Способ получения металлов и металлических сплавов и устройство для его осуществления

(51)6 21 13/14, 22 1/00, 5/12, 5/18 НАЦИОНАЛЬНОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(73) Технолоджикал Ресоусиз Пти Лимитед(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Описан способ получения металлов и металлических сплавов из оксидов металла. Способ включает операции частичного предварительного восстановления оксидов металла до степени предварительного восстановления, по меньшей мере,60 на одной или более стадиях предварительного восстановления. После чего, согласно способу, осуществляют полное восстановление оксидов металла и плавление металла на стадии восстановления плавлением. Способ отличается выполнением, по меньшей мере, одной стадии предварительного восстановления с одним или более из следующих элементов - природный газ, природный конверсированный газ и природный частично конверсированный газ, в качестве источника восстановителя. 9349 Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения металлов и металлических сплавов, и в частности, хотя и не исключительно,железа и его сплавов, из оксидов металла, например,руд и частично восстановленных руд, которые основаны на использовании металлургической печи с ванной расплава. Известны способы плавления железной руды и частично восстановленной железной руды, которые основаны на использовании металлургической печи(часто упоминаемой как печь для восстановления плавлением), содержащей ванну расплавленных металла и шлака. В общем случае, известные способы требуют введения в ванну расплава углеродного материала в качестве источника восстановителя и тепловой энергии. Углеродный материал может быть в твердой форме, например уголь, или в газообразной форме,например природный газ. Патент Австралии 649,402, озаглавленный Плавление предварительно восстановленного оксида железа, полученный на имя Цюрихского отделения компании, Роттердам,описывает способ плавления железной руды и частично востановленной железной руды, который основан на введении природного газа в находящуюся в металлургической печи ванну расплава. Задачей изобретения является усовершенствование описанного в австралийском патенте 649,402 способа плавления железной руды и частично восстановленной железной руды. Согласно изобретению, предлагается способ получения металлов и металлических сплавов из оксидов металла, включающий операции частичного предварительного восстановления оксидов металла до степени предварительного восстановления, по меньшей мере, 60 на одной или более стадиях предварительного восстановления и последующего полного восстановления оксидов металла и плавления металла на стадии восстановления плавлением,с использованием, по крайней мере, на одной из стадий предварительного востановления в качестве источника восстановителя одного или более из следующих компонентов - природного газа, природного конверсированного газа, природного частично конверсированного газа. Настоящее изобретение основано отчасти на том,что использование одного или более из следующих компонентов - природного газа, природного конверсированного газа и природного частично конверсированного газа, на стадии предварительного восстановления, применяемых в способе плавления железной руды или частично восстановленной железной руды, делает возможным более эффективное и рациональное использование природного газа по сравнению со способом, описанным в патенте 649,402, который основан на использовании природного газа только на стадии восстановления плавлением. Предпочтительно, чтобы на стадии (стадиях) предварительного восстановления проводилось предварительное восстановление оксидов металла до степени предварительного восстановления, по меньшей мере, 70 . Более предпочтительно, чтобы на стадии (стадиях) предварительного восстановления проводилось предварительное восстановление оксидов металла до степени предварительного восстановления, по меньшей мере, 80 . Наиболее предпочтительно, чтобы на стадии(стадиях) предварительного восстановления проводилось предварительное восстановление оксидов металла до степени предварительного восстановления, по меньшей мере, 90 . Предпочтительно, чтобы на стадии или каждой из стадий предварительного восстановления подавался избыток одного или более из следующих компонентов - природного газа, природного конверсированного газа и природного частично конверсированного газа, для производства твердого углеродного продукта, в типичном случае сажи, и/или твердого углеродсодержащего продукта, например, карбида железа. Особенно предпочтительно, чтобы твердый углеродный продукт и/или твердый углеродсодержащий продукт подавались на стадию восстановления плавлением. Предпочтительно, чтобы стадия восстановления плавлением проводилась в металлургической печи,включающей ванну расплава, содержащую металл и шлак. Особенно предпочтительно, чтобы ванна расплава содержала слой металла и слой шлака. Предпочтительно, чтобы металлургическая печь представляла собой печь для восстановления плавлением, которая включает нижние и/или боковые фурмы/трубки и/или верхние фурмы/трубки, и чтобы способ включал введение твердого и/или газообразного углеродсодержащего материала в ванну расплава через фурмы/трубки. Предпочтительно, чтобы твердый углеродный материал, вводимый в ванну расплава, представлял собой твердый углеродный продукт и/или твердый углеродсодержащий продукт со стадии (стадий) предварительного восстановления, выполняемой с использованием природного газа. Предпочтительно, чтобы газообразный углеродсодержащий материал был природным газом. Особенно предпочтительно, чтобы печь для восстановления плавлением включала одну или более фурм/трубок для введения частично восстановленных оксидов металла со стадией предварительного восстановления в ванну расплава и одну или более фурм/трубок для введения газа, содержащего кислород, в пространство над поверхностью ванны расплава для последующего сжигания или сгорания химически активных газов, например, СО и Н 2 , выделившихся из ванны расплава. 9349 Более предпочтительно, чтобы воздух представлял собой кислородсодержащий газ, вводимый в печь для восстановления плавлением на стадии . Наиболее предпочтительно, чтобы воздух предварительно нагревался до температуры, по меньшей мере, 1000 С. Предпочтительно, чтобы имелось две стадии предварительного восстановления. В такой ситуации особенно предпочтительно,чтобы на первой стадии предварительного восстановления оксиды металла предварительно восстанавливались до степени предварительного восстановления, по меньшей мере, 11 , а на второй стадии предварительного восстановления частично восстановленные оксиды металла с первой стадии восстанавливались до заданной степени предварительного восстановления. Предпочтительно, чтобы отходящий газ, который выходит из печи для восстановления плавлением,был источником восстановителя на первой стадии предварительного восстановления. В другом случае, предпочтительно, чтобы отходящий газ со второй стадии предварительного восстановления был источником восстановителя на первой стадии предварительного восстановления. Предпочтительно, чтобы один или более из следующих компонентов - природный газ, природный конверсированный газ и природный частично конверсированный газ, был источником восстановителя на второй стадии предварительного восстановления. Оксиды металла могут быть в любой подходящей форме. Например, они могут быть в форме руды, а руда, в свою очередь, может быть крупнокусковой или мелкодробленной. Предпочтительно, чтобы оксиды металла были оксидами железа. Согласно изобретению, предлагается также устройство для производства металлов и металлических сплавов из оксидов металла, которое включает одну или более печей для предварительного восстановления оксидов металла на, по крайней мере, двух стадиях с целью производства предварительно восстановленных оксидов металла, имеющих степень предварительного восстановления, по меньшей мере, 60 , предпочтительно, по меньшей мере, 70 , более предпочтительно, по меньшей мере 80 , обычно, по меньшей мере, 90 , причем,по меньшей мере, одна из печей предварительного восстановления включает средства для введения одного или более из следующих компонентов - природного газа, природного конверсированного газа и природного частично конверсированного газа, в печь для использования в качестве восстановителя,и металлургическую печь для полного восстановления частично восстановленных оксидов металла и последующего плавления металла, причем металлургическая печь приспособлена для приема ванны расплавленных металла и шлака. Ниже изобретение описывается более подробно на примере выполнения, показанного на чертеже,который представляет собой показанный схематично технологический процесс, отражающий предпочтительный вариант выполнения способа и устройства согласно изобретению. Описание предпочтительного варианта изобретения связано с получением железа из железной руды Однако этот предпочтительный вариант в равной степени применим к получению металлов из других оксидов металла. Со ссылкой на схему технологического процесса,согласно предпочтительному варианту железную руду частично восстанавливают на двух последовательных стадиях в первой и второй печи 3, 5 для предварительного восстановления до заданной степени предварительного восстановления,после чего частично восстановленную железную руду полностью восстанавливают и плавят в печи 7 для восстановления плавлением. Железная руда может быть любой подходящей формы, например, крупнокусковой или мелкодробленной. Печи 3, 5 для предварительного восстановления могут быть любого подходящего типа, например,шахтные печи или печи с использованием псевдоожиженного слоя. Источник восстановителя для первой печи 3 предварительного восстановления включает химически активные газы из печи 7 для восстановления плавлением. Рабочие параметры первой печи 3 предварительного восстановления выбираются с целью предварительного восстановления железной руды до первоначальной, относительно низкой степени предварительного восстановления, обычно порядка, по меньшей мере, 11 . Источник восстановителя для второй печи 5 предварительного восстановления включает природный газ. Во второй печи 5 предварительного восстановления природный газ конверсируется с образованием восстановителей - моноокиси углерода и водорода. Рабочие параметры второй печи 5 для предварительного восстановления выбираются таким образом, чтобы далее произвести предварительное восстановление частично восстановленных оксидов железа из первой печи 3 предварительного восстановления до заданной степени предварительного восстановления, обычно порядка, по меньшей мере,90 . Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения изобретения, во вторую печь 5 предварительного восстановления подается избыток природного газа, и избыточный газ активизирует реакцию моноокиси углерода с образованием сажи и двуокиси углерода. Сажа выходит из второй печи 5 предварительного восстановления вместе с отходящими газами и,3 9349 после отделения от отходящих газов, переносится в печь 7 для восстановления плавлением для науглероживания железа в ванне расплава и для ее использования в качестве источника восстановителя и топлива. Печь 7 для восстановления плавлением может иметь любую подходящую форму. Печь 7 для восстановления плавлением сконструирована, предпочтительно, таким образом, чтобы принимать ванну расплавленного металла и шлака и включает нижние или боковые фурмы/трубки для введения твердого и/или газообразного углеродного материала в ванну расплава для науглероживания железа в ванне и использования в качестве источника восстановителя и тепловой энергии верхние фурмы/трубки для введения частично восстановленной железной руды из печи 5 предварительного восстановления в ванну расплава из пространства над поверхностью ванны, и верхние фурмы/трубки для введения струи горячего воздуха, в типичном случае при температуре более 1000 С, в пространство над поверхностью ванны расплава для последующего сжигания химически активных газов, например, моноокиси углерода и водорода, выходящих из ванны расплава. Конфигурация печи 7 для восстановления плавлением, включая расположение фурм/трубок, и рабочие параметры способа выбираются таким образом, чтобы в пространстве над поверхностью ванны расплава образовалась переходная зона, в которой происходит подъем и опускание капель или брызг расплавленного металла и шлака, которые смешиваются с химически активными газами из ванны расплава, поданным сверху горячим воздухом и химически активными газами, образованными после сгорания. Задачей переходной зоны является облегчение эффективного переноса в ванну расплава тепла, выделяемого из ванны расплава химически активными газами, образованными после сгорания. Переходная зона может быть образована любыми подходящими средствами. Например, переходная зона может быть образована введением подходящего газа, например, инертного газа, через дно печи 7 для восстановления плавлением для вызова выброса капель или брызг расплавленного металла и шлака из ванны в пространство над ее поверхностью. В другом случае, переходная зона может быть образована контролируемым введением транспортирующего газа и частично восстановленной железной руды и/или других подходящих твердых материалов, например, флюсов и/или шлакообразующих агентов в ванну расплава через область на стороне печи 7 для восстановления плавлением, которая контактирует с ванной и/или из пространства над поверхностью ванны. Вышеописанный предпочтительный вариант имеет ряд важных особенностей, включая приведенные ниже. 1. Во многих регионах природный газ легко доступен и недорог, и, соответственно, в этих регионах способ производства железа из железной руды с использованием природного газа имеет экономические преимущества. 2. Выбор относительно высоких уровней предварительного восстановления железной руды в печах 3, 5 предварительного восстановления минимизирует степень восстановления, которая требуется в печи 7 для восстановления плавлением, до уровней, при которых становится целесообразным использовать в печи 7 для восстановления плавлением природный газ. Это замечание сделано в связи с тем, что большие количества природного газа, которые потребовались бы для достижения относительно высоких уровней восстановления в печи 7 для восстановления плавлением, обусловили бы его работу с относительно низкой производительностью. В предпочтительном варианте описанных выше со ссылкой на чертеж способа и устройства могут быть сделаны различные изменения, которые, однако, не должны выходить за пределы сущности и объема изобретения Например, хотя предпочтительный вариант изобретения включает использование двух печей 3, 5 предварительного восстановления, изобретение не ограничивается данной схемой и можно использовать одну, три или более печей предварительного восстановления. Далее, хотя одним из источников для печи 5 предварительного восстановления в предпочтительном варианте является природный газ, изобретение этим не ограничивается и можно использовать природный конверсированный газ и природный частично конверсированный газ. Более того, хотя предпочтительный вариант изобретения включает подачу избытка природного газа для образования сажи, изобретение этим не ограничивается и при его реализации может образоваться любой другой твердый углеродный продукт и/или твердый углеродсодержащий продукт, например,карбид железа. Далее, хотя предпочтительный вариант изобретения включает выход сажи из второй печи 5 предварительного восстановления вместе с отходящим газом и отделение сажи от отходящего газа, а также последующую подачу сажи в печь 7 для восстановления плавлением, изобретение этим не ограничивается и можно использовать другие схемы. Например,сажа (или любой другой твердый углеродный продукт или любой углеродсодержащий продукт), образованная во второй печи 5 предварительного восстановления может подаваться непосредственно в печь 7 для восстановления плавлением с частично восстановленной железной рудой. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 9349 1. Способ получения металлов и металлических сплавов из оксидов металла, включающий операции частичного предварительного восстановления оксидов металла в твердом состоянии до степени предварительного восстановления, по меньшей мере,60 , на одной или более стадий предварительного восстановления и последующего плавления и восстановления оксидов металла до металла на стадии восстановления плавлением, отличающийся тем,что, по меньшей мере, одну стадию предварительного восстановления выполняют с одним или более из следующих компонентов - природный газ, природный конверсированный газ и природный частично конверсированный газ, которые конверсируют с образованием восстановителей. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что степень предварительного восстановления составляет,по меньшей мере, 70 . 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что степень предварительного восстановления составляет,по меньшей мере, 80 . 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что степень предварительного восстановления составляет,по меньшей мере, 90 . 5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что включает подачу избытка одного или более из следующих компонентов - природного газа, природного конверсированного газа и природного частично конверсированного газа, на стадии или каждой из стадий предварительного восстановления для производства твердого углеродного продукта, например,сажи и/или твердого углеродсодержащего продукта,например, карбида железа и подачу твердого углеродного продукта и/или твердого углеродсодержащего продукта на стадию восстановления плавлением. 6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что выполнение стадии восстановления плавлением проводят в металлургической печи, содержащей ванну расплавленного металла и шлака. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что вводят твердый и/или газообразный углеродсодержащий материал в ванну расплавленного металла че рез фурмы/трубки. 8. Способ по пп. 1-7, отличающийся тем, что включает предварительное восстановление оксидов металла на первой стадии предварительного восстановления до степени, по меньшей мере, 11 и предварительное восстановление частично восстановленных оксидов металла с первой стадии предварительного восстановления до требуемой степени предварительного восстановления на второй стадии предварительного восстановления. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что осуществляют подачу отходящего газа, который производится на стадии восстановления плавлением, как источника восстановителя, на первую стадию предварительного восстановления. 10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что осуществляют подачу отходящего газа, получаемого на второй стадии предварительного восстановления,как источника восстановителя, на первую стадию предварительного восстановления. 11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что один или более из следующих компонентов - природный газ, природный конверсированный газ и природный частично конверсированный газ, используют в качестве источника восстановителя на второй стадии предварительного восстановления. 12. Устройство для получения металлов или металлических сплавов из оксидов металлов, содержащее металлургическую печь с ванной расплавленного металла и шлака, отличающееся тем, что включает одну или более печей предварительного восстановления оксидов металла на, по меньшей мере,двух стадиях получения предварительно восстановленных оксидов металла, причем одна из печей предварительного восстановления включает средства для введения одного или более из следующих компонентов - природного газа, природного конверсированного газа и природного частично конверсированного газа, и печь для полного восстановления частично восстановленных оксидов металла и последующего плавления металла, причем печь приспособлена для приема ванны расплавленного металла и шлака.