Способ восстановления и плавки металлосодержащего соединения и устройство для его осуществления

(51)7 22 4/00, 21 13/12 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ПЛАВКИ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩЕГО СОЕДИНЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Способ восстановления и плавки металлосодержащего соединения и устройство для осуществления указанного способа, включающего операцию загрузки шихты 15, содержащей смесь металлосодержащего соединения и соответствующего тонкоизмельченного восстановителя, в реакционную зону камер 11 индукционной печи 10 канального типа, которая содержит ванну 18 указанного металла в форме расплава, причм, в результате загрузки шихта 15 образует, по меньшей мере, одну порцию 16, 17 над поверхностью ванны-расплава 18. Способ отличается тем, что шихту 15 загружают в мкость 11 таким образом и с такой скоростью, что она образует сплошной слой 19, закрывающий ванну расплава 18 и шлака 23, который может там присутствовать, в результате чего в шихте 15 образуется реакционная зона, в которой может происходить восстановление всего металлосодержащего соединения,тогда как под указанной реакционной металловосстановительной зоной образуется плавильная зона 22, в которой может плавиться весь восстановленный металл. При этом предлагаемый способ контролируют таким образом, чтобы поддерживать присутствие указанного сплошного слоя 19 в течение всего хода процесса для того, чтобы восстановление металлосодержащего соединения могло полностью протекать в тврдой фазе. 8960 Изобретение относится к способу восстановления и плавки металлосодержащего соединения,включающему операцию загрузки шихты, состоящей из смеси металлосодержащего соединения и подходящего тонкоизмельченного восстановителя, в реакционную зону индукционной печи канального типа, причем печь содержит ванну-расплав указанного металла, и таким образом над поверхностью ванны металла образуется, по меньшей мере, одна порция загруженной шихты. Большинство традиционных способов восстановления металлосодержащих соединений включает операцию нагревания металлосодержащего соединения (обычно в форме окисла металла) в присутствии восстановителя, например, подходящего углеродсодержащего соединения или т.п. материалов. Смесь металлосодержащего соединения и восстановителя обычно именуется шихтой. В указанных традиционных способах скорость нагревания шихты обычно столь велика, что, по меньшей мере, значительная часть шихты плавится до окончания реакций восстановления. Соответственно значительная доля процесса восстановления происходит в жидкой фазе. При такой плавке шихты образуется шлак, который, помимо окислов указанного металлосодержащего соединения, содержит также окислы других металлов, которые могут присутствовать в шихте. С целью извлечения указанного (целевого) металлосодержащего соединения из его окисла в шлаке требуется вводить в реакцию дополнительное количество восстановителя, что, в свою очередь, приводит к получению конечного металлического продукта с нежелательно высоким содержанием углерода. Столь высокое содержание углерода в продукте обычно впоследствии снижают путем окисления двумя способами либо добавляют к продукту кислород в форме газообразного кислорода или воздуха, либо используют соответствующий металлический окисел, присутствующий в реакционной среде. Такая окислительная реакция также протекает в жидкой фазе. При таком ведении процесса требуется использовать восстановитель в избытке в самом начале процесса, но и последующее окисление этого избытка представляет собой дополнительную операцию процесса. В результате указанных реакций восстановления и окисления образуются относительно большие количества нежелательных газов, которые скапливаются под поверхностью расплавленного металла и шлака и вырываются наружу в форме пузырьков. В патенте США 5.411.570, С 21 С 5/28, 1995 год описан способ производства стали, согласно которому шихту загружают в печь двумя порциями,которые остаются отделенными друг от друга слоем шлака, плавающим над расплавом металла. При таком ведении процесса возникает возможность того, что шихта непосредственно попадает в расплав металла или в шлак и таким образом, по мень 2 шей мере, частично реакция восстановления шихты протекает в жидкой фазе, а это приводит не только к нежелательному образованию газов в печи, но и к потенциальной потере продукта. Таким образом, целью изобретения является разработка такого процесса восстановления и плавки металла, при котором вышеуказанные трудности могут быть преодолены или, по меньшей мере, сведены до минимума. Согласно предлагаемому изобретению, вышеуказанная цель достигается с помощью способа,согласно которому шихту загружают в печь таким образом и с такой скоростью, что она (т.е. шихта) образует сплошной непрерывный слой, закрывающий ванну расплава над всем расплавом и любым шлаком, присутствующим в печи, в результате чего в шихте образуется реакционная зона, в которой можно восстановить все количество металлосодержащего соединения, а также образуется плавильная зона, которая располагается под зоной восстановления металла и в которой можно расплавить весь восстановленный металл. Далее, согласно предлагаемому способу, процесс можно контролировать таким образом, что указанный сплошной слой шихты может поддерживаться преимущественно в течение всего хода процесса, в результате чего восстановление металлосодержащего соединения может полностью протекать в твердой фазе. Поскольку существенно никаких жидкофазных реакций не протекает в предлагаемом способе,практически полностью можно исключить нежелательное выделение газов. На практике это означает, что существенное отсутствие пузырьков газа в металлическом расплаве (ванне) и в образующемся шлаке является индикатором правильности ведения процесса. Кроме того, поскольку процесс ведут таким образом, что практически отпадает необходимость в последующем удалении избыточного восстановителя, число операций (стадий) в процессе уменьшается по сравнению с вышеуказанными традиционными способами. Более того, поскольку, согласно предлагаемому способу, шихту загружают в печь таким образом и с такой скоростью, что образуется сплошной слой шихты над всем расплавом (ванной) и над присутствующим шлаком, то можно предотвратить непосредственный контакт непрореагировавшей шихты с жидким металлом и шлаком. Такое короткое замыкание могло бы вызвать, по меньшей мере,некоторые жидкофазные реакции, тогда как предлагаемый способ позволяет существенно избежать этого явления. Согласно изобретению, указанный контроль процесса осуществляется контролированием, по меньшей мере, одного из следующих параметров а) способ и скорость загрузки шихты в печь б) зернистость шихты в) степень гомогенизации шихты г) скорость подвода тепла к печи. 8960 Согласно предлагаемому способу, шихту, например, можно загружать в печь через пространственно разнесенные загрузочные отверстия с тем,чтобы образовать в печи смежно расположенные порции шихты. При таком способе осуществления процесса последний включает операцию, в ходе которой донные части (подножья) порции шихты сливаются вместе, образуя сплошной непрерывный слой шихты, который закрывает ванну расплава над расплавом и шлаком. Наличие этого слоя шихты препятствует шихтовым материалам, ссыпающимся с шихты, входить в прямой контакт с расплавленным металлом или шлаком. Факт образования слоя шихты можно установить любым подходящим способом, например, визуально и/или с помощью любой видеоаппаратуры,например, фото- или телекамер, и другими способами. На практике визуальный контроль можно осуществить погружением жесткого стержня типа мерного щупа через горловину печи в слой шихты. Образование слоя шихты можно осуществить посредством контроля над размерами порций шихты внутри печи. В качестве альтернативы и/или дополнительно этой же цели можно добиться посредством умелого, стратегически просчитанного, грамотного расположения загрузочных отверстий и/или же умелым подбором числа таких отверстий и скорости загрузки шихты через них. Одним из признаков предлагаемого изобретения является тот факт, что крупность шихты должна составлять 10 мм, предпочтительно 6 мм, и еще более предпочтительно - 3 мм. Заявители данного изобретения установили, что при использовании шихты указанного гранулометрического состава каждая частица шихты восстанавливается преимущественно полностью в соответствующий металл в реакционной зоне и, следовательно, остается твердофазной прежде чем температура частицы возрастет до того уровня, который необходим для расплавления невосстановленных окислов, которые могут присутствовать в частице. Следовательно, очень мала вероятность того,чтобы окисел металла, плавящийся при более низкой температуре, чем металл, мог бы попасть из такой частицы в шлак. Так, например, в случае железа сердцевина частицы обычно состоит из О,который плавится при 1378 С, тогда как корочка частицы образована из железа, которое плавится только при 1535 С. Таким образом, при использовании шихты, состоящей из частиц большего размера, нежели вышеуказанные размеры, температуру сердцевины такой частицы можно было бы поднять до вышеуказанной температуры 1378 С прежде,чем будет восстановлено всеили , содержащиеся в частице. В результате жидкиймог бы попасть из сердцевины частицы в расплав. Поскольку указанные твердофазные реакции контролируются диффузией, максимальная скорость подвода требуемого тепла зависит от крупности час тиц и от степени гомогенности смеси компонентов шихты. Кроме того, согласно настоящему изобретению, процесс может включать операцию сжигания над шихтой моноокиси углерода (СО), которая образуется в ходе операции восстановления металлосодержащего соединения и буквально пропитывает шихту. Эту операцию сжигания СО можно проводить, например, с помощью кислородных и/или воздушных горелок, располагаемых в печи над шихтой. Тепло, получаемое сжиганием СО, может быть использовано для повышения температуры внутри печи в основном путем отражения тепловых лучей от свода печи. Предпочтительно, печь должна включать реакционную зону индукционной печи канального типа. Такая конструкция печи особенно удобна для эффективного контроля нагревания в печи этого типа. Далее, согласно предлагаемому изобретению,предложено устройство для осуществления предлагаемого способа. Устройство включает в себя однокамерную индукционную печь канального типа. В этой печи проводятся указанные операции восстановления и плавки. Камера печи имеет, по меньшей мере, одно загрузочное отверстие для шихты и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для выгрузки жидкого металлического продукта и/или любого шлака, образующегося в ходе реакции. Загрузочное отверстие расположено таким образом и имеет такие размеры, что шихта, загружаемая через него, может быть рассыпана в виде сплошного слоя над всей ванной жидкого металла и шлаком, который может присутствовать в камере. В предпочтительном варианте осуществления изобретения металлосодержащее соединение предпочтительно состоит из железосодержащего соединения или содержит его. Согласно другим формам осуществления изобретения, металлосодержащее соединение может состоять из или содержать любое другое подходящее соединение, например, хром и/или марганец, и/или медь, и/или цинк, и/или свинец и т.д. Ниже в качестве примера выполнения описывается один вариант осуществления предлагаемого изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж,на котором схематически представлен поперечный разрез печи согласно изобретению. В указанном примере осуществления изобретения используется индукционная печь канального типа 10, имеющая удлиненную трубчатую камеру 11, представляющую собой круг в поперечном сечении. В донной части камеры имеются два яруса электрических индукторов 12 мощностью каждый 2,2 мВт, причем в каждом ярусе имеется пять индукторов. Камера 11 имеет два параллельных ряда загрузочных отверстий, из которых на чертеже показаны только два отверстия 13 и 14, проходящие по проти 3 8960 воположным продольным сторонам камеры 11. Эти отверстия служат для подачи шихты 15 в печь 10 для образования там двух продольно расположенных порций 16 и 17, плавающих на ванне расплаваметалла 18. При необходимости расплавленный металл можно ввести в реакционную зону камеры 11 через загрузочное отверстие (оно не показано) еще до начала процесса. Шихта 15 представляет собой гомогенную тонкоизмельченную смесь углеродсодержащего соединения, например, угля и окиси железа, причем углеродсодержащее соединение берут в количестве несколько меньшем, нежели стехиометрически необходимое количество углерода, требуемое для восстановления руды. Гранулометрический состав шихты 15 таков, что ее частицы могут проходить через сито с размерами ячейки 3 мм. Шихту 15 загружают в реакционную зону камеры 11 таким образом и с такой скоростью, что подножья шихты в порциях 16 и 17 сливаются вместе, образуя сплошной слой шихты 19, состоящий из шихтовых материалов и простирающийся над ванной - расплав 18. Факт образования сплошного слоя шихты 19 можно установить, например, визуально с помощью мерного щупа-стержня, вставляемого сверху в реакционную зону камеры 11, или же через соответствующее смотровое окно (не показано) в стенке реакционной зоны камеры 11. Кроме того, этот факт можно установить с помощью соответствующей видеоаппаратуры (также не показана), размещенной внутри реакционной зоны камеры 11. В верхней части реакционной зоны камеры 11 расположено несколько кислородных горелок (из них показаны только горелки 20 и 21), с помощью которых СО, образующийся в ходе реакции и пронизывающий верхний слой шихты 15, может быть сожжен. В процессе эксплуатации печи порции 16 и 17 шихты 15 образуют реакционную зону, которая фактически простирается от подножий этих порций до их вершин. Одновременно с этим между подножьями порций 16 и 17 и верхней поверхностью расплава-ванны 18 образуется плавильная зона 22. В процессе реакции восстановленная шихта 15 передвигается под действием силы тяжести от реакционной зоны в сторону плавильной зоны 22. Шлак, образующийся в процессе плавки, плавает на поверхности ванны 18 в туннеле-проходе 23,который проходит под плавильной зоной 22 и заканчивается в выпускном отверстии (на чертеже не показано) в реакционную зону камеры 11. Отверстия для загрузки шихты 13 и 14 размещены таким образом относительно выпускного отверстия для шлака,что шлак в туннеле 23 направляется в сторону выпускного отверстия. В ходе процесса сплошной слой шихты 19 служит своего рода барьером, препятствующим шихтовым материалам 15 ссыпаться (скатываться) непосредственно с порций 16 и 17 в шлак в туннеле 23 или же в жидкий металл в ванне-расплаве 18,4 вследствие чего могло бы возникнуть нежелательное явление короткого замыкания. Тепло, поступающее в ванну 18 от индукторов 12, распространяется в порции 16 и 17 шихты 15 и,действуя совместно с теплом от сжигания СО горелками 20 и 21, вызывает реакцию окислов железа и углерода в шихте 15, в результате чего происходит восстановление окислов железа. Восстановление происходит почти полностью в твердой фазе, в самом верхнем слое (толщиной 20 мм) порций 16 и 17 шихты в основном за счет тепла, подаваемого в этот слой от сжигания СО горелками 20 и 21. Одновременно твердофазное восстановленное железо подвергается плавлению в зоне 22, из которой оно(т.е. железо) под действием силы тяжести попадает в ванну-расплав 18. В частном примере выполнения способа в соответствии с вышеописанным предпочтительным вариантом и следующим расходом компонентов процесса железная руда из гематита 36 т/час известняк 5,5 т/час сырой доломит 2,8 т/час уголь 9,5 т/час кислород 5,0 т/час воздух 8 т/час- при расходе электроэнергии 10,5 МВт получалось жидкой стали - 21 т/час При этом концентрация углерода в ванне 18 жидкого металла составляла порядка 0,02 , а растворенного кислорода менее 800 частей на миллион. Предлагаемое изобретение позволяет работать с шихтой столь мелкого гранулометрического состава,с частицами столь небольшой крупности, которые в обычных условиях поддаются переработке только после предварительных операций окомкования(образования окатышей) и/или агломерирования. Возможны самые различные модификации предлагаемых способа и устройства для восстановления и плавки металлосодержащего соединения, не выходя за рамки формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ восстановления и плавки металлосодержащего соединения, включающий операцию загрузки шихты 15, содержащей смесь металлосодержащего соединения и соответствующего тонкоизмельченного восстановителя, в реакционную зону 11 индукционной печи 10 канального типа, в которой находится ванна 18 указанного металла в расплавленной форме, причем в ходе загрузки образуют, по меньшей мере, одну порцию 16, 17 шихты 15 над поверхностью ванны 18 расплава металла, отличающийся тем, что указанную шихту 15 загружают в печь 11 таким образом и с такой скоростью,что образуется сплошной слой 19 шихты 15, который может размещаться в виде слоя шихты над всей поверхностью ванны - расплава 18 и шлака 23, который может присутствовать в ванне, в результате 8960 чего в шихте 15 образуется реакционная зона для восстановления всего металлосодержащего соединения, а также образуется плавильная зона 22, располагающаяся под указанной реакционной металловосстановительной зоной, в которой происходит плавление всего восстановленного металла причем процесс контролируют для поддержания указанного сплошного слоя 19, преимущественно в течение всего процесса восстановления металлосодержащего соединения в твердой фазе. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шихту 15 загружают в реакционную зону 11 через пространственно распределенные загрузочные отверстия 13, 14 для образования смежно расположенных порций 16, 17 шихты 15 внутри печи 11, причем основания порций сливаются воедино, образуя указанный сплошной слой 19 шихты 15. 3. Способ по п.п. 1 или 2, отличающийся тем,что указанный сплошной слой 19 образуют посредством контроля над размерами порций 16, 17 шихты 15 внутри печи 10. 4. Способ по любому из п.п. 1-3, отличающийся тем, что образование указанного сплошного слоя 19 осуществляют посредством регулирования расположения отверстий 13, 14, через которые шихту 15 загружают в реакционную зону 11, и/или образование указанного сплошного слоя осуществляют путем контроля за числом таких загрузочных отверстий 13, 14 и скорости, с которой шихту 15 загружают через отверстия 13, 14, и/или путем контроля над уровнем расплавленного металла 18 в печи 10. 5. Способ по любому из п.п. 1-4, отличающийся тем, что указанный контроль над процессом осуществляют посредством контроля, по меньшей мере, одного из следующих параметров а) способа и скорости, с которой шихту 15 загружают в реакционную зону 11 б) зернистости шихты 15 в) степени гомогенности шихтовой смеси 15 г) скорости подачи тепла к реакционной зоне 11. 6. Способ по любому из п.п. 1-5, отличающийся тем, что шихта, загружаемая в печь, имеет размер частиц менее 10 мм, предпочтительно 6 мм,особенно предпочтительно 3 мм. 7. Способ по любому из п.п. 1-6, отличающийся тем, что окись углерода (СО), которая образуется в процессе восстановления содержащего металл соединения и которая проникает сквозь слой(слои) шихты, сжигают в печи над слоем (слоями) шихты для повышения температуры в печи. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что сжигание СО осуществляют с помощью кислородных и/или воздушных горелок 20, 21, расположенных в реакционной зоне 11 над шихтой 15. 9. Способ по любому из п.п. 1-8, отличающийся тем, что металлом указанного металлосодержащего соединения может быть один или несколько из нижеследующих элементов железо,хром, марганец, медь, цинк и свинец. 10. Способ по любому из п.п. 1-8, отличающийся тем, что металлом металлосодержащего соединения является железо. 11. Устройство для осуществления способа по любому из п.п. 1-10, включающее однокамерную индукционную печь 10 канального типа, для осуществления операций восстановления и плавления,причем печь имеет, по меньшей мере, одно отверстие 13, 14 для загрузки шихты 15 и, по меньшей мере, одно выходное отверстие для выгрузки расплавленного металлического продукта и/или шлака,образующегося в ходе реакции, отличающееся тем,что, по меньшей мере, одно загрузочное отверстие 12 расположено в такой точке и имеет такие размеры, что шихта, загружаемая через него, может распределяться во все стороны, образуя сплошной слой 19 надо всей поверхностью ванны расплавленного металла 18 и шлака, который может присутствовать в камере.