Способ производства металлического железа
Изобретение относится к производству металлического железа. Способ включает нагрев шихты, которая содержит содержащий оксид железа материал и углеродистый восстановитель, на подвижном поде для восстановления оксида железа в шихте. Шихту загружают после распределения по поду порошкового и гранулированного регулирующего атмосферу углеродистого материала, при этом в качестве такового регулирующего атмосферу углеродистого материала используют повторно не уплотняющийся углеродистый материал. В качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала используют углеродистый материал с диаметром частиц по существу 3,35 мм или менее, 20% или более от массы которого составляют частицы диаметром в диапазоне от 0,5 до 3,35 мм. Изобретение позволит обеспечить восстановление в твердой фазе с высокой эффективностью и стабильностью технологического процесса. 10 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 табл.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу производства металлического железа и, в частности, к усовершенствованному способу, позволяющему добиться бесперебойной непрерывной работы путем предупреждения явления, заключающегося в том, что при производстве металлического железа термическим восстановлением смеси из содержащего оксид железа материала и углеродистого восстановителя на подвижном поде регулирующий атмосферу углеродистый материал, который распределяют по подвижному поду с целью повышения восстановительного потенциала атмосферы на поде для термического восстановления, повторно уплотняется, образуя сплошное тело в форме листа, что вызывает снижение функциональности.
Уровень техники
К относительно новым способам производства металлического железа термическим восстановлением источника оксида железа, такого как железная руда и т.п., относится способ производства металлического железа, включающий в себя восстановление оксида железа путем нагрева на подвижном поде порошковой смеси, содержащей источник, оксида железа, такой как железная руда, и углеродистый восстановитель, такой как углеродистый материал, или же содержащей углеродистый материал шихты, агломерированной путем окомковывания упомянутой смеси.
При реализации этого способа происходит выполнение известного способа, в котором, с целью повышения восстановительного потенциала на подвижном поде термического восстановления для повышения эффективности восстановления перед завалкой шихты по поду распределяют регулирующий атмосферу углеродистый материал (см., например, публикации нерассмотренных заявок на патент Японии №№ 11-106816, 11-106816, 11-172312, 11-335712, 2000-45008 и т.д.). Было подтверждено, что регулирующий атмосферу углеродистый материал обеспечивает эффективное функционирование, предупреждая непосредственный контакт между огнеупорной футеровкой пода и металлическим железом и образовавшимся шлаком, которые являются продуктами термического восстановления, и подавляя коррозию огнеупорной футеровки пода.
В результате проведения исследований способа производства металлического железа с использованием регулирующего атмосферу углеродистого материала авторы настоящего изобретения обнаружили, что описанным выше обычным способам присущи перечисленные ниже нерешенные проблемы.
Важнейшая проблема, связанная с обычными способами, заключается в том, что порошковый и гранулированный углеродистый материал, применяемый для регулирования атмосферы, на стадии термического восстановления содержащей оксид железа шихты, плавится и уплотняется в форме «рисовых крекеров», испытывая при этом скручивание, зависящее от типа порошкового и гранулированного углеродистого материала, и таким образом значительно затрудняя непрерывный производственный процесс. При возникновении во время производственного процесса такого явления на поде возникают следующие различные проблемы.
(1) Металлическое железо и образующийся шлак, полученные при термическом восстановлении, обычно затвердевают при охлаждении на самой нижней по ходу стороне производственного устройства, а затем удаляются с пода посредством скребкового механизма, такого как шнек или что-либо подобное. Однако скрученный, повторно уплотнившийся в форме «рисовых крекеров» углеродистый материал так же захватывается скребковым механизмом, тем самым значительно затрудняя выгрузку металлического железа и образующегося шлака с пода.
(2) Когда повторно уплотнившийся в форме рисовых крекеров углеродистый материал принудительно выгружается с пода с помощью скребкового механизма, к скребковому механизму прикладывается большое усилие, которое может привести к поломке этого механизма. Кроме того, огнеупорная футеровка пода повреждается повторно уплотнившимся углеродистым материалом, что ведет к значительному снижению ее долговечности.
(3) Полученное восстановлением металлическое железо частично захватывается в повторно уплотнившийся углеродистый материал, что ведет к снижению коэффициента извлечения металлического железа.
(4) При распределении повторно уплотняющегося углеродистого материала на поде перед завалкой шихты этот углеродистый материал повторно уплотняется в форме рисовых крекеров, претерпевая при этом скручивание. Поэтому при завалке шихты на такой повторно уплотнившийся углеродистый материал шихта «стекает» к нижней части или проваливается в щели в слое углеродистого материала, что мешает равномерному распределению шихты по толщине.
Кроме того, большая часть углеродистого материала, выгруженного с пода, все еще сохраняет высокую восстановительную активность. Однако при использовании обычной технологии углеродистый материал направляют в отходы практически без дополнительной обработки, что оставляет возможность для внесения улучшений с точки зрения эффективного повторного использования ценных ресурсов.
К настоящему изобретению пришли исходя из анализа вышеуказанной ситуации и поэтому целью настоящего изобретения является решение вышеуказанных различных проблем, связанных с углеродистым материалом в форме рисовых крекеров, образующимся в результате повторного уплотнения порошкового и гранулированного углеродистого материала, применяемого для регулирования атмосферы. Другой целью настоящего изобретения является разработка технологии эффективной рециркуляции использованного углеродистого материала, все еще обладающего восстановительной активностью, для снижения расхода регулирующего атмосферу углеродистого материала.
Раскрытие изобретения
Для того чтобы достичь упомянутых целей, способ производства металлического железа согласно настоящему изобретению включает в себя нагрев шихты, в состав которой входит содержащий оксид железа материал и углеродистый восстановитель, на подвижном поде для восстановления содержащегося в шихте оксида железа, причем эту шихту загружают после распределения по поду регулирующего атмосферу порошкового и гранулированного углеродистого материала и в качестве такого регулирующего атмосферу углеродистого материала используют повторно не уплотняющийся углеродистый материал.
В качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала, используемого в настоящем изобретении, предпочтительным является углеродистый материал с диаметром гранул по существу 3,35 мм или менее, 20% или более от массы которого приходится на гранулы с диаметром в диапазоне от 0,5 до 3,35 мм и который имеет максимальную степень текучести, равную 0 (нулю). Другим предпочтительным примером регулирующего атмосферу углеродистого материала является повторно не уплотняющийся углеродистый материал, полученный путем термообработки повторно уплотняющегося углеродистого материала при температуре примерно 500°С или более.
Кроме того, извлеченный углеродистый материал, уже подвергнутый нагреву вследствие использования в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала в устройстве для производства металлического железа, теряет свою способность к повторному уплотнению благодаря такой термообработке и становится повторно не уплотняющимся. Поэтому извлеченный углеродистый материал также может эффективно использоваться в качестве повторно не уплотняющегося углеродистого материала, а углеродистый материал, с самого начала являющийся повторно не уплотняющимся, сохраняет эту свою способность при термообработке и, таким образом, может быть извлечен и рециркулирован, т.е. может быть использован снова.
Другим эффективным углеродистым материалом в настоящем изобретении является смешанный повторно не уплотняющийся углеродистый материал, который содержит повторно уплотняющийся углеродистый материал и повторно не уплотняющийся углеродистый материал. В этом случае в качестве повторно уплотняющегося углеродистого материала может использоваться свежий углеродистый материал, а в качестве повторно не уплотняющегося углеродистого материала может использоваться углеродистый материал, подвергнутый термообработке при температуре примерно 500°С или более. В частности, углеродистый материал, уже подвергнутый нагреву в устройстве для производства металлического железа, теряет свою способность к повторному уплотнению благодаря термообработке и поэтому подвергнутый нагреву углеродистый материал извлекают и рециркулируют, обеспечивая тем самым преимущество, заключающееся в том, что может быть снижено потребление регулирующего атмосферу углеродистого материала наряду с эффективной утилизацией отходов.
Кроме того, благодаря использованию такого способа рециркуляции углеродистого материала мелкозернистое металлическое железо и образовавшийся шлак, смешанные с извлеченным углеродистым материалом, могут быть извлечены при обработке на следующей стадии, что позволяет повысить коэффициент извлечения металлического железа. При эффективном использовании образовавшегося шлака в качестве побочного продукта можно также повысить коэффициент извлечения шлака.
В случае использования смеси повторно уплотняющегося углеродистого материала и повторно не уплотняющегося углеродистого материала предпочтительный состав такой смеси зависит от способности применяемого повторно уплотняющегося материала к повторному уплотнению, однако массовая доля повторно не уплотняющегося углеродистого материала предпочтительно находится в диапазоне 50-90% по сравнению с массовой долей повторно уплотняющегося углеродистого материала в 50-10%.
При реализации этого способа часть металлического железа, в особенности мелкозернистого металлического железа, выгруженного из печи с подвижным подом, предпочтительно возвращают в эту печь с подвижным подом, при этом углеродистый материал может быть эффективно извлечен с помощью статического электричества. Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана блок-схема процесса восстановления и плавления, выполняемая в примере реализации настоящего изобретения;
на фиг.2 показана блок-схема процесса восстановления и плавления, выполняемая в другом примере реализации настоящего изобретения;
на фиг.3 показана блок-схема процесса восстановления и плавления, выполняемая в еще одном примере реализации настоящего изобретения;
на фиг.4 показана блок-схема процесса восстановления и плавления, выполняемая в сравнительном примере настоящего изобретения;
на фиг.5 показана блок-схема, демонстрирующая этап разделения металлического железа, образовавшегося шлака и извлеченного углеродистого материала согласно настоящему изобретению.
Наилучшие варианты реализации настоящего изобретения
Настоящее изобретение может быть применено к способам, описанным, например, в патенте США №6036744 и публикациях нерассмотренных заявок на патент Японии №№9-256017, 2000-144224 и 11-131119, в которых содержащий оксид железа материал, такой как железная руда, смешивают с углеродистым восстановителем, таким как углеродистый материал, и, в случае необходимости, полученную смесь подвергают агломерированию или окомковыванию, восстанавливают при нагреве на подвижном поде и далее нагревают для плавления и агрегации полученного восстановленного железа и отделения образовавшегося шлака, с получением гранулированного или кускового металлического железа с высокой степенью чистоты.
Как указано выше в описании уровня техники, уже известно, что при практическом применении описанного выше способа производства металлического железа в качестве средства для обеспечения эффективного протекания процесса термического восстановления источника оксида железа, присутствующего в шихтовой смеси на подвижном поде, перед завалкой шихты на поде распределяют (рассыпают) регулирующий атмосферу порошковый и гранулированный углеродистый материал для поддержания восстановительного потенциала на поде во время термического восстановления на высоком уровне. В результате возрастает эффективность восстановления, что позволяет повысить коэффициент извлечения металлического железа.
Однако обычная технология ведет к возникновению в производственном процессе перечисленных выше различных трудностей, которые связаны с явлением повторного уплотнения углеродистого материала в форме листа под воздействием нагрева с целью плавления и восстановления и которые зависят от типа используемого регулирующего атмосферу углеродистого материала.
По этой причине были проведены исследования с целью разрешения описанных выше проблем, связанных с повторным уплотнением регулирующего атмосферу углеродистого материала, и с целью обеспечения эффективного и бесперебойного с различных точек зрения производства металлического железа. В результате было обнаружено, что указанные проблемы можно решить за счет использования в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала, такого углеродистого материала, который способен сохранять порошкообразное и гранулированное состояние без повторного уплотнения (т.е. образования сплошного тела) даже в условиях нагревания с целью восстановления и плавления шихтовой смеси. Это привело к созданию настоящего изобретения.
Таким образом, настоящее изобретение характеризуется использованием, в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала повторно не уплотняющегося углеродистого материала. Примеры таких повторно не уплотняющихся углеродистых материалов включают в себя нижеследующие материалы.
(1) Углеродистый материал с диаметром гранул по существу 3,35 мм или менее, 20% или более от массы которого, а предпочтительно - 40% или более от массы которого, приходится на гранулы с диаметром в диапазоне от 0,5 до 3,35 мм и который имеет максимальную степень текучести (которая будет описана ниже), равную нулю (0).
Углеродистый материал с таким гранулометрическим составом и такой максимальной степенью текучести повторно не уплотняется при по существу восстановительных высокотемпературных условиях (обычно от 700 до 1600°С, а чаще - от 900 до 1500°С) и сохраняет свое порошкообразное и гранулированное состояние. Однако, как описано в приведенных ниже примерах, было установлено, что даже при максимальной степени текучести, равной нулю, порошковый и гранулированный углеродистый материал, имеющий диаметр гранул в 3,35 мм или менее и содержащий по массе менее 20% крупных гранул с диаметром в диапазоне от 0,5 до 3,35 мм, претерпевает повторное уплотнение при температурных условиях восстановления и плавления. Хотя причина этого не известна до сих пор, считается, что этот углеродистый материал содержит большое количество мелких частиц (зерен) с размерами менее 0,5 мм, и эти мелкие частицы служат связующим, способствующим повторному уплотнению углеродистого материала. Кроме того, при увеличении доли мелких частиц с размерами менее 0,5 мм значительно возрастает рассеивание, вызванное потоком воздуха в устройстве для производства металлического железа.
Крупнокусковой углеродистый материал с диаметром частиц более 3,35 мм не создает никаких проблем, связанных с повторным уплотнением, однако примешивания крупнокускового материала с диаметром частиц более 3,35 мм следует по возможности избегать, поскольку вследствие недостаточной площади поверхности происходит ухудшение выполнения функции углеродистого материала как регулятора атмосферы. Для эффективного выполнения функции углеродистого материала как регулятора атмосферы предпочтительным является использование такого материала, 60% или менее от массы которого приходится на частицы диаметром от 0,5 до 3,35 мм.
(2) Углеродистый материал, подвергнутый термообработке при температуре примерно 500°С или более.
Авторы изобретения убедились в том, что повторно уплотняющийся углеродистый материал теряет свою способность к повторному уплотнению в результате термообработки при температуре примерно 500°С или более в неокислительной атмосфере и становится не способным к повторному уплотнению. Поэтому, когда недостаточно пригодный из-за повторного уплотнения углеродистый материал подвергают термообработке при температуре примерно 500°С или более, предпочтительно при температуре примерно 600-1200°С, в течение примерно от 5 до 15 минут в неокислительной атмосфере, данный материал может быть превращен в углеродистый материал, который без всяких проблем можно использовать в качестве повторно не уплотняющегося углеродистого материала.
При производстве металлического железа с использованием печи с подвижным подом извлеченный углеродистый материал, отделенный от металлического железа и образовавшегося шлака, т.е. извлеченный после использования в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала, испытывает нагрев, соответствующий упомянутой термообработке, и таким образом превращается в повторно не уплотняющийся углеродистый материал за счет нагрева в неокислительной атмосфере. Поэтому рециркулируемый углеродистый материал может быть эффективно использован в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала при соответствующем упомянутым требованиям контроле гранулометрического состава после извлечения.
(3) Смешанный повторно не уплотняющийся углеродистый материал, содержащий повторно уплотняющийся углеродистый материал и подходящее количество повторно не уплотняющегося углеродистого материала.
Как показано в приведенных ниже примерах, при смешивании подходящего количества повторно не уплотняющегося углеродистого материала с повторно уплотняющимся углеродистым материалом, имеющим максимальную степень текучести более нуля, смешанный углеродистый материал может в целом стать повторно не уплотняющимся и может, таким образом, использоваться в качестве повторно не уплотняющегося регулирующего атмосферу углеродистого материала. В качестве повторно не уплотняющегося углеродистого материала могут использоваться описанный выше повторно не уплотняющийся углеродистый материал, полученный путем термообработки повторно уплотняющегося углеродистого материала, и описанный выше извлеченный углеродистый материал, который был извлечен после воздействия на него нагрева в устройстве для производства металлического железа.
Предпочтительное количество повторно не уплотняющегося углеродистого материала, смешанного с повторно уплотняющимся углеродистым материалом, зависит от степени способности используемого повторно уплотняющегося углеродистого материала к повторному уплотнению, например, от величины максимальной степени текучести. В случае с повторно уплотняющимся углеродистым материалом, первоначально обладающим низкой степенью текучести, весь материал может быть превращен в повторно не уплотняющийся углеродистый материал путем подмешивания лишь небольшого количества повторно не уплотняющегося углеродистого материала, в то время как к повторно уплотняющемуся углеродистому материалу с высокой степенью текучести должно быть подмешано относительно большое количество повторно не уплотняющегося углеродистого материала. Однако стандартное количество повторно не уплотняющегося углеродистого материала, подмешиваемого для того, чтобы сделать повторно уплотняющийся углеродистый материал повторно не уплотняющимся, находится в диапазоне от 50 до 90 мас.%, по сравнению с 50-10 мас.% повторно уплотняющегося углеродистого материала, а чаще - в пределах от 40 до 90 мас.%, по сравнению с 60-10 мас.% повторно уплотняющегося углеродистого материала.
Из числа описанных выше материалов наиболее предпочтительными материалами для настоящего изобретения являются извлеченный углеродистый материал, модифицированный до повторно не уплотняющегося посредством термообработки в устройстве для производства металлического железа, и смешанный углеродистый материал, который сделали повторно не уплотняющимся путем смешивания извлеченного углеродистого материала с повторно уплотняющимся углеродистым материалом. В обычной технологии, предусматривающей использование регулирующего атмосферу углеродистого материала с целью повышения эффективности восстановления, регулирующий атмосферу углеродистый материал, выгруженный вместе с металлическим железом и образовавшимся шлаком, не извлекается и не рециркулируется, а в большинстве случаев идет в отвалы вместе с образовавшимся шлаком.
Однако углеродистый материал, используемый в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала, должен поддерживать восстановительную активность с целью предотвращения повторного окисления металлического железа даже на конечной стадии термического восстановления и плавления, и поэтому выгруженный углеродистый материал обладает значительной восстановительной активностью и может быть использован в качестве восстановителя. Более того, как описано выше, извлеченный углеродистый материал преобразуется в повторно не уплотняющийся углеродистый материал под воздействием нагрева, осуществляемого для восстановления и плавления источника оксида железа. Следовательно, за счет эффективного использования извлеченного повторно не уплотняющегося углеродистого материала в качестве рециркулируемого углеродистого материала можно надежно предотвратить повторное уплотнение углеродистого материала с целью дальнейшего повышения стабильности производственного процесса по сравнению с использованием свежего углеродистого материала.
Кроме того, при описанной выше рециркуляции извлеченного углеродистого материала значительное количество мелкозернистого металлического железа, содержащегося в извлеченном углеродистом материале, снова возвращается в устройство для производства металлического железа, что способствует повышению эффективности извлечения металлического железа. Аналогичным образом, когда образовавшийся шлак также извлекается в качестве ценного ресурса, шлак, смешанный в виде мелких частиц с извлеченным углеродистым материалом, также возвращается в устройство для производства металлического железа вместе с углеродистым материалом, что способствует повышению эффективности извлечения образовавшегося шлака.
Благодаря надлежащему использованию описанного выше настоящего изобретения можно добиться следующих многочисленных преимуществ.
1) Может быть решена проблема повторного уплотнения углеродистого материала.
2) Углеродистый материал, который сохраняет восстановительную активность и который обычно идет в отвалы, может быть эффективно использован, что способствует понижению расхода углеродистого материала.
3) Мелкие частицы металлического железа, которые идут в отвалы и теряются вместе с углеродистым материалом, рециркулируются вместе с углеродистым материалом, что повышает эффективность извлечения металлического железа.
4) Аналогично, образовавшийся шлак может быть извлечен в качестве ценного ресурса, повышая эффективность извлечения.
Кроме того, конструкция устройства, применяемого для реализации настоящего изобретения, т.е. нагревательной печи с подвижным подом для восстановления и плавления, никоим образом не ограничена и поэтому могут использоваться все восстановительные плавильные печи, описанные, например, в патенте США №6036744 и публикациях нерассмотренных заявок на патент Японии №№9-256017, 2000-144224 и 11-131119. Однако в качестве предпочтительного устройства рекомендуется печь с вращающимся подом, которая обеспечивает непрерывное эффективное выполнение операции, состоящей из термического восстановления шихты, плавления восстановленного железа и агрегирования расплавленного железа в гранулированный материал с отделением образовавшегося шлака.
В настоящем изобретении не ограничивается также тип материала, содержащего оксид железа и используемого в качестве источника железа, и поэтому, наряду с обычной железной рудой, в качестве сырья (в составе шихты) могут использоваться отходы производства железа, такие как пыль чугуноплавильного и сталеплавильного производства, отгруженные с металлургического предприятия, а также классифицированный и оборотный железный лом (скрап). Эти источники железа могут использоваться согласно потребности в виде сочетания множества упомянутых источников.
Кроме того, никоим образом не ограничивается углеродистый восстановитель, необходимый для восстановления содержащего оксид железа материала, и допускается использование любого материала при условии, что он содержит углерод в качестве основного компонента и выделяет при сжигании или пиролизе восстанавливающий монооксид углерода. Кроме того, в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала допустимо использование любого материала при условии, что он может быть преобразован в повторно не уплотняющийся углеродистый материал путем, модификации или смешивания с любым из различных типов угля или кокса, которые применимы в целях настоящего изобретения согласно потребностям.
Предусматриваемые условия восстановления и плавления не являются особыми, и поэтому могут использоваться условия, описанные, например, в патенте США №6036744 и публикациях нерассмотренных заявок на патент Японии №№9-256017, 2000-144224 и 11-131119. Однако предпочтительные стандартные условия обеспечиваются двухступенчатой системой нагрева, в которой твердофазное восстановление осуществляется при температуре печи, поддерживаемой в диапазоне от 1200 до 1500°С, предпочтительно - в диапазоне от 1200 до 1400°С, после чего температура печи повышается до 1400-1500°С с целью восстановления оставшегося оксида железа и плавления полученного металлического железа (восстановленного железа) с агрегацией железа в гранулы. Соблюдение этих условий обеспечивает стабильное производство гранулированного металлического железа с высоким выходом. Время, необходимое для этого, составляет примерно от 8 до 13 минут. При этих условиях твердофазное восстановление оксида железа, плавление и слияние (коалесценция) могут быть завершены в течение столь короткого периода времени.
Кроме того, согласно вышеописанному настоящему изобретению регулирующий атмосферу углеродистый материал распределяют (рассыпают) по поду печи для восстановления оксида железа с целью поддержания на высоком уровне восстановительного потенциала на поде, тем самым стабильно поддерживая высокую эффективность восстановления без повторного окисления восстановленного железа, в особенности на заключительной стадии термического восстановления или во время плавления восстановленного железа. Распределенный по футеровке пода углеродистый материал может также предотвратить ведущий к износу футеровки непосредственный контакт полученных путем восстановления и плавления расплавленного железа и образовавшегося шлака с огнеупорной футеровкой, способствуя таким образом увеличению срока службы футеровки пода. Для эффективного выполнения этих функций толщина слоя регулирующего атмосферу углеродистого материала, распределенного по поверхности пода, предпочтительно составляет от 1 до 10 мм.
Обычно металлическое железо, образовавшийся шлак и регулирующий атмосферу углеродистый материал выгружают из устройства для производства металлического железа в смешанном состоянии. Из этих выгруженных материалов металлическое железо можно извлечь с помощью магнитных сил или тому подобного. Часть металлического железа, в особенности мелкие частицы, предпочтительно возвращают в печь с подвижным подом и повторно агрегируют в ней, тем самым предпочтительным образом повышая выход крупнозернистого металлического железа, с которым легче обращаться как с продуктом и которое в меньшей мере подвержено потерям, связанным с повторным окислением. Кроме того, образовавшийся шлак и регулирующий атмосферу углеродистый материал могут быть по существу разделены путем грохочения, однако оба материала предпочтительно разделяют с помощью статического электричества, поскольку частицы, имеющие по существу одинаковые размеры, или мелкие частицы, которые невозможно разделить с помощью грохота, можно легко разделить таким образом. Сочетание операции разделения с использованием грохота или магнитных сил и операции разделения с использованием статического электричества является очень эффективным.
ПРИМЕРЫ
Хотя устройство по настоящему изобретению и его работа будут описаны подробно ниже со ссылкой на примеры, настоящее изобретение не ограничивается этими примерами и может осуществляться с любыми подходящими модификациями в рамках сущности настоящего изобретения, описанного выше и ниже. Все такие модификации охватываются сущностью настоящего изобретения.
Пример 1
Каждый из углеродистых материалов, имеющих химический состав, показанный ниже в таблице 1, был независимо подвергнут описанному ниже испытанию нагревом. Размер частиц каждого из углеродистых материалов контролировался в пределах от 0,5 до 1,0 мм. Каждый углеродистый материал нагревали до температуры 1000°С в течение 90 секунд в атмосфере азота в трубчатой электрической печи, охлаждали и затем изучали его внешний вид, стремясь найти признаки повторного уплотнения. Кроме того, измеряли максимальную степень текучести каждого углеродистого материала. Определение максимальной степени текучести дано в промышленном стандарте Японии (от английского Japan Industrial Standard) JIS M8801, и ее можно определить с помощью пластометра Гизелера. Максимальной степенью текучести является величина, представленная логарифмом делений шкалы в минуту (от английского DDPM, т.е. dial divisions per minute).
Полученные результаты показаны в таблице 1. Углеродистые материалы от А до F, обладающие максимальной степенью текучести, равной 0 (нулю), не демонстрируют способности к повторному уплотнению и сохраняют порошкообразное и гранулированное состояние после термообработки. С другой стороны, углеродистые материалы от G до J, обладающие максимальной степенью текучести, превышающей 0, повторно уплотнялись, находясь в насыпном состоянии в трубчатой электрической печи. Было также подтверждено, что углеродистые материалы К и L, полученные путем термообработки углеродистых материалов I и J соответственно при температуре 1000°С в течение 8 минут в атмосфере азота, в результате термообработки потеряли способность к повторному уплотнению.
| Таблица 1 | |||||||
| Обозначение | Образец углеродистого материала | Аналитическое значение (мас.%) | Результат испытания нагревом | Максимальная степень текучести при температуре размягчения | |||
| Зольность | Содержание летучих | Связанный углерод | Всего | ||||
| А | Углеродистый материал | 13,5 | 2,0 | 84,5 | 100 | Нет повторного уплотнения | 0 |
| В | Углеродистый материал | 0,1 | 7,5 | 92,7 | 100 | Нет повторного уплотнения | 0 |
| С | Углеродистый материал | 17,0 | 5,6 | 77,1 | 100 | Нет повторного уплотнения | 0 |
| D | Углеродистый материал | 4,5 | 7,1 | 88,5 | 100 | Нет повторного уплотнения | 0 |
| Е | Углеродистый материал | 13,6 | 9,4 | 77,0 | 100 | Нет повторного уплотнения | 0 |
| F | Углеродистый материал | 16,7 | 16,9 | 66,4 | 100 | Нет повторного уплотнения | 0 |
| G | Углеродистый материал | 11,9 | 37,2 | 50,9 | 100 | Повторное уплотнение | 0,2 |
| Н | Углеродистый материал | 9,8 | 15,9 | 74,3 | 100 | Повторное уплотнение | 0,5 |
| I | Углеродистый материал | 7,4 | 35,4 | 57,2 | 100 | Повторное уплотнение | 1,1 |
| J | Углеродистый материал | 8,8 | 19,6 | 71,6 | 100 | Повторное уплотнение | 2,6 |
| К | продукт термообработки материала I | Нет повторного уплотнения | |||||
| L | продукт термообработки материала L | Нет повторного уплотнения |
Из числа углеродистых материалов, показанных в таблице 1, каждый углеродистый материал, обладающий способностью к повторному уплотнению, смешивали с повторно не уплотняющимся материалом и полученную смесь нагревали до температуры 1000°С в течение 90 секунд в атмосфере азота с целью исследования способности к повторному уплотнению. Полученные результаты показаны в таблице 2. Таблица 2 указывает на возможность получения смешанного повторно не уплотняющегося углеродистого материала путем смешивания подходящего количества повторно не уплотняющегося углеродистого материала с повторно уплотняющимся углеродистым материалом. В этом случае было признано, что при использовании повторно уплотняющегося углеродистого материала с высокой максимальной степенью текучести необходимо увеличить долю в смеси повторно не уплотняющегося углеродистого материала для устранения способности к повторному уплотнению.
| Таблица 2 | ||
| Основной углеродистый материал (повторно уплотняющийся углеродистый материал) | Вспомогательный углеродистый материал (повторно не уплотняющийся углеродистый материал) | Доля в смеси вспомогательного углеродистого материала для получения повторно не уплотняющейся смеси (мас.%) |
| I | К | 80 |
| J | L | 90 |
| I | С | 80 |
| J | С | 90 |
| Н | А | 60 |
| Н | В | 60 |
| Н | С | 60 |
| Н | D | 60 |
| Н | Е | 60 |
| Н | F | 60 |
| G | С | 60 |
Пример 2
При производстве металлического железа путем восстановления и плавления содержащих углеродистый материал железорудных окатышей (диаметром от 16 до 20 мм) в плавильно-восстановительном устройстве с вращающимся подом с использованием показанного в таблице 1 углеродистого материала Н (с диаметром частиц 3 мм или менее) в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала согласно блок-схеме по фиг.1 был выполнен эксперимент по рециркуляции регулирующего атмосферу углеродистого материала. А именно, регулирующий атмосферу углеродистый материал (смесь свежего углеродистого материала Н и его же рециркулируемого аналога) рассыпали слоем толщиной примерно от 3 до 6 мм по поду печи с вращающимся подом на участке завалки шихты, после чего на под были загружены окатыши, с последующим нагревом для восстановления и плавления этих окатышей. Затем полученное восстановленное железо и образовавшийся шлак охладили вместе с регулирующим атмосферу углеродистым материалом, оставшимся на поде, и выгрузили из печи с помощью скребкового механизма. Выгруженный материал поместили в магнитный сепаратор и пропустили через грохот с целью разделения восстановленного железа, образовавшегося шлака и оставшегося углеродистого материала. Отделенные остатки углеродистого материала извлекли, возвратили в качестве рециркулируемого углеродистого материала на участок завалки шихты и использовали снова. Условия процесса восстановления и плавления были следующими.
Условия выполнения технологического процесса
В качестве шихты применяли окатыши: исходное железорудное сырье с химическим составом, приведенным ниже, смешали с порошком углеродистого материала при массовом отношении 78:22, с добавлением к полученной смеси небольшого количества связующего. Затем эту смесь гранулировали и высушили, получив окатыши со средним диаметром 18 мм.
Химический состав железорудного сырья (в мас.%): Fe всего: 68,1%; SiO2: 1,4%; Al2O3: 0,5%.
Условия проведения процесса;
зона термического восстановления: температура примерно 1350°С, длительность выдержки 10 минут;
зона плавления: температура примерно 1450°С, длительность выдержки 5 минут.
По этому способу осуществляли непрерывный процесс с использованием 40 частей по массе свежего углеродистого материала и 60 частей по массе рециркулируемого углеродистого материала. В результате смешанный углеродистый материал на этапе восстановления и плавления повторно не уплотнялся, за счет чего можно было бесперебойно осуществить его выгрузку из подовой печи скребковым механизмом и рециркуляцию, таким образом обеспечивая непрерывность работы безо всяких затруднений.
Пример 3
Другой эксперимент был проведен согласно блок-схеме, показанной на фиг.2, с использованием такого же плавильно-восстановительного устройства типа печи с вращающимся подом, как и описанное выше. В этом устройстве показанный в таблице 1 свежий углеродистый материал I (повторно уплотняющийся), показанный в таблице 1 свежий углеродистый материал F (повторно не уплотняющийся) и рециркулированный материал, извлеченный после нагревания в данном устройстве, смешивали при соотношении частей 20:20:60 и полученную смесь использовали в аналогичном непрерывном процессе. Условия выполнения процесса и применяемые в качестве шихты окатыши были такими же, как и в примере 1.
В результате регулирующий атмосферу углеродистый материал не претерпевал повторного уплотнения на участке выгрузки холодного затвердевшего продукта восстановления и плавления, таким образом обеспечивая бесперебойную выгрузку продукта скребковым механизмом. Далее выгруженный материал поместили в магнитный сепаратор и пропустили через грохот с целью извлечения гранулированного металлического железа и отделения образовавшегося шлака, с получением остатка углеродистого материала. Извлеченный остаток углеродистого материала (диаметром 3 мм или менее) можно было без проблем использовать снова в качестве повторно не уплотняющегося углеродистого материала.
Пример 4
Степень измельчения углеродистого материала F, показанного в таблице 1, изменили с целью приготовления двух видов углеродистых материалов, имеющих соответствующие гранулометрические составы, показанные в таблице 3, и каждый из этих двух видов углеродистых материалов был использован в таком же испытании нагревом, как и в примере 1, с целью сопоставления результатов с точки зрения наличия повторного уплотнения. Полученные результаты показаны в таблице 3. Даже у углеродистых материалов с одинаковым химическим составом способность к повторному уплотнению зависит от гранулометрического состава: в частности, углеродистый материал, содержащий 20 мас.% или более частиц с размерами в пределах от 0,5 до 3,25 мм, повторно не уплотняется, в то время как углеродистый материал, содержащий менее 20 мас.% частиц с размерами в тех же пределах (т.е. содержащий более 80 мас.% мелких частиц с размерами менее 0,5 мм), слегка повторно уплотняется. Таким образом, было обнаружено, что предупреждению повторного уплотнения эффективно способствует также должный контроль гранулометрического состава углеродистого материала.
| Таблица 3 | |||||
| Гранулометрический состав (мас.%) | Результаты испытания нагревом | ||||
| Более 3,35 мм | 0,5-3,35 мм | менее 0,5 мм | Всего | ||
| Углеродистый материал F-1 | 0,0 | 23,6 | 76,4 | 100 | Нет повторного уплотнения |
| Углеродистый материал F-2 | 0,0 | 18,2 | 81,8 | 100 | Небольшое повторное уплотнение |
Пример 5
50 г углеродистого материала С, показанного в таблице 1, рассыпали по огнеупорному поддону опытной нагревательной печи и на слой этого углеродистого материала С загрузили примерно 170 г сухих окатышей (диаметром от 9,5 до 13,2 мм), имеющих такой же состав шихты, как в примере 1. Затем было выполнено восстановление и плавление при температуре печи 1450°С в течение 20 минут в атмосфере азота с получением гранулированного железа и образовавшегося шлака. Был выполнен анализ распределений частиц по размерам для полученного железа и образовавшегося шлака (опыты 1 и 2).
Кроме того, восстановление и плавление выполнили таким же способом, как и описанный выше, за исключением того, что для получения гранулированного железа и образовавшегося шлака на огнеупорном поддоне рассыпали смесь из 50 г того же углеродистого материала, 20 г гранулированного железа с диаметром частиц от 1 до 3,35 мм и 1 г шлака. Был выполнен анализ распределений частиц по размерам полученного железа и образовавшегося шлака (опыты 3 и 4). Полученные результаты показаны в таблице 4.
| Таблица 4 | ||||
| Номер опыта | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Образец | ||||
| Сухие окатыши | ||||
| Диаметр частиц, мм | 9,5-13,2 | 9,5-13,2 | 9,5-13,2 | 9,5-13,2 |
| Масса, г | 173 | 170 | 167 | 171 |
| Рециркулируемое гранулированное железо | ||||
| Диаметр частиц, мм | - | - | 1-3,35 | 1-3,35 |
| Масса, г | 20 | 20 | ||
| Рециркулируемый шлак | ||||
| Диаметр частиц, мм | 1-3,35 | 1-3,35 | ||
| Масса, г | 1 | 1 | ||
| Масса продукта после испытания | ||||
| Гранулированное железо | ||||
| 6,7 мм или более (г) | 24,7 | 28,5 | 23,4 | 25,4 |
| 3,35-6,7 мм (г) | 34,1 | 27,9 | 39,5 | 38,9 |
| 1-3,35 мм (г) | 22,2 | 23,5 | 34,3 | 35,0 |
| Итого (г) | 81,0 | 79,9 | 97,2 | 99,3 |
| Шлак | ||||
| 6,7 мм или более (г) | 0,1 | 0,0 | 0,0 | 0,2 |
| 3,35-6,7 мм (г) | 3,2 | 2,9 | 3,3 | 3,6 |
| 1-3,35 мм (г) | 0,7 | 0,5 | 1,2 | 1,2 |
| Итого (г) | 4,0 | 3,4 | 4,5 | 5,0 |
| Всего (г) | 85,0 | 83,3 | 101,7 | 104,3 |
Эти опыты были проведены с целью подтверждения степени извлечения гранулированного железа и шлака, смешанных с рециркулируемым углеродистым материалом, при рециркуляции углеродистого материала, использованного в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала. Опыты 1 и 2 являются примерами опытов, предполагающих, что углеродистый материал не подвергается рециркуляции, а опыты 3 и 4 являются примерами опытов, предполагающих, что углеродистый материал подвергается рециркуляции.
Сопоставление показанных в таблице 4 результатов опытов 1 и 2, с одной стороны, и опытов 3 и 4, с другой стороны, показывает, что в опытах 3 и 4, предполагающих рециркуляцию углеродистого материала, количество полученного гранулированного железа и шлака с диаметром частиц от 1 до 3,35 мм уменьшается по сравнению с суммарным количеством в опытах 1 и 2 и количеством гранулированного железа и шлака, первоначально смешанных с углеродистым материалом, в то время как количества полученных продуктов с диаметром частиц от 3,35 до 6,7 мм соответственно возрастали. Таким образом, было обнаружено, что гранулированное железо и шлак, предварительно смешанные с углеродистым материалом (соответствующим рециркулируемому углеродистому материалу, содержащему гранулированное железо и шлак), коалесцируют (объединяются) в процессе восстановления и плавления.
Пример 6
Как показано на фиг.3, повторно не уплотняющийся углеродистый материал А (сорок частей по массе) и рециркулируемый углеродистый материал (60 частей по массе) смешали с целью приготовления смешанного углеродистого материала (100 частей по массе). Приготовленный таким образом смешанный углеродистый материал рассыпали по поду печи с вращающимся подом таким же способом, как и в примере 1, и на этот смешанный углеродистый материал загрузили содержащие углеродистый материал сухие окатыши. Затем выполнили восстановление и плавление, а полученный продукт охладили, выгрузили и затем подвергли грохочению с целью извлечения гранулированного железа и образовавшегося шлака, имеющего диаметр частиц примерно 3 мм или более и пригодного для промышленного применения. Таким образом, отделили углеродистый материал с частицами диаметром примерно 3 мм или менее, содержащий мелкие частицы гранулированного железа и шлака. Поэтому весь объем извлеченного углеродистого материала циклично использовали в качестве рециркулируемого углеродистого материала, добавляя к рециркулируемому материалу 40 частей по массе свежего углеродистого материала с целью достижения сбалансированности производственной линии в целом, обеспечивающей бесперебойную непрерывную работу.
Сравнительный Пример
Восстановление и плавление выполняли таким же способом, как и описанный выше, за исключением того, что сухие окатыши и повторно не уплотняющийся углеродистый материал А использовали без рециркуляции углеродистого материала согласно блок-схеме, приведенной на фиг.4. Полученное гранулированное железо, образовавшийся шлак и извлеченный углеродистый материал подвергли грохочению до диаметра частиц примерно 3 мм. В этом случае примерно 9 мас.% всего металлического железа, выгруженного из печи, содержались в виде мелкозернистого железа в извлеченном углеродистом материале, что вело к потерям продукта, соответствующего мелкозернистому железу. Аналогичным образом, при отсутствии рециркуляции углеродистого материала примерно 70 мас.% всего образовавшегося шлака, выгруженного из печи, выгружается в виде мелкозернистого шлака вместе с извлеченным углеродистым материалом, вызывая таким образом потери соответствующего выгруженного мелкозернистого шлака в случае использования шлака в качестве ценного ресурса.
Пример 7
В каждой из операций разделения, описанных в примере 1 (фиг.1) и примере 2 (фиг.2), смесь металлического железа и образовавшегося шлака, выгруженных из печи, и регулирующего атмосферу углеродистого материала подвергли магнитной сепарации с целью извлечения металлического железа, как показано на фиг.5. Затем смесь остатков шлака и регулирующего атмосферу углеродистого материала трибоэлектрически наэлектролизовывали (придавали ей заряд), после чего она поступила в электростатический сепаратор, снабженный положительным и отрицательным электродами, для разделения образовавшегося шлака (с отрицательным зарядом) и регулирующего атмосферу углеродистого материала (с положительным зарядом). Отделенный регулирующий атмосферу углеродистый материал можно рециркулировать таким же образом, как показано на фиг.1 и 2.
В качестве способа придания электрического заряда могут использоваться способы, отличающиеся от способа трибоэлектрического наэлектролизовывания, например, способ придания электрического заряда с использованием ионного генератора, способ зарядки коронным разрядом и так далее.
Промышленная применимость
Согласно настоящему изобретению, имеющему описанную выше схему, шихту, включающую в себя содержащий оксид железа материал и углеродистый восстановитель, нагревают на подвижном поде с целью восстановления оксида железа, входящего в состав шихты, с получением металлического железа. В ходе производственного процесса шихту загружают после того, как по поду будет распределен (рассыпан) регулирующий атмосферу порошковый и гранулированный углеродистый материал. При использовании в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала повторно не уплотняющегося углеродистого материала можно не допустить повторного уплотнения углеродистого материала в форме «рисовых крекеров», создающего помехи выгрузке, обеспечивая таким образом бесперебойную непрерывную работу и не допуская повреждений огнеупоров пода, что продлевает срок его службы.
Кроме того, при использовании способа рециркуляции углеродистого материала, извлеченного из устройства для производства металлического железа, и использовании рециркулируемого углеродистого материала в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала можно значительно снизить расход углеродистого материала и обеспечить извлечение металлического железа и образовавшегося шлака, содержащихся в извлеченном углеродистом материале и обычно идущих в отвалы, что способствует повышению коэффициента извлечения. Это позволяет добиться дополнительного выгодного эффекта, так сказать убить двух зайцев одним выстрелом.
1. Способ производства металлического железа, включающий в себя нагрев шихты, которая содержит содержащий оксид железа материал и углеродистый восстановитель, на подвижном поде для восстановления оксида железа в шихте, причем упомянутую шихту загружают после распределения по поду порошкового и гранулированного регулирующего атмосферу углеродистого материала, и при этом в качестве такового регулирующего атмосферу углеродистого материала используют повторно не уплотняющийся углеродистый материал.
2. Способ по п.1, в котором в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала используют углеродистый материал с диаметром частиц по существу 3,35 мм или менее, 20% или более от массы которого составляют частицы диаметром в диапазоне от 0,5 до 3,35 мм и который имеет максимальную степень текучести, равную 0.
3. Способ по п.1 или 2, в котором в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала используют продукт термообработки повторно уплотняющегося углеродистого материала.
4. Способ по п.1, в котором в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала используют извлеченный углеродистый материал, уже подвергнутый нагреву в устройстве для производства металлического железа.
5. Способ по п.1, в котором в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала используют смесь повторно не уплотняющегося углеродистого материала и извлеченного углеродистого материала, уже подвергнутого нагреву в устройстве для производства металлического железа.
6. Способ по п.1 или 2, в котором в качестве регулирующего атмосферу углеродистого материала используют смешанный повторно не уплотняющийся углеродистый материал, полученный путем смешивания повторно не уплотняющегося углеродистого материала с повторно уплотняющимся углеродистым материалом.
7. Способ по п.6, в котором в качестве повторно уплотняющегося углеродистого материала используют свежий углеродистый материал, а в качестве повторно не уплотняющегося углеродистого материала используют подвергнутый термообработке углеродистый материал.
8. Способ по п.7, в котором в качестве подвергнутого термообработке углеродистого материала используют извлеченный углеродистый материал, уже подвергнутый нагреву в устройстве для производства металлического железа.
9. Способ по п.5, в котором массовая доля повторно не уплотняющегося углеродистого материала составляет 50-90% по сравнению с массовой долей в 50-10% повторно уплотняющегося углеродистого материала.
10. Способ по п.1, в котором часть металлического железа, выгруженного из печи с подвижным подом, возвращают в печь с подвижным подом.
11. Способ по п.4, в котором углеродистый материал извлекают с использованием статического электричества.
Приоритет по пунктам:
12.11.2001 по пп.1-9;
23.08.2002 по пп.10-11.
