Рол-камера для реализации термохимических процессов
ROLL-CHAMBER FOR THERMOCHEMICAL PROCESSES IMPLEMENTATION

Изобретение относится к металлургии, энергетике, производству минеральных вяжущих веществ и может использоваться для аппаратурного оформления различных технологических процессов.
Известны барботажные гарнисажные плавильные камеры, используемые в черной металлургии для жидкофазного получения чугуна «Процесс Ромелт» [1] и в цветной металлургии при получении сульфидного сплава - штейна «Плавка в жидкой ванне» [2]. Данным камерам свойственны следующие недостатки: во-первых, гарнисажный теплоизоляционный слой имеет большие тепловые потери; во-вторых, барботажные тепло- массообменные процессы малоэффективны и очень чувствительны к вязкости перерабатываемого расплава.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту являются футерованные вращающиеся технологические камеры. Такие камеры используют в черной металлургии при производстве чугуна «Доред-процесс» [3] и стали «Калдо-процесс» [4]. Вращающаяся футерованная поверхность позволяет создать хорошие условия для тепло- массообменных процессов в камере. Вместе с тем, вращающиеся технологические камеры имеют ряд недостатков. Во-первых, сложный привод, так как кроме вращения вокруг продольной оси привод должен обеспечивать наклон камеры для выпуска продуктов плавки. Это делает оборудование громоздким и сложным в эксплуатации. Во-вторых, камеры имеют низкую экономическую эффективность из-за длительных простоев, связанных с ремонтом футеровки.
Задачей изобретения является разработка технологической камеры для реализации термохимических процессов, которая позволит устранить недостатки, известные из уровня техники. Камера должна быть универсальной, то есть позволять проводить основные термохимические процессы, связанные с производством чугуна, стали, цветных металлов, минеральных вяжущих веществ и так далее. При этом процессы должны проходить с низким уровнем тепловых потерь и высоким уровнем тепло - массообмена между работающими фазами. Кроме этого необходимо снизить простои камеры, связанные с ремонтом футеровки.
Предлагаемая рол-камера имеет корпус, представляющий собой пустотелый ролик, валок или барабан [roll (англ.) - ролик, валок, барабан т.д. В выражении «рол-камера», рол - подлежащее, а камера - сказуемое, обозначающее признак подлежащего. В описании термины рол, камера и корпус камеры могут использоваться как равнозначные.], с симметричной цилиндрическо-конической поверхностью с большим диаметром в центральной по его длине зоне. Внутренняя рабочая поверхность корпуса футерована. Рол установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. С обеих сторон в него введены невращающиеся вставки, в которых сформированы подводящие каналы, обеспечивающие подачу в камеру материалов и газовых смесей и отводящий канал, по которому из камеры отводят образующуюся пылегазовую смесь. Кроме этого на невращающихся вставках размещают видеокамеры и приборы, позволяющие контролировать процессы в камере и каналах вставок. Каждая вставка установлена с образованием щели между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью вставки. Щель используют в качестве канала для подачи в рол-камеру газовых смесей. Вставки выполнены с возможностью их выведения из камеры, а в местах контакта вставок с вращающимся корпусом установлены уплотнительные манжеты. В центральной части корпуса камеры установлен загрузочный люк.
В частных случаях выполнения в центральной части корпуса установлен шиберный затвор для выпуска жидких продуктов и механизм для отбора проб.
В частных случаях выполнения на поверхность футеровки нанесены неровности - лифтеры.
В частных случаях выполнения на невращающихся вставках установлены горелки для сжигания дополнительного топлива.
В частных случаях выполнения в отводящем канале установлена система затворов, позволяющая регулировать расход и логистику пылегазовой смеси.
Из уровня техники известно, что в черной и цветной металлургии используют гарнисажные плавильные камеры, в которых можно проводить длительные плавильные компании без ремонта футеровки. Однако создать в таких камерах хорошие условия для плавки сложно. Этим камерам свойственна высокая потеря тепла через стенки камеры, плохая передача тепла из зоны дожигания в расплав и недостаточное перемешивание образующихся фаз в ванне. Кроме этого, в черной металлургии для реализации термохимических процессов, связанных с производством чугуна и стали используют вращающиеся футерованные камеры. Такие камеры позволяют создать хорошие условия для плавки, но значительно снижают продолжительность плавильной компании из-за вынужденных простоев, связанных с ремонтом футеровки.
В предлагаемом изобретении термохимические процессы проводят во вращающейся футерованной рол-камере, а проблему изнашиваемой футеровки решают посредством быстрой замены старой камеры (с изношенной футеровкой) на новую - уже готовую к работе. Это становится возможным благодаря тому, что выпуск продуктов плавки производят не наклоном камеры, а через загрузочный люк (шиберный затвор), расположенный на ее корпусе. Теперь вращение происходит вокруг неподвижной горизонтальной оси. В связи с этим, значительно упрощается привод камеры, а значит, уже ничто не мешает снять с опорных роликов рол с изношенной футеровкой и установить на его место новый рол, готовый к работе. Кроме этого, выполнение технологической камеры в едином корпусе позволяет создавать в ней необходимую атмосферу или вакуум, что значительно расширяет диапазон физико-химических процессов, проводимых в камере.
Возможная конструкционно-компоновочная схема рол-камеры показана на чертежах, где схематично представлены:
Фиг. 1 - продольный вертикальный разрез рол-камеры в рабочем положении;
Фиг. 2 - разрез рол-камеры по линии А-А по Фиг. 1;
Фиг. 3 - рол-камера по Фиг.1 в положении замены камеры
Фиг. 4-а - Принципиальная схема работы уплотнительной манжеты при создании избыточного давления в камере.
Фиг. 4-б - Принципиальная схема работы уплотнительной манжеты при создании в камере вакуума.
Фиг. 5-а - Принципиальная схема создания заданной атмосферы в камере.
Фиг. 5-б - Принципиальная схема создания в камере вакуума.
Корпус камеры 1 выполняют из нескольких симметрично расположенных участков, образованных коническими и цилиндрическими поверхностями. Центральный цилиндрический участок 2 имеет наибольший диаметр. На нем располагают загрузочный люк 3, шиберные затворы 4 и механизм 5 для отбора проб. С обеих сторон от центрального - расположены конические участки 6, которые опять переходят в боковые цилиндрические участки 7 меньшего диаметра. На центральном цилиндрическом участке 2 расположены бандажи опор качения (на чертежах не изображены), а на боковых 7 - приводные венцы зубчатых передач (на чертежах не изображены). Внутренняя поверхность камеры 1 имеет футеровку 8, позволяющую минимизировать потери тепла через корпус. С обеих сторон в горловины камеры 1 вводят невращающиеся вставки 9 и 10. В частном случае выполнения по Фиг.1 одна вставка 9 - подающая, через нее вводят материалы, а другая вставка 10 - отводящая, через нее отводят пылегазовую фазу. Вставки 9 и 10 выполняют с возможностью их быстрого выведения из камеры 1 для замены старой камеры на новую. Так, в соответствии с формой выполнения по Фиг. 3 для возможности быстрого выведения вставки 9, 10 камеры установлены на колёсных тележках 11.
В частном случае исполнения в подающей вставке 9 размещают каналы (механизмы) подачи материалов и газовых смесей (на чертеже изображены частично и позициями не обозначены). Материалы, участвующие в процессе, могут быть представлены расплавами, твердыми материалами и газовыми смесями.
В частном случае исполнения на вставке 9 размещают горелки для сжигания над расплавом дополнительного топлива (на чертежах изображены, но позициями не обозначены). Горелка - устройство, обеспечивающее устойчивое регулируемое сгорание топлива посредством смешивания его с окислителем. К сжиганию дополнительного топлива (газообразного или жидкого) прибегают в том случае, если в камере не хватает тепла, а вносить твердое топливо по каким-то причинам нельзя.
В частном случае исполнения по Фиг.1 в отводящей вставке 10 размещают канал, по которому из камеры отводят пылегазовую смесь (на чертеже показан, но позицией не обозначен). В частных случаях исполнения в отводящем канале размещают систему затворов, позволяющую регулировать расход и логистику отходящих газов. Система может состоять из одного или нескольких затворов. Наиболее часто используют следующие затворы: шлюзовой затвор (см. Фиг. 5-а поз. 19), соединяющий (отделяющий) камеру от котла-утилизатора или других агрегатов, расположенных за камерой (по ходу движения газа); вакуумный затвор, (см. Фиг. 5-б поз. 20), соединяющий (отделяющий) камеру от пароэжекторного вакуумного насоса (используется при создании вакуума в камере).
Между вращающейся поверхностью камеры 1 и неподвижной поверхностью вставок 9, 10 формируют щель 12, через которую в рол-камеру вносят газовые компоненты, необходимые для проведения заданного термохимического процесса. Это может быть окислитель, инертный газ, газ - восстановитель или смеси указанных газов. Кроме этого, их подача через щели 12 предотвращает затекание в них расплава при кипении ванны.
Позицией 13 обозначена горизонтальная ось вращения камеры 1. Из уровня техники известно, что вращающаяся футерованная поверхность позволяет создать хорошие условия для тепло - массообменных процессов между работающими фазами в камере. Позициями 14 и 15 обозначены жидкие работающие фазы. Работающая газовая фаза на Фиг. 5-а и 5-б показана условно и обозначена соответственно «Аргон» и «Вакуум». В частном случае исполнения жидкие фазы могут быть представлены металлом 14 и шлаком 15, штейном 14 и шлаком 15 и так далее. Максимально допустимый объем жидких фаз в камере показан на чертежах. Работающую газовую фазу создают таким образом, чтобы обеспечить протекание физических и физико-химических процессов в жидких фазах в заданном направлении с заданной интенсивностью. Футеровка 8 вращающейся камеры играет ключевую роль в перемещении реагентов и энергии межу работающими фазами. Так, чтобы дозировано подать газовую фазу в ванну, ее вводят через щели 12 в камеру, а неровности футеровки, в результате вращения, заносят ее в расплав. Передачу тепловой энергии между работающими фазами также производят футеровкой, посредством вращения камеры. При этом возможны случаи, когда источник тепла находится в газовой фазе (дожигание отходящих из ванны газов) или в расплаве (проведение экзотермических реакций в жидкой фазе). В любом случае, футеровка 8 в результате вращения камеры отводит тепло из более теплой фазы в холодную. Кроме этого, в процессе вращения камеры происходит активное перемешивание рабочих фаз футеровкой 8. В частных случаях исполнения, чтобы еще больше активизировать массообменные процессы в ванне, на поверхность футеровки 8 наносят искусственные неровности - лифтеры (на чертежах не изображены).
В случае износа футеровки 8 производят замену камеры. Для этого невращающиеся вставки 9, 10 выводят из горловин корпуса. В частном случае исполнения по Фиг. 3 вывод вставок производят путем перемещения колёсных тележек 11. После выведения вставок рол-камеру меняют. При этом новую камеру, если это необходимо, перед установкой разогревают на стенде. После введения вставок 9,10 новая рол-камера начинает работать в штатном режиме. Таким образом, быстрая замена (перевалка) камеры позволяет значительно сократить простои технологического оборудования, связанные с ремонтом футеровки.
Рол-камера является агрегатом периодического действия. Периодичность термохимического процесса и хороший тепло-массообмен между работающими фазами является важным достоинством рол-камеры. Действительно, интенсивное перемешивание работающих фаз в специально созданных условиях можно проводить сколь угодно долго, только в условиях периодической плавки. Это позволяет доводить до конца наиболее продолжительные операции, такие как разделение жидких фаз, рафинирование или дегазация целевого продукта.
Для организации газонепроницаемого соединения между вращающимся корпусом 1 и отводящими вставками 9 и 10 используют уплотнительные манжеты. Уплотнительные манжеты позволяют создавать в рол-камере как избыточное, так и остаточное давление (вакуум).
На Фиг. 4-а показана принципиальная схема работы манжеты при создании избыточного давления в камере 1. При работе под давлением по каналу 16 через щель 12 в камеру 1 подают соответствующие газовые смеси. При этом, под действием избыточного давления внутренний лепесток манжеты 17 прижимается к соединительному кольцу 18, закрепленному на корпусе камеры 1, препятствуя выходу газа в цех. Следует заметить, что подача газа через щель 12, кроме уже перечисленных целей, позволяет создать комфортные температурные условия для работы уплотнительной манжеты.
На Фиг. 4-б показана принципиальная схема работы манжеты при создании в камере вакуума. При создании в плавильной камере вакуума канал 16, по которому в камеру подают газовую смесь, закрывают. Под действием атмосферного давления наружный лепесток манжеты 17 прижимается к соединительному кольцу 18, закрепленному на корпусе камеры 1, препятствуя поступлению газа из цеха в камеру. В частных случаях исполнения у наружного лепестка манжеты 17 создают избыточное давление инертного газа. Это позволяет, с одной стороны, плотнее прижать манжету 17 к соединительному кольцу 18, а с другой - в случае подсоса, позволит заполнить камеру инертным газом, но не воздухом.
На Фиг. 5-а показана принципиальная схема создания в камере атмосферы аргона. Для заполнения рол-камеры аргоном шлюзовой затвор 19, соединяющий камеру с другим оборудованием, закрывают не полностью (регулируют расход пылегазовой фазы), а через щели 12 в камеру подают аргон. Совместное регулирование расхода газа через щели 12, расхода шихтовой смеси через вставку 9 и дросселирование отходящей пылегазовой фазы затвором 19 позволяет создать в рол-камере оптимальное избыточное давление, которое обеспечивает надежную работу уплотнительных манжет (см Фиг. 4-а) и не препятствует протеканию термохимических процессов в заданном направлении.
На Фиг. 5-б показана принципиальная схема создания в камере вакуума. Для создания в рол-камере вакуума щели 12 и каналы подачи материалов, расположенные в подающей вставке 9, закрывают. Шлюзовой затвор 19, соединяющий камеру с котлом-утилизатором, закрывают, а вакуумный затвор 20, соединяющий камеру с пароэжекторным вакуумным насосом, открывают. Шиберный затвор 4, механизм отбора проб 5 и загрузочный люк 3 не уплотняют, поскольку они в процессе вращения и взаимодействия с расплавом становятся непроницаемыми для газа.
Выпуск жидких продуктов плавки производят через шиберный затвор 4, расположенный на центральном цилиндрическом участке 2 камеры 1. При этом, поворотом камеры 1 выпускное отверстие шиберного затвора 4 подводят к жидкой фазе 14 или 15, в зависимости от того, какой продукт необходимо выпустить, и открывают затвор. Для обслуживания шиберного затвора 4 камеру 1 поворачивают так, чтобы затвор 4 находился в верхнем положении. В частных случаях выполнения, для удобства эксплуатации на корпусе камеры 1 устанавливают два шиберных затвора, размещая их диаметрально противоположно (на чертежах не изображено). В этом случае облуживание одного затвора 4 совмещают с выпуском жидкой фазы 14 через другой.
В частных случаях исполнения, когда необходимо полностью удалить из камеры жидкую фазу 15, используют загрузочный люк 3. После максимально возможного выпуска фазы 15 через шиберный затвор 4 камеру 1 поворачивают таким образом, чтобы поверхность удаляемой фазы находилась у нижней кромки люка 3. Затем в камеру вводят скребки или другие специальные механизмы для удаления фазы.
В частных случаях исполнения процесс отбора проб из камеры механизирован. Механизм 5 для отбора проб устанавливают на цилиндрическом участке 2 корпуса камеры 1. Оператор подводит механизм 5 отбора проб в то место, где необходимо произвести забор расплава. По команде с пульта происходит всасывание расплава в заборник, подобно тому, как шприц втягивает лекарство. Втянутый в приемник расплав проходит через окно холодильника, который, смещаясь, вырезает пробу из втянутого цилиндра расплава. Образец струей газа или воды выталкивается из окна холодильника в контейнер, а рамка холодильника возвращается в исходное положение, пропуская шток заборника, который, двигаясь в обратную сторону, вталкивает неиспользованный расплав обратно в камеру.
Подачу твердых реагентов в камеру, в зависимости от их фракционного состава, производят через загрузочный люк 3 или вставку 9. При подаче материалов через вставку 9 используют трубопроводный пневмотранспорт или пневможелоб. При этом в качестве транспортирующей среды, в зависимости от создаваемых в камере условий, используют воздух, обогащенное кислородом дутье, нейтральный газ или другие газовые смеси. Состав газовой смеси, используемой в качестве транспортирующей среды, может не совпадать с составом газовой смеси, вводимой через щели 12.
Для подачи расплава в рол-камеру используют загрузочный люк 3 или канал в подающей вставке 9. При этом для подъема расплава в канал используют ковш или питатель, в котором создают избыточное давление. Ввод расплава через подающую вставку 9 производят, не прерывая вращения плавильной камеры, то есть в процессе плавки.
Для подачи в рол-камеру таких материалов, как раскислители, ферросплавы, микродобавки и т.д. на подающей вставке 9 устанавливают специальные механизмы или подающие устройства.
Для подачи в рол-камеру больших объемов газа на подающей вставке 9 устанавливают фурму (фурмы).
В частных случаях использования для вовлечения в производство материалов, которые не могут быть загружены в камеру через подающую вставку 9, используют загрузочный люк 3, расположенный в центральной части камеры. Через люк вводят большие объемы расплава, крупный лом и так далее. Это позволяет расширить перечень используемых в рол-камере материалов и сократить время их загрузки.
Материалы, используемые в рол-камере, могут быть представлены расплавами, твердыми материалами и газовыми смесями. Продукты, образующиеся в рол-камере, представлены, в основном, расплавами и пылегазовыми смесями. Таким образом, полученный в рол-камере продукт, можно повторно использовать как исходный материал в другой рол-камере. Это открывает широкие перспективы использования рол-камер в металлургии, энергетике и производстве вяжущих для переработки вторичных материальных и энергетических ресурсов (ВМР и ВЭР).
Далее, упомянутые выше и другие достоинства рол-камеры будут проиллюстрированы на примерах. Рассмотренные примеры не ограничивают возможности использования рол-камер.
Пример 1 Получение белого штейна (файнштейна) из сульфидных медно-никелевых руд и концентратов.
Поступающие на переработку медно-никелевые руды и концентраты готовят к плавке традиционным способом. В результате подготовки шихтовая смесь приобретает заданную крупность, влажность, постоянный состав по содержанию шлакообразующих элементов и оптимальное отношение металла к сере.
Для переработки используют рол-камеру (см Фиг. 1-3), футерованную кислыми огнеупорами. Корпус 1 вращается вокруг горизонтальной оси 13 на опорных роликах. Вращение задают четыре, симметрично расположенных привода, работа которых синхронизируется гидромуфтами. Крутящий момент от привода к камере передается через два зубчатых колеса, симметрично расположенных относительно центра камеры 1 на цилиндрических участках 7 (привод на чертежах не показан).
2
В рол-камере после предыдущего металлургического цикла остался конвертерный шлак 70% FeO, 5% (Cu+Ni) и 25% SiO, который используют в начале плавки как жидкую ванну. Через подающую вставку 9 в рол-камеру вводят подготовленную шихтовую смесь. Фракционный состав смеси (0-5)мм. Подачу материалов в рол-камеру производят пневмотранспортом, используя в качестве транспортирующей среды обогащенный кислородом воздух. Через щели 12 в рол-камеру тоже подают обогащенный кислородом воздух, но содержание кислорода в этой смеси регулируют таким образом, чтобы обеспечить заданную скорость окисления сульфида железа, вносимого с шихтовой смесью. Окисление сульфида железа происходит как во взвешенном состоянии, когда шихтовая смесь попадает в камеру, так и в жидкой ванне, когда шихтовая смесь достигает расплава. Совместное регулирование расхода газа через щели 12, расхода шихтовой смеси через вставку 9 и дросселирование отходящей пылегазовой фазы затвором 19 позволяет создать в рол-камере небольшое избыточное давление, необходимое для нормальной работы уплотнительных манжет. Кроме этого, подача газовой смеси через щели 12 обеспечивает комфортный тепловой режим для работы манжеты и предотвращает попадание в щель капель расплава из кипящей ванны.
Окисление сульфидов железа - основной экзотермический процесс плавки на штейн, а доставка кислорода в ванну - важнейший параметр тепловой балансировки процесса. Количество кислорода, поступающего в ванну, зависит от его содержания в газовой смеси, подаваемой через щели 12 и частоты вращения рол-камеры. В рассматриваемом примере плавку на штейн проводят при частоте вращения камеры 20 об/мин.
После того как объем жидкой фазы (шлака и штейна) в рол-камере достигнет максимально допустимого значения, проводят мероприятия, направленные на разделение штейна от шлака. Удельный вес сульфидов и оксидов отличается незначительно, поэтому в известных способах производства [2] большое количество сульфидной взвеси удаляется из агрегата со шлаком. Плавка в рол-камере позволяет решить эту проблему. Разделение фаз при плавке на штейн проводят следующим образом. Сначала прекращают процесс окисления сульфида железа. С этой целью прерывают подачу шихтовой смеси в камеру и меняют окислительную атмосферу в ней на нейтральную. Для этого шлюзовой затвор 19 прикрывают, а через щели 12 в камеру подают инертный газ. Частоту вращения камеры увеличивают до 30 об/мин. В результате интенсивного перемешивания сульфидной и оксидной фазы происходит переход взвеси из шлака в штейн. Перед выпуском шлака вращение камеры прекращают и выдерживают несколько минут, чтобы фазы разошлись по слоям.
2
2
3
Для выпуска шлака выпускное отверстие шиберного затвора 4 вращением камеры 1 устанавливают выше уровня штейна и выпускают находящийся в плавильной камере шлак. После выпуска шлака плавку на штейн повторяют несколько раз, до тех пор, пока не наберут заданный объем штейна в камеру. Состав полученного штейна 11% Ni, 9% Cu, 55%Fe и 25%S. Выпущенный из рол-камеры шлак поступает в миксер, где его состав усредняют. Результирующий состав шлака в миксере 60%FeO, 22%SiO, 15% AlO, 3%CaO. В ожидании дальнейшей переработки (см. Пример 2) контролируют температуру шлакового расплава 1450°С и, если необходимо, корректируют содержание извести, чтобы обеспечить требуемую вязкость.
После выпуска избыточного шлака приступают к конвертации полученного штейна. Для этого шлюзовой затвор 19 открывают. Через щели 12 в камеру подают обогащенный кислородом воздух. Через подающую вставку 9 вводят кремневку. Частота вращения камеры - 20 об/мин. О ходе процесса окисления сульфида железа судят по содержанию свободного кислорода в отходящей газовой фазе. По мере необходимости, на всех этапах плавки берут пробы штейна и шлака. Перед выпуском файнштейна проводят разделение фаз. Процедура разделения фаз описана выше. Оставшийся в рол-камере конвертерный шлак переходит на следующий металлургический цикл, а файнштейн направляют на дальнейшую переработку для отделения меди от никеля.
Пример 2 Получение стали.
Для получения стали используют рол-камеру (см Фиг. 1-3). Камера футерована основными огнеупорами. Привод камеры как в примере 1.
2
2
3
общ
общ
В рол-камере после предыдущего металлургического цикла остается оборотный шлак. Состав оборотного шлака: 0.1% FeO, 8.9%SiO, 21.4%AlO, 68,3%CaO. Перед началом восстановительного этапа плавки через загрузочный люк 3 в рол-камеру заливают шлаковый расплав из миксера (см.Пример 1) и загружают известь. Расход шлакового расплава и извести регулируют таким образом, чтобы основность реакционной среды перед началом плавки была положительной. В рассматриваемом примере восстановительную плавку проводят при повышенной основности В=2.2. Это позволяет перевести в шлак серу, поступившую с сульфидной плавки. В процессе плавки в исходный расплав вводят шихтовые материалы. В состав шихтовых материалов входят железосодержащее сырье, восстановитель и флюс. В качестве железосодержащего материала (кроме шлака с плавки на штейн) в рассматриваемом примере используют смесь, состоящую из 80% железной руды - Fe=58% и 20% прокатной окалины - Fe=71%. В качестве восстановителя используют уголь марки «Т», а в качестве флюса - известь. Фракционный состав шихтовых материалов (0-5)мм. Шихтовую смесь подают в рол-камеру пневмотранспортом. В качестве транспортирующей среды используют кислородсодержащее дутье. Расход шихтовых материалов регулируют таким образом, чтобы пена на поверхности ванны не переходила в брызговой режим, а равномерно покрывала все зеркало расплава.
Для поддержания теплового баланса в рол-камере часть образующихся газов дожигают над ванной. Для этого через щели12 вводят технический кислород. Таким образом, источником тепла в рол-камере на восстановительном этапе плавки является зона дожигания, а футеровка доставляет тепло в расплав.
Отходящую из рол-камеры пылегазовую смесь с температурой 1615°С и степенью дожигания по углеродным компонентам - 45% отводят в котел-утилизатор для полного дожигания.
Совместное регулирование расхода газа через щели 12, расхода шихтовой смеси через вставку 9 и дросселирование отходящей пылегазовой фазы затвором 19 позволяет создать в рол-камере небольшое избыточное давление, необходимое для нормальной работы уплотнительных манжет. Кроме этого, подача газовой смеси через щели 12 обеспечивает комфортный тепловой режим для работы манжеты и предотвращает попадание на неё капель расплава из кипящей ванны. Частота вращения камеры на восстановительном этапе плавки - 15 об/мин.
2
2
3
Когда объем расплава в рол-камере достигнет максимально допустимого значения, подачу шихтовых материалов в камеру прекращают. После затухания восстановительных процессов в ванне, вращение камеры прекращают. После 10 минутного отстаивания ванны производят выпуск шлака. Для этого, выпускное отверстие шиберного затвора вращением камеры устанавливают выше уровня металла и выпускают избыточный шлак. Чтобы ускорить истечение шлак из камеры, шлюзовой затвор 19 закрывают и в камеру через щели 12 под давлением подают аргон. После выпуска избыточного шлака восстановительную плавку повторяют до тех пор, пока не наберут заданный объём чугуна. В рассматриваемом примере восстановительную плавку повторяют 5 раз. Выпущенный из рол-камеры избыточный шлак направляют в миксер. Шлак, образующийся в процессе жидкофазного восстановления чугуна, имеет следующий состав: 0.1% FeO, 28.4%SiO, 8.4%AlO, 62.6%CaO. Чугун, полученный в процессе жидкофазного восстановления, переходит на окислительный этап плавки. Состав чугуна: 4.49%C, 0.04%Mn, 0.03%Si, 0.01%S, 0.04P.
2
2
3
В начале окислительного этапа плавки проводят удаление из металла фосфора посредством продувки расплава кислородом. Кислород подают в рол-камеру через фурму, которая находится в подающей вставке 9. Чтобы снизить образование бурого дыма, в струю кислорода вводят известь. В результате продувки и интенсивного перемешивания жидкой фазы в рол-камере образуется шлак с основностью В=2.3, в который из металла переходят удаляемые примеси. Поскольку в результате окислительного рафинирования выделяется значительное количество тепла, дожигание отходящих из ванны газов не производят. Степень дожигания СО в отходящем газе - 1.52%, а температура газовой смеси - 1630°С. Рафинирование металла от примесей заканчивают выпуском шлака, содержащего фосфор. Состав основных компонентов шлака: 10.5% FeO, 24.7%SiO, 6.3%AlO, 56.8%CaO.
2
3
2
3
Далее из металла удаляют избыточный углерод и готовят шлак для раскисления-легирования. Вначале окисление углерода проводят дутьем через фурму. Чтобы использовать образующееся в ванне тепло, параллельно вводят шлакообразующие компоненты, а именно: известь и боксит. Боксит содержит AlO - разжижающий компонент в раскисленном шлаке. Основность шлака на этом этапе В=6.6, а отношение В/AlO=0.27. Кроме этого, в шлак вносят материалы, которые будут восстанавливаться на этапе раскисления-легирования. В рассматриваемом примере для прямого легирования вносят марганцевую руду. После того как в ванну подано заданное количество дутья, его подачу прекращают, а окисление углерода продолжают за счет восстановления оксидов железа, содержащихся в шлаке. Для поддержания теплового баланса производят частичное дожигание отходящих из ванны горючих газов. Для этого в зону дожигания через щели подают кислородсодержащее дутье. Пылегазовая смесь, отходящая на этом этапе плавки, имеет температуру 1680°С. Степень дожигания углеродных компонентов в газовой фазе - 27.0%.
2
2
3
Заключительный период окислительного этапа плавки объединяет частные технологические процессы, связанные с раскислением и легированием стали. Шлюзовой затвор 19 закрывают, а вакуумный затвор 20 открывают, соединяя рол-камеру с пароэжекторным вакуумным насосом (см. Фиг 5-б). Частота вращения камеры в процессе вакуумирования - 10 об/мин. При этом происходит удаление из стали всего водорода и, частично, азота и кислорода. После выхода на заданное остаточное давление 60Па вакуумный затвор закрывают. При разряжении (снижении парциального давления СО) в плавильной камере создаются условия для восстановления из шлака марганцевой руды и вакуумно-углеродного раскисления стали. Чтобы уменьшить испарение металла, плавильную камеру заполняют аргоном. Для этого вакуумный затвор 20 закрывают, шлюзовой затвор 19 приоткрывают, а через щели 12 в рол-камеру подают аргон. Для окончательного раскисления и легирования в ванну через подающую вставку 9 вводят раскислители: ферросилиций и алюминий. Чтобы пополнить приходную часть теплового баланса и разогреть металл до заданной температуры, в зону дожигания, используя горелки (на чертеже показаны, но позицией не обозначены) подают природный газ, уже смешанный с кислородом. После раскисления-легирования в рол-камере остается сталь и раскислинный глиноземистый шлак. Состав стали: 0.085%C, 0.5%Mn, 0.3%Si, 0.006%S, 0.008%P (ст 08 ГОСТ1050-2013). Состав шлака: 0.01% FeO, 9.8%SiO, 24.5%AlO, 64.3%CaO. Чтобы шлак при выпуске не попал в сталь, производят его загущение. Для этого во вращающуюся рол-камеру через подающую вставку 9 подают известь. Известь подают пневмотранспортом. В качестве транспорта используют аргон. При перемешивании шлак густеет, и металл выпускают в ковш, а загущенный шлак переходит на следующую плавку.
2
2
3
Шлак, выпущенный из рол-камеры на всех этапах плавки стали поступает в миксер для усреднения его состава. Состав усредненного шлака после миксера: 0.9% FeO, 25.8%SiO, 9.3%AlO, 62.3%CaO. Полученный шлаковый расплав используют в примере 3 для получения портландцементного клинкера.
Пример 3 Производство портландцементного клинкера.
Для производства портландцемента используют рол-камеру (см Фиг. 1-3). Камера футерована основными огнеупорами. Привод камеры как в примере 1. Под рол-камерой располагают клинкерный холодильник для ускоренного воздушного охлаждения получаемого клинкера.
Температура футеровки рол-камеры перед загрузкой материала -1300°С. Сначала во вращающуюся камеру через подающую вставку 9 вводят корректирующие добавки (известь и железную руду). В результате вращения камеры происходит разогрев материла. Далее через загрузочный люк 3 заливают порцию шлака из миксера (см.Пример2). Для активизации процесса алитообразования сырьевую смесь в рол-камере подогревают. С этой целью в камеру через подающую вставку 9 вводят уголь, а через боковые щели 12 кислородно - воздушную смесь. В результате сжигания топлива и образования клинкерных минералов температура сырьевой смеси поднимается до 1433°С. Синтез алита и белита продолжается около 30 минут. По истечении этого времени температура сырьевой смеси в камере начинает снижаться. Для начала синтеза легкоплавких минералов смесь охлаждают. С этой целью в камеру через подающую вставку 9 вводят известняк. В результате эндотермической реакции декарбонизации температура смеси снижается до 1292°С. Выпуск клинкера в холодильник производят, когда в камере остается около 3% жидкой фазы. Для выгрузки открывают загрузочный люк 3, поворачивают камеру люком вниз и, раскачивая рол-камеру, выпускают клинкерные шары в холодильник. После ускоренного охлаждения портландцементный клинкер с модульными характеристиками: KH=0.91, n=2.01, p=2.33 отправляют на склад.
Пример 4 Переработка отходов угольной ТЭС с получением стального полупродукта и портландцементного клинкера.
2
2
3
2
2
3
В качестве топлива на угольной ТЭС используют бурый уголь, добываемый на Березовском месторождении Канско-Ачинского угольного бассейна. Сжигание угля производят в котлах с жидким шлакоудалением, на которых предусмотрены накопители, позволяющие организовать периодический выпуск шлакового расплава. Температура шлакового расплава - 1500°С. Состав шлака: 9.2% FeO, 30.6%SiO, 11.2%AlO, 42.8%CaO, 4.6%MgO. Кроме шлака в системе пылеочистки ТЭС образуется зола-унос. Температура золы - 26°С. Состав золы: 3.6% FeO, 12.0%SiO, 4.4%AlO, 16.8%CaO, 2.4%MgO, 52.8%С.
Для переработки отходов угольной ТЭС используют рол-камеру (см Фиг. 1-3). Камера футерована основными огнеупорами. Привод камеры как в примере 1. Под рол-камерой располагают клинкерный холодильник для ускоренного воздушного охлаждения клинкера.
В рассматриваемом примере в рол-камере последовательно проводят жидкофазное восстановление чугуна, окислительное рафинирование стали и получение портландцементного клинкера.
Поступающий с ТЭС расплав шлака заливают в рол-камеру через загрузочный люк 3. Через подающую вставку 9 во вращающуюся камеру пневмотранспортом подают шихтовые материалы. В состав шихтовых материалов входит зола-унос, уголь, железная руда, пыль из системы воздухоочистки рол-камеры и известь. Расход шихтовых материалов регулируют таким образом, чтобы пена на поверхности ванны не переходила в брызговой режим, а равномерно покрывала все зеркало расплава. Восстановительную плавку продолжают до тех пор, пока не наберут заданный объём расплава в камеру.
Тепловую балансировку процесса проводят посредством дожигания образующихся в ванне горючих газов. Для этого в камеру через щели 12 вводят кислородсодержащее дутье. Состав шихтовой смеси и расход кислорода в дутье регулируют таким образом, чтобы степень дожигания СО в отходящей газовой смеси была 99.9%.
Пылегазовая смесь с температурой 1655°С поступает в водогрейный котел, а затем - в систему аспирации. Извлеченную из отходящих газов пыль используют при формировании шихтовой смеси.
2
2
3
Для удаления из чугуна вредных примесей и избыточного углерода в зону дожигания через щели 12 подают кислородсодержащее дутье. Часть дутья в результате вращения камеры лифтерами и неровностями футеровки доставляется через слой шлака в металл, а оставшаяся часть участвует в окислении отходящего из ванны СО. Частота вращения рол-камеры на этом этапе плавке - 30 об/мин. Чтобы повысить основность шлака, в расплав вводят известь. В результате окислительного рафинирования получают стальной полупродукт и шлак. Состав полупродукта: С=1.0%, 0.02%S, 0.02%P. Состав шлака: 0.4% FeO, 25.3%SiO, 8.5%AlO, 60.6%CaO. Температура жидких продуктов плавки - 1530°С. Температура пылегазовой смеси на выходе из камеры - 1690°С. Степень дожигания СО в отходящей газовой смеси - 99.9%.
Выпуск продуктов плавки производят через клинкерный холодильник. Для этого в клинкерном холодильнике открывают загрузочный люк, разводят газораспределительные решетки и открывают выпускное отверстие. Затем поворотом рол-камеры шиберный затвор 4 устанавливают в нижнее положение и выпускают весь металл и, если это необходимо, то и часть шлака. Сталь после раскисления в ковше отправляют для дальнейшей переработки, а шлак отправляют на грануляцию с получением в качестве целевого продукта активной минеральной добавки для цемента.
После выпуска жидких продуктов плавки в рол-камере остается шлак, который перерабатывают в клинкер. Температура шлакового расплава -153°С. Во вращающуюся рол-камеру через подающую вставку 9 вводят корректирующие добавки: известь и железную руду. Учитывая высокую температуру исходного расплава, сырьевую смесь не подогревают. В результате внесения корректирующих добавок температура сырьевой смеси снижается до 1483°С. Синтез алита и белита продолжается около 30 минут. Для начала синтеза легкоплавких минералов смесь охлаждают. С этой целью в камеру вводят известняк. В результате эндотермической реакции декарбонизации температура смеси снижается до 1292°С. Выпуск клинкера в холодильник производят, когда в камере остается около 3% жидкой фазы. Для выгрузки клинкера открывают загрузочный люк, поворачивают камеру люком вниз и, раскачивая камеру, выпускают материал в холодильник на газораспределительную решетку. После ускоренного охлаждения в холодильнике портландцементный клинкер с модульными характеристиками: KH=0.91, n=2.15, p=2.35 отправляют на склад
Литература:
1.Процесс Ромелт / Под ред. В.А. Роменца - М.: «МИСиС». Изд. «Руда и Металлы», 2005. - 400с.
2.Плавка в жидкой ванне / Под ред. А.В. Ванюкова - М.: «Металлургия», 1988. - 208с.
3.Кожевников И.Ю. Бескоксовая металлургия железа. - М.: «Металлургия», 1970. 336с.
4.Кудрин В.А. Металлургия стали: учебник для вузов. 2-е изд., переработ. и доп. - М: «Металлургия», 1989, - 560с.