6.8.1 Выплавка углеродистого феррохрома в герметичных печах с подогревом шихты по технологии «Outokumpu»
В середине 80-х и начале 90-х годов ХХ столетия Outokumpu Technologies (Outotec) разработал технологию окомкования хромовых руд и спекания на стальной ленте, а также технологию подогрева шихты с использованием отходящих газов ферросплавной печи. Преимуществами этой технологии являются следующее:
• низкий расход электроэнергии;
• высокое извлечение хрома;
• утилизация содержащих CO отходящих печных газов.
Фирма Outokumpu была вынуждена разрабатывать наиболее экономичные способы, чтобы сохранить производство феррохрома на заводе в Торнио, который расположен в условиях Арктики. Месторождение хромита в Финляндии имеет низкое содержание хрома в руде, сравнительно высокую цену энергии, и очень жесткие требования по защите окружающей среды.
Процесс получения феррохрома фирмы Outokumpu включает в себя окомкование и спекание концентратов или рудной мелочи, предварительный подогрев шихты для плавки и плавку в дуговой печи закрытого типа с погружной дугой. Оксид углерода из печи используется в основном как топливо для спекания и предварительного подогрева, что обеспечивает снижение на заводе затрат на энергию.
Для плавки необходим; окускованный продукт с целью высокого извлечения хрома, а также создания проницаемого столба шихты, что гарантирует выход газа из зоны реакции. Общее расположение производственных агрегатов представлено на рисунке 6.12.
Плавильная установка состоит из участка предварительного подогрева расплавляемой шихты в шахтной печи и участка плавки в закрытой электропечи с погружной дугой. Обращение со шлаком, феррохромом, оксидом углерода, отходящими газами и сточной водой является важной частью работы плавильной установки. Технологическая схема производства углеродистого феррохрома фирмы «Outocumpu» приведена на рисунке 6.13.
Предварительный подогрев шихты. Целями предварительного подогрева являются устранение влаги из смеси подаваемой шихты, возможно более полная ее кальцинация и предварительное повышение температуры. Возможность окисления углерода, особенно по реакции Будуара
СО2 + С = 2СО
ограничивают степень предварительного подогрева в шахтной печи, так что средняя температура горячей шихты составляет максимально 600-700ºС.
Рисунок 6.12 – Общая схема расположения технологических агрегатов
в процессе получения углеродистого феррохрома фирмы Outokumpu
Рисунок 6.13 – Технологическая схема производства углеродистого
феррохрома по технологии фирмы «Outocumpu»
Мощность печи, МВт |
Производительность печи, тыс.т/год |
——1 – теоретическая плавка без тепловых потерь 100% КПД;
——2 – плавка на подогретых до 700ºС окатышах в закрытой печи;
——3 – плавка на холодной кусковой руде в открытой печи переменного тока;
——4 – плавка на холодной мелкой руде в печи постоянного тока.
Рисунок 6.14 – Зависимость производительности от мощности печи для различных вариантов технологий
Удельный расход электроэнергии, МВт·час/тонн |
—— Удельный расход электроэнергии —— Температура шихты |
Температура шихты, °С |
Рисунок 6.15 – Зависимость расход электроэнергии от температуры материала
Рисунок 6.16 – Шахтная печь для подогрева шихты
Расплавляемая шихта, состоящая из хромитовых окатышей, кусковой руды, кокса, кварцита и возможно, других флюсов, дозируется по порциям и поднимается к расходному бункеру, расположенному над шахтной печью. Специально сконструированная шахтная печь применяется для предварительного подогрева расплавляемой шихты. Это позволяет значительно снизить удельный расход электроэнергии и повысить производительность печной установки. Это можно увидеть из рисунков 6.14 и 6.15, на которых представлены зависимость производительности от мощности печи для различных вариантов технологий и расхода электроэнергии от температуры подогрева материала.
Материал подается в шахтную печь из бункера полунепрерывно двумя вибрационными питателями. В печи имеется вращающееся устройство, которое распределяет шихтовой материал по нескольким секциям, откуда он стекает через завалочные трубы (труботечки) непрерывно в дуговую электропечь. В каждой секции предусмотрен указатель для контроля уровня материала в шахтной печи (рисунок 6.16).
Печь подогрева шихты представляет собой футерованный цилиндрический короб, с вращающейся внутри приёмной воронкой. Воронка распределяет шихту по труботечкам.
Предварительно шихтовой материал подогревается в противотоке с продуктами сгорания, которые образуются при сжигании газообразного СО в отдельной камере сгорания. Коэффициент расхода воздуха при сжигании меньше единицы, что предотвращает реакции кислорода с углеродом в шахтной печи. Промытые и охлажденные рециркулирующие отходящие газы из шахтной печи контролируют температуру газа в камере сгорания и в каналах распределения газа.
Отходящий газ отсасывается из печи и очищается в скруббере с промывкой водой. Избыточный газ из цикла циркуляции выпускается в атмосферу. Давление шахтной печи над шихтой контролируется вентилятором отходящего газа (эксгаустером) и поддерживается на уровне атмосферного во избежание утечек воздуха.
Плавка. Шихта плавится в закрытой и герметичной электропечи с погружными дугами, оборудованной тремя электродами Содерберга. Плоский подвесной свод печи имеет огнеупорную футеровку. Рабочая футеровка печи основана на углеродных блоках, стены выполнены водоохлаждаемыми, а подина охлаждается воздухом.
Предварительно подогретая шихта непрерывно стекает в ванну электропечи и образует там газоплотный затвор. На вводе электродов применены специальные сухие уплотнения. Мощность печи контролируется изменением напряжения на выпуске, а движения электродов (перепуск) сведены к минимуму.
Удельный расход электроэнергии при плавке зависит от характеристик хромита, состава шихты и уровня предварительного подогрева.
Спеченные окатыши отличаются высоким качеством, что обеспечивает стабильные условия плавки в печи. Этим достигаются высокое извлечение хрома и низкий расход энергии на плавку. На рисунках 6.17 приведено строение ванны закрытой печи при работе на холодной шихте и герметичной печи при работе на подогретой шихте, а на рисунке 6.18 состояние колошника при работе на открытой и герметчной печах.
Выпуск феррохрома и шлака. Феррохром и шлак выпускают через регулярные промежутки времени через леточные отверстия, расположенные в подине (днище) печи. Шлак и металл выпускают через одну и ту же летку в одни и те же ковши. Из ковша шлак переливается через вторичный желоб на гранулирование водой.
Жидкий металл разливают, после того как шлак будет счищен с поверхности в ковше. Применяют разливку в канаву из-за простоты этого способа и низких издержек. Охлажденные отливки дробят и подвергают грохочению на различные размеры фракций для внешних заказчиков. На заводе в Торнио большая часть жидкого феррохрома транспортируется непосредственно в цех для выплавки коррозионностойкой стали.
Шлак гранулируется в струях воды высокого давления. Шлак с примесью металла из ковшей, желобов и т.п. подвергают дроблению и отделяют от него металл различными способами. Гранулированный и кусковой шлак утилизируется, например как строительный материал для зданий и дорог.
Рисунок 6.17 – Строение ванны закрытой печи при работе на холодной шихте в и герметичной печи на подогретой шихте
Рисунок 6.18 – Состояние колошника открытой и герметичной печи
Использование оксида углерода. Оксид углерода, образуемая в электропечи во время восстановления, отсасывается через два газоотвода в два скруббера Вентури с водой высокого давления. Вентилятор для СО, расположенный после скрубберов, регулирует и поддерживает давление в печи.
Очищенный и охлажденный оксид углерода используется для спекания, предварительного нагрева шихты, предварительной сушки кокса и предварительного подогрева ковшей. На заводе в Торнио СО используется также в цехе выплавки коррозионностойкой стали.
Использование газообразного СО дает очень большую экономию мазута и сжиженного газа на всем заводе в Торнио.
Технология окомкования и спекания финской фирмы Outokumpu позволяет экономить до 10% электроэнергии, а с технологией предварительного подогрева шихты можно дополнительно снизить расход электроэнергии на 10%.