Способ получения металлов и металлических сплавов

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения расплавленного металла (термин, который включает металлические сплавы) из содержащего металлы сырья при использовании электрической энергии.

Настоящее изобретение, относится в частности, хотя это не означает, что исключительно, к получению чугуна, стали и ферросплавов в электрической печи.

Термин "электрическая печь", как его здесь понимают, включает в себя любую печь, в которой целиком или частично используют электрический ток для нагрева сырья, содержащего металлы.

Например, термин "электрическая печь" включает в себя общеизвестные работающие на переменном и постоянном токе электродуговые печи, обычно используемые в сталеплавильном производстве, печи с закрытой дугой, обычно используемые при производстве ферросплавов и чушкового чугуна, и индукционные печи, обычно используемые при плавлении металлических отходов.

Цель настоящего изобретения состоит в создании усовершенствованного способа и устройства для получения расплавленного металла из содержащего металл сырья в электрической печи.

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ получения металла из содержащего металл сырьевого материала в электрической печи, включающий этапы:

(a) образования в печи ванны расплава, имеющего слой металла и слой шлака над слоем металла;

(b) подачи электрической энергии в печь и превращения ее в тепловую энергию и обеспечения таким образом потребностей процесса в тепловой энергии;

(c) введения газа-носителя и твердого содержащего углерод материала в ванну расплава через одно или более, чем одно, сопло/фурму;

(d) активирования выброса расплавленного материала из ванны расплава в виде всплесков, капель и струй в пространство над номинально спокойной поверхностью ванны расплава и образования переходной зоны и

(e) введения содержащего кислород газа в печь через одно или более, чем одно, сопло/фурму и последующего сжигания реакционных газов, выпускаемых из ванны расплава, что обеспечивает тем самым потребности процесса в тепловой энергии.

Термин "металлический слой", как его понимают здесь, означает область в ванне расплава, в которой в основном находится металл.

Термин "шлаковый слой″, как его понимают здесь, означает область ванны расплава, в которой находится главным образом шлак.

Термин "переходная зона", как его понимают здесь, означает зону над номинально спокойной поверхностью ванны расплава, в которой происходит выброс вверх, а затем падение вниз капель или всплесков расплавленного материала.

Термин "спокойная поверхность" в контексте ванны расплава, как его понимают здесь, означает поверхность ванны расплава в условиях процесса, при которых не производят введения газа/твердых материалов, и поэтому в ванне отсутствует перемешивание.

Этап (а) образования ванны расплава может включать подачу в печь исходной твердой шихты содержащего металл сырьевого материала и плавление, по меньшей мере, части шихты за счет тепловой энергии, генерируемой при подаче в печь электрической энергии.

Как вариант, этап (а) может включать подачу в печь содержащего металл сырьевого материала в расплавленной форме и образование тем самым ванны расплава.

В любой из ситуаций, описанных в двух предыдущих параграфах, способ может включать введение в печь дополнительного содержащего металл сырьевого материала на более позднем этапе процесса.

Переходная зона является эффективной областью для последующего сжигания в ней реакционных газов. Кроме того, движение капель, всплесков и струй расплавленного материала между ванной и переходной зоной является эффективным средством передачи в ванну расплава тепла, выделяемого при последующем сгорании реакционных газов. Помимо этого расплавленный материал, а особенно шлак, в переходной зоне является эффективным средством сведения к минимуму потерь тепла излучением через боковые стенки печи в контакте с переходной зоной.

Переходная зона совершенно отличается от шлакового слоя. Чтобы было понятно, при стабильных условиях работы процесса шлаковый слой содержит пузырьки газа в объеме сплошной жидкости, тогда как в переходной зоне содержатся всплески, капли и струи расплавленного материала в сплошной газовой фазе. Более конкретно переходная зона не является вспененной шлаковой средой и таким образом абсолютно отличается от зоны, которая обычно образуется в электродуговых печах обычного типа в результате кипения углерода и образования пены из частиц шлака в этих печах.

В случае, когда в электропечи находятся электроды, введенные в печь для передачи в нее электрической энергии, предпочтительно, чтобы способ включал образование на электродах защитного слоя расплавленного материала.

Предпочтительно, в частности, чтобы защитное покрытие на электродах образовывали всплески, капли и струи расплавленного материала, выбрасываемые из ванны расплава на этапе (d).

Реакционные газы, выделяемые из ванны расплава, могут содержать любые приемлемые горючие газы, такие как СО и H₂

Последующее сжигание (дожигание) реакционных газов и передача энергии в ванну расплава в соответствии с настоящим изобретением дополняет потребности процесса в тепловой энергии и тем самым снижает потребности печи в электрической энергии.

Степень дожигания газов предпочтительно составляет по меньшей мере 40%, более предпочтительно, по меньшей мере 60%, где дожигание газов определяют как:

где [СО₂] = объем СО₂ в процентах в отходящем газе;

[Н₂О] = объем Н₂О в процентах в отходящем газе;

[СО] = объем СО в процентах в отходящем газе;

[H₂] = объем Н₂ в процентах в отходящем газе.

Введение газа-носителя и твердого содержащего углерод материала в ванну расплава и введение в печь содержащего кислород газа согласно изобретению обеспечивает перемешивание компонентов в ванне расплава и в переходной зоне, а также в других зонах газового пространства над ванной расплава, что способствует ускорению необходимых для процесса химических реакций.

В зависимости от конечного продукта, подлежащего получению в процессе, в ванну расплава наряду с твердым содержащим углерод материалом можно вводить другие твердые материалы.

Например, когда способ относится к получению чугуна, в ванну расплава вместе с газом-носителем и содержащим углерод материалом могут быть введены содержащий железо сырьевой материал в форме железной руды и/или частично восстановленной железной руды, шлакообразующие агенты и флюсы.

В еще одном примере, когда способ относится к получению стали, в ванну расплава вместе с газом-носителем и содержащим углерод материалом могут быть введены содержащий железо сырьевой материал в форме стального скрапа, чушкового чугуна, отходов сталеплавильного производства и другого содержащего железо сырья, шлакообразующие агенты и флюсы.

В конкретном примере, когда способ относится к производству стали из железной руды и/или частично восстановленной железной руды, завершающие этапы способа могут включать прекращение введения твердого содержащего углерод материала в ванну расплава, чтобы облегчить регулирование концентрации углерода в ванне расплава для получения требуемого состава стали.

Предпочтительно, чтобы в металлический слой ванны расплава вводились газ-носитель и твердый содержащий углерод материал и необязательно другие твердофазные материалы.

Предпочтительно, в частности, чтобы переходная зона в ванне расплава была образована путем введения газа-носителя, твердого содержащего углерод материала и необязательно других твердофазных материалов через одно или более, чем одно, сопло/фурму, расположенное над слоем металла ванны расплава и проходящее в направлении сверху вниз.

Предпочтительно, чтобы одно или более, чем одно, сопло/фурма было расположено под углом от 30 до 60° относительно вертикали.

Предпочтительно, в частности, чтобы угол составлял от 20 до 60°.

Предпочтительно, чтобы сопла/фурмы были убирающимися.

Предпочтительно, чтобы введение в ванну расплава газано-сителя и твердого содержащего углерод материала и необязательно других твердофазных материалов было достаточным, чтобы вызвать выброс расплавленного материала в пространство над ванной расплава в форме фонтанирования.

Содержащий металл сырьевой материал может быть в любой подходящей форме, такой как окомкованные гранулы и мелкие частицы.

Содержащий металл сырьевой материал может быть предварительно нагрет.

Газ-носитель может быть любым подходящим газом-носителем.

Предпочтительно, чтобы газ-носитель был газом, практически не содержащим кислорода.

Предпочтительно, чтобы газ-носитель содержал азот.

Содержащий кислород газ может быть любым подходящим газом.

Например, когда способ относится к получению чугуна из железной руды и/или частично восстановленной железной руды, содержащим кислород газом может быть воздух или обогащенный кислородом воздух.

В этом случае предпочтительно, в частности, чтобы воздух был предварительно нагрет.

Предпочтительно, чтобы расположение и рабочие параметры одного или более, чем одного, сопла/фурмы, через которые вводят содержащий кислород газ, и рабочие параметры, которые обеспечивают регулирование переходной зоны, выбирали так, чтобы:

(a) содержащий кислород газ поступал в направлении переходной зоны и проникал в нее;

(b) поток содержащего кислород газа отклонял всплески, капли и струи расплавленного материала так, чтобы фактически:

(i) переходная зона простиралась вверх вокруг нижней части одного или более, чем одного, сопла/фурмы; и

(ii) вокруг конца одного или более, чем одного, сопла/ фурмы было образовано сплошное газовое пространство, называемое "свободным пространством".

Образование свободного пространства является важной особенностью, поскольку оно дает возможность реакционным газам в верхнем пространстве печи проходить в область конца одного или более, чем одного, сопла/фурмы и сгорать после этого в данной области. В этом контексте термин "свободное пространство", как его понимают здесь, означает пространство, которое практически не содержит металла и шлака.

В соответствии с настоящим изобретением, разработана также электрическая печь для получения металлов и металлических сплавов из содержащего металл сырья, включающая:

(a) средство введения газа-носителя и твердого содержащего углерод материала в ванну расплавленного металла и шлака в печи из места выше ванны расплава и/или через участок боковой стенки печи для введения их в контакт с ванной расплава и обеспечения проникновения твердого материала в ванну расплава, а также чтобы прямо или косвенно вызвать выброс расплавленного материала (который включает металл и/или шлак) в пространство над спокойной поверхностью ванны расплава для образования переходной зоны; и

(b) средство введения содержащего кислород газа в пространство над поверхностью ванны расплава, в котором происходит последующее сгорание реакционных газов, выпускаемых из ванны расплава.

Настоящее изобретение далее описано посредством примера, со ссылкой на прилагаемый чертеж, который представляет собой вертикальный разрез предпочтительного варианта электрической печи в соответствии с настоящим изобретением для выполнения предпочтительного варианта способа согласно изобретению.

Следующее далее описание дано в контексте плавления железной руды для получения расплавленного чугуна. Должно быть понятно, что настоящее изобретение не ограничено этим применением, а может быть использовано в целом для получения металлов и металлических сплавов, таких как сталь и ферросплавы, из содержащего металл сырья.

Показанная на чертеже печь представляет собой электродуговую печь прямого нагрева, работающую на переменном токе, с тремя электродами 12, проходящими в печи сверху вниз. Электроды 12 присоединены к источнику переменного тока (не показан).

При запуске процесса в печь загружают исходную шихту, состоящую из железной руды и/или частично восстановленной железной руды, твердого содержащего углерод материала, такого как уголь, образующих шлак агентов и флюсов. Количество шихты и положение электродов 12 выбирают так, чтобы концы электродов 12 были погружены в шихту. Печь работает так, что между электродами 12 и шихтой возникают электрические дуги. В верхней части шихты может находиться подходящий материал с высокой электропроводностью для облегчения зажигания и установления стабильных дуг.

Дуги выделяют значительную тепловую энергию, которая обеспечивает плавление шихты, а также поддержание ванны 9 расплава, показанной на чертеже. Ванна расплава содержит металлический слой (не показан) и шлаковый слой (не показан) над слоем металла.

Железная руда в шихте и железная руда, которую впоследствии добавляют в печь, постепенно плавятся с образованием расплавленного чугуна, который составляет часть ванны расплава. Расплавленный чугун периодически выпускают из печи.

Содержащий углерод материал в металлической шихте и содержащий углерод материал, который впоследствии добавляют в печь 3, действует как восстановитель и источник энергии.

Печь включает металлический кожух и футеровку из огнеупорного материала и охлаждаемую водой обшивку, которые предназначены для того, чтобы вмещать металлическую шихту, включая ванну расплава. Печь содержит основание 4, цилиндрическую боковую стенку 6, свод 20 и выпускной патрубок 8 для отходящего газа. Охлаждаемая водой обшивка может иметь любую подходящую конфигурацию. Например, охлаждаемая водой обшивка может быть такого типа, как описанный в заявке на Международный патент PCT/AU 99/00537, от имени заявителя настоящего изобретения.

Кроме того, печь содержит единственное сопло/фурму 5, проходящее в печь сквозь боковую стенку в положении, при котором в процессе использования открытый конец сопла/фурмы 5 находится на небольшом расстоянии выше номинально спокойной поверхности металлического слоя в ванне расплава 9. Сопло/фурма 5 расположено наклонно книзу в направлении поверхности ванны 9 расплава под углом от 10 до 70° относительно вертикали.

Печь кроме того содержит убирающееся сопло/фурму 10, проходящее в печь через свод 20, как правило, вертикально.

При использовании после этапа запуска процесса в печи находится ванна расплава 9, содержащий углерод материал и железная руда и/или частично восстановленная железная руда, которым для продолжения процесса требуется введение азота (или любого другого подходящего газа-носителя), который вводят через сопло/фурму 5 в металлический слой ванны расплава 9. Кинетическая энергия твердофазного материала/газа-носителя обеспечивает проникновение твердофазного материала и газа в металлический слой. Из угля высвобождаются летучие компоненты и тем самым образуют газ в металлическом слое. Углерод частично растворяется в металле, а частично остается в виде твердого углерода. Железная руда плавится с образованием металла, и в процессе реакции плавления выделяется окись углерода. Газы, которые попадают в металлический слой, и те газы, что образуются при высвобождении летучих веществ и при плавлении, придают значительную подъемную силу расплавленному металлу, твердому углероду и шлаку (втянутому в металлический слой при вводе твердых веществ/газа) в металлическом слое, что вызывает выброс вверх всплесков, капель и струй расплавленного металла и шлака. Эти всплески, капли и струи захватывают шлак по мере того, как проходят сквозь шлаковый слой ванны расплава.

Подъем вверх расплавленного металла, твердого углерода и шлака вызывает значительное перемешивание металлического слоя и шлакового слоя, в результате чего шлаковый слой увеличивается в объеме. Степень перемешивания такова, что это приводит к установлению умеренно однородной температуры в этих областях, как правило, 1450-1550°С, при колебании температуры в каждой области порядка 30°С.

Кроме того, происходит выброс в верхнее пространство 14 над ванной расплава 9 всплесков, капель и струй расплавленного металла и шлака, вызванный подъемной силой расплавленного металла, твердого углерода и шлака, что образует переходную зону 26.

Шлаковый слой в общих понятиях представляет собой сплошной объем жидкости с находящимися в ней газовыми пузырьками, а переходная зона представляет собой сплошной объем газа с всплесками, каплями и струями расплавленного металла и шлака.

Подходящий содержащий кислород газ, такой как нагретый воздух или обогащенный кислородом воздух, вводят в печь через верхнее сопло/фурму 10. Положение сопла/фурмы 10 и скорость подачи газа через сопло/фурму 10 выбирают так, чтобы содержащий кислород газ проникал в центральную область переходной зоны 26 и поддерживал фактически свободное от металла/шлака пространство 25 вокруг конца сопла 10.

Ввод содержащего кислород газа через сопло/фурму 10 обеспечивает последующее сжигание реакционных газов СО и H₂ в переходной зоне 26 и в свободном пространстве 25 вокруг конца сопла 10 и генерирование в газовом пространстве высоких температур порядка 2000°С и выше. Тепло передается поднимающимся и опускающимся всплескам, каплям и струям расплавленного материала в области введения газа, а затем частично передается в металлический слой, когда металл/шлак возвращаются в металлический слой.

Свободное пространство 25 важно для достижения высокой степени последующего сжигания газов (а именно более 40%), благодаря возможности поступления газов в пространство выше переходной зоны 26 в область конца сопла/фурмы 10 и увеличения тем самым присутствия имеющихся там реакционных газов при последующем сжигании.

Комбинированное действие положения сопла/фурмы 10, скорости подачи газа через сопло/фурму 10 и выброса вверх всплесков, капель и струй расплавленного металла и шлака формирует переходную зону 26 вокруг нижней области сопла/фурмы 10. Эта сформированная область частично обеспечивает преграду для передачи тепла излучением к боковой стенке 6.

Кроме того, поднимающиеся и опускающиеся капли, всплески и струи металла и шлака являются эффективным средством передачи тепла из переходной зоны 26 в ванну расплава, в результате чего температура переходной зоны 26 в области боковой стенки 6 имеет тот же порядок, что и температура ванны расплава.

Целью введения содержащего кислород газа через сопло/фурму 10 является последующее сжигание реакционных газов, таких как СО и H₂, которые выходят из ванны расплава 9 в пространство 14, иначе их пришлось бы выпускать из печи через патрубок 8 для выпуска газа до основного дожигания более чем 40%.

Тепловая энергия, выделенная в процессе реакций дожигания газов, передается расплавленному материалу в переходной зоне 26 и таким образом поступает в ванну расплава 9, когда после выброса из ванны расплава всплески, струи и капели возвращаются в ванну расплава 9.

Тепловая энергия, передаваемая в ванну расплава 9 в результате дожигания реакционных газов, снижает потребность процесса в электрической энергии.

В описанных выше предпочтительных вариантах способа и устройства согласно изобретению можно предпринять изменения без отклонения от существа и объема изобретения.

Например, хотя предпочтительный вариант включает сопло/ фурму 10, которое проходит вертикально через свод 20, настоящее изобретение не ограничено этим и включает наличие одного или более одного сопла/фурмы для введения содержащего кислород газа, проходящего через боковую стенку 6 печи.

Хотя в заявке описан предпочтительный вариант на примере использования железной руды для получения расплавленного чугуна, изобретение не ограничивается этим применением и может использоваться главным образом для получения металлов и сплавов, таких как сталь и ферросплавы.

Что касается конкретного примера, то когда способ согласно изобретению относится к получению стали из сырьевого материала с высоким содержанием железа, такого как чугун горячего дутья (ЧГД), предпочтительно, чтобы процедура пуска включала подачу в печь твердой шихты из содержащего металл сырьевого материала и частичное плавление шихты за счет тепловой энергии, выделяемой электрическими дугами между электродами 12 и твердой шихтой, и, таким образом образование ванны расплава. Затем, после того, как ванна расплава образуется в достаточном количестве, способ предусматривает введение в ванну расплава через сопло/фурму 5 газа-носителя и твердого содержащего углерод материала и образование переходной зоны, а также введение в печь через сопло/фурму 10 содержащего кислород газа и последующее сжигание реакционных газов, выпускаемых из ванны расплава. Комбинированное действие тепла, генерируемого электрической энергией и последующим сжиганием газов, обеспечивает плавление остальной твердой шихты. После плавления остальной шихты способ предусматривает прекращение ввода в ванну расплава содержащего углерод материала и введения после этого содержащего кислород материала (таких как железная руда, частично восстановленная железная руда или содержащий кислород газ) для снижения содержания углерода до такого уровня, который требуется в составе стали.

1. Способ получения металлов из содержащего металл сырьевого материала в электрической печи, включающий образование в печи ванны расплава, имеющей слой металла и слой шлака над слоем металла, подачу электрической энергии в печь и превращение электрической энергии в тепловую энергию и тем самым обеспечение потребностей процесса в тепловой энергии, введение газа-носителя и твердого содержащего углерод материала в металлический слой ванны расплава через одно или более чем одно сопло/фурму для ввода твердого сырья, активирование выброса расплавленного материала из ванны расплава в виде всплесков, капель и струй в пространство над номинально спокойной поверхностью ванны расплава и образование переходной зоны, введение содержащего кислород газа в печь через одно или более чем одно сопло/фурму для ввода содержащего кислород газа так, чтобы содержащий кислород газ поступал в направлении переходной зоны и проникал в нее, а поток содержащего кислород газа отклонял всплески, капли и струи расплавленного материала так, чтобы фактически переходная зона простиралась вверх вокруг нижней части одного или более чем одного сопла/фурмы, и вокруг конца одного или более чем одного сопла/фурмы образовалось сплошное газовое пространство, упоминаемое как "свободное пространство", и последующее сжигание реакционных газов, выпускаемых из ванны расплава, что обеспечивает тем самым потребности процесса в тепловой энергии за счет выброса вверх, в переходную зону, а затем падения вниз всплесков, капель и струй расплавленного материала, что способствует передаче тепла в ванну расплава и минимизации в переходной зоне потерь тепла через боковые стенки печи в контакте с переходной зоной.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ванну расплава образуют путем подачи в печь исходной твердой шихты из содержащего металл сырьевого материала и плавления, по меньшей мере, части шихты за счет тепловой энергии, генерированной из электрической энергии, подаваемой в печь.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ванну расплава образуют путем подачи в печь содержащего металл сырьевого материала в расплавленной форме.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что в печь добавляют содержащий металл сырьевой материал на следующем этапе процесса.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что газ-носитель и твердый содержащий углерод материал в ванну расплава вводят через одно или более чем одно сопло/фурму и активируют тем самым выброс вверх всплесков, капель и струй расплавленного материала с образованием переходной зоны.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что вводят другие твердые материалы в ванну расплава через одно или более чем одно сопло/фурму для ввода твердого сырья.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве других твердых материалов вводят содержащий металл сырьевой материал.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что для получения стали из железной руды или частично восстановленной железной руды прекращают или, по меньшей мере, существенно ограничивают ввод содержащего углерод материала на следующем этапе процесса для облегчения регулирования концентрации углерода в ванне расплава до того уровня, который требуется в составе стали.