СПОСОБ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
METHOD OF BALST-FURNACE MELTING

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах, работающих с использованием в шихте титаномагнетитового сырья.
Известен способ доменной плавки титаномагнетитовых руд, включающий загрузку подачами железорудного сырья и кокса, подачу комбинированного дутья, определение оптимального значения коэффициента распределения титана между шлаком и чугуном, контроль его текущего значения, выпуск чугуна и шлака, причем при изменении текущего значения коэффициента распределения титана между чугуном и шлаком от оптимального его значения на единицу пропорционально изменяют на 1,65-3,0% расход кокса в подаче и обратно пропорционально на 0,5-1,5% от расхода дутья, расход природного газа на период 0,3-0,7 от времени проплавления шихты в печи до достижения оптимального значения коэффициента распределения титана между шлаком и чугуном (RU №2001111, МПК 7 С21В 5/00, 1992).
Недостатком данного способа является пониженная производительность, повышенный расход кокса и себестоимость чугуна из-за колебаний теплового состояния горна и, как следствие, степени восстановления окислов титана.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ доменной плавки, включающий загрузку в печь сырья и кокса, подачу в фурмы нагретого, обогащенного кислородом дутья, природного газа, выпуск чугуна и шлака, причем при превышении концентрации титана в чугуне сверх 0,20% увеличивают расход природного газа на 0,15-0,20% по отношению к дутью и одновременно снижают основность шлака на 0,005-0,010 на каждые 0,01% превышения концентрации титана, а при концентрации титана в чугуне менее 0,15% снижают расход природного газа и увеличивают основность шлака в тех же пределах [SU, №1086015, МПК 6 С21В 5/00, 1984].
Недостатком данного способа являются низкая производительность, высокие расход кокса и себестоимость чугуна из-за значительного временного запаздывания корректирующих воздействий при превышении предела растворимости титана в чугуне.
Задачей изобретения является повышение производительности, снижение удельного расхода кокса и себестоимости чугуна за счет обеспечения ровного, форсированного хода доменной печи, улучшения физико-химических свойств шлаков, повышения дренажной способности и активизации работы горна.
Поставленная задача достигается тем, что в способе доменной плавки, включающем загрузку в печь сырья и кокса, подачу в фурмы нагретого, обогащенного кислородом дутья, природного газа, выпуск чугуна и шлака, согласно изобретению, при повышении концентрации титана в чугуне на каждые 0,01% сверх 0,10%, одновременно увеличивают расход кислорода на 0,15-0,20% по отношению к дутью и основность шлака на 0,010-0,015.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение производительности, снижение удельного расхода кокса и себестоимости чугуна обеспечением ровного, форсированного хода доменной печи, улучшением физико-химических свойств шлаков, повышением дренажной способности и активизации работы горна за счет одновременного увеличения расхода кислорода на 0,15-0,20% по отношению к дутью и основности шлака на 0,010-0,015 при повышении концентрации титана в чугуне на каждые 0,01% сверх 0,10%.
Специфика доменной плавки с использованием титаномагнетитового сырья связана с неравновесностью шлаков, содержащих оксиды титана, которые в условиях доменной плавки, восстанавливаясь твердым углеродом через ряд промежуточных оксидов, образуют «греналь»-тугоплавкие соединения на основе двухвалентного титана (TiO), а также карбидов и карбонитридов титана (TiC, TiNC), образующихся вследствие ограниченной растворимости титана в чугуне и выделяющихся из расплава на контактных поверхностях «металл-кокс-шлак». «Греналь» повышает гетерогенность и видимую вязкость шлака, обуславливает напряженность шлакового режима плавки титаномагнетитового сырья, ухудшает дренажную способность горна, усиливает зарастание горна и желобов, увеличивает потери чугуна со шлаком, снижая производительность доменной печи и повышая расход кокса.
Эффект воздействия кислорода (окисленности) дутья на содержание в чугуне титана и других трудновосстановимых элементов (Si, Mn, V) проявляется особенно сильно в окислительной зоне фурменных очагов горения кокса (через нее стекает в горн относительно большее количество образовавшихся чугуна и шлака).
Окисление титана с переходом его в шлак происходит по химической формуле
Эта реакция окисления является обратимой при основности менее 1,0, тогда
2
3
Восстановление титана из шлака при основности более 1,0 прекращается вследствие взаимодействия диоксида титана (TiO) с окисью кальция (СаО) и образования трудновосстановимого, тугоплавкого соединения СаО·TiO (Готлиб А.А. Доменный процесс. - М.: Металлургия, 1966 г., с.306 и 399).
Повышение окисленности первичных и промежуточных шлаков за счет монооксида железа (FeO) создает в зоне горна физико-химические условия, способствующие развитию процесса окисления титана. Так как по термодинамике сродство к кислороду у титана больше, чем у железа, то обеспечиваются условия окисления титана по реакции:
Таким образом, повышение окисленности дутья, основности шлака и его окисленности за счет монооксида железа (FeO) обеспечивает условия фактического содержания титана в чугуне в пределах его растворимости (до 0,20%), при этом образование и выделение из расплава свободного титана снижается практически до минимума по всему сечению горна доменной печи.
В то же время необходимо отметить, что восстановление титана, как правило, происходит на поверхности кусков кокса, поэтому вследствие прямого контакта с углеродом кокса некоторая часть восстановленного и не растворившегося в металле титана успевает расходоваться на границе раздела фаз «металл-кокс-шлак» на образование карбидов (TiC) и карбонитридов (TiNC) по реакциям
В окислительной среде эти реакции являются обратимыми и протекают в направлении распада карбидов и карбонитридов
Из реакций 3-7 следует, что процесс образования карбидов и карбонитридов, являющихся основой процесса греналеобразования, значительно лимитируется окисленностью среды (дутья и шлака), а по сечению горна на горизонте воздушных фурм, где сильно развиты окислительные процессы, греналеобразование практически затухает. Очевидно, что развитие окислительных процессов титана и его тугоплавких соединений в горне прямо пропорционально степени окисленности дутья, которая в свою очередь лимитируется величиной теоретической температуры горения в фурменных очагах вследствие ее прямой связи с концентрацией кислорода в дутье и уровнем теплового состояния горна.
При увеличении расхода кислорода на 0,15-0,20% по отношению к дутью обеспечивается оптимальная теоретическая температура горения в пределах 2150-2200°С. Практикой работы доменных печей показано, что при этом уровне теоретической температуры горения достигается стабилизация температурного поля и теплового состояния горна, улучшаются физико-химические свойства шлака.
При увеличении расхода кислорода на величину менее 0,15% по отношению к дутью не обеспечивается требуемый окислительный потенциал, необходимый для разрушения карбидов и карбонитридов титана.
Увеличение расхода кислорода более 0,20% по отношению к дутью нецелесообразно, т.к. снижается стабильность температурного поля и теплового состояния горна, ухудшаются физико-химические свойства шлака за счет повышения их гетерогенности.
По практическим данным увеличение основности шлака на 0,010-0,015 является оптимальной нормой воздействия на содержание титана при его увеличении на каждые 0,01% повышения концентрации титана в чугуне сверх 0,1% и способствует нормализации физико-химических свойств титанистых шлаков. При этом реализуется резерв тепла в горне, образующийся при требуемом уровне теоретической температуры (2150-2200°С), и создаются условия торможения восстановления титана.
Увеличение основности шлака на величину менее 0,010 на каждые 0,01% повышения концентрации титана в чугуне сверх 0,1% нежелательно, т.к. не обеспечиваются условия торможения восстановления титана, а при увеличении основности шлака более 0,015 на каждые 0,015 повышения концентрации титана в чугуне сверх 0,1% ухудшаются физико-химические свойства шлаков за счет повышения температуры его кристаллизации.
Одновременное увеличение расхода кислорода и основности шлака, в совокупном влиянии, с одной стороны, повышает окисленность нагретого дутья, усиливая процесс окисления титана и его тугоплавких соединений, с другой стороны, уменьшает восстановление титана и греналеобразование, обеспечивает улучшение физико-химических свойств шлака, дренажной способности горна и активизирует его работу.
3
3
3
3
3
3
2
Пример. Предлагаемый способ доменной плавки осуществляли на доменной печи полезным объемом 3000 м, выплавляющей передельный чугун с использованием в шихте титаномагнетитового сырья и оборудованной роторным загрузочным устройством. В доменную печь загружали кокс (14 т) и рудную часть шихты (56 т), состоящую из 80% агломерата (44,8 т) и 20% титаносодержащих (до 3,0% диоксида титана) окатышей Качканарского ГО-Ка (11,2 т). Через воздушные фурмы подавали нагретое (1190°С), обогащенное кислородом (27,62%) дутье и природный газ (23,0 тыс.м/т чугуна), осуществляли выпуск чугуна и шлака. При этом расход кислорода на обогащение дутья составлял 23,0 тыс.м/час, дутья - 4400 нм/мин, теоретическая температура горения-2150°С. Содержание титана в чугуне - 0,10%, основность шлака по CaO/SiO-1,01 (прототип - пример 1 таблицы). При повышении концентрации титана в чугуне с 0,10 до 0,11% (на 0,01%) одновременно увеличивали расход кислорода с 23,0 до 23,5 тыс.м/час (на 0,175%) по отношению к дутью (4403 нм/мин) и основность шлака до 1,0225 (на 0,0125). Теоретическая температура горения составила 2156°С. При этом производительность доменной печи повысилась до 101,32%, а удельный расход кокса снизился до 99,16% (пример 4 таблицы).
Наилучшие результаты реализации способа доменной плавки подтвердили, что наилучшие результаты получены при параметрах, указанных в заявляемом способе (примеры 3-5 таблицы).
Нецелесообразно одновременное увеличение расхода кислорода менее 0,15% (на 0,14%) по отношению к дутью и уменьшении основности менее 0,010 (0,009) на каждые 0,01% повышения концентрации титана в чугуне сверх 0,10% из-за снижения производительности доменной печи до 99,96% и повышения удельного расхода кокса до 100,23% (пример 2 таблицы).
Нежелательным является также одновременное увеличение расхода кислорода на 0,21% и основности шлака на 0,016, т.к. производительность доменной печи снижалась до 99,98%, а расход кокса увеличивался до 100,12% (пример 6 таблицы).
Использование предлагаемого способа свидетельствует об улучшении основных технико-экономических показателей доменной плавки: увеличении производительности доменной печи и снижении удельного расхода кокса за счет обеспечения ровного, форсированного хода доменной печи, улучшения физико-химических свойств шлаков, повышения дренажной способности и активизации работы горна.
Предлагаемый способ доменной плавки промышленно применим на доменных печах металлургических предприятий России, не требует капитальных затрат и обеспечивает получение передельного чугуна с низкой себестоимостью.
Показатели
Ед.изм.
Примеры
1
2
3
4
5
6
Расход кокса в подачу
т
14
14
14
14
14
14
Расход рудной части шихты
-«-
56
56
56
56
56
56
в т.ч. Агломерата
-«-
44,8
44,8
44,8
44,8
44,8
44,8
окатышей Качканарского ГОКа
-«-
11,2
11,2
11,2
11,2
11,2
11,2
Содержание титана в чугуне
-“-
0,10
0,11
0,11
0,11
0,11
0,11
Основность шлака
ед.
1,01
1,019
1,02
1,0225
1,025
1,026
Изменение основности шлака
-“-
-
0,09
0,010
0,0125
0,015
0,016
Расход кислорода
тыс.м<sup>3</sup>/час
23
23,40
23,43
23,50
23,57
23,60
То же
%
-
0,14
0,15
0,175
0,20
0,21
Расход дутья
нм<sup>3</sup>/мин
4400
4402
4401
4403
4401
4398
Расход природного газа
тыс.м<sup>3</sup>/час
23,0
23,1
23,11
23,1
23,2
23,2
Сод-ие кислорода в дутье
%
27,62
27,73
27,74
27,76
27,78
27,80
Температура горячего дутья
°С
1190
1190
1190
1190
1190
1190
Теоретическая температура
°С
2150
2152
2152
2156
2158
2159
Производительность
66
100,0
99,96
100,05
101,32
100,95
99,98
Удельный расход кокса
%
100,0
100,23
99,93
99,16
99,59
100,12