Способ производства окатышей из восстановленного железа и способ производства чугуна
Изобретение относится к производству восстановленных железосодержащих окатышей и к производству чугуна в доменной печи или вертикальной шахтной печи с использованием упомянутых окатышей. При получении окатышей порошковые формованные изделия в виде окатышей, включающие оксид железа и углерод, нагревают и восстанавливают в печи с вращающимся подом. Причем окатыши производят с использованием сырья, в котором средний диаметр частиц оксида железа равен 50 мкм или меньше. При этом отношение оксида углерода к диоксиду углерода в зоне восстановления поддерживают от 0,3 до 1. Восстановление проводят при температуре 1400°С или меньше с получением восстановленных железосодержащих окатышей со степенью металлизации железа от 50 до 85% и долей остаточного углерода 2% или меньше. Изобретение обеспечивает получение окатышей с оптимальными пористостью, прочностью при раздавливании и степенью металлизации для их применения в доменной или вертикальной печи и снижение потребления энергии для восстановления и плавления при производстве чугуна. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл., 1 пр.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу производства окатышей из восстановленного железа для производства частично восстановленного железа путем восстановления порошка, включающего в себя оксид железа и углерод, с использованием печи с вращающимся подом. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу производства чугуна, предназначенному для производства расплавленного металла путем восстановления и плавления частично восстановленного железа (материала, содержащего восстановленное железо) в доменной печи или в вертикальной шахтной печи.
Приоритет испрашивается в соответствии с Японским патентными заявками № 2007-239058 и 2008-227163, содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.
Предпосылки к созданию изобретения
Существует много видов процессов восстановления металла, предназначенных для получения восстановленного железа или легированной стали. В качестве процесса с наибольшей экономичностью и высокой производительностью по сравнению с другими процессами выделяется использование печи с вращающимся подом (далее упоминается как RHF), и описание этого процесса приведено, например, в Патентном документе 1.
На фиг.1 показан разрез печи с вращающимся подом в диаметральном направлении. Печь с вращающимся подом является обжиговой печью (далее упоминается как вращающаяся печь), в которой огнеупорный под 4, имеющий форму диска без центра на колесе 3, вращается с заданной скоростью на направляющей 5, описывая круг под сводом 1 и боковой стенкой 2 из неподвижного огнеупора. В боковой стенке 2 помещается множество горелок 6, через которые подаются топливо и воздух для контроля газового компонента атмосферы и температуры в печи. Обычно диаметр пода вращающейся печи составляет от 10 до 50 метров при ширине от 2 до 8 метров. Формованное изделие в качестве сырья, образуемого из порошка, включающего в себя оксид металла и углерод, подается на под 4 и нагревается излучением от газа сверху в печи, в результате чего в формованном изделии получается металл за счет реакции оксида металла и углерода в формованном изделии.
На фиг.2 показан пример всего оборудования печи с вращающимся подом.
В качестве сырья используется оксид металла, такой как рудная мелочь, и пыль оксида металла, а углерод используется в качестве восстановителя. При производстве восстановленного железа используют кусковое железо, такое как шихта из окатышей в качестве источника оксида железа, или побочные продукты процесса производства чугуна, такие как конвертерная пыль, агломерационная пыль и пыль из доменного газа. Кокс, нефтяной кокс, уголь и тому подобное используют в качестве источника углерода, который является восстановителем. Желательным является более высокое содержание порошка углерода с низким содержанием летучих при температуре до 1100°C как температуре, при которой происходит реакция восстановления. Таким источником углерода являются порошок кокса или антрацит.
В шаровой мельнице 11, которая показана на фиг.2 в качестве смесительного устройства, перемешивают порошок, включающий в себя оксид металла, и порошок, включающий в себя углерод, и смеси придают форму порошка в компоновочном устройстве 12. Сформированное изделие подают на под 4 вращающейся печи 13 для равномерной укладки. Во вращающейся печи 13 сформированное изделие перемещается в каждую часть печи за счет вращения пода 4.
Сформированное изделие нагревают до 1000-1500°C за счет излучения нагретого до высокой температуры газа, и в сформированном изделии происходит восстановление оксида металла углеродом. Тепло отходящего газа улавливается в котле 15 и теплообменнике 16 через канал для отработавшего газа 14, пыль удаляют из отходящего газа в пылесборнике 17, после чего газ выпускают в атмосферу воздуха через дымовую трубу 18. Во вращающейся печи 13 сформировавшееся изделие оседает на под 4, и, таким образом, достигается то преимущество, что сформированное изделие практически не обваливается в печи. В результате достигается преимущество, которое заключается в отсутствии возникновения проблемы, связанной с прикреплением к огнеупорной футеровке сырья в форме порошка. Кроме того, существует преимущество, заключающееся в возможности использования сырья в форме порошка или восстановителя на основе угля с высокой производительностью и низкими затратами.
Степень металлизации восстановленного железа, полученного таким способом, составляет обычно 90% или меньше при максимальном значении около 95%. Степень металлизации является относительно низкой по сравнению с железом прямого восстановления (далее упоминается как DRI), полученным способом восстановления газом, таким как способ MIDREX.
В газовой атмосфере печи с вращающимся подом концентрация диоксида углерода относительно высока, и в связи с этим такая печь по существу не подходит для восстановления. Однако, поскольку в сформированном изделии оксид железа и углерод смешаны, в сформированном изделии происходит активная реакция (FetO+C→tFe+CO). Соответственно, имеется возможность восстановления. В результате реакции доля оксида углерода в сформированном изделии и вокруг сформированного изделия становится выше при высокой восстановительной способности атмосферы вокруг сформированного изделия. Соответственно восстановление оксида железа продолжается. Однако в то время, когда доля металлического железа в сформированном изделии повышается, скорость восстановительной реакции снижается за счет уменьшения доли оксида железа. Соответственно уменьшается доля оксида углерода в сформированном изделии и вокруг сформированного изделия. Поэтому при высокой степени металлизации существует проблема, связанная с возможной задержкой восстановления.
Например, как описано в патентном документе 2, существует способ производства восстановленного железа высокой прочности, при котором восстановленное железо высокой прочности загружают в доменную печь вместе с кусковой рудой или агломерированной рудой для производства чугуна. При таком способе, поскольку предварительно восстановленный оксид железа подвергается окончательному восстановлению в доменной печи, уменьшается тепловая нагрузка за счет дутья. Соответственно результатом является уменьшение расхода кокса в доменной печи и увеличение выплавки чугуна.
В целом способ эксплуатации доменной печи с использованием восстановленного железа разработан давно. Например, как описано в патентном документе 3, предложена техника использования большого количества восстановленного железа. Для случая использования большого количества восстановленного железа с высокой степенью восстановления или лома описана техника контроля температуры в печи путем контроля температуры дутья или количества вдуваемого пылеугольного топлива.
В вертикальной печи, отличающейся от доменной печи, в частности такой как вагранка, выполняется операция плавления восстановленного железа с ломом. Например, как описано в патентном документе 4, в печь загружают кусковой кокс и лом, в нижнюю часть печи вдувают нагретый воздух или воздух, обогащенный кислородом, и кусковое восстановленное железо (железо горячего брикетирования (HBI) или DRI) плавится вместе с ломом в процессе плавления лома, в результате чего производится чугун.
[Патентный документ 1] Публикация японской заявки № 2001-303115.
[Патентный документ 2] Публикация японской заявки № 2004-218019.
[Патентный документ 3] Публикация японской заявки 2001-234213.
[Патентный документ 4] Публикация японской заявки H11-117010.
[Непатентный документ 1] “Dust Recycling Technology by the Rotary Hearth Furnace at Nippon Steel's Kimitsu Works” («Технология переработки пыли в печи с вращающимся подом на заводе Кимицу компании Ниппон Стил»), Revue de Metall. Cahiers d'Inf. Tech. (2002) Vol. 99, (10), p. 809-818, T.Ibaraki and H. Oda.
Описание изобретения
Проблема, которую позволяет решить изобретение
В процессе, сочетающем печь с вращающимся подом и доменную печь, подобно способу, описанному в патентном документе 2, в печи с вращающимся подом производятся восстановленные железосодержащие окатыши со средней степенью восстановления и высокой прочностью, и окатыши подвергаются восстановлению и плавлению в доменной печи. Однако при таком известном способе не наблюдается никакого улучшения коэффициента использования полезного объема печи. Например, как описано в непатентном документе 1, использование восстановленных железосодержащих окатышей составляет около 2-3% (25-40 кг/т произведенного чугуна). Это означает, что даже в крупной доменной печи производительностью 10000 т/сутки использование восстановленных железосодержащих окатышей в сутки составляет всего 250-400 т.
В результате суммарный выпуск восстановленных железосодержащих окатышей, полученных на металлургических заводах способом переработки пыли сталеплавильного производства производительностью в несколько тонн в сутки, может быть переработан в доменной печи. Однако при переработке железной руды в печи с вращающимся подом для производства большого количества восстановленного железа производство восстановленного железа выражается в сотнях и тысячах тонн в сутки. При производстве чугуна с использованием в доменной печи в качестве сырья такого количества восстановленных железосодержащих окатышей расход окатышей достигает 60-200 кг/т чугуна даже в крупной доменной печи.
Однако при использовании известных способов, подобных описанным в патентном документе 2 и в непатентном документе 1, потребление восстановленных железосодержащих окатышей является низким. По этой причине конечное состояние восстановления или состояние плавления восстановленных железосодержащих окатышей в печи не контролируется с единственной мыслью просто загрузить эти окатыши в печь. При использовании печи с вращающимся подом не существует способа легкого восстановления в доменной печи остаточных оксидов железа в восстановленных железосодержащих окатышах, используют только простую загрузку высокопрочных восстановленных железосодержащих окатышей в печь. В результате замедляется восстановление оксида железа, остающегося в восстановленных железосодержащих окатышах. Соответственно восстановление не завершается в середине шахты доменной печи, и оксид железа попадает в то место, в котором скапливается шлак в нижней части печи. В этом случае восстановление оксида железа происходит в шлаке и, таким образом, возникает проблема понижения температуры шлака или нижней части печи или возникает проблема повышения содержания FeO в шлаке и уменьшаются показатели десульфурации шлаком.
При использовании техники, описанной в патентном документе 3, существует возможность должным образом использовать относительно большое количество восстановленного железа в доменной печи путем контроля рабочих условий в доменной печи. Однако при этой технике предпосылкой является использование восстановленного железа с высокой степенью металлизации, произведенного с помощью восстановительного процесса типа MIDREX, являющегося известным способом. То есть при этой технике не предусматривается использование восстановленного железа с низкой степенью металлизации, произведенного в печи с вращающимся подом. В восстановленном железе с высокой степенью металлизации остается мало оксида железа. В результате существует возможность производства жидкого чугуна только путем нагрева и плавления восстановленного железа. Соответственно не существует описания того, каким образом восстанавливать оксид железа в восстановленном железе с низкой степень восстановления. Восстановленные железосодержащие окатыши, произведенные в печи с вращающимся подом, степень металлизации которых составляет от 50 до 85%, включают в себя большое количество оксида железа. Соответственно в восстановленных железосодержащих окатышах важным является восстановление содержащегося в них оксида железа. Даже при технике, описанной в патентном документе 3, восстановительная реакция развивается недостаточно, и, таким образом, возникают технические проблемы, описанные выше.
В способе плавления восстановленного железа в вертикальной шахтной печи для восстановления и плавления восстановленных железосодержащих окатышей с низкой степень металлизации, как описано в патентном документе 4, необходима специальная операция. А именно, при использовании восстановленного железа с низкой степенью восстановления необходимо точно контролировать место подачи кокса и источника железа (лома или восстановленного железа), для чего необходимо специальное устройство для контроля. Соответственно трудно в обобщенном виде воплотить этот способ. Даже при использовании такого специального процесса восстановление оксида железа в восстановленном железе замедляется. Поэтому легко возникает проблема, вызванная увеличением содержания FeO в шлаке. По этой причине существует проблема в том, что возможно использование только восстановленного железа с низкой степенью восстановления при небольшом диаметре частиц, равном 5 мм или менее, когда восстановление происходит быстро. Как описано выше, в известных технологических процессах трудно использовать большое количество восстановленных железосодержащих окатышей с низкой степенью восстановления и с относительно большим диаметром.
Как описано выше, при известных технологических процессах трудно использовать большое количество восстановленных железосодержащих окатышей с низкой степенью восстановления, полученных в печи с вращающимся подом, в доменной печи или в вертикальной печи (вагранке). В печи с вращающимся подом технически возможно производство восстановленного железа с высокой степенью восстановления (степенью металлизации 85% или больше) для использования большого количества восстановленного железа в доменной печи или в вертикальной печи. Однако, как описано выше, в печи с вращающимся подом существует проблема замедления реакции восстановления при высокой степени металлизации. В результате в случае высокой степени металлизации, составляющей 85% или больше, необходимо добавлять дополнительный углерод и осуществлять высокотемпературный процесс при температуре 1400°C или больше. Соответственно возникает проблема ухудшения потребления энергии для производства восстановленного железа, в связи с чем оказывается низким тепловой кпд.
Как описано выше, существует много проблем при производстве восстановленного железа и переработке восстановленного железа в доменной печи или в вертикальной печи в больших количествах для получения жидкого чугуна. Поэтому требуются новые технические средства для преодоления проблем, связанных с существующими техническими решениями.
Средства решения проблемы
Изобретение разработано для решения технических проблем во время горячей формовки материала, содержащего восстановленное железо и произведенного в печи с вращающимся подом, описанной выше, а его детали представлены в следующих пунктах (1)-(16).
(1) Согласно изобретению предлагается способ производства восстановленных железосодержащих окатышей, при котором порошковое формованное изделие, которое включает в себя оксид железа и углерод, нагревают и восстанавливают в печи с вращающимся подом, причем сформированное изделие, которое производят с использованием сырья, в котором средний диаметр частиц оксида железа равен 50 мкм или меньше, а отношение оксида углерода к диоксиду углерода в зоне восстановления составляет от 0,3 до 1, восстанавливают при температуре 1400°C или меньше, получая таким образом восстановленные железосодержащие окатыши со степенью металлизации железа от 50 до 85% и долей остаточного углерода 2% или меньше. Согласно способу производства восстановленных железосодержащих окатышей можно производить восстановленные железосодержащие окатыши с пористостью от 20 до 50% и прочностью при раздавливании 5 МПа или больше.
(2) При способе производства окатышей согласно приведенному выше пункту (1) длительность временного пребывания при температуре 1200°C или больше в печи с вращающимся подом может составить в интервале 8 минут или больше, и время представлено формулой to=69,5-0,035T или меньше, где единицей измерения to является минута, а Т является средней температурой газа (°C) в печи с вращающимся подом при температуре 1200°C или больше. В этом случае возможно сочетание и нужной пористости, и прочности при раздавливании.
(3) При способе производства окатышей согласно приведенному выше пункту (1) средняя скорость нагрева в центре сформированного изделия может составлять 400°C/мин или меньше при нагревании от 100°C до 1000°C. В этом случае при способе согласно указанным пунктам (1) или (2) возможно дальнейшее надежное сочетание и нужной пористости, и прочности при раздавливании.
(4) При способе производства окатышей согласно приведенному выше пункту (1) отношение масс оксида кальция к оксиду кремния в сформированном изделии может составлять 2,2 или меньше.
(5) При способе производства окатышей согласно приведенному выше пункту (1) содержание фтора и хлора может составлять (F массовых %)+0,4 (Cl массовых %) <0,25.
(6) При способе производства окатышей согласно приведенному выше пункту (1) содержание общего железа в оксиде магния, оксиде кальция, оксиде кремния и в оксиде железа может быть {(CaO массовых %)-(MgO массовых %)}/(Feобщ. массовых %)<0,1 или {(CaO массовых %)-(MgO массовых %)}/(SiO2 массовых %)<2,0.
В случае указанных пунктов (4)-(6) возможно дальнейшее надежное сочетание и нужной пористости, и прочности при раздавливании за счет сохранения высокой температуры плавления оксида в восстановленных железосодержащих окатышах.
(7) Согласно изобретению предлагается способ производства чугуна, при котором восстановленные железосодержащие окатыши, полученные путем нагрева порошкового формованного изделия, включающего в себя оксид железа и углерод, в печи с вращающимся подом, в которых содержание общего железа составляет 55 массовых % или больше, степень металлизации железа составляет от 50 до 85%, частицы металлического железа средними размерами 35 мкм или меньше соединяются для формирования сетки металлического железа между оксидом железа и смесью других оксидов и пористость составляет от 20 до 50%, загружают в доменную печь для производства чугуна вместе с рудой и агломерированной рудой с долей частиц размерами от 5 до 20 мм, составляющей 80% или больше, и подвергают восстановлению и плавлению.
(8) При способе производства чугуна согласно приведенному выше пункту (7) восстановленные железосодержащие окатыши, имеющие внутреннюю структуру, в которой средний диаметр оксида, включающего в себя оксид железа, и оксида железа составляет от 5 до 100 мкм и ограничивается сеткой металлического железа, могут загружаться в доменную печь для производства чугуна вместе с рудой и агломератом и подвергаться восстановлению и плавлению.
(9) При способе производства чугуна согласно приведенному выше пункту (7) восстановленные железосодержащие окатыши могут загружаться в доменную печь для производства чугуна в количестве 250 кг/т или меньше в расчете на количество произведенного чугуна. В этом случае можно более эффективно производить чугун.
(10) При способе производства чугуна согласно приведенному выше пункту (7) восстановленные железосодержащие окатыши могут загружаться в позицию в пределах 2/3 от центра в диаметральном направлении доменной печи для производства чугуна, так что доля восстановленных железосодержащих окатышей в доменной печи для производства чугуна составляет 65% или больше.
(11) Согласно изобретению предлагается другой способ производства чугуна, при котором во время нагрева формованного порошкового изделия, включающего в себя оксид железа и углерод, в печи с вращающимся подом восстановленные железосодержащие окатыши, полученные согласно приведенному выше пункту (1), в которых содержание общего железа составляет 55 массовых % или больше, степень металлизации железа составляет от 50 до 85% и пористость составляет от 20 до 50%, загружают в доменную печь для производства чугуна вместе с рудой и агломерированной рудой при условии, что доля частиц размерами от 5 до 20 мм составляет 80% или больше, и подвергают восстановлению и плавлению.
(12) Согласно изобретению предлагается другой способ производства чугуна, при котором восстановленные железосодержащие окатыши, полученные путем нагрева порошкового формованного изделия, включающего в себя оксид железа и углерод, в печи со вращающимся подом, в которых содержание общего железа составляет 55 массовых % или больше, степень металлизации железа составляет от 50 до 85%, частицы металлического железа средними размерами 35 мкм или меньше соединяются для формирования сетки металлического железа между оксидом железа и смесью других оксидов и пористость составляет от 20 до 50%, загружают в вертикальную печь, причем степень заполнения внутреннего пространства печи кусковым железом и кусковым коксом составляет 80% или меньше при том, что доля частиц размерами от 5 до 20 мм составляет 80% или больше, и подвергают восстановлению и плавлению.
(13) При способе производства чугуна согласно приведенному выше пункту (12) восстановленные железосодержащие окатыши могут подвергаться восстановлению и плавлению при условии, что доля окатышей в кусковом железе в вертикальной печи составляет 100% или меньше.
(14) При способе производства чугуна согласно приведенному выше пункту (12) восстановленные железосодержащие окатыши могут загружаться в позиции в пределах 2/3 от центра в диаметральном направлении вертикальной печи, так что доля восстановленных железосодержащих окатышей в доменной печи для производства чугуна составляет 70% или больше.
(15) При способе производства чугуна согласно приведенному выше пункту (12) восстановленные железосодержащие окатыши, полученные путем нагрева имеющего форму порошка сформированного изделия, включающего в себя по меньшей мере один элемент из числа цинка или свинца, оксид железа и углерод, в печи со вращающимся подом, в котором суммарное содержание цинка и свинца составляет 0,05% или больше, могут загружаться в вертикальную печь, в которой температура газа в верхней части печи составляет 500°С или больше, и подвергаются восстановлению и плавлению.
(16) Согласно изобретению предлагается другой способ производства чугуна, при котором при нагреве порошкового формованного изделия, включающего в себя оксид железа и углерод, в печи с вращающимся подом восстановленные железосодержащие окатыши, полученные способом согласно приведенному выше пункту (1), в которых содержание общего железа составляет 55 массовых % или больше, степень металлизации железа составляет от 50 до 85%, сетка металлического железа сформирована между оксидом железа и смесью других оксидов и пористость составляет от 20 до 50%, загружают вертикальную печь, причем степень заполнения внутреннего пространства печи кусковым железом и кусковым коксом составляет 80% или меньше при условии, что доля частиц размерами от 5 до 20 мм составляет 80% или больше, и подвергают восстановлению и плавлению.
Преимущества изобретения
Согласно изобретению происходит надлежащее восстановление оксида железа, содержащего пыль, собранную из порошка оксида железа или на оборудовании для производства чугуна. Восстановленные железосодержащие окатыши загружают в доменную печь, и таким образом возникает возможность экономично производить жидкий чугун. Кроме того, даже в случае использования вместо доменной печи вертикальной печи, такой как вагранка, также возникает возможность экономично производить жидкий чугун.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема, иллюстрирующая структуру печи с вращающимся подом;
на фиг.2 показана схема, иллюстрирующая в целом процесс использования печи с вращающимся подом;
на фиг.3 показана схема, иллюстрирующая внутреннее строение доменной печи;
на фиг.4 показана схема, иллюстрирующая результаты, полученные путем измерения степени восстановления оксида железа в восстановленных железосодержащих окатышах в атмосфере оксида углерода при температуре 1100°С в реакторе колонного типа, и графическая иллюстрация отношения между индексом (приведенный диаметр восстановленных железосодержащих окатышей и степень восстановления) скорости реакции и пористостью восстановленных железосодержащих окатышей (скорость восстановления при пористости 55% равна 1).
Описание числовых позиций и знаков
1: свод
2: боковая стенка
3: колесо
4: под
5: направляющая
6: горелка
11: шаровая мельница
12: сборное устройство
13: вращающаяся печь
14: канал для отходящих газов
15: котел
16: теплообменник
17: пылесборник
18: дымовая труба
21: верх доменной печи
22: слой руды
23: слой кокса
24: середина печи
25: фурма
26: летка
Подробное описание изобретения
Далее будет описан вариант реализации способа производства восстановленных железосодержащих окатышей и способа производства чугуна согласно изобретению.
В этом варианте реализации в качестве сырья используют порошок, который включает в себя оксид железа и углерод. В качестве оксида железа может использоваться любой оксид из числа FeO (вюстит), Fe3O4 (магнетит) и Fe2O3 (гематит) или их смесь. Кроме того, возможно подмешивание металлического железа. Источником оксида железа является руда, такая как железная руда и железистый песок, и оксид железа, содержащийся в пыли, образующейся на металлургических заводах, и тому подобное. Источником углерода является кокс в порошке, уголь в порошке, нефтяной кокс и тому подобное. В реакции восстановления принимает участие связанный углерод (FC), который не улетучивается при температуре 1000°С или больше, и поэтому желательно, чтобы доля связанного углерода была высокой. С этой точки зрения предпочтительными являются кокс в порошке (коксик), нефтяной кокс, антрацит, уголь со средним содержанием летучих и подобное. Возможно применение в операции производства чугуна пыли с высоким содержанием углерода.
В сырье присутствуют примеси, такие как железная руда, пыль, содержащая оксид железа, кокс и уголь. Среди них присутствуют оксиды металлов, легко поддающиеся восстановлению, такие как оксид никеля, оксид марганца, оксид хрома и оксид цинка; и оксиды, которые с трудом поддаются восстановлению, такие как оксид кремния, оксид кальция, оксид алюминия, оксид магния и оксид титана. Доля общего железа в порошке (доля содержания (Feобщ.)) предпочтительно составляет 50% или больше. Когда Feобщ. составляет 50% или меньше, доля металлического железа после восстановления может составлять 55% или меньше. Соответственно возникает проблема снижения прочности восстановленных железосодержащих окатышей. Кроме того, доля содержания Feобщ. представляет собой величину, полученную путем суммирования содержания железа в общем количестве оксида железа и металлического железа во всем порошке.
В качестве сырья используется порошок со средним диаметром частиц оксида железа, равным 50 мкм или меньше. При среднем диаметре частиц 50 мкм или больше масса частиц движется медленно и, таким образом, для восстановления требуется длительное время. Поэтому частицы диаметром 50 мкм или больше нежелательны. Для контроля пористости восстановленных железосодержащих окатышей предпочтительными являются мелкие частицы, и более предпочтительными являются частицы средним диаметром 25 мкм или меньше. В процессе компоновки по мере того, как диаметр частиц становится меньше, легче получить формованное изделие. Исходя из этого мелкие частицы являются предпочтительными.
Сырье комбинируется с соблюдением должного соотношения оксида железа и углерода в сырье. В печи с вращающимся подом происходят реакции MO+C=M+CO и MO+CO=M+CO2. «M» является символом, представляющим металлический элемент. Результаты, полученные при изучении авторами изобретения реакции в печи с вращающимся подом, описаны ниже. Такие металлы, как оксид железа, оксид никеля, оксид марганца, оксид хрома и оксид цинка, восстанавливаются при температуре 1200°С оксидом углерода, подвергаются металлизации в печи с вращающимся подом. Степень их металлизации определяется рабочими условиями, существующими в печи с вращающимся подом. Такие материалы, как оксид кремния, оксид кальция, оксид алюминия, оксид магния и оксид титана, которые не подвергаются металлизации при температуре 1200°С оксидом углерода, не восстанавливаются в печи с вращающимся подом и остаются оксидами.
Суммарное количество углерода определяется долей кислорода (далее упоминается как активный кислород), объединенного с металлами, такими как оксид железа, оксид никеля, оксид марганца, оксид хрома и оксид цинка, которые легко поддаются восстановлению. Поскольку реакция восстановления оксида железа и тому подобного происходит при температуре свыше приблизительно 1000°С углеродом, а принимающим участие в реакции является связанный углерод. Соответственно обнаружено, что при контроле соотношения активного кислорода и связанного углерода в печи с вращающимся подом может происходить удовлетворительная реакция. Условие заключается в том, чтобы отношение (С/О) атомарно-молярного содержания связанного углерода к атомарно-молярному содержанию активного кислорода равнялось 0,7-1,5. Когда С/О равно 0,7 или меньше, восстановление в печи с вращающимся подом является недостаточным вне зависимости от условий восстановления в печи с вращающимся подом. Соответственно во многих случаях степень металлизации железа составляет 50% или меньше и часть оксида железа остается в форме закиси железа. В случае избытка углерода большое количество углерода остается в восстановленных железосодержащих окатышах после восстановления. При значении С/О, равном 1,5 или больше, остаточный углерод составляет 2 массовых % или больше. Соответственно существует проблема уменьшения прочности восстановленных железосодержащих окатышей при раздавливании.
Способ восстановления сырья в виде порошка в печи с вращающимся подом будет описан со ссылкой на фиг.1 и фиг.2. Во-первых, сырье в виде порошка смешивают в смесителе (шаровая мельница 11 на фиг.2) и затем из смеси в сборном устройстве 12 формируют формованное изделие. Тип смесителя не ограничивается шаровой мельницей, но может быть таким средством, как пластикатор, средство с псевдоожиженным слоем и подводный смеситель. Сборное устройство может быть сборным устройством дискового типа, сжимающим формовочным устройством роликового типа, формовочным устройством экстрагирующего типа и тому подобным. Сформированное изделие равномерно укладывают на под 4 заполняемой вращающейся печи 13. Количество слоев формованного изделия на поде 4 предпочтительно равно двум или меньше. Это условие позволяет добиться удовлетворительного переноса тепла. Размеры формованного изделия предпочтительно в среднем равны диаметру от 8 до 25 миллиметров при сферической форме и предпочтительно преобразованному диаметру от 7 до 30 миллиметров при иной форме. При слишком малых размерах становится слишком небольшой толщина слоя сформированного изделия на поде 4 и, таким образом, уменьшается производительность. При слишком больших размерах ухудшается передача тепла в формованном изделии. Во вращающейся печи 13 при вращении пода 4 формованное изделие перемещается из зоны нагрева в печи в зону восстановления. Формованное изделие нагревают до 1200-1400°C посредством излучения в зоне восстановления посредством излучения нагретого до высокой температуры газа, и углерод и оксид металла вступают в реакцию в формованном изделии, в результате чего получается восстановленное железо. Длительность временного пребывания формованного изделия в печи составляет от 10 до 25 минут, а длительность восстановления за исключением времени нагревания до 1000°С составляет около 5-20 минут. Преобразованный диаметр представляется путем возведения объема в степень 1/3.
Скорость нагрева сформированного изделия составляет 400°С/мин или меньше в центре и предпочтительно 300°С/мин или меньше. Для соблюдения этого условия средняя температура газа в зоне нагрева предпочтительно составляет 1200°С или меньше. При слишком высокой скорости нагрева происходит большое расхождение в температуре центра и внешней периферии. Температура во внешней периферии превышает 1000°С, и реакция восстановления происходит в этой части. Когда разность температур между центром и внешней периферией слишком велика, реакция в центре практически не идет даже тогда, когда реакция по внешней периферии практически закончится. Значит, восстановление в центре продолжается. В это время во внешней периферии формируется слой с завершившимся восстановлением, который плохо пропускает газ, и таким образом сопротивление прохождению газа становится высоким по мере восстановления в центре. В результате возникает проблема возникновения дефектов, таких как возникновение трещин во внешней периферии. При скорости нагрева сформированного изделия 100°С или меньше производительность печи с вращающимся подом заметно снижается. Соответственно скорость нагрева сформированного изделия должна составлять 100°С/мин или больше и предпочтительно 150°С/мин или больше.
В восстановленных железосодержащих окатышах, полученных в ходе этой реакции, степень восстановления (степень удаления кислорода из восстановленного металла) составляет от 65 до 90%, а степень металлизации железа составляет от 50 до 84%. В этом случае получаются восстановленные железосодержащие окатыши, которые обладают пористостью от 20 до 50% и предпочтительно от 20 до 45%. В качестве формованного изделия, являющегося сырьем, используют формованное изделие с пористостью от 27 до 55%. Однако при удалении в ходе реакции кислорода из оксида железа и углерода воздушные зазоры в формованном изделии увеличиваются и, таким образом, пористость в этом состоянии увеличивается до 50-70%. Короче, при завершении процесса в этом состоянии прочность при раздавливании восстановленных железосодержащих окатышей становится равной 1 МПа (10 кгс/см2) или меньше. При такой прочности при раздавливании при загрузке восстановленных железосодержащих окатышей в доменную печь или в вертикальную печь окатыши легко превращаются в порошок, что ухудшает возможности прохождения газа в печи.
Соответственно в печи с вращающимся подом происходит спекание оксида и металлического железа, за счет чего возрастает пористость восстановленных железосодержащих окатышей. Тремя условиями, необходимыми для этого, являются: температура восстановления составляет 1200°С или больше, доля металлического железа в восстановленных железосодержащих окатышах составляет 50% или больше и содержание остаточного углерода равно 2 массовым % или меньше. Для того чтобы обеспечить спекание, длительность временного пребывания формованного изделия в печи при температуре 1200°С или больше составляет 8 минут или больше. При этих условиях можно получить восстановленные железосодержащие окатыши, обладающие пористостью 50% или меньше. Когда температура восстановления составляет 1400°С или больше, углерод и металлическое железо в восстановленных железосодержащих окатышах вступают в реакцию с образованием цементита. Поскольку цементит имеет низкую температуру плавления, металлическое железо и оксид физически разделяют путем плавления цементита. По этой причине трудно сформировать сеть частиц из чистого металлического железа, и поэтому прочность восстановленных железосодержащих окатышей при раздавливании уменьшается. Соответственно желательно, чтобы температура восстановления составляла 1200-1400°С. При этом условии можно производить восстановленные железосодержащие окатыши, обладающие пористостью 50% или меньше. При этом условии прочность восстановленных железосодержащих окатышей при раздавливании составляет 5 МПа или больше и, таким образом, их можно использовать в доменной печи или в вертикальной печи. Пористость рассчитывают исходя из отношения истинного удельного веса и кажущегося удельного веса материалов, входящих в состав восстановленных железосодержащих окатышей. Пористость представлена формулой (пористость)=100-((кажущийся удельный вес)/(истинный удельный вес)×100(%)). Кажущимся удельным весом является величина, полученная путем деления массы восстановленных железосодержащих окатышей на объем.
Восстановленные железосодержащие окатыши, полученные способом, являющимся предметом настоящего изобретения, имеют структуру, образованную сеткой частиц металлического железа, находящихся между смесью оксида железа и других оксидов. Важным является сохранение небольшого количества оксида железа, причем углерод в формованном изделии не сохраняется. Соответственно способ, являющийся предметом настоящего изобретения, обладает рабочей характеристикой, заключающейся в отсутствии слишком большого повышения степени восстановления по сравнению с известным способом. По этой причине атмосфера в зоне восстановления в печи с вращающимся подом обладает низкой восстановительной способностью. В случае когда атмосфера обладает высокой восстановительной способностью, реакция оксида углерода и оксида железа в газе происходит в дополнение к восстановлению углерода и оксида железа, и, таким образом, углерод легко сохраняется в восстановленных железосодержащих окатышах. В этой случае образуется цементит, температура плавления металлического железа понижается, сетка частиц металлического железа не образуется и, таким образом, уменьшается сопротивление раздавливанию восстановленных железосодержащих окатышей. Кроме того, сетка металлических частиц означает, что частицы металлического железа размерами от нескольких микрон до приблизительно 35 микрон, образованные в результате восстановления, соединяются, образуя трехмерную сеть.
В эксперименте, выполненном авторами изобретения, отношение (отношение СО/СО2) оксида углерода к диоксиду углерода в газе в восстановительной зоне равно 1 или меньше и предпочтительно 0,8 или меньше. Когда отношение СО/СО2 составляет 0,3 или меньше, восстановление оксида железа не идет нормальным образом. Здесь восстановительной зоной является позиция в печи, в которой средняя температура восстановленных железосодержащих окатышей равна 1000°С или больше. Газовый компонент определяется как среднее значение в пространстве печи на расстоянии 300 мм или больше от формованного изделия. Позиция на расстоянии 300 мм или меньше от формованного изделия находится под воздействием оксида углерода, образующегося в процессе реакции восстановления оксида железа, и, таким образом, наблюдается отклонение от химического состава всего газа. Соответственно химический состав газа в этой части отклоняется от определения химического состава газа согласно изобретению.
Вид оксида, остающегося в восстановленных железосодержащих окатышах, оказывает влияние на прочность и пористость окатышей. При низкой температуре плавления оксида и плавлении или размягчении оксида в печи частицы оксида в восстановленных железосодержащих окатышах после охлаждения укрупняются. В результате сетка частиц восстановленного железа и оксид разделяются, в результате чего ухудшается общее связанное состояние восстановленных железосодержащих окатышей. В крайних случаях поры блокируются расплавленным оксидом. Согласно изобретению размеры частиц оксида контролируются в диапазоне от 5 до 100 микрон. В случае 5 микрон или меньше эти размеры меньше воздушного зазора в сетке частиц металлического железа и структура, таким образом, не является плотной. В случае 100 микрон или больше сетка частиц металлического железа входит внутрь крупных частиц оксида, в результате чего прочность восстановленных железосодержащих окатышей уменьшается. Здесь размеры оксида означают размеры в случае независимого существования и относятся к диаметру частиц в случае спеченного материала.
Для того чтобы сделать размеры частиц оксида подходящими для предотвращения этого явления, предпочтительным является химический состав сырья, при котором не образуется оксидное соединение с низкой температурой плавления. В оксиде с низкой температурой плавления могут содержаться примеси типа феррита кальция или силиката кальция. Исследование химического состава сырья, при котором они не образуются, показало, что желательно контролировать соотношение оксида кальция и оксида железа и соотношение оксида кальция и оксида кремния. Дополнительно, понятно, что оксид магния уменьшает формирование феррита кальция и силиката кальция. Эксперимент показал, что массовое отношение феррита кальция к оксиду кремния предпочтительно составляет 2,2 или меньше в качестве условия того, что оксид не плавится и не размягчается при температуре 1200-1400°С. Для дальнейшего улучшения требуется, чтобы {(CaO массовых %)-(MgO массовых %)}/(Feобщ. массовых %)<0,1 и {(CaO массовых %)-(MgO массовых %)}/(SiO2 массовых %)<2,0. Поскольку фтор и хлор являются элементами, снижающими температуру плавления оксида, предпочтительным является (F массовых %)+0,4(Cl массовых %)<0,25%. Коэффициент, относящийся к концентрации хлора, рассматривается как эффект, относящийся к размягчению и разности атомного веса хлора. В частности, при утилизации пыли чугуноплавильного производства и тому подобного важным средством является ограничение химического состава оксида.
Для улучшения степени восстановления восстановленных железосодержащих окатышей необходимо, чтобы пористость окатышей равнялась 20% или больше. Это должно способствовать окончательному восстановлению восстановленных железосодержащих окатышей путем диффузии и инфильтрации восстановительного газа в воздушные зазоры в то время, когда окатыши восстанавливаются в доменной печи или в вертикальной печи. Для получения такой пористости требуется температура восстановления 1400°С или меньше, содержание остаточного углерода в 2 массовых % или меньше, а длительность временного пребывания при температуре 1200°С или меньше представлена формулой to=69,5-0,035T или меньше. Здесь Т означает среднюю температуру газа (°С) внутри печи при 1200°С или больше, а to означает длительность временного пребывания (в минутах) в самой длинной печи. Значение to составляет 27,5 минут при температуре 1200°С, 24,0 минуты при 1300°C и 20,5 минут при 1400°C. При этих условиях предотвращается избыточное спекание и появляется возможность поддерживать пористость на уровне 20% или больше. В результате восстановленные железосодержащие окатыши сжимаются при спекании и имеют приведенный диаметр от 5 до 20 миллиметров. Восстановленные железосодержащие окатыши включают в себя небольшое количество частиц металлического железа размерами 5 миллиметров или меньше за счет такого явления, как растрескивание формованного изделия.
Полученные при указанных условиях восстановленные железосодержащие окатыши подвергают охлаждению. Проблемой при охлаждении является повторное окисление восстановленных железосодержащих окатышей. Для предотвращения повторного окисления при температуре 300°С желательно охлаждать восстановленные железосодержащие окатыши в газовой атмосфере с низкой окислительной способностью с содержанием кислорода 5 объемных % или меньше. В качестве охлаждающего устройства подходит охладитель барабанного типа с внешним водяным охлаждением. Доля закиси железа в восстановленных железосодержащих окатышах при нормальной температуре после охлаждения составляет 5 массовых % или меньше. Причина ограничения содержания закиси железа (оксида железа (III)) заключается в их измельчении в доменной печи во время восстановления, что ведет к уменьшению прочности восстановленных железосодержащих окатышей.
Описанные выше восстановленные железосодержащие окатыши восстанавливаются и плавятся в доменной печи. Схематическое строение доменной печи показано на фиг.3. Металлургический кокс и источники железа, такие как кусковая руда, агломерированная руда, обожженные окатыши и восстановленные железосодержащие окатыши согласно изобретению в качестве сырья для доменной печи загружают в шахту 21 доменной печи через колокол, сформированный в верхней части печи. Восстановленные железосодержащие окатыши загружают вместе с рудой, агломератом и тому подобным для формирования рудного слоя 22. Кусковой кокс загружают независимо для формирования коксового слоя 23. Горячее дутье при температуре от 1100 до 1200°С и пылеугольное топливо вдувают через фурму 25 для возникновения реакции в печи. Эти сырьевые материалы вступают в реакцию, опускаются в печи, превращаются в жидкий чугун и в жидкий шлак в области середины печи 24 и скапливаются в нижней части печи. Затем их выпускают через летку 26. Как описано выше, у восстановленных железосодержащих окатышей, загружаемых в доменную печь, степень металлизации железа составляет от 50 до 85%, 80% окатышей имеет приведенный диаметр от 5 до 20 мм или больше при пористости от 20 до 50%. Прочность при раздавливании восстановленных железосодержащих окатышей предпочтительно составляет 5 МПа или более. При небольшой доле восстановленных железосодержащих окатышей в шихте доменной печи проблема замедления восстановления не проявляется. Соответственно преимущество изобретения становится заметным в случае, если расход восстановленных железосодержащих окатышей составляет 40 кг/т или больше в расчете на тонну выплавленного чугуна.
Условия, при которых доля восстановленных железосодержащих окатышей с приведенным диаметром от 5 до 20 мм составляет 80% или больше при пористости от 20 до 50%, определяются реакцией восстановления в доменной печи и показателями переноса тепла. Поскольку произведенные в печи с вращающимся подом восстановленные железосодержащие окатыши имеют степень металлизации от 50 до 85%, в них включено большое количество оксида железа. Соответственно в случае если восстановление газом в доменной печи до средней части шахты доменной печи оказывается недостаточным, оксид железа остается даже в нижней части печи и, таким образом, происходит прямое восстановление коксом в шлаке. В результате температура шлака снижается из-за поглощения тепла реакцией восстановления, что затрудняет выпуск шлака из доменной печи. Способность шлака к десульфурации из-за увеличения содержания FeO в шлаке снижается, так что содержание серы в чугуне увеличивается.
Размеры восстановленных железосодержащих окатышей предпочтительно составляют 20 миллиметров или менее исходя из производственных условий в печи с вращающимся подом и предпочтительно 5 миллиметров или больше с точки зрения газопроницаемости в доменной печи. В эксперименте, выполненном авторами изобретения, при доле восстановленных железосодержащих окатышей размерами 5 миллиметров или меньше, равной 10-15% или больше, обнаружено, что потери давления газа в доменной печи возрастают. Соответственно восстановленные железосодержащие окатыши с приведенным диаметром 5 миллиметров или меньше загружают в доменную печь вместе с другими материалами, потери давления газа в загрузке возрастают, и, таким образом, возникает проблема уменьшения объема дутья. При возникновении такого явления уменьшается производительность (выпуск, т/сут) доменной печи. При увеличении доли восстановленных железосодержащих окатышей диаметром 20 мм или больше содержание FeO в шлаке, связанное с замедлением переноса тепла, может увеличиваться даже при хороших условиях восстановления. Кроме того, из-за неоднородности размеров восстановленных железосодержащих окатышей доля окатышей диаметром от 5 до 20 миллиметров предпочтительно составляет 80% или больше при реальном контроле гранулометрического состава.
Авторы изобретения изучили факторы, которые оказывают влияние на диффузию газа в восстановленных железосодержащих окатышах с точки зрения важности диффузии восстановительного газа в восстановленных железосодержащих окатышах для снижения остаточного железа в окатышах. Наибольшее влияние имеют такие факторы, как внутренняя пористость и размеры. Что касается размеров, то эксперимент по восстановлению был выполнен в реакционной колонне с использованием восстановленных железосодержащих окатышей диаметром в диапазоне 5-20 миллиметров, что является ограничивающим показателем в отношении переноса тепла. Эксперимент заключался в измерении скорости восстановления в атмосфере монооксида углерода при температуре 1100°С. Результаты эксперимента показаны на фиг.4 в виде отношения между коэффициентом скорости восстановительной реакции (диаметр восстановленных железосодержащих окатышей поправляют на этот коэффициент) и пористостью окатышей. Кроме того, диаграмма представлена коэффициентом, при котором пористость в 55% соответствует 1. При коэффициенте 0,6 или больше восстановление в доменной печи продолжается с достаточной скоростью и явление замедления восстановления, таким образом, не наблюдается. Соответственно пористость предпочтительно составляет 20% или больше. Как показано на фигуре, выяснилось, что при пористости 25% или больше реакция восстановления стабилизируется на высоком уровне.
В восстановленных железосодержащих окатышах диаметром от 5 до 20 миллиметров при степени металлизации от 50 до 85% и пористости 20% или больше диффузия газообразного монооксида углерода в восстановленных железосодержащих окатышах происходит быстро, так что металлизация оксида железа по существу завершается еще до зоны плавления, образующейся в нижней части шахты доменной печи. Когда средний диаметр оксидов, включая оксид железа, во внутренней структуре составляет от 5 до 100 микрон, прочность восстановленных железосодержащих окатышей достаточна и существует возможность повысить скорость восстановления. Это означает, что среди частиц размерами 100 микрон или меньше диффузия среди частиц является быстрой и существует возможность выполнять быстрое восстановление. При частицах размерами 5 микрон или меньше прочность восстановленных железосодержащих окатышей может уменьшаться, что нежелательно. По этой причине проплавление восстановленных железосодержащих окатышей в зоне плавления становится быстрым, потери давления в этой части уменьшаются и за счет этого улучшается газовый поток в печи. Как описано выше, верхний предел пористости определяется нижним пределом прочности восстановленных железосодержащих окатышей и составляет согласно изобретению 50%.
Поскольку в восстановленных железосодержащих окатышах, полученных в печи с вращающимся подом, остается оксид железа, возникает другая проблема. Когда окатыши включают в себя закись железа, в процессе восстановления происходит расширение кристаллов и возникает проблема разрушения окатышей. Соответственно необходимо снизить содержание закиси железа. При доле в 5 массовых % или менее данный эффект не возникает. Для регулирования содержания закиси железа важно создать удовлетворительные условия восстановления и предотвратить повторное окисление восстановленных железосодержащих окатышей во время охлаждения и хранения. В процессе восстановления отношение С/О составляет 0,7 или больше и температура 1200°С или больше выдерживается в печи с вращающимся подом в течение 7 минут или больше. При охлаждении необходимо, чтобы содержание кислорода при температуре восстановленных железосодержащих окатышей 300°С или больше составляло 5 объемных % или меньше. Кроме того, повторное окисление предотвращается за счет тщательного контроля периода охлаждения.
Авторы изобретения осуществили описанный технологический процесс в доменной печи объемом 4800 кубических метров. Вплоть до достижения расхода восстановленных железосодержащих окатышей в 100 кг/т наблюдался эффект уменьшения содержания восстановителя (кокс+пылеугольное топливо) или более соответствующий расчетной величине уменьшения тепловой нагрузки на степень восстановления железосодержащих окатышей. При расходе от 100 до 250 кг/т восстановление и плавление восстановленных железосодержащих окатышей продолжается плавно, однако тепловой эффект относительно меньше расчетного значения. Как показано выше, при увеличении количества используемых восстановленных железосодержащих окатышей тепловой эффект имеет тенденцию к уменьшению. Причина этого может заключаться в том, что при слишком большом расходе восстановленных железосодержащих окатышей в печи изменяется контакт газа и руды и, таким образом, изменяется доля используемого газа. Это явление предотвращается за счет подачи 65% или больше восстановленных железосодержащих окатышей в позиции (доля площади 44%) в пределах 2/3 от центра в диаметральном направлении в доменной печи для производства чугуна. При расходе восстановленных железосодержащих окатышей порядка 100 кг/т этот способ оказывается особенно эффективным. Вплоть до максимального расхода 250 кг/т можно выполнять операцию при доле восстановителя, равной или меньше доли восстановителя (кокс+пылеугольное топливо) согласно расчетному значению уменьшения тепловой нагрузки при использовании оксида металла или оксида металла (FeO) с низкой степенью окисления.
Как показано выше, при загрузке большого количества восстановленных железосодержащих окатышей в наружную периферийную часть доменной печи скорость опускания наружного периферийного заполнителя (уплотнение) становится слишком высокой, поскольку скорость восстановления и плавления восстановленных железосодержащих окатышей выше, чем у руды и подобного. В результате медленно восстанавливаемая наружная периферийная руда достигает нижней части печи в состоянии неполного восстановления и, таким образом, возникает проблема избыточного охлаждения нижней части печи. Загрузка большого количества восстановленных железосодержащих окатышей в центр стимулирует газовый поток в центре печи и стимулирует опускание шихты. В результате может предотвращаться усиление потерь давления газа в шихте, а скорость опускания восстановленных железосодержащих окатышей выше, чем у руды и тому подобного, поскольку восстановленные железосодержащие окатыши не подвергаются восстановлению и измельчению. В результате стимулируется газовый поток в центре печи и существует возможность увеличить объем дутья. Далее, шихта в центре восстанавливается в более короткое время. Поэтому доля восстановителя дополнительно уменьшается и существует возможность повысить выплавку (производство в т/сут) чугуна.
Согласно изобретению полученные восстановленные железосодержащие окатыши загружают в вертикальную печь, такую как вагранка, для выплавки таким образом расплавленного чугуна. И в этом случае применяется техника, подобная доменной печи. Вертикальная печь является печью, имеющей форму бутылки, которая имеет верхнюю шахту с прикрепленным к ней снизу конусом и нижнюю часть печи, предназначенную для сбора расплавленного материала, и имеет вертикальную шахтную структуру, сходную с доменной печью. Отношение высоты к максимальному диаметру составляет приблизительно от 4:1 до 8:1. В печь загружают кусковой кокс и кусковое железо, такое как лом и слитки чугуна. В этом случае восстановленные железосодержащие окатыши, произведенные в печи с вращающимся подом, загружают вместе с ломом и тому подобным. Воздух при нормальной температуре или воздух, нагретый до 200-600°С, вдувают через фурму, помещенную в боковой стенке в нижней части печи, а кокс сжигают для плавления лома и тому подобного и для окончательного восстановления и плавления восстановленных железосодержащих окатышей. Кроме того, воздушное дутье может быть обогащено кислородом. Когда фурма состоит из двух, верхней и нижней, ступеней, существует возможность стимулирования сгорания кокса.
В качестве условия эффективного использования восстановленных железосодержащих окатышей в вертикальной печи коэффициент использования объема (коэффициент заполнения) печи кусковым железом и кусковым коксом предпочтительно должен составляет 80% или меньше. Восстановленные железосодержащие окатыши, которые мельче кускового кокса или кускового железа, загружают между кусковым коксом и кусковым железом. Соответственно при коэффициенте заполнения, превышающем указанный, пространство для пропуска газа становится меньше и, таким образом, оказывается трудным выпуск газа. Более удовлетворительным вариантом является коэффициент заполнения печи, составляющий 65% или больше. Для сохранения газопроницаемости между составляющими шихты и для того, чтобы не допустить попадание невосстановленного оксида железа в шлак, массовое отношение восстановленных железосодержащих окатышей к кусковому железу в вертикальной печи предпочтительно составляет 100% или меньше. Когда доля восстановленных железосодержащих окатышей, которые загружают в область в пределах 2/3 от центра, составляет 70% или больше, восстановление и плавление восстановленных железосодержащих окатышей стимулируется. Эффект является превосходным в особенности в случае, когда массовое отношение восстановленных железосодержащих окатышей к кусковому железу составляет от 50 до 100%.
В вертикальной печи температура шихты в самой верхней части (колошнике печи) относительно повышается. При этом условии нагрев начинается непосредственно перед загрузкой восстановленных железосодержащих окатышей в печь, и таким образом длительность временного пребывания окатышей в печи может быть относительно уменьшена. В вертикальной печи температура в верхней части печи составляет 500°С или больше, а длительность пребывания восстановленных железосодержащих окатышей в печи может составлять как минимум 20 минут. Даже в случае слишком длительного временного пребывания это не дает преимуществ. С экономической точки максимальным значением предпочтительно являются 2 часа.
В вертикальной печи другое преимущество повышения температуры на колошнике печи заключается в возможности использования сырья, которое включает в себя летучий материал, такой как цинк и свинец. Металлические цинк и свинец испаряются при температуре около 1000°С. Пары повторно конденсируются в форме оксида или хлорида при температуре 500-800°С. Соответственно при работе с металлизующимися и испаряющимися цинком и свинцом в вертикальной печи при низкой температуре на колошнике печи эти металлы повторно конденсируются вокруг шихты. Повторно сконденсировавшийся материал (оксид цинка, хлорид цинка) может присоединиться к стенке печи. В результате внутренняя часть печи в этой области сужается, в результате чего возникает проблема снижения производительности вертикальной печи. Исследование, проведенное авторами изобретения, показало, что при температуре на колошнике печи, равной 500°С или больше, большая часть испарившейся воды выпускается из печи вместе с газом, а прикрепившийся к стенкам материал почти не наблюдается. Соответственно в печи с вращающимся подом формованное изделие в виде порошка, включающее в себя оксид железа и углерод и включающее в себя любой элемент из числа цинка и свинца, подвергается нагреву, в результате чего часть цинка и свинца удаляется. В результате получаются восстановленные железосодержащие окатыши, в которых суммарное содержание цинка и свинца составляет 0,1% или больше. При такой концентрации цинка и свинца большое количество цинка выносится из вертикальной печи. При обычной работе концентрация является условием формирования наростов в печи. Восстановленные железосодержащие окатыши загружают в вертикальную печь в ситуации, когда температура газа в верхней части печи составляет 500°С или больше. Поэтому существует возможность производить жидкий чугун, используя при этом способе в качестве сырья порошок с высоким содержанием цинка и свинца.
В случае осуществления изобретения в печи с вращающимся подом желательным является получение материала, содержащего восстановленное железо, в котором степень металлизации железа составляет от 50 до 85%, после чего восстановленные железосодержащие, горячеформованные окатыши подвергают восстановлению и плавлению в доменной печи. Процесс, осуществляемый в печи с вращающимся подом, позволяет восстанавливать оксид железа в течение короткого времени благодаря высокой скорости его восстановления. Однако, как показано выше в разделе Предпосылки к созданию изобретения, в качестве характеристики процесса можно указать осуществление перемешивания при условии наличия в газообразной атмосфере печи диоксида углерода. В результате для достижения высокой степени восстановления порядка 85% или больше как степени металлизации железа необходимо, чтобы температура в печи составила 1400°С или больше, а содержание остаточного углерода в содержащем восстановленное железо материале после реакции составило 5 массовых % или больше. Для увеличения степени металлизации с 80 до 90% расход энергии возрастает на 30%, что затрудняет выполнение экономичного процесса. Соответственно для достижения экономической эффективности степень металлизации железа должна составляет 85% или меньше и предпочтительно 80% или меньше. Причиной того, что нижним предельным значением степени металлизации являются 50%, является трудность получения обладающих высокой прочностью восстановленных железосодержащих окатышей при степени металлизации ниже этого значения. При исследовании изобретения в печи с вращающимся подом получают содержащий восстановленное железо материал со степенью металлизации от 50 до 85%, и потребление энергии для восстановления и плавления этого материала ниже потребления энергии для производства чугуна в сочетании с агломерацией и доменной печью. Соответственно достигается очевидная экономическая эффективность.
Пример
Согласно способу, являющемуся предметом изобретения, восстановительная формовочная переработка оксида железа осуществляется с использованием печи с вращающимся подом, показанной на фиг.2. Печь с вращающимся подом имеет под с наружным диаметром 24 метра при производительности 24 т/час. Восстановленные железосодержащие окатыши, полученные на этом оборудовании, загружали в доменную печь объемом 4800 кубических метров или в вагранку высотой 10 м и внутренним диаметром 2,2 м, получая таким образом производственный результат. Использованное сырье показано в таблице 1, а результаты производственного процесса показаны в таблицах 2-4.
Сырье делится на шесть видов, показанных в таблице 1, причем сырьем 1 является содержащая оксид железа пыль сталеплавильного производства и кокс в виде порошка. Сырьем 2 является смесь гематитовой руды и антрацита. Сырьем 3 является смесь магнетитовой руды и антрацита. Все значения С/О соответствуют рамкам изобретения. Сырьем 4 является материал, образованный содержащей оксид железа пылью сталеплавильного производства и коксом в виде порошка. Содержание цинка и свинца составило соответственно 2,1 массовых % и 0,7 массовых %. Сырьем 5 является материал, образованный содержащей оксид железа пылью сталеплавильного производства и коксом в виде порошка, который имеет небольшой диаметр. Сырьем 6 является материал, образованный содержащей оксид железа пылью сталеплавильного производства и коксом в виде порошка с относительно высоким содержанием оксида кальция и тому подобного.
| Таблица 1 Характеристики сырья |
||||||||||||
| Fe общ., % |
Окис-ление Fe, отно-шение O/Fe |
MnO, % |
NiO2, % |
FC, % |
C/O, % |
CaO, % |
SiO2, % |
MgO, % |
F, % |
Cl, % |
Средние размеры частиц, мкм | |
| Тип сырья 1 | 49,2 | 1,11 | 0,75 | - | 15,0 | 1,28 | 3,8 | 2,1 | 0,3 | 0,08 | 0,15 | 52 |
| Тип сырья 2 | 56,7 | 1,42 | 0,11 | 0,08 | 13,9 | 0,80 | 0,8 | 3,7 | 0,1 | 0,01 | 0,09 | 38 |
| Тип сырья 3 | 60,2 | 1,33 | 0,12 | 0,05 | 15,8 | 0,92 | 0,9 | 4,9 | 0,3 | 0,02 | 0,11 | 68 |
| Тип сырья 4 | 48,8 | 1,21 | 0,11 | 2,3 | 16,2 | 1,22 | 4,9 | 2,5 | 1,1 | 0,11 | 0,09 | 24 |
| Тип сырья 5 | 52,3 | 1,19 | 0,10 | - | 13,1 | 0,98 | 4,8 | 1,9 | 1,2 | 0,11 | 0,08 | 16 |
| Тип сырья 6 | 50,8 | 1,08 | 0,15 | - | 9,9 | 0,84 | 6,9 | 2,3 | 0,7 | 0,15 | 0,11 | 19 |
Результат, полученный путем восстановления упомянутых материалов в печи с вращающимся подом, показан в таблице 2. RHF1, RHF3, RHF4 и RHF5 представляют среднее значение результата процесса при предпочтительных условиях, предусмотренных изобретением. При этих уровнях все показатели, включающие в себя степень металлизации, пористость и прочность при раздавливании, соответствуют условиям, оптимальным для их применения в доменной печи и в вертикальной печи согласно изобретению. Средний приведенный диаметр составляет от 11 до 16 миллиметров, и доля частиц с приведенным диаметром от 5 до 20 миллиметров находится в диапазоне от 83 до 96%. На уровне RHF5 удалялась часть содержащихся в сырье цинка и свинца, и, таким образом, их содержание составило соответственно 0,18 массовых % и 0,07 массовых %. На уровне RHF6, поскольку диаметр сырья типа 5 был небольшим, пористость достигала относительно высокого значения 40%, однако прочность при раздавливании была очень удовлетворительной, составив 15,3 МПа.
При уровне RHF2 показан производственный процесс, при котором длительность временного пребывания формованного изделия в части с температурой 1200°С или более, больше, чем до нее. При этом уровне использовалось формованное изделие большого диаметра. Однако спекание было достаточным, и прочность при раздавливании достигала очень удовлетворительного значения 19,6 МПа. Поскольку длительность временного пребывания в части с температурой 1200°С или более была слишком большой, пористость составила 22%. С точки зрения прочности возможна загрузка сформированного изделия в доменную печь, причем не существует проблемы, связанной с небольшим расходом в несколько килограммов в расчете на чугун. Однако, поскольку пористость низка, в случае большого расхода может возникнуть проблема, связанная с показателями восстановления в доменной печи.
На уровне RHF7 в связи с высоким содержанием оксида кальция в сырье отношение {(CaO)-(MgO)}/(Feобщ.) составило 0,12 и {(CaO)-(MgO)}/(SiO2) составило 2,7. В результате прочность при раздавливании снизилась до 5,9 МПа. На уровне RHF8 пористость была удовлетворительной, однако скорость нагрева была высока. Соответственно прочность при раздавливании снизилась до 5,1 МПа. На уровне RHF9, поскольку отношение СО/СО2 в восстановительной зоне равнялось 1 или больше, пористость составила 50% или больше, а прочность при раздавливании снизилась до 3,6 МПа. Такая прочность была недостаточной для использования окатышей в шахтной печи, такой как доменная печь.
| Таблица 2 Условия восстановления в печи с вращающимся подом |
|||||||||||||
| Наимено-вание уровня | Тип сырья | Общая длите-льность пребы-вания, мин |
Ско-рость наг-рева, °C/мин | Длитель-ность пребыва-ния при 1200°C или больше, мин |
Темпе-ратура восста-новле-ния, °C |
Отноше- ние CO/CO2 в зоне восстано-вления, °C |
Сте- пень метал-лиза-ции, % |
Доля метал-личес-кого железа % |
Содер-жание оста-точно-го угле-рода, % | Содер-жание Fe2O3, % | Порис-тость, % | Проч-ность при раздав-ливании, МПа | Средний приведен-ный диаметр, мм |
| RHF1 | Тип сырья 1 | 12 | 330 | 9 | 1250 | 0,55 | 68 | 50 | 1,1 | 2,7 | 43 | 6,8 | 12 |
| RHF2 | Тип сырья 1 | 30 | 240 | 26 | 1300 | 0,68 | 77 | 57 | 0,9 | 2,2 | 22 | 19,6 | 16 |
| RHF3 | Тип сырья 2 | 18 | 380 | 15 | 1350 | 0,78 | 80 | 71 | 0,3 | 3,0 | 30 | 12,2 | 13 |
| RHF4 | Тип сырья 3 | 20 | 320 | 17 | 1400 | 0,93 | 82 | 77 | 0,2 | 1,3 | 26 | 12,9 | 11 |
| RHF5 | Тип сырья 4 | 15 | 260 | 11 | 1300 | 0,46 | 69 | 53 | 0,8 | 1,1 | 38 | 8,8 | 12 |
| RHF6 | Тип сырья 5 | 20 | 250 | 16 | 1350 | 0,72 | 71 | 52 | 0,3 | 2,3 | 40 | 15,3 | 14 |
| RHF7 | Тип сырья 6 | 20 | 250 | 16 | 1350 | 0,71 | 78 | 56 | 1,6 | 2,2 | 47 | 5,9 | 15 |
| RHF8 | Тип сырья 1 | 12 | 420 | 10 | 1250 | 0,77 | 69 | 51 | 1,1 | 2,6 | 39 | 5,1 | 12 |
| RHF9 | Тип сырья 1 | 12 | 330 | 9 | 1250 | 1,22 | 78 | 55 | 2,3 | 1,3 | 53 | 3,6 | 14 |
Результат, полученный при использовании восстановленных железосодержащих окатышей, показанных в таблице 2, в доменной печи показан в таблице 3. Уровнем доменной печи 1 являются результаты работы в условиях (сопоставительные условия), когда восстановленные железосодержащие окатыши не применяются. Уровнями доменной печи от 1 до 4 являются результаты использования сырья, удовлетворяющего условиям изобретения. Во всех результатах степень уменьшения содержания восстановителя в расчете на металлическое железо имело удовлетворительное значение от 0,43 до 0,45 кг/кг. Кроме того, увеличение выпуска чугуна имело удовлетворительное значение в диапазоне от 7,7 до 9,1 т чугуна/сут/кг металлического железа. Даже в случае условий доменной печи 4 с высоким расходом восстановленных железосодержащих окатышей, поскольку в позицию в пределах 2/3 диаметра от центра доменной печи загружали 75% окатышей, все результаты уменьшения содержания восстановителя при производстве чугуна были удовлетворительными. В то же время на уровне доменной печи 5 с использованием восстановленных железосодержащих окатышей, обладающих низкой пористостью, как в сопоставительном примере, степень уменьшения содержания восстановителя и степени увеличения выпуска чугуна в расчете на металлическое железо были меньше этих показателей при другом уровне. Было замечено увеличение содержания FeO в шлаке. Как показано выше, при восстановленных железосодержащих окатышах с низкой пористостью нельзя получить удовлетворительные результаты
| Таблица 3 Результат применения в доменной печи |
||||||||||
| Наименование уровня | Тип загружаемогометаллизо-ванного сырья | Доля металличес-кого железа в металлизо-ванном сырье, % |
Доля металлизо-ванного сырья, кг/т чугуна | Доля загрузки на расс-тоянии 2/3 от центра печи, % |
Степень восста-новления, кг/т чугуна | Умень-шение | Умень-шение расхода восста-новителя в расчете на метали-ческое железо, кг/кг | Выпла-вка чугу-на, тонн в сутки | Уве-личе-ние | Увеличе-ние выплав- ки чугу-на в расчете на кг металли-ческого железа (т чугуна/ сут)/кг |
| Доменная печь 1 | - | - | 0 | - | 510 | 10,058 | ||||
| Доменная печь 2 | RHF1 | 50 | 45 | 50 | 500 | 10 | 0,45 | 10,232 | 174 | 7,7 |
| Доменная печь 3 | RHF3 | 71 | 100 | 70 | 479 | 31 | 0,44 | 10,659 | 601 | 8,6 |
| Доменная печь 4 | RHF4 | 77 | 220 | 75 | 438 | 72 | 0,43 | 11,556 | 1,498 | 9,1 |
| Доменная печь 5 | RHF2 | 57 | 100 | 70 | 482 | 18 | 0,31 | 10,472 | 414 | 5,9 |
Результат, полученный при использовании восстановленных железосодержащих окатышей, показанных в таблице 2, в вертикальной печи, показан в таблице 4. Уровнем вертикальной печи 1 являются результаты работы в условиях (сопоставительные условия), когда восстановленные железосодержащие окатыши не применяются. Уровнями от вертикальной печи 1 до вертикальной печи 4 являются результаты использования сырья, удовлетворяющего условиям изобретения. При таких операциях происходит плавное восстановление и плавление, за счет чего достигается удовлетворительная производительность. В качестве показателя для проверки плавного хода восстановления восстановленных железосодержащих окатышей сравнивали содержание FeO в шлаке. На уровнях от вертикальной печи 1 до вертикальной печи 4 содержание FeO составляло всего 2% или меньше. Применялись восстановленные железосодержащие окатыши с суммарным содержанием цинка и свинца 0,25 массовых %. Однако, поскольку на колошнике печи температура составляла 565°С, проблем в технологическом процессе не возникало. На уровне вертикальной печи 6 как сопоставительном примере производительность несколько ухудшилась, а содержание FeO в шлаке увеличилось до 5,9 массовых %. Это позволяет предположить, что восстановление восстановленных железосодержащих окатышей происходило неудовлетворительно.
| Таблица 4 Результаты работы вертикальной печи |
||||||||
| Наиме-нование уровня |
Тип загру-жаемого металлизо-ванного сырья |
Доля металла в метали-зованном железе,% | Доля метал-лизованного железа в % в металличес-ком сырье | Доля загруз-ки на рассто-янии 2/3 от центра печи, % | Температура на верху печи,°C | Длите-льность временного пребывания в печи метали-зации, мин | Произ-водитель-ность, т/сут | FeO в шлаке, % |
| Вертикаль-ная печь 1 | - | - | 290 | 683 | 0,9 | |||
| Вертикаль-ная печь 2 | RHF 1 | 50 | 25 | 45 | 300 | 88 | 628 | 1,4 |
| Доменная печь 3 | RHF 3 | 71 | 52 | 65 | 325 | 55 | 587 | 1,7 |
| Доменная печь 4 | RHF 4 | 77 | 90 | 80 | 550 | 27 | 601 | 1,9 |
| Доменная печь 5 | RHF 5 | 53 | 50 | 75 | 565 | 31 | 595 | 0,9 |
| Доменная печь 6 | RHF 2 | 57 | 50 | 65 | 320 | 56 | 557 | 5,9 |
Применимость в производственных условиях
Изобретение может использоваться при производстве чугуна путем комбинирования печи с вращающимся подом и доменной печи для производства чугуна или вертикальной плавильной печи. Кроме того, изобретение может использоваться в операции производства чугуна при восстановлении окалины или пыли, содержащей оксид железа, образующихся на сталеплавильных заводах или заводах по переработке стали и тому подобном.
1. Способ производства восстановленных железосодержащих окатышей, в котором порошковые формованные изделия в виде окатышей, которые включают в себя оксид железа и углерод, нагревают и восстанавливают в печи с вращающимся подом, причем формованные изделия производят с использованием сырья, в котором средний диаметр частиц оксида железа равен 50 мкм или меньше, при этом отношение оксида углерода к диоксиду углерода в зоне восстановления поддерживают от 0,3 до 1, и восстановление проводят при температуре 1400°С или меньше с получением восстановленных железосодержащих окатышей со степенью металлизации железа от 50 до 85% и долей остаточного углерода 2% или меньше.
2. Способ по п.1, в котором длительность пребывания при температуре 1200°С или больше в печи с вращающимся подом составляет в интервале 8 мин или больше, и время представлено формулой to=69,5-0,035T или меньше, где единицей измерения to является минута, а Т является средней температурой газа (°С) в печи с вращающимся подом при температуре 1200°С или больше.
3. Способ по п.1, в котором средняя скорость нагрева в центре формованного изделия составляет 400°С/мин или меньше при нагревании от 100°С до 1000°С.
4. Способ по п.1, в котором отношение массы оксида кальция к оксиду кремния в формованном изделии составляет 2,2 или меньше.
5. Способ по п.4, в котором содержание фтора и хлора составляет (F, мас.%) + 0,4 (Cl, мас.%)<0,25.
6. Способ по п.1, в котором содержание общего железа в оксиде магния, оксиде кальция, оксиде кремния и в оксиде железа в формованном изделии составляет {(СаО, мас.%)-(MgO, мас.%)}/(Fеобщ., мас.%)<0,1 и {(СаО, мас.%)-(MgO, мас.%)}/(SiO2, мас.%)<2,0.
7. Способ производства чугуна, в котором восстановленные железосодержащие окатыши, полученные способом по любому из пп.1-6, загружают в доменную печь для производства чугуна вместе с рудой и агломерированной рудой, при этом доля частиц восстановленных железосодержащих окатышей с размерами от 5 до 20 мм составляет 80% или больше, и подвергают восстановлению и плавлению.
8. Способ по п.7, в котором восстановленные железосодержащие окатыши, имеющие внутреннюю структуру, в которой средний диаметр оксида, включающего в себя оксид железа, и оксида железа составляет от 5 до 100 мкм и ограничивается сеткой металлического железа, загружают в доменную печь для производства чугуна вместе с рудой и агломерированной рудой и подвергают восстановлению и плавлению.
9. Способ по п.7, в котором восстановленные железосодержащие окатыши загружают в доменную печь для производства чугуна в количестве 250 кг/т или меньше в расчете на количество произведенного чугуна.
10. Способ по п.7, в котором восстановленные железосодержащие окатыши загружают в позицию в пределах 2/3 от центра в диаметральном направлении доменной печи для производства чугуна, при этом доля восстановленных железосодержащих окатышей в доменной печи для производства чугуна составляет 65% или больше.
11. Способ производства чугуна, в котором восстановленные железосодержащие окатыши, полученные способом по любому из пп.1-6, загружают в вертикальную печь, причем степень заполнения внутреннего пространства печи кусковым железом и кусковым коксом составляет 80% или меньше, при этом доля частиц восстановленных железосодержащих окатышей с размерами от 5 до 20 мм составляет 80% или больше, и подвергают восстановлению и плавлению.
12. Способ по п.11, в котором восстановленные железосодержащие окатыши подвергают восстановлению и плавлению при условии, что доля окатышей в кусковом железе в вертикальной печи составляет 100% или меньше.
13. Способ по п.11, в котором восстановленные железосодержащие окатыши загружают в позицию в пределах 2/3 от центра в диаметральном направлении вертикальной печи, так что доля восстановленных железосодержащих окатышей в доменной печи для производства чугуна составляет 70% или больше.
14. Способ по п.11, в котором восстановленные железосодержащие окатыши, полученные путем нагрева порошковых формованных изделий, включающих в себя по меньшей мере один элемент из числа цинка или свинца, оксид железа и углерод, в печи с вращающимся подом, и при суммарном содержании цинка и свинца 0,05% или больше, загружают в вертикальную печь, в которой температура газа в верхней части печи составляет 500°С или больше, и подвергают восстановлению и плавлению.
