Способы и системы для восстановления хромсодержащего сырья
Изобретение относится к способу восстановления хромсодержащего материала. Способ включает объединение хромсодержащего материала, содержащего оксид хрома, с углеродсодержащим восстановителем с образованием хромсодержащей смеси, при этом обеспечивают увеличение ее внутренней пористости и уменьшение плотности путем соединения с внутренним плавящимся веществом и/или формируют агломераты хромсодержащей смеси в виде экструдированных элементов с по меньшей мере одним отверстием продолговатой формы. Хромсодержащую смесь подают в печь с движущимся подом и осуществляют восстановление для образования восстановленной хромсодержащей смеси, которую подают в плавильную печь, и разделяют восстановленную хромсодержащую смесь на металл хром и шлак. Способ также включает агломерирование хромсодержащей смеси в грануляторе. Хромсодержащая смесь имеет средний размер частицы менее приблизительно 75 мкм. Изобретение обеспечивает улучшенную теплопередачу и выпуск газов из экструдированных элементов, предотвращение их повторного окисления. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННУЮ (РОДСТВЕННЫЕ) ЗАЯВКУ (ЗАЯВКИ)
[0001] Настоящая патентная заявка/патент претендует на выгоду приоритета одновременно находящейся на рассмотрении предварительной заявки на патент США №61/773502, поданной 6 марта 2013, под названием "METHOD AND SYSTEMS FOR REDUCING CHROMIUM CONTAINING RAW MATERIAL" (Способ и системы для восстановления хромосодержащего сырья), содержимое которой в полном объеме включено в данный документ с помощью ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0002] Настоящее изобретение в общем относится к технологии производства феррохрома и усовершенствованным способам и системам для восстановления хромосодержащего сырья.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Как правило, высокоуглеродистый феррохром производят путем плавления и восстановления хромовой руды после предварительной обработки в погруженной электродуговой печи (EAF) или т.п. Примеры предварительной обработки хромовой руды включают брикетирование, спекание, обжиг окатышей и предварительное восстановление окатышей.
[0004] Например, в предварительном восстановлении окатышей хромовую руду измельчают с коксом и гранулируют для подготовки сырых окатышей, которые затем подвергают восстановительному обжигу в барабанной печи или т.п.при приблизительно 1300 градусах С или выше для получения предварительно восстановленных окатышей. Степень восстановления этих предварительно восстановленных окатышей, которая составляет от 60% до 70% с только внутренне добавленным коксом, достигает 80% в сочетании с внешне добавленным коксом. В этом способе, следовательно, требуется существенно меньше тепла для восстановления хромовой руды в EAF, чем в других типах предварительной обработки, что значительно сокращает потребление энергии.
[0005] Предварительное восстановление окатышей является преимущественным способом с низким потреблением энергии; однако, этот способ, включающий применение барабанной печи для предварительной обработки, имеет следующие недостатки, характерные для барабанной печи. Поскольку фундаментальный принцип барабанной печи основан на беспорядочном переворачивании сырья, барабанная печь невыгодно производит большое количество пыли, которая быстро образует в ней накопительные кольца. Кроме того, барабанная печь требует избыточной длины вследствие изменений во времени пребывания сырья, таким образом используя большую площадь установки оборудования и большую площадь поверхности. Следовательно, барабанная печь невыгодно рассеивает большое количество тепла, приводя к более высокому потреблению топлива, чем требуется. Кроме того, сочетание с внешне добавленным коксом является невыгодным в том, что оно приводит к большим потерям окисления внешне добавленного кокса в барабанной печи.
[0006] С термодинамической точки зрения оксид хрома восстанавливается труднее, чем оксид железа. Температуру окатышей в печи постепенно поднимают путем нагревания окатышей с помощью горелки, предусмотренной на выпускном конце печи. Соответственно, внутренне добавленный кокс потребляется предпочтительно в восстановлении оксида железа, содержащегося в хромовой руде, поскольку оксид железа восстанавливается легче, чем оксид хрома. В результате восстановление оксида хрома отстает, поскольку оксид хрома восстанавливается труднее, чем оксид железа.
[0007] Для устранения этих недостатков, характерных для барабанных печей, были предложены способы, в которых для предварительного восстановления используют печь с вращающимся подом (RHF).
[0008] В одном таком способе сырые окатыши, подготовленные путем добавления углеродсодержащего материала к сталелитейным отходам, содержащим Cr и Fe, и гранулирования смеси, предварительно нагревают до приблизительно 600 градусов С - 800 градусов С с помощью шахтного теплообменника, и затем загружают в печь с вращающимся подом и постепенно нагревают до приблизительно 1000 градусов С - 1800 градусов С в восстановительной атмосфере.
[0009] В другом таком способе сырые окатыши, подготовленные путем добавления соответствующего количества хромовой руды к хромсодержащим отходам, полученным в процессе производства нержавеющей стали, и гранулирования смеси с коксом, помещают на под печи с вращающимся подом и нагревают газом сгорания, чтобы производить окатыши, содержащие хром и железо.
[0010] Вышеописанные способы, в отличие от барабанных печей, производят меньше пыли и, следовательно, не создают накопительных колец, поскольку сырье, помещенное на вращающийся под, является неподвижным. Кроме того, не требуется избыточная площадь пода, поскольку время пребывания сырья является постоянным. Соответственно, используемое оборудование более компактно, и площадь поверхности печи меньше, так что печь имеет меньше рассеянного тепла и обеспечивает более низкое потребление топлива.
[0011] Однако в вышеописанных способах внутренне добавленный углеродсодержащий материал начинает восстанавливать оксид железа даже при приблизительно 600 градусах С - 800 градусах С в шахтном теплообменнике (тогда как при таких температурах углеродсодержащий материал не восстанавливает оксид хрома). Кроме того, окатыши постепенно нагреваются в печи с вращающимся подом; в результате углеродсодержащий материал расходуется преимущественно в восстановлении оксида железа. Ко времени, когда печь достигает температуры, при которой восстановление оксида хрома может начаться, оксид хрома теряет возможность войти в контакт с углеродсодержащим материалом ввиду нехватки углеродсодержащего материала, который может обеспечить низкую степень восстановления хрома. С другой стороны, увеличение количества углеродсодержащего материала, добавленного внутренне для поддержки возможности контакта, вызывает следующие обычные недостатки: сырые окатыши распадаются вследствие уменьшения прочности, образуя наложения на поде; увеличивается унос пыли из печи с вращающимся подом в дымовой газ; и восстановленные окатыши распадаются, или их плотность ухудшается иным образом, что вызывает сложности в растворении в расплавленном металле в электропечи, приводя к более низкому выходу выплавки.
[0012] Кроме того, вышеописанные способы не упоминают о температуре нагревания и скорости возрастания температуры окатышей и вышеописанной проблеме, состоящей в том, что восстановление оксида хрома запаздывает.
[0013] Соответственно, цель патента США №8262766 (Sugitatsu и др.), которая образует концептуальную основу для некоторых усовершенствований настоящего изобретения, например, состоит в предоставлении способов и систем для восстановления хромсодержащего сырья. Когда хромсодержащее сырье, которое содержит оксид хрома и оксид железа и снабжено внутренне добавленным углеродсодержащим материалом, восстанавливают (т.е., предварительно восстанавливают), эти способы и системы способствуют восстановлению оксида хрома, в то же время подавляя преимущественное потребление внутренне добавленного углеродсодержащего материала в восстановлении оксида железа, тем самым увеличивая степень восстановления хрома. Однако, эти способы и системы также имеют значительные недостатки, которые устраняются способами и системами настоящего изобретения, как описано ниже в данном документе.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Снова, патент США №8262766 предоставляет способы и системы для восстановления хромсодержащего сырья, включающие этап смешивания хромсодержащего сырья, содержащего оксид хрома и оксид железа, и углеродсодержащего восстановителя для получения смеси; и этап восстановления для нагревания и восстановления смеси быстрым поднятием температуры путем нагрева излучением в печи с движущимся подом для получения восстановленной смеси.
[0015] Если температура смеси быстро поднимается в печи с движущимся подом, можно позволить начинать восстановление оксида хрома до того, как внутренне добавленный углеродсодержащий материал в смеси будет израсходован в восстановлении оксида железа. Соответственно, восстановление оксида хрома происходит, пока поддерживается возможность контакта между оксидом хрома и внутренне добавленным углеродсодержащим материалом. Этот способ может, следовательно, предоставить восстановленную смесь, имеющую высокую степень восстановления хрома. В частности, печь с движущимся подом, в которой сырье помещенное на под, является неподвижным, предпочтительно применяют для нагрева и восстановления смеси. Применение такой печи может существенно сократить количество производимой пыли и предотвратить накопительные кольца, возникающие из-за пыли, накапливающейся на стенках печи. Кроме того, эта печь не требует громоздкого оборудования, которое требуется для барабанных печей, поскольку время нахождения смеси в печи является постоянным. Соответственно, используемое оборудование является более компактным и поэтому предоставляет преимущества меньшей площади установки и меньшего количества рассеиваемого тепла.
[0016] В этом варианте осуществления средняя скорость роста температуры смеси на этапе восстановления составляет предпочтительно 13,6 градусов С/с или выше в период от запуска нагревания излучением смеси до того, как смесь достигает приблизительно 1114 градусов С. Быстрый рост температуры при этой скорости роста температуры обеспечивает вышеописанные эффекты более надежно. В этом варианте осуществления этап восстановления предпочтительно выполняют при приблизительно 1250 градусах С - 1400 градусах С. Этап восстановления в печи с движущимся подом при такой температуре позволяет эффективное восстановление оксида хрома.
[0017] Этот вариант осуществления предпочтительно также включает этап восстановления и плавления для плавления восстановленной смеси, полученной на этапе восстановления путем последовательного нагревания излучением, чтобы получать восстановленный расплавленный материал. Плавление после восстановления вызывает агрегирование металла и/или шлака, чтобы сокращать площадь поверхности металла и/или шлака и площадь соприкосновения между металлом и шлаком, таким образом сокращая нежелательные реакции, такие как повторное окисление. Кроме того, плавление после восстановления в той же печи может исключать падение температуры, которое происходит, когда, например, восстановленную смесь выгружают из печи с движущимся подом после восстановления и перемещают и плавят в другом устройстве. Этот способ, следовательно, может сдерживать потери энергии при плавлении восстановленной смеси.
[0018] Этот вариант осуществления предпочтительно также включает этап отверждения для охлаждения и отверждения восстановленного расплавленного материала, полученного путем нагрева излучением в печи с движущимся подом, чтобы получать восстановленное твердое вещество; и этап разделения для разделения восстановленного твердого вещества на металл и шлак. Соответственно, смесь восстанавливают и плавят в печи с движущимся подом, в которой сырье, помещенное на под, является неподвижным, для удаления шлака и извлечения металла из смеси. Этот способ, следовательно, не требует плавильной печи, таким образом значительно сокращая затраты на оборудование и потребление энергии. В этом варианте осуществления этап плавления путем нагрева излучением предпочтительно выполняют при температуре выше, чем на этапе восстановления, в диапазоне от приблизительно 13500 градусов С до 1700 градусов С.Содержание хрома восстановленной смеси может быть извлечено в виде металлического хрома, содержащегося в металле, а не удалено в виде оксида хрома, содержащегося в шлаке, путем разрешения восстанавливать оксид хрома, содержащийся в восстановленной смеси, что должно происходить в достаточной мере при приблизительно 1250 градусах С - 1400 градусов С перед плавлением восстановленной смеси при приблизительно 1350 градусах С - 1700 градусах С. Способ, следовательно, может обеспечивать высокий выход хрома.
[0019] В этом варианте осуществления углеродсодержащее регулирующее атмосферу вещество предпочтительно загружают вместе со смесью на под печи с движущимся подом на этапе восстановления. Если углеродсодержащее регулирующее атмосферу вещество загружают вместе со смесью на под, летучие компоненты, улетучившиеся из регулирующего атмосферу вещества, и газы, такие как СО и Н2, произведенные в реакции CO2 и Н2О, содержащихся в атмосферном газе, находятся поблизости от смеси в восстановительной атмосфере для предотвращения повторного окисления восстановленной смеси. Летучие компоненты и газы, такие как СО и Н2, также могут быть использованы как топливо для нагрева излучением в печи с движущимся подом для сокращения потребления топлива в печи с движущимся подом. Кроме того, регулирующее атмосферу вещество преобразуется в материал на основе углерода, который не размякает при высокой температуре после выхода летучих компонентов. Этот материал может предотвращать накопление наложений на поде, сокращая нагрузку на выпускное устройство, которое выпускает восстановленную смесь (или восстановленный расплавленный материал, или восстановленное твердое вещество), и истирание элементов, таких как режущие края. Кроме того, материал на основе углерода, выпущенный вместе с восстановленной смесью (или восстановленным расплавленным материалом, или восстановленным твердым веществом), может быть использован как восстановитель и/или источник тепла на следующем этапе плавления.
[0020] Однако, в различных показательных вариантах осуществления, настоящее изобретение предусматривает различные усовершенствования этого осуществления. Во-первых, относительно применяемых агломератов, агломераты могут представлять собой окатыши, брикеты или экструдированные элементы, и размер частицы является критически важным. Руда и уголь должны быть мелко размолоты, например, размером менее чем приблизительно 200 меш (приблизительно 75 мкм). Низкая плотность и внутренняя пористость также являются критически важными и могут быть обеспечены путем применения внутренних плавящихся веществ, таких как бумажный ворс, полистирол/пенопластные слои или т.п. Было обнаружено, что экструдированные пустоты или т.п. с высокими отношениями размеров являются наиболее преимущественными, как для хромовых руд, так и для железных руд. Замысел состоит в том, чтобы сделать экструдированные элементы с одним или несколькими отверстиями (например, по оси), чтобы облегчать теплопередачу и выпуск газа из экструдированных элементов. Применение вяжущих веществ, таких как бентонит, патока или т.п.; шлакообразователей, таких как Si для DRC прочности, образования фаялита FeSiO4 и т.п.; и флюсов, таких как CaF2, NaOH или т.п., является преимущественным. Наконец, является важным применение защитного слоя на агломератах, такое как обеспечение твердой поверхности на брикетах или покрытия перед высушиванием. Это помогает предотвращать повторное окисление, одновременно позволяя уходить газу СО, особенно где высушивание покрытия создает трещины, которые обеспечивают предпочтительные пути выхода для газа СО.
[0021] Второе, что касается RHF, желательна более высокая рабочая температура (например, приблизительно 1450 градусов С - 1500 градусов С). Кроме того, электродуговая или индукционная печь (EIF) может быть использована в качестве плавильного устройства для феррохрома, расширяя его обычное применение с одним Fe. Может иметь место прямая загрузка в плавильное устройство, с помощью контактного тепла. Отходящий газ из плавильного устройства может быть использован в качестве восстановительной атмосферы в RHF, тем самым обеспечивая дополнительный восстановитель. Подовый порошок (уголь, необязательно предварительно нагретый) может быть использован для предотвращения повторного окисления, и окисление в первой короткой зоне может быть использовано для создания защитного пассивного слоя, также как и проходящий восстановительный газ в последующих зонах, эндотермическим генератором или мини-Мидрекс преобразователем. Природный газ может быть введен в зону охлаждения, накладывая С и обеспечивая восстановительную атмосферу, так что повторное окисление во время охлаждения предотвращается. Предпочтительно, природный газ преобразуется в СО прямо на окатышах, и С поступает из природного газа. Другими словами, природный газ следует вводить насколько можно ближе к поду. Для водяного уплотнения, предотвращающего окислительные условия, могут быть использованы различные жидкости, такие как пропиленгликоль, парафин, даутерм или т.п. Они являются стабильными, не образуют пара и не горят. Природный газ может быть введен выше водяного уплотнения, чтобы вызывать реакцию преобразования, чтобы преобразовывать плохой окислитель в хороший восстановитель (когда газовая смесь нагревается СН4+H2O=СО+3Н2).
[0022] Третье, работа после RHF, измельчение и отделение металла хрома может быть осуществлено путем магнитного отделения или различий в плотности. Фактически, при применении способов и систем настоящего изобретения, феррохром присутствует в RHF, и плавильное устройство может быть не нужно, при наличии этих технологий отделения, с агломерацией в брикетах.
[0023] Каждое из этих новых и важных усовершенствований описано более подробно ниже в данном документе.
[0024] В одном иллюстративном варианте осуществления настоящее изобретение предусматривает способ для восстановления хромсодержащего материала, включающий: объединение хромсодержащего материала, содержащего оксид хрома, с углеродсодержащим восстановителем для образования хромсодержащей смеси; подачу хромсодержащей смеси на печь с движущимся подом и восстановление хромсодержащей смеси для образования восстановленной хромсодержащей смеси; подачу восстановленной хромсодержащей смеси в плавильную печь; и разделение восстановленной хромсодержащей смеси на метал хром и шлак. Способ также включает агломерирование хромсодержащей смеси в грануляторе. Необязательно, способ дополнительно включает предоставление углеродсодержащего регулирующего атмосферу вещества на хромсодержащей смеси или возле нее. Необязательно, способ также дополнительно включает предоставление защищающего под материала на хромсодержащей смеси или возле нее. Хромсодержащая смесь имеет средний размер частицы менее приблизительно 200 меш (приблизительно 75 мкм). Необязательно, способ также дополнительно включает объединение хромсодержащей смеси с внутренним плавящимся веществом, чтобы увеличивать ее внутреннюю пористость и уменьшать плотность. Необязательно, способ также дополнительно включает формирование хромсодержащей смеси в экструдированные полости продолговатой формы. Необязательно, способ также дополнительно включает добавление вяжущего вещества в хромсодержащую смесь. Необязательно, агломерированная хромсодержащая смесь содержит барьерное покрытие. Необязательно, плавильная печь включает электродуговую или индукционную печь. Необязательно, способ также дополнительно включает повторное использование отходящего газа из плавильной печи для печи с движущимся подом в качестве восстановительного газа. Необязательно, способ также дополнительно включает добавление подового порошка в хромсодержащую смесь. Необязательно, способ также дополнительно включает окисление хромсодержащей смеси в первой короткой зоне печи с движущимся подом для создания на ней защитного пассивного слоя. Необязательно, способ также дополнительно включает введение природного газа в зону охлаждения печи с движущимся подом для предотвращения повторного окисления восстановленной хромсодержащей смеси во время охлаждения. Необязательно, способ также дополнительно включает применение уплотнительной жидкости в печи с движущимся подом, которая предотвращает окислительные условия в ней. Необязательно, способ также дополнительно включает введение природного газа рядом с уплотнительной жидкостью, чтобы вызывать преобразовательную реакцию для преобразования плохого окислителя в хороший восстановитель. Необязательно, способ также дополнительно включает извлечение металла хрома из восстановленной хромсодержащей смеси с помощью одного или нескольких из магнитного отделения и отделения по разности плотности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0025] Настоящее изобретение представлено и описано в данном документе со ссылкой на различные графические материалы, на которых подобные номера ссылок использованы для обозначения подобных этапов способа/компонентов системы, при необходимости, и на которых:
[0026] Фиг. 1 - схематическое представление, включающее этап восстановления хромсодержащего материала согласно патенту США №8,262,766;
[0027] Фиг. 2 - схематическое представление, включающее другой этап восстановления хромсодержащего материала согласно патенту США №8,262,766;
[0028] Фиг. 3 - график, представляющий зависимость между временем пребывания и степенью восстановления Cr, степенью металлизации Fe и содержанием остаточного углерода при приблизительно 1200 градусах С;
[0029] Фиг. 4 - график, представляющий зависимость между временем пребывания и степенью восстановления Cr, степенью металлизации Fe и содержанием остаточного углерода при приблизительно 1300 градусах С;
[0030] Фиг. 5 - схематическое представление, демонстрирующее один иллюстративный вариант осуществления способа и системы для сокращения декарбонизации и окисления металлических окатышей согласно настоящему изобретению; и
[0031] Фиг. 6 - схематическое представление, демонстрирующее один иллюстративный вариант осуществления способа и системы для сокращения окисления металлических окатышей, содержащей водяной затвор, применяемый согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0032] Фиг. 1 - схематическое представление, включающее этап восстановления хромсодержащего материала согласно патенту США №8,262,766. Номер 1 ссылки обозначает контейнер для хранения хромсодержащего материала, содержащего оксид хрома и оксид железа (или хромсодержащий материал); номер 2 ссылки обозначает контейнер для хранения углеродсодержащего восстановителя; номер 3 ссылки обозначает гранулятор; номер 4 ссылки обозначает загрузочный путь для смеси (агломератов), подаваемых из гранулятора 3; номер 5 ссылки обозначает печь с движущимся подом; номер 6 ссылки обозначает путь перемещения для восстановленной смеси (предпочтительно, в форме агломератов); номер 7 ссылки обозначает плавильную печь; номер 8 ссылки обозначает путь для извлеченного металла; и номер 9 ссылки обозначает путь для удаленного шлака.
[0033] Используемый хромсодержащий материал 1 может представлять собой хромовую руду или отходы, полученные в процессе производстве феррохрома, включая пыль и шлак, произведенные на установках по производству феррохрома. Компоненты используемого хромсодержащего материала 1 могут быть необязательно отрегулированы путем добавления железной руды или вторичной окалины. Печь 5 с движущимся подом, в которой сырье находится неподвижно на поде, используется вместо барабанной печи, так что накопительное кольцо не возникает. Кроме того, содержание шлака используемого хромсодержащего материала 1 не ограничено, следовательно, используемый материал можно выбирать свободно. Хромсодержащий материал 1, если имеет высокое содержание воды, предпочтительно сушат заранее. Степень высушивания может быть определена с учетом устройства смешивания на последующем этапе смешивания (в этом варианте осуществления - гранулятор 3). Используемый углеродсодержащий восстановитель 2 может представлять собой любой материал, который содержит связанный углерод. Примеры такого материала включают каменный уголь, кокс, древесный уголь, отработанный тонер, карбиды биомассы и их смеси.
[0034] Хромсодержащий материал 1 и углеродсодержащий восстановитель 2 предпочтительно имеют более мелкий размер частиц, чтобы достигать большего числа возможностей контакта в ходе восстановительной реакции. Однако чрезмерно мелкие частицы трудно гранулировать. Таким образом, предпочтительно, приблизительно 70% частиц хромсодержащего материала 1 и углеродсодержащего восстановителя 2 имеют размер частиц не более приблизительно 200 меш (приблизительно 75 мкм). Эти материалы, следовательно, предпочтительно заблаговременно превращают в порошок, согласно необходимости.
[0035] В этом осуществлении сырьевую смесь 4 (предпочтительно, в форме агломератов), полученную путем смешивания хромсодержащего материала 1 и углеродсодержащего восстановителя 2, загружают в печь 5 с движущимся подом. Соотношение компонентов углеродсодержащего материала 2 в этой смеси может быть определено согласно количеству углерода, требующегося для восстановления оксида хрома и оксида железа, содержащихся в смеси в печи 5 с движущимся подом; количеству углерода, потребляемого в, например, восстановлении остаточного оксида хрома в восстановленной смеси (или восстановленной смеси, или восстановленном твердом веществе) в плавильной печи 7; и целевому количеству углерода, остающегося в металле (восстановленных металлах, таких как восстановленное железо и восстановленный хром), извлеченном из плавильной печи 7. Для увеличения степени восстановления хрома важно, чтобы сырьевая смесь 4 содержала большее количество углерода, чем теоретическое количество требующегося углерода, что описано далее, принимая во внимание, что восстановление хрома является твердофазной реакцией.
[0036] Хромсодержащий материал 1 и углеродсодержащий восстановитель 2 предпочтительно смешивают миксером (не показан) однородным образом. Получающуюся смесь 4, которая может быть загружена прямо в печь 5 с движущимся подом, предпочтительно агломерируют гранулятором 3. Агломерация может сокращать количество пыли, производимой в печи 5 с движущимся подом и плавильной печи 7 и повышать эффективность теплопередачи внутри сырьевой смеси 4 (агломератов; "сырьевая смесь" здесь и далее относится к агломерированной сырьевой смеси) в печи 5 с движущимся подом, чтобы повышать степень восстановления. При агломерации вспомогательный материал, такой как флюс, может быть добавлен в сырьевую смесь. Используемый гранулятор 3 может представлять собой, например, устройство прессования в форме, такое как брикетирующий пресс, перемешивающий гранулятор, такой как дисковый гранулятор, или экструдер. Гранулированная сырьевая смесь, если имеет высокое содержание воды, может быть высушена перед загрузкой в печь 5 с движущимся подом.
[0037] Гранулированную сырьевую смесь 4 загружают в печь 5 с движущимся подом и нагревают с помощью нагрева излучением. Используемая печь 5 с движущимся подом может представлять собой печь с вращающимся подом (RHF), прямоточную печь или многоподовую печь. Нагревание излучением может быть осуществлено, например, с помощью горелки.
[0038] Сырьевую смесь, загружаемую в печь, нагревают нагревом излучением, позволяя связанному углероду, содержащемуся в углеродсодержащем восстановителе 2, восстанавливать оксид железа и оксид хрома в смеси согласно следующим основным формулам (1) и (2) реакции:
[0039] Реакция формулы (1) начинается при приблизительно 712 градусах С, тогда как реакция формулы (2) начинается при приблизительно 1114 градусах С. Часть Fe, восстановленного в формуле (1), растворяется в Cr7C3, производимом в формуле (2), образуя (Cr.Fe)7C3.
[0040] Средняя скорость роста температуры сырьевой смеси предпочтительно составляет 13,6 градусов С/с или выше в течение периода от запуска нагрева излучением сырьевой смеси до достижения сырьевой смесью приблизительно 1114 градусов С, а именно температуры, при которой начинается восстановление оксида хрома.
[0041] Запуск нагрева излучением сырьевой смеси 4 в данном документе относится к точке во времени, в которой сырьевая смесь 4 входит в область (область нагрева излучением), которая подвергается нагреву, например, горелкой в печи 5 с движущимся подом. Вышеуказанный период не включает период от загрузки смеси 4 на под до момента, пока смесь не войдет в область нагрева излучением, по следующей причине. В период от загрузки сырьевой смеси 4 на под до момента, пока смесь не войдет в область нагрева излучением, сырьевая смесь 4 в основном нагревается только теплом, передаваемым от пода. Кроме того, этот период (время прохождения) обычно короткий. Соответственно, сырьевая смесь 4 не достигает 712 градусов С, а именно температуры, при которой начинается восстановление FeO. Содержание связанного углерода внутренне подмешенного углеродсодержащего восстановителя 2, следовательно, восстановлением FeO существенно не потребляется.
[0042] Температура в области нагрева излучением (на этапе восстановления) предпочтительно составляет приблизительно от 1250 градусов С до 1600 градусов С. При температурах ниже 1250 градусов С скорость роста температуры сырьевой смеси до 1114 градусов С часто является недостаточной. При температурах выше 1600 градусов С, с другой стороны, восстановленная смесь (восстановленные агломераты), полученная восстановлением сырьевой смеси 4, размягчается, склеиваясь или прилипая к поду.
[0043] Когда, например, температура в области нагрева излучением (на этапе восстановления) составляет 1300 градусов С, время нахождения смеси 4 в области нагрева излучением предпочтительно составляет от 5,3 до 42,7 минут.
[0044] Восстановительную атмосферу предпочтительно поддерживают в области нагрева излучением (на этапе восстановления) путем регулирования коэффициента избытка воздуха горелки или путем наддувания восстановительного газа в печь 5 с движущимся подом, чтобы предотвращать повторное окисление Fe и Cr7C3, производимых путем восстановления.
[0045] Восстановленную смесь, полученную путем восстановления сырьевой смеси 4 в печи 5 с движущимся подом, обычно охлаждают до приблизительно 1000 градусов С, например, с помощью излучающей охладительной плиты или устройства распыления охладителя, предусмотренных в печи 5 с движущимся подом. После охлаждения восстановленную смесь 6 выгружают с помощью устройства выгрузки.
[0046] Вышеуказанное теоретическое количество требующегося углерода относится к количеству углерода, требующегося согласно теории для производства (Cr.Fe)7C3 из оксида железа и оксида хрома, содержащихся в сырьевой смеси 4, путем реакций согласно вышеуказанным формулам (1) и (2). Это теоретическое количество определяют по следующему уравнению: теоретическое количество требующегося углерода (mol) = (число молей Cr2O3) × 27/7 + (число молей О в сочетании с Fe) + (число молей Fe) × 3/7. На вышеописанном этапе восстановления рекомендуется, чтобы углеродсодержащее регулирующее атмосферу вещество загружали вместе с сырьевой смесью 4 на под в печи 5 с движущимся подом. Под особенно предпочтительно покрывают регулирующим атмосферу веществом перед загрузкой сырьевой смеси 4, хотя определенный эффект может быть обеспечен загрузкой регулирующего атмосферу вещества вместе с сырьевой смесью 4 или после загрузки сырьевой смеси 4.
[0047] Как описано выше, загрузка углеродсодержащего регулирующего атмосферу вещества имеет следующие обычные последствия: (1) вещество удерживается поблизости сырьевой смеси 4 в восстановительной атмосфере для предотвращения повторного окисления восстановленной смеси; (2) летучие компоненты, произведенные из вещества и газов, таких как СО, могут быть использованы как топливо для печи 5 с движущимся подом, чтобы сокращать потребление топлива в печи 5 с движущимся подом; (3) вещество предотвращает накопление наложений на поде, сокращая нагрузку на устройство выгрузки и истирание элементов, таких как режущие края; и (4) вещество, выгружаемое вместе с восстановленной смесью, после выхода летучих компонентов может быть использовано как восстановитель и/или источник тепла на следующем этапе плавления.
[0048] Применяемое углеродсодержащее регулирующее атмосферу вещество предпочтительно представляет собой каменный уголь, отходы пластмассы, отработанные шины или биомассу. Если, например, применяют каменный уголь или биомассу, они обугливаются в печи 5 с движущимся подом. Летучие компоненты могут быть использованы в качестве топлива в печи 5 с движущимся подом, тогда как обугленные компоненты могут быть использованы как восстановитель и/или источник тепла в плавильной печи. Другими примерами используемого материала являются кокс, древесный уголь, нефтяной кокс и обуглившееся вещество. Эти материалы, содержащие меньшее количество летучих компонентов, обладают меньшим эффектом сокращения потребления топлива в печи 5 с движущимся опдом, чем вышеуказанные материалы, такие как каменный уголь.
[0049] В этом осуществлении размер (диаметр частиц) регулирующего атмосферу вещества особо не ограничен, хотя рекомендуется, чтобы размер составлял 5 мм или менее в среднем, более предпочтительно - 2 мм или менее в среднем. Толщина регулирующего атмосферу вещества, подаваемого на под, составляет предпочтительно приблизительно от 1 до 50 мм.
[0050] В дополнение к регулирующему атмосферу веществу для предотвращения накопления наложений на поде может быть подан защищающий под материал. Тогда регулирующее атмосферу вещество предпочтительно загружают на защищающий под материал. Защищающий под материал предпочтительно включает материал, имеющий высокую точку плавления и, более предпочтительно, - дополнительно включает углеродсодержащий материал. Содержащий оксид глинозем и/или горькозем, или материал, содержащий карбид кремния, рекомендованы как материал, имеющий высокую точку плавления.
[0051] Горячую восстановленную смесь, выгруженную из печи 5 с движущимся подом, предпочтительно загружают в плавильную печь 7 без дополнительного охлаждения. Плавильная печь 7 может быть прямо соединена с выходом печи 5 с движущимся подом через, например, скат. Альтернативно, восстановленная смесь может быть загружена в плавильную печь 7 с помощью транспортного оборудования, такого как конвейер, или после временного хранения, например, в контейнере. Если печь 5 с движущимся подом и плавильная печь 7 не находятся рядом друг с другом, или работа плавильной печи 7 остановлена, восстановленная смесь 6 может быть охлаждена до комнатной температуры, чтобы обеспечивать наполовину завершенный продукт (сырье для очищенного феррохрома) для хранения и транспортировки перед использованием. Альтернативно горячую восстановленную смесь также предпочтительно подвергают воздействию горячего брикетирования для уменьшения ее поверхности перед охлаждением, чтобы предоставить наполовину завершенный продукт, имеющий хорошую устойчивость к повторному окислению, для хранения и транспортировки перед использованием. Применяемая плавильная печь 7 может представлять собой электрическую печь или плавильную печь, использующую энергию ископаемого топлива, такого как каменный уголь, тяжелая нефть и природные газы. Флюс, например, загружают в плавильную печь 7 по необходимости. Восстановленную смесь плавят при высокой температуре приблизительно равной от 1400 градусов С до 1700 градусов С, чтобы разделять смесь на металл и шлак. Металл применяют как загрузочный хром или необязательно подвергают вторичной обработке для производства феррохрома.
[0052] Фиг. 2 - схема процесса, включающая другой этап восстановления хромсодержащего материала согласно патенту США №8,262,766. На фиг. 2, номер 11 ссылки обозначает контейнер для хранения хромсодержащего материала, содержащего оксид хрома и оксид железа; номер 12 ссылки обозначает контейнер для хранения углеродсодержащего восстановителя; номер 13 ссылки обозначает гранулятор; номер 14 ссылки обозначает путь для смеси (агломератов); номер 15 ссылки обозначает печь с движущимся подом; номер 16 ссылки обозначает путь для извлеченного восстановленного твердого вещества; номер 17 ссылки обозначает сито; номер 18 ссылки обозначает путь металла (или металл); и номер 19 ссылки обозначает путь шлака (или шлак). Хромсодержащий материал 11, углеродсодержащий восстановитель 12, гранулятор 13, сырьевая смесь 14 (агломераты), печь 15 с движущимся подом и этап смешивания во втором варианте осуществления такие же, как и в первом варианте осуществления; поэтому здесь они не описаны.
[0053] Гранулированную сырьевую смесь 14 (агломераты) загружают в печь 15 с движущимся подом и нагревают до приблизительно 1250 градусов С - 1400 градусов С путем нагревания излучением. Средняя скорость поднятия температуры сырьевой смеси нагревом излучением, как и в первом варианте осуществления, описанном выше, составляет предпочтительно 13,6 градусов С/с или выше в период от запуска нагрева излучением смеси до того, как смесь достигает 1114 градусов С. Кроме того, время пребывания сырьевой смеси 14 в области нагрева излучением составляет предпочтительно от 5,3 до 42,7 минут.
[0054] После восстановления получающуюся восстановленную смесь (агломераты) последовательно нагревают и плавят для производства восстановленного расплавленного материала в печи 15 с движущимся подом при температуре выше, чем температура в вышеуказанной области восстановления (1250 градусов С - 1400 градусов С), например, 1350 градусов С - 1700 градусов С, предпочтительно 1350 градусов С - 1650 градусов С, более предпочтительно - 1350 градусов С - 1600 градусов С. Температура нагрева и плавления имеет нижний предел 1350 градусов С, поскольку восстановленную смесь трудно расплавить при температурах ниже 1350 градусов С. С другой стороны, температура нагрева и плавления имеет верхний предел 1700 градусов С, поскольку любой недостаток, связанный с жаропрочностью восстановительной печи, быстро возникает при температурах выше 1700 градусов С. Время пребывания восстановленной смеси в этом температурном диапазоне составляет предпочтительно от 0,5 до 10 минут. В течение этого времени пребывания восстановленная смесь может быть существенно расплавлена для разделения на металл и шлак. Время пребывания восстановленной смеси имеет нижний предел 0,5 минуты, поскольку разделение на металл и шлак часто является недостаточным при времени пребывания, которое короче 0,5 минуты. С другой стороны, время пребывания восстановленной смеси имеет верхний предел 10 минут, поскольку разделение на металл и шлак достигает уровня насыщения, и возникновение повторного окисления более вероятно для времени пребывания, которое больше 10 минут.
[0055] В этом варианте осуществления сырьевую смесь 14 нагревают в печи 15 с движущимся подом на двух температурных этапах. В настоящем изобретении сырьевая смесь 14 также может быть нагрета при температуре 1350 градусов С - 1700 градусов С с самого начала, так что восстановление и плавление могут происходить одновременно, чтобы предоставить восстановленный расплавленный материал за более короткое время.
[0056] И металл, и шлак плавить не обязательно. Пока их можно разделить, один из них может быть нерасплавленным. Применяемые регулирующее атмосферу вещество и защищающий под материал такие же, как и в первом варианте осуществления. Восстановленный расплавленный материал отверждают путем охлаждения его до приблизительно 1000 градусов С в печи 15 с движущимся подом, чтобы производить восстановленное твердое вещество. Примерами охлаждающих и отверждающих устройств, применяемых в печи 15 с движущимся подом, являются излучающая охладительная плита или устройство распыления охладителя, описанные выше в первом варианте осуществления. Восстановленное твердое вещество 16 может быть дополнительно охлаждено после выгрузки из печи 15 с движущимся подом с помощью способа охлаждения и отверждения, такого как водяная грануляция, непрямое водяное охлаждение и распыление охладителя.
[0057] Восстановленное твердое вещество 16 дробят по потребности и разделяют в сите 17 на металл 18 (необработанный феррохром) и шлак 19. Содержание металла отделенного шлака 19 может быть необязательно выделено с помощью таких способов как магнитное разделение и флотация. Отделенный металл 18 (необработанный феррохром) 18 необязательно подвергают вторичной обработке для получения феррохромного продукта. Альтернативно, металл 18 (необработанный феррохром) может быть использован как наполовину завершенный продукт (сырье для очищенного феррохрома) для плавления в плавильной печи. В способе первого варианта осуществления наполовину завершенный продукт, а именно восстановленные агломераты, содержит остаточный шлак. В способе второго варианта осуществления, с другой стороны, содержание шлака было удалено из наполовину завершенного продукта, а именно металла 18, так что плавильная печь не требует энергии плавления для удаления содержания шлака. Способ второго варианта осуществления, таким образом, может значительно сократить потребление энергии для плавильной печи. Кроме того, этот способ может существенно сократить количество шлака, производимого в плавильной печи, чтобы значительно улучшать эффективность производства плавильной печи. Металл 18 (необработанный феррохром) может быть использован как сырье для феррохрома или может быть непосредственно использован как серье для производства хромсодержащих сплавов. Это осуществление на производственных площадках хромовой руды, поскольку вес наполовину завершенного продукта может быть сокращен на содержимое шлака, чтобы сократить затраты не его хранение и транспортировку. Кроме того, металл (необработанный феррохром) 18 может быть необязательно агломерирован для удобства хранения и транспортировки.
[0058] Применяемое регулирующее атмосферу вещество может быть извлечено для переработки или может быть загружено вместе с металлом в плавильную печь. Кроме того, применяемый защищающий под материал предпочтительно извлекают для переработки.
[0059] Настоящее изобретение обеспечивает многочисленные усовершенствования для этого осуществления. Во-первых, относительно применяемых агломератов, агломераты могут представлять собой окатыши, брикеты или экструдированные элементы, и размер частицы является критически важным. Руда и уголь должны быть мелко размолоты, например, размером менее чем приблизительно 200 меш (приблизительно 75 мкм). Низкая плотность и внутренняя пористость являются критически важными и могут быть обеспечены путем применения внутренних плавящихся веществ, таких как бумажный ворс, полистирен/пенопластовые слои или т.п. Было обнаружено, что экструдированные пустоты или т.п. с высокими отношениями размеров являются наиболее преимущественными, как для хромовых руд, так и для железных руд. Замысел состоит в том, чтобы сделать экструдированные элементы с одним или несколькими отверстиями (например, по оси), чтобы облегчать теплопередачу и выпуск газа из экструдированных элементов. Применение вяжущих веществ, таких как бентонит, патока или т.п.; шлакообразователей, таких как Si для DRC прочности, образования фаялита FeSiO4 и т.п.; и флюсов, таких как CaF2, NaOH или т.п., является преимущественным. Наконец, является важным применение защитного слоя на агломератах, такое как обеспечение твердой поверхности на брикетах или покрытия перед высушиванием. Это помогает предотвращать повторное окисление, одновременно позволяя уходить газу СО, особенно где высушивание покрытия создает трещины, которые обеспечивают предпочтительные пути выхода для газа СО.
[0060] Второе, что касается RHF, желательна более высокая рабочая температура (например, приблизительно 1450 градусов С - 1500 градусов С). Кроме того, EIF может быть использована в качестве плавильного устройства для феррохрома, расширяя его обычное применение с одним Fe. Может иметь место прямая загрузка в плавильное устройство, с помощью контактного тепла. Отходящий газ из плавильного устройства может быть использован в качестве восстановительной атмосферы в RHF, тем самым обеспечивая дополнительный восстановитель. Подовый порошок (уголь, необязательно предварительно нагретый) может быть использован для предотвращения повторного окисления, и окисление в первой короткой зоне может быть использовано для создания защитного пассивного слоя, также как и проходящий восстановительный газ в последующих зонах, эндотермическим генератором или мини-Мидрекс преобразователем. Природный газ может быть введен в зону охлаждения, накладывая С и обеспечивая восстановительную атмосферу, так что повторное окисление во время охлаждения предотвращается. Предпочтительно, природный газ преобразуется в СО прямо на окатышах, и С обеспечивается из природного газа, как представлено на фиг. 5. Другими словами, природный газ следует вводить как можно ближе к поду. Для водяного уплотнения, предотвращающего окислительные условия, могут быть использованы различные жидкости, такие как пропиленгликоль, парафин, даутерм или т.п. Они являются стабильными, не образуют пара и не горят. Природный газ может быть введен выше водяного уплотнения, чтобы вызывать реакцию преобразования, чтобы преобразовывать плохой окислитель в хороший восстановитель (когда газовая смесь нагревается СН4+H2O=СО+3Н2). Это представлено на фиг. 6.
[0061] Третье, работа после RHF, измельчение и отделение металла хрома может быть осуществлено путем магнитного отделения или различий в плотности. Фактически, при применении способов и систем настоящего изобретения, феррохром присутствует в RHF, и плавильное устройство может быть не нужно, при наличии этих технологий отделения, с агломерацией в брикетах.
[0062] Хотя настоящее изобретение было изображено и описано здесь со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления и его конкретные примеры, специалистам обыкновенной квалификации в данной области техники будет очевидно, что другие варианты осуществления и примеры могут выполнять подобные функции и/или добиваться подобных результатов. Все эти эквивалентные варианты осуществления и примеры находятся в пределах объема и идеи настоящего изобретения, предусмотрены настоящим изобретением и предполагается, что они включены в следующую формулу изобретения.
1. Способ для восстановления хромсодержащего материала, включающий:
объединение хромсодержащего материала, содержащего оксид хрома, с углеродсодержащим восстановителем с образованием хромсодержащей смеси, при этом обеспечивают увеличение ее внутренней пористости и уменьшение плотности путем соединения с внутренним плавящимся веществом и/или формируют агломераты хромсодержащей смеси в виде экструдированных элементов с по меньшей мере одним отверстием продолговатой формы;
подачу хромсодержащей смеси на печь с движущимся подом и восстановление хромсодержащей смеси для образования восстановленной хромсодержащей смеси;
подачу восстановленной хромсодержащей смеси в плавильную печь; и
разделение восстановленной хромсодержащей смеси на хром и шлак.
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий агломерирование хромсодержащей смеси в грануляторе.
3. Способ по п. 1, дополнительно включающий подачу углеродсодержащего регулирующего атмосферу вещества на хромсодержащую смесь или возле нее.
4. Способ по п. 1, дополнительно включающий подачу защищающего под материала на хромсодержащую смесь или возле нее.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хромсодержащая смесь имеет средний размер частицы менее чем приблизительно 200 меш (приблизительно 75 мкм).
6. Способ по п. 1, дополнительно включающий добавление вяжущего вещества в хромсодержащую смесь.
7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что агломерированная хромсодержащая смесь содержит барьерное покрытие.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плавильная печь включает электродуговую или индукционную печь.
9. Способ по п. 1, дополнительно включающий повторное использование отходящего газа из плавильной печи для печи с движущимся подом в качестве восстановительного газа.
10. Способ по п. 1, дополнительно включающий добавление подового порошка в хромсодержащую смесь.
11. Способ по п. 1, дополнительно включающий окисление хромсодержащей смеси в первой короткой зоне печи с движущимся подом для создания на ней защитного пассивного слоя.
12. Способ по п. 1, дополнительно включающий введение природного газа в область охлаждения печи с движущимся подом для предотвращения повторного окисления восстановленной хромсодержащей смеси во время охлаждения.
13. Способ по п. 1, дополнительно включающий применение уплотнительной жидкости в печи с движущимся подом, которая предотвращает окислительные условия в ней.
14. Способ по п. 13, дополнительно включающий введение природного газа рядом с уплотнительной жидкостью для вызова преобразовательной реакции для преобразования окислителя в восстановитель.
15. Способ по п. 1, дополнительно включающий извлечение металла хрома из восстановленной хромсодержащей смеси с помощью одного или нескольких из магнитного отделения и отделения по разнице плотности.
