Способ получения жидкого металлического железа
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к получению жидкого металлического железа. Способ содержит загрузку уплотненного исходного материала, включающего углеродсодержащий восстановитель и вещество, содержащее оксид железа, в восстановительную печь с подвижным подом, восстановление уплотненного исходного материала до коэффициента восстановления от 30 до 80% для образования частично восстановленного материала с оболочкой из металлического железа или с оболочкой в виде сетки из металлического железа, содержащей внутри или в промежутках сетки образовавшийся шлак, спеченный с невосстановленным оксидом железа, и не вступивший в реакцию углеродсодержащий восстановитель, окончательное восстановление и плавление для получения жидкого металлического железа. При использовании изобретения обеспечивается высокая производительность процесса. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к способу нагревания и восстановления оксида железа, например железной руды, посредством углеродсодержащего восстановителя, например кокса, с целью получения жидкого металлического железа, и также относится к способу эффективного восстановления оксида железа в металлическое железо путем простой переработки и эффективного удержания большей части теплоты в металлическом железе с целью получения жидкого металлического железа более дешевым путем и с высокой производительностью.
Ранее были сделаны многочисленные предложения, в которых источник оксида железа, например железную руду и оксид железа, смешивали с углеродсодержащим восстановителем, например с коксом и углем, чтобы затем уплотнить в окатыши или брикеты, а уплотненный материал нагревали, чтобы тем самым восстановить оксид железа в уплотненном материале с целью получения металлического железа.
Из US 4701214, 20.10.1987 известен способ, включающий в себя использование исходных материалов в виде окатышей, изготовленных из мелкого порошка оксида железа и имеющих внутри твердый углеродистый материал в качестве восстановителя, нагревание их в восстановительной печи с вращающимся подом для предварительного восстановления, подачу предварительно восстановленного материала из восстановительной печи в печь для рафинирования при температуре не ниже 1000°С для очистки и для дальнейшего проведения процесса восстановления с целью получения жидкого металлического железа. Этот способ включает в себя уплотнение смеси исходных материалов, содержащей порошкообразный оксид железа и твердый углеродистый материал, в окатыши или комки, нагревание материала после сушки или без сушки в продолжение временного интервала от 10 до 50 мин при относительно низкой температуре от 1100 до 1350°С для протекания восстановления до коэффициента восстановления примерно от 50 до 90% и после этого осуществление очистки и окончательного восстановления.
Однако в этом способе вследствие низкой температуры нагрева во время восстановления требуется большой промежуток времени для нагревания и восстановления, а для массового производства необходимо крупногабаритное оборудование и, кроме того, восстановление осуществляется при большом энергопотреблении.
Из US 6036877, 14.05.2000 известен еще один способ, который включает в себя уплотнение оксида железа вместе с углеродсодержащим восстановителем в гранулы или комки, нагревание и восстановление уплотненного материала при перемещении в горизонтальном направлении на подвижном поду, получение и наращивание оболочки из металлического железа, чтобы тем самым восстановление протекало до исчезновения оксида железа, спекание образовавшегося шлака внутри оболочки из металлического железа, выпуск с подвижного пода, дальнейшее нагревание для плавления оболочки из металлического железа и разделения на жидкий шлак и жидкое металлическое железо.
В соответствии с этим способом из-за нагревания и восстановления при высокой температуре, не ниже 1300°С, время, необходимое для восстановления, можно значительно уменьшить, но, поскольку восстановление должно протекать до, по существу, исчезновения оксида железа после образования оболочки из металлического железа, то требуется значительный промежуток времени до завершения восстановления и соответственно большое расстояние для горизонтального перемещения, при этом оборудование становится громоздким, а энергопотребление большим. Кроме того, в этом способе из-за отсутствия баланса между энергией, необходимой для восстановления нагревом, и энергией, необходимой для окончательного восстановления и плавления, тепловая энергия расходуется непроизводительно.
Из JP 11-050160, 23.02.1999 известен способ получения передельного чугуна с использованием в качестве исходного материала уплотненных заготовок, содержащих оксид железа и углеродсодержащий восстановитель и находящихся в частично восстановленном состоянии. Уплотненная заготовка в частично восстановленном состоянии, использованная в этом способе, представляет собой уплотненную заготовку в виде двухслойной структуры, содержащей оболочку, которая состоит в основном из металлического железа, внутреннее ядро, которое состоит в основном из металлического железа, оксида железа и свободного углерода. В качестве исходного материала используют частично восстановленные уплотненные заготовки, которые содержат в сумме железа не меньше 70% мас., металлического железа от 20 до 50%, свободного углерода не меньше 5%, а объем уплотненной заготовки не меньше 20 см3, и такие заготовки загружают в шахтную печь и нагревают, чтобы в результате этого получить жидкое металлическое железо. Частично восстановленные уплотненные заготовки содержат металлическое железо, свободный углерод и оксид железа в количествах, указанных выше.
Однако свободного углерода в количестве от 5 до 10% недостаточно для восстановления оксида железа, оставшегося в частично восстановленном состоянии, и науглероживания, необходимого для эффективного плавления, так что на завершающей стадии науглероживания и плавления, которая является следующей стадией, необходимо отдельно добавлять углерод. Кроме того, в этом способе частично восстановленные уплотненные заготовки расплавляют и восстанавливают в шахтной печи для получения передельного чугуна, но для повышения эффективности переработки в шахтной печи необходимо поддерживать на высоком уровне газопроницаемость в печи, и для этого уплотненные заготовки исходного материала должны иметь большой диаметр (для обеспечения объема не меньше 20 см3 при сферической форме диаметр не должен быть меньше 3,4 см), при этом изготовление окатышей большого диаметра или брикетов существенно усложняется, в результате чего не только требуется особое оборудование для получения комков, но также снижается производительность с утратой технологической гибкости при переработке исходного материала.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, включающего в себя восстановление уплотненного исходного материала, содержащего углеродсодержащий восстановитель и вещество, содержащее оксид железа, для получения металлического железа, эффективное протекание восстановления без включения излишней шихты в предварительно уплотненный исходный материал, чтобы получить частично восстановленный материал, эффективное и в короткий промежуток времени протекание дальнейшего восстановления и плавление частично восстановленного вещества в состоянии сохранения температуры с целью получения жидкого железа высокой чистоты при высокой производительности.
Способ получения жидкого металлического железа согласно изобретению включает уплотнение исходного материала, состоящего из углеродсодержащего восстановителя и вещества, содержащего оксид железа, загрузку уплотненного исходного материала в восстановительную печь с подвижным подом, восстановление в восстановительной печи уплотненного исходного материала до коэффициента восстановления от 30 до 80% с получением частично восстановленного материала с оболочкой из металлического железа или с оболочкой в виде сетки из металлического железа, содержащей внутри или в промежутках оболочки образовавшийся шлак, спеченный с невосстановленным оксидом железа, и не вступивший в реакцию углеродсодержащий восстановитель, извлечение восстановленного уплотненного материала в состоянии сохранения высокой температуры за пределы восстановительной печи для загрузки его в плавильную печь с электродуговым нагревом или в сталелитейную ванну; и осуществление окончательного восстановления, науглероживания и плавления для получения жидкого металлического железа.
При осуществлении вышеуказанного способа оксид железа, оставшийся в восстановленном уплотненном исходном материале, дополнительно восстанавливают в плавильной печи, и при этом углеродсодержащий восстановитель науглероживает восстановленное железо. Однако предпочтительно, чтобы углеродсодержащий восстановитель находился в избыточном количестве, составляющем от 3 до 6% мас. по отношению к теоретическому эквивалентному количеству, необходимому для восстановления оксида железа, содержавшегося в уплотненном материале при получении уплотненного исходного материала, при этом нагревание и восстановление протекают совершенно без необходимости дополнительной загрузки углеродсодержащего восстановителя, а более позднее науглероживание может протекать эффективно.
Если температуру внутри восстанавливающей печи, в которой осуществляют восстановление, регулируют в пределах от 1350°С до 1450°С или температуру уплотненного исходного материала, загруженного в восстановительную печь, быстро повышают не ниже чем до 800°С в течение 2 мин, то восстановление может быть выполнено эффективно в течение короткого промежутка времени. Если температуру регулируют указанным выше образом, восстановление уплотненного исходного материала может быть выполнено за предельно короткий промежуток времени, например, в пределах от 3 до 5 мин. Кроме того, для достижения большего эффекта повышения скорости восстановления, обусловленного указанным регулированием температуры, наиболее целесообразно использовать уплотненный исходный материал в виде окатышей или брикетов, имеющих диаметр от 3 до 25 мм.
Ниже способ согласно изобретению поясняется более подробно с помощью чертежей, где:
на фиг.1 показаны графики, иллюстрирующие окружающую температуру, температуру уплотненного исходного материала, коэффициент восстановления и изменение количеств образующихся СО и СО2 при осуществлении восстановления и плавления уплотненного исходного материала в процессе проведения основного эксперимента;
фиг.2 - рабочая диаграмма, иллюстрирующая стадии способа согласно изобретению;
фиг.3 - схематично изображена восстановительная печь с подвижным подом и плавильная печь согласно изобретению в разрезе;
фиг.4 - схематично показаны еще одна восстановительная печь с подвижным подом и плавильная печь согласно изобретению в разрезе;
фиг.5 - схематично показана еще одна восстановительная печь с вращающимся подом согласно изобретению, вид сверху;
фиг.6 - фотография, иллюстрирующая частично восстановленный материал с оболочкой, в которой металлическое железо вытянуто вокруг в виде сетки.
В настоящем изобретении предложен способ получения жидкого металлического железа, в котором нагревательную и восстановительную печь с вращающимся подом используют в качестве нагревательной и восстановительной печи с подвижным подом, при этом коэффициент восстановления в твердом состоянии задают в пределах от 30 до 80%, а полученный частично восстановленный материал в высокотемпературном состоянии сразу же подают в плавильную печь и осуществляют окончательное восстановление и плавление, чтобы получить жидкое металлическое железо.
Материал, называемый в настоящей заявке частично восстановленным, представляет собой частично восстановленный материал с оболочкой из металлического железа или с оболочкой, в которой металлическое железо вытянуто вокруг в виде сетки, и содержит внутри оболочки из металлического железа или в промежутках оболочки, в котором металлическое железо вытянуто вокруг в виде сетки, образовавшийся шлак, не вступивший в реакцию углеродсодержащий восстановитель и оксид железа, не подвергшийся восстановлению (см. фиг.6, описанную ниже). Если частично восстановленный материал используют в качестве исходного материала для плавки, то, поскольку восстановление и плавление приводят к состоянию, в котором FeО в шлаке обжат внутри оболочки из металлического железа или внутри ячейки из металлического железа, образованной в виде сетки, то потери огнеупорного материала при плавке (изъязвление или эрозия) в перерабатывающей печи, обусловленные FeО, можно насколько возможно снизить, особенно на стадии плавления; и в данном случае, поскольку FeО, некоторое количество которого вытекает, быстро восстанавливается углеродсодержащим восстановителем, оставшемся в частично восстановленном материале, потери огнеупорного материала в перерабатывающей печи можно снизить до минимального предела.
Коэффициент восстановления, упомянутый в настоящем изобретении, представляет собой значение, полученное из следующего уравнения: коэффициент восстановления равен умноженному на 100% результату деления количества кислорода, удаленного во время восстановления, на количество кислорода в оксиде железа, содержавшееся в уплотненном исходном материале.
Далее поясняется причина, по которой коэффициент восстановления спрессованного исходного материала во время процесса восстановления задают в пределах от 30 до 80%. На фиг.1 представлены результаты, полученные при выполнении важнейших экспериментальных исследований. Эти экспериментальные исследования позволили выявить внутреннюю температуру и температуру газовой среды окатышей как исходного материала, ход коэффициента восстановления и изменения количеств газов СО и СО2, образующихся в тот период, когда уплотненный исходный материал (окатыши, диаметр которых составляет от 16 до 19 мм) с использованием железной руды в качестве источника оксида железа и угля в качестве углеродсодержащего восстановителя загружен в печь, температуру атмосферы в которой регулировали вплоть до 1300°С, при этом восстановление в твердом состоянии осуществляли до тех пор, пока коэффициент восстановления (коэффициент удаления кислорода из оксида железа в уплотненном исходном материале) не достигал примерно 100%, а затем температуру атмосферы повышали до 1425°С для дальнейшего нагрева и плавления восстановленного железа, чтобы получить жидкое металлическое железо.
Как видно на чертеже, коэффициент восстановления оксида железа в уплотненном исходном материале резко возрастает с течением времени нагревания, но восстановление оксида железа в течение этого промежутка времени существенно зависит от восстановления оксида железа углеродсодержащим восстановителем, содержащемся в уплотненном исходном материале, и поэтому от образующегося восстановительного газа СО, и при этом коэффициент восстановления быстро возрастает по мере повышения количества образующегося газа СО. При прохождении вверх скорость нарастания кривой коэффициента восстановления достигает максимума, когда количество образующегося газа СО достигает максимального значения, а затем с уменьшением количества образующегося газа СО кривая коэффициента восстановления при прохождении вверх становится пологой.
Предполагается, что такое явление происходит в результате того, что при восстановлении в твердом состоянии на поверхностном слое уплотненного исходного материала образуется оболочка из металлического железа или оболочка, в которой металлическое железо вытянуто вокруг в виде сетки, при этом газ СО, образовавшийся при реакции между углеродсодержащим восстановителем и оксидом железа, заключен в оболочке из металла, а коэффициент восстановления быстро нарастает, поскольку внутренний потенциал восстановления повышается быстро. Это означает, что, когда коэффициент восстановления достигает определенного уровня, количество оксида железа и количество остающегося углеродсодержащего восстановителя уменьшаются, так что количество образующегося газа СО также снижается, в результате чего после этого скорость нарастания коэффициента восстановления становится небольшой.
Можно гарантировать, а из чертежа понятен тот факт, что коэффициент восстановления стабилизируется, обозначая наивысшую скорость, так что коэффициент восстановления уплотненного исходного материала быстро возрастает в определенной области, до тех пор пока коэффициент восстановления не достигает 80%, и после этого наблюдается тенденция плавного изменения коэффициента восстановления. Из описанной тенденции следует, что восстановление в твердом состоянии протекает эффективно в течение короткого промежутка времени, с наибольшей эффективностью тогда, когда возрастает внутренний потенциал восстановления, обусловленный образованием оболочки в ходе восстановления в твердом состоянии. После этого при уменьшении количества образующегося газа СО коэффициент восстановления возрастает плавно. Поэтому, даже если в этих условиях восстановление в твердом состоянии продолжается, нельзя ожидать большой скорости нарастания коэффициента восстановления за единицу времени, которая в оставшийся промежуток времени восстановления скорее будет отрицательной.
Из вышеупомянутого следует, что настоящее изобретение охватывает способ, в котором процесс останавливают в состоянии частичного восстановления при достижении “коэффициента восстановления 80%”, когда восстановление в твердом состоянии прошло наиболее эффективно; полученный частично восстановленный материал загружают в плавильную печь с непрерывной высокой теплоотдачей, в которой нагревание, восстановление, науглероживание и плавление оксида, оставшегося в частично восстановленном состоянии, протекают эффективно в течение короткого промежутка времени. При использовании такой описанной процедуры суммарное время, необходимое для дальнейшего восстановления от момента восстановления в твердом состоянии, а также для науглероживания и плавления, может быть значительно сокращено, что существенно повышает производительность при получении жидкого металлического железа.
Нижний предел коэффициента восстановления во время восстановления в твердом состоянии задают на уровне 30%, поскольку, когда коэффициент восстановления частично восстановленного материала, загруженного в плавильную печь, например в плавильную печь с электродуговым нагревом или в сталелитейную ванну, меньше 30%, то не только образование металлической оболочки не является удовлетворительным, но также часть оксида железа, не подвергшегося восстановлению, расплавляется во время науглероживания и плавления и примешивается к образующемуся шлаку, вызывая большие потери при плавке футеровочного огнеупорного материала перерабатывающей печи. Однако если коэффициент восстановления на стадии восстановления в твердом состоянии достигает по меньшей мере 30%, то предполагается, что оксид железа, не подвергшийся восстановлению, удерживается внутри оболочки из металлического железа, образованной во время восстановления в твердом состоянии, или внутри оболочки в виде сетки из металлического железа, в результате чего теплота быстро распространяется внутри плавильной печи, а процессы восстановления и науглероживания внутри оболочки быстро нарастают, так что вынос расплавленного оксида железа за ее пределы подавляется, и потери футеровочного материала при плавке происходят редко.
По причинам, описанным выше, в настоящем изобретении нижний предел коэффициента восстановления в конце периода восстановления в твердом состоянии задают не ниже 30%, но, предпочтительно, для более эффективного предотвращения потерь футеровочного огнеупорного материала из-за выноса расплавленного оксида железа коэффициент восстановления во время восстановления в твердом состоянии увеличивают не меньше чем до 40%, а более предпочтительно - не меньше чем до 50%.
Кроме того, для нарастания коэффициента восстановления во время восстановления в твердом состоянии температуру атмосферы в печи во время восстановления в твердом состоянии регулируют, предпочтительно, в пределах от 1350°С до 1450°С; а при температуре ниже 1350°С скорость восстановления в твердом состоянии замедляется настолько, что оболочка из металлического железа образуется с трудом, и полностью исключается возможность сокращения времени обработки. Кроме того, когда восстановление в твердом состоянии осуществляют при температуре выше 1450°С, плавление оксида железа происходит одновременно с восстановлением в твердом состоянии, так что оболочка из металлического железа образуется с трудом, а огнеупорный материал пода восстановительной печи существенно повреждается вследствие увеличения количества оксида железа, выщелачивающегося из уплотненного исходного материала в состоянии плавления, что является существенным недостатком при осуществлении непрерывного режима работы. С учетом этой проблемы более предпочтительная температура во время периода восстановления в твердом состоянии находится в пределах от 1380°С до 1430°С, и, предпочтительно, для развития восстановления в течение более короткого промежутка времени температуру в течение 2 мин быстро повышают - не меньше, чем до 800°С, а более предпочтительно не меньше, чем до 1000°С. Когда восстановление в твердом состоянии осуществляют при температуре, повышенной до указанной высокой температуры, время, необходимое для повышения коэффициента восстановления от 30 до 80%, может быть сокращено примерно на 3-5 мин.
Для дальнейшего плавного развития восстановления в твердом состоянии и после этого дополнительного восстановления, науглероживания и плавления в плавильной печи необходимо, чтобы во время изготовления исходного уплотненного материала к нему примешивался углеродсодержащий восстановитель и содержался в уплотненном материале в избыточном количестве по сравнению с теоретическим эквивалентным количеством, необходимым для восстановления оксида железа в уплотненном материале и науглероживания. Это необходимо потому, что, когда частично восстановленный материал загружают в плавильную печь для проведения окончательного восстановления, науглероживания и плавления, дополнительную загрузку углеродсодержащего восстановителя не осуществляют. Поэтому углеродсодержащий восстановитель необходимо примешивать в избытке, в количестве, необходимом для восстановления оксида железа в уплотненном материале и надежного науглероживания. Количество, необходимое для науглероживания, обычно составляет от 2 до 3,5%, но изменяется в зависимости от температурных условий и газовой среды во время науглероживания и плавления. Кроме того, углеродсодержащий восстановитель потребляется окислительным газом (СО2 или Н2О), образующимся при нагреве горелкой во время восстановления, и для надежности необходимо иметь некоторое количество углеродсодержащего восстановителя для восстановления остаточного оксида железа и науглероживания восстановленного железа; с учетом этого предпочтительно примешивать его в избыточном количестве, составляющем не меньше 3% по отношению к теоретическому эквивалентному количеству, чтобы восстановить оксид железа в уплотненном исходном материале. Однако излишнее содержание приводит к непродуктивному расходу, если исходить из экономии, и, предпочтительно, избыточное количество должно быть ограничено на уровне 6%.
Кроме того, для быстрого повышения температуры уплотненного материала во время восстановления в твердом состоянии, необходимого для развития восстановления в твердом состоянии, уплотненный материал уплотняют, предпочтительно, до достижения размера, выраженного через диаметр, не больше 25 мм. Когда размер уплотненного материала становится слишком большим, скорость нарастания температуры уплотненного исходного материала в результате нагревания горелкой и действия лучистой теплоты становится небольшой, и, возможно, эффект сокращения времени восстановления в твердом состоянии, подразумеваемый в настоящем изобретении, ослабится. Однако когда уплотненный материал настолько мал, что оболочка из металлического железа или оболочка из металлического железа в виде сетки образуется с трудом, исчезает тенденция развития быстрого восстановления при повышении внутреннего потенциала восстановления, и поэтому предпочтительно задавать размер, выраженный через диаметр, таким, чтобы он был не меньше 3 мм. Использованное в настоящей заявке выражение “выраженный через диаметр” не означает, что уплотненный материал обязательно должен иметь сферическую форму, но может иметь различные формы, например овальную, яйцевидную, форму короткого стержня (гранулы) и форму комка и т.д., которых достаточно для примера. Вкратце, если используют уплотненный исходный материал, имеющий размер, выраженный через диаметр, то возможны эффективное образование оболочки из металлического железа и повышение скорости восстановления, обусловленное повышением внутреннего потенциала восстановления.
В соответствии с настоящим изобретением коэффициент восстановления во время восстановления в твердом состоянии ограничивают в пределах от 30 до 80%, чтобы тем самым восстановление в твердом состоянии протекало наиболее эффективно, после чего полученный частично восстановленный материал в состоянии сохранения высокой температуры загружают в плавильную печь, чтобы быстро нагреть материал, и оксид железа, оставшийся в частично восстановленном материале, быстро восстанавливается и быстро науглероживается под воздействием углеродсодержащего восстановителя, в результате чего обеспечивается возможность получения жидкого металлического железа с весьма высокой эффективностью и в течение короткого промежутка времени.
Ниже настоящее изобретение будет описано более конкретно со ссылкой на чертеж. Понятно, что настоящее изобретение не ограничено иллюстративными примерами, и конечно, изменения, осуществленные соответствующим образом, находятся в рамках объема настоящего изобретения.
На фиг.2 приведена рабочая диаграмма, иллюстрирующая пример получения жидкого металлического железа согласно изобретению. Источник оксида железа (например, железную руду) и углеродсодержащий восстановитель (например, кокс, угольную пыль и т.д.) равномерно перемешивают и при необходимости смешивают со связующим веществом, таким, как бентонит и крахмал, чтобы получить уплотненный исходный материал. При изготовлении уплотненного исходного материала, описанного выше, углеродсодержащий восстановитель в избыточном количестве от 3 до 6% по отношению к теоретическому эквивалентному количеству, необходимому для восстановления оксида железа, примешивают к источнику оксида железа в исходном материале, а размер исходного материала в уплотненном виде, выраженный через диаметр, выбирают в пределах от 3 до 25 мм, а более предпочтительно в пределах от 6 до 20 мм. В наиболее общем случае форма уплотненного материала является примерно сферической, но удачно можно использовать другие формы, например овальную форму, форму яйца и форму короткого стержня. Кроме того, удовлетворяют поставленным требованиям таблетки, брикеты или комки. При изготовлении уплотненного исходного материала в него можно включить соответствующее количество известняка или гидроокиси кальция, обладающего свойством обессеривания.
Полученный уплотненный исходный материал загружают в восстановительную печь с подвижным подом, и восстановление в твердом состоянии проводят при его нагревании на поду. Восстановление в твердом состоянии осуществляют при повышении температуры, предпочтительно, не ниже чем до 800°С в продолжение 2 мин, более предпочтительно - не ниже чем до 1000°С, и нагревании при температуре атмосферы в печи от 1300°С до 1450°С. При использовании таких температурных условий восстановление уплотненного исходного материала происходит от поверхности с образованием оболочки из металлического железа на поверхности или с образованием оболочки, в котором металлическое железо вытянуто вокруг в виде сетки (см. фиг.6), и при этом газовая среда с высоким потенциалом восстановления образуется внутри оболочки из металлического железа или внутри сетчатой структуры, в результате чего здесь восстановление протекает быстро. Однако в настоящем изобретении коэффициент восстановления ограничен в пределах от 30 до 80% на стадии восстановления в твердом виде, и при этом восстановление протекает эффективно с получением частично восстановленного железа. В этом случае требуется весьма небольшое время, и восстановление в твердом состоянии заканчивается в течение примерно 3-5 мин.
Получаемый частично восстановленный материал образуется с оболочкой из металлического железа или с оболочкой, в которой металлическое железо вытянуто вокруг в виде сетки (см. фиг.6), и содержит оксид железа, не подвергшийся восстановлению, не вступивший в реакцию углеродсодержащий восстановитель и образовавшийся шлак, при этом температура находится в пределах высокотемпературного состояния, от 1350°С до 1450°С; и это частично восстановленное железо в высокотемпературном состоянии загружают в плавильную печь. Используемые плавильные печи включают, например, плавильную печь с электродуговым нагревом и сталелитейную ванну (в том числе конвертер); и поскольку высокая температура жидкого металлического железа, достигнутая ранее, сохраняется при загрузке (только первое время, а нагревание и плавку частично восстановленного железа осуществляют с помощью электродугового нагрева или аналогичного ему), то при нагревании жидкого металлического железа в плавильной печи восстановление остаточного оксида железа протекает быстро, а получаемое металлическое железо науглероживается посредством углеродсодержащего восстановителя, который присутствует в избытке, и быстро плавится, сливаясь с жидким металлическим железом в плавильной печи. Шлак, образующийся в это время, всплывает в плавильной печи на поверхность и может быть выпущен с поверхности с помощью соответствующих средств.
Полученное жидкое металлическое железо оставляют в плавильной печи или еще раз перемещают в нужное время в печь для рафинирования, чтобы провести технологические процессы, например декарбонизацию, обессеривание, дефосфоризацию и т.д., для получения жидкой стали; или к нему добавляют нужное количество легирующего элемента, чтобы получить жидкую легированную сталь.
То есть в соответствии с настоящим изобретением восстановление прекращают при коэффициенте восстановления, находящемся в пределах от 30 до 80%, когда достигается самая высокая скорость восстановления во время восстановления в твердом состоянии, а образовавшееся частично восстановленное железо подают в высокотемпературном состоянии в плавильную печь для осуществления дальнейшего восстановления, науглероживания и плавления. Теплоту, сохраняемую частично восстановленным железом, можно эффективно использовать, и частично восстановленное железо быстро нагревается высокотемпературным жидким металлическим железом, оставленным в плавильной печи для содействия окончательному восстановлению, науглероживанию и плавлению, и поэтому время обработки в целом существенно сокращается. Кроме того, время, необходимое для восстановления в твердом состоянии, находится в пределах 10 мин, даже если, как описано выше, добавляется время, необходимое для повышения температуры, и соответственно окончательное восстановление, науглероживание и плавление в плавильной печи также можно завершить в течение короткого промежутка времени, находящегося в пределах 10 мин, и поэтому имеется возможность сохранения баланса времени и тепловой энергии между обеими стадиями и значительного упрощения ряда звеньев управления стадиями. Кроме того, что касается скорости получения продукта, то ее можно соответствующим образом согласовать путем выбора производительности плавильной печи в соответствии с объемом печи для восстановления в твердом состоянии.
На фиг.3 схематично показано устройство в разрезе для осуществления изобретения, включающее восстановительную печь и плавильную печь, к которым относится настоящее изобретение. Восстановительная печь 1 с вращающимся подом использована в качестве восстановительной печи с подвижным подом, плавильная печь 2 с электродуговым нагревом расположена рядом с местом установки печи 1, и высокотемпературное частично восстановленное железо А, непрерывно получаемое в восстановительной печи 1, сразу же подают в плавильную печь 2 с электродуговым нагревом для осуществления дальнейшего восстановления, науглероживания и плавления. Полученное жидкое железо Fe и полученный шлак можно извлекать из плавильной печи 2 непрерывно или периодически.
На фиг.4 схематично показан другой пример применения изобретения. Восстановительная печь 1 с вращающимся подом, аналогичная указанной выше, использована в качестве восстановительной печи с подвижным подом, сталелитейная ванна (конвертер) расположена рядом с местом установки печи 1; а высокотемпературное частично восстановленное железо, непрерывно получаемое в восстановительной печи 1, сразу же подают в сталелитейную печь 3 для осуществления дальнейшего восстановления, науглероживания и плавления, при этом кислород (или воздух) вдувается верхней фурмой для дутья или нижней фурмой, чтобы содействовать обезуглероживающему рафинированию с целью получения жидкого металлического железа, и осуществляют отделение образовавшегося шлака, плавающего на поверхности. Если содержание S, Р, Si и т.д. в частично восстановленном железе слишком высокое, проводят обессеривание, дефосфоризацию и удаление кремния при выполнении продувки, а после этого при необходимости добавляют соответствующее количество легирующего элемента, чтобы получить легированную сталь.
Хотя в настоящем изобретении использована восстановительная печь с подвижным подом, можно использовать любую восстановительную печь, например с вращающимся подом, с ровной колосниковой решеткой или аналогичную, а также печи, обладающие функцией непрерывного нагревания уплотненного исходного материала посредством горелки или аналогичного средства на поду, который движется непрерывно. Кроме того, хотя на приведенном выше чертеже показан пример, в котором частично восстановленный материал извлекают из восстановительной печи с вращающимся подом в одном месте и подают в плавильную печь, следует обратить внимание на то, что, как показано, например, на фиг.5, частично восстановленный материал можно извлекать в нескольких местах (на чертеже в двух местах) из восстановительной печи с вращающимся подом и подавать в плавильную печь. Также можно использовать любые плавильные печи, если они имеют конструкцию, в которой металлическое железо можно нагревать и расплавлять, и использовать печь с электродуговым нагревом и сталелитейную ванну (включая конвертер).
В настоящем изобретении, описанном выше, во время процесса восстановления в твердом состоянии при использовании восстановительной печи с подвижным подом коэффициент восстановления ограничивают в пределах от 30 до 80%, а полученный частично восстановленный материал в состоянии сохранения высокой температуры подают в плавильную печь, и окончательное восстановление и науглероживание, а также плавление осуществляют так, чтобы насколько возможно уменьшить потери огнеупорного материала при плавке в восстановительной печи и в плавильной печи и чтобы эффективно получить жидкое металлическое железо в продолжение короткого периода времени. Кроме того, в настоящем изобретении промежуток времени, необходимый для получения частично восстановленного материала путем восстановления в твердом состоянии, ненамного отличается от промежутка времени, необходимого для загрузки частично восстановленного материала в плавильную печь для осуществления дальнейшего восстановления и науглероживания, а также плавления, однако между обеими стадиями можно в разумных пределах поддерживать баланс времени и энергии; поэтому высокотемпературный частично восстановленный материал можно эффективно использовать в качестве источника теплоты для плавильной печи и можно снизить потребление энергии как плавильной печью, так и всем оборудованием, до минимального предела.
Формула изобретения
1. Способ получения жидкого металлического железа, включающий уплотнение исходного материала, состоящего из углеродсодержащего восстановителя и вещества, содержащего оксид железа, загрузку уплотненного исходного материала в восстановительную печь с подвижным подом, восстановление в восстановительной печи уплотненного исходного материала, загрузку его при сохранении высокой температуры в плавильную печь и окончательное восстановление и плавление, отличающийся тем, что восстановление уплотненного исходного материала осуществляют до коэффициента восстановления от 30 до 80% с получением частично восстановленного материала с оболочкой из металлического железа или с оболочкой в виде сетки из металлического железа, содержащей внутри или в промежутках оболочки образовавшийся шлак, спеченный с невосстановленным оксидом железа, и не вступивший в реакцию углеродсодержащий восстановитель.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уплотненный исходный материал образуют уплотнением вместе с углеродсодержащим восстановителем в избыточном количестве от 3 до 6 мас.% по отношению к теоретическому эквивалентному количеству, необходимому для восстановления оксида железа, содержащегося в указанном уплотненном материале.
3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве плавильной печи используют плавильную печь с электродуговым нагревом или сталелитейную ванну, в которой восстанавливают оксид железа, оставшийся в уплотненном исходном материале, а восстановленное железо науглероживают посредством углеродсодержащего восстановителя, чтобы его расплавить.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что при восстановлении внутреннюю температуру восстановительной печи поддерживают в пределах от 1350 до 1450°С.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что восстановление уплотненного исходного материала в восстановительной печи осуществляют в течение от 3 до 5 мин.
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что уплотненный исходный материал образуют уплотнением в окатыши или брикеты, имеющие диаметр от 3 до 25 мм.
7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что температуру уплотненного исходного материала, загруженного в восстановительную печь, поднимают не ниже чем до 800°С в течение 2 мин.
РИСУНКИ
