RU2828712C1

RU2828712C1 - Method and device for production of directly reduced, carburized metal

Info

Publication number: RU2828712C1
Application number: RU2022110570A
Authority: RU
Inventors: Ханс Э.Х. МУРРЭЙ
Original assignee: Гринирон Х2 Аб
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2024-10-16

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to a method and a system for producing direct-reduced metal material. When producing direct-reduced metal material, loading the metal material into the furnace space, pumping out the existing atmosphere to achieve a gas pressure of less than 1 bar, providing heat and hydrogen gas so that heated hydrogen gas heats the loaded metal material to a temperature high enough to reduce metal oxides present in the metal material, which causes formation of water vapor. Wherein the supply of gaseous hydrogen is carried out so that inside the furnace space a pressure of more than 1 bar is created, and without recirculation of hydrogen gas during reduction of metal material so that hydrogen gas is supplied to the furnace, but is not removed from it during reduction, wherein hydrogen gas is supplied to the upper part of the furnace space. Before pumping gases from the furnace space back to atmospheric pressure, the formed water vapor is condensed and collected. Before pumping gases from the furnace space back to atmospheric pressure, carbon-containing gas is supplied to the upper part of the furnace space, so that the heated and reduced metal material is carbonized with the said carbon-containing gas.

EFFECT: disclosed is a method and a device for producing straight-reduced carbonised metal.

15 cl, 8 dwg, 3 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для производства прямовосстановленного и науглероженного металла и, в частности, прямовосстановленного железа (также известного как губчатое железо), которое также науглероживается. В частности, настоящее изобретение относится к прямому восстановлению металлической руды в контролируемой атмосфере водорода для получения такого прямовосстановленного металла, а также к предоставлению углеродсодержащего газа как части того же процесса науглероживания восстановленного металлического материала.The present invention relates to a method and apparatus for producing a directly reduced and carburized metal and, in particular, directly reduced iron (also known as sponge iron) which is also carburized. In particular, the present invention relates to the direct reduction of a metal ore in a controlled hydrogen atmosphere to produce such a directly reduced metal, as well as to the provision of a carbon-containing gas as part of the same process for carburizing the reduced metallic material.

Производство прямовосстановленного металла с использованием водорода в качестве восстановителя хорошо известно само по себе. Например, в SE 7406174-8 и SE 7406175-5 описаны способы, в которых шихта металлической руды подвергается воздействию водородной атмосферы, протекающей мимо шихты, которая в результате восстанавливается с образованием прямовосстановленного металла.The production of directly reduced metal using hydrogen as a reducing agent is well known in itself. For example, SE 7406174-8 and SE 7406175-5 describe methods in which a batch of metallic ore is exposed to a hydrogen atmosphere flowing past the batch, which is then reduced to form directly reduced metal.

Кроме того, в шведской заявке SE 1950403-4, которая не была опубликована на дату приоритета настоящей заявки, раскрыт способ прямого восстановления металлического материала в закрытой атмосфере водорода.In addition, Swedish application SE 1950403-4, which was not published at the priority date of the present application, discloses a method for the direct reduction of a metallic material in a closed hydrogen atmosphere.

Настоящее изобретение в частности применимо в случае периодической загрузки и обработки материала, подлежащего восстановлению и науглероживанию.The present invention is particularly applicable in the case of periodic loading and processing of material to be reduced and carburized.

Существует несколько проблем предшествующего уровня техники, включая эффективность в отношении тепловых потерь, а также использование газообразного водорода. Существует также проблема контроля, поскольку необходимо определить, когда процесс восстановления завершен.There are several problems with the prior art, including efficiency in terms of heat loss, as well as the use of hydrogen gas. There is also a control problem, as it is necessary to determine when the reduction process is complete.

Кроме того, известные способы науглероживания металлического материала включают использование окиси углерода в качестве источника науглероживающего углерода. Это приводит к образованию и выделению диоксида углерода и, как правило, также к образованию окиси углерода.In addition, known methods for carburizing metallic material include the use of carbon monoxide as a source of carburizing carbon. This results in the formation and release of carbon dioxide and, as a rule, also the formation of carbon monoxide.

Следовательно, было бы желательно получить термически и энергетически эффективный способ прямого восстановления и науглероживания металлического материала, который не приводит к выбросу в атмосферу окиси или диоксида углерода.It would therefore be desirable to obtain a thermally and energetically efficient method for the direct reduction and carburization of metallic material that does not result in the emission of carbon monoxide or dioxide into the atmosphere.

Настоящее изобретение решает вышеописанные проблемы.The present invention solves the above-described problems.

Таким образом, изобретение относится к способу получения прямовосстановленного металлического материала, включающему стадии: а) загрузки металлического материала, подлежащего восстановлению, в пространство печи; b) откачивания существующей атмосферы из пространства печи для достижения давления газа менее чем 1 бар внутри пространства печи; с) подачи тепла и газообразного водорода в пространство печи, так что нагретый газообразный водород нагревает загруженный металлический материал до температуры, достаточно высокой, чтобы оксиды металлов, присутствующие в металлическом материале, восстанавливались, в свою очередь, вызывая образование водяного пара, где подачу газообразного водорода проводят так, чтобы внутри пространства печи создавалось давление более 1 бар; и d) перед откачиванием газов из пространства печи обратно до атмосферного давления, конденсирования и сбора водяного пара, образующегося на стадии с, в конденсатор под загруженным металлическим материалом; где способ отличается тем, что способ дополнительно включает стадию е) перед откачиванием газов из пространства печи обратно до атмосферного давления, подачи углеродсодержащего газа в пространство печи, так, чтобы нагретый и восстановленный металлический материал науглероживался указанным углеродсодержащим газом.The invention thus relates to a method for producing a directly reduced metallic material comprising the steps of: a) loading a metallic material to be reduced into a furnace space; b) evacuating the existing atmosphere from the furnace space to achieve a gas pressure of less than 1 bar inside the furnace space; c) supplying heat and hydrogen gas to the furnace space such that the heated hydrogen gas heats the loaded metallic material to a temperature high enough for metal oxides present in the metallic material to be reduced, in turn causing the formation of water vapor, wherein the supply of hydrogen gas is carried out such that a pressure of more than 1 bar is created inside the furnace space; and d) before evacuating the gases from the furnace space back to atmospheric pressure, condensing and collecting the water vapor formed in step c in a condenser under the loaded metallic material; wherein the method is characterized in that the method additionally includes the step e) before pumping gases from the furnace space back to atmospheric pressure, feeding a carbon-containing gas into the furnace space so that the heated and reduced metallic material is carburized by the said carbon-containing gas.

Изобретение также относится к системе для производства прямовосстановленного металлического материала, содержащей закрытое пространство печи, предназначенное для приема загружаемого металлического материала, подлежащего восстановлению; средства для откачивания атмосферы, предназначенные для откачивания существующей атмосферы из пространства печи, чтобы достичь давления газа менее 1 бар внутри пространства печи; средства для подачи тепла и водорода, предназначенные для подачи тепла и газообразного водорода в пространство печи; устройство управления, предназначенное для управления средствами подачи тепла и водорода таким образом, чтобы нагретый газообразный водород нагревал загруженный металлический материал до температуры, достаточно высокой, чтобы оксиды металлов, присутствующие в металлическом материале, восстанавливались, в свою очередь, вызывая образование водяного пара, где подача газообразного водорода осуществляется таким образом, чтобы внутри пространства печи создавалось давление более 1 бар; и средства охлаждения и сбора, расположенные под загруженным металлическим материалом, предназначенные для конденсации и сбора водяного пара перед откачкой газов из пространства печи обратно до атмосферного давления, где система отличается тем, что система дополнительно содержит средство подачи углеродсодержащего газа, предназначенное для подачи углеродсодержащего газа в пространство печи, и тем, что устройство управления предназначено для управления средствами подачи углеродсодержащего газа для подачи углеродсодержащего газа перед откачкой газов из пространства печи обратно до атмосферного давления, так что нагретый и восстановленный металлический материал науглероживается упомянутым углеродсодержащим газом.The invention also relates to a system for producing a directly reduced metallic material comprising a closed furnace space intended to receive a loaded metallic material to be reduced; atmosphere evacuation means intended to evacuate the existing atmosphere from the furnace space in order to achieve a gas pressure of less than 1 bar inside the furnace space; heat and hydrogen supply means intended to supply heat and hydrogen gas to the furnace space; a control device intended to control the heat and hydrogen supply means in such a way that the heated hydrogen gas heats the loaded metallic material to a temperature high enough for the metal oxides present in the metallic material to be reduced, in turn causing the formation of water vapour, wherein the supply of hydrogen gas is carried out in such a way that a pressure of more than 1 bar is created inside the furnace space; and cooling and collecting means located under the loaded metallic material, intended to condense and collect water vapor before pumping the gases out of the furnace space back to atmospheric pressure, where the system is characterized in that the system further comprises a carbon-containing gas supply means intended to supply carbon-containing gas into the furnace space, and in that the control device is intended to control the carbon-containing gas supply means for supplying carbon-containing gas before pumping the gases out of the furnace space back to atmospheric pressure, so that the heated and reduced metallic material is carburized by said carbon-containing gas.

Далее изобретение будет подробно описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления изобретения и прилагаемые чертежи, на которых:The invention will now be described in detail with reference to illustrative embodiments of the invention and the accompanying drawings, in which:

Фигура 1а представляет поперечное сечение упрощенной печи для использования в системе по настоящему изобретению по время первого режима работы;Figure 1a is a cross-sectional view of a simplified furnace for use in the system of the present invention during a first mode of operation;

Фигура 1b представляет поперечное сечение упрощенной печи, показанной на фигуре 1а, во время второго режима работы;Figure 1b is a cross-sectional view of the simplified furnace shown in Figure 1a during a second mode of operation;

Фигура 2 представляет схематический обзор системы по настоящему изобретению;Figure 2 is a schematic overview of the system of the present invention;

Фигура 3 представляет блок-схему способа по настоящему изобретению;Figure 3 is a flow chart of the method of the present invention;

Фигура 4а представляет схематическую диаграмму, показывающую возможную зависимость между парциальным давлением Н₂, парциальным давлением науглероживающего газа и температурой в нагретом пространстве печи по первому варианту осуществления настоящего изобретения;Figure 4a is a schematic diagram showing a possible relationship between the partial pressure of _H2 , the partial pressure of the carburizing gas and the temperature in the heated space of the furnace according to the first embodiment of the present invention;

Фигура 4b представляет схематическую диаграмму, показывающую возможную зависимость между парциальным давлением Н₂, парциальным давлением науглероживающего газа и температурой в нагретом пространстве печи по второму варианту осуществления настоящего изобретения;Figure 4b is a schematic diagram showing a possible relationship between the partial pressure of _H2 , the partial pressure of the carburizing gas and the temperature in the heated space of the furnace according to the second embodiment of the present invention;

Фигура 4с представляет схематическую диаграмму, показывающую возможную зависимость между парциальным давлением Н₂, парциальным давлением науглероживающего газа и температурой в нагретом пространстве печи по третьему варианту осуществления настоящего изобретения; иFigure 4c is a schematic diagram showing a possible relationship between the partial pressure of _H2 , the partial pressure of the carburizing gas and the temperature in the heated space of the furnace according to the third embodiment of the present invention; and

Фигура 5 представляет график, показывающий восстановительную способность Н₂ по отношению к металлическому материалу, подлежащему восстановлению, в зависимости от температуры.Figure 5 is a graph showing the reducing power of _H2 towards the metallic material to be reduced as a function of temperature.

Фигуры 1а и 1b имеют одинаковые номера позиций для одних и тех же частей.Figures 1a and 1b have the same reference numbers for the same parts.

Таким образом, на фигурах 1а и 1b показана печь 100 для производства прямовосстановленного и науглероженного металлического материала. На фигуре 2 показаны две такие печи 210, 220. Печи 210, 220 могут быть идентичны печи 100 или отличаться в деталях. Однако необходимо понимать, что все, что здесь сказано относительно печи 100, в равной степени применимо к печам 210 и/или 220, и наоборот.Thus, in Figures 1a and 1b, a furnace 100 for producing a directly reduced and carburized metallic material is shown. In Figure 2, two such furnaces 210, 220 are shown. The furnaces 210, 220 may be identical to the furnace 100 or may differ in detail. However, it should be understood that everything said herein with respect to the furnace 100 applies equally to the furnaces 210 and/or 220, and vice versa.

Кроме того, понятно, что все, что здесь сказано относительно настоящего способа, в равной степени применимо к настоящей системе 200 и/или печи 100; 210, 220 и наоборот.Furthermore, it is understood that everything said herein with respect to the present method applies equally to the present system 200 and/or furnace 100; 210, 220 and vice versa.

Печь 100 сама по себе имеет много общего с печами, описанными в SE 7406174-8 и SE 7406175-5, и в этих документах делается ссылка на возможные детали дизайна. Однако важным отличием этих печей от настоящей печи 100 является то, что настоящая печь 100 не предназначена для работы таким образом, чтобы газообразный водород рециркулировал через печь 100 и обратно в сборную емкость, расположенную снаружи печи 100, и, в частности, не таким образом, чтобы газообразный водород рециркулировал из печи 100 (или нагретого пространства печи 120) и затем обратно в печь 100 (или нагретое пространство печи 120) в ходе одной и той же периодической обработки загруженного материала, подлежащего восстановлению.The furnace 100 itself has much in common with the furnaces described in SE 7406174-8 and SE 7406175-5, and reference is made in these documents to possible design details. However, an important difference between these furnaces and the present furnace 100 is that the present furnace 100 is not designed to operate in such a way that hydrogen gas is recirculated through the furnace 100 and back to a collection vessel located outside the furnace 100, and in particular not in such a way that hydrogen gas is recirculated from the furnace 100 (or the heated space of the furnace 120) and then back to the furnace 100 (or the heated space of the furnace 120) during the same periodic treatment of the charged material to be reduced.

Вместо этого, как будет видно из приведенного ниже описания, печь 100 выполнена с возможностью периодического восстановления и науглероживания одной загрузки материала за один раз, и для работы во время такой отдельной периодической обработки в виде закрытой системы, в том смысле, что газообразный водород подают в печь 100, но не удаляют из нее во время периодического процесса восстановления и науглероживания; и что углеродсодержащий газ подают в печь 100, но не удаляют из нее во время периодического процесса восстановления и науглероживания.Instead, as will be apparent from the description below, the furnace 100 is configured to periodically reduce and carburize one charge of material at a time, and to operate during such separate periodic treatment as a closed system, in the sense that hydrogen gas is supplied to, but not removed from, the furnace 100 during the periodic reduction and carburization process; and that carbon-containing gas is supplied to, but not removed from, the furnace 100 during the periodic reduction and carburization process.

Это означает, что количество газообразного водорода, присутствующего внутри печи 100, всегда увеличивается во время процесса восстановления. После завершения восстановления, газообразный водород, конечно же, откачивается из печи 100, но рециркуляция газообразного водорода во время восстановления не происходит. В некоторых вариантах осуществления, как станет ясно в дальнейшем, соответствующее также справедливо и для углеродсодержащего газа.This means that the amount of hydrogen gas present inside the furnace 100 always increases during the reduction process. After the reduction is complete, the hydrogen gas is of course pumped out of the furnace 100, but no recirculation of the hydrogen gas occurs during the reduction. In some embodiments, as will become clear below, this also holds true for the carbon-containing gas.

Таким образом, печь 100 является частью закрытой системы, включающей нагретое пространство печи 120, в котором создается давление, например, до давления более 1 бар, например, до давления, по меньшей мере, 1,5 бар или, по меньшей мере, 2 бар, или, по меньшей мере, 3 бар, или, по меньшей мере, 4 бар, или, по меньшей мере, 5 бар, или даже, по меньшей мере, 6 бар. В любом случае пространство печи 120 сконструировано таким образом, чтобы выдерживать описанные здесь рабочие давления. Верхняя часть 110 печи 100 имеет форму колокола. Она может открываться для загрузки обрабатываемого материала и может быть газонепроницаемо закрыта с помощью крепежных средств 111. Пространство печи 120 герметизировано огнеупорным материалом, например кирпичным материалом 130.Thus, the furnace 100 is part of a closed system, which includes a heated furnace space 120, in which pressure is created, for example, to a pressure of more than 1 bar, for example to a pressure of at least 1.5 bar, or at least 2 bar, or at least 3 bar, or at least 4 bar, or at least 5 bar, or even at least 6 bar. In any case, the furnace space 120 is designed in such a way as to withstand the working pressures described herein. The upper part 110 of the furnace 100 has the shape of a bell. It can be opened for loading the material to be processed and can be gas-tightly closed by means of fastening means 111. The furnace space 120 is sealed with a refractory material, for example a brick material 130.

Если не указано иное, термин «давление» в настоящем документе относится к общему давлению газа, в частности, внутри пространства печи 120, в отличие от «парциального давления», относящегося к парциальному давлению конкретного газа.Unless otherwise specified, the term "pressure" as used herein refers to the total pressure of a gas, particularly within the furnace space 120, as opposed to "partial pressure," which refers to the partial pressure of a particular gas.

Кроме того, поскольку атмосферное давление составляет примерно 1 бар, выражение "давление более 1 бар" и "давление выше атмосферного давления" имеют одинаковое значение. Соответственно, выражение "давление менее 1 бар" и "давление ниже атмосферного давления» также имеют одинаковые значения.In addition, since atmospheric pressure is approximately 1 bar, the expression "pressure greater than 1 bar" and "pressure higher than atmospheric pressure" have the same meaning. Accordingly, the expression "pressure less than 1 bar" and "pressure lower than atmospheric pressure" also have the same meaning.

Пространство печи 120 выполнено с возможностью нагревания с применением одного или нескольких нагревательных элементов 121. Предпочтительно, нагревательные элементы 121 представляют собой электрические нагревательные элементы. Однако также могут использоваться радиаторные трубки для сжигания или подобные топливно-нагревательные элементы. Нагревательные элементы 121, однако, не производят каких-либо газообразных продуктов сгорания, которые непосредственно химически взаимодействуют с пространством печи 120, которое для настоящих целей должно поддерживаться под химическим контролем. Предпочтительно, чтобы единственное газообразное вещество, поступающее в пространство печи во время нижеописанного основного процесса нагрева, являлось газообразным водородом и любой углеродсодержащий газ, используемый в качестве источника углерода для науглероживания металлического материала.The furnace space 120 is designed to be heated using one or more heating elements 121. Preferably, the heating elements 121 are electrical heating elements. However, radiator tubes for combustion or similar fuel-heating elements can also be used. The heating elements 121, however, do not produce any gaseous combustion products that directly chemically interact with the furnace space 120, which for the present purposes must be maintained under chemical control. Preferably, the only gaseous substance entering the furnace space during the main heating process described below is hydrogen gas and any carbon-containing gas used as a carbon source for carburizing the metallic material.

Нагревательные элементы 121 предпочтительно могут быть изготовлены из жаропрочного металлического материала, такого как сплав молибдена.The heating elements 121 may preferably be made of a heat-resistant metallic material, such as a molybdenum alloy.

Дополнительные нагревательные элементы также могут быть расположены в нагреваемом пространстве печи 120. Например, нагревательные элементы, аналогичные элементам 121, могут быть представлены на боковых стенках пространства печи 120, например, на высоте, соответствующей загружаемому материалу или, по меньшей мере, емкости 140. Такие нагревательные элементы могут способствовать нагреву не только газа, но и загруженного материала за счет теплового излучения.Additional heating elements can also be located in the heated space of the furnace 120. For example, heating elements similar to elements 121 can be provided on the side walls of the space of the furnace 120, for example at a height corresponding to the loaded material or at least the container 140. Such heating elements can contribute to heating not only the gas, but also the loaded material due to thermal radiation.

Печь 100 также содержит нижнюю часть 150, образующую герметичную емкость вместе с верхней частью 110, когда печь закрыта с помощью крепежных средств 111.The furnace 100 also comprises a lower portion 150 which forms a sealed container together with the upper portion 110 when the furnace is closed by means of fastening means 111.

Емкость 140 для обрабатываемого материала (восстановления и науглероживания) находится в нижней части 150 печи 100. Емкость 140 может быть установлена с поддержкой на огнеупорном полу пространства печи 120 таким образом, чтобы газ мог проходить под емкостью 140, например, вдоль открытых или закрытых каналов 172, образованных в указанном поле, где указанные каналы 172 проходят от входного трубопровода 171 для газообразного водорода и углеродсодержащего газа, например, из центральной части пространства печи 120 на указанном поде печи, радиально наружу к радиальной периферии пространства печи 120 и затем вверх к верхней части пространства печи 120. См. стрелки потока, указанные на фигуре 1а, для этих потоков во время описанного ниже начальной стадии и основной стадии восстановления и науглероживания.A container 140 for the material to be processed (reduction and carburization) is located in the lower part 150 of the furnace 100. The container 140 can be mounted with support on the refractory floor of the furnace space 120 in such a way that gas can pass under the container 140, for example, along open or closed channels 172 formed in said field, where said channels 172 extend from an inlet pipeline 171 for hydrogen gas and a carbon-containing gas, for example, from a central part of the furnace space 120 on said furnace hearth, radially outward to a radial periphery of the furnace space 120 and then upward to the upper part of the furnace space 120. See the flow arrows indicated in Figure 1a for these flows during the initial stage and the main stage of reduction and carburization described below.

Емкость 140 предпочтительно имеет открытую конструкцию, что означает, что газ может свободно проходить, по меньшей мере, через низ/дно емкости 140. Этого можно добиться, например, путем образования отверстий в дне емкости 140.The container 140 preferably has an open structure, which means that the gas can freely pass through at least the bottom/lower end of the container 140. This can be achieved, for example, by forming openings in the bottom of the container 140.

Перерабатываемый материал содержит оксид металла, предпочтительно оксид железа, такой как Fe₂O₃ и/или Fe₃O₄. Материал может быть гранулированным, например, в виде гранул или шариков. Одним из подходящих материалов для загрузки для периодического восстановления являются шарики прокатанной железной руды, которые были прокатаны в воде до диаметра шарика около 1-1,5 см. Если такая железная руда дополнительно содержит оксиды, которые испаряются при температурах ниже конечной температуры загружаемого материала в настоящем способе, такие оксиды могут конденсироваться в конденсаторе 160 и легко собираться в виде порошка. Такие оксиды могут включать оксиды металлов, такие как оксиды Zn и Pb.The material to be processed comprises a metal oxide, preferably an iron oxide such as Fe ₂ O ₃ and/or Fe ₃ O ₄ . The material may be granular, such as in the form of granules or balls. One suitable feed material for periodic reduction is rolled iron ore balls that have been rolled in water to a ball diameter of about 1-1.5 cm. If such iron ore further comprises oxides that evaporate at temperatures below the final temperature of the feed material in the present method, such oxides may condense in the condenser 160 and be easily collected as a powder. Such oxides may include metal oxides such as Zn and Pb oxides.

Преимущественно, пространство печи 120 не загружается очень большими количествами материала, подлежащего восстановлению. Каждую печь 100 предпочтительно загружают максимум 50 тоннами, например, максимум 25 тоннами, например, между 5 и 10 тоннами, в каждой партии. Эта загрузка может храниться в одной единственной емкости 140 внутри пространства печи 120. В зависимости от требований к пропускной способности несколько печей 100 могут использоваться параллельно, и остаточное тепло от партии в одной печи 220 затем может использоваться для предварительного нагрева другой печи 210 (см. фигуру 2 и ниже).Advantageously, the furnace space 120 is not loaded with very large quantities of material to be reduced. Each furnace 100 is preferably loaded with a maximum of 50 tons, for example a maximum of 25 tons, for example between 5 and 10 tons, in each batch. This load can be stored in a single container 140 within the furnace space 120. Depending on the throughput requirements, several furnaces 100 can be used in parallel, and the residual heat from a batch in one furnace 220 can then be used to preheat another furnace 210 (see Figure 2 and below).

Это дает систему 200, подходящую для установки и использования непосредственно на горнодобывающей площадке, не требующую дорогостоящей транспортировки руды перед восстановлением. Вместо этого можно производить прямовосстановленный и науглероженный металлический материал на месте, упаковывать в защитной атмосфере и транспортировать в другое место для дальнейшей обработки.This makes the 200 system suitable for installation and use directly at the mining site, without the need for expensive transportation of ore prior to reduction. Instead, the directly reduced and carburized metal material can be produced on site, packaged in a protective atmosphere, and transported to another location for further processing.

Следовательно, в случае прокатанных в воде шариков железной руды, предполагается, что печь 100 может быть установлена в соединении с системой производства шариков из железной руды, так что загрузка металлического материала в печь 100 в емкость 140 может производиться полностью автоматизированным способом, где емкости 140 автоматически циркулируют из системы производства шариков из железной руды в систему 100 и обратно, заполняясь шариками из железной руды, подлежащими восстановлению и науглероживанию; вводятся в пространство печи 120; подвергаются восстановлению и науглероживанию водородом/теплом/углеродосодержащим газом, описанным в настоящем документе; удаляются из пространства печи 120 и опорожняются; возвращаются в систему производства шариков из железной руды; снова заполняются; и так далее. Можно использовать больше емкостей 140, чем печей 100, так, что при каждой смене партии восстановленная и науглероженная шихта в конкретной емкости немедленно заменяется в печи 100 другой емкостью, содержащей материал, еще не восстановленный и не науглероженный. Такая большая система, например, на руднике, может быть реализована полностью автоматизированной, а также очень гибкой с точки зрения пропускной способности, с использованием нескольких меньших печей 100, а не одной очень большой печи.Therefore, in the case of water-rolled iron ore balls, it is contemplated that the furnace 100 may be installed in connection with the iron ore ball production system, so that the loading of the metallic material into the furnace 100 into the container 140 can be carried out in a fully automated manner, wherein the containers 140 automatically circulate from the iron ore ball production system to the system 100 and back, filling with iron ore balls to be reduced and carburized; introduced into the space of the furnace 120; subjected to reduction and carburization with hydrogen/heat/carbon-containing gas described herein; removed from the space of the furnace 120 and emptied; returned to the iron ore ball production system; filled again; and so on. It is possible to use more 140 tanks than 100 furnaces, so that at each batch change the reduced and carburized charge in a particular tank is immediately replaced in the 100 furnace by another tank containing material not yet reduced and carburized. Such a large system, for example in a mine, can be realized fully automated and also very flexible in terms of throughput, using several smaller 100 furnaces rather than one very large furnace.

Под емкостью 140, печь 100 содержит теплообменник 160 типа газ-газ, который, предпочтительно может, представлять собой трубчатый теплообменник, известный сам по себе. Теплообменник 160 предпочтительно представляет собой теплообменник противоточного типа. К теплообменнику 160, расположенному ниже теплообменника 160, присоединен закрытый желоб 161 для сбора и размещения конденсированной воды из теплообменника 160. Желоб 161 также сконструирован таким образом, чтобы выдерживать рабочее давление пространства печи 120 газонепроницаемым образом.Below the container 140, the furnace 100 comprises a heat exchanger 160 of the gas-gas type, which may preferably be a tubular heat exchanger known per se. The heat exchanger 160 is preferably a counter-current type heat exchanger. A closed trough 161 is connected to the heat exchanger 160, located below the heat exchanger 160, for collecting and placing condensed water from the heat exchanger 160. The trough 161 is also designed in such a way as to withstand the working pressure of the space of the furnace 120 in a gas-tight manner.

Теплообменник 160 соединен с пространством печи 120, так что холодные/охлажденные газы, предпочтительно поступающие в пространство печи 120, проходят теплообменник 160 по расположенным снаружи/периферийно теплообменным трубкам и далее по указанным каналам 172 до нагревательного элемента 121. Затем нагретые газы, выходящие из пространства печи 120, после прохождения и нагрева загружаемого материала (см. ниже), проходят через теплообменник 160 через расположенные внутри/центрально теплообменные трубки, тем самым нагревая указанные холодные/охлажденные газы. Следовательно, входящие газы нагревают входящие газы как за счет теплопередачи из-за разницы температур между ними, так и за счет теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в выходящих газах, эффективно нагревая входящие газы.The heat exchanger 160 is connected to the space of the furnace 120, so that the cold/cooled gases, preferably entering the space of the furnace 120, pass the heat exchanger 160 through the heat exchange tubes located outside/peripherally and then through the said channels 172 to the heating element 121. Then, the heated gases leaving the space of the furnace 120, after passing and heating the loaded material (see below), pass through the heat exchanger 160 through the heat exchange tubes located inside/centrally, thereby heating the said cold/cooled gases. Therefore, the incoming gases heat the incoming gases both due to heat transfer due to the temperature difference between them and due to the heat of condensation of water vapor contained in the outgoing gases, effectively heating the incoming gases.

Образовавшийся водяной конденсат от выходящих газов собирается в желобе 161.The resulting water condensate from the outgoing gases is collected in trough 161.

Печь 100 может содержать набор датчиков температуры и/или давления в желобе 161 (122); на дне пространства печи 120, например, под емкостью 140 (123) и/или в верхней части пространства печи 120 (124). Эти датчики могут использоваться блоком управления 201 для управления процессом восстановления и науглероживания, как будет описано ниже.The furnace 100 may comprise a set of temperature and/or pressure sensors in the trough 161 (122); at the bottom of the furnace space 120, for example, under the container 140 (123) and/or in the upper part of the furnace space 120 (124). These sensors may be used by the control unit 201 to control the reduction and carburization process, as will be described below.

171 означает входной трубопровод для нагревающего/охлаждающего газа. 173 означает выходной трубопровод для отработанного охлаждающего газа.171 means the inlet pipe for heating/cooling gas. 173 means the outlet pipe for exhaust cooling gas.

Между желобом 161 и входным трубопроводом 171 может быть канал уравновешивания избыточного давления 162 с клапаном 163. В случае, когда заранее определенная разница давления, такая как разница давления, по меньшей мере, 1 бар, создается в желобе 161 из-за больших количеств воды, протекающей в желоб 161, так, что разница давления может быть частично или полностью выровнена выпуском газа во входной трубопровод 171. Клапан 163 может представлять собой простой клапан избыточного давления, установленный таким образом, чтобы открываться, когда давление в желобе 161 выше, чем указанная предварительно определенная разница давления по отношению к давлению в трубопроводе 171. Альтернативно, клапан может управляться устройством управления 201 (ниже) на основе измерения датчика давления 122.Between the trough 161 and the inlet pipeline 171 there may be a channel for balancing excess pressure 162 with a valve 163. In the case where a predetermined pressure difference, such as a pressure difference of at least 1 bar, is created in the trough 161 due to large quantities of water flowing into the trough 161, so that the pressure difference can be partially or completely equalized by releasing gas into the inlet pipeline 171. The valve 163 may be a simple excess pressure valve installed in such a way as to open when the pressure in the trough 161 is higher than said predetermined pressure difference in relation to the pressure in the pipeline 171. Alternatively, the valve may be controlled by the control device 201 (below) based on the measurement of the pressure sensor 122.

Конденсированная вода может быть направлена из конденсатора/теплообменника 160 вниз в желоб через носок 164 или аналогичный, выливаясь на дно желоба 161, например, в местной нижней точке 165 желоба, предпочтительно, так, чтобы отверстие указанного носка 164 было расположено полностью под основным дном 166 желоба 161, как показано на фигуре 1а. Это уменьшит турбулентность воды в желобе 161, обеспечивая более контролируемые рабочие условия.The condensed water may be directed from the condenser/heat exchanger 160 down into the trough through a spigot 164 or the like, spilling onto the bottom of the trough 161, for example, at a local low point 165 of the trough, preferably so that the opening of said spigot 164 is located completely under the main bottom 166 of the trough 161, as shown in Figure 1a. This will reduce the turbulence of the water in the trough 161, providing more controlled operating conditions.

Желоб 161 предпочтительно имеет такие размеры, чтобы он мог принимать и вмещать всю воду, образующуюся во время восстановления загруженного материала. Таким образом, размер желоба 161 можно адаптировать к типу и объему одной партии восстановленного материала. Например, при полном восстановления и 1000 кг Fe₃O₄, в результате образуется 310 литров воды, и при полном восстановлении 1000 кг Fe₂O₃, в результате образуется 338 литров воды.The trough 161 is preferably sized to receive and contain all the water generated during the reduction of the loaded material. In this way, the size of the trough 161 can be adapted to the type and volume of one batch of the reduced material. For example, with full reduction of 1000 kg of Fe ₃ O ₄ , 310 liters of water are formed as a result, and with full reduction of 1000 kg of Fe ₂ O ₃ , 338 liters of water are formed as a result.

На фигуре 2 показана система 200, в которой может использоваться печь типа, показанного на фигуре 1а и 1b. В частности, одна или обе печи 210 и 220 могут быть типа, показанного на фигуре 1а и 1b, или, по меньшей мере, согласно настоящему пункту 1.Figure 2 shows a system 200, in which a furnace of the type shown in Figure 1a and 1b can be used. In particular, one or both furnaces 210 and 220 can be of the type shown in Figure 1a and 1b, or at least according to this paragraph 1.

230 означает теплообменник типа газ-газ. 240 означает теплообменник типа газ-вода. 250 означает вентилятор. 260 означает вакуумный насос.270 означает компрессор. 280 означает емкость для отработанного газообразного водорода. 290 означает емкость для свежего/неиспользованного газообразного водорода. 310 означает емкость для свежего/неиспользованного углеродсодержащего газа. 320 означает емкость для использованного углеродсодержащего газа, такого как смесь газа типа, хранящегося в емкости 310, и газообразного водорода. V1-V19 означают клапаны.230 means gas-gas type heat exchanger. 240 means gas-water type heat exchanger. 250 means fan. 260 means vacuum pump. 270 means compressor. 280 means waste hydrogen gas tank. 290 means fresh/unused hydrogen gas tank. 310 means fresh/unused carbon-containing gas tank. 320 means waste carbon-containing gas tank, such as a mixture of gas of the type stored in tank 310 and hydrogen gas. V1-V19 mean valves.

201 означает устройство управления, которое соединено сдатчиками 122, 123, 124 и клапанами V1-V19, и которое в целом приспособлено для управления описанными в настоящем документе процессами. Устройство управления 201 также может быть подключено к пользовательскому устройству управления, такому как графический пользовательский интерфейс, предоставляемый компьютером (не показан) пользователю системы 200 для контроля и дальнейшего управления.201 means a control device that is connected to the sensors 122, 123, 124 and the valves V1-V19, and which is generally adapted to control the processes described in this document. The control device 201 can also be connected to a user control device, such as a graphical user interface provided by a computer (not shown) to the user of the system 200 for monitoring and further control.

На фигуре 3 показан способ согласно настоящему изобретению, в котором используется система 100 типа, в целом показанного на фигуре 3, и, в частности, печи 100 типа, в целом изображенного на фигурах 1а и 1b. В частности, способ предназначен для получением прямовосстановленного и науглероженного металлического материала с использованием газообразного водорода в качестве восстанавливающего агента и углеродсодержащего газа в качестве источника углерода для науглероживания.Figure 3 shows a method according to the present invention, which uses a system 100 of the type generally shown in Figure 3 and, in particular, a furnace 100 of the type generally shown in Figures 1a and 1b. In particular, the method is intended for producing a directly reduced and carburized metallic material using hydrogen gas as a reducing agent and a carbon-containing gas as a carbon source for carburization.

После такого прямого восстановления и науглероживания, металлический материал может образовывать науглероженный губчатый металл. В частности, металлический материал может представлять собой материал на основе оксида железа, и полученный продукт после прямого восстановления может представлять собой науглероженное губчатое железо. Полученный восстановленный, науглероженный металлический материал затем можно использовать на последующих стадиях способа для производства стали и так далее.After such direct reduction and carburization, the metallic material can form a carburized sponge metal. In particular, the metallic material can be an iron oxide-based material, and the resulting product after direct reduction can be a carburized sponge iron. The resulting reduced, carburized metallic material can then be used in subsequent stages of the method for producing steel, and so on.

На первой стадии, способ запускается.At the first stage, the method is launched.

На следующей стадии, металлический материал, подлежащий восстановлению, загружается в пространство 120 печи. Эта загрузка может происходить путем помещения загруженной емкости 140 в пространство печи 120 в направлении, показанном на фигуре 1а и 1b, и пространство печи 120 затем может быть закрыто и загерметизировано газонепроницаемым образом с помощью крепежных средств 111.In the next step, the metal material to be reduced is loaded into the furnace space 120. This loading can take place by placing the loaded container 140 into the furnace space 120 in the direction shown in Figure 1a and 1b, and the furnace space 120 can then be closed and sealed in a gas-tight manner using fastening means 111.

На последующей стадии, существующая атмосфера откачивается из пространства печи 120, так что внутри пространства печи 120 достигается давление газа менее 1 бар. Необходимо отметить, что такое более низкое давление газа ниже, чем атмосферное давление. Это может происходить за счет того, что клапаны 1-8, 11 и 13-19 закрыты, и клапаны 9-10 и 12 открыты, и вакуумный насос отсасывает и, следовательно, откачивает содержащуюся в пространстве печи 120 атмосферу через трубопровод, проходящий через 240 и 250. Затем клапан 9 может быть открыт, чтобы такие откачанные газы могли вытекать в окружающую атмосферу в случае, если пространство печи 120 заполнено воздухом. Если пространство печи 120 заполнено использованным водородом и/или углеродсодержащим газом, они вместо этого откачиваются в емкость 280 или 320, в зависимости от обстоятельств.In a subsequent step, the existing atmosphere is evacuated from the furnace space 120, so that a gas pressure of less than 1 bar is achieved inside the furnace space 120. It should be noted that such a lower gas pressure is lower than the atmospheric pressure. This can be achieved by the fact that the valves 1-8, 11 and 13-19 are closed, and the valves 9-10 and 12 are open, and the vacuum pump sucks and, therefore, evacuates the atmosphere contained in the furnace space 120 through the pipeline passing through 240 and 250. Then, the valve 9 can be opened so that such evacuated gases can flow out into the surrounding atmosphere in case the furnace space 120 is filled with air. If the furnace space 120 is filled with spent hydrogen and/or carbon-containing gas, they are instead evacuated into the container 280 or 320, as the case may be.

В этом примере, атмосфера печи откачивается через трубопровод 173, даже если понятно, что можно использовать любой другой подходящий выпускной трубопровод, расположенный в печи 100.In this example, the furnace atmosphere is evacuated through line 173, although it is understood that any other suitable exhaust line located in the furnace 100 could be used.

На этой стадии откачивания, а также на других стадиях, как описано ниже, устройство управления 201 может использоваться для управления давлением в пространстве печи 120, например, на основе показаний датчиков давления 122, 123 и/или 124.At this pumping stage, as well as at other stages as described below, the control device 201 can be used to control the pressure in the space of the furnace 120, for example, based on the readings of the pressure sensors 122, 123 and/or 124.

Откачивание может продолжаться до тех пор, пока в пространстве печи 120 не будет достигнуто давление не более 0,5 бар, предпочтительно, не более 0,3 бар.The pumping may continue until a pressure of no more than 0.5 bar, preferably no more than 0.3 bar, is reached in the space of the furnace 120.

На последующей стадии начального нагрева, тепло и газообразный водород подаются в пространство 120 печи. Газообразный водород может подаваться из емкостей 280 и/или 290. Так как печь 100 закрыта, как указано выше, по существу никакой из подаваемого газообразного водорода не будет выделяться во время процесса. Другими словами, потери газообразного водорода (кроме водорода, израсходованного в реакции восстановления) будут очень низкими или даже отсутствовать. Вместо этого будет использоваться только водород, химически израсходованный в реакции восстановления во время процесса восстановления. Кроме того, единственный газообразный водород, который требуется во время процесса восстановления, это необходимое количество для поддержания необходимого давления и химического равновесия между газообразным водородом и водяным паром во время процесса восстановления.In the subsequent initial heating stage, heat and hydrogen gas are supplied to the furnace space 120. The hydrogen gas may be supplied from vessels 280 and/or 290. Since the furnace 100 is closed as described above, essentially none of the supplied hydrogen gas will be released during the process. In other words, the loss of hydrogen gas (other than the hydrogen consumed in the reduction reaction) will be very low or even absent. Instead, only the hydrogen chemically consumed in the reduction reaction during the reduction process will be used. In addition, the only hydrogen gas that is required during the reduction process is the amount needed to maintain the required pressure and chemical equilibrium between the hydrogen gas and water vapor during the reduction process.

Как упоминалось выше, емкость 290 содержит свежий (неиспользованный) газообразный водород, а емкость 280 содержит газообразный водород, который уже использовался на одной или нескольких стадиях восстановления и с тех пор был собран в системе 200. При первом проведении процесса восстановления, используется только свежий газообразный водород, подаваемый из емкости 290. Во время последующих процессов восстановления используется повторно использованный газообразный водород из емкости 280 (или 320, см. ниже), который дополняется свежим газообразным водородом из емкости 290 по необходимости.As mentioned above, container 290 contains fresh (unused) hydrogen gas, and container 280 contains hydrogen gas that has already been used in one or more reduction stages and has since been collected in system 200. During the first reduction process, only fresh hydrogen gas supplied from container 290 is used. During subsequent reduction processes, recycled hydrogen gas from container 280 (or 320, see below) is used, which is supplemented with fresh hydrogen gas from container 290 as needed.

Во время необязательной начальной фазы начальной стадии нагрева, где начальная фаза является фазой подачи газообразного водорода, выполняемой без какой-либо подачи тепла вплоть до давления в пространстве печи 120 примерно 2 бар, клапаны 2, 4-9, 11 и 13-19 закрыты, а клапаны 10 и 12 открыты. В зависимости от того, используется ли свежий или повторно используемый газообразный водород, клапан V1 и/или V3 открыт.During the optional initial phase of the initial heating stage, where the initial phase is the phase of feeding gaseous hydrogen, carried out without any heat supply up to a pressure in the furnace space 120 of approximately 2 bar, the valves 2, 4-9, 11 and 13-19 are closed, and the valves 10 and 12 are open. Depending on whether fresh or recycled gaseous hydrogen is used, the valve V1 and/or V3 is open.

Когда давление внутри пространства печи 120 достигает или приближается к атмосферному давлению (около 1 бар), включается нагревательный элемент 121. Предпочтительно, он представляет собой нагревательный элемент 121, который подает указанное тепло в пространство печи 120 через нагревание подаваемого газообразного водорода, который, в свою очередь, нагревает материал в емкости 140. Предпочтительно, нагревательный элемент 121 расположен в месте, возле которого течет водород/углеродсодержащий газ, подаваемый в пространство печи 120, так что нагревательный элемент 121 будет по существу погружен (полностью или по существу полностью окружен) вновь подаваемым водород/углеродсодержащим газом во время процесса восстановления и науглероживания. Другими словами, тепло может преимущественно подаваться непосредственно к газообразному водороду и/или непосредственно к углеродсодержащему газу, который из них одновременно подается (на указанных начальных или последующих стадиях) в пространство печи 120. На фигуре 1а и 1b показан предпочтительный случай, в котором нагревательный элемент 121 расположен в верхней части пространства печи 120.When the pressure inside the furnace space 120 reaches or approaches atmospheric pressure (about 1 bar), the heating element 121 is switched on. Preferably, it is a heating element 121 that supplies said heat to the furnace space 120 by heating the supplied hydrogen gas, which in turn heats the material in the container 140. Preferably, the heating element 121 is located at a location near which the hydrogen/carbon-containing gas supplied to the furnace space 120 flows, so that the heating element 121 will be substantially immersed (completely or substantially completely surrounded) by the newly supplied hydrogen/carbon-containing gas during the reduction and carburization process. In other words, heat can be preferably supplied directly to the hydrogen gas and/or directly to the carbon-containing gas, which of them is simultaneously supplied (at the said initial or subsequent stages) to the space of the furnace 120. Figure 1a and 1b show a preferred case in which the heating element 121 is located in the upper part of the space of the furnace 120.

Однако автор настоящего изобретения предполагает, что тепло может подаваться в пространство печи 120 другими способами, например, непосредственно к газовой смеси внутри пространства печи 120 в месте, удаленном от того места, где подаваемый водород/углеродсодержащий газ поступает в пространство печи 120. В других примерах, тепло может подаваться к подаваемому водород/углеродсодержащему газу в месте вне пространства печи 120, до того, как нагретый таким образом водород/углеродсодержащий газ будет введен в пространство печи 120.However, the author of the present invention contemplates that heat may be supplied to the space of the furnace 120 in other ways, such as directly to the gas mixture within the space of the furnace 120 at a location remote from the location where the supplied hydrogen/carbon-containing gas enters the space of the furnace 120. In other examples, heat may be supplied to the supplied hydrogen/carbon-containing gas at a location outside the space of the furnace 120, before the thus heated hydrogen/carbon-containing gas is introduced into the space of the furnace 120.

Во время оставшейся части указанной начальной стадии нагрева, клапаны 5 и 7-19 закрыты, в то время как клапаны 1-4 и 6 управляются устройством управления, вместе с компрессором 270, для достижения контролируемой подачи повторно используемого и/или свежего газообразного водорода, как описано ниже.During the remainder of said initial heating stage, valves 5 and 7-19 are closed, while valves 1-4 and 6 are controlled by the control device, together with compressor 270, to achieve a controlled supply of recycled and/or fresh hydrogen gas, as described below.

Следовательно, во время этой начальной стадии нагрева устройство управления 201 предназначено для управления средствами 121, 280, 290 для подачи тепла и газообразного водорода в пространство печи 120 таким образом, чтобы нагретый газообразный водород нагревал загружаемый металлический материал до температуры выше температуры кипения воды, содержащейся в металлическом материале. В результате, указанная содержащаяся вода испаряется.Therefore, during this initial heating stage, the control device 201 is intended to control the means 121, 280, 290 for supplying heat and hydrogen gas into the space of the furnace 120 in such a way that the heated hydrogen gas heats the loaded metallic material to a temperature above the boiling point of the water contained in the metallic material. As a result, said contained water evaporates.

На протяжении всей стадии начального нагрева и стадии основного восстановления и науглероживания (см. ниже), газообразный водород медленно подается под управлением устройства управления 201. В результате, будет постоянно присутствовать относительно медленный, но стабильный поток газообразного водорода, вертикально вниз, через загруженный материал. В общем, устройство управления предназначено для непрерывного добавления газообразного водорода, чтобы поддерживать желаемую возрастающую (например, равномерно возрастающую) кривую парциального давления водорода (а также кривую полного давления) внутри пространства печи 120, и, в частности, противодействовать снижению давления в нижних частях пространства печи 120 (и в нижних частях теплообменника 160), возникающему в результате постоянной конденсации водяного пара в теплообменнике 160 (см. ниже). Общее потребление энергии зависит от эффективности теплообменника 160 и, в частности, от его способности передавать тепловую энергию поступающему газообразному водороду как от горячего газа, протекающего через теплообменник 160, так и от теплоты конденсации конденсирующегося водяного пара. В проиллюстрированном случае Fe₂O₃, теоретическая энергия, необходимая для нагревания оксида, термически восполняемая эндотермической реакцией и восстановлением оксида, составляет примерно 250 кВт/ч на 1000 кг . Для Fe₃O₄, соответствующее число составляет примерно 260 кВт/ч на 1000 кг Fe₃O₄.Throughout the initial heating stage and the main reduction and carburization stage (see below), hydrogen gas is slowly fed under the control of the control device 201. As a result, there will be a constant, relatively slow but steady flow of hydrogen gas, vertically downwards, through the loaded material. In general, the control device is designed to continuously add hydrogen gas in order to maintain the desired increasing (e.g., uniformly increasing) hydrogen partial pressure curve (as well as the total pressure curve) within the furnace space 120, and, in particular, to counteract the decrease in pressure in the lower parts of the furnace space 120 (and in the lower parts of the heat exchanger 160), resulting from the constant condensation of water vapor in the heat exchanger 160 (see below). The overall energy consumption depends on the efficiency of the heat exchanger 160 and, in particular, on its ability to transfer thermal energy to the incoming hydrogen gas from both the hot gas flowing through the heat exchanger 160 and the heat of condensation of the condensing water vapor. In the illustrated case of Fe ₂ O ₃ , the theoretical energy required to heat the oxide, thermally replenished by the endothermic reaction and reduction of the oxide, is approximately 250 kWh per 1000 kg . For Fe ₃ O ₄ , the corresponding figure is approximately 260 kWh per 1000 kg Fe ₃ O ₄ .

Важным аспектом настоящего изобретения является отсутствие рециркуляции газообразного водорода во время процесса восстановления. Это обсуждалось на общем уровне выше, но в примере, показанном на фигуре 1а, это означает, что газообразный водород подается, например, через компрессор 270, через входной трубопровод 171 в верхнюю часть пространства печи 120, где нагревается нагревательным элементом 121 и затем медленно проходит вниз, мимо металлического материала, подлежащего восстановлению в емкости 140, далее вниз по через теплообменник 130 и в желоб 161. Однако, не существует доступных выходных отверстий из пространства печи 120 и, в частности, не из желоба 161. Трубопровод 173 закрыт, например, закрыт клапанами V10, V12, V13, V14. Следовательно, подаваемый газообразный водород будет частично потребляться в процессе восстановления, и частично вызывает повышенное давление газа в пространстве печи 120. Затем этот процесс продолжается до тех пор, пока не произойдет полное или желаемое восстановление металлического материала, как будет подробно описано ниже.An important aspect of the present invention is the absence of recirculation of hydrogen gas during the reduction process. This has been discussed at a general level above, but in the example shown in Figure 1a, this means that hydrogen gas is fed, for example, via a compressor 270, through an inlet pipe 171 into the upper part of the furnace space 120, where it is heated by a heating element 121 and then slowly passes downwards, past the metal material to be reduced in a container 140, further downwards through a heat exchanger 130 and into a trough 161. However, there are no accessible outlets from the furnace space 120 and, in particular, not from the trough 161. The pipe 173 is closed, for example closed by valves V10, V12, V13, V14. Therefore, the supplied hydrogen gas will be partly consumed in the reduction process, and partly causes an increased gas pressure in the furnace space 120. This process then continues until complete or desired reduction of the metallic material occurs, as will be described in detail below.

Таким образом, нагретый газообразный водород, присутствующий в пространстве печи 120 над загружаемым материалом в емкость 140, посредством медленной подачи газообразного водорода, образующего медленно движущийся вниз газовый поток, опускается к загруженному материалу. Там он будет образовывать газовую смесь с водяным паром из загруженного материала и любым ранее добавленным углеродсодержащим газом (см. ниже).Thus, the heated hydrogen gas present in the space of the furnace 120 above the material being loaded into the vessel 140 is lowered toward the loaded material by means of a slow feed of hydrogen gas forming a slowly moving downward gas stream. There it will form a gas mixture with water vapor from the loaded material and any previously added carbon-containing gas (see below).

Полученная смесь горячих газов будет образовывать газовый поток вниз в теплообменник 160 и через него. В теплообменнике 160 затем будет происходить теплообмен тепла от горячего газа, поступающего из пространства печи 120, к холодному вновь полученному водород/углеродосодержащему газу, поступающему из трубопровода 171, при этом последний будет предварительно нагреваться первым. Другими словами, газообразный водород, подаваемый на начальной стадии, а также водород- и/или углеродсодержащий газ, подаваемый на основной стадии восстановления и науглероживания (и/или стадии подачи углерода, см. ниже), предварительно нагревается в теплообменнике 160.The resulting mixture of hot gases will form a gas flow downwards into and through the heat exchanger 160. In the heat exchanger 160, heat will then be exchanged from the hot gas coming from the furnace space 120 to the cold newly produced hydrogen/carbon-containing gas coming from the conduit 171, the latter being preheated by the former. In other words, the hydrogen gas supplied in the initial stage, as well as the hydrogen and/or carbon-containing gas supplied in the main reduction and carburization stage (and/or the carbon supply stage, see below), are preheated in the heat exchanger 160.

Из-за охлаждения потока горячего газа, водяной пар, содержащийся в охлажденном газе, будет конденсироваться. В результате этой конденсации образуется жидкая вода, которая собирается в желобе 161, но также образуется тепло конденсации. Предпочтительно, чтобы теплообменник 160 также был предназначен для передачи такой тепловой энергии конденсации от сконденсированной воды к холодному водород/углеродсодержащему газу, который подается в пространство печи 120.Due to the cooling of the hot gas stream, the water vapor contained in the cooled gas will condense. As a result of this condensation, liquid water is formed, which is collected in the trough 161, but also condensation heat is formed. Preferably, the heat exchanger 160 is also designed to transfer such condensation heat energy from the condensed water to the cold hydrogen/carbon-containing gas, which is fed into the space of the furnace 120.

Конденсация содержащегося водяного пара также снизит давление горячего газа, протекающего вниз из пространства печи 120, обеспечивая пространство для прохождения большего количества горячего газа вниз через теплообменник 160.Condensation of the contained water vapor will also reduce the pressure of the hot gas flowing downward from the furnace space 120, providing space for more hot gas to pass downward through the heat exchanger 160.

Из-за медленной подачи дополнительного нагретого газообразного водорода и относительно высокой теплопроводности газообразного водорода, загруженный материал относительно быстро, например, в течение 10 минут или меньше, достигает точки кипения жидкой воды, содержащейся в загруженном материале, которая к тому времени должна быть немного выше 100°С. В результате эта содержащаяся жидкая вода будет испаряться, образуя водяной пар, смешивающийся с горячим газообразным водородом.Due to the slow feed of additional heated hydrogen gas and the relatively high thermal conductivity of hydrogen gas, the loaded material will reach the boiling point of the liquid water contained in the loaded material relatively quickly, for example within 10 minutes or less, which should be slightly above 100°C by then. As a result, this contained liquid water will evaporate, forming water vapor that mixes with the hot hydrogen gas.

Конденсация водяного пара в теплообменнике 160 снизит парциальное давление водяного пара на нижнем конце конструкции, в результате чего водяной пар, образующийся в загруженном материале, в среднем будет течь вниз. Дополнительно к этому эффекту, водяной пар также имеет значительно более низкую плотность, чем газообразный водород, с которым он смешивается.Condensation of water vapor in heat exchanger 160 will reduce the partial pressure of water vapor at the lower end of the structure, causing the water vapor generated in the loaded material to flow downwards on average. In addition to this effect, water vapor also has a significantly lower density than the hydrogen gas with which it is mixed.

Таким образом, водное содержимое загруженного материала в емкости 140 будет постепенно испаряться, стекать вниз через теплообменник 160, охлаждаться и конденсироваться в нем и подниматься в жидком состоянии в желоб 161.In this way, the aqueous content of the loaded material in the container 140 will gradually evaporate, flow down through the heat exchanger 160, cool and condense in it and rise in a liquid state into the trough 161.

Предпочтительно, чтобы холодный газообразный водород, подаваемый в теплообменник 160, а также любой подаваемый углеродсодержащий газ имел комнатную температуру или температуру немного ниже комнатной.Preferably, the cold hydrogen gas supplied to heat exchanger 160, as well as any carbon-containing gas supplied, is at room temperature or slightly below room temperature.

Понятно, что эта начальная стадия нагрева, на которой загружаемый материал, таким образом, высушивается от любой содержащейся в нем жидкой воды, является предпочтительной стадией в настоящем способе. В частности, это упрощает производство и предоставление загружаемого материала в виде гранулированного материала, например, в виде прокатанных шариков материала, без необходимости проведения дорогостоящей и сложной стадии сушки перед загрузкой материала в пространство печи 120.It is understood that this initial heating stage, in which the feed material is thus dried of any liquid water contained therein, is a preferred stage in the present method. In particular, it simplifies the production and provision of the feed material in the form of a granular material, for example in the form of rolled balls of material, without the need for an expensive and complex drying stage before loading the material into the furnace space 120.

Однако понятно, что можно было бы загрузить уже сухой или высушенный материал в пространство печи 120. В этом случае, начальная стадия нагрева, как описано в настоящем документе, не будет проводиться, и способ сразу же перейдет к основной стадии восстановления и науглероживания (ниже).However, it is understood that it would be possible to load already dry or dried material into the furnace space 120. In this case, the initial heating stage as described herein would not be carried out, and the method would immediately proceed to the main stage of reduction and carburization (below).

Более того, некоторые механизмы этой начальной стадии нагрева были описаны выше со ссылкой как на добавленный газообразный водород, так и на углеродсодержащий газ. Эти механизмы также присутствуют на последующих стадиях основного восстановления и науглероживания (см. ниже). Однако, на начальной стадии нагрева предпочтительно, чтобы углеродсодержащий газ не добавлялся. В частности, предпочтительно, чтобы единственным добавляемым газом во время начальной стадии нагрева был газообразный водород.Moreover, some of the mechanisms of this initial heating stage have been described above with reference to both added hydrogen gas and carbon-containing gas. These mechanisms are also present in the subsequent stages of primary reduction and carburization (see below). However, in the initial heating stage, it is preferred that no carbon-containing gas be added. In particular, it is preferred that the only gas added during the initial heating stage is hydrogen gas.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, подача газообразного водорода в пространство печи 120 во время указанной начальной стадии нагрева регулируется настолько медленно, что равновесие давления по существу поддерживается на протяжении проведения всей стадии начального нагрева, предпочтительно так, чтобы по существу одинаковое давление преобладало во всем пространстве печи 120 и в не заполненных жидкостью частях желоба 161 все время. В частности, подача газообразного водорода может управляться так, чтобы указанное равновесное давление газа не повышалось или повышалось незначительно, во время начальной стадии нагрева. В этом случае, подача газообразного водорода затем регулируется для увеличения давления в пространстве печи 120 с течением времени только после того, как вся или по существу вся жидкая вода испарится из загруженного материала в емкости 140. Момент времени когда это произошло, например, может быть определен, как изменение вверх наклона кривой зависимости температуры от времени по данным температурного датчика 123 и/или 124, где изменение наклона отмечает точку, в которой по существу вся жидкая вода испарилась, но восстановление еще не началось. Альтернативно, подача газообразного водорода может управляться таким образом, чтобы повышать давление после того как измеренная температура в пространстве печи 120, по данным датчика температуры 123 и/или 124, превысит заданный предел, который может составлять от 100°С до 150°С, например, от 120°С до 130°С.In one embodiment of the present invention, the supply of hydrogen gas into the space of the furnace 120 during said initial heating stage is controlled so slowly that the pressure equilibrium is substantially maintained throughout the entire initial heating stage, preferably so that substantially the same pressure prevails in the entire space of the furnace 120 and in the non-liquid-filled parts of the trough 161 at all times. In particular, the supply of hydrogen gas can be controlled so that said equilibrium gas pressure does not increase or increases slightly during the initial heating stage. In this case, the supply of hydrogen gas is then controlled to increase the pressure in the space of the furnace 120 over time only after all or substantially all of the liquid water has evaporated from the loaded material in the vessel 140. The time at which this has occurred, for example, can be determined as an upward change in the slope of the temperature versus time curve according to the data of the temperature sensor 123 and/or 124, where the change in slope marks the point at which substantially all of the liquid water has evaporated, but the recovery has not yet begun. Alternatively, the supply of hydrogen gas can be controlled so as to increase the pressure after the measured temperature in the space of the furnace 120, according to the data of the temperature sensor 123 and/or 124, exceeds a predetermined limit, which can be from 100 °C to 150 °C, for example from 120 °C to 130 °C.

На последующей основной стадии восстановления и науглероживания, тепло и газообразный водород дополнительно подаются в пространство печи 120 способом, соответствующим подаче во время описанной выше начальной стадии нагрева, так что нагретый газообразный водород нагревает загруженный металлический материал до температуры достаточно высокой для восстановления оксидов металлов, присутствующих в металлическом материале, что, в свою очередь, вызывает образование водяного пара.In the subsequent main reduction and carburization stage, heat and hydrogen gas are additionally supplied to the furnace space 120 in a manner corresponding to the supply during the above-described initial heating stage, so that the heated hydrogen gas heats the loaded metallic material to a temperature high enough to reduce the metal oxides present in the metallic material, which in turn causes the formation of water vapor.

Во время этой основной стадии восстановления и науглероживания, дополнительный газообразный водород, следовательно, подается и нагревается при постепенном повышении давления внутри пространства печи 120, так что загружаемый металлический материал, в свою очередь, нагревается до температуры, при которой начинается и поддерживается химическая реакция восстановления.During this main reduction and carburization stage, additional hydrogen gas is therefore supplied and heated by gradually increasing the pressure within the furnace space 120, so that the charged metallic material is in turn heated to a temperature at which the chemical reduction reaction is initiated and maintained.

В примере, показанном на фигурах 1а и 1b, верхний загруженный материал, следовательно, будет нагреваться первым. В случае материала оксида железа, газообразный водород начнет восстанавливать загруженный материал с образованием металлического железа примерно при 350-400°С, образуя пирофитное железо и водный пар по следующим формулам:In the example shown in Figures 1a and 1b, the top loaded material will therefore be heated first. In the case of iron oxide material, hydrogen gas will begin to reduce the loaded material to form metallic iron at approximately 350-400°C, forming pyrophytic iron and water vapor according to the following formulas:

Fe₂O₃+3Н₂=2Fe+3Н₂ОFe ₂ O ₃ +3H ₂ =2Fe+3H ₂ O

Fe₃O₄+4Н₂=3Fe+4H₂OFe ₃ O ₄ +4Н ₂ =3Fe+4H ₂ O

Эта реакция является эндотермической и управляется тепловой энергией, подаваемой через горячий газообразный водород, стекающий сверху в пространство печи 120.This reaction is endothermic and is driven by thermal energy supplied via hot hydrogen gas flowing from above into the furnace space 120.

Таким образом, как на стадии начального нагрева, так и на стадии основного восстановления и науглероживания, в загружаемом материале образуется водяной пар, который непрерывно конденсируется и собирается в конденсаторе, расположенном под загруженным металлическим материалом. В примере, показанном на фигуре 1а, конденсатор выполнен в виде теплообменника 160.Thus, both at the initial heating stage and at the stage of the main reduction and carburization, water vapor is formed in the loaded material, which continuously condenses and collects in a condenser located under the loaded metal material. In the example shown in Figure 1a, the condenser is made in the form of a heat exchanger 160.

Согласно изобретению, основная стадия восстановления и науглероживания, включая указанную конденсацию, проводится таким образом, чтобы в пространстве печи 120 создавалось давление более 1 бар по отношению к атмосферному давлению. В частности, газообразный водород подается таким образом, что достигается и поддерживается указанное давление более 1 бар. Необходимо отметить, что такое давление более 1 бар представляет собой давление, превышающее атмосферное давление.According to the invention, the main stage of reduction and carburization, including the said condensation, is carried out in such a way that a pressure of more than 1 bar is created in the space of the furnace 120 in relation to the atmospheric pressure. In particular, gaseous hydrogen is supplied in such a way that the said pressure of more than 1 bar is achieved and maintained. It should be noted that such a pressure of more than 1 bar represents a pressure exceeding the atmospheric pressure.

Кроме того, в соответствии с изобретением, способ дополнительно включает стадию подачи углерода, а именно, стадию, на которой углеродсодержащий газ подают в пространство печи 120, так что металлический материал, который был нагрет указанным подаваемым теплом и восстановлен за счет реакции с указанным газообразным водородом, науглероживается указанным углеродсодержащим газом. Такая подачу углеродсодержащего газа проводится как часть указанной основной стадии восстановления и науглероживания, и проводится перед откачкой газов из пространства печи 120 обратно до атмосферного давления в пространстве печи 120. Такое откачивание может проводиться как стадия настоящего способа, как будет объяснено ниже, проводимая, например, как часть подстадии охлаждения материала.Furthermore, according to the invention, the method further comprises a carbon supply stage, namely a stage in which a carbon-containing gas is supplied to the space of the furnace 120, so that the metallic material, which has been heated by said supplied heat and reduced by reaction with said hydrogen gas, is carburized by said carbon-containing gas. Such supply of carbon-containing gas is carried out as part of said main stage of reduction and carburization, and is carried out before pumping the gases from the space of the furnace 120 back to the atmospheric pressure in the space of the furnace 120. Such pumping can be carried out as a stage of the present method, as will be explained below, carried out, for example, as part of a substage of cooling the material.

Углеродсодержащим газом может быть любой углеродсодержащий газ, который может вступать в химическую реакцию с восстановленным металлическим материалом с целью его науглероживания. Примеры подходящих углеродсодержащих газов включают различные газообразные (при температурах и давлениях, преобладающих в пространстве печи 120 во время выполнения настоящего способа) углеводороды, такие как метан, этан, пропан, пропен и подобные. Предпочтительно, чтобы углеродсодержащий газ не содержал более чем следовые количества моноксида углерода, так как это будет эффективно предотвращать образование как моноксидом углерода, так и диоксидом углерода, остаточных продуктов после завершения настоящего процесса науглероживания. В частности, предпочтительно, чтобы окись углерода не подавалась в пространство печи 120 на указанной стадии подачи углерода.The carbon-containing gas may be any carbon-containing gas that can enter into a chemical reaction with the reduced metallic material to carburize it. Examples of suitable carbon-containing gases include various gaseous (at the temperatures and pressures prevailing in the space of the furnace 120 during the execution of the present method) hydrocarbons, such as methane, ethane, propane, propene and the like. It is preferable that the carbon-containing gas does not contain more than trace amounts of carbon monoxide, since this will effectively prevent the formation of residual products by both carbon monoxide and carbon dioxide after completion of the present carburizing process. In particular, it is preferable that carbon monoxide is not supplied to the space of the furnace 120 at said carbon supply stage.

Как будет описано и проиллюстрировано ниже, стадия подачи углерода может быть проведена, по меньшей мере, частично, одновременно с подачей газообразного водорода и тепла, описанными выше. В частности, стадия подачи углерода может проводиться как часть указанной основной стадии восстановления и науглероживания.As will be described and illustrated below, the carbon supply step may be carried out at least partially simultaneously with the hydrogen gas and heat supply described above. In particular, the carbon supply step may be carried out as part of said main reduction and carburization step.

Как описано выше, при восстановлении железа образуется свободное железо (Fe), которое затем открывается для получения углерода (С) с образованием Fe₃C.As described above, the reduction of iron produces free iron (Fe), which is then opened up to produce carbon (C) to form _Fe3C .

Фигура 5 иллюстрирует способность Н₂ восстанавливать Fe₂O₃ в зависимости от повышения температуры. Как показано на фигуре 5, восстановление с использованием газообразного водорода особенно активно в температурном интервале примерно 400°-700°.Figure 5 illustrates the ability of _H2 to reduce _Fe2O3 as a function of temperature _increase . As shown in Figure 5, the reduction using hydrogen gas is particularly active in the temperature range of about 400°-700°.

Соответственно, науглероживание того же Fe₂O₃ с использованием газообразного источника углерода наиболее активно протекает в интервале примерно между 650°-900°.Accordingly, the carburization of the same Fe ₂ O ₃ using a gaseous carbon source occurs most actively in the range between approximately 650°-900°.

Fe₃O₄, например, проявляет сходные свойства в отношении восстановления/науглероживания и температуры.Fe ₃ O ₄ , for example, exhibits similar properties with respect to reduction/carburization and temperature.

Это означает, что процесс, который сначала осуществляет большую часть восстановления металлического материала при относительно более низких температурах, и затем, после дополнительного нагрева, осуществляет большую часть науглероживания металлического материала, будет эффективным.This means that a process that first performs most of the reduction of the metallic material at relatively lower temperatures and then, after additional heating, performs most of the carburization of the metallic material will be effective.

Верно и то, что процессу науглероживания способствует присутствие водяного пара, который, как оказалось, присутствует из-за процесса восстановления того же металлического материала.It is also true that the carburization process is facilitated by the presence of water vapor, which, as it turns out, is present due to the reduction process of the same metallic material.

В частном случае метана в качестве углеродсодержащего газа и гематита/магнетита в качестве металлического материала, в пространстве печи происходят следующие химические реакции науглероживания:In the particular case of methane as the carbon-containing gas and hematite/magnetite as the metallic material, the following chemical carburization reactions occur in the furnace space:

Fe₃O₄+4Н₂=3Fe+4H₂OFe ₃ O ₄ +4Н ₂ =3Fe+4H ₂ O

3Fe+CH₄=Fe₃C+2H₂ 3Fe+ _CH4 = _Fe3C + _2H2

Реакция между СН₄ и Fe включает субреакцию, в которой метан реагирует с водяным паром, образованным восстанавливающим газообразным водородом: Reaction between CH₄and Fe involves a subreaction in which methane reacts with water vapor formed by the reducing hydrogen gas:

СН₄+H₂O=2СО+3Н₂ CH ₄ +H ₂ O=2CO+3H ₂

Затем само науглероживание происходит, в основном, через известную реакцию водород-вода, при которой окись углерода и водород реагируют с образовавшейся поверхностью железа и образуют водяной пар, а освободившийся атом углерода может быть поглощен на место для ранее освобожденного атома кислорода.The carburization itself then occurs mainly through the well-known hydrogen-water reaction, in which carbon monoxide and hydrogen react with the formed iron surface and form water vapor, and the released carbon atom can be absorbed into the place of the previously released oxygen atom.

Поскольку поверхность восстановленного железа является пористой из-за восстановления, общая площадь поверхности железа обычно будет очень большой, что приводит к эффективному процессу науглероживания, в частности, когда металлический материал подается в виде гранулированного материала.Since the surface of the reduced iron is porous due to reduction, the total surface area of the iron will usually be very large, resulting in an efficient carburizing process, particularly when the metal material is fed in the form of granular material.

Как видно из приведенных выше формул, в процессе науглероживания образуется определенное количество газообразного водорода, поэтому требуется меньше газообразного водорода, чем в противном случае.As can be seen from the above formulas, a certain amount of hydrogen gas is formed during the carburization process, so less hydrogen gas is required than otherwise.

Предпочтительно, чтобы окончательно науглероженный металлический материал после завершения стадии подачи углерода имел содержание углерода в пределах от 1% до 4% по массе.It is preferable that the finally carburized metallic material after completion of the carbon supply step has a carbon content in the range of from 1% to 4% by weight.

Подачу газообразного водорода на стадии основного восстановления и науглероживания предпочтительно можно поддерживать до тех пор, пока внутри пространства печи 120 не будет достигнуто заданное парциальное давление водорода или заданное общее давление, превышающее 1 бар. Соответствующим образом, подача углеродсодержащего газа на стадии подачи углерода может осуществляться до тех пор, пока внутри пространства печи 120 не будет достигнуто заданное парциальное давление или заданное общее давление, превышающее 1 бар.The supply of hydrogen gas in the main reduction and carburization stages can be preferably maintained until a predetermined partial pressure of hydrogen or a predetermined total pressure exceeding 1 bar is reached inside the furnace space 120. Accordingly, the supply of carbon-containing gas in the carbon supply stage can be carried out until a predetermined partial pressure or a predetermined total pressure exceeding 1 bar is reached inside the furnace space 120.

Давление внутри пространства печи 120 может быть, например, измерено датчиком давления 123 и/или 124. Как упоминалось выше, согласно изобретению, газообразный водород не откачивается из пространства печи 120 до тех пор, пока указанное давление более 1 бар не будет достигнуто, и предпочтительно, чтобы газообразный водород не откачивался из пространства печи 120 до тех пор, пока не будет полностью завершена основная стадия восстановления и науглероживания. Соответственно, предпочтительно, чтобы углеродсодержащий газ не откачивался из пространства печи 120, пока указанное давление более 1 бар не будет достигнуто, и, предпочтительно, чтобы углеродсодержащий газ не откачивался из пространства печи 120 до тех пор, пока основная стадия восстановления и науглероживания не будет полностью завершена.The pressure inside the space of the furnace 120 can be measured, for example, by a pressure sensor 123 and/or 124. As mentioned above, according to the invention, the hydrogen gas is not pumped out of the space of the furnace 120 until said pressure of more than 1 bar is reached, and it is preferable that the hydrogen gas is not pumped out of the space of the furnace 120 until the main stage of reduction and carburization is completely completed. Accordingly, it is preferable that the carbon-containing gas is not pumped out of the space of the furnace 120 until said pressure of more than 1 bar is reached, and it is preferable that the carbon-containing gas is not pumped out of the space of the furnace 120 until the main stage of reduction and carburization is completely completed.

В некоторых вариантах осуществления, подачу газообразного водорода осуществляют, по меньшей мере, до тех пор, пока внутри пространства печи 120 не будет достигнуто парциальное давление водорода более 1 бар, в то время как газообразный водород не откачивается из пространства печи 120 до тех пор, пока указанное парциальное давление газообразного водорода не достигнет более 1 бар.In some embodiments, the supply of hydrogen gas is carried out at least until a partial pressure of hydrogen of more than 1 bar is reached inside the space of the furnace 120, while hydrogen gas is not pumped out of the space of the furnace 120 until said partial pressure of hydrogen gas reaches more than 1 bar.

В частности, подача газообразного водорода на стадии основного восстановления и науглероживания, а также конденсация водяного пара, может проводиться до тех пор, пока в пространстве печи 120 не будет достигнуто заданное давление выше 1 бар, при этом заданное давление составляет, по меньшей мере, 2,3 бар, более предпочтительно, по меньшей мере, 2,5 бар или даже примерно 3 бар или более. Соответствующее справедливо для возможной подачи углеродсодержащего газа с регулированием давления на стадии подачи углерода.In particular, the supply of hydrogen gas in the main reduction and carburization stages, as well as the condensation of water vapor, can be carried out until a predetermined pressure of more than 1 bar is reached in the furnace space 120, wherein the predetermined pressure is at least 2.3 bar, more preferably at least 2.5 bar or even about 3 bar or more. The same applies to the possible supply of carbon-containing gas with pressure regulation in the carbon supply stage.

Следует отметить, что способ может быть разработан таким образом, что откачивание водорода или углеродсодержащего газа не производится до тех пор, пока не будет достигнуто заданное давление.It should be noted that the method can be designed in such a way that the pumping out of hydrogen or carbon-containing gas is not carried out until a predetermined pressure is reached.

Альтернативно, подача газообразного водорода на основной стадии восстановления и науглероживания и конденсация водяного пара могут проводиться до тех пор, пока не будет достигнуто устойчивое состояние с точки зрения того, что больше нет необходимости подавать дополнительный газообразный водород для поддержания достигнутого устойчивого давления газа внутри пространства печи 120. Это давление может быть измерено соответствующим образом, как описано выше. Предпочтительно, устойчивое давление газа может составлять, по меньшей мере, 2,3 бар, более предпочтительно, по меньшей мере 2,5 бар, или даже примерно 3 бар или более. Таким образом, достигается простой способ узнать, когда процесс восстановления завершен.Alternatively, the supply of hydrogen gas in the main stage of reduction and carburization and the condensation of water vapor can be carried out until a steady state is reached in terms of the fact that it is no longer necessary to supply additional hydrogen gas to maintain the achieved steady gas pressure inside the furnace space 120. This pressure can be measured in a suitable manner as described above. Preferably, the steady gas pressure can be at least 2.3 bar, more preferably at least 2.5 bar, or even about 3 bar or more. In this way, a simple way of knowing when the reduction process is complete is achieved.

Также альтернативно, подача газообразного водорода и тепла на основной стадии восстановления и науглероживания, и конденсация водяного пара, могут осуществляться до тех пор, пока загруженный металлический материал, подлежащий восстановлению, не достигнет заданной температуры, которая может составлять, по меньшей мере, 600°С, например, между 640-680°С, предпочтительно, примерно 660°С. Температура заряженного материала может быть измерена напрямую, например, путем измерения теплового излучения загруженного материала с использованием подходящего датчика, или косвенно, с помощью датчика температуры 123.Also alternatively, the supply of hydrogen gas and heat in the main stage of reduction and carburization, and the condensation of water vapor, can be carried out until the loaded metal material to be reduced reaches a predetermined temperature, which can be at least 600 °C, for example between 640-680 °C, preferably about 660 °C. The temperature of the charged material can be measured directly, for example by measuring the thermal radiation of the loaded material using a suitable sensor, or indirectly, using a temperature sensor 123.

В некоторых вариантах осуществления, основная стадия восстановления и науглероживания, включая указанную конденсацию образовавшегося водяного пара, проводится в течение непрерывного периода времени, составляющего, по меньшей мере 0,25 часа, например, по меньшей мере, 0,5 часа, например, по меньшей мере, 1 час. В течение всего этого периода времени, и давление, и температура пространства печи 120 могут равномерно увеличиваться.In some embodiments, the main stage of reduction and carburization, including said condensation of the formed water vapor, is carried out for a continuous period of time of at least 0.25 hours, such as at least 0.5 hours, such as at least 1 hour. During this entire period of time, both the pressure and the temperature of the furnace space 120 can increase uniformly.

В некоторых вариантах осуществления основная стадия восстановления и науглероживания может, кроме того, проводиться несколько раз, при этом, каждый раз устройство управления 201 позволяет достичь устойчивого давления внутри пространства печи 120 перед подачей дополнительного количества газообразного водорода в пространство печи. Подача тепла также может проводиться несколько раз (периодически) или находиться во включенном состоянии в течение всей основной стадии восстановления и науглероживания.In some embodiments, the main stage of reduction and carburization may also be carried out several times, each time the control device 201 allows a stable pressure to be reached inside the furnace space 120 before additional hydrogen gas is supplied to the furnace space. The heat supply may also be carried out several times (periodically) or be in the on state during the entire main stage of reduction and carburization.

Отмечено, что во время выполнения как стадии начального нагрева, так и основных стадий восстановления и науглероживания, и, в частности, по меньшей мере, в течение практически всей продолжительности этих стадий, имеет место чистый поток водяного пара вниз, через загруженный металлический материал в емкости 140.It is noted that during both the initial heating stage and the main reduction and carburization stages, and in particular at least for substantially the entire duration of these stages, there is a net flow of water vapor downwards through the loaded metallic material in the vessel 140.

Во время начальной стадии и основной стадии восстановления и науглероживания, за возможным исключением периода времени, связанного с началом стадии подачи углерода, в течение которого общее давление в пространстве печи 120 может быть снижено, компрессор 270 может управляться, с помощью устройства управления 201, так, чтобы постоянно поддерживать или повышать давление путем подачи дополнительного газообразного водорода и/или углеродсодержащего газа. Подаваемый газообразный водород используется для компенсации водорода, потребленного в процессе восстановления, а также для постепенного увеличения давления до желаемого конечного давления. Углеродосодержащий газ можно подавать с использованием любой из множества различных стратегий (как поясняется ниже), и его можно, например, контролировать для достижения заданного целевого общего давления в пространстве печи 120 во время такой подачи.During the initial stage and the main stage of the reduction and carburization, with the possible exception of a period of time associated with the beginning of the carbon supply stage, during which the total pressure in the furnace space 120 can be reduced, the compressor 270 can be controlled, by means of the control device 201, so as to constantly maintain or increase the pressure by supplying additional hydrogen gas and/or carbon-containing gas. The supplied hydrogen gas is used to compensate for the hydrogen consumed during the reduction process, as well as to gradually increase the pressure to the desired final pressure. The carbon-containing gas can be supplied using any of a variety of different strategies (as explained below), and it can, for example, be controlled to achieve a predetermined target total pressure in the furnace space 120 during such supply.

Образование водяного пара в загружаемом материале локально повышает давление газа, фактически создавая разность давлений между пространством печи 120 и желобом 161. В результате, образовавшийся водяной пар будет опускаться вниз через загруженный материал и конденсироваться в теплообменнике 160, что, в свою очередь, снижает давление на дальней (по отношению к пространству печи 120) стороне теплообменника 160. Таким образом, эти процессы создают нисходящее чистое движение газа через шихту, где вновь добавляемый газообразный водород компенсирует потери давления в пространстве печи 120.The formation of water vapor in the feed material locally increases the gas pressure, effectively creating a pressure difference between the furnace space 120 and the trough 161. As a result, the formed water vapor will descend downwards through the feed material and condense in the heat exchanger 160, which in turn reduces the pressure on the far (with respect to the furnace space 120) side of the heat exchanger 160. Thus, these processes create a downward net movement of gas through the batch, where the newly added hydrogen gas compensates for the pressure loss in the furnace space 120.

Тепловая составляющая газа, вытекающего из пространства печи 120, и, в частности, теплота конденсации водяного пара, передается входящему водород/углеродсодержащему газу в теплообменнике 160.The thermal component of the gas flowing out of the furnace space 120, and in particular the heat of condensation of water vapor, is transferred to the incoming hydrogen/carbon-containing gas in the heat exchanger 160.

Следовательно, процесс восстановления продолжается до тех пор, пока имеется металлический материал для восстановления, и, следовательно, образуется водяной пар, что приводит к указанному нисходящему движению газа. После остановки образования водяного пара (из-за восстановления по существу всего металлического материала), давление выравнивается во всем внутреннем объеме печи 100, и измеренная температура будет одинаковой во всем пространстве печи 120, если не подается дополнительный углеродсодержащий газ. Например, измеренная разность давлений между точкой в наполненной газом части желоба 161 и точкой над загружаемым материалом будет меньше заданного значения, которое может составлять не более 0,1 бар. Дополнительно или альтернативно, измеренная разница температур между точкой над загруженным материалом и точкой под загруженным материалом, но на теплообменнике со стороны пространства печи 120, будет меньше заданной величины, которая может составлять не более 20°С. Следовательно, когда достигается и измеряется такая однородность давления и/или температуры, подача газообразного водорода может быть остановлена путем отключения подачи газообразного водорода.Therefore, the reduction process continues as long as there is metallic material to reduce and, consequently, water vapor is formed, which leads to the said downward movement of gas. After the formation of water vapor has stopped (due to the reduction of essentially all metallic material), the pressure is equalized throughout the entire internal volume of the furnace 100, and the measured temperature will be the same throughout the entire space of the furnace 120, unless additional carbon-containing gas is supplied. For example, the measured pressure difference between a point in the gas-filled portion of the trough 161 and a point above the loaded material will be less than a predetermined value, which may be no more than 0.1 bar. Additionally or alternatively, the measured temperature difference between a point above the loaded material and a point below the loaded material, but on the heat exchanger on the side of the furnace space 120, will be less than a predetermined value, which may be no more than 20 °C. Therefore, when such uniformity of pressure and/or temperature is achieved and measured, the supply of hydrogen gas can be stopped by turning off the supply of hydrogen gas.

Обычно нагревательный элемент 121 не выключается до тех пор, пока не завершится науглероживание, которое обычно происходит в более поздний момент времени.Typically, the heating element 121 is not switched off until carburization is complete, which usually occurs at a later point in time.

Следовательно, подача комбинации газообразного водорода и тепла на стадии основного восстановления и науглероживания может осуществляться до тех пор, пока не будет достигнута заданная минимальная температура и/или (избыточное) давление, и/или до достижения заданной максимальной разности температур и/или максимальной разницы давления в нагреваемом объеме в печи 100. Использование критериев зависит от предпосылок, таких как конструкция печи 100 и тип металлического материала, подлежащего восстановлению. Например, подача тепла может осуществляться до тех пор, пока не будет достигнута заданная минимальная температура, а подача газообразного водорода может осуществляться до тех пор, пока не будет достигнута однородность температуры. В другом примере, подача комбинации тепла и газообразного водорода может осуществляться до достижения состояния устойчивого давления без необходимости в дополнительной подаче газообразного водорода.Therefore, the supply of a combination of hydrogen gas and heat in the main reduction and carburization stage can be carried out until a predetermined minimum temperature and/or (excess) pressure is reached, and/or until a predetermined maximum temperature difference and/or maximum pressure difference in the heated volume in the furnace 100 is reached. The use of criteria depends on prerequisites such as the design of the furnace 100 and the type of metal material to be reduced. For example, the supply of heat can be carried out until a predetermined minimum temperature is reached, and the supply of hydrogen gas can be carried out until temperature homogeneity is achieved. In another example, the supply of a combination of heat and hydrogen gas can be carried out until a stable pressure state is reached without the need for additional supply of hydrogen gas.

Также можно использовать другие критерии, такие как заданное время основного нагрева или завершение заданной программы нагрева/подачи водорода, которые, в свою очередь, могут быть определены эмпирически.Other criteria such as a specified main heating time or completion of a specified heating/hydrogen feeding program can also be used, which in turn can be determined empirically.

Указанный углеродсодержащий газ может подаваться с использованием одной из нескольких различных стратегий.The said carbon-containing gas may be supplied using one of several different strategies.

Первый примерFirst example

В первой такой стратегии, за восстановлением с использованием газообразного водорода непосредственно следует науглероживание металлического материала. Во-первых, газообразный водород и тепло подают, как описано выше, для медленного повышения температуры и давления в пространстве печи 120 по мере восстановления металлического материала. Конечное давление может быть таким, как описано выше, например, по меньшей мере, 1,1 бар, и предпочтительно, по меньшей мере, между 2,3-2,5 бар.In the first such strategy, the reduction using hydrogen gas is immediately followed by carburization of the metallic material. First, hydrogen gas and heat are supplied as described above to slowly increase the temperature and pressure in the furnace space 120 as the metallic material is reduced. The final pressure may be as described above, for example at least 1.1 bar, and preferably at least between 2.3-2.5 bar.

В этом и других примерах, когда восстановление всей загрузки металлического материала завершено, температура в пространстве печи 120 достигает примерно 700°С, и температура газообразного водорода, поступающего в пространство печи, имеет ту же температуру, что и газ, поступающий в теплообменник 160.In this and other examples, when the reduction of the entire charge of metallic material is completed, the temperature in the furnace space 120 reaches approximately 700°C, and the temperature of the hydrogen gas entering the furnace space has the same temperature as the gas entering the heat exchanger 160.

Как правило, в этой первой стратегии, тепло можно подавать на указанной основной стадии восстановления и науглероживания до тех пор, пока металлический материал не достигнет температуры, по меньшей мере, 500°С, например, по меньшей мере, 600°С, прежде чем подача углеродсодержащего газа начнется на указанной стадии подачи углерода.Typically, in this first strategy, heat may be supplied at said main reduction and carburization stage until the metallic material reaches a temperature of at least 500°C, such as at least 600°C, before the supply of carbon-containing gas is started at said carbon supply stage.

В этом состоянии, когда восстановление завершено, углеродсодержащий газ еще не подают. Перед этим, или в связи с этим, часть газообразного водорода можно откачать, чтобы снизить парциальное давление газообразного водорода. А именно, клапан V4 может быть закрыт для прекращения подачи газообразного водорода. Затем компрессор 270 может быть использован для откачивания части газообразного водорода путем закрытия клапана V6 и открытия клапанов V7 и V5 в емкость 280 для отработанного водорода. После понижения давления, до более низкого давления от 1,1 до 1,8 бар, например, от 1,3 до 1,6 бар, например, примерно 1,5 бар, клапаны V7 и V5 закрывают, и начинают стадию подачи углерода.In this state, when the reduction is completed, the carbon-containing gas is not yet supplied. Before this, or in connection with this, a part of the hydrogen gas can be pumped out to reduce the partial pressure of the hydrogen gas. Namely, the valve V4 can be closed to stop the supply of hydrogen gas. Then, the compressor 270 can be used to pump out a part of the hydrogen gas by closing the valve V6 and opening the valves V7 and V5 into the waste hydrogen tank 280. After the pressure is reduced to a lower pressure of 1.1 to 1.8 bar, for example, 1.3 to 1.6 bar, for example, about 1.5 bar, the valves V7 and V5 are closed, and the carbon supply stage is started.

Как показано на фигуре 4а, после этого частичного удаления газообразного водорода общее давление в пространстве печи 120 в этом примере составляет примерно 1,5.As shown in Figure 4a, after this partial removal of hydrogen gas, the total pressure in the furnace space 120 in this example is approximately 1.5.

Как правило, стадию подачи углерода можно, по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью, проводить при давлении в пространстве печи 120, которое ниже, чем давление в пространстве печи 120, преобладающее во время завершения процесса восстановления.Typically, the carbon feeding step can be carried out at least partially, preferably completely, at a pressure in the furnace space 120 that is lower than the pressure in the furnace space 120 prevailing during the completion of the reduction process.

В емкости для хранения 310 хранится свежий углеводородный газ, например, метан, и в емкости 320 хранится ранее использованный углеводородный газ (например, смесь метана и водорода). Во время первого использования для науглероживания, клапан V15 открывают, если клапан V17 не открывают, если давление в емкости 320 больше, чем в пространстве печи 120. В противном случае, клапаны V18 и V6 открывают, чтобы компрессор 270 мог нагнетать количество углеводорода, необходимое для поддержания давления в пространстве печи 120 для проведения науглероживания.In the storage tank 310, fresh hydrocarbon gas, such as methane, is stored, and in the tank 320, previously used hydrocarbon gas (for example, a mixture of methane and hydrogen) is stored. During the first use for carburizing, the valve V15 is opened, if the valve V17 is not opened, if the pressure in the tank 320 is greater than in the space of the furnace 120. Otherwise, the valves V18 and V6 are opened so that the compressor 270 can pump the amount of hydrocarbon necessary to maintain the pressure in the space of the furnace 120 for carrying out carburizing.

В этот момент, вновь восстановленный металлический материал может принять поданный углерод. Науглероживание происходит при повышенной температуре пространства печи 120 посредством нагрева с использованием нагревательного элемента 121. В зависимости от состава металлического материала, науглероживание завершается, когда температура достигает примерно 700°С-1100°С. Как было сказано выше, при науглероживании в результате образуется некоторое количество водорода.At this point, the newly reduced metallic material can accept the supplied carbon. Carburization occurs at an elevated temperature in the furnace space 120 by heating using the heating element 121. Depending on the composition of the metallic material, carburization is completed when the temperature reaches approximately 700°C-1100°C. As stated above, some hydrogen is formed as a result of carburization.

Затем можно начинать описанные ниже стадии охлаждения и опорожнения.The cooling and emptying stages described below can then begin.

На фигуре 4а схематично показан процесс в соответствии с этой первой стратегией, в котором углеродсодержащий газ добавляют после завершения восстановления. На графике показано парциальное давление газообразного водорода (сплошная линия) в зависимости от температуры пространства печи (120), а также парциальное давление углеродсодержащего газа (пунктирная линия) в зависимости от температуры пространства печи (120) во время процесса.Figure 4a schematically shows the process according to this first strategy, in which the carbon-containing gas is added after the reduction is complete. The graph shows the partial pressure of hydrogen gas (solid line) as a function of the temperature of the furnace space (120), as well as the partial pressure of the carbon-containing gas (dashed line) as a function of the temperature of the furnace space (120) during the process.

Следует отметить, что фигура 4а, как и в случае с фигурами 4b и 4с, упрощены в том смысле, что они не учитывают любой остаточный газ, присутствующий в пространстве печи 120 после начального откачивания.It should be noted that Figure 4a, as with Figures 4b and 4c, are simplified in the sense that they do not take into account any residual gas present in the furnace space 120 after the initial evacuation.

Второй примерSecond example

Во второй стратегии, углеродсодержащий газ подают до завершения восстановления.In the second strategy, carbon-containing gas is fed until the reduction is complete.

Во время нагревания и начинающегося восстановления, газообразный водород подают таким образом, чтобы достичь увеличения общего давления в пространстве печи 120, по меньшей мере, 1,1 бар, и предпочтительно, по меньшей мере, 2,3 бар. В этом случае, углеродсодержащий газ подают вскоре после начала восстановления, другими словами, после того, как температура в пространстве печи120 достигнет, по меньшей мере 350°С, например, между 350-450°С, например, примерно 400°С. В общем, в данной стратегии, стадию подачи углерода начинают только после того, как металлический материал достигнет температуры 350-450°С.During the heating and the initial reduction, hydrogen gas is supplied in such a way as to achieve an increase in the total pressure in the furnace space 120 of at least 1.1 bar, and preferably at least 2.3 bar. In this case, the carbon-containing gas is supplied shortly after the reduction has begun, in other words, after the temperature in the furnace space 120 has reached at least 350°C, for example between 350-450°C, for example about 400°C. In general, in this strategy, the carbon supply stage is started only after the metal material has reached a temperature of 350-450°C.

Затем подачу углеродсодержащего газа осуществляют путем закрытия клапана V1 или V3 и открытия клапана V15 (в случае, если это первое восстановление), в противном случае открывают клапан V17, в результате чего пространство печи 120 начинает заполняться углеродсодержащим газом. Это означает, что восстановление и науглероживание происходят параллельно во время основной стадии восстановления и науглероживания, и давление поддерживается за счет подаваемого углеродсодержащего газа. В случае, если давление в емкости 320 недостаточно для подачи углеродсодержащего газа, вместо этого открывают клапаны V18 и V6, а клапаны V12, V13 и V14 закрывают, так что компрессор 270 может медленно начинать подавать больше углеродсодержащего газа и тем самым поддерживать давление в пространстве печи 120 на уровне желаемого конечного давления, по меньшей мере, 2,3- 3,5 бар.Then the supply of carbon-containing gas is carried out by closing the valve V1 or V3 and opening the valve V15 (in case this is the first reduction), otherwise the valve V17 is opened, as a result of which the space of the furnace 120 begins to be filled with carbon-containing gas. This means that the reduction and carburization occur in parallel during the main stage of reduction and carburization, and the pressure is maintained by the supplied carbon-containing gas. In case the pressure in the container 320 is insufficient for supplying the carbon-containing gas, the valves V18 and V6 are opened instead, and the valves V12, V13 and V14 are closed, so that the compressor 270 can slowly begin to supply more carbon-containing gas and thus maintain the pressure in the space of the furnace 120 at the level of the desired final pressure of at least 2.3-3.5 bar.

В течение всего процесса восстановления, и тепло, и большее количество углеродосодержащего газа, пока восстановление не приблизится к окончательному, что происходит примерно при 700°С, когда температура газа, выходящего из шихты, имеет ту же температуру, что и газ, поступающий в шихту. В этот момент, температуру повышают до конечной температуры более 700°С и, предпочтительно, максимально до 1100°С, в то время как давление поддерживают за счет непрерывной подачи смешанного газа из емкости 320, содержащего смесь газообразного водорода и углеродсодержащего газа.During the entire reduction process, both heat and a larger amount of carbon-containing gas are added until the reduction approaches the final one, which occurs at about 700°C, when the temperature of the gas leaving the batch has the same temperature as the gas entering the batch. At this point, the temperature is increased to a final temperature of more than 700°C and preferably up to a maximum of 1100°C, while the pressure is maintained by continuously feeding mixed gas from a vessel 320 containing a mixture of hydrogen gas and carbon-containing gas.

На фигуре 4b представлен график, соответствующий показанному на фигуре 4а, но иллюстрирующий эту вторую стратегию.Figure 4b shows a graph similar to that shown in Figure 4a, but illustrating this second strategy.

Третий примерThird example

В третьей стратегии, подачу углеродсодержащего газа начинают, когда восстановление достигает своего максимума. Для гематита и магнетита это происходит примерно при 550 - 570°С.In the third strategy, the supply of carbon-containing gas is started when the reduction reaches its maximum. For hematite and magnetite this occurs at approximately 550 - 570 °C.

В этой стратегии, давление повышают, по меньшей мере, до 1,1 бар, предпочтительно, по меньшей мере, до 2,3-2,5 бар, путем подачи газообразного водорода из емкости 290, как описано выше, через клапан V1 или путем открытия клапанов V2/V6 и использования компрессора 270, в зависимости от доступного давления газообразного водорода в емкости 290. В то же время, тепло подают в пространство печи 120, как описано выше.In this strategy, the pressure is increased to at least 1.1 bar, preferably to at least 2.3-2.5 bar, by feeding hydrogen gas from the tank 290, as described above, through the valve V1 or by opening the valves V2/V6 and using the compressor 270, depending on the available pressure of hydrogen gas in the tank 290. At the same time, heat is supplied to the space of the furnace 120, as described above.

При приближении температуры газов, выходящих из шихты, к 500°С, подачу газообразного водорода прекращают. К этому моменту, большая часть шихты уже полностью восстановлена и теперь состоит из пирофорного железа, готового получать углерод, подаваемый через углеродсодержащий газ. Это достигается за счет регулирования клапанов V1-V4 для газообразного водорода и открытия клапана V15 для свежего углеродосодержащего газа из емкости 310.When the temperature of the gases leaving the batch approaches 500°C, the supply of hydrogen gas is stopped. By this time, most of the batch has been completely reduced and now consists of pyrophoric iron, ready to receive carbon supplied via carbon-containing gas. This is achieved by adjusting valves V1-V4 for hydrogen gas and opening valve V15 for fresh carbon-containing gas from tank 310.

В случае, если давление в емкости 310 недостаточно, клапаны V15 и V1 закрывают, а клапан V6 открывают, и компрессор 270 используют для поддержания необходимого давления. Науглероживание происходит после или частично параллельно с восстановлением, и давление поддерживают за счет подачи углеродсодержащего газа. Как упоминалось выше, в результате науглероживания образуется определенное количество газообразного водорода, и возникающее нежелательное повышение давления можно устранить путем откачивания части пространства печи 120 в емкость 320, открывая клапаны V7 и V19 и позволяя компрессору 270 выдавливать водород/углеродсодержащую газовую смесь из пространства печи 120 в емкость 320.In case the pressure in the vessel 310 is insufficient, the valves V15 and V1 are closed, the valve V6 is opened, and the compressor 270 is used to maintain the required pressure. The carburization occurs after or partially in parallel with the reduction, and the pressure is maintained by feeding a carbon-containing gas. As mentioned above, a certain amount of hydrogen gas is formed as a result of the carburization, and the resulting undesirable increase in pressure can be eliminated by evacuating a part of the furnace space 120 into the vessel 320, opening the valves V7 and V19 and allowing the compressor 270 to squeeze the hydrogen/carbon-containing gas mixture from the furnace space 120 into the vessel 320.

Когда температура на стороне выхода шихты такая же, как и на стороне входа, предпочтительно, в пределах 650-750°С, например, в пределах 690-700°С, температуру повышают при постоянном давлении, точнее, при давлении, по меньшей мере, 1,1, предпочтительно, по меньшей мере, 2,3-2,5 бар, до более высокой температуры, которая составляет, по меньшей мере, 800°С, например 800-1100°С. Постоянное давление поддерживают подачей углеродосодержащего газа, предпочтительно, свежего углеродосодержащего газ из емкости 310 через клапан V15 или через клапаны V16 и V6 с использованием компрессора 270, при необходимости.When the temperature on the batch outlet side is the same as on the inlet side, preferably in the range of 650-750°C, for example in the range of 690-700°C, the temperature is increased at a constant pressure, more precisely at a pressure of at least 1.1, preferably at least 2.3-2.5 bar, to a higher temperature, which is at least 800°C, for example 800-1100°C. The constant pressure is maintained by feeding carbon-containing gas, preferably fresh carbon-containing gas from the container 310 through the valve V15 or through the valves V16 and V6 using the compressor 270, if necessary.

Затем можно начать описанные ниже стадии охлаждения и опорожнения.The cooling and emptying stages described below can then begin.

Как правило, в этой третьей стратегии, стадию подачи углерода начинают только после того, как металлический материал достигнет температуры 450-550°, после чего подача газообразного водорода может быть прекращена. С другой стороны, стадия подачи углерода может также включать продолжение подачи тепла в пространство печи 120.Typically, in this third strategy, the carbon feeding step is started only after the metal material reaches a temperature of 450-550°, after which the hydrogen gas supply can be stopped. On the other hand, the carbon feeding step can also include continuing to supply heat to the furnace space 120.

Кроме того, как правило, в этой третьей стратегии, тепло подают на стадии основного восстановления и науглероживания и, в частности, на стадии подачи углерода до тех пор, пока температура металлического материала не достигнет 700-1100°С, например 800-1100°С.In addition, generally in this third strategy, heat is supplied in the main reduction and carburization stage, and in particular in the carbon supply stage, until the temperature of the metal material reaches 700-1100°C, such as 800-1100°C.

Как уже упоминалось, стадия подачи углерода в этой третьей стратегии может включать подачу тепла в пространство печи 120 при постоянном давлении, где давление регулируется регулируемой подачей углеродсодержащего газа, и где углеродосодержащий газ может или не может быть смешан с газообразным водородом.As mentioned, the carbon supply step in this third strategy may include supplying heat to the furnace space 120 at a constant pressure, where the pressure is controlled by a controlled supply of carbon-containing gas, and where the carbon-containing gas may or may not be mixed with hydrogen gas.

Фигура 4с представляет график, соответствующий показанному на фигуре 4а, но иллюстрирующий эту третью стратегию. Особенно отмечается, что парциальное давление газообразного водорода снижается выше 600°С из-за образования водорода в результате реакции науглероживания.Figure 4c is a graph corresponding to that shown in Figure 4a, but illustrating this third strategy. It is particularly noted that the partial pressure of hydrogen gas decreases above 600°C due to the formation of hydrogen as a result of the carburization reaction.

После полного восстановления и науглероживания, способ по настоящему изобретению включает стадию охлаждения и опорожнения, которая будет описана ниже.After complete reduction and carburization, the method of the present invention includes a cooling and emptying step, which will be described below.

Следовательно, на последующей стадии охлаждения, атмосферу газообразного водорода/углеродсодержащего газа в пространстве печи 120 затем охлаждают до температуры не более 100°С, предпочтительно, примерно 50°С, и после этого удаляют из пространства печи 120 и собирают.Therefore, in the subsequent cooling step, the hydrogen gas/carbon-containing gas atmosphere in the furnace space 120 is then cooled to a temperature of not more than 100°C, preferably about 50°C, and is then removed from the furnace space 120 and collected.

В случае одной печи 100/220, которая не соединена с одной или несколькими печами, загружаемый материал можно охлаждать с помощью вентилятора 250, который расположен после охладителя газо-водяного типа 240, который, в свою очередь, установлен для охлаждения водород/углеродсодержащего газа (циркулирующего по замкнутому контуру вентилятором 250 в контуре мимо клапана V12, теплообменника 240, вентилятора 250 и клапана V10, выходящего из пространства печи 120 через выходной трубопровод 173 и снова входящего в пространство печи 120 через входной трубопровод 171). Эта охлаждающая циркуляция показана стрелками на фигуре1 Ь.In the case of a single furnace 100/220 which is not connected to one or more furnaces, the feed material can be cooled by means of a fan 250 which is located after a gas-water cooler 240 which in turn is arranged to cool the hydrogen/carbon-containing gas (circulated in a closed circuit by the fan 250 in the circuit past the valve V12, the heat exchanger 240, the fan 250 and the valve V10, leaving the furnace space 120 through the outlet pipe 173 and again entering the furnace space 120 through the inlet pipe 171). This cooling circulation is shown by arrows in Fig. 1 b.

Теплообменник 240, следовательно, передает тепловую энергию от циркулирующего водород/углеродсодержащего газа к воде (или другой жидкости), откуда тепловую энергию можно использовать подходящим образом, например, в системе централизованного теплоснабжения. Замкнутый контур достигается путем закрытия всех клапанов V1-V19, кроме клапанов V10 и V12.The heat exchanger 240 therefore transfers the thermal energy from the circulating hydrogen/carbonaceous gas to water (or another liquid), from where the thermal energy can be used in a suitable way, for example in a district heating system. The closed loop is achieved by closing all valves V1-V19 except valves V10 and V12.

Поскольку водород/углеродсодержащий газ в этом случае циркулирует мимо загруженного материала в емкости 140, он поглощает тепловую энергию загруженного материала, обеспечивая эффективное охлаждение загруженного материала, в то время как водород/углеродсодержащий газ циркулирует в замкнутом контуре.As the hydrogen/carbon containing gas in this case circulates past the loaded material in the vessel 140, it absorbs thermal energy from the loaded material, providing effective cooling of the loaded material while the hydrogen/carbon containing gas circulates in a closed loop.

В другом примере, тепловую энергию, полученную от охлаждения печи 100/220, используют для предварительного нагрева другой печи 210. Затем это достигается с помощью устройства управления 201, по сравнению с описанным выше замкнутым контуром охлаждения, закрывающего клапан V12, и вместо этого открывающего клапаны V13, V14. Таким образом, горячий водород/углеродсодержащий газ, поступающий из печи 220, отводят в теплообменник 230 типа газ-газ, который, предпочтительно, представляет собой теплообменник противоточного типа, в котором газообразный водород, подаваемый на начальной или основной стадии восстановления и науглероживания, проводимой в другой печи 210, предварительно нагревается в теплообменнике 230. После этого, несколько охлажденный водород/углеродсодержащий газ из печи 220 может циркулировать мимо теплообменника 240 для дальнейшего охлаждения перед повторным введением в печь 220. Опять же, водород/углеродсодержащий газ из печи 220 циркулирует в замкнутом контуре с помощью вентилятора 250.In another example, the thermal energy obtained from cooling the furnace 100/220 is used to preheat another furnace 210. This is then achieved by means of the control device 201, in comparison with the closed cooling circuit described above, closing the valve V12, and instead opening the valves V13, V14. Thus, the hot hydrogen/carbon-containing gas coming from the furnace 220 is diverted to a gas-to-gas heat exchanger 230, which is preferably a counter-current type heat exchanger, in which the hydrogen gas supplied in the initial or main stage of the reduction and carburization carried out in another furnace 210 is preheated in the heat exchanger 230. After this, the somewhat cooled hydrogen/carbon-containing gas from the furnace 220 can be circulated past the heat exchanger 240 for further cooling before being reintroduced into the furnace 220. Again, the hydrogen/carbon-containing gas from the furnace 220 is circulated in a closed loop by means of a fan 250.

Следовательно, охлаждение водород/углеродсодержащего газа на стадии охлаждения может происходить посредством теплообмена с газообразным водородом, подаваемым в другое пространство печи 210, 120, для проведения начальной и основной стадии нагрева и конденсации, как описано выше, по отношению к указанному другому пространству печи 210, 120.Therefore, the cooling of the hydrogen/carbon-containing gas in the cooling stage may occur by heat exchange with gaseous hydrogen supplied to another space of the furnace 210, 120, for carrying out the initial and main stage of heating and condensation, as described above, with respect to said other space of the furnace 210, 120.

Как только водород/углеродсодержащий газ становится недостаточно горячим для нагревания газообразного водорода, подаваемого в печь 210, устройство управления 201 снова закрывает клапаны V13, V14 и снова открывает клапан V12, так что водород/углеродсодержащий газ из печи 220 берут непосредственно к теплообменнику 240.As soon as the hydrogen/carbon-containing gas becomes insufficiently hot to heat the hydrogen gas supplied to the furnace 210, the control device 201 again closes the valves V13, V14 and again opens the valve V12, so that the hydrogen/carbon-containing gas from the furnace 220 is taken directly to the heat exchanger 240.

Независимо от того, как используется его тепловая энергия, водород/углеродсодержащий газ из печи 220 охлаждают до тех пор, пока он (или, что более важно, загруженный материал) не достигнет температуры ниже 100°С, чтобы избежать повторного окисления загруженного материала, когда он впоследствии подвергается воздействию воздуха. Температура загруженного материала может быть измерена непосредственно, подходящим способом, таким как описан выше, или косвенно, путем измерения подходящим способом температуры водород/углеродсодержащего газа, выходящего через выпускной трубопровод 173.Regardless of how its thermal energy is used, the hydrogen/carbon-containing gas from the furnace 220 is cooled until it (or, more importantly, the charged material) reaches a temperature below 100°C in order to avoid re-oxidation of the charged material when it is subsequently exposed to air. The temperature of the charged material can be measured directly, in a suitable manner, such as described above, or indirectly, by measuring the temperature of the hydrogen/carbon-containing gas exiting through the outlet pipe 173 in a suitable manner.

Охлаждение водород/углеродосодержащего газа может происходить при поддержании давления водород/углеродосодержащего газа, либо давление водород/углеродосодержащего газа может быть понижено в результате того, что горячему водород/углеродосодержащему газу позволяют заполнить больший объем (трубопроводов замкнутого контура и теплообменников) после открытия клапанов V10 и V12.Cooling of the hydrogen/carbon containing gas can occur while maintaining the hydrogen/carbon containing gas pressure, or the hydrogen/carbon containing gas pressure can be reduced by allowing hot hydrogen/carbon containing gas to fill a larger volume (closed loop pipes and heat exchangers) after opening valves V10 and V12.

На следующей стадии, водород/углеродсодержащий газ удаляют из пространства печи 220, 120, и собирают в подходящую емкость для использованного газа. Обычно, в этот момент, пространство печи 120 содержит смесь водорода и углеродсодержащего газа, и эта смесь затем откачивается в емкость 320 для отработанного углеродсодержащего газа с помощью вакуумного насоса 260, возможно в сочетании с компрессором 270. Устройство управления открывает клапаны V13, V14, V8 и V19, закрывает клапаны V1-V7 и V15-V18. Затем включают вакуумный насос 260 и компрессор 270 для нагнетания отработанной газовой смеси в емкость 320. Откачивание пространства печи 120 предпочтительно проводят до тех пор, пока внутри пространства печи 120 обнаруживается давление не более 0,5 бар или даже не более 0,3 бар.In the next step, the hydrogen/carbon-containing gas is removed from the furnace space 220, 120 and collected in a suitable waste gas container. Typically, at this point, the furnace space 120 contains a mixture of hydrogen and carbon-containing gas, and this mixture is then pumped into a waste carbon-containing gas container 320 using a vacuum pump 260, possibly in combination with a compressor 270. The control device opens the valves V13, V14, V8 and V19, closes the valves V1-V7 and V15-V18. Then the vacuum pump 260 and the compressor 270 are turned on to pump the waste gas mixture into the container 320. The evacuation of the furnace space 120 is preferably carried out until a pressure of no more than 0.5 bar or even no more than 0.3 bar is detected inside the furnace space 120.

Поскольку пространство печи 120 закрыто, из системы удаляют только водород/углеродсодержащий газ, израсходованный в реакции химического восстановления, и оставшийся газообразный водород является тем газом, который необходим для поддержания баланса газообразный водород/водяной пар в пространстве печи 120 во время основной стадии восстановления и науглероживания. Этот откачанный газообразный водород полностью используют для последующей периодической обработки новой загрузки металлического материала, подлежащего восстановлению.Since the furnace space 120 is closed, only the hydrogen/carbon-containing gas consumed in the chemical reduction reaction is removed from the system, and the remaining hydrogen gas is the gas required to maintain the hydrogen gas/water vapor balance in the furnace space 120 during the main reduction and carburization stage. This removed hydrogen gas is fully utilized for the subsequent periodic processing of a new batch of metal material to be reduced.

После этого закрывают клапаны V7, V8, V19 и открывают клапан V9 для впуска воздуха в систему для замены загруженного материала, и клапан V11 открывают для слива конденсированной воды.After this, valves V7, V8, V19 are closed and valve V9 is opened to admit air into the system to replace the loaded material, and valve V11 is opened to drain the condensed water.

На следующей стадии, пространство печи 120 открывают, например, путем освобождения крепежных средств 111 и открывания верхней части 110. Емкость 140 извлекают и заменяют емкостью с новой партией загруженного металлического материала, подлежащего восстановлению.In the next step, the furnace space 120 is opened, for example by releasing the fastening means 111 and opening the upper part 110. The container 140 is removed and replaced with a container with a new batch of loaded metal material to be restored.

На следующей стадии, удаленный восстановленный материал может быть затем помещен в инертную атмосферу, такую как атмосфера азота, чтобы избежать повторного окисления во время транспортировки и хранения.In the next step, the removed recovered material can then be placed in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere to avoid re-oxidation during transportation and storage.

Например, восстановленный металлический материал может быть помещен в гибкий или жесткий транспортный контейнере, который затем может быть заполнен инертным газом в пространстве, окружающем гибкие или жесткие контейнеры. После этого, восстановленный металлический материал можно безопасно транспортировать без риска повторного окисления.For example, the recovered metal material can be placed in a flexible or rigid transport container, which can then be filled with an inert gas in the space surrounding the flexible or rigid container. The recovered metal material can then be safely transported without the risk of re-oxidation.

В следующей таблице показано приблизительное равновесие между газообразным водородом Н₂ и водяным паром Н₂О для различных температур внутри пространства печи 120:The following table shows the approximate equilibrium between hydrogen gas _H2 and water vapor _H2O for various temperatures inside the furnace space 120:

Примерно 417 Нм³ газообразного водорода Н₂ требуется для восстановления 1000 кг Fe₂O₃, и примерно 383 м³ газообразного водорода Н₂ требуется для восстановления 1000 кг Fe₃O₄.Approximately 417 ^Nm3 of hydrogen gas _H2 is required to reduce 1000 kg _of _Fe2O3 , and approximately 383 m3 ^of hydrogen gas _H2 is required to reduce 1000 kg _of _Fe3O4 .

В следующей таблице показано количество газообразного водорода, необходимое для восстановления 1000 кг Fe₂O₃ и Fe₃O₄, соответственно, при атмосферном давлении и в открытой системе (в соответствии с известным уровнем техники), но при разных температурах:The following table shows the amount of hydrogen gas required to reduce 1000 kg of Fe ₂ O ₃ and Fe ₃ O ₄ , respectively, at atmospheric pressure and in an open system (according to the prior art), but at different temperatures:

В следующей таблице показано количество газообразного водорода, необходимое для восстановления 1000 кг Fe₂O₃ и Fe₃O₄, соответственно, при различных давлениях и температурах:The following table shows the amount of hydrogen gas required to reduce 1000 kg of Fe ₂ O ₃ and Fe ₃ O ₄ , respectively, at various pressures and temperatures:

Как описано выше, стадию основного восстановления и науглероживания в соответствии с настоящим изобретением проводят при давлении более 1 бар, и при высокой температуре. В течение большей части основной стадии восстановления и науглероживания, на которой частично происходит восстановление, было обнаружено, что предпочтительно использовать комбинацию нагретого газообразного водорода с температурой, по меньшей мере, 500°С и давлением в пространстве печи 120, по меньшей мере, 2,3 бар.As described above, the main reduction and carburization stage according to the present invention is carried out at a pressure of more than 1 bar, and at a high temperature. During the major part of the main reduction and carburization stage, in which the reduction partially occurs, it has been found that it is preferable to use a combination of heated hydrogen gas with a temperature of at least 500°C and a pressure in the furnace space 120 of at least 2.3 bar.

Выше были описаны предпочтительные варианты осуществления. Однако специалисту в данной области техники очевидно, что в раскрытые варианты осуществления можно внести множество модификаций, не отступая от основной идеи изобретения.Preferred embodiments have been described above. However, it will be obvious to those skilled in the art that many modifications can be made to the disclosed embodiments without departing from the basic idea of the invention.

Например, геометрия печи 100 может отличаться в зависимости от подробных предпосылок.For example, the geometry of furnace 100 may vary depending on the detailed assumptions.

Теплообменник 160 описан как трубчатый теплообменник. Даже если было обнаружено, что это особенно выгодно, понятно, что возможны другие типы теплообменников/конденсаторов газ-газ. Теплообменник 240 может иметь любую подходящую конфигурацию.Heat exchanger 160 is described as a tubular heat exchanger. Even though this has been found to be particularly advantageous, it is understood that other types of gas-to-gas heat exchangers/condensers are possible. Heat exchanger 240 may have any suitable configuration.

Избыточное тепло от охлажденного водород/углеродосодержащего газа также может быть использовано в других процессах, требующих тепловой энергии.Excess heat from the cooled hydrogen/carbonaceous gas can also be used in other processes requiring thermal energy.

Металлический материал, подлежащий восстановлению и науглероживанию, описан как оксиды железа. Однако настоящий способ и система могут также использоваться для восстановления и науглероживания металлического материала, такого как вышеупомянутые оксиды металлов, содержащие Zn и Pb, которые испаряются при температурах ниже примерно 600-700°С.The metallic material to be reduced and carburized is described as iron oxides. However, the present method and system can also be used to reduce and carburize metallic material such as the above-mentioned metal oxides containing Zn and Pb, which evaporate at temperatures below about 600-700°C.

Настоящие принципы комбинированного прямого восстановления и науглероживания также можно использовать с металлическими материалами, имеющими более высокие температуры восстановления, чем у железной руды, с соответствующими корректировками конструкции печи 100, например, в отношении используемых строительных материалов.The present principles of combined direct reduction and carburization can also be used with metallic materials having higher reduction temperatures than iron ore, with appropriate adjustments to the design of the furnace 100, for example with respect to the construction materials used.

Следовательно, изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, а может быть изменено в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.Therefore, the invention is not limited to the embodiments described, but may be modified within the scope of the appended claims.

Claims

1. A method for periodically producing directly reduced metallic material, comprising the following stages:

a) loading the metal material to be reduced into the furnace space (120);

b) evacuating the existing atmosphere from the furnace space (120) to achieve a gas pressure of less than 1 bar inside the furnace space (120);

c) providing heat and hydrogen gas to the furnace space (120), such that the heated hydrogen gas heats the loaded metallic material to a temperature high enough to reduce the metal oxides present in the metallic material, which in turn causes the formation of water vapour, wherein the supply of hydrogen gas is carried out in such a way that a pressure of more than 1 bar is created inside the furnace space (120), and without recirculating the hydrogen gas during the reduction of the metallic material, such that hydrogen gas is supplied to the furnace but is not removed from it during the reduction; wherein the hydrogen gas is supplied to the upper part of the furnace space (120); and

d) before pumping the gases from the furnace space (120) back to atmospheric pressure, condensing and collecting the water vapor formed in step c) in the condenser (160) under the loaded metal material; and

e) before pumping gases from the furnace space (120) back to atmospheric pressure, feeding carbon-containing gas into the upper part of the furnace space (120), so that the heated and reduced metallic material is carburized by said carbon-containing gas.

2. The method according to claim 1, wherein the supply of carbon-containing gas is not carried out until at least a portion of the metallic material has undergone reduction.

3. The method according to claim 1 or 2, wherein gaseous hydrogen is supplied via an input pipeline (171) and carbon-containing gas is supplied via an input pipeline (171).

4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the step of loading the metallic material into the furnace space (120) comprises placing a container (140) into the furnace space (120), wherein the container (140) is located on a refractory floor of the furnace space (120) with the possibility of gas passing under the container (140) along open or closed channels (172) formed in said field, wherein the channels (172) extend from the inlet pipeline (171) for hydrogen gas and carbon-containing gas radially outward to the radial periphery of the furnace space (120) and then upward to the upper part of the furnace space (120),

where gaseous hydrogen is fed into the upper part of the furnace space (120) through channels (172) and

where carbon-containing gas is fed through channels (172).

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that steps c) and d) are carried out at least until a partial pressure of hydrogen of more than 1 bar is reached inside the furnace space (120), and that gaseous hydrogen (120) is not removed from the furnace space until said partial pressure of more than 1 bar is reached.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that step c) further comprises, at the initial heating stage, supplying heat and hydrogen gas into the furnace space (120), so that the heated hydrogen gas heats the loaded metallic material to a temperature above the boiling point of water contained in the metallic material, causing evaporation of said contained water.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the gaseous hydrogen supplied at stage c) is preheated in a heat exchanger (160), where the heat exchanger (160) is installed to transfer thermal energy from the evaporated water to the gaseous hydrogen supplied at stage c).

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the carbon-containing gas supplied at stage c) is preheated in a heat exchanger (160), where the heat exchanger (160) is installed to transfer thermal energy from the evaporated water to the carbon-containing gas supplied at stage e).

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the supply of hydrogen gas in step c) and/or the supply of carbon-containing gas in step e) is carried out until a predetermined pressure is reached.

10. The method according to claim 9, characterized in that the specified pressure is at least 2.3 bar, for example at least 2.5 bar, for example at least 3 bar.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that during the execution of step c), a clean flow of water vapor downwards through the loaded metal material is provided.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the carbon-containing gas is a gaseous hydrocarbon and that carbon monoxide is not fed into the furnace space (120) at step e).

13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that step e) is at least partially performed simultaneously with steps c) and d).

14. The method according to claim 13, characterized in that step d) includes supplying heat to the furnace space (120) at a constant pressure, where the pressure is regulated by an adjustable supply of carbon-containing gas, where the carbon-containing gas can be mixed with hydrogen gas.

15. A system (100; 200) for the periodic production of directly reduced metallic material, comprising

a closed space of the furnace (120) designed to receive loaded metallic material to be restored;

atmosphere evacuation means (260) configured to evacuate the existing atmosphere from the furnace space (120) to achieve a gas pressure of less than 1 bar inside the furnace space (120);

means for supplying heat and hydrogen (171; 280, 290) configured to supply heat and gaseous hydrogen into the space of the furnace (120);

characterized in that the system (100; 200) additionally contains

a control device (201) configured to control the heat and hydrogen supply means (171; 280, 290) in such a way that the heated hydrogen gas heats the loaded metallic material to a temperature high enough for the metal oxides present in the metallic material to be reduced, which in turn causes the formation of water vapour, wherein the supply of hydrogen gas is carried out in such a way that a pressure of more than 1 bar is created inside the furnace space (120), and without recirculating the hydrogen gas during the reduction of the metallic material, such that hydrogen gas is supplied to the furnace but is not removed from it during the reduction; wherein the hydrogen gas is supplied to the upper part of the furnace space (120); and

cooling and collecting means (160, 161) located under the loaded metal material, intended for condensing and collecting water vapor before pumping gases from the furnace space (120) back to atmospheric pressure, and

means for feeding carbon-containing gas (171; 310, 320) configured to feed carbon-containing gas into the furnace space (120) at the top of the furnace space (120), and wherein the control device (201) is configured to control the means for feeding carbon-containing gas (171; 310, 320) to feed carbon-containing gas before pumping gases out of the furnace space (120) back to atmospheric pressure, so that the carburized and reduced metallic material is carburized with said carbon-containing gas.