1.1. Роль шлакоугольной суспензии в современных процессах жидкофазного восстановления

Наличие продуваемой кислородсодержащим дутьем шлакоугольной суспензии в реакторе жидкофазного восстановления является отличительной особенностью всех разрабатываемых в настоящее время или готовых к реализации процессов бескоксового произволе!на чугуна.

Опытно-промышленный реактор жидкофазного восстановления D10S (фирма NK.K. (Япония)) [2-5] представляет собой водоохлаждаемый, футерованный в нижней части конвертер комбинированного дутья с диаметром жидкой ванны 3.7 м и высотой 9,3 м (рис. 1).

Предварительно восстановленная руда (степень восстановления в реакторе псевдоожиженного слоя - 27-30%) загружается в реактор жидкофазного восстановления самотеком. Сверху на шлаковую ванну также подают уголь (<30 мм) и флюс.

Жидкофазнос восстановление в шлакоут ольной суспензии протекает в условиях продувки ванны через центрально расположенную погружную кислородную фурму с интенсивностью продувки до 20000 м'/ч. Выделяющийся из ванны монооксид углерода дожигается кислородом непосредственно во вспененном шлаке. Вдуваемый кислород 1акже реатрует с кусковым углем, загружаемым на поверхность шлака и находящимся на внутренней поверхности каверны, образуемой факелом горения в шлаковой ванне.

По данным разработчиков оптимальное дожигание СО во вспененном шлаке дое 1 игаегся при продувке «раскрытой струей», когда дутье распространяется в шлаке на значительное расстояние по горизонтали, а не проникает в глубину ванны. При этом тепло от горения эффективно передается шлаку.

Рисунок I. Схема процесса DIOS

I - агрегат подогрева руды; II - циклон; III- скруббер с трубами Вентури; IV - регулятор давления: V. VI - агрегаты предварительного твердофазного и жндкофазного восстановления, со- 1 ответственно; VII - машина для вскрытия йзабивки легки: 1 -уголь; 2-флюс; 3 - руда: 4 -отхо-дящий I ач установки: 5 - р> да; 6 - пылеуюль для IUIOBOI O реформирования

Как отмечают сами разработчики, в процессе DiOS ip\;nio определиib опт- малыше соотношение в шихте утля и железосодержащего сырья (cooiношение pat- вишя процессов юрепия и газификации в факеле неизвестно и является переменным при изменении параметров плавки) и каждый раз оно определяется практической насiрейкой, с учетом положения фурмы и уровня расплава.

Подчеркнем, чю сжшание (газификация) >1ля н шлаке и дожшлние выделяющихся из ванны печных 1азов осущссжляюк'я в процессе DIOS одним и тем же поюком газа-окислителя. При ком принципиально невозможно раздельное управление этими двумя процессами, в отличие от процесса Ромел!.

Для гидродинамического режима процесса DIOS характерно зональное строение шлаковой ванны; слой шлаковой пены в верхней част панны (голщина -0.7 м.

газосодержание -0,7-0.9). и слой «плотного» шлака (толщина 0.7-0.8 м. газосодер-жание -0,4) над ванной металла. Соотношение толщин этих двух юн определяется положением фурмы, количеством шлака в шлаковой ванне и массовым содержанием в ней частиц угольного остатка. Восстановление оксидов железа происходит пре-имущественно в зоне «плотного» шлака, а в зоне вспененного шлака преобладают процессы горения монооксида углерода и угля. В зоне «плотного» шлака сосредоточено основное количество капель металла и ококсованных частиц угля. Температура верхней части шлаковой ванны на 100-150 "С выше, чем в нижней части шлака (температура ванны металла и слоя плотного шлака -1500 "С; температура вспененного шлака - 1600-1650 Т: температура в надслоевом пространстве - 1700-1900 °С).

Содержание (1;сО) в шлаке процесса DIOS составляет 4 5%, содержание углерода в чу[ уне - 3-4%.

На гидродинамику слоя «плотного» шлака оказывает влияние малоинтенсивный донный барботаж металлической ванны (толщина -1 м) азотом, подаваемым через несколько фурм, расположенных в центральной части подины. При этом, помимо улучшения теплообмена металлической ванны со шлаком, решается задача интенсификации восстановления железа за счет реагирования углерода, растворенного в каплях металла со шлаком. По оценке разработчиков процесса, восстановление с участием межфазной по поверхности «шлак-металл» обеспечивает около половины общего восстановления в реакторе за счет растворенного углерода. Другая половина производительности установки обеспечивается реагированием угольных частиц со шлаком.

Донный барботаж в сочетании с динамическим воздействием дутья центральной фурмы обеспечивает эффективное замешивание угольных частиц в объем слоя «плотного» шлака. При избыточной интенсивности барботажа металлической ванны может начаться активное обезуглероживание и окисление железа капель металла, достигающих зоны факела.

Процесс DIOS. как и все процессы жидкофазного восстановления, зависим от интенсивности перемешивания ванны. Слабое перемешивание уменьшает эффек- тнвносгь теплопередачи к шлаковой и металлической ванне. Слишком интенсивное перемешивание приводит к уменьшению степени дожигания. Вероятно это объясняется недопустимо большим увеличением количества угля, поступающего с циркулирующим шлаком в каверну факела фурмы. где он газифицируется. При этом в ванне уменьшается содержание угля, растет содержание оксидов железа, снижается ее температура. 11ри таком технологически неблагоприятном режиме возможно уменьшение или даже исчезновение «угольного кольца» - слоя суспензии с повышенной концентрацией угольных частиц, располагающегося по периметру верхней части зоны плотного шлака у стенки рсакюра. Сущес1вование «угольного кольца» обеспечивает науглероживание циркулирующих в шлаке капель металла, компенсирующее их взаимодейсгвие с оксидами железа в шлаке, содержание которых при уменьшении степени дожигания возрастает. Кроме того, разработчики процесса счшают, что присутствие в верхней части плотного слоя шлака определенного количества угля необходимо для подавления избыточного пенообразования.

В то же время, на основании опыта освоения процесса Ромелт можно прогнозировать, что при нарушениях технологии при чрезмерно высоком содержании угля в реакторе вместо динамического «угольного кольца» может образовываться сплошной, практически кс перемешиваемый, кольцевой угольный слой. В этот слой уже не могут проникать с нужной интенсивностью капли металла для их науглероживания.

Из проведенного рассмотрения следует, что процесс жидкофазного восстановления железа DIOS принципиально зависит от гидродинамического режима шлако- угольной суспензии и очень чувствителен к его изменениям. Опытно-промышленный реактор жидкофазного восстановления процесса HIsmelt (фирма Rio-Tinto (Великобритания-Австралия)) [6-10] представлял собой вертикальный водоохлаждаемый, футерованный в нижней части конвертер комби-нированного дутья (рис. 2) с диаметром ванны 2,7 м.

В сооруженной и находящей на стадии пусковых работ (до 2008 г.) первой промышленной установке Hlsmelt (рис. 3) в Квннана (Зап. Австралия) реактор жидкофазного восстановления (диаметр ванны 6 м) аналогичен опытному.

В данном процессе подсушенная и подофоая до 600 °С (в системе реакторов кипящею слоя) мелкая руда, дробленный уголь и флюс инжектируются струями азота в ванну металла через наклоненные в сторону подины водоохлаждаемые фурмы. расположенные по периметру реакюра.

11ал ванной металла находится сравнительно высокий слой шлака, что позволяет избежать окисления фонтанирующего металла в зоне дожигания газов.

Горячее кислороао-

Рисунок 2. Реактор жидкофазного восстановления Hlsmell

Наина металла (посспшоолеиие pv.iu, рпптсреиис \ I icpn.wl

Окисленная шихта плавится в металлической ванне. Оксиды железа быстро вос-станавливаются углеродом, растворенным в металле. Опережающее науглероживание железа обеспечивает получение металла с достаточно высоким содержанием углерода (3.5—1,5% [С]). Восстановительный потенциал в основной реакционной зоне реакгора

Частицы угля, попадая в металлическую вашу, претерпевает сушку и пиролиз; углерод угольного остатка быстро растворяется в металле.

поддерживается на сравнительно низком уровне (содержание оксидов железа в шлаке 4-6 0 н|.

Определенное количество угля находится в шлаковом слое, обеспечивая восстановление железа из шлака. Из-за большой интенсивности газовыделения металлическая ванна и слой шлака находятся в состоянии интенсивного турбулентого движения. Фактически, большая часть ванны металла и слой шлака представляют собой единую шлакометаллическую эмульсию и одновременно шлакоугольную суспензию.

Дожигание горючих гаюв. выделяющихся из расплава, производится подогретой до 1200 "С кислородовоздушной смесью (до 30% (об.) кислорода), подаваемой через вертикальную водоохлаждаемую фурму. Тепло отходящих газов используется для нагрева дутья, сушки, подогрева и предварительного восстановления шихтовых материалов.

Разработчики процесса выделяю! четыре характерные зоны в рабочем пространстве реактора. вопзух

4

мек-тростанши участок рилиики

участок лссулк вытек ' Ф>рии«"»' металла i

участок утилимш»,

вор l

участок тодогрем пчяы

фурма «ДУ«4 М | Ш 'горячего Я _^

•Т"

^ У.]\-и*ч- "С

Яы печного era

Г f so&wv

тмельчснис для\» \м

Епмдоисшк газ» лбмдмреиа руды

система ниже»- система инжек

цни угля пни флюса

|"1 ГЛуючист*»—

склад руды

с косы л гермстн- тадо1

склад флюса ск.ш yi

очисти и

выброс СО;

кислородная С1ВШШ»

^ . участок

Рисунок 3. Технолот ическая схема процесса HIsmelt

{они ипжекции шихты локализована у сопла фурмы. Химическими превращениями и этой зоне можно пренебречь.

И ww прогрева шихты и пиролит угля угольные частицы претерпевают быстрый нагрев, сушку и пиролиз с выделением Н:. СО, N:. углеводородов, сажи.

В юие внедрения шихты в ванну металла значительная часть угольных час- I иц и практически все частицы железосодержащего сырья и флюса переходят из сгруи газа-носителя в объем металла, где частицы практически мгновенно приобретают газовую оболочку. В угольных частицах завершается пиролиз, идет вос- аановление железа из золы угля.

id время пребывания угольных частиц в данной зоне они участвуют также в процессах науглероживания металла, как углеродом уюльною остатка, гак и сажистым утлеродом от пиролиза. Однако науглероживание железа протекает достаточно эффективно, что обеспечивает получение металла с достаточно высоким содержанием углерода.

В юие дожигания в наделоевом пространстве помимо собственно дожигания горючих газов происходит горение (газификация) определенного количества угольных частиц и сажи, которые выносятся из ванны струями газа, т. е. зона дожигания совмещена с зоной горения (тазнфикации) угля. Неизрасходованные частицы угля уносятся из реактора в газоочистку.

Высокоинтенсивное пневматическое перемешивание шлака и металла приводит к «фонтанированию» шлака и, в меньшей степени, металла в местах выхода и j расплава газа-носителя, образованию большого количества брызг и всплесков, преимущественно шлаковой фазы. Таким образом, в зоне дожигания постоянно существует чрезвычайно развитая тепловоспринимаюшая поверхность шпака, что обеспечивает необходимую передачу тепла из зоны дожигания к жидкой ванне.

Процесс Hlsmelt должен быть весьма чувствителен к нарушениям в дозировке \гля. Поскольку шлак активно взаимодействует с углеродом чугуна, уменьшение загрузки угля может привести к обезуглероживанию металлической ванны и неконтролируемому вспениванию шлака. При избытке угля в шлаке может наступить режим блокировки углем теплопередачи к шлаковой ванне из зоны дожигания, ana.ioi ично процессу Ромелт (см. ниже).

Процесс Auslron [II, 12] (разработчик - фирма «Ausmclt» (Австралия) при поддержке правительства штата Южная Австралия) осваивали в реакторе конвертерного типа как одностадийный (рис. 4), однако в настоящее время технология предлагается разработчиками в двухстадийном варианте со стадией предварительного восстановления сырья. Имссп. и iiu.i1.

(рсциынмг) >

Грсиик.шнг)

Bou>\ дд« ложи/аии» гаи. чеши > га», вошух iti о*.шисним фдац<»:д*ол

Hibcciiu*

Жс.кчнш ру-u. куекм )Г0.1Ц *1ЮТк nun

чу ijii

Рисунок 4. Реактор Auslron

В процессе Auslron железосодержащее сырье крупностью -2-20 мм и кусковой уголь подают на поверхность шлаковой ванны, в которой происходит восста-

новлепие железа углеродом угля. Для обеспечения процесса теплом молотый уголь крушюстыо менее 1 мм вдувают в слой шлака сверху через одну или несколько водоохлаждаемых вертикальных фурм. Частичное сжигание мелкого угля осуществляется воздухом, обогащенном кислородом. Твердое топливо может быть заменено природным том. Температура шлака 1400-1450 °С.

Для дожигания выделяющихся из ванны газов через те же вертикальные фурмы, но выше уровня шлака, в рабочее пространство печи подают воздух, обогащенный кислородом (содержание 02 как в дутье для сжигания топлива, так и для дожигания ~ 40-70%).

Гидродинамика верхней части шлакоугольной суспензии в процессе Auslron в определенной степени сходна с процессом DIOS, а нижняя часть шлаковой ванны и ванна металла сходны с процессом Ромелт. Как и в остальных рассмотренных выше процессах с верхней продувкой шлаковой ванны через погружную фурму (фурмы), сплошная флотация угля на значительной части поверхности шлака в процессе Auslron практически недост ижима. Но в э гих процессах в силу геометрии продувки реагирование угля на поверхности шлака с СО у НЮ всегда, в большей или меньшей степени, разнию [13]. Такое взаимодействие обычно развивается при слишком большой интенсивности перемешивания ванны, что приводит к уменьшению эффективности дожигания. В то же время, ири слабом перемешивании уменьшается эффективность передачи в ванну тепла от дожигания [5].

Процесс Redsmelt-NSr (фирмы SMS Demag (Германия) и Luccini (Италия)) [14] реализует восстановление в две стадии (рис. 5). 11редварнтельнос восстановление сырых рудоу гольных окатышей производится в печи с вращающимся иодом. Полученный продукт имеет степень металлизации 80-90% и содержит от 1,5 до 7% углерода. Горячее губчатое железо перегружается в вертикальный реактор жидкофазного восстановления, в котором происходит плавление и растворение в шлаке мептллизован- ных окатышей и довосстановление FeO из шлака.

а

I IBM - печь с вращающимся подом. РЖВ - реакюр жидкофазного восстановления

б

Рие> мок 5. Схема процесса Redsmelt-NST (а), реактор NSI (б)

Вторая стадия по существу плавильная и реализуется чрезвычайно быстро. Из рсакюра сливают металл (чугун) и шлак. Все отличие данного реактора жидкофазного восстановления от реакторов других, более разработанных процессов жидкофазного восстановления, в том. что утоль вдувают в шлак вместе с кислородным дутьем через боковые фурмы (в процессе Auslron эту операцию производят сверху, а в процессе Ромелт вдувание пылеугля в шлак не производится - достаточно простой загрузки угля на поверхность шлаковой ванны). Разработчики процесса Reds- melt NST планируют уменьшить степень предварительного восстановления и, соответственно. у силить роль реактора жидкофазного восстановления.

Поскольку потребление угля на второй стадии процесса незначительно, технологический прием ввода пылеугля с кислородсодержащим дутьем вполне допустим. Однако, при переходе к плавке более окисленного сырья со значительными расходами пылеугля в дутье, возможны трудности, вызванные уносом с барботажными газами части ною пылеугля в зону дожигания. Кроме того, разработчики указывают на трудности, вызванные необходимостью согласования количества вдуваемого пылеугля с окисленное гью шлака. При избыточном (FeO) (или недостатке угля в ванне) науглероживание металла недопустимо снижается.

В целом, гидродинамика шлаковой ванны процесса Редсмелт-NST сходна с процессом Ромелт.

В процессе Ромелт, разработанном в Московском институте стали и сплавов [1], шихту, состоящую из железосодержащею материала, угля и флюса (известняка, извести), подают в печь на поверхность шлаковой ванны (рис. 6. 7). Железосодержащие материалы плавятся, образуя шлак. Железо из шлака восстанавливается угольными частицами и углеродом, растворенным в каплях железа. Капли восстановленного железа науглероживаются и опускаются на подину печи через зону спокойного шлака, образуя металлическую ванну с температурой 1400-1500 °С. Шлаковая ванна через боковые фурмы продувается кислородсодержащим дутьем. Восстановительный газ, образующийся при пиролизе угля, его неполном сгорании в шлаке до СО и восстановлении железа, частично дожигается над шлаковой ванной до СО: и П;0 кислородом, подаваемым через второй ряд фурм. Выде- лившееся при чтом тепло расходуется на нагрев ванны и отходящих газов и частично теряется через охлаждаемые стены печи.

Рисунок 6. Обшнй вид установки Ромелт (НЛМК)

Рисунок 7. Схема опытно-промышленной установки Ромелт (НЛМК)

При боковой продувке шлаковой ванны, в рабочем прос транс i не печи образуется большое котнчество брызг шлака. За счет этого обеспечивается эффективная передача тепла шлаковой ванне. В шлаковой ванне печи Ромелт уюль начодшся в дисперсном виде, образуя шлакоугольнуто суспензию. Частицы ококсованною угольного остатка (для кра:кости, в дальнейшем, - угля) имеют плотность примерно в три раза меньшую, чем шлак. При отсутствии перемешивания в системе, эти частицы должны были бы плавать сплошным слоем на поверхности ванны. Применяемая в процессе боковая струйная продувка расплава кислородсодержащим дутьем через систему фурм создает интенсивную вертикальную циркуляцию шлака, чем обеспечивается замешивание части угля вглубь ванны. Распределение частиц угля по высоте ванны неоднородно [15]. Наибольшее содержание угля отмечается в достаточно тонком поверхностном слое. Ниже этого слоя содержание у i ля в шлаке достаточно бысфо снижается. При этом крупные частицы угля обнаруживаются преимущественно в верхних горизонтах ванны, а мелкие грисутствуют во всем объеме барботнруемого шлака. Очевидно, что изменение таких технологических параметров, как выеокт ванны над уровнем фурм, интенсивность и теометрия продувки, фракционный состав угля, может существенно изменить характер распределения часIид утля н ванне.

На основании имеющегося опыта освоения и жсплуатации опытно- промышленной установки PON'CJI 1 (НЛМЮ можно сделать вывод, что для технологии принципиально важно, чтобы уголь эффективно замешивался в глубину шлаковой ванны. При 31 ом более полно используется объем ванны как реакционной среды для восстановления оксидов железа иг шлака, более эффективно происходит горение частиц утля на фурмах Наоборот, накопление угля в поверхностном слое ванны может приводить к а!регированию час иш (ококсовлнный угольный остаток практически не смачивается шлаком) и вызванному этим снижению величины реакцион-ной поверхности угля. Плавающий на поверхности ванны уголь может непродуктивно расходоваться на взаимодействие с кислородом, подаваемым над ванной для дожигания, а также на конверсию СО: и Н:(). При критически большом содержании угля на поверхности ванны может происходить ухудшение теплопередачи к гтаннс or юны дожигания, что, в конечном счете, приводит к охлаждению, росту концентрации оксидов железа в шлаке и вскипанию металла, находящегося на подине печи |16|.

Для нормальной тепловой и восстановительной работы печи необходимо, чтобы количество угля в шлаке не снижалось ниже определенного уровня.

При нормальном ходе технологического процесса, кислород дутья полностью расходуется на сжигание угля преимущественно в нижней части барботажных столбов. т.е. зга область является источником наибольшего тепловыделения при поднятии в шлаке струи реагирующего газа. Выше нее, в части барботажного столба, где происходит конверсия СО:, газ и шлак охлаждаются. При этом, по оценочным расчетам, при нормальном ятя технологии количестве угля в ванне, уже к моменту поступления газа в верхнюю часть барботажного столба (находящуюся в насыщенном углем поверхностном слое шлаковой ванны), i азовая фаза либо уже практически инертна по отношению к углю. т. к. содержит в основном СО. 1Ь, N>. либо существенно обогащена этими газами.

Содержание угля в ванне может по разным причинам значительно уменьшаться. Очевидно, при этом тлщина зоны в барботажном столбе с преобладанием в газовой фазе СО уменьшится. При значениях содержаний угля в шлаке меньше некоторых критических (при данном расходе кислорода дутья) можно ожидать появления в газах, выходящих из барботажного столба, ('Од или даже О;. Таких ситуаций следует нзбетать, так как в этом случае значительно увеличивается объем окислительных зон в шлаковой ванне, что приводит к снижению производительности процесса и даже прекращению восстановления.

Из проведенного рассмотрения процесса Ромелт и других современных процессов бескоксовой металлургии чугуна следует, что продувка кислородсодержащим дутьем шлакоугольнои суспензии является основой технологии. Характер распределения дисперсного угля в объеме ванны играет определяющую роль в успешной реализации всех этих процессов. Для системного изучения влияния различных параметров гидродинамического режима на структуру и свойства шлакоугольнои суспензии необходимы широкие модельные исследования, что является одной из задач настоящей работы.