Способ металлизации железорудных материалов в шахтном реакторе

 

Союз Советских

Социалистических

Респубпик

ОПИСАНИЕ изовеетения

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

905288 (6! ) Дополнительное к ввт. свид-ву (22) Заявлено 03. 12.79 (21) 2848940/22-02 (51)М. Кл.

С 21 В 13/02 с присоединением заявки ЭЙ

1Ъоудлрстввиив1й комитет

СССР ио делом изобретеиий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15.02.82. Бюллетень № 6 (53 ) УД К 669. 1: .622.782 (088. 8) Дата опубликования описания 17.02.82 (72) Автор изобретения

1 (С. М. Тпеугабупов з

1 !

4 4;

Завод- ВТУЗ при Карагандинском метаппур ческом... комб инате (71 ) 3ая интел ь. (54) СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ

МАТЕРИАЛОВ B ШАХТНОМ РЕАКТОРЕ

Изобретение относится к технике подготовки метаппизованного железорудного сырья в металлургической промышленности.

Известен способ, в котором кусковые железорудные материалы (окатыши, агпомераты) метаппизуются в HJBxTHbtx, врашац ших печах и на копосниковых решетках. Для того, чтобы избежать вторичного окисления при транспортировке, металлизованные материалы охлаждаются в восстановительной среде,1 3.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сушности является способ метаппизации жепезорудных материалов в шахтной печи, вкпючаюший противоток шихты и газа, нагрев и восстановление при 800-1100 !C с регулируемым отношением СО/Н, которое сверху вниз увепичивается от 0,3 в верхней части печи до 25 в нижней (21.

Недостатком способа является необходимость непрерывного изменения соотношения Н и СО по высоте печи, что сийьно усложняет подготовку восстановительного газа, ограничивает применение источника восстановительного газа. Распредепение газа по высоте печи производится без учета распределения скоростей процесса и распредепения газового потока. Это приводит к произвольному разбиению зон нагрева и восстановления и количества подаваемых в эти зоны газа не нормированы по балансу газифицируемого

10 кислорода шихты. Метаппизуются кусковые железорудные материалы, содержашие железа более 67 % и В10! не более 1%, что ограничивает использование этого способа дпя метаппизации рядовых и зернис15 тых рудных материалов.

Цель изобретения — метаппизация до степени 90-9ьЖ как качественных, так и рядовых зернистых жепезорудных материа20 пов, повышение производитепьности агрегата.

Поставленная цель достигается тем, что в способе метаппизации железоруд ных материалов и шахтном реакторе, вкпв3 90 чающем противоток шихты и газы, нагрев, предварительное и окончательное восстановление при 90v-1050 0,фракции материала 5-15 мм или 1-5 мм восстанавливают раздельно газом под давлением 56 атм на входе, удельный расход которого составляет 0,7-0,9 н Экг исходного материала и который перераспределяют между зонами предварительного и окончательного восстановления, составляющими 0,50-0,55 и 0,20-0,25 высоты реактора, в соотношении 60-707 и 30-40% соответственно.

Содержание Н и СО в газе составляет 60-90, при соотношении (СО + Н О):

; (СО . Hg), равном р,р8 р,р1

30-40% обработанного газа сжигают . в сло в процессе нагрева шихты, а остальной газ рециркулируют.

Загрузку и выгрузку шихты осуществ- ляют пневмотранспортом, рабочим телом которого является технический азот.

Газодинамические характеристики агломерата указанных выше фракций позволяют продувать газ (воздух) через слой со скоростью 2000-2500 нм /м,ч или 0,553

0,69 м/с при перепаде давления 400500 мм вод. ст. Если учесть увеличение температуры процесса до 1000 С и соот0 ветствующее увеличение вязкости восстановленных газов, то перепад давления при указанных нормальных расходах газа превысит 1000 мм, вод. ст., что затруднит нормальное течение противотока в шахтных реакторах. Для сохранения перепада давления газа на допустимом пределе

400-600 мм вод. ст./м высоты слоя необходимо повысить давление газа в печи пропорционально повышению отношения ТК/273 и вязкости газа. Для компенсации расширения объема газа при по» вышении его температуры до 900-1050 С

О (Т вЂ” 1173-1323 К) требуется повысить давление газа до 4,29-4,85 атм, а для компенсации увеличения коэффициента вязкости газа требуется повысить его еще на 0,708-1,06 атм. Корректируемая величина давления по вязкости основана на расчете коэффициента сопротивления слоя по формуле, значение которого при

20 С 10,44,а при повышении температуры до 1000ОС и давления цо 6 атм

18,53. 3а счет повышения вязкости газа коэффициент сопротивления слоя увеличился в 1,77 раза. Высота промышленного реактора может колебаться в пределах

8-12 м. Общее сопротивление слон из условия поддержания перепада давления в пределах 400-600 мм вод. ст. 0,45288 4

0,6 ати. Увеличение его с повышением вязкости газа и 1,77 раз приводит к необходимости повышения давления газа на 0,708-1,06 ати. Общее давление газа на входе в слой должно поддерживаться в пределах 5-6 ати.

Шихта нагревается газообразными продуктами горения до 900-950 С. Поскольку температура начала размягчения щ окисленных железорудных материалов лежит в пределах 1050-1200 С, газ для нагрева шихты должен вводиться в слой с температурой не более 1000-1050 С, чтобы не вызвать расплавление материа15 ла. Высота зоны нагрева определяется из условия теплообмена между газом и шихтой в интервале изменения температуры газа от 10иО-105иоС до 200-250 С или шихты от 900-950 С до 25 С при

20 заданных отношениях водяных эквивалентов шихты и raaa. Для большинства промышленных печей противоточного действия это отношение колеблется в пределах

0,7-0,9. Если нагрев шихты в указанных интервалах температур принять за 100 (или за единицу), то при принятых отношениях водяных чисел и температурных условиях средняя относительная скорость нагрева, определяемая по известным фор зо мулам получится в 3,7-4,15 раза больше относительной скорости восстановления железа из окислов. Поскольку в реакторе процессы нагрева и восстановления протекают последовательно, то каждому процессу отводится часть высоты реактора обратно пропорционально относительной скорости процесса. Из этого соотношения следует отнести для зоны нагрева 25-27 обшей рабочей вы4О соты реактора. Скорость восстановления замедляется с увеличением стецени вос» становления. Особенно резко снижается она при степенях 60-70% и выше иа-за внутреннего диффузионного сопротивления, 45 создаваемого покровным слоем. Поэтому внешняя диффузия здесь не играет существенной роли. Для завершения восстановления не требуется высокой скорости движения газа, тем более завершающая зона металлизации приходится к сужающейся

50 части реактора (к заплечикам), где увеличение скорости движения газа нежелательно еще с точки зрения обеспечения ровного схода шихты. Эта зона достаточно полно обрабатывается той частью о655 щего количества газа, которое пропорционально доле оставшегося в материале кислорода шихты, т.е. 30-40 . В вышерасположенных слоях, где степень восста5 9052 новления менее 60 Ъ, влияние внешней диффузии существенно. Здесь имеется неФ обходимость увеличения|скорости газового потока и это поэволяет соответствующее сечение реактора. Отсюда следует, что для нормального течения противотока и ускорения восстановительного процесса необходимо общее количество восстановительного газа распределить на два яруса зоны восстановления в верхний ярус 60- щ

70%, в нижний ярус 30-40%. Такому распределению баланса кислорода шихты, количества восстановительного газа, обеспечивающему стабилизацию восстановительного процесса, соответствует высота нижнего яруса в пределах 20-24%, верхнего яруса 5и-55% от обшей рабочей высоты печи.

Предлагаемый способ предназначен для восстановительной обработки мелких железорудных материалов, являющихся в основном отходом, металлургической промышленности, для эффективного использо вания развитой реакционной поверхности мелких руд. Поэтому для нормального 25 протекания процесса решающее значение имеет газопроницаемость столба шихты.

Для улучшения газопроницаемости слоя шихта рассеивается на две фракции 515 мм 1-5 мм. Эти фракции в отдельно;- зо сти имеют лучшую газопроницаемость, чем в смеси. Поэтому по предлагаемому способу каждая фракция загружается в определенный реактор, который работает либо на фракции 5-15 мм, либо на фракции 1- з

5 мм.

Относительная высота слоя нагрева

0,25-0,27 при отношении водяных эквивалентов шихты и газа, равном 0,7-0,9, обеспечивает прогрев шихты до 900 С. 40 о

Уменьшение относительной высоты слоя ниже 0,25 приводит к сннкению температуры нагрева шихты и степени использования тепловой энергии газ;, Увеличение относительной высоты сло=. выше 0,27 4> приводит к уменьшению вы.-.оты восстановительной зоны и снижению лроизводительности агрегата.

Уменьшение относительной высоты зоны первичного восстановления ниже 0,5 приводит к снижению степени использова, ния восстановительного потенциала газа в этой зоне и увеличению количества кислорода шихты, переходящего в нижнюю зону. Увеличение относительной высоты

55 этой зоны выше 0,55 приводит к снижению скорости восстановления и производительности агрегата. Относительная высота зоны завершающего восстановления в пределах 0,20-0,24 по времени пребы вания материала и по скорости восстанов-" ления обеспечивает довосстаповление же=леэа, начиная от 60-.70% до 90-9S%.

Нижний предел высоты ограничивается. уменьшением степени металлизации материала па выходе, верхний предел — уменьшение« e eHH Hc aoccra»oamen ioro rasa.

Суммарное содержание Н и С0 в газе ниже 60% приводит к необходимости увеличения общего количества вдуваемого газа и тем самым вызовет увеличение перепада давления газа выше 600 мм вод. ст./м. Увеличение перепада давления газа выше 60и мм, вод. ст./м недопустимо тем, что при этом появляется опасность подстоя шихты и режим противотока переходит в неустойчивое состояние. При перепаде давления газа ниже 400 мм, вод. стlм недоиспольэуется гаэопроницае мость шихты и снижается производительность агрегата. При этом отношении (СО + Н О):

: (СО + Н >) больше 0,08 наблюдается резкое снижение скорости восстановления, железа в связи с увеличением концентрации СО и Н О. Поэтому необходимо поддерживать это отношение менее 0,08.

Распределение количества восстанови. тельного газа между зонами первичного и завершающего восстановления обусловлено условиями обеспечения устойчивости газового потока и степени использования газа. Увеличение количества газа, расхсдуемого в нижнюю сужающуюся зону, выше 4036 нецелесообразно из-за нарушения устойчивости газового потока. Уменьшение этого количества газа ниже 30, о снижает скорость восстановления иэ- за повышечия концентрации СО и Н О и снижает степень! металлизации материала на выходе.

Удельный расход газа 0,7-0,9 нм /кг исходного материала обеспечивает оптимальные значения степени использования газа и производительности агрегате Уде3 льный расход газа ниже 0„7 нм -/кг приводит к снижению производительности агрегата, а выше 0,9 нм /кг к снижению степени использования восстановительного потенциала.

Отработанный гаэ будет иметь теплор творную способность 4000-5500 кДж/нм".

Для нагрева шихты до 900 С, достаточно сжигать в слое 30-40% отходящего газа. Ниже 30,ь количества аза недостаточно для нагрева шихты. Выше 40% нецелесообразно из-за перегрева шихты. ня низа второго яруса зыружается метал лизованный железорудный материал фрак— ции либо 5-15 мм, либо 1-5 мм, затем остальная часть рабочего объема печи загружается окисленными железорудными материалами соответствующей фракции.

Отработанное рабочее тело пневмотранспорта — азот отводится через газоотвод 12 Подается горячий пар во все зоны рабочего пространства печи. Через 20 мин после подачи пара и вентиляции им рабочего пространства печи в зоны первичного и завершаюшего восстановления, занимающих соответственно 50-55>о и 20-24% от высоты рабочего пространства печи, подается горячий восстановительный газ в количестве 50% от расхода при полном ходе печи. Общий расход газа распределяется между этими зонами как в период задувки, так и при полном ходе печи в соотношении 60 и 40/ соответственно.

В исходном газе суммарное содержание

Н и СО обеспечивается больше 60Уо при отношении (СО 1 + Н О) /(СО + Н ) меньше 0,08 и давлении перед входом в слой 6 атм и температуре 1100 С.

Через 30 мин после подачи восстановительного газа с помощью пневмотранспорта начинается выгрузка металлизованиых материалов по пневмотрубопроводу 14 и возобновление уровня засыпи загрузкой шихты по пневмотрубопроводу 13, Расход металлизованного материала на выгрузке также устанавливается в соответствии с удельным расходом газа 0,7-0,9 нм /кг

3 исходного материала. Через 10-15 мин после начала выгрузки материала 40% отработанного восстановительного газа из зоны первичного восстановления подается в зону нагрева, занимающую 27% от рабочей высоты печи, и зажигается до полного горения. Количество и темпера тура продуктов горения регулируются.

После организации устойчивого движения шихты повышается расход восстановительного газа до..полного хода печи, который характеризуется из расчета установления скорости движения газа в рабочем пространстве печи 1-2 м/с. Расход материала на загрузке и выгрузке устанавливается из условия обеспечения удельно го расхода восстановительного газа 0,70,9 нм /кг исходного материала.

Пример 2. После загрузки печи и вентиляции ее паром, как в примере l, через 20 мин в зоны первичного и завершающего восстановления подается горячий восстановительный гаэ, который распределяется в соотношении 70% вверх и ЗОУ

7 9052

Давление газа HA выходе ниж. 5 BTM приводит к увеличению скорости движения и перепада давления газа, результатом чего является неустойчивый газоBhlA поток. Давление выше 6 атм приво5 дит к удорожанию конструкции и оборудования печи из-за необходимости повышения их прочности и герметичности.

Указанные выше пределы состава и температуры газа, размеры частиц железорудного материала позволяют поддерживать степень использования восстановительного потенциала газа в пределах

0,45-0,55. Теплотворная способность отработанного газа будет находиться в пределах 900-1500 ккал/нм . И для

3 нагрева шихты до 900-95и С, при выше-о укаэанных отношениях водяных эквивалентов шихты и газов в пределах 0,7-0,9, достаточно сжигать до полного горения

30-40% общего отработанного количества газа. Остальная часть в количестве 6070% отводится на выходе из зоны восстановления и после очистки от пыли направляется в газовый реактор для рециркуляции.

Относительно малый размер. фракции повышает сопротивление слоя. Для того, чтобы успешно протекал восстановительный процесс, газ должен быть достаточно концентрированным. Газопроницаемость применяемого слоя позволяет поддерживать удельный расход газа 700-900 нм /т рудного материала. Для этого исходный состав газа по сумме (СО+ Н ) должен быть в пределах 60-90% при соотношении (СО -г Н О) /(СО + Hy) в пределах

0,0 1-0,08.

На чертеже изображено устройство, ре шизующее предлагаемый способ.

Устройство содержит сопло 1 для пода чи обогащенного кислородом воздуха в горелку, сопло 2 для подачи топлива, камеру 3 горелки или газовый реактор, кольцевой газопровод 4 первого яруса, сопла 5 для подачи газа в первый ярус, кольцевой газопровод 6 второго яруса, сопла 7 для подачи во второй ярус, кольцевой газопровод 8 для отвода газа иэ печи, отводящие сопла 9, кольцевой воз50 духопровод 10 для эоны нагрева, сопла

ll для распределения воздуха в зоне на. грева, газопроводы 12 колошникового газа, пневмотрубопровод 13 для загрузки материала, пневмотрубопровод 14 для

55 выгрузки и транспортировки металлизированного материала.

Пример 1. В реактор с помощью пневмотрубопровода 13 сначала до уров88

905288 10 являющихся возвратом производства, по-. ю ьышает использование металлургического

Ъ сырья на 10-15k.

9 вниз и имеет давление перед входом в слой 5 атм. В зону нагрева, занимаюшу

25% рабочей высоты печи, подается 30 отработанного восстановительного газа и зажигается до полного горения. Продукты горения нагревают слой шихты до 900 С. о

Температура и количество продуктов горения регулируются. Остальные параметры и порядок действия поддерживаются, как в примере 1. о

Пример 3. Количество восстановительного газа распределяется между зонами первичного и завершаюшего восстановления в соотношении 65 и 35% при давлении перед входом в слой 5,5 атм. В зону нагрева, занимаюшую 26lo высоты печи, подаются продукты горения 35% отработанного восстановительного газа.

Остальные параметры и порядок действия сохраняются как в примере 1. го

Восстановительный газ получается путем неполного сжигания топлива (природного газа, нефти и газойля) в газовых реакторах 3 обогашенным кислородом воздухом. Температура и состав газа регулируется изменением концентрации кислорода в дутье. По экспериментальным результатам слой из фракции 5-1 мм при скорости движения газа 1,0 м/с и давлении 5 атм и температуре 1100 С создает перепад давления 1000 мм вод.ст. на 1 м высоты слоя. Уменьшение скорости до 0,6 м/с при движении шихты снижают перепад давления до 500-600 мм вод. ст., что является безопасным для про з5 текания нормального противотока шихты и газа.

При этом достигается удельный расход восстановительного газа 0 7 0,9

=0 9 им /кг исходного материала и удельная производительность агрегата около 2,8-3,5 Tl ì полезного объема реактора. Or повышения степени использования восстановительного потенциала от 0,4-0,42 на сушествуюших агрегатах до 0,45-0,55 экономия энергии 8-10%. Использование недефицитиого материала зернистых фракций, . формула изобретения

1. Способ металлиэации железорудных материалов в шахтном реакторе, включавший противоток шихты и газа, нагрев, предварительное и окончательное восстановление при 900-1050 С, о т л и ч аю ш и и с я тем, что, с целью повышечия производительности при металлиэации до степени 90-987 как качественных, так и рядовых зернистых желеэорудных материалов, фракции материала 5-15 мм и 1-5 мм восстанавливают раздельно газом IIoA давлением 5-6 атм на входе, удельный расход которого составляет 0,70,9 нм ./кг исходного материала и который перераспределяют между зонами предварительного и окончательного восстановления, составляюшими 0,50-0,55 и

0,20-0,25 высоты реактора, в соотношении 60-70% и 3v-40% соответственно.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юш и и с я тем, что содержание CQ u

Н в газе составляет 60-90% при соотношении (СО 1 + Н О): (СО + Н ), равном О, 08-0, О 1.

3. Способ попп. l.и2, отл ич а, ю ш и и с я тем, что 30-40%. отработанного газа сжигают в слое в процессе нагрева шихты, а остальной газ рециркулируют.

4. Способ по пп. 1, 2 и 3, о т л и.ч а ю ш и и с я тем, что загрузку и выгрузку шихты осушествляют пневмотранспортом, рабочим телом которого является технический азот.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Современные проблемы металлургии. АН СССР, 1958, с.2, 19-220.

2. Патент СШн No. 3615351, кл. С 21 В 13/02,1971.

Составитель П. Савицкая

Редактор H. Киштулинец Техред С. Мигунова Корректор

Заказ 293/38 Тираж 586 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, -Ж-35; Раушская наб., д. 4/5

Г. Назарова филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4