Гранулирование жидкого железа: экономичное решение для излишков горячего чугуна

Гранулирование жидкого железа

Гранулирование жидкого железа — это метод обработки излишков производства горячего чугуна в доменной печи (ДП), которые не могут быть потреблены сталелитием в цехе сталеплавления интегрированного металлургического комбината. Это экономичный метод производства твердого продукта, известного как гранулированное железо (ГЖ). ГЖ имеет хорошие химические и физические свойства, как у чугуна, и может использоваться как первичное сырье для сталелитья.

Характеристики гранулированного железа

ГЖ имеет химический состав, идентичный жидкому железу, которое гранулируется. В ГЖ нет окисления или захвата шлака, и оно имеет высокое металлическое содержание. На рис. 1 показаны образцы ГЖ.

Рис. 1 Гранулированное железо

Завод по гранулированию железа устраняет любое несоответствие между производством на доменном производстве и потребностью в жидком железе на сталелитейном производстве. Он логистически расположен между этими двумя производствами. Излишки жидкого железа из ДП направляются на завод ГЖ для производства гранулированного железа. Это устраняет необходимость снижения объема горячего дутья в ДП при производстве ГЖ, которое может использоваться как внутреннее сырье-охлаждающее добавка в конвертере, или для внешней продажи для использования в куполах, индукционных печах (ИП) и дуговых электропечах (ДЭП).

Заводы ГЖ могут быть построены и эксплуатированы с производительностью, соответствующей выпускам ДП. Они являются альтернативой машинам для отливки чугуна (МОЧ), но с значительно более высокой производительностью. Производительность даже двухструйных МОЧ ограничена из-за времени затвердевания жидкого железа в чугунных формах. МОЧ также требуют частого механического обслуживания вследствие сложной конструкции. ГЖ имеет идентичные свойства чугуну, но с дополнительным преимуществом: его можно перемещать в бункерных системах.

Четыре основных этапа процесса гранулирования

• Управление потоком жидкого железа к гранулятору
• Гранулирование путем образования капель жидкого железа и их быстрой закалки в воде
• Выгрузка затвердевшего и остывшего ГЖ, обычно воздушно-водяным эжектором
• Обезвоживание ГЖ и транспортировка на место хранения

Оборудование и процесс гранулирования

Оборудование может быть спроектировано для гранулирования больших партий жидкого железа и на скорости производства ДП. Принцип основан на теплообмене между жидким железом и охлаждающей водой. Тепло, выделяемое при охлаждении и затвердевании жидкого железа, передается охлаждающей воде, которая выносит тепло из процесса.

Для перемещения ковшей с жидким железом на гранулирующем заводе используется двухковшовая башенная поворотная установка, аналогичная турели, используемой на машине непрерывной литья. Туррель в сочетании с расплавителем может обеспечить бесшовную последовательную операцию на гранулирующем заводе без прерыва между ковшами с жидким железом.

Расплавители, используемые для гранулирования железа, являются стандартными расплавителями непрерывной литья с незначительными модификациями. Расплавители оснащены либо системой штока-затвором, либо заслонной системой. Это позволяет быстро остановить гранулирование в случае проблемы. Стандартная система может использоваться для управления скоростью гранулирования. Расплавитель и сопло обычно прогреваются в течение 20–30 минут перед началом гранулирования.

Гранулятор жидкого железа — сердце процесса. Он состоит из бака, содержащего воду, и распределителя жидкого железа. Основная функция распределителя — разбить поток жидкого железа на более мелкие частицы и равномерно распределить его по поверхности воды. Разбиение потока жидкого железа не только обеспечивает большую площадь поверхности для более быстрого охлаждения, но также распределяет жидкое железо по большей площади поверхности в грануляторе. Это также помогает избежать концентрации тепла в меньшем объеме воды и, таким образом, позволяет высокий расход жидкого железа. Распределитель жидкого железа является критическим оборудованием, так как он должен выдерживать термические шоки и длительное воздействие потока жидкого железа.

Внешняя поверхность капель жидкого железа затвердевает во время их движения от распределителя к поверхности воды и перед проникновением в воду. Оставшаяся внутренняя часть полужидкой капли, теперь гранула, закаляется при ударе о поверхность воды и начинает движение в объеме воды. В момент попадания гранул в воду они слегка деформируются, но не расщепляются, что позволяет избежать образования мелкой фракции.

Во время движения железных гранул через воду в гранулирующем баке тепло железа передается охлаждающей воде. Охлаждающая вода позволяет гранулам достичь температуры ниже 100 °C.

При скорости гранулирования 100 т/ч генерируемая тепловая нагрузка, передаваемая от жидкого железа к охлаждающей воде, составляет около 8 Мкал/сек. Водная система рассчитана на утилизацию этой величины тепловой нагрузки. В водной системе тепло распределяется в воде таким образом, чтобы обеспечить концентрацию тепла (тепло/объем) ниже критической концентрации для паровых взрывов.

Гранулирующий бак содержит достаточный объем воды, необходимый для размещения капель жидкого железа, образованных разбиением потока жидкого железа, и импульса удара потока жидкого железа о поверхность воды.

Конструкция и строительство водяного бака способствуют концентрации и выгрузке остывших кусков ГЖ из бака. Для выгрузки остывшего гранулированного железа обычно используются воздушно-водяные эжекторные системы.

Выгруженное затвердевшее ГЖ обезвоживается и транспортируется конвейерной лентой на складское помещение, где оно складируется в стопку для отгрузки.

Водная система охлаждения и обработки тщательно сбалансирована для обеспечения удаления большого количества тепла, добавляемого жидким железом, охлаждающей водой. Водная система обычно является замкнутым циклом технической водоснабжения. Поток охлаждающей воды в гранулирующем баке идет против току движению жидкого железа. Во время своего потока в гранулирующем баке вода забирает тепло жидкого железа и нагревается. Нагретая вода из гранулирующего бака удаляется и отправляется обратно в водообработку. Возвращаемая горячая техническая вода охлаждается либо в охлаждающей башне, либо через теплообменники.

Заводы по гранулированию жидкого железа обычно полностью автоматизированы, что позволяет управлять всей операцией с минимальным персоналом. Проходное время для гранулирования железа обычно составляет около 30–40 секунд и имеет выход процесса более 99%. Это хорошее улучшение по сравнению с более низкими выходами, получаемыми на МОЧ.

Важные характеристики процесса гранулирования жидкого железа

• Краткое время запуска для выполнения решений в последнюю минуту об отводе жидкого железа от сталелитейных производств
• Быстрое время обработки от жидкого железа до остывшего ГЖ
• Нет изменения химического анализа железа благодаря быстрой закалке
• Более 99% выхода процесса
• Надежный процесс с высокой доступностью и ограниченным обслуживанием благодаря использованию стандартного оборудования
• Простота эксплуатации
• Высокая производственная мощность, соответствующая выпуску ДП
• Производство первичного железного продукта, не требующего дополнительной обработки
• Низкое воздействие на окружающую среду
• Гибкая компоновка и возможность размещения в имеющемся пространстве
• Низкие эксплуатационные расходы
• Разумные инвестиционные затраты

Продукт — гранулированное железо

ГЖ имеет стабильные физические и химические свойства. Оно сочетает высокое металлическое содержание качественной лома с низким содержанием примесей первичных железных источников. С практической точки зрения, высокая насыпная плотность и физическая форма подходят для эффективной обработки материалов.

Химический состав ГЖ совпадает с составом жидкого железа. Типичный анализ: 4–4,5% углерода, 0,5–0,6% кремния и около 95–95,5% железа. Примеси (медь, никель, молибден, олово) — до 0,05% максимум.

ГЖ имеет компактную и маленькую форму сплюснутого шара, что обеспечивает высокую насыпную плотность около 4 т/м³. Размер ГЖ варьируется от 8 до 25 мм. ГЖ имеет большой угол естественного откоса, что позволяет эффективно транспортировать и хранить.

Некоторые характеристики ГЖ приведены ниже:

• Однородный состав
• Практически нет оксидного содержания
• Высокий металлический выход при сталелитье
• Очень хорошие свойства предварительного нагрева и быстрое плавление/растворение при добавке в металлургический процесс
• Содержит карбид железа в матрице, что полезно для замены лома в ДЭП
• Высокая насыпная плотность
• Инертен при транспортировке и хранении
• Имеет размер и форму, облегчающие перемещение конвейерной лентой, магнитом, фронтальным погрузчиком, бункерными системами и чугунным ковшом
• Имеет высокую физическую прочность и форму, исключающие сколы при перемещении и снижающие пыление
• Не проявляет пирофорного поведения, поэтому может транспортироваться и обрабатываться без опасения горения. Инертен при перевозке и хранении

Простота процесса затвердевания и охлаждения жидкого железа в сочетании с высокой производительностью, соответствующей стандартному выпуску ДП, делает процесс гранулирования железа пригодным для установки на интегрированных металлургических комбинатах.