Способ производства железа из его окислов без уничтожения горючих невозобновляемых полезных ископаемых или продуктов их переработки

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству железа из окислов. Способ производства железа из его окислов включает плавление железных концентратов и флюсов в печи, улавливание и утилизацию летучих веществ, выпуск расплавленной шихты, после выпуска расплавленной шихты отделяют расплав железа от шлаков и шламов, транспортируют окислы железа в расплавленном состоянии в реакторы, в которых осуществляют деоксигенацию окислов железа за счет контакта их с полым анодом из пористого жаростойкого материала с развитой поверхностью, имеющего покрытие из абсорбента, работающего при температурах расплава железа. При использовании изобретения исключается необходимость безвозвратного уничтожения полезных ископаемых или продуктов их переработки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к металлургическим процессам, в частности к способам извлечения кислорода из окислов металлов без уничтожения горючих невозобновляемых полезных ископаемых или продуктов их переработки.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что в традиционных металлургических производствах получение стали осуществляется в две стадии: восстановление в доменных печах железа из его окислов и окисление в сталеплавильных агрегатах углерода, кремния, марганца, фосфора, удаление серы из полученного на первой стадии чугуна. Для осуществления восстановительного процесса в доменных печах необходимо сжигать большое количество кокса.

Другим направлением в металлургии являются попытки разработки технологических решений процесса прямого получения железа из руд. При этом наибольшее распространение получили шахтные печи. Одним из способов металлизации железорудных материалов (в виде окатышей) является процесс "Мидрекс". В этом процессе на каждую тонну губчатого железа расходуется около 400 кубометров природного газа. За счет подачи в печь конвертированного газа, содержащего 35 процентов оксида углерода и 65 процентов водорода, при температуре около 1000 градусов по Цельсию получаются металлизированные окатыши, в которых 95 процентов железа и 1 процент углерода. Из-за высокой стоимости достаточно сложного оборудования и значительного расхода топлива - восстановителя к концу двадцатого века во всем мире только 2 процента выплавляемой стали производится с использованием установок для прямого восстановления руд (1).

Технический результат заключается в том, что исключается необходимость безвозвратного уничтожения полезных ископаемых или продуктов их переработки при производстве железа из его окислов.

Для обеспечения технического результата способ производства железа из его окислов без уничтожения горючих невозобновляемых полезных ископаемых или продуктов их переработки включает плавление железных концентратов и флюсов в печи, улавливание и утилизацию летучих веществ, выпуск расплавленной шихты, при этом, согласно изобретению, после выпуска расплавленной шихты отделяют расплав железа от шлаков и шламов, транспортируют окислы железа в расплавленном состоянии в реакторы, в которых осуществляют деоксигенацию окислов железа за счет контакта их с полым анодом из пористого жаростойкого материала с развитой поверхностью, имеющего покрытие из абсорбента, работающего при температурах расплава железа.

Кроме того, при этом, полый анод с развитой поверхностью изготавливают из циркония, имеющего микропоры для пропуска кислорода в его внутреннюю полость, а в качестве абсорбента используют диоксид циркония.

Сущность описываемого способа получения железа из его окислов проиллюстрирована блок-схемой, приведенной на чертеже.

Печь 1 для плавления железорудного концентрата, смешанного с флюсами (шихты) 2, имеет трубы 3 из жаростойкого металла, например из тантала, предназначенные для передачи тепла от заполняющего их теплоносителя к шихте, поступающей через загрузочное устройство 4. В днище 5 печи 1 имеется устройство 6, предназначенное для выпуска расплавленной шихты в каналы 7, заканчивающиеся дозаторами 8. Непосредственно к дозаторам 8 примыкают сепараторы 9, предназначенные для разделения расплавленной шихты на слои в зависимости от плотности каждого слоя. Сепараторы 9 имеют в верхней своей части шиберные заслонки 10, предназначенные для выпуска легковесных шлаков, плавающих на поверхности расплава окислов железа, а в нижней части - воронку 11 для сбора и выпуска шламов, имеющих плотность большую, чем у расплава окислов железа. Между сепараторами 9 и реакторами 12 размещаются трубы 13 из жаростойкого немагнитного материала, например из тантала, предназначенные для транспортировки расплава окислов железа за счет воздействия на него магнитными системами 14. Во внутренних полостях реакторов 12 размещены панели 15 из жаростойкого пористого материала, например из циркония, в форме полых коробок, приваренных к центральному несущему коробу 16, который в верхней части соединен с трубой 17, предназначенной для вывода из реактора 12 кислорода и транспортировки его в ресивер 18. В самой нижней точке каждого реактора 12 имеются каналы 19, предназначенные для выпуска в накопители 20 шламов, имеющих плотность более высокую, чем плотность расплавленного железа. Каналы 19 отделены от внутренних полостей реакторов 12 заслонками 21, предназначенными для задержки легковесных шлаков в периоды удаления из реакторов 12 расплавленного железа. Непосредственно во внутренние полости каналов 19 введены трубы 22 из жаростойкого немагнитного материала, предназначенные для транспортировки расплавленного железа в ковши 23 за счет воздействия на него магнитными системами 24. В нижней части каждого ковша 23 имеются стыковочные узлы 25, предназначенные для герметичного соединения ковшей 23 с изложницами 26, размещенными на железнодорожных платформах 27. К трубам 3 печи 1 непосредственно присоединены горелки 28, предназначенные для сжигания водорода, подводимого по трубам 29, в атмосфере кислорода, подводимого по трубам 30. Трубы 29 присоединены к резервуарам 31, предназначенным для хранения водорода, через разобщительные краны 32. Трубы 30 присоединены к резервуарам 33, предназначенным для хранения кислорода, через разобщительные краны 34. Резервуары 31 и 33 соединены соответственно трубами 35 и 36 с электролизерами 37, предназначенными для обеспечения печи 1 водородом и кислородом. В самой высокой части печи 1 имеется устройство 38, предназначенное для улавливания и утилизации летучих веществ, образующихся во внутренней полости печи 1 при плавлении шихты. Печи 1 могут быть размещены в непосредственной близости от производственных комплексов, предназначенных для обогащения железной руды. В этих случаях исключаются затраты энергии на сушку железорудного концентрата, так как количества тепла, передаваемого через стенки труб 3 от водородных факелов с температурой 2600 градусов по Цельсию, вполне достаточно для прогрева шихты и доведения ее до расплавленного состояния в области днища 5.

Расплавленная шихта опускается в каналы 7 и накапливается в дозаторах 8. Очередные накопившиеся порции расплавленной шихты из дозаторов 8 заполняют сепараторы 9, где происходит отстой расплава для создания условий удаления легковесных шлаков через шиберные заслонки 10, а тяжеловесных шламов - через воронки 11. Остающиеся в сепараторах 9 расплавленные окислы железа перемещают по трубам 13 в реакторы 12 за счет воздействия на расплав бегущим магнитным полем, которое создается магнитными системами 14 известных конструкций, размещенными вблизи наружных поверхностей труб 13 на всем их протяжении. Заполнившие внутренний объем реакторов 12 расплавленные окислы железа соприкасаются с наружными поверхностями панелей 15, покрытыми материалом - абсорбентом, например стабилизированным диоксидом циркония. Для осуществления процесса деоксигенации расплавленных окислов железа внутри реакторов 12 к ним подается постоянный электрический ток таким образом, чтобы стенки реакторов 12 также использовались в качестве катодов, а коробки панелей 15 были бы анодами (токоподводящие устройства и их изоляция не показаны на чертеже во избежание затемнения блок-схемы). При этом слой абсорбента отнимает у расплава атомарный кислород и вытесняет его через поры стенок коробок панелей 15 внутрь этих коробок, а освобожденное от кислорода железо осаждается в реакторах 12. Кислород, поступающий внутрь коробок панелей 15, выводится в ресиверы 18 через внутренние полости несущих коробов 16 и труб 17. После завершения процесса деоксигенации расплава открывают заслонки 21 и содержимое реакторов 12 перетекает в каналы 19. После отстоя выпущенного из реакторов 12 расплава в каналах 19 шлам, имеющий плотность более высокую, чем плотность железа в расплавленном состоянии, выпускают в накопители 20. При подключении электрического тока к обмоткам магнитных систем 24 внутри труб 22 из немагнитного материала создается бегущее магнитное поле, под воздействием которого железо в расплавленном состоянии из каналов 19 транспортируется в ковши 23. При понижении уровня расплавленного железа в каналах 19 до отметок заслонок 21 осуществляется отсечение легковесных шлаков, плавающих на поверхности расплава, путем перекрытия заслонок 21. После завершения транспортировки всей массы расплавленного железа из каналов 19 в ковши 23 заслонки 21 открываются для выпуска легковесных шлаков в каналы 19 и далее в накопители 20. По мере подачи железнодорожных платформ 27 с изложницами 26 под стыковочные узлы 25 производится наполнение изложниц 26 расплавленным железом, накопившимся в ковшах 23. Железнодорожные платформы 27 с наполненными расплавленным железом изложницами 26 перевозятся к местам дальнейшей обработки железа, а на их место подаются новые платформы 27 с пустыми изложницами 26.

Обеспечение подвода необходимого количества тепла во внутренний объем печей 1 осуществляется за счет сжигания водорода в атмосфере кислорода в горелках 28 известных конструкций. Водяной пар, являющийся продуктом сгорания водорода в кислороде, пройдя по трубам 3 через внутренний объем печи 1, поступает в электролизеры 37 известных конструкций, где осуществляется разделение его на водород и кислород. Образующийся при электролизе водяного пара водород выводится из электролизеров 37 по трубам 35 в резервуары 31, а кислород - в резервуары 33 через трубы 36. Дозирование количества водорода, подводимого к горелкам 28, осуществляется путем подачи управляющих команд на открытие разобщительных кранов 32, а кислорода - открытием кранов 34.

В ходе непрерывного процесса прогрева и плавления шихты во внутренних объемах печей 1 образуются летучие вещества, которые скапливаются в самой верхней части куполов печей, откуда улавливаются и утилизируются устройствами 38 известных конструкций.

Поддержание необходимых температур шихты и окислов железа в расплавленном состоянии, расплава железа после его деоксигенации, а также шлаков, шламов после выпуска их из соответствующих агрегатов осуществляют подогревателями известных конструкций, например, за счет передачи через стенки труб из жаростойких материалов тепла от вводимых внутрь труб продуктов окисления водорода кислородом в их стехиометрической смеси.

Технологические операции, которые необходимо проводить для уменьшения содержания вредных примесей в железе и повышения его качества, осуществляются известными способами по мере обработки расплава в сепараторах, в реакторах, а также после перевозки расплавленного железа в изложницах и слива его в специальные агрегаты для легирования.

Ожидаемые технико-экономические преимущества описываемого способа получения железа в сравнении с распространенной в начале двадцать первого века схемой металлургического производства с восстановлением железа из руды в доменных печах основываются на следующих факторах:

1. Совсем исключается необходимость сжигания большого количества кокса.

2. Существенно сокращаются затраты энергии на сушку железных концентратов при размещении печей для плавления шихты в непосредственной близости от горно-обогатительных комбинатов. При этом также исключаются затраты, связанные с погрузкой, перевозкой и разгрузкой железного концентрата в процессе доставки его от горно-обогатительных комбинатов к местам дислокации доменных производств. Снижаются на треть массы перевозимых грузов от мест дислокации горно-обогатительных комбинатов, так как их готовой продукцией становится высококачественное железо (либо сталь с заданными свойствами) вместо железного концентрата, в массе которого железо составляет не более 65 процентов.

3. Исключатся затраты на транспортирование кокса и угля к местам дислокации доменных производств, а также затраты, связанные с их погрузкой, разгрузкой, хранением и подачей к домнам.

В сравнении со способом металлизации железорудных концентратов описываемый способ получения железа исключает безвозвратное уничтожение природного газа.

Источник информации

1. Кудрин В.А. "Металлургия стали", М., Металлургия, 1989, с.24.

Формула изобретения

1. Способ производства железа из его окислов без уничтожения горючих невозобновляемых полезных ископаемых или продуктов их переработки, включающий плавление железных концентратов и флюсов в печи, улавливание и утилизацию летучих веществ, выпуск расплавленной шихты, отличающийся тем, что после выпуска расплавленной шихты отделяют расплав железа от шлаков и шламов, транспортируют окислы железа в расплавленном состоянии в реакторы, в которых осуществляют деоксигенацию окислов железа за счет контакта их с полым анодом из пористого жаростойкого материала с развитой поверхностью, имеющего покрытие из абсорбента, работающего при температурах расплава железа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полый анод с развитой поверхностью изготавливают из циркония, имеющего микропоры для пропуска кислорода в его внутреннюю полость.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, в качестве абсорбента используют диоксид циркония.

РИСУНКИ

Рисунок 1