СПОСОБ ЗАДУВКИ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
METHOD FOR BLOWING-IN OF BLAST FURNACE

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано при задувке новой доменной печи или после капитальных ремонтов 1-го и 2-го разрядов.
Известен способ задувки доменной печи, предлагающий установку в канале чугунной летки металлической трубы, покрытие лещади слоем защитного материала, подачу через фурмы горячего дутья с периодически увеличивающимся расходом на величину, исключающую подвисание шихты, загрузку в рабочее пространство подачами кокса, кокса с известняком и кокса с рудой, количество которой в подаче постепенно увеличивают до соотношения кокс/руда, равного номинальному в конце задувки, периодический выпуск продуктов плавки, отличающийся тем, что установленную в канале чугунной летки металлическую трубу соединяют с трубопроводом горячего дутья и через нее перед подачей дутья в фурмы в течение 10-12 ч подают дутье с температурой 500-600°С, при этом трубу в канале летки устанавливают под углом 3-10° вверх с выводом ее в рабочее пространство более чем на 1 м (Пат. №2163641. Способ задувки доменной печи).
К недостаткам этого способа можно отнести использование железной руды, которая являясь легкоплавким и трудновосстановим материалом, переходит в железосиликатный расплав и восстанавливается прямым путем, тем самым увеличивая дефицит тепла в нижней части печи.
Наиболее близким по технической сущности является способ задувки доменной печи, включающий заполнение нижней части печи на высоту 8-13 м выше оси воздушных фурм коксом с добавлением флюса или без него, а затем до уровня засыпи 2,0-2,5 м загружают «рудные» подачи, содержащие кокс, офлюсованный агломерат, бедную железную руду (железистые кварциты), доля которых в смеси с агломератом составляет 15-30%, конвертерный шлак в качестве флюса, марганецсодержащие добавки при контролируемых параметрах качества и количества каждого компонента шихты заполнения, а также газодутьевой режим задувочного периода (Чернобривец Б.Ф., Капорулин В.В., Завидонский В.А. Практика доменного производства. М.: Металлургия. 1992, с.40-56).
Недостатки данного способа заключаются в следующем:
1. Высокая степень нестационарности окислительно-восстановительных, теплообменных и плавильных процессов, движения шихты и газового потока, что обуславливает высокий уровень риска тяжелых технологических расстройств хода печи в задувочный период.
2. Использование в железорудной части шихты заполнения материалов, имеющих сильно разнящиеся по своим величинам температуры начала размягчения (от 1150°С для агломерата, прошедшего стадию газового восстановления до 1450°С - для конвертерного шлака), приводит к увеличению протяженности зоны первичного шлакообразования и, увеличивая потерю напора газового потока в этой зоне, препятствует разогреву печи большого объема быстрыми темпами, повышая риск подвисания шихты.
3. Тепловой режим доменной плавки отличается очень высокой степенью нестабильности, особенно в начальный период задувки: содержание кремния в чугуне первых выпусков колеблется от 0,5% до 7% при, казалось бы, сходных условиях задувок печи. Теплотехнические расчеты показывают, что при загрузке первых рудных подач с 10-11 м выше воздушных фурм условия нагрева и восстановления агломерата нормального состава являются близкими к параметрам нормального режима работы печи. Бедные железные руды с кремнеземистой пустой породой, особенно железистые кварциты, имеют низкую восстановимость и окислы железа в количествах, никак не регулируемых, переходят в железо-силикатный расплав, меняя тепловой баланс высокотемпературной зоны печи.
2
4. Нестабильность теплового режима обуславливает необходимость увеличивать выход шлака из шихты заполнения до 0,6-0,9 т/т чугуна для оптимизации состава доменного шлака по основности (CaO/SiO=0,95-1,05) и содержанию глинозема (7-9%) при столь значительных колебаниях содержания кремния в чугуне, а также в случаях повышенного содержания глинозема в агломерате. Это повышает и без того высокий удельный расход кокса (2,0-2,5 т/т), отрицательно влияет на газодинамику процесса.
Технический эффект при использовании заявляемого изобретения заключается в повышении технологической устойчивости работы печи и, как следствие, в снижении удельного расхода кокса в задувочный период, в ускорении прогрева и вывода печи на рабочие параметры нормального режима, в получении близких к расчетным параметров состава и свойств продуктов плавки на первых выпусках.
2
Указанный технический эффект достигают тем, что заявляемый способ с задувки доменной печи включает загрузку в доменную печь задувочной шихты, контроль качества и высоты расположения в печи шихты, газодутьевой режим, обеспечивающий ход задувочного периода работы печи. В качестве железорудного компонента задувочной шихты используют задувочный агломерат с содержанием железа ≤57% при отношении CaO/SiO≤0,95 и регулируют тепловой режим проплавки шихты заполнения путем изменения рудной нагрузки в пределах достижения нормального теплового режима.
Признаки, отличительные от прототипа:
1. Железорудная часть задувочной шихты заполнения представляет только один компонент, а именно - «задувочный» агломерат, которым заменяют многокомпонентную шихту (железо-, марганецсодержащие материалы и флюс), используемые в задувочной шихте по прототипу.
2. Качество «задувочного» агломерата регламентируется по следующим параметрам:
общ.
2.1 Fe=≤57%;
2
2.2. Основность CaO/SiO≤0,95;
2
3
2.3. Массовые соотношения оксидов CaO, MgO, AlO и MnO не регламентируют.
Преимущества заявляемого способа задувки доменной печи заключается в следующем:
1. Сокращение протяженности зоны первичного шлакообразования до размеров, характерных для работы печи в параметрах нормального технологического режима, позволяет форсировать задувку и ускорить вывод печи на рабочие параметры.
2. Повышение стабильности восстановительного процесса и снижение степени прямого восстановления железа до регулируемых пределов обеспечивает снижение удельного расхода кокса и уменьшение выхода шлака, что соответствует современной концепции развития «задувочных» технологий. Уменьшению энергетических затрат будет также способствовать принижение роли субъективного (человеческого) фактора, являющегося отражением высокой степени риска возникновения холодного хода печи.
3. Стабилизация теплового режима плавки обеспечивает условия, при которых увеличивается возможность получения расчетных и по составу и по свойствам продуктов плавки на первых выпусках.
Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков предлагаемого способа с признаками известных технических решений, на основании чего делается вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Ниже приводится пример осуществления изобретения.
Пример.
Для задувки доменной печи использовался способ, включающий заполнение нижней части печи на высоту 8-13 м выше оси воздушных фурм коксом с добавлением флюса или без него», а затем до уровня засыпи 2,0-2,5 м загружают задувочную моношихту, «рудные» подачи которой содержат кокс и офлюсованный «задувочный» агломерат при контролируемых параметрах качества и количества каждого компонента задувочной шихты заполнения, а также газодутьевой режим задувочного периода работы печи.
2
Состав «задувочного» агломерата обеспечивает заданные параметры шлакового режима задувочного периода работы печи: выход шлака на тонну чугуна 300-500 кг/т чугуна, его основность (CaO/SiO=0,95-1,05), а также содержание в нем других шлакообразующих компонентов.
Задувочный агломерат спекают из шихты, железорудная часть которой состоит из железорудного концентрата (концентратов), руды (руд), железосодержащих отходов в виде колошниковой пыли, доменного и агломерационного шламов, аспирационной пыли, окалины, возврата, марганецсодержащих материалов и флюсов в виде извести, конвертерного и доменного шлаков в виде щебня, а также топлива.
Соотношение массовых количеств компонентов агломерационной шихты задают исходя из условия получения «задувочного» агломерата регламентированного состава.
Характеристика доменной печи:
3
- полезный объем - 2000 м;
- засыпной аппарат - типовой 2-конусный;
3
- полный объем печи для заполнения задувочной шихтой составляет 2162 м;
3
- объем печи выше оси воздушных фурм, заполняемый «задувочной» шихтой составляет 1761 м.
Таблица 1
Сравнительная оценка параметров предлагаемого способа задувки доменной печи объемом 2000 м<sup>3</sup> и технологии по прототипу<sup>*)1</sup>
№п/п
Параметры проплавки шихты заполнения
Размерность
Прототип
Примеры способа задувки доменных печей
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
I
Параметры «рудной» подачи задувочной шихты заполнения.
1
Состав «рудной» подачи:
т
- кокс;
10
10
10
10
10
10
- «задувочный» агломерат;
-
33,7
36,6
36,3
35,0
34,4
- агломерат обычный (Fe=58,82%);
24,0
-
-
-
-
-
- Стойленская руда, сухая (Fe=38,80%);
4,0
-
-
-
-
-
- марганцевая руда, сухая (Мп=32,0%);
2,5
-
-
-
-
-
- конвертерный шлак (Fe=20,3%).
2,5
-
-
-
-
-
2
Содержание железа в шихте
%
49,43
48,0
50,0
53,0
56,0
58,0
Основность задувочного агломерата CaO/SiO<sub>2</sub>
безразм
-
0,85
0,85
0,85
0,85
0,85
Состав задувочного агломерата:
СаО
13,4
11,68
10,11
8,00
7,73
SiO<sub>2</sub>
%
-
15,76
13,74
11,89
9,41
9,10
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,21
1,82
1,70
1,29
0,86
MgO
2,43
2,20
1,96
1,62
1,29
3
Рудная нагрузка
т/т
3,30
3,37
3,66
3,63
3,50
3,44
4
Выход чугуна из подачи
т
17,82
19,57
20,0
21,01
21,41
21,74
5
Удельный расход кокса<sup>*)2</sup>
кг/т чуг
561
511
500
471
467
460
6
Удельный выход шлака
кг/т чуг
510
603
517
420
330
270
7
Содержание кремния в чугуне
%
4,6
3,0 расч
3,0 расч
3,0 расч
3,0 расч
3,0 расч
8
Основность доменного шлака CaO/SiO<sub>2</sub>
эезразм
1,23
1,04 расч
1,03 расч
1,03 расч
1,04 расч
1,03 расч
Продолжение табл.1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
II
Параметры шихты заполнения выше оси воздушных фурм
9
Высота расположения
- флюсов;
м
9,3
-
-
-
-
-
- первой «рудной» подачи<sup>*)3</sup>
13,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
10
Объем печи, заполняемый:
- «холостыми» подачами с флюсом и без флюса;
м<sup>3</sup>
1107
955
955
955
955
955
- рудными подачами
654
806
806
806
806
806
11
Загружено материалов:
т
- «задувочного» агломерата;
-
852
837
841
825
817
- кокса;
775
790
793
794
797
800
- железорудных материалов (агломерат, железная руда, конвертерный шлак)
610
12
Рудная нагрузка<sup>*)4</sup>
т/т
1,08
1,08
1,05
1,06
1,04
1,02
13
Количество шлака из шихты заполнения
т
194 расчета)
269
238
204
166
140
14
Относительный выход шлака
т/т чугуна
0,567
0,603
0,517
0,420
0,329
0,270
III
Параметры дутьевого режима (средние значения за расчетное время проплавки первого объема шихты)
17
Температура дутья
°С
827
827
827
827
827
827
18
Расход дутья
м<sup>3</sup>/мин
2000
2000
2000
2000
2000
2000
19
Расход природного газа
м<sup>3</sup>/ч
9000
9000
9000
9000
9000
9000
20
Расход кислорода
м<sup>3</sup>/ч
9960
9960
9960
9960
9960
9960
IV
Параметры форсировки
21
Время проработки задувочной шихты заполнения
ч
22,80
20,14
20,15
20,05
20,07
20,0
22
Интенсивность плавки по коксу
т/(м<sup>3</sup>·сут)
0,387
0,448
0,450
0,452
0,454
0,457
23
Интенсивность плавки по «руде»
т/(м<sup>3</sup>·сут)
0,420
0,475
0,477 0
0,472
0,470
0,470
Пояснения к таблице
<sup>*)</sup>1. В качестве прототипа приведены фактические данные задувки доменной печи объемом 2000 м после капитального ремонта II разряда в марте 2007 г.
<sup>*)</sup>2. Удельный расход кокса для примера осуществления изобретения рассчитан с условием, что «рудные» подачи обеих задувочных шихт заполнения, предлагаемой и по прототипу, должны быть равноценными с точки зрения энергетических затрат на проплавку при температурах выше 1200°С, определяемых опосредованно по значениям кажущихся теплоемкостей. В расчетах степень прямого восстановления железа из агломерата (обычного и задувочного) принята равной 20%, а из бедной железной руды (кварцита) и конвертерного шлака, - 90%. Кажущиеся теплоемкости «рудных» подач по прототипу и предлагаемого способа равны 1,57 и 1,40 кДж/(кг·град) соответственно. Принимая во внимание тот факт, что тепловые затраты на прямое восстановление железа обеспечиваются главным образом теплом от горения кокса, снижение удельного расхода кокса принято соответствующим уменьшению кажущейся теплоемкости, т.е. на 10%.
<sup>*)</sup>3. Теплотехнические расчеты перемещения температурных полей по высоте шахты печи показывают, что при загрузке первых «рудных» подач с уровня 10-11 м выше воздушных фурм условия нагрева и восстановления агломерата являются близкими к параметрам нормального теплового режима работы печи.
<sup>*)</sup>4. Рудная нагрузка является функцией энергетических затрат на все физико-химические превращения шихтовых материалов и, следовательно, удельного расхода кокса. При переходе с задувочной шихты по прототипу к задувочному агломерату изменения удельного расхода кокса рассчитывают:
а) по уменьшению расхода тепла на процессы прямого восстановления железа, той его части, которая находится в железной руде и конвертерном шлаке (Е.Ф.Вегман и др. «Металлургия чугуна», раздел «Тепловые эквиваленты элементов и окислов»);
б) по изменению содержания железа в задувочной шихте по стандартной методике Института черной металлургии;
в) по заданным параметрам теплового режима доменной плавки, главным из которых является содержание кремния в чугуне (стр.6 описания, таблица).
Скорректированный по этим параметрам удельный расход кокса позволяет определить выход чугуна из подачи, рассчитать расход железорудных материалов в подачу по балансу железа, а затем и рудную нагрузку по заданной величине коксовой подачи (колоши). Изменяют рудную нагрузку за счет изменения массы кокса или задувочного агломерата в подаче.
В таблице приведены примеры осуществления способа с различными технологическими параметрами, а также параметры задувки доменной печи по прототипу. В прототипе проплавку шихты заполнения осуществляют с большим удельным расходом кокса и низкой интенсивностью плавки по коксу и, особенно, по «руде». Это связано с использованием многокомпонентной задувочной шихты, в состав которой входят железосодержащие материалы с различными физико-химическими свойствами, например температурами размягчения и восстановимостью. Трудновосстановимые бедные железные руды с кремнеземистой пустой породой увеличивают энергетические затраты на их проплавку и повышают удельный расход кокса. Разнотипные по температурным свойствам материалы повышают газодинамическую напряженность нижней зоны печи и снижают форсировку задувки.
Примеры №2, 3 и 4 иллюстрируют регламентируемые параметры технологии задувки доменной печи по содержанию железа в «задувочном» агломерате. В этих примерах достигается работа печи с низким удельным расходом кокса и временем проплавки шихты заполнения на 2,0-2,65 часа меньшим, чем по прототипу.
В примере №1 выход шлака значительно превышает аналогичный параметр задувки печи по прототипу, что, во-первых, не соответствует современной концепции развития «задувочных» технологий, а во-вторых, может также, как и в прототипе, повысить газодинамическую напряженность в зоне когезии.
3
Теплотехнические расчеты нагрева нижней коксовой насадки (кокс ниже оси воздушных фурм) показывают, что в фурменной зоне горна печи объемом 2000 м, в узком периферийном кольце, накапливается до 40 т золы кокса холостых подач к моменту подхода в зону плавления первых «рудных» подач. Растворить, ассимилировать эту неплавкую массу с содержанием 28-32% глинозема можно только с помощью шлака «рудных» подач. Для этого необходимо, чтобы выход шлака из «рудных» подач был достаточно высоким: более 300 кг/т чугуна. С этой точки зрения параметры задувки по примеру №5 являются нерациональными.