Способ промышленного производства железа
Изобретение относится к производству железа из материала, содержащего оксид железа. Способ включает загрузку материала, содержащего оксид железа, с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 2 мм и углеродсодержащего материала с избытком с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 6 мм в наклонный вращающийся цилиндрический реактор с внешним нагревом или вращающуюся печь с производительностью как минимум 1000 кг железа в час. Материал, содержащий оксид железа, и углеродсодержащий материал взаимодействуют во вращающемся цилиндрическом реакторе с внешним нагревом или вращающейся печи при температуре от 900°С до 1200°С в течение периода взаимодействия от 30 минут до 360 минут для восстановления оксида железа до порошка железа. Скорость подачи материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего материала и рабочую температуру реактора выбирают таким образом, что скорость поверхностного потока газа через реактор, вызванного выделением газа вследствие восстановления, меньше 2 мс-1. Полученный порошок железа отделяют от избытка углеродсодержащего материала магнитным разделением. Изобретение позволяет получать железо высокого качества в виде порошка, а также относительно чистый газообразный монооксид углерода в качестве побочного продукта. 9 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил., 2 пр.
Предложенное изобритение относится к способу промышленного производства железа. Оно также относится к блоку реактора и транспортному средству для использования в промышленном производстве чугуна.
В прошлом чугун производили путем восстановления оксида железа древесным углем. В таком процессе древесный уголь действовал и как источник тепла, и как восстановитель. Продуктом производства являлся сплав, состоящий из примерно 96,5% железа и примерно 3,5% углерода. Позднее древесный уголь был заменен коксом. В настоящее время чугун производится в основном из железной руды гематита (Fe2O3) и магнетита (Fe3O4) путем углетермического восстановления в доменных печах при температурах около 2000°С. В этом процессе железная руда, углерод в виде кокса и известняк в качестве флюса загружаются в верхнюю часть печи, а в под печи вдувается нагретый воздух. В печи кокс реагирует с кислородом в воздушном потоке и создается монооксид углерода, который восстанавливает железную руду до железа, превращаясь в процессе в диоксид углерода. Чугун, который производится таким путем, называется передельным. Из-за высокой скорости газового потока в доменных печах оксид железа и кокс должны находиться в относительно грубой фракции, предпочтительно с размером частиц больше 6 мм. Если размер частиц намного меньше 6 мм, потоком газа сырье просто выдувается через колошники домны. Кроме того, имеются проблемы, связанные с работой доменных печей по предотвращению образования горячих и холодных зон, которые могут приводить к обратным реакциям и необратимым реакциям.
При добыче, транспортировке и хранении железной руды и угля образуется большое количество отходов, которые обычно называются «мелочь». Мелкоизмельченный оксид железа также производится в качестве побочного продукта и при производстве меди, например, в случае Phalaborwa горнодобывающей корпорации в Южной Африке или Фрипорте (Grasberg) в Индонезии и при обжиге FeS2,, и при производстве серной кислоты. Такие тонкоизмельченные материалы могут являться сырьем для производства железа. Однако по причинам, изложенным выше, если эти материалы не гранулированные, они не могут быть использованы в доменных печах, но гранулирование не является экономически целесообразным. Целью изобретения является разработка такой задачи.
В соответствии с одним из аспектов изобретения, предлагается способ производства железа из материалов, содержащих оксид железа, такой способ включает взаимодействие материала, содержащего оксид железа, с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 2 мм с материалом, содержащим углерод, с ∂90 меньше 6 мм в промышленном реакторе при температуре от 900°С до 1200°С в течение времени взаимодействия, достаточного для восстановления оксида железа до железа.
Предпочтительно все материалы, содержащие оксид железа, восстанавливаются до железа.
Профессионалам хорошо известно, что ∂90 означает, что по крайней мере 90% материала имеет размер частиц меньше указанного, то есть ∂90 2 мм означает, что по крайней мере 90% конкретного материала имеет размер частиц меньше 2 мм. Часто ∂90 записывается просто d90.
Под термином "промышленный реактор" понимают реактор, в котором возможно регулярное производство по крайней мере 1000 кг чугуна в час.
Материал, содержащий оксид железа, может иметь ∂90 меньше 1 мм. Предпочтительно, материал, содержащий оксид железа, имеет ∂90 меньше 500 микрон.
Материал, содержащий углерод, может иметь ∂90 меньше 2 мм Предпочтительно, материал, содержащий углерод, имеет ∂90 меньше 1 мм.
Время взаимодействия может лежать в диапазоне от 30 минут до 360 минут. Время взаимодействия предпочтительно лежит в диапазоне от примерно 60 минут до примерно 180 минут и более предпочтительно около 120 минут.
Способ может включать взаимодействие материала, содержащего оксид железа, с материалом, содержащим углерод, в присутствии флюса, такого как оксид кальция или негашеная известь.
Материал, содержащий оксид железа, может представлять собой отходы оксида железа. В частности, это могут быть отходы при добыче железной руды, отходы производства меди или производства серной кислоты. Обычно такой материал имеет размер частиц с ∂90 меньше 500 микрон и состоит из гематита или магнетита. Материал, содержащий углерод, может быть угольными отходами или угольной «мелочью», которая остается при производстве и транспортировке угля. Кроме того, углеродсодержащим материалом могут служить отходы, полученные при очистке или дегазации угля.
Углеродсодержащим материалом является предпочтительно угольная «мелочь», очищенная от летучих. Обычно такой материал имеет частицы с ∂90 меньше чем примерно 6 мм.
Температура в реакторе может лежать в диапазоне от 1000°С до 1100°С, например около 1050°С.
Такой способ может включать нагрев реактора с помощью внешнего источника тепла. Обычно реактор нагревается электрическим нагревателем.
Осуществление восстановления при температуре около 1050°С с использованием внешнего электрического нагревательного устройства в соответствии со способом по изобретению может четко регулироваться. Равновесие между СО и CO2 при различных температурах задается следующим образом:
| СО | CO2 | |
| 450°С | 2% | 98% |
| 750°С | 76% | 24% |
| 1050°С | 99.6% | 0.4% |
Таким образом, при поддержании температуры приблизительно на уровне 1050°С равновесие СО/CO2 лежит почти полностью со стороны СО.
Традиционный способ производства чугуна в доменных печах требует использования углеродистых флюсов, таких как СаСО3 для повышения концентрации CO2 внутри печи. Однако это не только повышает скорость газа, но и разложение СаСО3 является эндотермическим и повышает расход энергии. Разложение СаСО3 происходит примерно при 900°С
СаСО3=СаО+CO2
| температура: | 500°С | 600°С | 700°С | 800°С | 900°С |
| мм рт.ст: | 0.11 | 2.35 | 25.3 | 168 | 760 |
Образование FeSiO3 и Fe2SiO4 происходит при температуре выше 700°С и необходим активный СаО для прохождения реакции с SiO2 до того, как он вступит в реакцию с FeO.
Взаимодействие материала, содержащего оксид железа, с углеродсодержащим материалом может включать подачу определенных заранее количеств указанных материалов во вращающийся цилиндрический реактор или вращающуюся печь и установку скорости вращения и угла поворота реактора таким образом, чтобы время, в течение которого материал находится в реакторе, было достаточным для восстановления оксида железа до железа.
Способ может включать предотвращение попадания воздуха в реактор.
Скорость подачи материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего материала и рабочая температура в реакторе могут быть выбраны таким образом, что скорость поверхностного газового потока через реактор, вызванная выделением газов, образованных при восстановлении, достаточно низкая для предотвращения любого значительного попадания воздуха и вследствие этого потери мелкоизмельченного материала, содержащего оксид железа, из реактора. Обычно скорость поверхностного газового потока меньше 2 мс-1, предпочтительно около 1 мс-1.
Способ может включать регулировку скорости подачи материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего материала, температуры реактора и скорости отвода газа из реактора для достижения существенно устойчивой концентрации монооксида углерода в реакторе.
Способ может включать стадию восстановления избыточного монооксида углерода, отведенного из реактора, и использование этого избыточного монооксида углерода для производства энергии. Эта энергия может быть использована для нагрева реактора.
Продукт, изготовленный в соответствии с методом по изобретению, по крайней мере, первоначально, представляет собой гранулированное железо с размерами частиц, аналогичными размерам частиц материала, содержащего оксид железа.
Способ может включать взаимодействие материала, содержащего оксид железа, с небольшим избытком углеродсодержащего материала (например, избыток около 5-30%), магнитное разделение полученного железа от избытка углеродсодержащего материала (например, очищенной угольной мелочи) и расплавление полученного продукта для получения низкоуглеродистой стали чистотой более 99% по массе.
Таким образом, чистота железа, полученного после магнитного удаления углерода, обычно превышает 99%. Это является чистотой низкоуглеродистой стали. Кроме того, путем введения соответствующих количеств хрома, никеля или марганца можно получить продукт в виде нержавеющей стали.
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ получения железа из материала, содержащего оксид железа; этот способ включает восстановление материала, содержащего оксид железа, с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 2 мм и углеродсодержащего материала с размерами частиц с ∂90 меньше 6 мм в промышленном реакторе при повышенных температурах, использовании монооксида углерода для восстановления и далее подачу материалов в реактор со скоростью и при температуре и отведение монооксида углерода из реактора со скоростью, выбранной таким образом, что в реакторе поддерживается существенно устойчивое концентрационное состояние.
Материал, содержащий оксид углерода, и углеродсодержащий материал могут быть такими, как описаны ранее.
Материал, содержащий оксид углерода, и углеродсодержащий материал могут подаваться в реактор со скоростью, которая выбирается таким образом, чтобы монооксид углерода, который образуется в процессе восстановления, протекал через реактор с поверхностной скоростью потока газа меньше чем примерно 2 мс-1 и предпочтительно около 1 мс-1.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается способ производства железа из материала, содержащего оксид железа; способ включает восстановление материала, содержащего оксид железа, с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 2 мм с помощью углеродсодержащего материала с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 6 мм в промышленном реакторе, далее способ включает подачу материалов в реактор в некотором соотношении и функционирование реактора при повышенной температуре, такой, что поверхностная скорость газа в реакторе, вызванная выделением газа в результате восстановления, составляет менее 2 мс-1.
Материал, содержащий оксид углерода, и углеродсодержащий материал могут быть такими, как описаны ранее.
Предпочтительно температура будет составлять около 1000°С и 1100°С и предпочтительнее 1050°С.
Предпочтительно поверхностная скорость газа будет составлять около 1 мс-1.
Предпочтительно весь материал, содержащий оксид железа, восстанавливается.
В соответствии со следующим аспектом изобретения предлагается устройство реактора, предназначенного для использования в промышленном производстве железа из материала, содержащего оксид углерода, который имеет гранулометрический состав с ∂90 меньше 2 мм, путем взаимодействия такого материала с углеродсодержащим материалом с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 6 мм при повышенной температуре; реакторное устройство включает цилиндрический реактор с впускным и выпускным устройствами, установленный для вращения относительно продольной оси, нагревательные устройства для нагрева реактора до температуры от примерно 900°С до 1200°С и монтажные устройства для установки реактора на транспортном средстве.
Нагревательными устройствами могут служить электрические нагревательные устройства, расположенные снаружи от реактора. Такой блок может включать приводы для вращения реактора.
Способ распространяется на транспортное средство с установленным реакторным блоком, как описывается ранее.
Далее изобретение описывается на примерах со ссылками на Примеры и чертежи.
На фиг.1 схематически показан вид реактора сбоку для использования в способе по изобретению.
На фиг.2 схематически показан разрез реактора на фиг.1.
При обращении к чертежам цифра 10 означает блок реактора в виде электрически нагреваемой вращающейся печи для использования в способе по изобретению. Печь 10 включает цилиндрическую камеру реактора 12, заключенную во внешний кожух 14. Кожух 14 имеет квадратное сечение, как видно на фиг.2, с внешними размерами примерно 2×2 м. Реактор 12 смонтирован для вращения на станине, обозначенной цифрой 16. Подающее устройство 18 подает сырье на входное устройство 20 камеры реактора 12. Подающее устройство 18 снабжено лабиринтным уплотнением (не показано) для предотвращения попадания воздуха в камеру реактора 12.
Камера реактора 12 имеет длину около 6 м и диаметр около 1 м и нагревается электрическими нагревательными элементами (не показаны) в кожухе 14. Печь 10 имеет наклон слева направо, как видно из чертежей, и станина 16 снабжена регулировочным механизмом (не показан) для увеличения или уменьшения наклона или угла камеры реактора 12, которые в комбинации с изменением скорости вращения изменяют скорость прохождения сырья через камеру реактора 12. Выходное устройство 22 камеры реактора 12 снабжено уплотнением (не показано) для предотвращения взаимодействия воздуха с гранулярным железом, когда оно подается из камеры реактора 12. Станина 16 имеет опорные ножки 24, которые могут быть установлены на транспортном средстве (не показаны) таким образом, что весь блок реактора можно перевозить в места, где ссыпают отходы, содержащие оксид железа и/или уголь.
Пример 1
В даном примере используется магнетит из горнорудной компании Phalaborwa, Южная Африка, имеющий следующий состав и гранулометрический состав:
| Fe | 66% |
| Fe3O4 | 91.2% |
| SiO2 | 0.52% |
| Al2O3 | 1.08% |
| Сера | 0.11% |
| Фосфор | 0.04% |
| ∂90 | -250 микрон |
| ∂50 | -106 микрон |
| ∂10 | -15 микрон |
700 кг угля (см. Табл. 1) было очищено от летучих примесей и получено 400 кг очищенного угля, как показано ниже:
| 700 кг | 400 кг (в условиях восстановления) |
| Таблица 1 | ||
| Уголь | Очищенный уголь | |
| Связанный углерод | 49% | 73% |
| Летучие вещества | 35% | 1.7% |
| Влага | 3% | 1.5% |
| Зола | 13% | 22% |
| SiO2 | - | 10% |
| Al2O3 | - | 4% |
| Сера | 1.5% | 1.5% |
| Фосфор | 0.02% | 0.02% |
| CV (МДж/кг) | 28 | 25 |
| Разме частиц | ∂90 - 12 мм | ∂90 - 500 микрон |
| ∂50 - 3 мм | ∂50 - 75 микрон | |
| ∂10 - 0.5 мм | ∂10 - 10 микрон | |
| Примечание: после удаления летучих веществ из угля уголь перемалывается на молотковой мельнице |
Следующая формула представляет реакцию восстановления магнетита:
Fe3O4+4С=3Fe+4СО (газообразн.)
На основаниии 1 моля Fe3O4 можно выполнить следующие расчеты:
1 моль Fe3O4=231.54 г, чистота 91.2%=253.88 г
4 моля С=48 г, чистота 73%=65.75 г
+50% избыток очищенного угля=98.625 г (для предотвращения попадания воздуха)
Из этого следует, что для восстановления 1 тонны магнетита во вращающейся печи необходимо 388 кг очищенного угля. 1 тонна магнетита содержит 10.8 кг Al2O3 и 5.2 кг SiO2. 388 кг очищенного угля содержит 38.8 кг SiO2 и 15.5 кг Al2O3. Общее количество SiO2=44 кг=0.733 кмоля, а общее количество Al2O3=26.3 кг=0.258 кмоля. Было установлено, что если равные молярные количества известняка добавляются к молярным количествам SiO2 и Al2O3, спекание во время восстановления минимизируется. Общее количество необходимого известняка=0.991 кмоля СаО=55.5 кг, чистота 89%=62.4 кг. Известняк размалывается до -500 микрон, ∂50=125 микрон.
Восстановительная смесь (на основе одной тонны магнетита) такова:
1 тонна магнетита (91.2%) (высушенного при 300°С)
388 кг очищенного угля (73%)
62 кг известняка (89%)
1450 кг
2.9 тонны восстановительной смеси подается в наклонную восстановительную камеру или вращающуюся печь длиной 9.7 м и внутренним диаметром 0.96 м со скоростью подачи 300 кг/ч. Камера вращается со скоростью 1.12 об/мин и материал из камеры собирается в барабаны. Примерно через 2 часа первый материал собирается (см. Таблицу 2 внизу). Камера имеет 3 зоны обжига, а именно зону 1, которая представляет собой зону подачи; зона 2 является промежуточной зоной и зона 3 - зона выгрузки. Температура в каждой зоне измерялась, как указано в Таблице 2. Для предотвращения прилипания материала к стенкам используются два механических молота, на загрузочном и разгрузочном конце камеры. Угол наклона камеры соответствует уклону 5 мм/1 м вдоль трубы.
| Таблица 2 | |
| Время | |
| Подача | |
| Выход | |
| Барабан | |
| Зона 1 Темпер. | |
| Зона 2 Темпер. | |
| Зона 3 Темпер. | |
| 0 ч 00 | |
| 300 кг | |
| - | |
| - | |
| 1064°С | |
| 1070°С | |
| 1071°С | |
| 1 ч 00 | |
| 300 кг | |
| - | |
| - | |
| 1042°С | |
| 1070°С | |
| 1069°С | |
| 2 ч 00 | |
| 300 кг | |
| 128 кг | |
| 1 | |
| 1029°С | |
| 1070°С | |
| 1073°С | |
| 3 ч 00 | |
| 300 кг | |
| 179 кг |
| 2/3 | |
| 1029°С | |
| 1070°С | |
| 1068°С | |
| 4 ч 00 | |
| 300 кг | |
| 193 кг | |
| 4/5 | |
| 1028°С | |
| 1070°С | |
| 1071°С | |
| 5 ч 00 | |
| 300 кг | |
| 188 кг | |
| 6/7 | |
| 1039°С | |
| 1071°С | |
| 1069°C | |
| 6 ч 00 | |
| 300 кг | |
| 198 кг | |
| 8/9 | |
| 1039°С | |
| 1069°С | |
| 1072°С | |
| 7 ч 00 | |
| 300 кг | |
| 207 кг | |
| 10/11 | |
| 1039°С | |
| 1071°С | |
| 1071°С | |
| 8 ч 00 | |
| 300 кг | |
| 189 кг | |
| 12/13 | |
| 1033°С | |
| 1071°С | |
| 1071°С | |
| 9 ч 00 | |
| 200 кг | |
| 158 кг | |
| 14/15 | |
| 1053°С | |
| 1071°С | |
| 1071°С | |
| 10 ч 00 | |
| - | |
| 74 кг | |
| 16 | |
| 1055°С | |
| 1071°С | |
| 1071°С |
Через 10 часов печь выключали и пламя CO2 (газообразн.), в котором сгорал СО, отводимый из камеры, горело еще в течение часа. На следующий день выгружали еще 147 кг из вращающейся печи, в то время как осадок 179 кг оставался во вращающейся печи. Этот материал отбраковывался, поскольку он повторно окислялся из-за недостатка атмосферы СО. Материал в барабанах 1 и 16 также отбраковывался.
В соответствии с уравнением реакции восстановления, приведенной выше, полное восстановление 253.9 г загружаемого магнетита приведет к потере 112 г СО (газообразн). Следовательно, из восстановительной смеси 1450 кг образуется 441 кг СО (газообразн). Это эквивалентно потере массы 30.4%. В зависимости от эффективности уплотнения ввода вращения, используемого для предупреждения попадания воздуха из камеры восстановления, и таким образом из процесса восстановления, массовая потеря во время устойчивой фазы восстановления обычно лежит в диапазоне от 34% до 37%. Следует также обратить внимание на предупреждение повторного окисления порошка железа. Это обычно достигается водяным охлаждением камеры, через которую подается порошок железа.
Качественный порошок железа (из магнетита или гематита), полученный с использованием способа по изобретению, имеет обычно следующую рентгеновскую дебаеграмму:
| СаО | 2-5% |
| Гематит (Fe2O3) | 1-2% |
| Железо | 85-89% |
| Магнетит (Fe3O4) | 0-1% |
| Углерод | 2-6% |
| Вюстит (FeO) | 1-4% |
Было установлено, что Fe высокой чистоты (низкоуглеродистая сталь) может быть получено, если восстановленный порошок отделяется с помощью магнита от избытка угля и других немагнитных примесей до плавления. В таблице, приведенной ниже, показано отличие по качеству порошка, расплавленного до разделения, по сравнению с порошком магнитных фракций восстановленного железа.
| Расплавленный восстановленный порошок | Расплавленная магнитная фракция |
| Fe 96-97% | >99% |
| С 2-3% | <0.25% |
| Si 1-2% | <0.25% |
| S 0.2-0.5% | примерно 15% сокращение содержания S |
| P 0.05-0.2% | примерно 30% сокращение содержания Р |
Восстановленный порошок железа подается со скоростью 1 кг/мин на магнитный барабан, вращающийся со скоростью 50 об/мин и имеющий напряженность магнитного поля 1 200 Гс, в то время как отводящий зазор между магнитным и немагнитным материалом - 10 мм. Разделение между магнитным и немагнитным материалом обычно 82-86% магнитного материала и 14-18% немагнитного материала.
Магнитная фракция восстановленного порошка железа может быть расплавлена в печах разных типов, например дуговой, индукционной печах или печах сопротивления.
Обычно магнитная фракция содержит 78-82% металла, тогда как газовые потери составляют от 3% до 6%. 5-10% известняка обычно смешивается с магнитным порошком железа перед загрузкой в печь. Это способствует разжижению шлака и удалению Р и S из железа. Дуговые и индукционные печи обычно работают в окислительных условиях, что способствует удалению Р из железа в шлак. Обычно окислительные условия (высокое содержание FeO) в шлаке препятствуют удалению S из железа, и это впоследствии выполняется в ковше. Типичный шлак, выпущенный в ковш для удаления серы из железа, используется в следующем соотношении к расплавленному железу:
| 2% | СаС2 (молотый) |
| 1.5% | CaF2 порошок |
| 3% | Al2O3 порошок |
| 8.5% | известняк (молотый) |
| 0.4% | алюминиевые гранулы |
В отличие от дуговых или индукционных печей, атмосфера в углеродных печах сопротивления является восстановительной. В зависимости от содержания Р в железе, при добавлении известняка иногда неоходимо добавлять 2-5% порошка Fe2O3 к магнитному порошку железа для окисления Р, чтобы он был поглощен основным шлаком. В этом случае возможно экстрагировать и серу, и фосфор из железа одновременно с помощью одного и того же шлака.
За счет использования такого процесса (восстановления мелочи в порошок железа в соответствии со способом по изобретению, магнитного отделения порошка железа, однородного введения присадок к магнитному порошку железа перед плавлением и регулируемого плавления порошка) становится возможным производство, непосредственно из рудной мелочи, маточной смеси для низкоуглеродистой стали без промежуточного производства передельного чугуна.
Такая чистая маточная смесь для низкоуглеродистой стали (арматурная или полосовая сталь), в которой содержание S и Р≤0.06%, а С≤0.25%, может быть использована для производства различных типов нержавеющей стали путем добавления к ней различных присадок, таких как FeCr, FeMn, FeSi, FeV, FeMo, FeC3 и т.п. Более того, эти различные типы присадок могут смешиваться с магнитным порошком железа (и известняком) перед расплавлением для получения нужного продукта после десульфуризации и дефосфоризации.
Следующие расчеты иллюстрируют учет энергии для процесса по изобретению.
Энергия, необходимая для нагрева восстановительной смеси:
1 тонна магнетита от 20°С до 1050°С, ΔT=1030°С
СрМΔТ=1×1 т × 1030°С=1030 МДж
388 кг очищ. угля от 20°С до 1050°С, ΔТ=1030°С
СрМΔТ=1.7×0.388 т × 1030°С=679.4 МДж
62 кг известняка от 20°С до 1050°С, ΔТ=1030°С
Энергия, необходимая для восстановления железа при 1050°С:
Fe2O4+4С=3Fe+4СО (газообразн.) 2734 МДж
Однако магнетит, который используется в этом Примере, имеет степень чистоты только 91.2%=2493.4 МДж необходимо. Обычно масса, оставшаяся после восстановления, составляет 66% (1450 кг)=957 кг восстановленного порошка.
В стандартной ситуации, примерно 84% восстановленного порошка является магнитной фракцией=804 кг.
Энергия, необходимая для расплава такого порошка при 1535°С:
804 кг+80 кг присадок=884 кг нагревают от 20°С до 1535°С, ΔТ=1515°С
СрМΔТ=0.6×0.884 т×1515°С=803.6 МДж
По крайней мере выход 80% магнитной фракции (804 кг)=643 кг составляет железо. Энергия, необходимая для превращения Fe (s) в Fe (l)=247 КДж/кг Fe, таким образом, для 643 кг железа необходимо 159 МДж.
Полная необходимая энергия=5216.4 МДж для производства 643 кг железа или 2.25 МВтч на тонну железа.
Тонна магнетита из горнорудной компании Phalaborwa содержит 660 кг железа. Это означает получение 643 кг=эффективность 97.4%.
Как уже указывалось ранее, тонна магнетита из Phalaborwa Mining Company выделяет 441 кг СО (газообразный) при восстановлении. Когда килограмм СО (газообразный) сгорает в воздухе, выделяется энергия 10,2 МДж Это означает, что при сгорании в воздухе 441 кг CO (г) выделяется энергия 4498,2 МДж.
При очистке угля от летучих угля для производства 400 кг очищенного угля расходуется примерно 700 кг угля. Энергия, необходимая для получения 400 кг очищенного угля:
(700 кг×28)-(400 кг×25)
=19600-10000
=9600 МДж
При восстановлении 1 тонны магнетита горнорудной компании Phalaborwa используется 388 кг очищенного угля, это означает 388/400×9600=9312 МДж выделяется при очистке от летучих.
Полная энергия для восстановления 1 тонны магнетита горнорудной компании Phalaborwa=13810 МДж. Если 30% этой энергии может быть преобразовано в электрическую энергию путем генерации пара, должно использоваться 4143 МДж на 643 кг производимого Fe или 1.79 МВт/тонну чугуна. Это означает, что примерно 75% энергии, необходимой для производства 1 тонны чугуна, может быть получено таким путем.
Пример 2
В этом примере используется гематит из Sishen, Южная Африка, имеющий следующий состав и гранулометрический состав:
| Fe | 63.1% |
| Fe2O3 | 90.2% |
| SiO2 | 5.6% |
| Al2O3 | 1.98% |
| S | 0.03% |
| P | 0.14% |
| ∂90 | -800 микрон |
| ∂50 | -500 микрон |
| ∂10 | -200 микрон |
Уравнение реакции восстановления гематита представлено следующей формулой:
Fe2O3+3С=2Fe+3СО (газообразн.)
Из расчета 1 моля Fe2O3 можно сделать следующие вычисления:
1 моль Fe2O3=159.7 г, чистота 90.2%=177 г
3 моля С=36 г, чистота 73%=49.32 г
+50% избыток очищенного угля=73.97 г (чтобы ислючить попадание воздуха)
Из этого следует, что для восстановления 1 тонны гематита во вращающейся печи необходимо 418 кг очищенного угля. 1 тонна гематита содержит 19,8 кг Al2O3 и 56 кг SiO2. 418 кг очищенного угля содержит 41,8 кг SiO2 и 16,7 кг Al2O3. Общее количество SiO2=97,8 кг=1.63 кмоля и общее количество Al2O3=36,5 кг=0.358 кмоля. Общее количество необходимого СаО=1,988 кмоля=111,33 кг, чистота 89%=125 кг.
Восстановительная смесь (на основе 1 тонны гематита) такая:
1 тонна гематита (90.2%) (высушенного при 300°С)
418 кг очищенного угля (73%)
125 кг известняка (89%)
1543 кг
Материал восстанавливался точно так же, как магнетит в Примере 1, и были получены аналогичные результаты.
Минимальный диаметр трубы при поверхностной скорости газа<1 м/с может быть рассчитан следующим образом (в предположении свободный объем приближается к 1):
450 кг СО=16 кмолей газа
При нормальных условиях, 1 моль газа=22,4 л (273К)
Следовательно, 16 кмоль газа=16000×22,4 л=358.4 м3
При 
=1736.86 м3
Если восстановительная реакция идет больше часа, поверхностная скорость газа в секунду будет составлять 0,482 м3/c.
Площадь цилиндра=
Объем/с=площадь×скорость
Следовательно, 
Если V=1 м/с диаметр трубы равен
Если используется труба диаметром 1 м и длиной 6 м, объем трубы будет 4700 л. 15% осадок должен составлять 705 л. Объемная плотность шихты составляет примерно 2 г/ мл, следовательно, осадок 705 л будет иметь массу 1410 кг. Это означает, что если в час загружается 1450 кг смеси (пример 1) при 1050°С (температура продукта) через вращающуюся печь указанных размеров, поверхностная скорость газа будет меньше 1 мс-1.
Если предложенный способ по изобретению сравнить с традиционным способом производства чугуна в доменных печах, основные различия будут состоять в следующем. Во-первых, доменная печь заменяется вращающейся печью. Отражающая футеровка доменной печи не является необходимой и способ по изобретению осуществляется в трубном реакторе из нержавеющей стали. Загружаемый материал, используемый в доменной печи, имеет частицы размером больше 6 мм, тогда как материал, используемый в способе по изобретению, является отходами с размерами частиц меньше 0.5 мм. Нагрев доменной печи является внутренним с использованием ископаемого топлива и монооксида углерода, тогда как нагрев вращающейся печи производится с помощью внешних электрических источников нагрева. Кроме того, если доменная печь работает при скоростях газа, превышающих 10 мс-1, способ по изобретению осуществляется при низких поверхностных скоростях газа, обычно меньше 2 мс-1, для предотвращения попадания мелкоизмельченных реагентов. Далее, если доменная печь работает с температурным градиентом от примерно 200°С до 1600°С, при осуществлении способа по изобретению весь процесс происходит при постоянной температуре 1050°С. Продукт из традиционной доменной печи представляет собой жидкий чугун, тогда как продукт, произведенный способом по изобретению, представляет собой мелкий гранулированный порошок железа. Кроме того, побочным продуктом доменного производства является диоксид углерода, и работа доменной печи требует углеродистых флюсов, тогда как побочным продуктом производства по способу по изобретению является монооксид углерода, который может быть использован для производства электроэнергии, а способ по изобретению требует флюсов из оксидов металлов. Особенно важным с экономической точки зрения является тот факт, что доменная печь имеет фиксированное место расположения, реактор по изобретению может транспортироваться в районы, в которых есть необходимость в его использовании. Таким образом значительно сокращаются расходы, поскольку отпадает необходимость транспортировки сырья к реактору.
Преимуществом изобретения является также то, что гранулированное железо производится с небольшим количеством или с отсутствием производственной пыли. Еще одним преимуществом является то, что большая поверхность мелкого гранулированного оксида железа и угля увеличивает скорость восстановления и сокращает время пребывания материала во вращающейся печи. Это, в свою очередь, означает повышенную производительность по сравнению с доменной печью. Заявитель оценивает, что затраты на тонну железа, произведенного способом по изобретению, будут вдвое меньше, чем затраты на производство тонны передельного чугуна, поизведенного в традиционной доменной печи.
Рентгеновская дебаеграмма восстановленного материала в Примере 1 показывает высокую эффективность восстановления (соотношение между Fe и FeO). Это происходит благодаря регулировке процесса восстановления, что является возможным при осуществлении способа по изобретению. Еще одним преимуществом изобретения является то, что продукт представляет собой порошок железа, а не расплавленную массу. Это позволяет вводить присадки в железный порошок перед его расплавлением. С этой точки зрения значительно сложнее вводить присадки и перемешивать их однородно в расплавленной массе. Это, в свою очередь, означает, что уровень углерода после восстановления может регулироваться более эффективно за счет смешивания такого окислителя, как Fe2O3 с порошком железа перед расплавлением. Существует также возможность вводить различные металлы или оксиды металлов в порошок железа перед расплавлением. Особым преимуществом изобретения является то, что за счет магнитного удаления избытка угля из готового железа перед плавкой значительно повышается качество железа в такой степени, что оно соответствует критериям низкоуглеродистой стали. Это приводит к существенному повышению стоимости продукта. Как указывалось ранее, существует возможность производства слитков нержавеющей стали вместо слитков передельного чугуна. Таким образом, стоимость продукта может еще более повышаться за счет того, что нержавеющая сталь может производиться непосредственно в процессе восстановления оксида железа без промежуточных процессов плавки. Это является существенным улучшением существующих способов производства нержавеющей стали. Еще одним преимуществом является то, что в противоположность традиционным способам, при осуществлении способа по изобретению не используется монооксид углерода, который образуется в процессе восставноления для внутреннего производства энергии за счет его реакции с кислородом. Способ по изобретению позволяет производить относительно чистый газообразный монооксид углерода в качестве побочного продукта, и он может быть использован в качестве источника топлива для производства электроэнергии с помощью парогенератора. Изобретение, в частности, позволяет выгодно преобразовывать тысячи тонн отходов оксида железа и угля, имеющихся во многих местах, в железо.
1. Способ производства железа из материала, содержащего оксид железа, включающий загрузку материала, содержащего оксид железа с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 2 мм, и углеродсодержащего материала с избытком с гранулометрическим составом с ∂90 меньше 6 мм, в наклонный вращающийся цилиндрический реактор с внешним нагревом или вращающуюся печь с производительностью как минимум 1000 кг железа в час, взаимодействие материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего материала во вращающемся цилиндрическом реакторе с внешним нагревом или вращающейся печи при температуре от 900°С до 1200°С в течение периода взаимодействия от 30 мин до 360 мин для восстановления оксида железа до порошка железа, при этом скорость подачи материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего материала и рабочую температуру реактора выбирают таким образом, что скорость поверхностного потока газа через реактор, вызванного выделением газа вследствие восстановления, меньше 2 мс-1, а полученный порошок железа отделяют от избытка углеродсодержащего материала магнитным разделением.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал, содержащий оксид железа, имеет ∂90 меньше 1 мм.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что материал, содержащий оксид железа, имеет ∂90 меньше 500 мкм.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал, содержащий углерод, имеет ∂90 меньше 2 мм.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что материал, содержащий углерод, имеет ∂90 меньше 1 мм.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что материалом, содержащим углерод, является угольная мелочь, очищенная от летучих соединений.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в реакторе находится в диапазоне 1000-1100°С.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает в себя предотвращение попадания воздуха в реактор.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает в себя регулировку скорости подачи материала, содержащего оксид железа, и углеродсодержащего материала, регулировку температуры реактора и скорости отвода газа из реактора для достижения существенно устойчивого концентрационного состояния монооксида углерода в реакторе.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает в себя стадию выделения избытка монооксида углерода, отведенного из реактора, использование избытка монооксида углерода для производства электроэнергии и использование этой энергии на нагрев реактора.
