УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЯМОЙ ВЫПЛАВКИ
INSTALLATION FOR DIRECT MELTING

Настоящее изобретение относится к установке для прямой выплавки, предназначенной для получения расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала, такого как руды, частично восстановленные руды и металлсодержащие отходы.
Известный способ прямой выплавки, в основе которого лежит использование жидкой ванны как реакционной среды, и который в общем случае называется процессом Hismelt, описан в международной заявке PCT/AU96/00197 (WO 96/31627), зарегистрированной на имя заявителя настоящего изобретения. Описание, приведенное в указанной международной заявке, этим упоминанием посредством ссылки включено в текст данного описания.
Процесс Hismelt, описанный в указанной международной заявке, в контексте получения расплавленного железа содержит следующие этапы, на которых:
создают жидкую ванну из расплавленного железа и шлака в емкости для прямой выплавки;
вводят в упомянутую ванну: металлсодержащий исходный материал, в типичном случае - оксиды железа; и твердый углеродосодержащий материал, в типичном случае - уголь, который действует как восстановитель оксидов железа и источник энергии; и
плавят металлсодержащий исходный материал до получения железа в слое металла.
Здесь предполагается, что термин "выплавка" означает термическую обработку, при которой происходят химические реакции с восстановлением оксидов металлов для получения расплавленного металла.
2
Процесс Hismelt также содержит дожигание реакционных газов, таких как СО и Н, высвобожденных из ванны в пространство над ней, в присутствии кислородсодержащего газа и перенос тепла, возникшего при дожигании, в ванну, чтобы увеличить тепловую энергию, имеющуюся в распоряжении для плавления металлсодержащих исходных материалов.
Процесс Hismelt также предусматривает создание переходной зоны над номинальной спокойной поверхностью ванны, в которой существует значительная масса восходящих и затем нисходящих капель или брызг или потоков расплавленного металла и/или шлака, которые обеспечивают эффективную среду для переноса в ванну тепловой энергии, возникшей при дожигании реакционных газов над ванной.
При выполнении процесса Hismelt металлсодержащий исходный материал и твердый углеродосодержащий материал вводят в жидкую ванну через ряд трубок/фурм, которые наклонены к вертикали таким образом, чтобы проходить вниз и внутрь через боковую стенку емкости для прямой выплавки в нижнюю область этой емкости для подачи, по меньшей мере, части твердых материалов в слой металла на дне упомянутой емкости. Чтобы обеспечить дожигание реакционных газов в верхней области емкости, в эту область вводят струю горячего воздуха, который может быть обогащен кислородом, через проходящую вниз фурму для ввода горячего воздуха. Отходящий газ, возникающий при дожигании реакционных газов в емкости, отводится из верхней области емкости через трубопровод для отходящего газа. Емкость содержит водоохлаждаемые панели с огнеупорной футеровкой, установленные на ее боковой стенке и своде, и через эти панели в непрерывном цикле постоянно циркулирует вода.
Процесс Hismelt позволяет получать при помощи прямой выплавки в одной компактной емкости большие количества расплавленного металла, например, расплавленного железа. Для этого необходимо транспортировать большие количества горячего газа в емкость для прямой выплавки и из этой емкости, транспортировать большие количества металлсодержащего исходного материала, такого как железосодержащие исходные материалы, в емкость, транспортировать большие количества являющегося получаемым продуктом расплавленного металла, являющегося получаемым продуктом, и шлака, возникающего при выполнении процесса, из емкости и поддерживать циркуляцию больших количеств воды через водоохлаждаемые панели - и все это в относительно ограниченной зоне. Эти функции необходимо выполнять непрерывно в течение всей компании выплавки, которая в предпочтительном случае занимает, по меньшей мере, 12 месяцев. Также необходимо предусмотреть средства доступа и обслуживания, чтобы обеспечить доступ к емкости и подъем оборудования в промежутке между компаниями выплавки.
Промышленная установка для прямой выплавки при помощи процесса Hismelt, основной частью которой является емкость диаметром 6 метров (внутренний диаметр огнеупорного горна), построена в городе Куинана (Kwinana), Западная Австралия. Установка предназначена для выполнения процесса Hismelt и производства 800000 тонн расплавленного железа в год с использованием этой емкости.
Заявитель настоящего изобретения к текущему моменту выполнил научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы для создания промышленной установки для прямой выплавки при помощи процесса Hismelt большего масштаба, чтобы получать более 1 миллиона тонн в год расплавленного железа посредством процесса Hismelt.
Заявитель настоящего изобретения столкнулся с рядом проблем при увеличении масштабов процесса Hismelt и разработал альтернативную конструкцию установки для прямой выплавки при помощи этого процесса.
Настоящее изобретение относится к установке для прямой выплавки, которая представляет собой альтернативную конструкцию по сравнению с указанной выше промышленной установкой для прямой выплавки при помощи процесса Hismelt.
Установка для прямой выплавки, соответствующая настоящему изобретению, также может использоваться для выполнения и других процессов прямой выплавки.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается установка для прямой выплавки, предназначенная для получения расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала при помощи способа прямой выплавки с использованием жидкой ванны, которая содержит:
неподвижную емкость для прямой выплавки, предназначенную для размещения жидкой ванны металла и шлака и газового пространства над ванной, причем эта емкость содержит горн и боковую стенку;
узел подачи твердых веществ, предназначенный для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, из места расположения источника твердых исходных материалов, находящегося на удалении от емкости, в эту емкость, причем узел подачи твердых веществ содержит множество фурм для ввода твердых веществ, проходящих через отверстия в боковой стенке емкости;
узел подачи кислородсодержащего газа, предназначенный для подачи кислородсодержащего газа из места расположения источника кислородсодержащего газа, находящегося на удалении от емкости, в эту емкость, причем узел подачи кислородсодержащего газа содержит магистраль снабжения газом и множество фурм для ввода газа, проходящих через отверстия в боковой стенке емкости и предназначенных для ввода кислородсодержащего газа, подаваемого через магистраль снабжения газом, в емкость, при этом магистраль снабжения газом проходит, по меньшей мере, вокруг всей периферии емкости и расположена на расстоянии от этой емкости;
узел отвода отходящего газа, предназначенный для улучшения протекания отходящего газа из емкости;
узел выпуска металла, предназначенный для выпуска расплавленного металла из рабочего пространства во время операции выплавки;
узел выпуска шлака, предназначенный для выпуска шлака из рабочего пространства во время операции выплавки; и
множество зон доступа крана, которые расположены дальше от центра емкости относительно магистрали снабжения газом, чтобы сделать возможным удаление фурм для ввода твердых веществ из отверстий в боковой стенке емкости и установку сменных фурм в этих отверстиях.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом расположена на расстоянии от емкости, в результате чего между этой емкостью и магистралью снабжения газом существует зазор, позволяющий удалять через него фурмы для ввода газа, при этом установка содержит множество зон доступа крана, которые расположены ближе к центру емкости относительно магистрали снабжения газом, чтобы сделать возможным удаление фурм для ввода газа из отверстий в боковой стенке емкости и установку сменных фурм в этих отверстиях.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом расположена выше соединений фурм для ввода газа с емкостью.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом представляет собой кольцевую магистраль, создающую замкнутый путь протекания газа внутри магистрали.
В предпочтительном случае магистраль снабжения газом выполнена в форме подковы.
В предпочтительном случае каждая фурма для ввода газа установлена таким образом, чтобы направлять поток газа вниз и к периферии емкости.
В предпочтительном случае каждая трубка ввода газа установлена таким образом, чтобы направлять поток газа вниз и в направлении снаружи у боковой стенке емкости.
В предпочтительном случае каждая фурма для ввода газа установлена таким образом, что направлена вниз в емкость и наклонена относительно вертикальной плоскости и радиальной плоскости в емкости, в результате чего направление протекания потока газа из фурмы имеет радиальную и окружную составляющие.
В предпочтительном случае узел подачи твердых веществ содержит множество фурм для ввода твердых веществ, проходящих вниз и внутрь через отверстия в боковой стенке емкости, а фурмы для ввода твердых веществ включают множество фурм, предназначенных для ввода металлсодержащего материала в емкость, и множество фурм, предназначенных для ввода твердого углеродсодержащего материала в емкость, причем фурмы для ввода металлсодержащего материала установлены парами по периметру боковой стенки емкости и каждая фурма для ввода твердого углеродсодержащего материала установлена между соседними парами фурм для ввода металлсодержащего материала.
В предпочтительном случае узел подачи твердых веществ содержит основную линию подачи для каждой пары фурм для ввода металлсодержащего материала и пару отводных линий, идущих от основной линии и соединенных с трубками.
В предпочтительном случае узел подачи твердых веществ содержит систему ввода горячего металлсодержащего исходного материала, предназначенную для подачи предварительно нагретого металлсодержащего исходного материала в основную линию подачи для каждой пары фурм для ввода металлсодержащего исходного материала.
В предпочтительном случае установка содержит каркасную конструкцию, служащую опорой для магистрали снабжения газом.
В предпочтительном случае каркасная конструкция также содержит множество платформ, обеспечивающих доступ рабочих к емкости на разных по высоте уровнях емкости.
В предпочтительном случае зоны доступа крана для фурм для ввода твердых веществ расположены внутри внешнего периметра каркасной конструкции.
В предпочтительном случае узел отвода отходящего газа содержит два трубопровода отходящего газа, идущих наружу из емкости.
В предпочтительном случае трубопроводы для отходящего газа выполнены совпадающего диаметра.
В предпочтительном случае трубопроводы для отходящего газа выполнены совпадающей длины.
В предпочтительном случае установка содержит два вытяжных колпака для отходящего газа, предназначенных для охлаждения отходящего газа, причем один из упомянутых вытяжных колпаков для отходящего газа соединен с одним из упомянутых трубопроводов для отходящего газа.
В предпочтительном случае каждый вытяжной колпак для отходящего газа выполнен с возможностью охлаждения отходящего газа до температуры порядка 900-1100°С.
В предпочтительном случае установка содержит отдельный очиститель отходящего газа (скруббер), предназначенный для удаления макрочастиц из отходящего газа, который соединен с каждым из вытяжных колпаков для отходящего газа.
В предпочтительном случае установка содержит один охладитель отходящего газа, соединенный с обоими очистителями (скрубберами) отходящего газа.
В предпочтительном случае боковая стенка емкости содержит:
нижнюю цилиндрическую секцию;
верхнюю цилиндрическую секцию меньшего диаметра по сравнению с нижней секцией; и
переходную секцию, соединяющую между собой верхнюю и нижнюю секции.
В предпочтительном случае узел отвода отходящего газа проходит от упомянутой верхней цилиндрической секции.
В предпочтительном случае в упомянутой переходной секции выполнены отверстия для фурм для ввода газа, и эти фурмы проходят через упомянутые отверстия в емкость.
В предпочтительном случае в упомянутой нижней цилиндрической секции выполнены отверстия для фурм для ввода твердых веществ, и эти фурмы проходят через упомянутые отверстия в емкость.
В предпочтительном случае металлсодержащий материал включает в себя железную руду.
В предпочтительном случае углеродсодержащий материал включает в себя уголь.
Согласно настоящему изобретению также предлагается установка для прямой выплавки, предназначенная для получения расплавленного металла из металлсодержащего исходного материала при помощи способа прямой выплавки с использованием жидкой ванны, которая содержит:
неподвижную емкость для прямой выплавки, предназначенную для размещения жидкой ванны металла и шлака и газового пространства над ванной, причем эта емкость содержит горн и боковую стенку;
узел подачи твердых веществ, предназначенный для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, из места расположения источника твердых исходных материалов, находящегося на удалении от емкости, в эту емкость, причем узел подачи твердых веществ содержит множество фурм для ввода твердых веществ, проходящих через отверстия в боковой стенке емкости;
узел подачи кислородсодержащего газа, предназначенный для подачи кислородсодержащего газа из места расположения источника кислородсодержащего газа, находящегося на удалении от емкости, в эту емкость, причем узел подачи кислородсодержащего газа содержит магистраль снабжения газом и множество фурм для ввода газа, проходящих через отверстия в боковой стенке емкости и предназначенных для ввода кислородсодержащего газа, подаваемого через магистраль снабжения газом, в емкость, при этом магистраль снабжения газом проходит, по меньшей мере, вокруг всей периферии емкости и расположена на расстоянии от этой емкости таким образом, чтобы между емкостью и магистралью снабжения газом существовал зазор, позволяющий удалять через него фурмы для ввода газа;
узел отвода отходящего газа, предназначенный для улучшения протекания отходящего газа из емкости;
узел выпуска металла, предназначенный для выпуска расплавленного металла из рабочего пространства во время операции выплавки;
узел выпуска шлака, предназначенный для выпуска шлака из рабочего пространства во время операции выплавки; и
множество зон доступа крана, которые расположены дальше от центра емкости относительно магистрали снабжения газом, чтобы сделать возможным удаление фурм для ввода газа из отверстий в боковой стенке емкости и установку сменных фурм в этих отверстиях.
В предпочтительном случае установка дополнительно содержит распределительные трубы для охлаждающей воды, предназначенные для подачи охлаждающей воды в емкость, причем эти распределительные трубы для охлаждающей воды расположены выше узла подачи газа, и множество труб подачи и возврата охлаждающей воды, проходящих между распределительными трубами для охлаждающей воды и емкостью и сгруппированных поблизости от распределительных труб для охлаждающей воды в промежутке между зонами доступа крана, расположенными ближе к центру емкости относительно магистрали снабжения газом.
В предпочтительном случае трубы подачи и возврата охлаждающей воды сгруппированы поблизости от распределительных труб для охлаждающей воды таким образом, чтобы создать, по меньшей мере отчасти, одну или более внешних границ зон доступа крана, расположенных ближе к центру емкости относительно магистрали снабжения газом.
В предпочтительном случае трубы подачи и возврата охлаждающей воды сгруппированы поблизости от распределительных труб для охлаждающей воды в множестве отдельных зон, которые расположены на расстоянии друг от друга.
В предпочтительном случае распределительные трубы для охлаждающей воды проходят, по меньшей мере, вокруг всей периферии емкости.
В предпочтительном случае распределительные трубы для охлаждающей воды расположены выше и фактически в одной вертикальной плоскости с магистралью снабжения газом, входящей в состав узла подачи газа.
В предпочтительном случае установка дополнительно содержит множество распределительных труб для охлаждающей воды, проходящих фактически по всей периферии емкости и расположенных на различных уровнях по высоте, чтобы подавать воду в различные области емкости, и эти распределительные трубы расположены фактически в одной плоскости с магистралью снабжения газом, входящей в состав узла подачи газа.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно на примере и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показано:
Фиг.1 и Фиг.2 - общие виды под двумя разными углами, на которых изображены емкость для прямой выплавки и часть системы отвода отходящего газа, входящие в состав установки для прямой выплавки, согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения;
Фиг.3 - общий вид емкости для прямой выплавки;
Фиг.4 - вид сбоку емкости для прямой выплавки;
Фиг.5 - вид сбоку емкости для прямой выплавки, на котором показано расположение огнеупорных кирпичей внутри этой емкости;
Фиг.6 - вид сбоку емкости для прямой выплавки, на котором показано размещение фурм для ввода твердых веществ и фурм для ввода горячего воздуха в емкость;
Фиг.7 - поперечное сечение плоскостью А-А, показанной на Фиг.6;
Фиг.8 - поперечное сечение плоскостью В-В, показанной на Фиг.6;
Фиг.9 - схема, иллюстрирующая размещение фурм для ввода твердых веществ в емкости;
Фиг.10 - схематично показанный вид сверху выбранных компонентов емкости, который иллюстрирует конфигурацию зон введения и выведения фурм для ввода твердых веществ и фурм для ввода горячего воздуха;
Фиг.11 - вид сверху емкости для прямой выплавки;
Фиг.12 - вид сверху емкости для прямой выплавки при удаленной системе отвода отходящего газа и системе снабжения горячим воздухом;
Фиг.13 - вид сверху емкости для прямой выплавки, на котором показаны распределительные трубы для охлаждающей воды и трубы снабжения; и
Фиг.14 - изометрическое изображение каркасной конструкции, которая служит опорой системе снабжения горячим воздухом, трубопроводам для отходящего газа и системе водяного охлаждения.
Подробное описание варианта реализации изобретения
Установка для прямой выплавки, изображенная на указанных чертежах, подходит, в частности, для плавки металлсодержащего материала в соответствии с процессом Hismelt, который описан в международной заявке на патент PCT/AU96/00197 (WO 96/00197).
Использование этой установки не ограничено плавкой металлсодержащего материала в соответствии с процессом Hismelt.
Последующее описание приведено в контексте плавки мелких фракций железной руды с целью получения расплавленного железа в соответствии с процессом Hismelt.
Настоящее изобретение не ограничивается получением расплавленного железа и распространяется на прямую выплавку любого металлсодержащего материала.
Целью приведенного ниже описания является рассмотрение емкости для прямой выплавки, входящей в состав установки для прямой выплавки, и таких устройств, как фурмы для ввода твердых веществ и для ввода газа, которые непосредственным образом связаны с этой емкостью.
Установка для прямой выплавки также содержит и другие устройства, например, устройство для обработки исходных материалов, подаваемых в емкость, которое расположено в направлении технологического процесса перед емкостью, и устройство для обработки продуктов (расплавленного металла, расплавленного шлака и отходящего газа), получаемых в емкости. Подобные другие устройства не рассматриваются здесь подробно, так как они не являются предметом настоящего изобретения, хотя и являются частью данной установки. Подобные другие устройства описаны в других заявках на патент и патентах, выданных на имя заявителя настоящего изобретения, и содержание этих заявок и патентов включено в текст данного описания посредством ссылки.
В контексте настоящего изобретения основными отличительными особенностями данного варианта установки для прямой выплавки, показанной на упомянутых чертежах, являются следующие:
неподвижная емкость 3 для прямой выплавки, предназначенная для размещения жидкой ванны 41 металла и шлака и газового пространства 43 над ванной;
узел подачи твердых веществ, который содержит 12 фурм 5а, 5b для ввода твердых веществ, предназначенных для подачи твердого исходного материала, включая металлсодержащий исходный материал и углеродсодержащий материал, в емкость;
узел подачи кислородсодержащего газа, предназначенный для подачи кислородсодержащего газа в емкость, который содержит:
узел ввода газа в виде 4 фурм 7 для ввода газа, предназначенных для ввода кислородсодержащего газа в газовое пространство и/или ванну, созданные в емкости; и
узел снабжения газом, который содержит кольцевую магистраль 9 и множество элементов 49, по одному из которых связано с каждой из фурм 7 для ввода газа, и которые соединяют кольцевую магистраль 9 и фурмы 7 для ввода газа, предназначенные для подачи кислородсодержащего газа, в типичном случае воздуха или обогащенного кислородом воздуха, в фурмы 7 для ввода газа; и
узел отвода отходящего газа, который содержит два трубопровода 11 для отходящего газа, предназначенные для улучшения протекания отходящего газа, выходящего из емкости, наружу из этой емкости.
Если обратиться к Фиг.1, 2 и 10, то в этой связи уместно заметить, что установка для прямой выплавки также содержит каркасную конструкцию 89, изготовленную из стальных балок, смонтированных вместе, чтобы получить внешний периметр 91 восьмиугольной формы, внутренний периметр 93 восьмиугольной формы и ряд поперечных элементов 95, соединяющих между собой балки периметра. Каркасная конструкция 89 служит опорой кольцевой магистрали 9 узла снабжения газом посредством подвесных кронштейнов (не показаны). Каркасная конструкция также содержит множество платформ (не показаны), которые обеспечивают доступ рабочих к емкости 3 на различных по высоте уровнях емкости 3.
Емкость 3 содержит горн, включающий в себя основание 21 и стороны 23, изготовленные из огнеупорных кирпичей, боковую стенку 25, проходящую вверх от горна, и коробчатый свод 27. В контексте ежегодного производства 2 миллионов тонн расплавленного железа при выборе размеров предназначенной для этого емкости 3 необходимо обеспечить, чтобы диаметр (внутренний) горна составлял приблизительно 8 метров.
Боковая стенка 25 емкости 3 выполнена таким образом, чтобы эта емкость содержала нижнюю цилиндрическую секцию 29, верхнюю цилиндрическую секцию 31 меньшего диметра по сравнению с нижней секцией 29 и секцию 33 в форме усеченного конуса, которая соединяет упомянутые две секции 29 и 31.
Из приведенного ниже описания и чертежей видно, что 3 секции 29, 31, 33 боковой стенки 25 емкости делят эту стенку 25 на 3 отдельных зоны. Нижняя секция 29 служит опорой для фурм 5а, 5b для ввода твердых веществ. Секция 33 в форме усеченного конуса служит опорой для фурм 7 для ввода газа. И, наконец, верхняя секция 33, по существу, представляет собой камеру отходящего газа, через которую отходящий газ покидает емкость.
Боковая стенка 25 и свод 27 емкости 3 служат опорой для множества водоохлаждаемых панелей (не показаны), а установка содержит систему циркуляции охлаждающей воды. Как показано на Фиг.5, верхняя секция 33 содержит одинарные стальные панели, а нижняя секция 29 содержит двойные стальные панели. Система циркуляции охлаждающей воды обеспечивает подачу воды в водоохлаждаемые панели и удаление нагретой воды из этих панелей, а затем извлечение тепла из нагретой воды перед ее возвратом в водоохлаждаемые панели.
Секция 33 боковой стенки 25 емкости 3, выполненная в форме усеченного конуса, имеет отверстия 35 для фурм 7 для ввода газа. Фурмы 7 проходят через отверстия 35. В отверстиях 35 для фурм установлены монтажные фланцы 37, и фурмы 7 установлены на фланцах 37, которые служат опорой этим фурмам. Отверстия 35 для фурм находятся на одном уровне по высоте емкости и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру боковой стенки 25 этой емкости 3.
Как показано на Фиг.5, при использовании емкости 3 для плавки мелких фракций железной руды с целью получения расплавленного железа в соответствии с процессом Hismelt, емкость 3 содержит жидкую ванну 41 из железа из шлака, которая включает слой (не показан) расплавленного металла, находящийся в горне емкости 3, и слой (не показан) расплавленного шлака, расположенный на слое металла. Жидкая ванна 41, показанная на Фиг.5, находится в спокойных условиях, т.е. в условиях, когда отсутствует ввод твердых веществ и газа в емкость 3. В типичном случае, когда в емкости 3 выполняется процесс Hismelt с целью ежегодного производства 2 миллионов тонн расплавленного железа, емкость 3 содержит 500 тонн расплавленного железа и 700 тонн расплавленного шлака.
Как показано на Фиг.3 и 4, емкость 3 также содержит 2 дверцы 45 доступа на стороне 23 горна, чтобы сделать возможным доступ во внутреннее пространство емкости 3 для замены футеровки или других работ по техническому обслуживанию в этом пространстве.
Дверцы 45 доступа выполнены в виде стальных пластин, которые приварены к боковой стороне 23. Когда требуется доступ во внутреннее пространство емкости 3, пластины вырезают из боковой стороны 23 горна, и после завершения работы в емкости 3 на это место приваривают сменные пластины. Дверцы 45 доступа расположены на одном уровне по высоте емкости 3. Дверцы 45 доступа расположены на интервале друг от друга по периферии емкости таким образом, что угол между ними составляет, по меньшей мере, 90°. Этот интервал позволяет вводить в емкость через дверцы 45 оборудование для демонтажа огнеупорных стенок и снимать значительную часть огнеупорного материала с боковой стенки, которая футерована огнеупорным материалом, пока емкость нагрета. В дополнение к этому дверцы 45 доступа являются достаточно большими, в типичном случае 2,5 метра в диаметре, чтобы сделать возможным доступ во внутреннее пространство емкости 3 небольшого фронтального погрузчика или аналогичного оборудования.
Как показано на Фиг.3, емкость 3 также содержит аналогичную дверцу 47 доступа на своде 27 этой емкости, чтобы сделать возможным доступ во внутреннее пространство емкости для замены облицовки или выполнения других работ по техническому обслуживанию.
Во время работы при помощи четырех фурм 7 для ввода газа, входящих в состав узла ввода газа, вводят струю обогащенного кислородом горячего воздуха, поступающего от станции подачи горячего газа (не показана), находящейся на некотором удалении от емкости 3. Станция подачи горячего газа содержит ряд газовых печей (воздухонагревателей) (не показаны) и кислородную установку (не показана), чтобы сделать возможным протекание потока обогащенного кислородом воздуха через газовые печи и поступление в трубопровод 51 снабжения горячим газом (Фиг.2 и 11), который соединен с кольцевой магистралью 9. В качестве альтернативы кислород может добавляться к потоку воздуха после того, как этот поток нагрет упомянутыми газовыми печами.
Назначением фурм 7 для ввода газа является обеспечение достаточного расхода горячего воздуха, обогащенного кислородом, при достаточной скорости его протекания таким образом, чтобы горячий воздух проникал в бурун, в типичном случае круговой формы, образованный расплавленным металлом и шлаком, который выбрасывается вверх внутри емкости 3 в ходе выполнения процесса Hismelt, и этот обогащенный кислородом горячий воздух обеспечивает сжигание горючего газа, например монооксида углерода и водорода, высвобожденных из ванны, которые содержатся в упомянутом буруне. При сжигании горючего газа вырабатывается тепло, которое передается в жидкую ванну, когда расплавленные металл и шлак возвращаются вниз, в эту ванну.
Фурмы 7 для ввода газа представляют собой прямолинейные фурмы для ввода с точки зрения их конструктивного исполнения и не содержат завихрителей, обеспечивающих турбулентность в потоке обогащенного кислородом воздуха, текущего через эти фурмы. Как указано выше, при проведении исследований заявитель обнаружил, что использование фурм 7 для ввода газа, работающих без возникновения турбулентности, могло бы обеспечить производительность, сравнимую с производительностью фурм, работающих с возникновением турбулентности.
Фурмы 7 для ввода газа проходят вниз через секцию 33 в форме усеченного конуса, имеющуюся в боковой стенке 25 емкости 3, и в верхнюю область емкости 3. Фурмы 7 расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру секции 33 в форме усеченного конуса и находятся на одном уровне по высоте. Фурмы 7 установлены таким образом, чтобы проходить в направлении вниз и к периферии емкости, чтобы вводить горячий воздух в направлении нижней секции 29 боковой стенки 25. Важно отметить, что нежелательным является контакт кислородсодержащего газа с боковой стенкой 25 емкости - высокие температуры, возникающие при сжигании у боковой стенки, являются нежелательными с точки зрения срока службы этой емкости. Следовательно, фурмы 7 размещены таким образом, чтобы вершины 53 фурм 7 находились на одной горизонтальной окружности.
Описанная выше схема ввода кислородсодержащего газа в направлении вниз и к периферии емкости также желательна для того, чтобы избежать сжигания реакционных газов, например СО, в центральной вертикальной части емкости, в общем обозначенной ссылочным номером 139 на Фиг.5 и возникающей в результате потери тепла вместе с отходящим газом, уходящим по трубопроводам 11 для отходящего газа.
Как можно лучше видеть на Фиг.3, кольцевая магистраль 9 узла снабжения газом представляет собой кольцевой трубопровод, который расположен над емкостью 3. Как описано выше, кольцевая магистраль 9 соединена с трубопроводом 51 снабжения горячим газом, и в нее поступает воздух, обогащенный кислородом, из этого трубопровода 51.
Кольцевая магистраль 9 содержит 4 выпуска 65.
Соединительные элементы 49 узла снабжения газом соединяют между собой кольцевую магистраль 9 и фурмы 7 для ввода газа.
Нагретый до высокой температуры соединительный элемент 49 для каждой фурмы 7 для ввода газа содержит переходник 61, который проходит от впускного конца фурмы 7, и температурный компенсатор 63, один конец которого соединен с переходником 61, а другой - с выпуском 65 кольцевой магистрали 9.
Во время работы в фурмы 7 для ввода газа поступает поток горячего воздуха, обогащенного кислородом, протекающий через кольцевую магистраль 9 и соединительные элементы 49, которые соединяют эти фурмы 7 с кольцевой магистралью 9. Кольцевая магистраль 9 обеспечивает одинаковый расход горячего воздуха для всех фурм 7.
Как видно на Фиг.6 и 8, положение каждой из фурм 7 для ввода газа внутри емкости 3 теоретически можно задать следующим образом:
устанавливают фурму 7 вертикально, обеспечивая требуемое положение вершины 53 этой фурмы 7 - на Фиг.6 и 8 указана пиктограммой 55 в форме круга, а затем
при фиксированном положении вершины 53 фурмы отклоняют фурму на 35° в вертикальной плоскости, которая проходит через вершину 53 и перпендикулярна радиальной плоскости, проходящей через эту вершину 35, после чего
при фиксированном положении вершины 53 фурмы поворачивают фурму на 30° наружу в направлении упомянутой радиальной плоскости.
Фурмы 7 для ввода газа установлены таким образом, чтобы их можно было удалить из емкости 3.
Если говорить более конкретно, каждую фурму 7 можно извлечь следующим образом: снять переходник 61 и температурный компенсатор 63 соответствующего соединительного элемента 49 с каждой фурмы 7 и кольцевой магистрали 9, после чего удалить болты, крепящие фурму 7 к монтажному фланцу 37 отверстия 35 для фурмы, выполненного в секции 33 в форме усеченного конуса, входящей в состав боковой стенки 25, а затем прикрепить фурму 7 к мостовому крану (не показан) и поднять фурму 7 вверх из отверстия 35.
С использованием процедуры, обратной к описанной в предыдущем абзаце, можно установить в емкости 3 сменные фурмы 7.
12 фурм 5а, 5b для ввода твердых веществ, входящих в состав узла подачи твердых веществ, проходят вниз и внутрь через отверстия (не показаны), выполненные в нижней секции 29 боковой стенки 25 емкости 3, и в слой шлака (не показан) жидкой ванны 41. Фурмы 5а, 5b размещены таким образом, чтобы вершины фурм находились на воображаемой горизонтальной окружности. Боковая стенка 25 содержит монтажные фланцы 69, и фурмы 5а, 5b установлены на этих фланцах 69, которые служат им опорой.
Как показано на Фиг.7 и 9, фурмы 5а, 5b для ввода твердых веществ включают 8 фурм 5а, предназначенных для ввода мелких фракций железной руды и флюса в емкость 3, и 4 фурмы 5b, предназначенных для ввода твердого углеродсодержащего материала и флюса в емкость 3.
Твердые материалы транспортируют в газе-носителе, имеющем пониженное содержание кислорода. Все фурмы 5а, 5b имеют одинаковый внешний диаметр и расположены на одном уровне по высоте емкости 3. Фурмы 5а, 5b размещены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру нижней секции 29 боковой стенки 25 и таким образом, что фурмы 5а для ввода железной руды расположены парами, а соседние пары этих фурм 5а разделены установленной между этими парами трубкой 5b для ввода угля. Попарное размещение фурм 5а для ввода железной руды, предназначенных для ввода горячей железной руды в емкость, снижает проблемы, связанные с доступом к трубам, расположенным вокруг емкости.
В процессе работы в фурмы 5а для ввода железной руды поступают мелкие фракции горячей железной руды и флюс через систему ввода горячей руды, а в фурмы 5b для ввода угля поступает уголь и флюс через систему ввода углеродсодержащего материала во время операции выплавки.
Если обратиться к Фиг.9, система ввода горячей руды содержит устройство предварительного нагрева (не показано), предназначенное для нагрева мелких фракций железной руды, и систему транспортировки горячей руды, которая содержит ряд основных линий 73 подачи и пары отводных линий 75 подачи для каждой пары фурм 5а для ввода железной руды, а также источник газа-носителя, обеспечивающий перемещение мелких фракций горячей железной руды по линиям 73, 75 подачи и ввод этих фракций в емкость 3 при температуре порядка 680°С.
Как показано на Фиг.9, система ввода углеродсодержащего материала/флюса содержит одну линию 77 подачи для каждой фурмы 5b для ввода угля.
Внешний диаметр линий 77 подачи угля меньше внешнего диаметра отводных линий 75 подачи горячей руды и составляет в типичном случае 40-60% последнего. Хотя внутренний диаметр фурм 5а, 5b в предпочтительном случае один и тот же, необходимость изолировать линии 73 подачи горячей руды и отводные линии 75 подачи горячей руды приводит к значительному увеличению внешнего диаметра этих фурм. В типичном случае отводные линии 75 подачи горячей руды имеют одинаковый внешний диаметр в диапазоне 400-600 мм, а линии 77 подачи угля имеют одинаковый внешний диаметр в диапазоне 100-300 мм. В одном из конкретных примеров отводные линии 75 подачи горячей руды имеют внешний диаметр, равный 500 мм, а линии 77 подачи угля имеют внешний диаметр, равный 200 мм.
Фурмы 5а, 5b для ввода твердых веществ установлены таким образом, чтобы их можно было удалить из емкости 3.
Если говорить более конкретно, узел подачи твердых веществ содержит опорный узел, используемый в качестве опоры для каждой фурмы 5а, 5b для ввода твердых веществ во время удаления этой фурмы из емкости 3 и установки сменной фурмы в емкость 3. Опорный узел для каждой фурмы 5а, 5b содержит вытянутую направляющую (не показана), проходящую вверх и наружу от боковой стенки 25 емкости 3, тележку (не показана), установленную с возможностью перемещения по направляющей, и привод тележки (не показан), используемый для перемещения тележки по направляющей, причем тележка выполнена с возможностью прикрепления к фурмам 5а, 5b, чтобы позволить использовать эту тележку в качестве опоры для фурмы с перемещением этой фурмы вверх и вниз под действием привода тележки, и в результате извлечь из емкости 3. Опорный узел описан в международных заявках PCT/2005/001101 и PCT/AU2005/01103, зарегистрированных на имя заявителя настоящего изобретения, описание которых включено этим упоминанием в текст данного описания посредством ссылки.
Как станет понятным из приведенного выше описания, установка для прямой выплавки позволяет удалять и заменять 16 фурм, включая 4 фурмы 7 для ввода газа и 12 фурм 5а, 5b для ввода твердых веществ. Емкость 3 является относительно компактной. Эта компактность емкости 3, а также положения кольцевой магистрали 9 и трубопроводов 11 отходящего газа, связанных с этой емкостью, накладывают жесткие пространственные ограничения к операциям удаления и замены фурм 7, 5а и 5b.
Как показано на Фиг.10, чтобы облегчить удаление и замену фурм 7, 5а и 5b, установка для прямой выплавки содержит множество вытянутых по вертикали зон 97а, 97b доступа мостового крана.
Зоны 97а доступа расположены дальше от центра емкости относительно кольцевой магистрали 9 и внутри внешнего периметра 91 каркасной конструкции 89. В сумме имеется 12 зон 97а доступа, что соответствует 12 фурмам 5а, 5b для ввода твердых веществ. Зоны 97а доступа делают возможным удаление и замену фурм 5а, 5b для ввода твердых веществ.
Зоны 97b доступа расположены ближе к центру емкости относительно кольцевой магистрали 9. В сумме имеется 4 зоны доступа 97b, что соответствует 4 фурмам 7 для ввода газа. Зоны 97b доступа делают возможным удаление и замену фурм 7 для ввода газа.
Пара трубопроводов 11 для отходящего газа, входящих в состав узла трубопроводов для отходящего газа, делают возможным протекание отходящего газа, возникающего при выполнении процесса Hismelt в емкости 3, из этой емкости для его обработки на последующих этапах технологического процесса перед выпуском в атмосферу.
Обратимся к Фиг.13, представляющей собой вид сверху каркасной конструкции 89, на котором изображена верхняя цилиндрическая секция 31 емкости 3, зоны 97b доступа, а также распределителные трубы 200 для подачи охлаждающей воды и распределительные трубы 205 для возврата охлаждающей воды вместе с трубами 215 подачи и возврата охлаждающей воды.
Распределительные трубы 200 для подачи охлаждающей воды и распределительные трубы 205 для возврата охлаждающей воды выполнены в виде кольцевой магистрали. Каждая из этих распределительных труб 200, 205 находится выше и фактически в одной вертикальной плоскости с кольцевой магистралью 9 (на этом чертеже не показана). Трубы 215 подачи и возврата охлаждающей воды проходят между распределительными трубами 200, 205 подачи и возврата охлаждающей воды и выпускными отверстиями панелей водяного охлаждения, расположенными на емкости 3. Вокруг каркасной конструкции 89 и емкости 3 размещено четыре группы 215а, 215b, 215c и 215d труб 215 подачи и возврата охлаждающей воды. Каждая группа соединяет между собой мостовым образом распределительные трубы 200, 205 и емкость 3 в отдельной зоне 220а, 220b, 220с и 220d каркасной конструкции 89. Это позволяет обеспечить такое положение зон 97b доступа, когда они вытянуты вертикально вверх между соседними группами 215а, 215b, 215с и 215d труб 215 подачи и возврата охлаждающей воды. Некоторые из труб 215 подачи и возврата охлаждающей воды проходят вдоль наружной поверхности емкости 3 из расположения отдельной зоны 220а, 220b, 220с и 220d, примыкающей к емкости 3, к различным выпускным отверстиям панелей водяного охлаждения, расположенным между боковой стенкой 25 емкости 3 и зонами 97b доступа. На основе этого можно сказать, что трубы 215 подачи и возврата охлаждающей воды определяют, по меньшей мере, частично внешний периметр зон 97b доступа.
Обратимся к Фиг.14, представляющей собой изометрическое изображение каркасной конструкции 89, где показаны площадки 230 доступа, обеспечивающие доступ персонала к оборудованию, находящемуся на каркасной конструкции. Площадки 230 имеют проемы 235, создающие зоны 97а доступа. На различных уровнях по высоте каркасной конструкции размещены распределительные трубы 240 для подачи и возврата охлаждающей воды (включая распределители 200 и 205, рассмотренные выше со ссылкой на Фиг.13). Распределительные трубы 240 расположены на каркасной конструкции таким образом, чтобы находиться по существу в одной вертикальной плоскости с кольцевой магистралью 9 узла снабжения газом. Каждая распределительная труба 240 делает возможными подачу и возврат охлаждающей воды в панели водяного охлаждения, находящиеся в соседней секции емкости. Каждая распределительная труба 240 в типичном случае представляет собой кольцевую магистраль.
Зоны 97а доступа проходят вверх и наружу от находящейся поблизости емкости 3, между распределительными трубами 240 для подачи охлаждающей воды в область каркасной конструкции 89, которая находится дальше от центра этой емкости относительно упомянутых распределительных труб 240. Зоны 97а доступа проходят вверх из области, которая находится дальше от центра этой емкости относительно упомянутых распределительных труб 240, и через разные площадки 230 каркасной конструкции.
Как указано выше, при выполнении процесса Hismelt в предпочтительном случае используется воздух или обогащенный кислородом воздух, в результате чего возникает значительный объем отходящего газа и требуется относительно большой диаметр трубопроводов 11 для отходящего газа.
Трубопроводы 11 для отходящего газа идут от верхней секции 31 боковой стенки 25 под углом 7° к горизонтали.
Как можно лучше увидеть на Фиг.11 и 12, трубопроводы 11 для отходящего газа создают конфигурацию V-образной формы, если смотреть сверху емкости 3. Продольные оси Х трубопроводов 11 для отходящего газа расположены под углом 66,32° друг к другу. Трубопроводы 11 для отходящего газа расположены таким образом, чтобы продольные оси Х этих трубопроводов пересекались между собой и в точке 101 на радиальной линии L, проходящей от вертикальной оси 105 емкости 3. Другими словами, оси Х трубопроводов 11 для отходящего газа не являются радиусами, проведенными от точки на вертикальной оси 105 емкости 3.
Как показано на Фиг.1 и 2, установка для прямой выплавки содержит отдельные вытяжные колпаки 107 для отходящего газа, соединенные с каждым из трубопроводов 11 для отходящего газа, которые предназначены для охлаждения отходящего газа, поступающего из емкости 3. Вытяжные колпаки 107 для отходящего газа проходят вертикально вверх от выпускных концов трубопроводов 11 для отходящего газа. Вытяжные колпаки 107 охлаждают отходящий газ, поступающий из емкости 3, за счет теплообмена с водой/паром, проходящим через эти колпаки, до температуры порядка 900-1100°С.
Если снова обратиться к Фиг.1 и 2, то из этих чертежей видно, что установка для прямой выплавки также содержит отдельные очистители 109 отходящего газа (скрубберы), соединенные с каждым из вытяжных колпаков 107 для отходящего газа, которые предназначены для удаления макрочастиц из охлажденного газа. В дополнение к этому каждый вытяжной колпак 107 для отходящего газа соединен с клапаном управления потоком (не показан), который управляет протеканием отходящего газа из емкости и через вытяжной колпак 107 для отходящего газа. Клапаны управления потоком могут быть объединены с очистителями 109 отходящего газа.
Кроме того, на Фиг.1 и 2 также видно, что установка для прямой выплавки также содержит один охладитель 111 отходящего газа, соединенный с обоими очистителями 109 отходящего газа. Во время работы в охладитель 111 отходящего газа поступают потоки очищенного отходящего газа из обоих очистителей 109 отходящего газа, и этот охладитель 111 охлаждает отходящий газ до температуры порядка 25-40°С.
Во время работы охлажденный отходящий газ, поступивший из охладителя 111 отходящего газа, обрабатывается как это необходимо, например используется в качестве топливного газа в газовых печах (воздухонагревателях) (не показаны) или в котле-утилизаторе тепла отходящего газа (не показан), чтобы извлечь химическую энергию из отходящего газа, и впоследствии выпускается в атмосферу как чистый отходящий газ.
Установка для прямой выплавки также содержит узел выпуска металла, включающий копильник 13, предназначенный для непрерывного выпуска расплавленного железа из емкости 3. Горячий металл, получаемый в ходе операции выплавки, выгружается из емкости 3 через копильник 13 и желоб для горячего металла (не показан), соединенный с этим копильником 13. Выпускной конец желоба для горячего металла находится выше станции разливки горячего металла (не показана), чтобы подавать расплавленный металл вниз к ковшам, расположенным на этой станции.
Установка для прямой выплавки также содержит узел окончательного выпуска металла, предназначенный для выпуска расплавленного металла из нижней части емкости 3 в конце операции выплавки и для перемещения расплавленного железа на удаление от емкости 3. Узел окончательного выпуска металла включает множество отверстий 15 для окончательного выпуска металла, выполненных в емкости 3.
Кроме того, установка для прямой выплавки содержит узел выпуска шлака, предназначенный для периодического выпуска шлака из нижней части емкости 3 и перемещения шлака на удаление от емкости 3 в ходе операции выплавки. Узел выпуска шлака содержит множество шлаковых леток 17, выполненных в емкости 3.
Установка для прямой выплавки также содержит узел окончательного выпуска шлака, предназначенный для слива шлака из емкости 3 в конце операции выплавки. Узел окончательного выпуска шлака содержит множество отверстий 19 для выпуска шлака, выполненных в емкости 3.
В ходе операции выплавки, согласно процессу Hismelt, мелкие фракции железной руды и подходящий газ-носитель, а также уголь и подходящий газ-носитель вводят в жидкую ванну через фурмы 5а, 5b. Кинетическая энергия твердых материалов и газов-носителей вызывает проникновение твердых материалов в слой металла, находящийся в жидкой ванне 41. Из угля удаляются летучие компоненты, что приводит к образованию газа в слое металла. Углерод частично растворяется в металле, а частично остается в виде твердого углерода.
Мелкие фракции железной руды плавятся с получением расплавленного железа и при выплавке возникает монооксид углерода. Расплавленное железо непрерывно удаляется из емкости 3 через копильник 13.
Расплавленный шлак периодически удаляется из емкости 3 через шлаковые летки 17.
Газы, которые перемещаются в слой металла и возникают при удалении летучих компонентов и выплавке, создают значительную по величине подъемную силу, действующую на расплавленный металл, твердый углерод и шлак (внесенный в слой металла вследствие ввода твердых веществ/газа) в направлении наружу из слоя металла, что приводит к возникновению движения вверх брызг, капель и потоков расплавленных металла и шлака, и эти брызги, капли и потоки захватывают шлак по мере их движения через слой шлака. Подъемная сила, действующая на расплавленный металл, твердый углерод и шлак вызывает сильное перемешивание в слое шлака, что приводит к увеличению этого слоя в объеме. В дополнение к этому движение вверх брызг, капель и потоков расплавленных металла и шлака (вызванное подъемной силой, действующей на расплавленный металл, твердый углерод и шлак) распространяется в пространство над жидкой ванной и создает упомянутый выше бурун.
Ввод кислородсодержащего газа в бурун через фурмы 7 ввода газа обеспечивает последующее сгорание реакционных газов, таких как монооксид углерода и водород, в емкости 3. Тепло, возникшее при последующем сгорании, передается в жидкую ванну, когда расплавленный металл опускается обратно в эту ванну.
Отходящий газ, возникающий при дожигании реакционных газов в емкости 3, отводится из емкости 3 через трубопроводы 11 для отходящего газа.
В описанном выше варианте реализации настоящего изобретения может быть сделано множество модификаций, которые не выходят за пределы сущности и объема этого изобретения.
В качестве примера, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие 2 трубопроводов 11 для отходящего газа, это изобретение не ограничивается таким количеством трубопроводов 11 для отходящего газа и распространяется на любое подходящее количество трубопроводов 11 для отходящего газа.
В дополнение к этому, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие кольцевой магистрали 9, предназначенной для подачи кислородсодержащего газа в фурмы 7 для ввода газа, это изобретение не ограничивается такой компоновкой и распространяется на любой подходящий узел снабжения газом.
Кроме того, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие 4 фурм 7 для ввода газа, это изобретение не ограничивается таким количеством и компоновкой фурм 7 и распространяется на любое подходящее количество и компоновку фурм 7.
В дополнение к этому, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие 12 фурм 5а, 5b для ввода твердых веществ, причем 8 фурм 5а являются фурмами для ввода железной руды, которые установлены парами, а оставшиеся 4 фурмы 5b являются фурмами для ввода угля, это изобретение не ограничивается таким количеством и компоновкой фурм 5а, 5b.
Кроме того, хотя описанный выше вариант реализации настоящего изобретения предусматривает наличие копильника 13, предназначенного для непрерывного выпуска расплавленного железа из емкости 3, это изобретение не ограничивается использованием копильника и режимом непрерывного выпуска расплавленного железа.