способ производства металлизованных окатышей и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ производства металлизованных окатышей, преимущественно тугоплавких железотитанованадиевых, включающий загрузку сырых окатышей в печь, вдувание нагретого восстановительного газа, восстановление, охлаждение и выгрузку готового продукта, отличающийся тем, что восстановление осуществляют в реконструированной доменной печи, горн которой переоборудуют в разгрузочный узел с установкой в нем средств для отбора окатышей и контроля степени их металлизации, а воздухонагреватели доменной печи переоборудуют в регенеративные конвертеры для производства горячего восстановительного газа путем углекислотной конверсии природного газа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в восстановительный газ добавляют кислород в количестве 10-50 м³/т металлизованных окатышей.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что загрузку сырых окатышей осуществляют отраженным от стенки потоком при угле наклона стенки 50-53^o.

4. Устройство для производства металлизованных окатышей, преимущественно железотитанованадиевых, содержащее шахтную печь с колошниковой, восстановительной и фурменной зонами, оборудованную загрузочным и разгрузочным узлами, и конвертеры для конверсии природного газа с насадкой из огнеупорного кирпича, отличающееся тем, что угол наклона стенок шахты составляет 88-89^o при отношении диаметра колошниковой зоны и высоты восстановительной зоны к диаметру фурменной зоны 0,92 и 2,05-2,28 соответственно, а боковая поверхность огнеупорного кирпича насадки конвертера выполнена с вертикальными, наклонными и горизонтальными каналами с пересечением осей наклонных каналов и осей двух смежных вертикальных каналов, а одна из его боковых стенок выполнена с прогибом.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что суммарная площадь поверхности каналов составляет 77-78% от общей площади поверхности насадки.

6. Устройство по пп. 4 и 5, отличающееся тем, что каналы выполнены с шагом, равным 1/4 длины кирпича.

7. Устройство по любому из пп. 4-6, отличающееся тем, что величина прогиба в боковой стенке кирпича составляет 7-8% от толщины кирпича.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства металлизованных железотитанованадиевых окатышей в шахтных печах с использованием газообразного восстановителя.

Известны способы получения металлизованных окатышей в шахтных печах с использованием газообразного восстановителя, вдуваемого в печь при 850-950^oC и получаемого путем углекислотной /1/ и паровой /2/ конверсии природного газа.

Общими недостатками этих способов является низкая температура восстановительного газа, необходимость ведения процесса при высоком (4-6 ати) давлении газа для обеспечения равномерности металлизации скатышей, что снижает срок службы оборудования, а также невысокая степень использования газа.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является процесс металлизации окатышей в шахтной печи с циклической загрузкой шихты и вдуванием восстановительного газа, получаемого путем паровой конверсии природного газа в регенеративных конвертерах. Насадка регенераторов выполнена из высокоглиноземистого кирпича марки 01 (более 65% Al2О3 + TiО2), пропитанного никелевым катализатором на 2/3 высоты насадки /3/.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является низкая степень использования (26%) восстановительного газа из-за большого угла (86 град. 55 мин.) наклона стен шахты печи, а также низкая степень металлизации железотитанованадиевых окатышей.

Технической задачей предложенного способа является устранение указанных недостатков известных способов, повышение степени использования восстановительного газа, регулирование процесса металлизации окатышей, переоборудование малых доменных печей для процесса металлизации окатышей.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе производства металлизованных окатышей, преимущественно тугоплавких железотитанованадиевых, включающем загрузку сырых окатышей в печь, вдувание горячего восстановительного газа, восстановительного газа, восстановление, охлаждение и выгрузку металлизованных окатышей, восстановление осуществляют в реконструированной доменной печи, горн которой переоборудуют в разгрузочный узел с установкой на нем средств для отбора окатышей и контроля степени их металлизации, а воздухонагреватели доменной печи переоборудуют в регенеративные конвертеры для производства горячего восстановительного газа путем конверсии природного газа.

Указанная техническая задача решается также тем, что для увеличения производительности печи путем увеличения температуры восстановительного газа в восстановительный газ дополнительно вводят кислород в количестве 10-50 м³/т металлизованных окатышей.

Для решения указанной технической задачи загрузку сырых окатышей в печь осуществляют отраженным от стенки потоком при угле наклона стенки, равном 50-53^o.

Устройство для производства металлизованных окатышей, преимущественно тугоплавких железотитанованадиевых, содержит шахтную печь с колошниковой, восстановительной и фурменной зонами, оборудованную загрузочным и разгрузочным узлами, и конвертеры для углекислотной конверсии природного газа с насадкой из огнеупорного кирпича. Угол наклона стенок шахты печи _ш = 88-89 ^o при отношениях диаметра колошниковой зоны d_к и высоты восстановительной зоны H_в к диаметру фурменной зоны D_ф (d_к/D_ф и H_в/D_ф), равных соответственно 0,92 и 2,05 - 2,28. Боковая поверхность кирпича насадки конвертеров выполнена с вертикальными, наклонными и горизонтальными каналами с пересечением осей наклонных каналов и осей двух смежных вертикальных каналов, а одна из его боковых стенок выполнена с прогибом.

Суммарная площадь поверхности каналов составляет 77-83% от общей площади поверхности насадки.

Каналы в кирпиче насадки выполнены с шагом, равным 1/4 длины кирпича, а величина прогиба в боковой стенке кирпича составляет 7-8% от толщины кирпича.

Сущность изобретения заключается в следующем. Переоборудование малых доменных печей в печи для металлизации окатышей позволяет использовать их более эффективно в условиях дефицита кокса, когда многие из таких печей законсервированы и не работают.

Загрузка сырых окатышей в печь отраженным от стенки потоком с углом стенки 50^o и более обеспечивает 100% скольжения по стальной стенке окатышей. Применение угла наклона стенки более 53^o нецелесообразно, что установлено практикой работы конусных загрузочных устройств доменных печей.

Использование угла наклона стен шахты 88-89^o способствует устойчивому сходу окатышей без излишнего разрыхления слоя, что обеспечивает высокую степень использования газа в печи.

Отношение диаметра колошниковой зоны и высоты восстановительной зоны к диаметру фурменной зоны (d_k/D_ф и H_b/D_ф), равное 0,92 и 2,05 - 2,28, обеспечивает стандартизацию металлоконструкций и огнеупорных блоков фурм.

Применение для изготовления насадки регенеративных конвертеров ребристого огнеупорного кирпича с вертикальными, наклонными и горизонтальными каналами, выполненными с шагом, равным 1/4 длины кирпича, одна из стенок которого выполнена с прогибом 7-8% от толщины кирпича, когда суммарная площадь поверхности каналов составляет 77-83% общей площади поверхности насадки, обеспечивает высокую удельную поверхность (574 м²/м³) насадки и, следовательно, высокую температуру (1100-1200^oC) получаемого при конверсии восстановительного газа. Указанный размер шага между каналами обеспечивает также оптимальную толщину ребер и самого кирпича с точки зрения их прочности и удельной поверхности насадки.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 - 7.

На фиг. 1 представлены разрезы доменной печи (а) и шахтной печи для металлизации окатышей (б). Доменная печь имеет колонны 1. При ее реконструкции убираются части фундамента 2 и лещади 3, образующие поддоменник для проезда чугуновозных ковшей, убираются также стены горна 4 и заплечики 5. В соответствии с изобретением реконструируются стены шахты 6, колошниковая защита 7 и загрузочный аппарат 8. В нижней части зоны восстановления из огнеупорного кирпича выкладывают газовый коллектор 9 и устанавливают блоки с фурмами 10, расположенными через 5^o. Верхнюю половину зоны охлаждения футеруют огнеупорным кирпичом, а нижнюю изготавливают из металлического листа 11. В среднюю часть этой зоны врезают патрубок 12 для монтажа оборудования, а в нижней устанавливают колосниковую решетку с разгрузочным устройством 13 и патрубком 14 для вдувания охлаждающего газа. Металлизованные окатыши выгружают в бункера 15, имеющие запорную арматуру 16, охлаждающий кольцевой коллектор 17 и устройство для выдачи готовой продукции 18.

На фиг. 2 представлена технологическая схема устройства для производства металлизованных окатышей. Устройство содержит регенеративные конвертеры 19, регенератор-выравнитель температур 20, шахтную печь 21, рекуператор 22, газоочистку 23, каплеуловитель 24, бункера-охладители 25, газодувку 26, смеситель 27 типа трубы Вентури, рекуператор 28, дымовую трубу 29.

На фиг. 3-5 представлен насадочный кирпич размером 230х130х57,5 мм с вертикальными 30, горизонтальными 31 и наклонными 32 каналами, выполненными с шагом 1/4 длины кирпича. Оси наклонных каналов пересекаются с осями двух смежных вертикальных каналов. Одна из боковых поверхностей кирпича имеет прогиб, равный 0,07 толщины (57,5 мм) кирпича.

На фиг. 6 - 7 представлены фрагменты насадки, выполненной из насадочного кирпича с вертикальными 30, горизонтальными 31 и наклонными 32 каналами.

Устройство для производства металлизованных окатышей работает следующим образом. Пуск устройства начинают с разогрева регенеративных конвертеров 19 (фиг. 2). При достижении температуры дымовых газов 350-400^oC в рекуператор 22, расположенный в дымовом борове, подается холодный воздух. При достижении температуры подкупольного пространства 1250-1400^oC конвертер переводится в режим паровой конверсии. При этом парогазовая смесь в соотношении пар/газ = 1,1, подогретая в рекуператоре 28 до температуры 450-500^oC, подается в поднасадочное пространство конвертера. На разогретой активной части насадки конвертера идет реакция

CH₄ + H₂₀ = CO + 3H₂. (1)

Восстановительный газ (H₂ = 71%, CO = 22%) через холодный регенератор-выравниватель температур 20 подают в холодную шахтную печь, предварительно загруженную окатышами до уровня фурм. После этого загружают печь до нормального уровня, засыпая окатыши по 5-6 порций и поддерживая температуру колошникового газа не ниже 150^oC. В этом режиме разгрузочный аппарат работает на 30-35% своей мощности, а колошниковый газ с низким содержанием CO₂ сбрасывается в атмосферу.

После заполнения печи окатышами и достижения температуры колошникового газа 250-300^oC переходят с паровой конверсии природного газа на углекислотную. Для этого колошниковый газ с содержанием CO₂ 10-12% подают в систему газоочистки, запускают газодувку 26 и прекращают подачу пара на конверсию природного газа. Оборотный колошниковый газ в смесителе 27 смешивают с природным газом, полученную смесь подогревают в рекуператоре 28 и подают в поднасадочное пространство конвертера. На разогретой до температуры более 1000^oC насадке конвертера, пропитанной катализатором (содержит 2,5 - 3,0% NiO), идет реакция

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂, (2)

полнота которой составляет не менее 80%.

Из конвертера восстановительный газ поступает в регенератор 20 с активной насадкой, в котором элиминируются колебания температуры восстановительного газа и содержания окислителей, вызываемые поочередной работой конвертеров и восстановлением катализатора, а также происходит доконверсия содержащегося в газе метана избытком CO₂. Для науглероживания металлизованных окатышей предусмотрена подача природного газа в регенератор 20. Восстановительный газ (примерный состав в %: H₂ - 49, CO - 43, CO₂ - 2, CH₄ - 2, H₂₀ - 4) из регенератора 20 поступает в кольцевой газовый коллектор, а затем через наклонные фурмы (фиг. 1) - в шахтную печь 21 (фиг. 2).

Восстановление высших оксидов железа (Fe₂O₃ и Fe₃O₄) происходит в верхней части шахты при температуре до 700^oC. В средней части шахты восстанавливается FeO с достижением степени металлизации 80%. В нижней части шахты протекает процесс науглероживания железа (образование Fe₃C) до содержания углерода в окатышах 1,27 - 2,91%, что обеспечивает их защиту от вторичного окисления.

Колошниковый газ (примерный состав в %: H₂ - 38, CO - 17, CO₂ - 15, CH₄ - 4, H₂₀ - 21, N₂ - 2) поступает в рекуператор 22, в котором подогревается воздух, идущий на отопительные горелки регенераторов 19. После этого колошниковый газ очищается от пыли в газоочистке 23 и охлаждается для конденсации и удаления в каплеуловителе 24 воды, образующейся в шахтной печи в реакциях восстановления оксидов железа водородом. Очищенный и охлажденный колошниковый газ разделяется на три потока. Основной поток колошникового газа направляется на конверсию через смеситель 27. Перед смесителем в этот поток подается природный газ в количестве, равном количеству CO₂ в потоке колошникового газа. Смесь газов подогревается в рекуператоре 28 и подается в конвертеры 19.

Второй поток оборотного газа подается в бункера-охладители 25, а из них - в общий газопровод колошникового газа на выходе из печи 21.

Третий поток выводится из процесса для предотвращения накопления серы и азота в газе и используется для отопления регенеративных конвертеров.

Предложенный способ может быть реализован на любой переоборудованной согласно изобретению доменной печи небольшого объема на предприятиях, удаленных от угольных бассейнов и снабжаемых природным газом.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

В таблице 1 представлены полезный объем V_п, внутренний объем V_вн, диаметр колошника d_k, диаметр горна d_г, диаметр распара D_p, полезная высота Н_п, внутренняя высота Н_вн, угол наклона шахты _ш, угол наклона заплечиков _з ряда уральских металлургических заводов: Алапаевского (АМЗ), Верхне-Синечихинского (ВСМЗ), Нижне-Салдинского (НСМЗ), Чусовского (ЧусМЗ) и Нижне-Тагильского металлургического комбината (НТМК).

В таблице 2 представлены следующие основные размеры существующей шахтной печи для металлизации (способ-прототип) Белорецкого металлургического комбината (БМК) и шахтных печей для металлизации окатышей, которые можно создать путем переоборудования представленных в таблице 1 доменных печей: внутренний объем V_в, диаметр колошника d_к, диаметр фурменной зоны D_ф, диаметр зон охлаждения D_o и d_o, высота зоны восстановления H_в, отношения к диаметру фурменной зоны высоты зоны восстановления (H_в/D_ф) и диаметра колошника (d_к/D_ф), число фурм n_ф, высота зон охлаждения H_o и h_o, угол наклона шахты _ш, угол наклона стенок зоны охлаждения _o, диаметр и число бункеров для выгрузки металлизованных окатышей d и n.

Процесс прямого легирования стали по ванадийсодержащими металлизованными окатышам наиболее эффективен при подаче их в электродуговые печи во время восстановительного периода плавки. Сквозной коэффициент извлечения ванадия из руды в сталь составляет при этом 60-63%, что в 2 раза выше чем по схеме руда - феррованадий - сталь. Срок окупаемости затрат на реконструкцию составит 6-12 месяцев.

По сравнению с существующими известными способами предложенный способ производства металлизованных окатышей обеспечивает более высокую степень использования CO и реализуется с меньшим расходом тепла на 1 т продукта (таблица 3).