книги / Новые процессы получения металла. Металлургия железа
.pdfстановительный газ является единственным источником теп ла, обеспечивающим все тепловые потребности процесса.
Основными процессами, протекающими в шахтной печи, являются теплообмен между газом-теплоносителем и восста навливаемым материалом, восстановление оксидов железа и динамическое взаимодействие между опускающейся шихтой и поднимающимся газом. Кроме этого, на показатели работы шахтной печи оказывают влияние разрушение железорудных материалов в процессе нагрева и восстановления, наугле роживание и спекание губчатого железа.
Наиболее известными процессами металлизации в шахтных печах являются способы Мидрекс (США), Армко (США), Пурофер (ФРГ), ХиЛ-Ш (Мексика). В нашей стране разработаны два способа получения металлизованного сырья в шахтных печах, которые отработаны на опытно-промышленных установ ках Белорецкого металлургического комбината и комбинате "Запорожсталь".
Наиболее отработанным и широко распространенным про цессом является процесс Мидрекс. С 1983 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате (ОЭМК) работают четыре модуля процесса металлизации Мидрекс общей мощностью 1700тыс.т металлизованных окатышей в год. Приводимое ни же описание процесса дается применительно к условиям ОЭМК.
В состав каждого модуля входят: шахтная печь металли зации, реформер (реактор конверсии природного газа); сис тема производства инертного газа; система аспирации. Сис тема водного хозяйства, свеча, помещение пульта управле ния и электроснабжение являются общими для каждой пары модулей. Принципиальная схема модуля металлизации Мидрекс показана на рис. 40.
Шахтная печь для металлизации (рис. 41) состоит из загрузочного (промежуточного) бункера; верхнего динами ческого затвора с загрузочным распределителем и загрузоч ными трубами; зоны восстановления; промежуточной зоны; зоны охлаждения; огнеупорной футеровки; постоянно дейст вующих питателей; нижнего динамического затвора и маятни кового питателя (для выгрузки готового продукта).
Цилиндрический загрузочный бункер емкостью ~ 60 м3 с конической нижней частью, к фланцам которого прикреплен шибер, обеспечивает прием и непрерывное течение материала 181
Рас. 40. Принципиальная схема модуля металлизации "Мидрекс": |
|
||||
1 — шахтная пень; 2 |
— инертный затворный газ; 3 — скруббер охлаждающего га |
||||
за; |
4 — компрессор |
охлаждающего |
газа; |
5 — охладитель конвертированного |
га |
за; |
6 — скруббер колошникового |
газа; |
7 — каплеуловитель; 8 — скруббер |
для |
улавливания пыли на выгрузке из шахтной печи; 9 — концевой холодильник тех нологического газа; 10 — реформер; 11 — вентилятор подачи вспомогательного воздуха; 12 — вспомогательные горелки реформера; 13 — главные горелки реформера; 14 — инертный газ на осушку; 15 — вентилятор подачи основного воз духа; 16 — рекуператор; V — эксгаустер; 18 — природный газ
в верхний динамический затвор. Система загрузки окислен ных окатышей имеет следующие узлы: верхний плоский шибер (с гидравлическим приводом); загрузочную трубу; распреде литель подвода затворного газа и загружаемого материала; труботечки. В загрузочной трубе создается динамический затвор между шибером и распределителем загружаемого мате
риала благодаря |
потоку |
затворного газа, |
подаваемого |
в |
|||
распределитель. |
Из |
распределителя |
материал |
поступает |
по |
||
12 трубам |
через свод |
в печь. |
|
|
|
||
Зона |
восстановления |
объемом |
~ 200 м3 занимает прост |
ранство от уровня фурм, через которые вдувается восстано вительный газ, до уровня засыпи под сводом печи. Восста новительный газ поступает в зону восстановления по коль цевому каналу через фурменные блоки, расположенные равно мерно по всей окружности печи и направляющие восстанови тельный газ наклонно вниз в слой материала.
Зоны восстановления и охлаждения разделены между собой промежуточной зоной, имеющей примерно такой же диаметр
182
(£>), как |
и зона восстановления, |
а вы |
||
сота |
ее |
составляет |
примерно |
0,5£>. |
Внизу |
промежуточной |
зоны, непосред |
ственно над каналами для отвода ох лаждающего газа, расположены верхние постоянно действующие питатели, представляющие собой три водоохлаж даемых пустотелых вала, на которых закреплены сегментные диски из жаро
прочной и износостойкой |
стали. |
|
||||
Рже. 41. Шахтная печь металлизации: |
|
|
||||
1 — бункер загрузки печи; 2— верхний |
дина |
|||||
мический затвор; |
3 — |
распределитель |
окис |
|||
ленных окатышей; |
4 — выход колошникового |
|||||
газа; |
5 — зона восстановления; |
6 — |
коллек |
|||
тор |
восстановительного |
газа; |
7 — |
верхний |
||
постоянно действующий |
питатель; 8 — выход |
|||||
охлаждающего газа; 9,10 — средний |
и нижний |
постоянно действующие питатели; 11 — нижний
динамический затвор печи; |
12 — |
устройство |
для выгрузки окатышей из |
печи; |
13 — вход |
восстановительного газа; 14 — зона |
охлажде |
ния; 15 — вход охлаждающего газа; 16 — распределитель охлаждающего газа
Зона охлаждения занимает объем (~ 120 мэ) между уров нем каналов отвода охлаждающего газа и нижним динамичес ким затвором и состоит из верхней цилиндрической (футе рованной) и конической (нефутерованной) частей. Охлаждаю щий газ поступает в зону охлаждения через соответствующий распределитель, который разделяет общий поток охлаждающе го газа на отдельные кольцевые потоки, направленные вниз. В зоне охлаждения расположены также средние и нижние постоянно действующие питатели, которые благодаря их возвратно-вращательному движению обеспечивают равномерный сход столба шихтовых материалов.
Система динамического затвора на выгрузке металлизованного продукта из печи имеет следующие элементы: камеру подвода затворного газа, трубу выдачи металлизованного продукта, нижний плоский шибер с гидроприводом и погруж ную трубу, доходящую до корпуса маятникового пигателя.
Через эту систему металлизованный продукт из зоны охлаж
дения подается |
на |
маятниковый |
питатель, который |
выдает |
этот продукт на |
конвейер. |
|
|
|
Цилиндрическая |
часть шахтной |
печи футерована |
радиаль |
ными кирпичами из плотного шамота с минимальным содержа нием оксидов железа и щелочных металлов. Между шамотом и кожухом печи расположен теплоизоляционный слой из огне упорного легковесного бетона. Фурменные блоки выполнены из высокочистого спеченного муллита, имеющего высокую термостойкость. Свод печи футерован легковесным огнеупор ным бетоном и жаропрочным стальным листом.
В шахтной печи окисленные окатыши под действием силы тяжести проходят зоны восстановления и охлаждения и выгружаются из печи в виде металлизованного продукта маятниковым питателем, с помощью которого можно регулиро
вать |
скорость опускания столба шихты, а следовательно, |
время |
пребывания материалов в печи, степень металлизации |
и производительность установки. Металлизованные окатыши,
охлажденные до 40—50 °С и |
выгруженные из |
печи, подвер |
гаются грохочению с отсевом |
мелочи < 3 мм и |
спеков круп |
нее 40 мм. |
|
|
Одновременно горячий восстановительный газ, вдуваемый через фурмы примерно на середине высоты шахтной печи при
температуре ~ 760 °С |
(по проекту) и |
абсолютном |
давлении |
~ 0,2 МПа, движется |
навстречу потоку |
окатышей в |
верх пе |
чи, откуда выходит в виде колошникового газа с температу рой 350—450 °С при абсолютном давлении ~ 0,13 МПа. Выход горючих газов из печи предотвращается с помощью газовых динамических затворов, уплотняющих загрузочное и выгру
зочное устройство, в которые вдувается инертный (затвор ный) газ под таким давлением, которое обеспечивает движе ние этого газа только вниз в труботечках при загрузке окисленных окатышей и только вверх— при разгрузке металлизованных окатышей. Инертный газ представляет собой от ходящие из реформера осушенные дымовые газы, содержание кислорода в которых поддерживают в пределах 0,5—1 %.
Колошниковый |
газ с температурой 350—450 °С охлаждает |
|||
ся, очищается от |
пыли |
в скруббере и разделяется на два |
||
потока: технологический |
(для конверсии), |
насыщенный |
водя |
|
ными парами, с |
температурой 68—76 °С |
и топливный |
(для |
отопления |
реформера), |
обезвоженный, |
с |
температурой |
40-55 °С. |
|
|
|
|
Смесь |
технологического |
и природного |
газа |
предваритель |
но нагревается в рекуператоре до 400 °С |
и направляется на |
конверсию в реформер, состоящий из 288 реакционных труб с никелевым катализатором и отапливаемый смесью топливного (избыточного колошникового газа) и природного газов. При конверсии происходит увеличение объема газов примерно на 30 %. Термокаталитическая конверсия природного газа про текает с участием в реакциях углекислоты и водяных паров технологического газа, при этом на катализаторе устанав ливается равновесие реакции водяного газа.
Температура в межтрубном пространстве реформера сос
тавляет 1000—1100 °С, |
а выходящего из него конвертирован |
|||||||
ного |
газа |
~ 900 °С. |
Для |
регулирования температуры |
вос |
|||
становительного |
газа |
предусмотрена |
возможность |
отвода |
||||
части |
его |
в специальный |
холодильник, |
после чего |
холодный |
|||
газ подмешивается к |
конвертированному. |
|
|
|
||||
Охлаждение металлизованных окатышей осуществляется га |
||||||||
зом, |
состоящим |
из смеси |
восстановительного и дымовых |
га |
зов и циркулирующим по самостоятельному газовому контуру. Давление охлаждающего газа несколько меньше, чем восста новительного, что препятствует его проникновению в зону восстановления. Однако, как показала практика, между зо нами восстановления и охлаждения всегда происходит не большой газообмен, определяемый по расходу затворного га за и устанавливающемуся соотношению давлений в циклах технологического и охлаждающего газов. Горячий запыленный охлаждающий газ выходит из печи с температурой 400—450 °С через отводящие каналы и поступает в скруббер, а затем компрессором подается после каплеотделения через распре делитель снова в зону охлаждения, с температурой ~ 40 °С. Технологические параметры газовых потоков на установке ОЭМК (за первые шесть месяцев работы после пуска) пред
ставлены в |
табл. 13. |
|
|
|
|
|
|
|
Для предотвращения отравления никелевых катализаторов |
||||||
реформера |
предусмотрена |
двухступенчатая |
очистка природно |
||||
го |
газа от |
серы: первая ступень— очистка фильтрацией че |
|||||
рез |
молекулярные |
сита |
до |
остаточного |
содержания |
серы |
|
~ 0,0011 %; |
вторая |
ступень - |
тонкая очистка оксидом |
цинка |
|||
до |
остаточного содержания |
серы в газе ~ 10-4%. |
|
00
ON
Т а б л и ц а 13. Технологические параметры газовых потоков установки ОЭМК
Показатели |
Конвер |
Восста |
Колош |
Техно |
Топлив |
Смешан |
Охлаж |
Инерт |
Воздух |
ДымоПри |
||||
|
|
тирован |
новитель |
никовый |
логичес |
ный |
ный |
дающий |
ный |
|
вой |
род- |
||
|
|
ный |
|
ный |
|
кий |
|
|
|
|
|
|
ный |
|
Расход, тыс.м3/ч |
920±10 |
700-710 |
___ |
59-60 |
29-30 |
___ |
40-48 |
4 -5 |
90-95 |
_ |
15-17 |
|||
Температура, °С |
350-400 |
70-76 |
40-45 |
43-100 |
300-500 |
25-35 |
550-600 390- |
20-50 |
||||||
Давление, кПа |
70-75 |
60-70 |
25-30 |
120-130 |
20-25 |
110-120 |
70-80 |
140-160 |
15 |
400 |
300- |
|||
|
||||||||||||||
Состав, %: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
350 |
|
0,2-0,4 |
3,5— 5,5 |
|
4,5—6 |
4,8 -6 |
|
|
|
|
|
92,6- |
||||
СН4 |
|
4 -5 |
16-20 |
20-28 |
|
|
|
|||||||
с о 2 |
|
2 |
- |
2,5 |
2 2,5 |
14-16 |
15-18 |
16-19 |
14-17 |
6 -8 |
15-18 |
_ |
16 9 |
933 |
|
0 4 |
|||||||||||||
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
,- |
,- |
|
н 2 |
|
55-65 |
54-64 |
35-40 |
45-50 |
47-52 |
43-48 |
24-32 |
|
|
17,2 |
1,4 |
||
|
— |
— |
— |
|
||||||||||
с о |
|
29-35 |
28-34 |
16-18 |
17-19 |
18-20 |
16-18 |
10-15 |
2 3 - |
|||||
N2 |
|
|
|
|
|
2—3,5 |
2- 3,5 |
2— 3,5 |
2- 3,5 |
15-30 |
74-75 |
|
|
3,1 |
|
2 -3 |
2 -3 |
73,6 |
65-66 |
1-3 |
|||||||||
н 2о |
. . . . |
4 -5 |
4 -5 |
22-24 |
15-20 |
6 -7 |
12-17 |
3 -4 |
0 -6 |
0,9 |
21-22 |
— |
||
о , |
|
- |
|
— |
— |
— |
— |
— |
— |
0,7-0,9 |
20,5 |
1,0 |
— |
Основными реакциями процесса металлизации в шахтной печи являются восстановление гематита до железа с помощью
водорода и |
монооксида |
углерода и науглероживание |
губчато |
го железа |
в процессе |
восстановления. Развитие их |
зависит |
в основном от температуры восстановительного газа, его состава, времени пребывания газа и шихты в печи. Как уже отмечалось, на кинетику восстановительных процессов зна чительно влияет химический состав железорудных материа лов, в частности, содержание Fe2+ в окисленных окатышах.
Бремя пребывания материалов в печи регулируется маят никовым питателем. По данным ОЭМК, при средней производи
тельности |
печи |
57 т/ч оно составило |
14 ч±20 мин, |
в том |
числе в |
зоне |
восстановления 7—8 ч. |
По другим |
данным |
(шахтная металлизация на заводе в Гамбурге, ФРГ), Общая
длительность |
пребывания материалов в печи составляла |
||
8—12 ч, |
в том |
числе |
в зоне восстановления 4—бч. Такая |
разница, |
по-видимому, |
обусловлена условиями работы печей |
и, в первую очередь, температурой процесса, являющейся ключевым фактором, влияющим на показатели работы установ ки.
Однако повышение температуры процесса металлизации в шахтной печи ограничивается развитием такого процесса как спекание губчатого железа. В связи с этим на ОЭМК для предотвращения интенсивного образования спеков вынуждены
были снизить |
температуры |
восстановительного газа |
с |
760 |
|||||
(по |
проекту) |
до |
700—710 °С, |
что сказалось |
на |
показателях |
|||
работы установки. Кроме этого, отрицательное |
влияние аа |
||||||||
них оказала неравномерность газового потока |
по |
сечению |
|||||||
печи |
(рис. 42). |
Расчет степени |
металлизации |
по |
изменению |
||||
состава газа |
по |
высоте печи |
(рис. 43) показал, |
что |
водо |
род и монооксид углерода по высоте печи проявляют себя неодинаково: если в верхней части зоны восстановления они работают примерно одинаково (отнимают равное количество кислорода), то в нижней части монооксид углерода отнимает большую часть кислорода. Степень использования газа при восстановлении железа из вюстита составила 29—31% (приб лижение к равновесию 96—97 %), а общая степень использо вания газа в печи составила 40—41%. При этом водородом и монооксидом углерода отнимается соответственно 60 и 40% кислорода оксида железа.
При указанной температуре и других проектных парамет187
Рас. 42. |
Изменение состава газа по высоте и сечению печи: |
1, V — |
метан; 2,2' - оксид углерода; 5, 3' - водород; 1-3 — периферия; |
V —3' — центр |
|
Рас. 43. |
Изменение степени металлизации по высоте печи |
рах установки металлизации ОЭМК за первый год получены следующие показатели ее работы:
Производительность установки, т |
|
. . |
367500 |
Фактическое время работы установки, сут |
311 |
||
Удельная производительность, т/(м3 • |
сут) |
3,2 |
|
Степень металлизации, % |
. . |
|
92,9 |
Содержание углерода в окатышах, % |
|
1»55 |
|
Количество мелочи < 3 мм, % . |
|
|
2,2 |
Расход электроэнергии, кВт • ч/т |
|
|
200^ |
Расход природного газа, м3/т |
|
|
387 |
Расход воды, м3/т |
|
|
5,0 |
Расход природного газа 387 м3/т (14,4 ГДж/м) является в этом случае це ховым показателем и включает расход на очистку от серы в режиме регенерации молекулярных сит. При определении нетто-расхода энергии расход на очистку от серы вычитается, и таким образом получается расход энергии 10,8 ГДж/т.
Суммарный |
расход энергии |
составил 11,5 ГДж/т, в том |
числе энергия природного газа |
10,8 ГДж/т. |
|
В дальнейшем за счет освоения технологии расход при |
||
родного газа |
был снижен до |
320-340 м3/т металлизованных |
окатышей. Влияние производительности установки на удель ный расход природного газа показано на рис. 44.
188
Pic. 44. Влияние производительности шахтной печи на удельный расход при родного газа
т
^т -
*т -
§ 360 -
-
| 320 -
£300 -
280 -
25 30 35 40 45 50 55 60
Производительность, т
Для сравнения в табл. 14 приведены параметры процессов металлизации в шахтных печах по основным способам. Повы шение температуры процесса металлизации является мощным
резервом |
увеличения производительности печей незавяжкс |
от способа |
металлизации. |
Повышение температуры восстановления имеет большое значение для экономии природного газа и повышения устой чивости металлизованного продукта к вторичному окислению. По данным работы установки ХиЛ-Ш, при повышении темпера
туры восстановления с 850 до 960 °С |
расход |
газа снижался |
на 0,625 ГДж, а производительность |
печи |
возрастала на |
17 % (при степени металлизации продукта 90 % и содержании углерода 1,7%).
Одним из эффективных (можно считать универсальныхй способов повышения температуры процесса металлизации яв ляется офлюсование окатышей (известняком, известью, доло
митом, |
оливином и |
т.д.), которое положительно действует |
сразу |
в нескольких |
направлениях: повышает восстановимость |
и прочностные свойства окатышей при восстановлении, спо собствует снижению спекаемости и вторичного окисления металлизованных окатышей, науглероживанию губчатого железа; кроме этого, офлюсование окатышей способствует улучшению шлакообразования и выводу кусковой извести из процесса при плавке их в электропечи.
Другим эффективным способом повышения температуры ме таллизации является работа шахтной печи на смешанной ших те с добавкой к окатышам высококачественных кусковых руд в количестве 10—30 %. Это позволяет не только снизить затраты на сырье (руда дешевле, чем окатыши), но и улуч шить показатели работы установки, повысить ее производи тельность без ухудшения качества продукции. Однако приме-
vO
О
Т а б л и ц а 14. П араметры процессов металлизации в шахтных печах |
|
|
|
|
|
|||||||
Процесс, фирма, |
Удельная произ |
Способ кон- |
г, °С |
р, МПа |
\\ °С |
р, МПа |
Действитель |
Зона охлаждения |
||||
завод, страна |
водительность, |
версии при |
|
|
|
|
ная скорость |
|
t вы |
t про |
||
|
т/(м 3 • сут) |
родного газа |
|
|
|
|
газа в печи, |
способ |
||||
|
по всей |
по зоне |
|
|
|
|
|
м/с |
охлаж |
хода |
дукта, |
|
|
|
|
|
|
|
на ко- |
на |
дения |
из |
ОС |
||
|
печи |
восста |
|
|
|
|
|
|
зоны, |
|
||
|
|
новле |
|
|
|
|
|
лошни- |
уров |
|
°С |
|
|
|
ния |
|
|
|
|
|
не |
нс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ввода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в печь |
|
|
|
|
|
|
|
Восстанови |
Колошнико |
|
|
|
|
|
||
|
% |
|
|
тельный 203 |
вый 203 |
|
|
|
|
|
||
|
7—9 |
Углекислот |
750- |
0,17 |
350- |
0,12 |
2,7- |
Нет |
Оборот350— 40 - |
|||
Мндрекс, Гам- |
4,5 |
|||||||||||
бургер, Шталь- |
|
|
ная |
800 |
|
450 |
|
3,1 |
св. |
ный |
400 |
50 |
верке, ФРГ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цикл ох |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лаждаю |
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
щего газа |
|
|
Мндрекс, ОЭМК, 3,2 |
Нет св. |
— " — |
700- |
щ |
0,13 |
Нет |
Нет |
я |
я |
я |
||
Армко, Армко— |
|
|
|
710 |
|
|
|
СВ. |
св. |
|
|
я |
Стил, США |
3,0 |
3,8 |
Паровая ка |
760- |
0,24 |
400 |
0,14 |
2,9- |
1,8 |
Охлаж- |
Нет |
|
|
|
|
талитическая |
770 |
|
|
|
3,3 |
|
денным |
св. |
|
|
|
|
(рекуператор) |
|
|
|
|
|
|
колошни |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ковым |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
газом |
|
|