способ и устройство для прямой плавки

Формула изобретения

1. Способ прямой плавки для получения железа и/или ферросплавов, осуществляемый в промышленных масштабах в металлургическом резервуаре, который имеет под, боковые стенки и свод, а также минимальную ширину внутреннего пространства пода по меньшей мере 4 м, причем данный способ включает в себя следующие операции, на которых:

(a) вдувают исходные материалы, представляющие собой твердый материал и газ-носитель, в расплавленную ванну из расплавленного металла и расплавленного шлака через три или более простирающиеся вниз фурмы для вдувания твердых материалов и, тем самым, генерируют поток газа, который вызывает:

(i) образование расширенной зоны расплавленной ванны;

(ii) подъем брызг, капель и струй расплавленного материала вверх из расширенной зоны расплавленной ванны и

(b) вдувают кислородсодержащий газ в область резервуара через по меньшей мере одну фурму для вдувания кислородсодержащего газа и дожигают горючие газы, выделившиеся из расплавленной ванны,

отличающийся тем, что выбирают количества фурм для вдувания твердых материалов и вдувания кислородсодержащего газа и относительные положения этих фурм, и регулируют рабочие параметры способа, включая скорости вдувания исходных материалов и кислородсодержащего газа через фурмы, в ходе вышеуказанных операций (а) и (b) так, что:

(i) расширенная зона расплавленной ванны включает в себя поднятую область вокруг области вдувания кислородсодержащего газа данного резервуара между данной областью и боковыми стенками;

(ii) брызги, капли и струи расплавленного материала поднимаются вверх из поднятой области и образуют завесу вокруг области вдувания кислородсодержащего газа между данной областью и боковыми стенками и смачивают боковые стенки и

(iii) вокруг нижнего конца фурмы или каждой фурмы для вдувания кислородсодержащего газа образуется "свободное" пространство, при этом свободное пространство имеет концентрацию расплавленного материала, которая ниже концентрации расплавленного материала в расширенной зоне расплавленной ванны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток газа, генерируемый в ходе операции (а), вызывает существенное перемещение материала внутри расплавленной ванны и сильное перемешивание расплавленной ванны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вдувание исходных материалов в ходе операции (а) и поток газа, генерируемый за счет вдувания исходных материалов и реакций исходных материалов в расплавленной ванне, вызывают существенное перемещение материала в расширенную зону расплавленной ванны и из нее.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что включает в себя периодический выпуск расплавленного шлака из резервуара.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что включает в себя непрерывный выпуск расплавленного шлака из резервуара.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что включает в себя периодический выпуск расплавленного железа и/или ферросплавов из резервуара.

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что включает в себя непрерывный выпуск расплавленного железа и/или ферросплавов из резервуара.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что операция (а) включает в себя вдувание по меньшей мере 80 мас.% от общей массы твердого материала, используемого в способе, через фурмы для вдувания твердых материалов.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что операция (а) включает в себя вдувание исходных материалов в расплавленную ванну со скоростью по меньшей мере 40 м/с через фурмы для вдувания твердых материалов.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что скорость находится в диапазоне от 80 до 100 м/с.

11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что операция (а) включает в себя вдувание исходных материалов в расплавленную ванну через фурмы для вдувания твердых материалов при массовом расходе вплоть до 2,0 т/м²/с, где м ² относится к площади поперечного сечения подающей трубки фурмы.

12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что операция (а) включает в себя вдувание исходных материалов в расплавленную ванну через фурмы для вдувания твердых материалов при отношении твердые материалы/газ в 10-18 кг/Нм ³.

13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что операция (b) включает в себя вдувание воздуха или обогащенного кислородом воздуха в качестве кислородсодержащего газа в резервуар при температуре 800-1400°С и со скоростью 200-600 м/с через фурму или фурмы для вдувания кислородсодержащего газа.

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что включает в себя вдувание воздуха или обогащенного кислородом воздуха в качестве кислородсодержащего газа в резервуар при вихревом движении в ходе операции (b).

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что операция (а) приводит к образованию потока газа в по меньшей мере 0,35 Нм³/с/м² (где м² относится к площади горизонтального поперечного сечения пода при его минимальной ширине).

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что операция (а) приводит к образованию потока газа в по меньшей мере 0,5 Нм³/с/м² .

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что операция (а) приводит к образованию потока газа менее 2 Нм³с/м ².

18. Устройство для получения железа и/или ферросплавов с помощью способа прямой плавки, причем устройство содержит:

(a) неподвижный ненаклоняемый резервуар для содержания в нем расплавленной ванны из металла и шлака, которая включает в себя богатую металлом зону и расширенную зону расплавленной ванны над богатой металлом зоной, при этом указанный резервуар включает в себя под, имеющий минимальную внутреннюю ширину в по меньшей мере 4 м, и боковые стенки, простирающиеся вверх от пода, причем под образован из огнеупорного материала, и боковые стенки содержат водоохлаждаемые панели;

(b) по меньшей мере одну фурму, простирающуюся вниз в резервуар, для вдувания кислородсодержащего газа в область резервуара над расплавленной ванной;

(c) по меньшей мере три фурмы для вдувания твердых материалов, предназначенные для вдувания исходных материалов и газа-носителя в расплавленную ванну и

(d) средство для выпуска расплавленного металла и шлака из резервуара.

19. Устройство по п.18, в котором фурмы для вдувания твердых материалов выполнены удлиненными и простираются через водоохлаждаемые панели в боковых стенках резервуара вниз и внутрь в область пода резервуара.

20. Устройство по п.18 или 19, в котором под образует цилиндрическую область внутри резервуара, и простирающиеся вниз фурмы для вдувания твердых материалов расположены таким образом, что линии, проведенные вертикально вниз от выходных концов фурм, пересекают основание пода в некотором количестве мест на окружности внутри пода.

21. Устройство по п.20, в котором указанная окружность имеет диаметр, который больше или равен 2/3 диаметра основания пода.

22. Устройство по любому из пп.18-21, в котором область вдувания кислородсодержащего газа представляет собой центральную область резервуара.

23. Устройство по любому из пп.18-22, в котором боковые стенки включают в себя:

(a) верхнюю бочкообразную часть, которая образует цилиндрическую область внутри резервуара, имеющую больший диаметр по сравнению с диаметром области, образованной подом; и

(b) нижнюю бочкообразную часть, которая включает в себя внутреннюю футеровку из огнеупорного материала и образует область в форме усеченного конуса внутри резервуара, при этом область в форме усеченного конуса образует переход между верхней бочкообразной частью и подом.

24. Устройство по любому из пп.18-23, в котором фурмы для вдувания твердых материалов простираются по меньшей мере на один метр в резервуар и являются самоподдерживающими вдоль этой длины.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения железа и/или ферросплавов из железосодержащего материала, включая железные руды, другие руды, содержащие железо, такие как хромитные руды, частично восстановленные руды и железосодержащие отходы, такие как возвратные стальные отходы.

Настоящее изобретение относится, в частности, к способу прямой плавки в ванне расплавленного металла и устройству для получения расплавленного железа и/или ферросплавов.

Одним известным способом прямой плавки в расплавленной ванне для получения расплавленного железа является DIOS-процесс (т.е. способ прямой плавки железной руды, от англ. Direct Iron Ore Swelting). DIOS-процесс включает в себя стадию предварительного восстановления и стадию восстановительной плавки. В DIOS-процессе руду (-8 мм) предварительно нагревают (до температуры 750^оС) и предварительно восстанавливают (от 10 до 30%) в пенных кипящих (псевдоожиженных) слоях путем использования отходящего газа из резервуара для восстановительной плавки, который содержит расплавленную ванну из металла и шлака, при этом шлак образует глубокий слой (большой толщины) на железе. Мелкие (-0,3 мм) и крупные (-8 мм) компоненты руды отделяют друг от друга на стадии предварительного восстановления и компонент с размером частиц менее 0,3 мм улавливают в циклоне и вдувают в резервуар для восстановительной плавки вместе с азотом, в то время как крупную руду загружают под действием силы тяжести. Предварительно высушенный уголь загружают непосредственно в резервуар для восстановительной плавки в верхней части резервуара. Уголь разлагается на полукокс и летучее вещество в слое шлака, и руда плавится (растворяется) в жидком шлаке и образует FeO. FeO восстанавливается на поверхностях раздела шлак/железо и шлак/полукокс с получением железа. Монооксид углерода, образованный на поверхностях раздела железо/шлак и шлак/полукокс, создает пенящийся шлак. Кислород вдувают через фурму специальной конструкции, которая обеспечивает введение кислорода внутрь пенистого шлака и усиление вторичного сгорания. Струи кислорода вызывают горение монооксида углерода, который образуется во время реакций восстановительной плавки, в результате чего выделяется тепло, которое передается сначала жидкому шлаку и затем к поверхности раздела шлак/железо за счет сильного эффекта перемешивания, обеспечиваемого вдуваемым снизу газом. Перемешивающий газ, введенный в ванну расплавленного железа с нижней или боковой стороны резервуара для восстановительной плавки, повышает эффективность теплопередачи и увеличивает поверхность раздела шлак/железо для восстановления и, следовательно, обеспечивает повышение производительности и термического кпд резервуара. Однако скорости вдувания должны быть ограничены, поскольку сильное перемешивание приводит к снижению вторичного сгорания вследствие усиления взаимодействия между струей кислорода и каплями железа в шлаке с последующим снижением производительности и повышением износа огнеупорного материала. Шлак и железо периодически выпускают.

Другим известным способом прямой плавки для получения расплавленного железа является процесс Romelt. Процесс Romelt основан на использовании интенсивно перемешиваемой ванны шлака, имеющей большой объем, в качестве среды для плавки металлосодержащего исходного материала до железа в резервуаре для восстановительной плавки и для дожигания (последующего сгорания) газообразных продуктов реакций и переноса тепла, так как это требуется для продолжения плавки металлосодержащего исходного материала. Металлосодержащий исходный материал, уголь и флюсы подают за счет действия силы тяжести в ванну шлака через отверстие в своде резервуара. Процесс Romelt включает в себя вдувание основной (первичной) струи обогащенного кислородом воздуха в шлак через нижний ряд фурм с тем, чтобы вызвать необходимое перемешивание шлака, и вдувание обогащенного кислородом воздуха или кислорода в шлак через верхний ряд фурм с тем, чтобы способствовать дожиганию (последующему сгоранию). Расплавленное железо, получаемое в шлаке, проходит вниз и образует слой железа и выпускается через копильник (передний горн). В процессе Romelt слой железа не является важной реакционной средой.

Еще одним известным способом прямой плавки для получения расплавленного железа является процесс AISI (от англ. American Iron and Steel Institute). Процесс AISI включает в себя стадию предварительного восстановления и стадию восстановительной плавки. В процессе AISI предварительно нагретые и частично предварительно восстановленные железорудные окатыши, уголь или коксовую мелочь и флюсы загружают сверху в находящийся под давлением реактор для плавки, который содержит расплавленную ванну из железа и шлака. Уголь испаряется в слое шлака, и железорудные окатыши расплавляются (растворяются) в шлаке, а затем восстанавливаются с помощью углерода (полукокса) в шлаке. Условия, при которых происходит процесс, приводят к вспениванию шлака. Монооксид углерода и водород, образующиеся в данном процессе, подвергаются последующему сгоранию (дожигаются) в слое шлака или непосредственно над ним с выделением энергии, необходимой для эндотермических реакций восстановления. Кислород вдувают сверху через центральную водоохлаждаемую фурму, а азот вдувают через фурмы в нижней части реактора для обеспечения достаточного перемешивания с тем, чтобы способствовать передаче тепла, выделившегося при дожигании, в ванну. Технологический отходящий газ подвергают обеспыливанию в горячем циклоне перед подачей его в шахтную печь, предназначенную для предварительного нагрева и предварительного восстановления окатышей до FeO или вюстита.

Еще один известный способ прямой плавки, который основан на использовании слоя расплавленного железа в качестве реакционной среды и который обычно называют процессом HIsmelt, описан в международной заявке РСТ/AU 96/00197 (WO 96/31627), поданной на имя заявителя настоящего изобретения.

Процесс HIsmelt, описанный в международной заявке, включает в себя:

(а) образование ванны расплавленного железа и шлака в резервуаре;

(b) вдувание в ванну:

(i) металлосодержащего исходного материала, как правило, оксидов железа; и

(ii) твердого углеродсодержащего материала, как правило, угля, который служит в качестве восстановителя оксидов железа и источника энергии; и

(с) плавление металлосодержащего исходного материала до металла в слое железа.

Процесс HIsmelt также включает в себя вдувание кислородсодержащего газа в пространство над ванной и последующее сгорание (дожигание) реакционных газов, таких как СО и Н₂, выделившихся из ванны, и передачу выделившегося тепла в ванну, чтобы внести вклад в тепловую энергию, необходимую для плавки металлосодержащих исходных материалов.

Процесс HIsmelt также включает в себя образование переходной зоны в пространстве над номинальной спокойной поверхностью ванны, в которой имеется подходящая масса поднимающихся и затем опускающихся капель или брызг, или струй расплавленного материала, которые создают эффективную среду для передачи ванне тепловой энергии, выделившейся за счет дожигания реакционных газов над ванной.

Процесс HIsmelt, описанный в международной заявке, отличается образованием переходной зоны за счет вдувания газа-носителя, металлосодержащего исходного материала и твердого углеродсодержащего материала в ванну через часть боковой стороны резервуара, которая находится в контакте с ванной и/или сверху ванны, так что газ-носитель и твердый материал проникают в ванну и вызывают подъем расплавленного материала в пространство над поверхностью ванны.

Процесс HIsmelt, описанный в международной заявке, представляет собой усовершенствование по сравнению с более ранними вариантами процесса HIsmelt, в которых переходная зона образуется за счет вдувания газа и/или углеродсодержащего материала снизу в ванну, что вызывает подъем (выталкивание) капель и брызг, и струй расплавленного материала из ванны.

Заявитель провел широкие исследования и разработки в области способов прямой плавки, включая исследования и разработки, относящиеся к требованиям к промышленно осуществляемым способам, и сделал ряд существенных открытий, относящихся к таким способам.

Говоря в целом, настоящее изобретение представляет собой способ прямой плавки для получения железа и/или ферросплавов, который осуществляется в промышленных масштабах в металлургическом резервуаре, который имеет под, боковые стенки и свод, и минимальную ширину внутреннего пространства пода по меньшей мере 4 метра, более предпочтительно, по меньшей мере 6 метров.

Более точно способ включает в себя следующие операции:

(а) вдувание исходных материалов, представляющих собой твердый материал и газ-носитель, в расплавленную ванну из металла и расплавленного шлака через три или более простирающиеся вниз фурмы для вдувания твердых материалов и, тем самым, генерирование потока газа, который вызывает:

(i) образование расширенной области расплавленной ванны; и

(ii) подъем брызг, капель и струй расплавленного материала вверх из расширенной зоны расплавленной ванны; и

(b) вдувание кислородсодержащего газа в область резервуара через по меньшей мере одну фурму для вдувания кислородсодержащего газа и дожигание горючих газов, выделившихся из расплавленной ванны.

Более точно настоящее изобретение отличается тем, что выбирают количество фурм для вдувания твердых материалов и вдувания кислородсодержащего газа и относительных положений этих фурм и регулируют рабочие параметры способа, включая скорости вдувания исходных материалов и кислородсодержащего газа через фурмы, в ходе вышеуказанных операций (а) и (b) так, что:

(i) расширенная зона расплавленной ванны включает в себя поднятую область вокруг области вдувания кислородсодержащего газа данного резервуара между областью вдувания кислородсодержащего газа и боковыми стенками;

(ii) брызги, капли и струи расплавленного материала поднимаются вверх из поднятой области, образуют завесу вокруг области вдувания кислородсодержащего газа между областью вдувания кислородсодержащего газа и боковыми стенками и смачивают боковые стенки; и

(iii) вокруг нижнего конца фурмы или каждой фурмы для вдувания кислородсодержащего газа образуется "свободное" пространство, при этом свободное пространство имеет концентрацию расплавленного материала, которая ниже концентрации расплавленного материала в расширенной зоне расплавленной ванны.

В результате реализации описанного выше способа происходит вдувание исходных материалов, представляющих собой твердый материал и газ-носитель, в некоторое количество областей в расплавленной ванне, которые расположены вокруг области вдувания кислородсодержащего газа данного резервуара. В основе настоящего изобретения лежит то, что восходящий поток газа из этих областей высокой концентрации введенного вдуванием (инжекцией) твердого материала и газа-носителя является достаточным для того, чтобы поднять расплавленную ванну, которая находится над этими областями, и вытолкнуть некоторое количество расплавленного материала в верхнее пространство резервуара.

Подъем расплавленного материала вверх вызывает образование описанной выше поднятой области расширенной зоны расплавленной ванны и описанной выше завесы из брызг, капель и струй расплавленного материала, поднимающихся вверх из поднятой области.

Брызги, капли и струи расплавленного материала также могут быть описаны, как "пальцеобразные элементы".

Подъем расплавленного материала также можно описать, как происходящий в виде ряда фонтанов расплавленного материала, проходящего вверх из областей высокой концентрации твердых материалов/газа-носителя, вдуваемых в расплавленную ванну.

В основе настоящего изобретения также лежит выбор мест расположения фурм для вдувания твердых материалов и кислородсодержащего газа таким образом, что поднятая область расширенной зоны расплавленной ванны и поднимающиеся (выступающие) вверх брызги, капли или струи расплавленного материала этих фонтанов образуются вокруг области вдувания кислородсодержащего газа данного резервуара.

Назначение вышеописанной поднятой области расширенной зоны расплавленной ванны и вышеописанной завесы из расплавленного материала, поднимающегося (выступающего) вверх из поднятой области вокруг области вдувания кислородсодержащего газа, состоит в том, чтобы:

(а) оптимизировать дожигание путем создания пространства между фурмой или каждой фурмой для вдувания кислородсодержащего газа и поднятой областью/завесой с целью захвата (уноса) и перемешивания газа, образующегося в ванне, и введенного вдуванием кислородсодержащего газа;

(b) создать среду для получения высоких скоростей передачи тепла, выделившегося в результате сгорания, расплавленной ванне;

(с) создать среду, то есть поднятую область/завесу, позволяющую снизить тепловые потери резервуара; и

(d) свести к минимуму реакции между каплями железа и шлака и кислородсодержащим газом, который приводит к уменьшению дожигания.

Предпочтительно, простирающиеся вниз фурмы для вдувания твердых материалов расположены таким образом, что линии, проведенные вертикально вниз от выходных концов фурм, пересекают основание пода в некотором количестве мест на окружности.

Предпочтительно, операция (а) включает в себя вдувание исходных материалов с достаточным импульсом так, что области высокой концентрации введенных вдуванием твердых материалов находятся внутри указанной окружности.

Более предпочтительно, указанная окружность имеет диаметр, который больше или равен 2/3 диаметра основания пода.

Поднятая область может быть непрерывной (сплошной) или прерывистой.

Завеса может быть непрерывной (сплошной) или прерывистой.

Предпочтительно, область вдувания кислородсодержащего газа представляет собой центральную область резервуара.

Предпочтительно, имеются по меньшей мере четыре фурмы для вдувания твердых материалов.

Расширенная зона расплавленной ванны отличается большой объемной долей газовых пор в расплавленном материале в данной зоне.

Предпочтительно, объемная доля газа составляет по меньшей мере 30% от объема расширенной зоны расплавленной ванны.

Поток газа, образованный в ходе операции (а), вызывает существенное перемещение материала внутри расплавленной ванны и сильное перемешивание расплавленной ванны.

Вдувание исходных материалов и поток газа, возникающий из-за вдувания исходных материалов и реакций исходных материалов в расплавленной ванне, вызывают существенное перемещение материала в расширенную зону расплавленной ванны и из этой зоны.

Предпочтительно, богатая металлом зона образуется в нижней области пода, и расширенная зона расплавленной ванны образуется на богатой металлом зоне.

Предпочтительно, способ включает в себя периодический или непрерывный выпуск расплавленного шлака из резервуара.

Предпочтительно, способ также включает в себя периодический или непрерывный выпуск расплавленного железа и/или ферросплавов из резервуара.

Исходные материалы, введенные вдуванием в ходе операции (а), могут включать в себя любые пригодные железосодержащие материалы, включая железные руды, другие руды, содержащие железо, такие как хромитные руды, частично восстановленные руды и железосодержащие отходы, такие как возвратные стальные отходы. Следует отметить, что, несмотря на то, что железистый материал, то есть материал, в котором железо является основным компонентом, является предпочтительным железосодержащим материалом, изобретение не ограничено использованием железистого материала.

Предпочтительно, твердый материал включает в себя железистый материал и/или твердый углеродсодержащий материал.

Предпочтительно, операция (а) включает в себя вдувание по меньшей мере 80 мас.% от общей массы твердого материала, необходимого для осуществления способа, через фурмы для вдувания твердых материалов.

Предпочтительно, операция (а) включает в себя вдувание исходных материалов в расплавленную ванну со скоростью по меньшей мере 40 м/с через фурмы для вдувания твердых материалов.

Предпочтительно, скорость находится в диапазоне от 80 до 100 м/с.

Предпочтительно, операция (а) включает в себя вдувание исходных материалов в расплавленную ванну через фурмы для вдувания твердых материалов при массовом расходе вплоть до 2,0 т/м²/с, где м² относится к площади поперечного сечения подающей трубки фурмы.

Предпочтительно, операция (а) включает в себя вдувание исходных материалов в расплавленную ванну через фурмы для вдувания твердых материалов при соотношении твердые материалы/газ в 10-18 кг/Нм³.

Предпочтительно, кислородсодержащий газ представляет собой воздух или обогащенный кислородом воздух.

Предпочтительно, способ включает в себя вдувание воздуха или обогащенного кислородом воздуха в резервуар при температуре 800-1400°С и со скоростью 200-600 м/с через фурму или фурмы для вдувания кислородсодержащего газа.

Предпочтительно, концентрация расплавленного материала в свободном пространстве вокруг нижнего конца фурмы для вдувания кислородсодержащего газа составляет 5% или менее от объема данного пространства.

Предпочтительно, свободное пространство вокруг нижнего конца фурмы представляет собой полусферический объем, который имеет диаметр, который по меньшей мере в 2 раза превышает наружный диаметр нижнего конца фурмы.

Предпочтительно, свободное пространство вокруг нижнего конца фурмы не более чем в 4 раза превышает наружный диаметр нижнего конца фурмы.

Предпочтительно, по меньшей мере 50%, более предпочтительно, по меньшей мере 60% от объема кислорода, содержащегося в воздухе или в обогащенном кислородом воздухе, подвергается сгоранию в свободном пространстве вокруг нижнего конца фурмы.

Предпочтительно, способ включает в себя вдувание воздуха или обогащенного кислородом воздуха в резервуар при вихревом движении (воздуха или обогащенного кислородом воздуха).

В контексте настоящего изобретения термин "плавка" понимается здесь как термин, обозначающий термический процесс, при котором происходят химические реакции, обеспечивающие восстановление исходных материалов для получения расплавленного железа и/или ферросплавов.

Предпочтительно, поток газа, образующийся в расплавленной ванне в ходе (а), составляет по меньшей мере 0,35 Нм³/с/м² (где м² относится к площади горизонтального поперечного сечения пода при его минимальной ширине).

Предпочтительно, поток газа, образующийся в расплавленной ванне в ходе операции (а), составляет по меньшей мере 0,5 Нм ³/с/м².

Предпочтительно, расход газа, образующийся в расплавленной ванне в ходе (а), составляет менее 2 Нм³/с/м².

Предпочтительно, поток газа, образующийся в расплавленной ванне, может быть частично образован в результате вдувания газа в расплавленную ванну снизу и/или со стороны боковых стенок.

Расплавленный материал может образовывать "мокрый" слой или "сухой" слой на боковых стенках. "Мокрый" слой содержит застывший слой, который прилипает к боковым стенкам, полутвердый (кашеобразный, мягкий) слой и наружную жидкую пленку. "Сухой" слой представляет собой слой, в котором по существу весь шлак является затвердевшим.

Образование шлака в резервуаре можно регулировать путем изменения скоростей подачи металлосодержащего исходного материала, углеродсодержащего материала и флюсов в резервуар, а также рабочих параметров, таких как скорости вдувания кислородсодержащего газа.

В тех случаях, когда способ применяется для получения железа, предпочтительно, способ включает в себя регулирование уровня (содержания) растворенного углерода в расплавленном железе так, чтобы он составлял по меньшей мере 3 мас.%, а также поддержание шлака в сильно восстановительных условиях, что приводит к уровням (содержания) оксида железа, составляющим менее 6 мас.%, более предпочтительно - менее 5 мас.% (которые измеряются как количество железа в оксидах, железа в шлаке, выпущенном из резервуара).

Вдувание железистого материала и углеродсодержащего материала может осуществляться через одни и те же или отдельные (разные) фурмы.

Предпочтительно, степень дожигания составляет по меньшей мере 40%, при этом дожигание определяется как:

где [СО₂] - объемный процент содержания СО ₂ в отходящем газе;

[Н₂О] - объемный процент содержания Н₂О в отходящем газе;

[СО] - объемный процент содержания СО в отходящем газе;

[Н₂] - объемный процент содержания Н₂ в отходящем газе.

В целом в соответствии с настоящим изобретением также разработано устройство для получения железа и/или ферросплавов с помощью способа прямой плавки, причем данное устройство содержит неподвижный ненаклоняемый резервуар, который имеет под, боковые стенки и свод, а также минимальную ширину по меньшей мере 4 метра, предпочтительно, по меньшей мере 6 метров, во внутреннем пространстве пода для содержания в нем расплавленной ванны из железа и шлака, которая включает в себя богатую металлом зону и расширенную зону расплавленной ванны над богатой металлом зоной.

Более точно:

(а) под образован из огнеупорного материала и имеет основание и боковые стороны;

(b) боковые стенки простираются вверх от боковых сторон пода, и боковые стенки содержат водоохлаждаемые панели;

(с) по меньшей мере одна фурма простирается вниз в резервуар для вдувания кислородсодержащего газа в область резервуара над расплавленной ванной;

(d) по меньшей мере три фурмы для вдувания твердых материалов, предназначенные для вдувания исходных материалов, представляющих собой железистый материал и/или углеродсодержащий материал и газ-носитель, в расплавленную ванну, предпочтительно, в богатую металлом зону расплавленной ванны; и

(е) предусмотрено средство для выпуска расплавленного металла и шлака из резервуара.

Предпочтительно, фурмы для вдувания твердых материалов выполнены удлиненными и проходят (простираются) через водоохлаждаемые панели в боковых стенках резервуара вниз и внутрь в область пода резервуара.

Предпочтительно, под образует (определяет, ограничивает) цилиндрическую область внутри резервуара, и проходящие вниз фурмы для вдувания твердых материалов расположены таким образом, что линии, проведенные вертикально вниз от выходных концов фурм, пересекают основание пода в некотором количестве мест на окружности внутри пода.

Более предпочтительно, данная окружность имеет диаметр, который больше или равен 2/3 диаметра основания пода.

Предпочтительно, область вдувания кислородсодержащего газа представляет собой центральную область резервуара.

Более предпочтительно, боковые стенки включают в себя:

(а) верхнюю бочкообразную часть, которая образует (определяет, ограничивает) цилиндрическую область внутри резервуара, имеющую больший диаметр по сравнению с диаметром области, образованной подом; и

(b) нижнюю бочкообразную часть, которая включает в себя внутреннюю футеровку из огнеупорного материала и образует (определяет, ограничивает) область в форме усеченного конуса внутри резервуара.

Область в форме усеченного конуса образует (обеспечивает) переход между подом и верхними бочкообразными областями.

Предпочтительно, фурмы для вдувания твердых материалов проходят (простираются) по меньшей мере на один метр, более предпочтительно - по меньшей мере на 1,5 метра в резервуар и являются самоподдерживающими вдоль этой длины.

Количество фурм для вдувания твердых материалов может изменяться в соответствии с заданными требованиями в зависимости от размеров пода. Например, в том случае, когда под является в общем цилиндрическим с диаметром 4 метра, предпочтительно, имеется минимум четыре фурмы для вдувания твердых материалов. В том случае, когда диаметр пода составляет 6 метров, предпочтительно, имеется минимум шесть фурм для вдувания твердых материалов. В том случае, когда диаметр пода составляет 8 метров, предпочтительно, имеется минимум восемь фурм для вдувания твердых материалов. Количество фурм для вдувания твердых материалов также может быть изменено в практически допустимых пределах путем изменения их размера с тем, чтобы повысить индивидуальную пропускную способность по материалу.

Предпочтительно, фурмы для вдувания твердых материалов расположены равномерно (на равных расстояниях друг от друга) по окружности резервуара.

Настоящее изобретение описано далее с помощью примера со ссылкой на сопровождающий чертеж, который представляет собой вертикальное сечение, схематично иллюстрирующее предпочтительный вариант осуществления способа и устройства по настоящему изобретению.

Нижеследующее описание представлено применительно к плавке железной руды с целью получения расплавленного железа, и следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено данным применением и применимо к плавке любых пригодных исходных материалов.

Устройство для прямой плавки, показанное на фигуре, содержит металлургический резервуар, обозначенный в целом ссылочным номером 11. Резервуар 11 имеет под, который включает в себя основание 12 и боковые стороны 13, образованные из огнеупорных кирпичей; боковые стенки 14, которые образуют в общем цилиндрическую бочку, проходящую вверх от боковых сторон 13 пода, которая включает в себя верхнюю бочкообразную часть 51, образованную из водоохлаждаемых панелей, и нижнюю бочкообразную часть 53, образованную из водоохлаждаемых панелей, имеющих внутреннюю футеровку из огнеупорных кирпичей; свод 17; выходной канал 18 для отходящих газов; копильник (передний горн) 19, предназначенный для непрерывного выпуска расплавленного железа; и выпускное отверстие 21, предназначенное для выпуска расплавленного шлака.

Под и верхняя бочкообразная часть 51 образуют (ограничивают) цилиндрические области внутри резервуара. Нижняя бочкообразная часть 53 образует (ограничивает) область в форме усеченного конуса внутри резервуара, которая обеспечивает переход между подом, имеющим меньший диаметр, и верхней бочкообразной частью 51, имеющей больший диаметр. В установке промышленного масштаба, то есть в установке с производительностью по меньшей мере 500000 тонн расплавленного металла в год, диаметр пода составляет по меньшей мере 4 метра, более предпочтительно - по меньшей мере 6 метров.

Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено данной геометрией резервуара и охватывает резервуары с любой другой пригодной формой и размерами, предназначенные для получения расплавленного металла в промышленных масштабах.

При использовании резервуар содержит расплавленную ванну из железа и шлака.

Резервуар снабжен проходящей (простирающейся) вниз фурмой 26 для вдувания горячего воздуха, предназначенной для подачи струи горячего воздуха в центральную верхнюю область 91 резервуара и дожигания реакционных газов, выделившихся из расплавленной ванны. Фурма 26 имеет наружный диаметр D на своем нижнем конце. Фурма 26 расположена таким образом, что:

(i) центральная ось фурмы 26 расположена под углом от 20 до 90° относительно горизонтальной оси (фурма 26, показанная на фиг.1, расположена под углом 90°);

(ii) фурма 26 проходит (простирается) в резервуар на расстояние, которое составляет по меньшей мере один наружный диаметр D нижнего конца фурмы; и

(iii) нижний конец фурмы 26 находится над спокойной поверхностью (непоказана) расплавленной ванны на расстоянии, по меньшей мере в 3 раза превышающем наружный диаметр D нижнего конца фурмы.

Термин "спокойная поверхность" следует понимать как обозначающий поверхность расплавленной ванны в том случае, когда не происходит вдувания газа и твердых материалов в резервуар.

Следует отметить, что в зависимости от ряда взаимосвязанных факторов, включая размер и геометрию резервуара, может быть предусмотрено более одной фурмы 26.

Резервуар также снабжен шестью фурмами 27 для вдувания твердых материалов (только две из которых показаны на фигуре), проходящими (простирающимися) вниз и внутрь через боковые стенки 14 в расплавленную ванну под углом 20-70° к горизонтали и предназначенными для вдувания исходных материалов, представляющих собой железную руду, твердый углеродсодержащий материал и флюсы и вносимых обедненным кислородом газом-носителем в расплавленную ванну.

Фурмы 27 расположены таким образом, что выходные концы 39 фурм 27 расположены на одинаковых расстояниях друг от друга вокруг центральной оси резервуара. Кроме того, фурмы 27 расположены таким образом, что линии, проведенные вертикально вниз от выходных концов 39, пересекают основание 12 пода в местах 71 на окружности, которая имеет диаметр порядка 2/3 диаметра пода.

Следует отметить, что положение фурм 27 выбирают с учетом положения кислородной фурмы 26 и с целью образования завесы 72 из расплавленного материала по меньшей мере и по существу вокруг фурмы 26 и между боковыми стенками 14 резервуара и фурмой 26, а также то, что другое расположение фурм 27 может быть более целесообразным для достижения данной цели при другой конфигурации резервуара/фурмы 26. В частности, следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено конструкциями, в которых фурма 26 расположена в центре.

При использовании железную руду, твердый углеродсодержащий материал (как правило, уголь) и флюсы (как правило, известь и оксид магния), захваченные газом-носителем (как правило, N ₂), вдувают в расплавленную ванну через фурмы 27 со скоростью по меньшей мере 40 м/с, предпочтительно, 80-100 м/с. Импульс (кинетическая энергия) твердого материала/газа-носителя обеспечивает перемещение твердого материала и газа в сторону основания 12 пода в области (окруженные замкнутой кривой области, обозначенные ссылочным номером 24), которые распределены вокруг центральной оси резервуара. Далее в описании эти области обозначены как области 24 высокой концентрации вдуваемых твердых материалов/газа. Уголь испаряется или теряет летучие компоненты и тем самым образует газ. Углерод частично растворяется в металле и частично остается в виде твердого углерода. Железная руда плавится до металла, и в результате реакции в процессе плавления образуется газообразный монооксид углерода. Газы, поданные в расплавленную ванну, а также образовавшиеся за счет испарения и плавления, вызывают существенное всплывание (подъем вверх) расплавленного материала (включая металл и шлак) и твердого углерода из расплавленной ванны.

Всплывание (подъем) расплавленного материала и твердого углерода вызывает сильное волнение или возмущение расплавленной ванны, в частности, непосредственно над областями 24 высокой концентрации вдуваемых твердых материалов/газа и снаружи этих областей на некотором расстоянии от них, в результате чего образуется расширенная зона 28 расплавленной ванны, которая имеет поверхность, обозначенную стрелкой 30. Более точно поверхность расширенной зоны 28 расплавленной ванны образует кольцевую поднятую область 70 между центральной областью 91 и боковыми стенками 14 резервуара. Степень волнения или возмущения такова, что имеет место значительное перемещение расплавленного материала внутри расширенной зоны 28 расплавленной ванны и сильное перемешивание расплавленного материала внутри этой зоны до такой степени, что температура везде в этой зоне является практически однородной, как правило, в интервале от 1450 до 1550°С с колебанием температуры порядка 30°.

Несмотря на сильное перемешивание расплавленного материала в расширенной зоне 28 расплавленной ванны, расплавленное железо постепенно осаждается в направлении к нижней части пода, образует богатую металлом зону 23 и непрерывно удаляется через копильник 19.

Поверхность раздела между расширенной зоной 28 расплавленной ванны и богатой металлом зоной 23 определяется в значительной степени областями 24 высокой концентрации вдуваемых твердых материалов/газа. Значительное перемещение расплавленного материала вверх из этих областей компенсируется непрерывной подачей дополнительных исходных материалов через фурмы 27 и перемещением вниз уже расплавившегося материала.

Кроме того, поток газа, проходящий вверх из областей 24 высокой концентрации вдуваемых твердых материалов/газа, приводит к подъему или выталкиванию некоторого количества расплавленного материала (преимущественно шлака) в виде брызг, капель и струй за пределы поднятой области 70 расширенной зоны 28 расплавленной ванны и образованию описанной выше завесы 72. Расплавленный материал в завесе 72 контактирует с верхней бочкообразной частью 51 боковых стенок 14, которая находится над расширенной зоной 28 расплавленной ванны, и со сводом 17.

В целом, расширенная зона 28 расплавленной ванны представляет собой непрерывный жидкий объем с имеющимися в нем пустотами (пузырьками) газа.

Вышеописанное перемещение расплавленного материала можно представить себе в виде ряда фонтанов, возникающих в областях высокой концентрации вдуваемых твердых материалов/газа, которые приводят к образованию поднятой области 70 расширенной зоны 28 расплавленной ванны и завесы 72 из расплавленного материала.

В дополнение к указанному выше при использовании горячий воздух с температурой 800-1400°С и скоростью 200-600 м/с вдувают в центральную область 91 резервуара через фурму 26, и этот воздух вызывает смещение (отклонение) поднимающегося или вытолкнутого вверх расплавленного материала в этой области и образование пространства 29, по существу свободного от металла/шлака, вокруг конца фурмы 26. Эта направленная вниз струя горячего воздуха вносит свой вклад в придание поднимающемуся расплавленному материалу формы описанной выше завесы 72.

Положение фурм 27 выбирают таким образом, что их выходные концы 39 находятся над поверхностью богатой металлом зоны 23 во время осуществления указанного способа. Такое положение фурм 27 уменьшает риск повреждений, вызванных контактом с расплавленным металлом, и, кроме того, создает возможность охлаждения фурм посредством принудительного внутреннего водяного охлаждения без существенного риска входа воды в контакт с расплавленным металлом в резервуаре. Более точно положение фурм 27 выбирают таким, чтобы выходные концы 39 находились над поверхностью богатой металлом области 23 в состоянии покоя на расстоянии в интервале от 150 до 1500 мм. В этой связи следует отметить, что, несмотря на то, что на фигуре фурмы 27 показаны простирающимися в резервуар, выходные концы фурм 27 могут быть расположены заподлицо с боковой стенкой 14.

Струя горячего воздуха, проходящая через фурму 26, вызывает последующее сгорание, т.е. дожигает реакционные газы СО и Н₂ в свободном пространстве 29 вокруг конца фурмы 26 и в окружающем расплавленном материале, и приводит к генерированию высоких температур порядка 2000°С и выше. Тепло передается расплавленному материалу в области вдувания газа, и затем тепло частично передается посредством расплавленного материала к богатой металлом зоне 23.

Свободное пространство 29 имеет важное значение для достижения высокой степени дожигания, поскольку оно обеспечивает возможность захвата или уноса газов, находящихся в пространстве над расширенной зоной 28 расплавленной ванны, в область конца фурмы 26 и, тем самым, повышает степень воздействия на имеющиеся реакционные газы процесса дожигания.

Завеса 72 также имеет важное значение для обеспечения частично барьера для распространения энергии излучения от струи пламени, образующейся в результате дожигания, в направлении боковых стенок 14.

Кроме того, поднимающиеся и опускающиеся капли, брызги и струи расплавленного материала в пределах завесы 72 представляют собой эффективное средство передачи тепла, выделившегося в процессе дожигания, к расплавленной ванне.

Следует понимать, что данное изобретение никоим образом не ограничено деталями проиллюстрированной конструкции и что множество возможных модификаций и вариантов находятся в рамках идеи и объема настоящего изобретения.