способ прямого восстановления железа

Формула изобретения

1. Способ прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья, включающий введение шихты в реакционный объем плазменной печи, возбуждение плазменного разряда, плавление шихты и восстановление железа, отведение отходящего газа, отличающийся тем, что шихту предварительно разделяют на две фракции - с крупным размером частиц и мелкодисперсную фракцию, которую вводят в реакционный объем печи вместе с потоком восстановительного газа, а фракцию с крупным размером частиц вводят навстречу потоку отходящего газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мелкодисперсную фракцию вводят по центру плазменной печи, а фракцию с крупным размером частиц вводят по ее периферии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что фракцию с крупным размером частиц вводят по центру плазменной печи, а мелкодисперсную фракцию вводят по ее периферии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к способам и устройствам для прямого восстановления металлов группы железа из дисперсного (неоднородного по размерам частиц) оксидного сырья газообразными и дисперсными восстановителями.

Известен способ прямого восстановления металлов в плазменно-дуговой печи с ванной расплава (Цветков Ю.В., Панфилов С.А. «Низкотемпературная плазма в процессах восстановления». М.: Наука, 1980, с.232). Печь имеет керамический тигель и плазмотрон, вводимый в рабочее пространство печи через ее свод. Плазменная дуга горит непосредственно на расплав, находящийся в керамическом тигле. Ввод шихты осуществляют сверху на зеркало ванны. В случае восстановления металлов в печь подают плазмообразующий газ, являющийся необходимым химическим реагентом, при этом восстановительный процесс сопровождается большим количеством как подаваемого в печь, так и отходящего газа, отводимого через отверстие в своде. Недостаток известного способа заключается в уносе с отходящими газами значительной части подаваемой шихты.

Для устранения этого недостатка используют компактирование и окомкование оксидной мелочи (Кинетика восстановления и морфологическая оценка самовосстанавливающихся брикетов на основе гематитовых и магнетитовых руд. Ж.Х.Нолдин и др. Сталь № 10, 2005 г.), восстановление в циклонных реакторах (Утилизация пыли от производства стали в дуговых сталеплавильных печах. Л.Н.Кузнецов, Л.А.Волохонский. Электрометаллургия 2004 г., № 9), ввод дисперсных реагентов в расплав посредством газовой струи (пат. РФ № 2226219).

В известных способах не решена проблема восстановления шихты, состоящей из нескольких фракций по размеру частиц. А именно либо полностью восстанавливается фракция из крупных частиц, но велик унос мелкодисперсной фракции, либо восстанавливается вся поступающая мелкодисперсная фракция, но крупные частицы не успевают расплавиться и восстановиться. При этом компактирование и окомкование дисперсных материалов является сложным и энергоемким технологическим процессом. Использование различных конструкций циклонных аппаратов значительно усложняет технологическую схему и также приводит к значительным затратам энергии, так как эти аппараты основаны на газотермическом укрупнении дисперсной массы (оплавление, коагуляция, слипание частиц).

В известном способе прямого восстановления (пат. РФ № 2072639 от 1992 г.) выносимую отходящим газом плазменно-дуговой установки мелкодисперсную часть шихты собирают с помощью отдельно установленной пылеоосадительной камеры, в выходном патрубке которой встроен фильтр тонкой очистки, снабженный фильтрующими элементами из композиционных жаростойких материалов, при этом шихта подается через отверстие в крышке. Использование фильтров из композиционных материалов усложняет и удорожает процесс.

Известен способ прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья, включающий введение шихты в реакционный объем плазменной печи, возбуждение разряда, плавление и восстановление шихты, отведение отходящего газа, (Плазменно-дуговые восстановительные печи в структуре энергометаллургического комплекса. А.В.Николаев, А.А.Николаев. Труды пятого конгресса сталеплавильщиков. 1999 г.). Плазменный разряд горит между поверхностью ванны и полым графитовым электродом, вводимым через свод печи. Ввод шихты в печь осуществляется непосредственно в дуговой разряд печи через внутреннюю полость электрода. При этом шихта подается на поверхность ванны в область электрической привязки дуги.

В этом устройстве шихта, выходящая из канала электрода над поверхностью ванны, попадает в зону высокоскоростных плазменных потоков, значительная часть введенной шихты не достигает поверхности ванны и уносится из печи с отходящими газами.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является способ прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья, включающий введение шихты в реакционный объем плазменной печи, возбуждение плазменного разряда, плавление шихты и восстановление железа, отведение отходящего газа (RU 2040548). В известном способе после появления расплава в плавильной камере в него периодически вводят пылевидный материал до полного окончания плавки. Отходящие газы, фильтруясь через слой шихты, предварительно нагревают и обрабатывают шихту. Содержащаяся в шихте мелкодисперсная часть уносится отходящими газами.

Известный способ имеет следующие недостатки:

- процесс восстановления сырья до железа проводится в расплаве шихты, что неэффективно и требует больших энергетических затрат;

- процесс является циклическим;

- отходящие газы содержат пылевидные частицы, которые забивают входные отверстия в бункере с шихтой.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в устранении недостатков прототипа, обеспечении непрерывности процесса, повышении эффективности процесса восстановления и более полном использовании подаваемого дисперсного сырья.

Основной технический результат использования предлагаемого изобретения заключается в значительном сокращении уноса из печи мелкодисперсной части шихты с отходящими газами и проведении процесса восстановления в газовой фазе.

Указанный результат достигается тем, что предварительно шихту разделяют на две фракции, различающиеся размером частиц, мелкодисперсную фракцию вводят в реакционный объем вместе с потоком восстановительного газа, а фракцию с крупным размером частиц вводят навстречу потоку отходящего газа.

При этом в одном варианте мелкодисперсную фракцию вводят по центру печи, а фракцию с крупным размером частиц вводят по ее периферии, в другом варианте - наоборот.

Используемые термины и определения

Плазменный разряд - разряд, возбуждаемый в газе одним из известных способов, например с помощью плазмотрона.

Плазменная печь - устройство, содержащее средства для формирования плазменного разряда и тигель с перерабатываемым материалом, нагрев, плавление и химико-термическую обработку которого осуществляют при помощи плазменного разряда.

Оксидное сырье - руды, концентраты и техногенные вещества на основе оксидов металлов.

Шихта - смесь, состоящая из оксидного сырья, легирующих и рафинирующих добавок и, в ряде случаев, твердого восстановителя.

Мелкодисперсная фракция шихты - шихта с размерами частиц, не превышающими (300-400) мкм.

Фракция с крупным размером частиц - шихта с частицами, превышающими 400 мкм.

Способ реализуют следующим образом. Сначала разделяют шихту на две фракции - мелкодисперсную и с крупным размером частиц, обычными приемами в реакционном объеме плазменной печи возбуждают плазменный разряд, в который вместе с потоком восстановительного газа подают мелкодисперсную фракцию шихты. Газ, отходящий после взаимодействия с мелкодисперсной фракцией, приобретает в плазменном разряде высокую температуру и сохраняет в значительной степени восстановительные свойства. Навстречу потоку этого газа, несущего восстановленные до металла частицы мелкодисперсной шихты, подают фракцию с крупными частицами, которые нагреваются этим газом и частично восстанавливаются. Продолжая движение навстречу потоку отходящего газа, крупные частицы шихты попадают в реакционный объем печи, где происходит их окончательное восстановление.

Так как крупные частицы шихты могут быть восстановлены только в жидкой фазе, предварительный нагрев и частичное их восстановление гарантирует расплавление и полное восстановление этой части шихты в реакционном объеме.

Возможны по крайней мере два варианта конкретного осуществления способа. В одном варианте мелкодисперсную фракцию и восстановительный газ подают по центральной оси печи, например по осевой полости центрального электрода, направляют отходящий газ в верхнюю часть реакционной камеры печи по ее периферии, и фракцию с крупным размером частицами вводят через сопла в боковой стенке или в крышке разрядной камеры навстречу потоку отходящего газа.

В другом варианте мелкодисперсную фракцию с восстановительным газом вводят на периферии реакционной камеры, а отходящие газы направляют вверх вдоль оси печи, например, по осевой полости центрального электрода, и навстречу ему вводят фракцию с крупным размером частицами.

В любом случае поток фракции крупных частиц, направленный навстречу потоку отходящих газов, увлекает с собой мелкодисперсную фракцию шихты в обратное движение к реакционному объему печи и сборнику металла и препятствует ее уносу. Шихта и восстановительный газ подаются непрерывно, готовый металл может отводиться также непрерывно.

Пример осуществления способа

Мелкодисперсная фракция с размерами частиц шихты от 400 мкм и менее.

Крупная фракция с размерами частиц от 400 мкм до 5 мм.

Напряжение дуги - 90-100 В.

Ток дуги - 600 А.

Расход газа 45 л/мин при расходе сырья 60 г/мин.

Скорость потока газа - (1-3) м/с.

Длительность плавки - 42 мин.

Выход металла - 1170 г.

Расчет скорости потока газа, необходимой для выноса падающих вниз частиц сырья, может быть выполнен на основании законов аэродинамики (Г.Эберт. Краткий справочник по физике. Физматгиз, М., 1963, с.с.168 - 170). Как известно, на тело, обдуваемое потоком газа, действует сила f, величина которой при небольших скоростях потока и малых числах Рейнольдса равна

f=6 ,

где - вязкость газа,

- скорость потока газа,

- радиус частицы (форму частиц принимаем сфероидной),

=3,14.

Из условия превышения силы тяжести над силой восходящего потока газа, действующих на частицу, для частиц оксида железа после преобразований получаем соотношение для размера частиц шихты , при котором они не могут быть унесены потоком газа с заданной скоростью

2 >10^{-3 1/2}

Здесь выражено в [см/с], - в [см].

Из приведенного соотношения следует, что для уноса отходящими газами частиц с размером 2 =400 мкм (минимальном для частиц крупного размера) необходима скорость встречного потока газа не менее 16 м/с, что существенно выше скорости потока в экспериментальной плавке.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет:

- значительно снизить потери шихты вследствие уноса с отходящими газами;

- снизить энергоемкость процесса за счет восстановления шихты в газовой фазе с одновременным использованием тепловой и химической энергии отходящего газа для частичного предварительного восстановления фракции шихты с крупными частицами;

- вести процесс в непрерывном режиме.

Изобретение может быть использовано на предприятиях металлургии и машиностроения для прямого получения металла из дисперсного оксидного сырья с использованием газообразных и дисперсных восстановителей.

Возможность реализации всех эффектов, сопровождающих предложенный в настоящем изобретении способ ввода шихты в плазменную печь, установлена нами впервые и нигде не опубликована.