Способ переработки железорудного сырья (варианты)

 

Сущность: способ для переработки реакторного сырья в карбид железа включает предварительный подогрев реакторного сырья в печи в кислородной атмосфере. Карбид железа, полученный этим способом, используется, в частности, при непосредственном производстве стали из карбида железа. Предварительный подогрев осуществляют, во-первых, для окисления части названного сырья, во-вторых, для обессеривания исходного сырья в том случае, когда оно содержит сернистые соединения, и в-третьих, для частичного обезвоживания сырья. В способе указываются конкретные режимы для осуществления каждого из этих процессов. 5 с. и 19 з. п.ф-лы, 8 ил., 4 табл.

Изобретение относится к переработке реакторных сырьевых материалов таких, как железная руда, железорудные концентраты и подобных материалов в бескислородные соединения железа. Точнее, это изобретение относится к улучшенным способам по превращению железного кислородосодержащего сырья в карбид железа, что в частности используется в прямом процессе производства стали из карбида железа.

Обычная железная руда перерабатывается в сталь с помощью основных способов, которые известны много лет. Эти процессы обычно включают в себя переработку железной руды в чугунные болванки в доменной печи с использованием кокса, приготовленного в коксовой печи, с последующей переработкой чугунных болванок или горячего металла в сталь в открытом горне или кислородном конвертере. Большие затраты энергии и капитальные вложения, связанные с производством стали традиционным методом, создают потребность в новых менее дорогостоящих способах плавления стали. Очень много попыток направлено на исключение доменных печей и печей для коксования при производстве стали. Доменные печи потребляют большое количество энергии, стоимость и возможность предоставления которой становится все более и более неопределенной. К тому же печи для коксования угля являются сильным источником загрязняющих веществ и модернизация существующих печей для коксования регулируется Правительством и становится чрезмерно дорогой. Поэтому предпринята попытка по переработке железной руды сразу в карбид железа для последующего производства стали, минуя переработку в доменной печи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ переработки железорудного сырья, в котором оксиды железа в железной руде перерабатывают в карбид железа с последующим производством стали прямо из карбида железа в кислородном конвертере или в электрической печи, в качестве которой используют электродуговую или индукционную печь. При прямом способе производства снижают содержание оксидов железа в железной руде и проводят карбидизацию в одной операции, используя смесь водорода в качестве вещества, понижающего содержание кислорода, и углеродосодержащих веществ в качестве карбидизирующего вещества. Процесс обычно проводят в реакторе кипящего слоя. Дальнейшее производство стали осуществляют введением карбида железа, минуя обработку в доменной печи [1] Недостатком данного способа является то, что на стадии переработки оксидов железа в карбид железа даже незначительные изменения в параметрах процесса могут вызвать нежелательные результаты; так небольшие изменения в соответствующих параметрах температуры, давления и состава газа могут вызвать образование чистого железа Fe или различных оксидов железа таких, как Fe₂O₃, Fe₃O₄ и FeO, а не карбида железа.

Пригодность предварительного разогрева железных руд перед загрузкой в кипящий реакторный слой известна в современном уровне техники.

Однако, нигде не описан способ предварительного разогрева железоокисной руды, который был бы пригоден для процесса производства карбида железа.

Технической задачей изобретения является разработка условия для формирования карбида железа, пригодного для дальнейшего передела с образованием металлического чугуна.

Для решения поставленной технической задачи в способе переработки железорудного сырья, включающем его превращение в карбид железа, по крайней мере, часть железорудного сырья перед превращением в карбид железа подвергают окислению путем нагрева в атмосфере, содержащей кислород.

При этом окисление железорудного сырья осуществляют при температуре нагрева 500-900^oC в течение от 2 до 5 часов. В результате окисленный продукт содержит, по крайней мере, 30% гематита. По крайней мере, 90% вес. железа в предварительно нагретом реакторном сырье превращают в карбид железа. Процесс осуществляют в реакторе кипящего слоя кислородсодержащими и науглероживающими газами, при этом газ, подаваемый в реактор кипящего слоя, состоит из водорода, монооксида углерода, диоксида углерода, метана и воды. Дополнительно осуществляют удаление в поверхности карбида железа водорода путем его обработки газом, например, азотом, диоксидом углерода или инертными газами.

Удаление с поверхности карбида железа водорода можно осуществлять путем выдержки его в вакууме.

Согласно второму варианту способа переработки железорудного сырья, перед превращением железорудного сырья в карбид железа его подвергают, по крайней мере, частичному обессериванию путем нагрева.

Обессеривание железорудного сырья осуществляют при температуре 500-900^oC, например, до содержания серы менее 0,2% Согласно еще одному варианту изобретения в способе переработки железорудного сырья, включающем его превращение в карбид железа перед превращением железорудного сырья в карбид железа осуществляют его частичное обезвоживание и окисление путем нагрева, которое осуществляют при температуре 500-800^oC.

Частичное обезвоживание железорудного сырья осуществляют до содержания в нем воды менее 3% Согласно четвертому варианту изобретения в способе переработки железорудного сырья, включающем его превращение в карбид железа перед превращением железорудного сырья в карбид железа осуществляют перевод части магнетита в гематит путем нагрева в атмосфере, содержащей кислород, до температуры, равной, по крайней мере, 500^oC, при этом в карбид железа превращают, по крайней мере, 90% железа, содержащегося в железорудном сырье.

Согласно пятому варианту изобретения в способе переработки железорудного сырья, включающем его превращение в карбид железа с последующей переработкой полученного карбида железа в сталь, перед превращением железорудного сырья в железо его предварительно нагревают до температуры, равной, по крайней мере, 500^oC в атмосфере, содержащей кислород. Часть углерода в карбиде железа окисляют до монооксида углерода с выделением тепла, которое используют в дальнейшем в процессе переработки карбида железа в сталь. Получение карбида железа осуществляют в реакторе кипящего слоя, при этом температуру выгружаемого из реактора карбида железа поддерживают в пределах 480-710^oC. Получение карбида железа осуществляют газами, содержащими монооксид углерода, диоксид углерода, водород, воду и метан. С поверхности карбида железа удаляют водород путем его обработки газами. В качестве газа, подаваемого для удаления водорода с поверхности карбида железа, используют или азот, или диоксид углерода, или инертные газы. Водород с поверхности карбида железа также предлагается удалять путем его выдержки в вакууме.

Способ согласно настоящему изобретению может понизить в реакторном сырье уровни содержания вредных соединений серы. Может быть понижено количество воды в реакторном сырье. Установлено, что переработка магнетита в гематит на стадии подогрева может принести дополнительный эффект в процессе переработки в карбид железа.

Изобретение поясняется более подробно на примерах исполнения с помощью чертежей, на которых представлены: фиг. 1 диаграмма состояния для системы Fe-O-H-C при 520^oC; фиг. 2 - схема одного из вариантов настоящего изобретения по переработке реакторного сырья, содержащего железоокисную руду, в карбид железа; фиг. 3 вид сверху варианта реактора кипящего слоя; фиг. 4 вариант реактора кипящего слоя в сечении 4-4 на фиг. 3; фиг. 5 5 -сечение варианта исполнения плиты с канальными отверстиями; фиг. 6 расширенный вид варианта регулируемого газового сопла; фиг. 7 графическое представление изменений состава в течение переработки бескислородной руды, содержащей серные соединения; фиг. 8 - графическое представление изменений состава в течение переработки частично накислороженной руды, содержащей серные соединения.

Способ по переработке железоокисной руды в карбид железа с последующим использованием карбида железа в прямом процессе получения стали раскрыт в патенте США N Re 32247.

Этот способ заключается в переработке мелкой железоокисной руды и концентратов в карбид железа с применением установок кипящего слоя, работающих при относительно низких температурах и использующих смешанные водород, монооксид углерода и другие углеводородные газы, например, метан и/или пропан в качестве кислородопонижающих и углеродных компонентов.

Карбид железа негорючий, его можно легко транспортировать, он содержит высокий процент железа. Необходимые кислородсодержащие газы могут быть получены переработкой традиционными методами по производству газов из природного газа, жидкого топлива или твердого топлива; ни один из этих методов не использует высококачественное топливо.

Карбид железа можно сразу применять в обычном или модифицированном кислородном конвертере, куда он может быть загружен или распылен, например, пневматической загрузочной системой. Несмотря на то, что карбид железа отдает тепло под действием кислорода и необходимо снижать количество тепловой энергии для производства стали, очень важно использовать горячий карбид железа прямо из реактора кипящего слоя в качестве сырья для сталеплавильной печи.

Пригодным сырьем для реактора кипящего слоя, для получения железа Fe, карбида железа Fe₃C или подобных веществ является обычно смесь оксидов железа, таких, как магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂O₃ и другие материалы, состоящие из нескольких веществ. Реакторное сырье может также включать некоторое количество пустой породы и воды. Выбор реакторного сырья можно осуществить из любого железосодержащего материала, пригодного для практики настоящего изобретения, например, железная руда и железорудные концентраты.

В соответствии с настоящим изобретением улучшена переработка реакторного сырья в карбид железа с помощью подогрева сырья перед обработкой. Предпочтительно, чтобы подогрев осуществлялся в печи для отжига в атмосфере с кислородом.

Предпочтительно, чтобы реакторное сырье прогревалось до температуры от 300^oC до 1000^oC, более желательно от 500^oC до 900^oC, и наиболее предпочтительно от 600^oC до 800^oC. Целесообразно, чтобы реакторное сырье подогревалось в течение периода времени, необходимого для окисления, по крайней мере, части сырья для увеличения эффективности переработки в карбид железа. Например, желательно, чтобы, по крайней мере, часть магнетита, присутствующего в реакторном сырье, перевести в гематит. Выгодно подогреть реакторное сырье так, чтобы процент гематита был больше, чем 30 вес. даже больше, чем 50 вес. и наиболее предпочтительно больше чем 80 вес. от всего сырья. Преимущества подогрева реакторного сырья этим способом будут детально раскрыты ниже.

Печь, используемая для подогрева, может быть любой печью для отжига, которая в состоянии поддерживать желаемые температуры и обеспечить доступ кислородсодержащему газу к реакторному сырью. Здесь использовалась печь для отжига, представляющая собой печь или установку для нагрева, например, карусельная печь или печь кипящего слоя.

Газовые компоненты, предпочтительно используемые в атмосфере печи в течение стадии подогрева, включают любые газы, способные окислить реакторное сырье. Например, воздух, который обычно содержит около 21% кислорода, может циркулировать через подогреваемую печь для поставки кислорода. Может быть использован любой газ или смесь газов, которая содержит свободный кислород, например, чистый кислород и обогащенный кислородом воздух. Предпочтительно, чтобы кислородсодержащий газ состоял из от 1% до 10% кислорода, более предпочтительно от 2% до 5% кислорода. В предпочтительном варианте настоящего изобретения излишек воздуха добавляется к топливу для создания обогащенных кислородом горючих газов, применяемых для подогрева и окисления реакторного сырья.

Одним из достоинств подогрева реакторного сырья в атмосфере с кислородом является то, что любое количество магнетита, присутствующее в сырье полностью или частично окисляется до гематита перед переработкой в карбид железа. Известно, что гематит более легко перерабатывается в карбид железа, чем магнетит. Хотя желаемое не граничит с теорией, представляется, что улучшение связано с образованием межузельных пор в структуре оксида железа, когда в структуру внедряются дополнительные атомы кислорода во времени стадии подогрева и затем выходят из структуры в процессе переработки, образуя более пористую структуру, благоприятную для последующих диффузионных контролируемых реакций.

Дополнительно с окислением магнетита в гематит реализуются другие преимущества внедрения способа настоящего изобретения. Например, выделяется или стабилизируется сера при подогреве в атмосфере с кислородом.

В стадии кислородного подогрева содержание серных соединений существенно снижается за счет образования диоксида серы SO₂, который является летучим газом, или стабилизируется после окисления и последующего соединения с оксидами щелочно-земельных металлов, таких как оксид кальция или оксид калия, формируя термически стабильные сульфаты. Установлено, что присутствие серных соединений в реакторном сырье на стадии переработки замедляет производство карбида железа. Поэтому подогрев в атмосфере в присутствии кислорода дает еще один неожиданный результат, полезный для производства карбида железа из реакторного сырья.

Подогрев также снижает влажность и влажность за счет гидратации, что снижает количество воды внутри перерабатывающего реактора. Также минимизация влажности важна из-за того, что переработка частично контролируется количеством водорода, который может образовать воду при соединении с кислородом в сырье. Исходя из принципов химического равновесия, любое увеличение количества воды, попавшей в реактор, ограничивает количество воды, образованной в реакторе. Следовательно, удаление воды на стадии подогрева увеличивает эффективность и мощность процесса. Предпочтительно, чтобы общее содержание воды в подогретом реакторном сырье было меньше 4% желательно меньше, чем 3% и наиболее предпочтительно меньше, чем 2% И последнее, за счет подогрева реакторного сырья необходимо подводить меньшее количество тепла к системе реактора кипящего слоя с помощью разложения газов или нагрева реактора.

Желательно, чтобы после подогрева реакторного сырья, произвести переработку сырья в карбид железа в реакторе кипящего слоя.

Для уверенности в том, что конечным продуктом является карбид железа, необходимо точно контролировать состав перерабатывающих газов, давление и температуру. Лучше, чтобы этот контроль был осуществлен автоматизированной компьютерной системой, которая является предметом общедоступных патентных заявок США N 07/561100 и 07/561077, именуемых соответственно "Способ для контроля переработки железосодержащего реакторного сырья в карбид железа" и "Способ контроля качества продукта при переработке реакторного сырья в карбид железа".

Обычно равновесная газовая система состоит из 5-ти газов. Они включают воду (H₂O), монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO₂), водород (H₂) и метан (CH₄). Дополнительно в системе может присутствовать азот (N₂).

Вышеуказанная смесь включает в себя равновесные газы, но необходимо понимать, что водород, углерод и кислород могут быть добавлены в систему в любых формах, включая газообразную и твердую таким образом, чтобы эти пять газов при определенной заданной температуре и давлении находились в желаемых пропорциях. Например, другие углеводородные газы такие, как пропан (C₃H₈), могут быть добавлены для создания нужного равновесия между водородом, углеродом, кислородом.

На фиг. 1 представлена диаграмма состояния системы железо-кислород-водород-углерод с переходом к образованию карбида железа Fe₃C при 527^oC. Диаграмма показывает, что с помощью контроля газообразной атмосферы можно быть уверенным не только в том, что карбид железа будет стабильным конечным продуктом, но и в том, что карбид железа можно производить сразу из оксидов железа без предварительного получения металлического железа.

Так как каждая точка диаграммы состояния при данной температуре и давлении представляет разный газовый состав в системе из пяти газов, представляется возможным перевести логарифмические координаты в газовые компоненты на основе условий равновесия, представленных следующими равенствами: CO+H₂O=CO₂+H₂ CH₄+H₂O=CO+3H₂ Желательно, чтобы поступающий газ состоял из следующих газов (или эквивалентных им) в молярных процентах: до 20% а предпочтительно от 2% до 8% диоксида углерода; до 80% а желательно от 35% до 50% метана; до 80% а лучше от 35% до 50% водорода; от 0% до 15% а желательно от 0% до 10% азота; и до 5% а лучше от 1% до 2% водяного пара.

Предпочтительно, чтобы в процессе переработки газовое давление над реактором кипящего слоя было в диапазоне от 15 до 45 фунт/кв.дюйм (от 100 до 310 кПа), более желательно от 15 до 30 фунт/кв.дюйм (от 100 до 210 кПа). Лучше, чтобы была температура в области продувной коробки под кипящим слоем в диапазоне от 500^o до 600^oC, а желательно от 550^oC до 600^oC.

Обратимся теперь к фиг. 2.Руда помещается в подогревающую печь 1, где она подогревается за счет горения топлива и окисляется за счет поступления воздуха.

Воздух, участвующий в горении топлива, обеспечивает окисление руды. После этого руда подогретая, окисленная, обезвоженная и свободная от вредных включений поступает в реактор кипящего слоя 2, где она подвергается действию кислородозамещающих и науглероживающих газов из газового подогревателя 3.

После определенного времени пребывания в реакторе кипящего слоя 2 карбид железа удаляется. Так как большее количество газа выходит из реактора кипящего слоя 2, чем газа, который поступает (из-за освобождения кислорода и воды из руды), то выходящий газ является более теплым. Поэтому для охлаждения газа, выходящего из реактора кипящего слоя, используются две вентиляторные установки 4,5. Теплообменник 6, размещенный между двумя вентиляторными установками 4 и 5, служит для нагрева кислородозамещенных и науглероживающих газов перед введением их в газовый подогреватель 3.

Выходящие из реактора кипящего слоя газы затем поступают в очиститель 7. В очистителе 7 скруббер Вентури (на рис. не показан) служит для удаления избытка тепла из газа, выходящего из реактора. Затем газ поступает в закрытую башенную секцию (на рис. не показана) очистителя 7, где выходящий газ идет в противотоке с водой при около 21^oC для конденсации воды, образованной в реакторе. После очистки газ становится циркулирующим газом. Некоторое количество циркулирующего газа может быть сброшено для контроля нарастания азота. Сброс необходим в том случае, если газовая смесь содержит азот, иначе поток газа будет практически полностью состоять из азота. Сброшенный газ может быть повторно использован в качестве топлива.

Газы для реактора кипящего слоя поступают из газового подогревателя, где они подогреваются до температуры от 600 до 800^oC. Для формирования науглероживающей и понижающей газовой смеси химическая смесь газов и сбрасываемая смесь газов соединяются в объединенную газовую смесь. Эта объединенная смесь газов затем добавляется к очищенному циркулирующему газу и результирующая газовая смесь проходит через компрессор 8 и теплообменник 6. После прохождения через теплообменник 6 газовый поток поступает в газовый подогреватель 3. Подогретый воздух из воздушного подогревателя 9 используется для поддержания горения топлива в газовом подогревателя 3.

Для эффективной переработки реакторного сырья в карбид железа желательно, чтобы сырьевой материал оставался в контакте с перерабатывающими газами в течение времени, необходимого для проведения до полного завершения диффузионных контролируемых реакций. В современной технике используют однокамерные неперегороженные реакторы кипящего слоя с быстрым смешиванием свежепоступаемого сырья и материала слоя с разной степенью смешивания в зависимости от турбулентности в слое, которая, в свою очередь, является функцией скоростей газов, используемых для флюидизации. Это смешивание сырья с продуктом происходит в нереагирующем материале, транспортируемом к проему для выгрузки, и поэтому производит продукт, содержащий некоторые обедненные, а, следовательно, негодные включения.

Чтобы уменьшить это нежелательное смешивание или слабую циркуляцию с одновременным поддержанием отличных характеристик контакта газ-твердое тело, предпочтительно создать условия потока для твердого материала в реакторе кипящего слоя. В качестве реактора кипящего слоя может быть использован корпус с существенно однородным сечением, например, любого прямоугольного или закругленного сечения. Хотя из-за тепловых напряжений и из-за проблем с неоднородным нагревом в таких линейных реакторах, лучше использовать закругленный реактор кипящего слоя с перегородками, способными заставить двигаться материал определенным заданным образом от начальной точки загрузки сырья до точки разгрузки реактора. Исполнение реактора, используемого в сочетании с настоящим изобретением, является предметом доступной патентной заявки США N 07/561076, именуемой "Реактор кипящего слоя и способ его использования".

Можно определить число, положение перегородок, необходимых для любого размера реактора и набора условий, а соответственно и расположение перегородок относительно друг друга. Чтобы определить оптимальную конфигурацию перегородки необходимо знать количество, температуру и состав руды. Выбор оптимальной конфигурации перегородки основывается на числе перегородок, необходимых для создания условий потока с целью более полного завершения проводимой реакции.

Теперь обратимся к фиг. 3 и 4, где показан вариант реактора кипящего слоя. Реакторное сырье поступает в реактор кипящего слоя 2 через входной канал 10 и проходит через реактор кипящего слоя потокообразным способом. Реакторное топливо наполняется газами с помощью множества сопл 11. Предпочтительно, чтобы сопла были регулируемые. Поток создается за счет перегородок 12 и 13, 14 и 15. После прохождения перегородки 15 переработанное реакторное сырье покидает реактор через выходной канал 16.

Предпочтительно, чтобы протяженность кипящего реакторного слоя не превышала удвоенного диаметра слоя. Однако это отношение может меняться в зависимости от давления входящих газов. Например, по мере того, как давление входящих газов увеличивается становится возможным увеличить протяженность кипящего слоя. В соответствии с настоящим изобретением желательно, чтобы реакторное сырье имело средний диаметр от 0,1 мм до 1,0 мм. В случае такого размера сырья предпочитаемая протяженность кипящего слоя будет около 12 футов (3,66 м), в то время как желаемый диаметр может быть 40 футов (12,2 м), но предпочтительнее не менее, чем 6 футов (1,83 м). Лучше, чтобы поток газа достигал скорости от 1 до 4 футов/сек (от 0,3 до 1,22 м/сек) более предпочтительно около 2 футов/сек (0,61 м/сек). Желательно, чтобы расстояние между перегородками было от 5 до 10 футов, более предпочтительно от 6 до 8 футов.

Представляется, что процесс переработки проходит в несколько стадий. В первой стадии практически завершается переработка гематита в магнетит. В последующих стадиях осуществляется переработка магнетита в карбид железа. Возможно проанализировать набор параметров реакции, как обсуждалось выше, и вычислить степень переработки в стадиях. Также возможно определить насколько протяженность пути, образуемого перегородками, существенна для проведения необходимой переработки.

Дополнительным преимуществом перегороженной конфигурации является то, что в увеличенных, неперегороженных реакторах с диаметром более 10 футов использование одной загрузочной точки и одной точки для выгрузки приводит к эллипсообразному потоку материала. Этот эллипсообразный поток возникает в боковых областях нормального потока, где нет доступа входному газу для переработки сырья. Поэтому эти неактивные области неблагоприятно снижают мощность реактора. С использованием перегородок результирующий поток контролирует переработку всей области реактора, при этом требуется только одна загрузочная и одна разгрузочная точка. Это очень важно в процессе карбидизации железа, где большое количество входных газов, контактирующих с непрореагированными частицами сырья, определяет эффективность, с которой может быть переработан циркулирующий газ.

В соответствии с настоящим изобретением, в реакторе кипящего слоя перерабатывающие газы желательно нагревать отдельно от реактора. Затем газы для переработки поступают в продувную коробку, расположенную под кипящим слоем. Кипящий слой и продувная коробка разделены плитой с канальными отверстиями для контроля падения давления и уверенности в том, что газы распределятся однородно вдоль кипящего слоя.

Для того, чтобы скомпенсировать термическое расширение, которое может возникнуть в плите с канальными отверстиями, так, что плита может стать плоской, может быть использована "S"-образно расширяющаяся система, в местах соединения плиты с канальными отверстиями с оболочкой реактора.

Обратимся теперь к фиг. 5, где показан конкретный вариант такой плиты. Соединение состоит из плиты 17 с канальными отверстиями, в которой внешние края имеют "S"-образную форму 18. Желательно, чтобы материал покрывающий плиту 17, был термостойким материалом. Установлено, что, в частности, огнеупорный жаростойкий материал применим для этой цели. Одним из достоинств плиты с канальными отверстиями, в соответствии с настоящим изобретением, является возможность размещения под плитой не закрепленных опор (не показаны на рисунке) для минимизации прогиба.

Это делает возможным использование плит с большим диаметром, без проблем, связанных с прогибом плиты с канальными отверстиями.

Для тщательного контроля падения давления, а, следовательно, и распределения газов, поступающих из продувной коробки в кипящий слой, используются различные канальные сопла 19 (показано только одно) желательно металлической конструкции. Общий вид канального сопла показан на фиг. 5. Эта единица состоит из чашки 20, которая может вращаться вокруг болта 21 для изменения степени приоткрытия на периметре основания 22. После того, как нужное приоткрывание определено и установлено, накрывающая чашка может быть закреплена на месте набором винтов (не показаны), которые, если понадобится, могут быть заварены. Это исполнение данного реактора позволяет использовать его в процессе с сырьевыми материалами переменных размеров, применяя различные общие газовые потоки с одновременным поддержанием постоянных предопределенных падений давления вдоль плиты с канальными отверстиями.

В соответствии с настоящим изобретением плита с канальными отверстиями содержит от 2,5 до 3 сопл на кв.фут. Следовательно, реактор диаметром в 6 футов будет иметь примерно 80 сопл, расположенных друг относительно друга на расстоянии от 6 до 8 дюймов.

После переработки желательно, чтобы компоненты железа составляли, по крайней мере, 90% более желательно, 95% еще лучше 97% и наиболее предпочтительно 98% карбида железа. Оставшиеся примеси обычно содержат оксиды и металлическое железо. Предпочтительно, чтобы максимальное содержание оксида железа было около 2% в то время как количество металлического железа около 1% Карбид железа, произведенный в соответствии с настоящим изобретением, может иметь на поверхности слоя водорода при выходе из реактора кипящего слоя. Так как каталитическое горение водорода может сделать материал взрывоопасным, необходимо обработать карбид железа с целью удаления водородного слоя. Для удаления водорода можно, например, обработать карбид железа потоком неактивного газа такого^ как азот, углекислый газ или инертный газ. Скорость потока и количество газа должны быть достаточными для удаления практически всего водорода. По другому водород можно удалить помещением карбида железа в вакуум.

В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения карбид железа может быть использован в процессе прямого получения стали. Желательно, чтобы переработка карбида железа в сталь происходила в кислородном конвертере. По сравнению с другими печами и способами, природа процесса кислородного конвертера создает особые условия для переработки карбида железа в сталь.

Если стадия переработки и стадия изготовления стали совмещены то, как показывают тепловые расчеты, только небольшое количество тепла требуется для того, чтобы сделать процесс автоматическим. Предпочтительно, чтобы карбид железа выходил из установки кипящего слоя при повышенной температуре от 480^oC до 710^oC; более предпочтительно от 550^oC до 600^oC; и сразу при этой температуре загружался в кислородный конвертер. Либо карбид железа можно нагреть до 1200^oC для подвода практически всего тепла, чтобы сделать процесс автотермическим.

В одной из конфигураций, выходящий из кислородного конвертера газ направляется прямо в установку кипящего слоя. В этом варианте процесса, практически весь углерод, используемый в установке кипящего слоя, для переработки оксидов в карбид железа, преобразуется в конвертере в монооксид углерода, а затем снова проходит через установку кипящего слоя для повторного использования в производстве карбида железа.

Если карбид железа охлаждается до стадии производства стали, то необходимо подвести тепло либо в виде разогрева карбида железа, либо добавлением дополнительного тепла на стадии производства стали.

Расчеты по тепловому балансу показывают, что при температуре окружающей среды карбид железа не обладает достаточной горючестью, чтобы поддержать осуществляемую в кислородном конвертере реакцию в автоматическом режиме. Дополнительное тепло, требуемое для того, чтобы сделать реакцию самоподдерживающей, может быть подведено разными путями. Например, выходящий из кислородного конвертера газ, образованный в процессе переработки карбида железа, содержит около 90% монооксида углерода при избыточной температуре. Это избыточное тепло может быть использовано в теплообменниках или для нагрева поступающего карбида железа. С помощью сжигания части выходящего газа можно выделить существенное количество тепла для создания тока, чтобы сделать реакцию автотермической. При некоторых условиях необходимое количества избыточного тепла или тепла для разогрева может быть получено за счет полного сжигания выходного газа. Предпочтительно, чтобы область температур разогрева была от 700^oC до 1200^oC, а более желательно от 1100 до 1200^oC.

По другому варианту необходимое для создания автотермического процесса тепло может быть подведено полностью или частями прямым нагревом загружаемого Fe₃C внешними источниками тепла. Можно также добавить существенное количество углерода в карбид железа для получения требуемого дополнительного тепла за счет горения во время процесса. Количество дополнительного углерода может меняться от 3% до 5% веса карбида железа. Углерод может быть добавлен прямо в карбид железа за счет подогрева карбида железа в углеродосодержащих газах, состоящих, преимущественно, из монооксида углерода. Либо при загрузке кислородного конвертера для подвода дополнительного тепла может быть добавлен горячий металл.

В традиционном кислородном производстве стали для процесса застывания в расплавленные железные чушки (горячий металл) обычно добавляют железный лом. В соответствии с настоящим изобретением вместо железного лома в расплавленные в кислородном или электрическом конвертере железные чушки может быть добавлен холодный карбид железа. Существенное преимущество этого действия заключается в том, что для охлаждения в обычных процессах с кислородным конвертером можно добавлять в качестве хладагента карбид железа в количестве в два раза большем, чем количество железного лома. Например, карбида железа может быть добавлен в количестве до 50% от веса загруженного горячего карбида железа. В то время как стандартный метод производства в кислородном конвертере требует добавления примерно 70% горячего металла и около 30% железного лома. Применение карбида железа снижает количество добавляемого при загрузке металла, а, следовательно, домна, использующая железный лом в качестве хладагента, может производить на 50% больше стали, применяя карбид железа. Преимуществом этого является то, что доменные печи, которые могут находиться рядом, могут продолжать действовать в сочетании с представленным способом.

Если производство стали проводится в электропечах, то любое дополнительное требуемое тепло может быть подведено за счет электроэнергии, используемой в этом типе печей.

Если нужно обеспечить необходимым количеством тепла загружаемый карбид железа, чтобы сделать реакцию в кислородном конвертере автотермической, то процесс производства стали может состоять из вышеперечисленных способов в отдельности или в комбинации. Ряд преимуществ вышеописанного способа отражен в описании. Одним из преимуществ является то, что он исключает дорогую промежуточную стадию доменной печи при переработке железной руды с сталь.

Когда стадия переработки и производства стали осуществляются совместно в одном месте, то для стадии производства стали необходимо небольшое количество дополнительного тепла и монооксид углерода из стадии производства стали поставляет углерод для переработки железной руды. При использовании расплавленных железных чушек горячего металла при производстве стали для охлаждения можно добавлять большие количества карбида железа. Процесс в целом практически не выбрасывает вредных веществ и сохраняет окружающую среду и повторно использует побочные реактатны. Следующим преимуществом способа в целом является то, что снижаются транспортные расходы. Когда карбид железа производят рядом с шахтой перед транспортировкой к сталеплавильной печи, т.к. карбид железа содержит больший процент полезного материала, чем оксид железа.

Примеры.

Пример 1. Для демонстрации эффекта температуры подогрева и времени окисления железной руды для переработки магнетита в гематит был получен магнетитовый концентрат Луссовара-Кируновара АБ. Руда, по определению анализов Мессбауэра, имела номинальный состав 96% Fe₂O₄ и 2,5% Fe₂O₃.

Руда была подогрета в атмосфере с кислородом при 550^oC и при 800^oC в течение различных промежутков времени. Результаты сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, руда наиболее эффективно окислялась при 800^oC в течение длительных промежутков времени. При 550^oC было получено только частичное окисление.

Пример 2. Концентрат железной руды из примера 1 и концентрат с высоким содержанием гематита были использованы для определения эффекта влияния содержания гематита на переработку железной руды в карбид железа. Результаты этой проверки показаны в таблице 2. Образцы 1 и 4 не были подогреты в атмосфере с кислородом, образец 2 был окислен при 550^oC в течение 24 часов и образец 3 был окислен при 800^oC в течение 16 часов. Все четыре образца были обработаны в реакторе кипящего слоя в течение 6 часов при 650^oC, за исключением образца 4, который был обработан при 550^oC в течение 6 часов. Результаты представлены в таблице 2.

Переработка железной руды в карбид железа была наиболее завершенной, когда железная руда содержала в основном гематит или была переработана в гематит перед процессом замещения кислорода науглероживания.

Пример 3. Проверочные тесты были проведены на окисленных и неокисленных измельченных рудах с анализом получаемых компонентов, включая серные соединения. Результаты показаны в таблице 3. Измельченный окисленный продукт содержит значительно меньшие количества серных соединений и приводит к образованию около 92% Fe₃C. Фазы, присутсвующие в составе в процессе неуглероживания и замещения кислорода, показаны графически на фиг. 7 и 8. Этот пример демонстрирует достижения в удалении серных соединений из реакторного сырья.

Пример 4. Таблица 4 показывает состав равновесного газа для Fe троичной точки при различных температурах. Эта информация была получена из диаграммы состояния подобных показанной на фиг.1. На фиг.1 тройная точка показана "Х". Эта таблица пригодна для иллюстрации эффекта поступления воды при переработке в карбид железа. Таблица показывает максимальное содержание воды, которое можно допустить в выходном газе реактора. Например, в реакторе, оперирующем при 1,5 атмосферах и 600^oC максимальный объем воды, который может возникнуть в выходном газе составляет 14,08% Если циркулирующий газ содержит 1,5% воды, в процессе реакции можно получить 12,58% воды при условии, что в твердом сырье воды нет. Если сырье содержало один дополнительный процент воды в виде свободной воды или общей влажности, то это приведет к эффекту снижения способности реактора перерабатывать карбид железа на примерно 8% (1/12,58), что является серьезным снижением. Следовательно, удаление воды на стадии подогрева увеличивает продуктивность системы (табл. 4).

Хотя различные варианты настоящего изобретения были детально описаны, может оказаться, что модификации и приспособления этих вариантов встречались специалисту в этой области техники. Тем не менее, надо представлять, что эти модификации и приспособления находятся в рамках и в духе настоящего изобретения, как установлено в следующих пунктах формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ переработки железорудного сырья, включающий его превращение в карбид железа, отличающийся тем, что по крайней мере часть железорудного сырья перед превращением его в карбид железа подвергают окислению путем его нагрева в атмосфере, содержащей кислород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление железорудного сырья осуществляют при температуре нагрева 500 900^oС.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в течение 2
5 ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисленный продукт содержит по крайней мере 30% гематита.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере 90% по весу железа в предварительно нагретом сырье превращают в карбид железа.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что превращение железорудного сырья в карбид железа осуществляют в реакторе кипящего слоя кислородсодержащими и науглероживающими газами.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что газ, подаваемый в реактор кипящего слоя, состоит из водорода, монооксида углерода, диоксида углерода, метана и воды.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют удаление с поверхности карбида железа водорода путем его отработки газом.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве газа, подаваемого для обработки карбида железа, используют или азот, или диоксид углерода, или инертные газы.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют удаление с поверхности карбида железа водорода путем выдержки в вакууме.

11. Способ переработки железорудного сырья, включающий его превращение в карбид железа, отличающийся тем, что перед превращением железорудного сырья в карбид железа его подвергают по крайней мере частичному обессериванию путем нагрева.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что частичное обессеривание железорудного сырья осуществляют при 500 900^oС.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что частичное обессеривание осуществляют до содержания серы менее 0,2%
14. Способ переработки железорудного сырья, включающий его превращение в карбид железа, отличающийся тем, что перед превращением железорудного сырья в карбид железа осуществляют его частичное обезвоживание и окисление путем нагрева.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что частичное обезвоживание железорудного сырья осуществляют при температуре нагрева 500 800^oС.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что частичное обезвоживание железорудного сырья осуществляют до содержания в нем воды менее 3%
17. Способ переработки железорудного сырья, включающий его превращение в карбид железа, отличающийся тем, что перед превращением железорудного сырья в карбид железа осуществляют перевод части магнетита в гематит путем нагрева в атмосфере, содержащей кислород до температуры равной по крайней мере 500^oС, при этом в карбид железа превращают по крайней мере 90% железа, содержащегося в железорудном сырье.

18. Способ переработки железорудного сырья, включающий его превращение в карбид железа с последующей переработкой полученного карбида железа в сталь, отличающийся тем, что перед превращением железорудного сырья в карбид железа его предварительно нагревают до температуры, равной по крайней мере 500^oС в атмосфере, содержащей кислород.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что часть углерода в карбиде железа окисляют до монооксида углерода с выделением тепла, которое используют в дальнейшем в процессе переработки карбида железа в сталь.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что получение карбида железа осуществляют в реакторе кипящего слоя, при этом температуру выгружаемого из реактора карбида железа поддерживают в пределах 480 710^oС.

21. Способ по п. 18, отличающийся тем, что получение карбида железа осуществляют газами, содержащими монооксид углерода, диоксид углерода, водород, воду и метан.

22. Способ по п.18, отличающийся тем, что с поверхности карбида железа удаляют водород путем его обработки газами.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что в качестве газа, подаваемого для удаления водорода с поверхности карбида железа, используют или азот, или диоксид углерода, или инертные газы.

24. Способ по п.17, отличающийся тем, что с поверхности карбида железа удаляют водород путем его выдержки в вакууме.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11