книги / Новые процессы получения металла. Металлургия железа
.pdf~ |
J (1 |
|
+ aT )G |
|
« |
|
J 2100(1 |
+ |
- p j - ) 7 5 |
• 98 |
|
|
|
||||||||
|
3600 * |
0 , 785p |
” |
|
3600 |
|
• 0,785 |
• 294 |
* |
3 ,5 |
|
|
|
||||||||
= 4,4 |
M . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определение основных размеров шахтной печи: диаметр |
|||||||||||||||||||||
распара |
D = d j 0,75 = 5,9 м; |
|
диаметр |
цилиндрической |
зоны |
||||||||||||||||
охлаждения |
d2= d j 0,95 = 4,6 м; |
диаметр |
нижнего |
|
сечения |
||||||||||||||||
зоны |
охлаждения |
|
d2 =2,3 м; |
высота |
колошника |
Лк = 1,8 м; |
|||||||||||||||
высота |
шахты |
Лш = 6,3 м; |
высота |
распара |
Лр = 1,2 м; |
|
высо |
||||||||||||||
та |
заплечиков |
|
Л3= 2,0 м; |
высота |
|
фурменной |
|
зоны |
|||||||||||||
Лфз = 0,9 м; |
|
высота |
зоны |
восстановления |
Лв = 12,2 м; |
вы |
|||||||||||||||
сота |
зоны |
|
охлаждения |
Л0 = 9,7 м |
|
(в |
том |
числе |
цилиндричес |
||||||||||||
кой |
части |
|
6,4 м); |
полная |
высота |
Н = 21,9 м. |
Углы |
наклона: |
|||||||||||||
шахты |
а ш = 86°27'; |
заплечиков |
|
а3= 81°37'; |
|
конической |
|||||||||||||||
части зоны |
охлаждения |
а 0= 68°12\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Определение объема шахтной печи по зонам. Объем ци |
|||||||||||||||||||||
линдрических зон определяют по формуле |
V = 0,785D2/h . |
||||||||||||||||||||
Объемы |
|
конических |
зон |
по |
|
формуле |
У - (rj + ггг2+ г|)х |
||||||||||||||
ХЗД4Л/3, |
где |
гх |
и г2 — |
соответственно |
радиус |
верхнего и |
|||||||||||||||
нижнего сечения зоны; |
h — высота |
зоны. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Объем |
|
|
колошника |
|
|
V K=0,785 *4,42 • 1,8 = 27,4 м3. |
|||||||||||||||
Объем |
|
шахты |
Уш |
= |
|
(2,22 |
|
+ |
2,2 • 2,85 + 2,852) • 3,14х |
||||||||||||
х6,3/3 = |
126,8 м3. |
V p = 0,785 • 5,92 • 1,2 = 32,8 м3. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Объем |
распара |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Объем |
|
|
заплечиков |
|
|
V 3 =(2,852 + 2,85 • 2,3 + 2,32)х |
|||||||||||||||
хЗ,14 • 2,0/3 = 41,8 м3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Фурменная |
зона |
УФл = 0,785 • 4,62 • 0,9 = 14,9 |
м3. |
|
|
|
|||||||||||||||
Цилиндрическая |
часть |
зоны |
|
охлаждения |
Уц_0 = |
0,785х |
|||||||||||||||
х4,62 • 6,4 = 106 м3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уко =(2,32 |
|
|
|||||||||
Коническая |
часть |
зоны |
охлаждения |
+ |
2,3х |
||||||||||||||||
XI,2 |
+ 1,22) • 3,14 • 3,3/3 = |
32,8 м3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Нижний |
цилиндр |
зоны |
охлаждения |
dHU = 2,3 м; |
Лн.и= |
||||||||||||||||
= 0,7 м; V = 0,875 • 2,32 • 0,7 = 2,9 м3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Разгрузочный |
узел V = 15,5 м3. |
|
Узл = |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Объем |
|
зоны |
восстановления |
|
27,4 |
+ |
|
126,8 + 32,8 + |
|||||||||||||
+ 41,8 + |
14,9 = 243,7 м3. |
|
|
|
|
Ух0 = 106,0 + 32,8 + 2,9 + |
|||||||||||||||
Объем |
|
|
зоны |
|
охлаждения |
||||||||||||||||
+ 15,5 = |
157,2 |
м3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Общий объем печи Уа- 243,7 |
+ 157,2 = 400,9м3. |
|
|
|
Определение диаметра и числа фурм |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Длина |
окружности |
|
фурменной |
зоны: |
d = 4,6 м; |
ЬФЛ= |
|||||||||||
= nd = 3,14 • 4,6 = |
14,4 м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Число |
фурм, |
по |
аналогии |
с |
малыми доменными |
печами, |
|||||||||||
п - 2d +1 = 10. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Расстояние |
между |
|
фурмами |
|
составит: |
|
14,4:10 = |
||||||||||
= 1,44 м. На |
опытной |
шахтной |
печи |
комбината |
"Запорож- |
||||||||||||
сталь" |
(d = 1,5 м; |
пять |
|
фурм) |
это |
расстояние |
|
составляет |
|||||||||
0,94 м. |
На |
шахтной |
печи |
фирмы "Армко" (США) |
(d = 5 м; 12 |
||||||||||||
фурм) |
это расстояние |
составляет |
1,32 м. |
С |
учетом |
опыта |
|||||||||||
работы |
указанных |
печей |
принимаем |
для |
расчета |
12 фурм. |
|||||||||||
Тогда |
расстояние |
между |
фурмами |
составит: |
14,4:12 = |
||||||||||||
= 1,2 |
м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По данным А.Д.Готлиба, для доменных печей с диаметром |
|||||||||||||||||
горна |
до |
5 м |
кинетическая |
энергия |
вдуваемого |
газа |
может |
||||||||||
быть определена по |
формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Е = |
86,5^ |
- |
313d + |
1160 = 86,5 • 4,62 - |
313 • 4,6 |
+ |
|
|
|||||||||
+ 1160 = 1550 кг • м/с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Количество подаваемого в фурмы восстановительного газа |
|||||||||||||||||
Уг |
для |
данного |
случая |
1894 м3/т |
или |
|
1894 • 75/3600 = |
||||||||||
= 39,5 м7с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Расход |
газа |
|
на |
одну |
фурму: |
m = 39,5 • 0,637/12 = |
|||||||||||
= 2,1кг/с, |
где |
0,637— плотность |
фурменного газа, |
кг/м3. |
|||||||||||||
Скорость газа в фурмах определяют, исходя из кинети |
|||||||||||||||||
ческой энергии газа: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Ё = ти?/2; ы = / |
2g E /m |
|
- V |
2 • 9,8 • 1550/2,1 |
= |
|
|
=120 м/с.
Всвязи с тем, что, в отличие от доменной, в фурменной зоне шахтной печи вместо кокса находятся металлизованные окатыши, кажущаяся плотность которых выше, чем кокса,
примерно в |
2,4 раза, |
необходимо сделать поправку на ско |
рость газа. |
С учетом |
этого скорость газа на фурмах |
С учетом температуры и давления скорость газа
« 0р * |
273 |
_ |
186 |
• |
392 • 273 |
_ |
. |
и _ ___________________ |
|||||||
(|г + 273) |
• 98 |
~ |
(700 |
+ |
273) • 98 |
~ |
207 М' С’ |
где р — давление газа у фурм, кПа.
Теперь можем определить суммарное сечение фурм:
= V T /( J> = 39,5:207 = 0,191 м2.
Диаметр фурмы
0,191
= 0,14 м = 140 мм.
12 • 0,785
513. ПОЛУЧЕНИЕ ГУБЧАТОГО Ж ЕЛЕЗА В РЕТОРТАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Как и в шахтной печи, металлизация железорудного сырья в ретортах осуществляется с применением горячего восста новительного газа. В отличие от шахтной печи, где проис ходит противоточный процесс, в ретортах восстановление протекает в неподвижном слое шихтовых материалов, что
обусловливает некоторые |
особенности тепло- |
и массообмена |
|
и газодинамики |
слоя. |
|
|
Впервые этот |
процесс |
был реализован в |
1957 г. фирмой |
Охалата и Ламина (ХиЛ) в Монтеррее (Мексика) и является одним из наиболее освоенных в промышленном масштабе про цессов металлизации. Характерной особенностью процесса ХиЛ является его периодичность. Восстановление железоруд ных материалов (руды и окатышей) проводится в ретортах периодического действия (рис. 48).
Технология пррцесса заключается в восстановлении газом
неподвижного |
.слоя руды |
или |
окатышей |
при |
давлении |
~ 0,49 МПа и |
температуре |
слоя |
870—1040 °С. |
Нагрев |
руды и |
•покрытие тепловых затрат на процесс проводят за счет фи зического тепла восстановительного газа, нагреваемого до 980-1240 °С.
Рве. 48. Схема установки для производства губчатого железа процессом ХиЛ-1:
1 — кусковая |
руда; 2 — рудная |
мелочь на агломерацию; 3 — сортированная кус |
||||||||
ковая руда; 4 — природный газ; |
5 — очистка природного |
газа |
от |
серы; 6 — ре- |
||||||
формер; |
7 — |
паровой барабан; |
|
8 — питательная |
вода |
котла; |
9 — водяной пар; |
|||
10 — воздушный охладитель и |
водоотделитель; |
11 — |
градирня; |
12 — реторты |
||||||
(I—IV); |
13 — |
колошниковый |
газ; |
14 — водоотделитель; |
15 — |
подогреватель; |
||||
16 — кусковая |
руда; 17 — губчатое |
железо; 18 — брикетирование |
мелочи губча |
|||||||
того железа; 19 — немагнитная фракция |
|
|
|
|
|
Восстановительный газ получают паровой каталитической конверсией. Конвертированный газ проходит через котелутилизатор и скруббер. Полученный в котле-утилизаторе пар используется для конверсии природного газа и производства электроэнергии, которая питает все насосы и компрессоры установки. Охлажденный и осушенный восстановительный газ поступает. в реторту, где происходит охлаждение, оконча тельное восстановление и науглероживание (до 2% С) губ чатого железа'.
Выходящий из реторты для охлаждения губки газ охлаж дается с целью удаления водяных паров, образовавшихся при окончательном восстановлении материала, подогревается в рекуператоре до 710-820 °С, а затем до 980-1240 °С в спе циальных устройствах путем сжигания части газа воздухом, предварительно нагретым в таком же рекуператоре, и до тех температур, что и газ. Горячий восстановительный газ по дается в реторту, где происходит нагрев и предварительное (первичное) восстановление материала.
Отходящий из реторты для предварительного восстанов-
224
ления газ охлаждается с целью удаления образовавшихся во дяных паров, повторно нагревается и подается в следующую реторту, в которой происходит вторичное (окончательное) восстановление материала. Отходящий газ из этой реторты используется в качестве топлива в смеси с природным газом
для покрытия тепловых потребностей |
процесса |
(отопление |
газо- и воздухонагревателей, установки конверсии и др.). |
||
Загрузка реторты проводится через |
бункер, |
установлен |
ный над каждой ретортой и равный ее емкости. По окончании цикла губка выгружается через днище реторты на сборный конвейер, затем проходит магнитный сепаратор и подается в
смесительные бункера |
(для |
усреднения химического соста |
ва), откуда в контейнерах |
транспортируется к электропе |
чам. Таким образом, при работе установки каждая из четы рех реторт находится на одной из описанных четырех стадий технологического цикла.
Отличительной чертой процесса ХиЛ является невысокая степень использования газа и неравномерность степени ме таллизации по высоте слоя (от 80—82 до 92—94%). Считают, что неполная металлизация сырья (в нижней части слоя) мо жет быть компенсирована повышенным содержанием в нем углерода (1 % С эквивалентен степени металлизации 5 %).
Некоторые технико-экономические показатели, характе ризующие процесс ХиЛ, приведены ниже:
Расход: |
|
природного газа, м3/т |
457-470 |
электроэнергии, кВт • ч/т |
6—10 |
воды, м3/т |
2,59- 2,9 |
Степень металлизации продукта, % |
84—88 |
Потребность в рабочей силе, чело- |
12 |
век/смену |
§14. ПОЛУЧЕНИЕ ГУБЧАТОГО ЖВЛЕЗА В РЕАКТОРАХ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ
Восстановление мелкой руды или концентрата в кипящем слое осуществляется в реакторе, представляющем собой футерованный цилиндр, разделенный на несколько камер с помощью горизонтальных подин. Обычно верхняя камера используется для сушки и нагрева материала, а последующие камеры являются реакционными. Основными элементами реак тора являются газораспределительные и переточные
8-936
устройства. Для равномерного распределения газа по сече нию реактора применяют решетки и диафрагмы, причем решет ки обеспечивают лучшее распределение газа и изготавли ваются металлическими, керамическими и из жаростойкого бетона.
Переточное устройство, обеспечивая непрерывные переме щения материалов в многокамерных реакторах, выполняется в виде переливных труб (цилиндрические, конические, с внутренним и внешним расположением). При высокотемпера турном восстановлении в кипящем слое лучше всего служат электронные переточные устройства принудительного дейст вия, которые обеспечивают точную дозировку транспортируе мой шихты.
Как правило, в процессах кипящего слоя исходная руда подвергается сушке, измельчению, восстановлению и горяче му брикетированию восстановленного материала. Восстанов ление осуществляется при «700—760 °С, так как выше этой температуры начинается слипание частиц губчатого железа. Крупность руды обычно находится в пределах 5—0 мм. Сте пень металлизации материала регулируют в пределах от 70 до 95—98 %. В качестве восстановительного газа применяют газ, получаемый обычно паровой конверсией природного газа и содержащий от 74 до 95—98% водорода.
Наряду с рядом преимуществ (интенсивное перемешивание твердой фазы, выравнивание температур и концентраций в слое, высокие значения коэффициентов теплопередачи) про цессы с кипящим слоем имеют ограниченные возможности интенсификации вследствие того, что расход газа зависит от гидродинамических характеристик слоя, и его увеличение при сохранении фракционного состава и прочих равных усло вий приводит к нарушению однородности кипящего слоя и значительному пылевыносу.
Неприятным недостатком процессов восстановления в ки пящем слое является слипание частиц, нарушающее стабиль ность кипящего слоя. Склонность частиц к слипанию начи нается при достижении степени металлизации 25—30 % и заметно развивается при 50-60 %. Чем выше температура восстановления, тем выше склонность к слипанию. Слипание уменьшаете при наличии на контактной поверхности оксидов железа, пустой породы, при использовании крупнозернистой руды или окатышей, увеличении скоростей газа, восстанов226
лении руды в смеси с неспекаюшимися материалами, создании на поверхности частиц предохранительной пленки в виде карбидов железа или сажистого углерода. Наиболее эффек тивным способом борьбы со слипанием является применение крупнозернистых материалов: использование сырья фракцией
>4 мм |
температура процесса |
может быть |
поднята до |
900 °С |
|||
с достижением степени металлизации до 97 %. |
|
|
|||||
Однако это связано ’ с повышением |
расхода газа |
и |
пони |
||||
женной |
степенью |
его использования, |
что |
является |
само по |
||
себе недостатком |
процессов |
кипящего |
слоя вследствие |
низ |
кой температуры восстановления и невозможности организа ции цротивотока. При восстановлении водородом степень использования его не превышает 5—10 % (температура вос становления 480—540 °С), поэтому восстановление целесооб разно проводить в двухили трехподовых реакторах с использованием рециркуляции газа.
§15. ПОЛУЧЕНИЕ ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧАХ
Вращающиеся печи получили применение в промышленном масштабе для металлизации железорудных материалов, глав ным образом, потому, что позволяют перерабатывать различ ные руды по химическому и фракционному составу (руды, окатыши, концентраты, пыли и шламы и др.), а в качестве топлива и восстановителя применять коксовую мелочь и уголь всех марок, вплоть до лигнита.
Вместе с железорудным сырьем в печь загружают уголь в качестве восстановителя, известняк или доломит в качестве десульфуратора. Восстановитель загружают в печь в коли честве, превышающем теоретически необходимое для удаления кислорода руды (часть избыточного восстановителя исполь зуется как топливо и для зашиты металлического железа от вторичного окисления).
Поскольку процесс восстановления оксидов железа твер дым углеродом эндотермичек, вращающиеся печи отапливаются путем сжигания над слоем шихты газообразного, жидкого или твердого топлива в горелке, расположенной в разгрузочном торце печи, или в горелках, расположенных на корпусе по
длине печи. При этом сжигание |
топлива в обоих случаях |
п |
227 |
проводится с недостатком воздуха с получением мягкого длинного факела. Остальной воздух, необходимый для сгора ния топлива и дожигания оксида углерода, выделяющегося из шихты при восстановлении, вдувается через фурмы, располо женные на корпусе печи, что позволяет регулировать темпе ратуру по ее длине. В зависимости от свойств железорудных материалов и золы топлива-восстановителя (опасность настылеобразования) температуры нагрева шихты составляет 1000-1100 °С.
По длине вращающуюся печь можно разделить на зоны на грева и восстановления. Степень восстановления наиболее быстро растет в середине и замедленно в конце печи. К концу процесса восстановления, когда образование оксида углерода уменьшается, создаются условия, способствующие проникновению в шихту окислительных газов. В связи с этим напыляемый на поверхность шихты в конце печи избыточный восстановитель предохраняет металлизованный продукт от окисления этими газами. Степень заполнения шихтой печи (сегмент) составляет обычно 10-20 %.
Для достижения высокой производительности вращающейся печи необходимо применять топливо, отличающееся хорошей реакционной способностью, так как реакция газификации углерода С + С02 = 2СО является определяющей в процессе восстановления оксидов железа твердым углеродом. Расход углерода можно определить по формуле:
С2 = 0,37500р(£ + 1), |
(240) |
где f- — степень прямого восстановления (обычно 0,8-0,85); Ор— количество кислорода, отнимаемого от руды, кг/кг.
Практика показала, что потребность углерода на восста
новление |
составляет |
~ 40—45 % от общего расхода |
углерода |
в печи, |
25—30 % |
углерода сгорает, а оставшийся |
выгру |
жается из печи вместе с металлизованным продуктом, защи щая его от окисления. Общий расход восстановителя состав ляет 50—60% массы железорудного материала.
Большую роль на производительность печи оказывает теп
лопередача от газов к слою шихты. Тепло |
от газового |
пото |
ка передается шихте и футеровке. Тепло, |
полученное |
футе- |
228 |
|
|
ровкой, передается шихте и теряется в окружающую среду. Количество тепла, получаемое шихтой»
Qin = Случ * Q\к о н в |
’ЛУЧ» |
|
|
(241) |
|||
ГД© Случ |
и |
Сконв — количество |
тепла, |
передаваемого |
излу |
||
чением и |
конвекцией |
на |
открытую поверхность шихты, |
Вт/м2; |
|||
2 луч ~ количество тепла, |
передаваемого |
излучением |
от фу |
||||
теровки на |
закрытую |
поверхность |
шихты, Вт/м2. |
|
По мере повышения температуры к концу печи (зона вос становления) решающую роль в теплообмене начинает играть излучение, с помощью которого передается максимальное ко
личество тепла |
(> 90 %). |
В |
интенсивно |
работающих |
печах |
|||
теплоотдача |
в |
зонах с |
высокой |
температурой |
достигает |
|||
175—230 тыс. |
Вт/(м2 • К). |
В |
этом |
случае |
возрастает |
темпе |
||
ратура отходящих газов |
(до |
800—1000 °С), |
и для |
утилизации |
их тепла используют предварительный нагрев железорудной части сырья (обычно на конвейерных машинах, или в шахтных
подогревателях). В результате этого повышается |
тепловой |
|||||||||
к.п.д. |
всей |
установки, |
значительно |
снижается |
расход |
топ |
||||
лива, |
и одновременно |
возрастает |
удельная |
производитель |
||||||
ность печи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Во вращающейся печи образуется большое количество га |
||||||||||
зов |
(до |
3000-3500 м3/т металлизованного |
продукта), |
при |
||||||
этом |
скорость |
газа |
обычно |
ограничивают |
|
величиной |
||||
^ 0,5-2,0 м3/(м2 • с) для |
уменьшения |
выноса |
пыли. |
Внут |
||||||
ренний |
диаметр |
печи D |
определяется допустимой |
скоростью |
газа о)г и действительным его количеством, определяемым по результатам расчетов материального и теплового балансов и заданной производительности печи:
(242)
Величина V r должна учитывать полное количество газов, образующихся в печи. Длина печи определяется по условиям теплопередачи, причем расчет ее ведется отдельно для зон нагрева и восстановления, т.е.
L |
- ■ '^ / [ ( б л у ч + б к о н в ) ^ х ^ б л у ч (л )1 > |
(243) |
|
229 |
|||
|
|
где |
А — производительность |
печи,кг/ч; |
g — теплопотребле- |
||
ние |
шихтой в |
данной зоне, кДж/кг (определяется из |
тепло |
||
вого |
баланса); |
/х и /я — длина |
хорды и |
длина дуги |
сегмен |
та шихты в поперечном ее сечении, и находят их в зависи мости от степени заполнения печи шихтой, которую можно определить по формуле:
8 = 4Л/п£)2ышум, |
|
|
|
|
(244) |
||
где ыш — скорость |
движения |
шихты |
вдоль оси |
печи, м/с, |
|||
«ш = 5,78Dirt, |
где |
i — |
угол |
наклона |
печи, град |
(/ = 1,5* |
|
*3,0); |
п — |
частота |
вращения |
печи, мин-1 |
(обычно |
||
п = 0,5+1,5 мин-1). |
|
|
|
|
|
Общая длина печи должна обеспечить необходимое время пребывания в печи для достижения заданной степени метал
лизации, поэтому рассчитанную длину печи проверяют, |
исхо |
|
дя из |
минимального времени пребывания материалов: |
|
х = L / |
ым. |
(245) |
Значение х принимается по экспериментальным данным, обычно оно составляет 3—8ч (верхний предел— для трудно восстановимых руд и низкореакционного топлива).
Расчет процесса металлизации во вращающейся печи
Исходные данные.
1. Температура окисленных окатышей на входе во вращаю щуюся печь. Возможно поступление в печь как холодных, так и предварительно подогретых (например, на колосниковой решетке газами, выходящими из трубчатой печи) окатышей,
^ок.ок = 500 °С.
2. Температура твердого топлива и флюса (известняка) на входе в печь. Эти компоненты поступают в печь холодными. {топя = 20 °С.
3. Температура продукта, выходящего из печи. Колеблет ся в интервале 900—1300 °С. fnpan = ИЗО °С.
4.Температура газов, выходящих из печи. Изменяется в диапазоне 700—1100 °С. tn_r = 950 °С.
5.Степень металлизации окатышей. В зависимостиот требований потребителей составляет 80—96%. 7}мет = 95 %.