуса, предпочтительно слегка ниже ликвидуса, для чего состав шлака в указанном диапазоне температур 1400-1550°С является таким, что твердая оксидная фаза выделяется из жидкого шлака в количестве 5-25% по объему шлака. Полученный расплавленный шлак представляет собой взвесь из твердой оксидной фазы в жидкой шлаковой фазе. Осажденная твердая оксидная фаза содействует регулированию вязкости расплавленного шлака, как требуется в описываемом варианте осуществления способа. В дополнение, вязкость расплавленного шлака весьма пригодна для формирования защитного покрытия на огнеупорной футеровке резервуара в контакте со шлаком.
Фиг. 2 представляет собой фазовую диаграмму состояния трехкомпонентной системы для трех основных компонентов шлака из оксида кальция, оксида алюминия и оксида кремния в шлаке, в одном варианте осуществления способа прямой плавки согласно настоящему изобретению. Более конкретно, фазовая диаграмма сосредоточена на двух основных компонентах пустой породы, оксиде алюминия и оксиде кремния, и флюсовой добавке, а именно оксиде кальция. Фазовая диаграмма была выведена из расчетов с использованием FactSage 6.1. Фазовая диаграмма иллюстрирует влияние состава шлака на фазы в шлаке. В частности, из Фиг. 2 можно определить, что, если требуется шлак с более высокой вязкостью (то есть, по меньшей мере 2,5 пуаз), то это может быть достигнуто регулированием состава шлака, например, корректированием добавления оксида кальция, и других условий процесса для осаждения мелилитовой твердой фазы из расплавленного шлака.
Фиг. 3 представляет собой фазовую диаграмму состояния псевдотройной системы для шлака, и отдельные графики ликвидуса шлака для двух отмеченных сечений фазовой диаграммы для загружаемого материала с высоким содержанием оксида титана, в одном варианте осуществления способа прямой плавки согласно настоящему изобретению. Фазовая диаграмма сосредоточена на: (а) трех основных компонентах пустой породы, а именно оксиде алюминия, оксиде магния и оксиде кремния; (b) флюсовой добавке, а именно оксиде кальция; и (с) оксиде титана. Фазовая диаграмма была выведена из исследований сотрудников Университета Квинсленда. Фазовая диаграмма определяет эксплуатационное окно для составов шлака, которые обеспечивают требуемые вязкости шлака (1-5 пуаз) для способа. На Фиг.3 выделены два сечения фазовой диаграммы, и эти сечения показывают значительное изменение температур ликвидуса в пределах выбранных составов. В частности, из этих сечений очевидна значительная степень выделения твердых фаз и тем самым изменение вязкости шлака, когда температура шлака находится в диапазоне температур 1400-1550°С в ванне расплавленного металла в резервуаре 3.
В более общих выражениях, следующие признаки способа, по отдельности или в комбинации, имеют отношение к параметрам регулирования процесса.
(а) Регулирование присутствия шлака, то есть толщины слоя шлака, и/или отношения «шлак/металл» (обычно весовое соотношение «металл/шлак» составляет между 3:1 и 1:1), для баланса между положительным влиянием металла в переходной зоне 23 на теплоперенос и негативным влиянием металла в переходной зоне на дожигание вследствие обратных реакций в переходной зоне 23. Если присутствие шлака слишком мало, воздействие кислорода на металл является слишком сильным, и происходит сокращение возможностей для дожигания. С другой стороны, если присутствие шлака слишком велико, фурма 7 будет погружена в переходную зону 23 и будет иметь место уменьшенное увлечение газа в свободное пространство 25 и снижение эффективности дожигания.
(b) Выбор положения фурмы 7 и регулирование скоростей вдувания кислородсодержащего газа и твердых материалов через фурму 7 и фурмы 5 для сохранения по существу свободной от металла/шлака области вокруг конца фурмы 7 и для формирования переходной зоны 23 вокруг нижней секции фурмы 7.
(с) Регулирование теплопотерь из резервуара в результате разбрызгивания шлака на участки боковой стенки резервуара 3, которые находятся в контакте с переходной зоной 23 и выше переходной зоны 23, корректированием одного или более из:
(i) присутствия шлака; и
(ii) величины расхода потоков, нагнетаемых через фурму 7 и фурмы 5.
Многие модификации описанного выше варианта осуществления настоящего изобретения могут быть сделаны без выхода за пределы смысла и области изобретения.
В качестве примера, в то время как вышеописанный вариант осуществления относится к способу «Hismelt», настоящее изобретение не ограничивается этим и распространяется на любой способ прямой плавки на основе ванны расплавленного металла для получения расплавленного металла из металлсодержащего загружаемого материала в резервуаре для прямой плавки, который имеет мощный фонтан ванны/шлака, генерированный выделением газа в ванне расплавленного металла, причем выделение газа, по меньшей мере частично, является результатом высвобождения летучих компонентов из углеродсодержащего материала в ванну расплавленного металла. Например, одним из таких других способов является процесс «Hisarna».