Способ получения металла восстановлением

 

Сущность: исходный порошковый материал терморазрушают путем его подачи в центральную часть плазменной восстановительной среды, материал подают в количестве, не меньшем стехиометрически требуемого для ее полного окисления, после чего в образовавшуюся смесь вводят углеводородсодержащий реагент, а после отделения отработанной газовой среды материал подают на дополнительное восстановление, причем отдельную газовую среду очищают и возвращают в процесс. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения восстановлением железа, молибдена, вольфрама и т.п. металлов из обогащенных газовосстановимых рудных материалов.

Известен способ получения металлов восстановлением, включающий подачу исходного порошкового материала в генерируемую плазменную восстановительную среду, ввод и превращение углеводородсодержащего реагента, отделение газовой отработанной среды и вывод металлического продукта из процесса. Плазменной восстановительной средой является плазменная дуга линейного электродугового нагревателя метановодородной смеси, которую вводят обычно более чем в 5-7-кратном избытке к стехиометрически необходимому количеству, требуемому для полного восстановления исходного материала. В качестве последнего используют оксиды металлов, например железа. Материал подают на стенки плазмотрона, расплавляют и восстанавливают на них, отводят в обогреваемую ванну расплава, а отработанную восстановительную газовую среду отделяют от расплава. В случае восстановления гематитового концентрата электро- и общие энергозатраты составляют не менее 2,64 кВтч и 16,0 МДж на 1 кг железа.

Задачей изобретения является снижение электрических и общих энергетических затрат.

Поставленная задача решается тем, что по способу получения металла восстановлением, включающему подачу исходного порошкового материала в генерируемую плазменную восстановительную среду, ввод и превращение углеводородсодержащего реагента, отделение отработанной газовой среды и вывод металлического продукта из процесса, исходный порошковый материал терморазрушают путем его подачи в центральную часть плазменной восстановительной среды, при этом материал подают в количестве, не меньшем стехиометрически требуемого для ее полного окисления (нейтрализации), после чего в образованную смесь вводят углеводородсодержащий реагент, а после отделения отработанной газовой среды материал подают на дополнительное восстановление, причем отделенную газовую среду очищают и возвращают в процесс.

Используемая операция терморазрушения материала путем его подачи в центральную часть восстановительной плазмы интенсифицирует процесс за счет повышения термонапряжений в частицах и степени диссоциации материала и необходима для осуществления способа, так как обеспечивает сохранение дисперсного состояния материала вследствие его удаления от ограждения плазмы. Новый относительный расход материала, во-первых, снижает электрические и общие энергозатраты в основном из-за уменьшения, обычно в 8-20 раз, относительного расхода плазмы, соответственно теплопотерь, во-вторых, необходим для способа вследствие обеспечения как сохранения новой дисперсности материала ввиду большего охлаждения (обычно до 1500-2500 К, когда терморазрушение прекращается) более загруженной плазмы, так и использования на 90-100% ее восстановительного потенциала, соответственно образования конвертирующей смеси из СО₂ и/или паров воды, частично восстановленного разрушенного материала и 0-10 об. остаточного восстановителя. Последующий ввод в такую смесь углеводородсодержащего реагента приводит к его конверсионному превращению, соответственно рекуперационному (за счет собственного тепла процесса) образованию восстановительного газа (СО и Н₂), что отвечает цели изобретения; кроме того, обеспечивается стабилизация высокой (обычно 5-25 м²/г) удельной поверхности разрушенного материала его охлаждением до температуры ниже температуры спекания и/или, при необходимости или получении металл-углеродных систем, науглероживания; более того, такая стабилизация обеспечивает низкотемпературное (обычно при 700.1100 К) и интенсивное (за менее чем несколько секунд) осуществление операции дополнительного восстановления, которая тем самым снижает электрические и общие энергозатраты. Последнему также служат отличительные операции очистки и возвращения в процесс отделенной газовой среды благодаря уменьшению энергозатрат на получение восстановителей.

Помимо того, исходный порошковый материал могут подавать в количестве, составляющем 150-600% от стехиометрически необходимого для полного окисления плазменной восстановительной среды. При значении ниже 150% образуется конвертирующая смесь с остаточным содержанием восстановителя свыше 0-5 об. повышенными температурой и содержанием газообразной среды, что увеличивает и науглероживание продукта из-за снижения степени последующей конверсии углеводородного вещества, и теплопотери, соответственно и энергозатраты; при избытке материала свыше 600% снижается степень терморазрушения материала из-за переохлаждения плазмы, соответственно уменьшается степень восстановления, что нерационально и в целом увеличивает энергозатраты. Данный наиболее целесообразный интервал расширится при создании и применении новых высокоэнтальпийных источников восстановительной плазмы.

Кроме того, в качестве углеводородсодержащего реагента могут использовать природный газ в смеси с водяным паром, а реагент могут подавать в количестве, составляющем 100-130% от стехиометрически необходимого для полного восстановления исходного материала. Исходя из условий осуществления способа, могут быть использованы и другие газообразные и/или жидкие, и/или парообразные углеводороды. Водяной пар или СО₂ применяют для снижения науглероживания металлического продукта и могут подавать отдельно. Стехиометрическая подача углеводородсодержащего реагента обеспечивает минимальные газопотребление и энергозатраты. Превышение стехиометрического расхода до 30% диктуется в основном неизбежными потерями восстановителей и/или обеспечением 0,2-2% науглероживания продукта. Превышение 30%-ного избытка практикуют, например, для получения металл-углеродных систем, а расход ниже стехиометрического при наличии внешнего источника СО и/или Н₂.

Кроме того, перед возвратом в процесс очищаемую газовую среду могут разделить на части, одну из которых направляют на дополнительное восстановление терморазрушенного материала, а другую в плазменную восстановительную среду (то есть, на ее образование). Это снижает общие энергозатраты и газопотребление, обеспечивает автономность процесса. При наличии внешнего источника дешевой окиси углерода и/или водорода указанное разделение могут не проводить.

Кроме того, очищенную газовую среду могут разделять на части, одна из которых содержит водородсодержащий газ, а другая окись углерода содержащий газ, при этом первую из них направляют на дополнительное восстановление (терморазрушенного материала), а другую в плазменную восстановительную среду. Это снижает науглероживание металлического продукта и энергозатраты на получение высокочистого металла.

Сущность способа иллюстрируется показанной на чертеже схемой и заключается в следующем.

Исходный порошковый материал терморазрушают путем его подачи по шихтопроводу 1 в центральную часть плазменной восстановительной среды 2. Материал подают в количестве, не меньшем требуемого по стехиометрии для его полного окисления. В образованную конвертирующую смесь вводят через коллектор 3 углеводородсодержащий реагент 4, превращая их в восстановительный газ. Имеющуюся газовую срезу 5 отделяют в технологическом объеме 6 от терморазрушенного материала, который подают на дополнительное восстановление в технологический объем 7, после чего выводят из процесса. Отделенную в технологическом объеме 6 газовую среду 5 подают в блок 8, где очищают и разделяют. Часть 9 очищенной среды подают в плазмогенераторный блок 10 на образование плазменной восстановительной среды 2, а часть 11 направляют через подогреватель 12 в объем 7 на дополнительное низкотемпературное восстановление разрушенного материала.

Газовую среду 5 в блоке 8 разделяют на окись углерода содержащий газ и водородсодержащий газ, причем часть 9 подают в плазменную среду, в часть 11 на довосстановление разрушенного материала в технологический объем 7. Отработанную в нем газовую среду 13, после вымывания влаги в блоке 14, возвращают в объем 7, а получаемый металлический продукт 15 выводят из процесса. Стационарный режим устанавливают с помощью автономных источников (не показаны) Н₂ и СО.

В прототипе операцию терморазрушения исходного материала не ведут и целенаправленно не используют.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с применением известных средств и устройств, например дугового и индукционного плазмотрона, последовательно установленных блоков рукавных металлотканых фильтров с системой регенерации встряхиванием, обратной продувкой и шнековыми выгружателями, магнитных осадительных, транспортирующих, удерживающих поверхностей (при получении магнитных материалов), отмывочных емкостей для очистки и разделения отработанной газовой среды. Сырьем служит, например, железорудный концентрат, трехокись вольфрама; размер исходных частиц составляет обычно 5.200 мкм. Сырье подают в плазмотронную и/или струйную плазму Н₂ и/или СО, и/или конверсированного углеводорода, исходя из условий осуществления способа. Материал подают в центральную часть плазмы, например, поперечно и вокруг ее течения через кольцевую щель транспортирующим газом. Отношение расходов сырья и плазмы оптимизируют обычно эмпирически, в частности по удельной поверхности продукта. Степень терморазрушения регулируют, например, вышеуказанным отношением и/или мощностью плазмотрона. Зарастание стенок отложениями предотвращают, например, использованием ламинарной плазменной струи. Углеводородный реагент вводят обычно поперечно и распределенно вокруг течения образованной конвертирующей смеси. Зону ввода и количество подмешиваемого пара выбирают в основном по изменению содержания углерода в металле. Для повышения регулирования процесса после ввода углеводородсодержащего реагента и его превращения в восстановительный газ предусматривают дополнительное охлаждение рабочей среды, например, оборотным восстановительным газом. Довосстановление регулируют, например, избытком восстановителя, числом ступеней его воздействия.

П р и м е р. Восстанавливают гематитовый концентрат с размером частиц 15. 44 мкм. Плазменную восстановительную среду 2 генерируют в двухструйном ламинарном плазмотроне 10 типа ПВД-2, работающем на смеси 9 из СО и H₂ (3 вес. ), которую предварительно получают в блоке 8. КПД плазмотрона 92% начальная среднемассовая температура плазмы 4600 К, количество подаваемого гематита составляет 250% от стехиометрически необходимого для полного окисления плазменной восстановительной среды. Углеводородсодержащий реагент 4 используют в виде смеси природного газа (94 вес. метана) и водяного пара (15 вес.) и подают из коллектора 3 с температурой 450 К в стехиометрически необходимом для полного восстановления сырья количестве. Газовую среду отделяют от разрушенного материала при температуре ниже его температуры спекания (770-950 К) и точки Кюри с помощью движущегося магнитного уловителя и после очистки от СО₂ и Н₂О разделяют на две части, содержащие водород не более чем с 10 вес. окиси углерода и окись углерода с 3 вес. водорода; частью II подпитывают оборотный восстановитель, используемый для довосстановления разрушенного материала, а часть 9 подают на генерацию плазменной среды. Материал довосстанавливают на твердой подложке при его магнитном удержании и перемещении в направлении вывода из процесса и обработке оборотным восстановительным газом, подаваемым распределенно вдоль движения материала с 7-кратным избытком к стехиометрии и с температурой 740-840 К, которую обеспечивают топливным нагревом в подогревателе 12.

Степень восстановления 97% содержание углерода в продукте 1,5% электрические и общие энергозатраты 1,1 кВтч. и 12,0 МДж на 1 кг железа.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить в 2,4 раза электроэнергозатраты и в 1,3 раза общие энергозатраты.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ВОССТАНОВЛЕНИЕМ, включающий подачу исходного порошкового материала в генерируемую плазменную восстановительную среду, ввод углеводородсодержащего реагента, отделение отработанной газовой среды и вывод металлического продукта из процесса, отличающийся тем, что исходный порошковый материал терморазрушают путем его подачи в центральную часть плазменной восстановительной среды, при этом материал подают в количестве, не меньшем стехиометрически требуемого для ее полного окисления, после чего в образовавшуюся смесь вводят углеводородсодержащий реагент, а после отделения отработанной газовой среды материал подают на дополнительное восстановление, причем отделенную газовую среду очищают и возвращают в процесс.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходный порошковый материал подают в количестве, составляющем 150-600% от стехиометрически необходимого для полного окисления плазменной восстановительной среды.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве углеводорсодержащего реагента используют природный газ в смеси с водяным паром и подают его в количестве, составляющем 100-130% стехиометрически необходимого для полного восстановления исходного материала.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что перед возвратом в процесс очищенную газовую среду разделяют на части, одну из которых направляют в зону дополнительного восстановления, а другую в плазменную восстановительную среду.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что очищенную газовую среду разделяют на части, одна из которых содержит водородсодержащий газ, а другая - газ, содержащий окись углерода, при этом первый из них направляют в зону дополнительного восстановления, а другая в плазменную восстановительную среду.

РИСУНКИ

Рисунок 1