КОМПЛЕКС ДОМЕННОЙ ПЕЧИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА ИЗ ТИТАНСОДЕРЖАЩЕГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ

КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА ИЗ ТИТ АНОС О ДЕРЖАЩЕГО
ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ
Предлагаемая полезная модель относится к области черной металлургии, в частности к производству чугуна из шихты, содержащей оксиды титана.
Известен комплекс по производству чугуна из титансодержащего сырья, работа которого регламентирована технологической инструкцией (Технологическая инструкция «Производство чугуна, ТИ 102-Д-78-95, АО «Нижнетагильский металлургический комбинат, г. Н-Тагил, 1995 г.). Комплекс предусматривает, с целью уменьшения образования карбидов и карбонитридов титана, выплавку чугуна с низким нагревом.
Недостаток аналога заключается в том, что он не предусматривает какихлибо мероприятий, направленных на борьбу с образованием карбидов и карбонитридов титана, образование которых происходит даже при холодном ходе печи, хотя и в меньшей степени. При этом потери металла с карбидами и карбонитридами доходят до 10-15 %. Кроме того, технология, ориентированная на выплавку холодных чугунов, не выгодна для использования таких чугунов при производстве стали в мартеновских печах, где требуется высокий физический и химический нагрев чугуна.
Также известен комплекс по производству чугуна в доменных печах, технологическая схема в котором (патент 2034031C, С 2 1 В 5/02) предусматривает постоянное использование в шихте для производства чугуна от 10 до 30 % первичного мартеновского шлака , содержащего 20-25 % FeO, 23-26 % СаО, 1920 % SiO2, 7-9 % MgO, 7-8 % MnO, 4-5 % АДзОз. При этом загрузка окислителей осуществляется в общей системе загрузки шихтовых материалов.
Недостатком аналога является то, что комплекс не предусматривает контроль накопления карбидов и корбонитридов титана в горне печи, а загрузка добавки не выделена в отдельный блок. Кроме того, в первичном мартеновском шлаке содержится большое количество фосфора, который полностью переходит в чугун.
МКИ с 21 в 5/02
Другим аналогом комплекса является комплекс по производству чугуна в доменных печах, технологическая схема которого (патент 2159288 С1, С 21 В 5/02) предусматривает использование в шихте добавки содержащей оксид марганца. При этом в блоке оценки количества добавки, необходимой для борьбы с карбидами и карбонитридами титана, величина порции добавки определяется по разнице между количеством титана, загружаемого с шихтой и выпускаемого из печи с продуктами плавки (с использованием информации о среднем содержании титана в шлаке). При плавке шихты, состоящей из 100 % Качканарского сырья с содержанием TiOa 2.5-3.0 % расход добавки составляет 40-60 кг/тонну чугуна.
Педостатком аналога является отсутствие контроля содержания титана в шлаке по ходу выпуска и продолжительности совместного выпуска чугуна и щлака. Кроме того, при малом содержании оксида титана в шихте, величина порции добавки будет мала. Папример, при плавке руд с содержанием титана 0.5-0.8 % количество добавки, необходимой для окисления карбидов титана, составляет 5-15 килограмм на тону чугуна. При этом концентрация оксида марганца в шлаке не будет превышать 0.6- 0.8 %. Из формальной кинетики химических реакций известно, что скорость химической реакции пропорционально произведению концентраций реагирующих веществ. Следовательно, при снижении концентрации МпО в шлаке и количества образующихся карбидов титана скорость реакции окисления карбидов титана существенно сокращается. Кроме того, загрузка добавки малыми порциями не позволяет равномерно распределить добавку по радиусу доменной печи, а следовательно обеспечить равномерное распределение оксида марганца во всем объеме шлака. Отмеченные выше факторы обуславливают низкую эффективность борьбы с карбидами титана при малых концентрациях титана в шихте. Это подтверждается практикой работы доменных печей и проявляется в постепенном повышении концентрации титана в первых порциях нижнего шлака и увеличении времени отработки нижнего шлака. Еще одним недостатком аналога является тот факт, что для расчета требуемого количества добавки используется информация включающая в себя погрещности измерения. При этом относительная величина погрешности, при снижении концентрации титана в шихте, возрастает.
Прототипом полезной модели является комплекс доменной печи металлургического завода им. А. К. Серова, технологическая схема в котором регламентирована технологической инструкцией («Технологическая инструкция ТИ 135 -Д-, Министерство эрономики РФ, Департамент экономики металлургического комплекса ОАО «Серовский металлургический завод, 1999 г.). Недостатком прототипа является то, что здесь не предусмотрено каких-либо мероприятий направленных на борьбу с карбидами и карбонитридами титана, которые образуются при плавке титансодержащего сырья.
Технический результат, достигаемый с использованием предлагаемого комплекса, представленного на рисунке, - улучшение показателей работы доменной печи при плавке титансодержащего сырья за счет снижения доли карбидов и карбонитридов титана в продуктах плавки.
Схема комплекса представлена на рисунке. Технический результат достигается тем, что комплекс доменной печи для производства чугуна из титансодержащего железорудного сырья, включающий доменную печь (1), систему загрузки железорудных материалов, кокса и добавок (2), систему подачи комбинированного дутья (3), систему отвода колошникового газа (4) и систему уборки продуктов плавки (5), содержит дополнительно информационно связанные блоки контроля: времени совместного выпуска чугуна со шлаком через чугунную летку (6) и содержания титана в первых порциях шлака (7), формирующие команду для загрузки добавок (блок 8), содержащих МпО или FeO в виде трудновосстановимых оксидов.
Блок контроля содержания титана в первых порциях шлака служит для оценки накопления титана в горне печи. На основе этой информации принимается рещение о загрузке в доменную печь добавок содержащих оксиды марганца или железа.
Находящийся в составе титансодержащих железорудных материалов, диоксид титана (TiO2) последовательно восстанавливается в доменной печи по следующим реакциям: ТЮг + С  TiO + СО , TiO + С  Ti + СО . Термодинамический анализ приведенных реакций показывает, что восстановление оксидов титана с заметной скоростью начинается при температуре 1300 С. Получающийся металлический титан взаимодействует с углеродом, а также и с азотом с получением карбидов (TiC), карбонитридов (TiCN) и нитридов (TiN) титана:
Ti + с  Tie ; Ti + с + N - TiCN, Ti + N  TiN. Образующиеся соединения имеют исключительно высокие температуры плавления - более 3000 € (к примеру, Tie - 3420 С). Поскольку температура чугуна и шлака при доменной плавке редко превышает 1450-1500 €, то указанные карбиды и карбонитриды титана находятся в расплавах в виде твердых фаз. Плотность карбидных и карбонитридных образований титана ниже плотности чугуна (плотность карбида титана 4,93 г/см, а плотность чугуна - 6,9 г/см), но выше плотности шлака (плотность шлака - 2,6-2,8 г/см). Указанные образования не растворимые в чугуне и шлаке образуют третью фазу - греналь, которая располагается на границе чугуна и шлака.
Известно, что угол наклона линзы шлакового расплава к моменту окончания выпуска составляет 30-40°. То есть, часть шлака остается в печи, а следовательно, и находящиеся в твердой фазе карбиды и карбонитриды титана, накапливаются в горне печи. При выпуске продуктов плавки, часть гренали, находящаяся непосредственно над чугунной леткой, выходит из печи с первыми порциями шлака. Поэтому в первых порциях шлака наблюдается повышенное содержание титана.
Паличие блока контроля содержания титана в первых порциях шлака позволяет оценить тенденцию накопления карбидов и карбонитридов титана в горне печи. Повышение содержания титана в первых порциях, по сравнению со средним содержанием титана в шлаке за выпуск, более чем в полтора раза, свидетельствует о необходимости принятия специальных мер для удаления этих соединений.
Блок контроля времени совместного выпуска чугуна и шлака служит для оценки степени загромождения горна печи карбидами и карбонитридами титана. Информация, полученная от этого блока, служит для подтверждения необходимости загрузки окислителей в доменную печь.
Наличие твердых частиц карбидов и карбонитридов титана в шлаке делает шлак гетерогенной (неоднородной) системой, что сопровождается возрастанием кажущейся вязкости этого шлака. Влияние доли твердых фаз в шлаковой системе на его вязкость описывается уравнением А. Эйнштейна: Т1/По  (1+2,) +  + . . .
SM){ti(0
1 41400
где Т) - фактическая кажущаяся вязкость гетерогенного шлака (с находящимися в нем твердыми частицами TiC и TiCN),  rio - вязкость гомогенного (однородного) шлакового расплава (без твердых частиц),  ф- доля твердых частиц (фаз) в шлаке,  м.
Если вязкость гомогенного шлака при температуре 1450 С составляет 0,40-0,55  то, при доле твердых фаз ф  0,1  м, кажушаяся вязкость шлака будет в 1,32 раза выше указанной и составит около 0,6-0,7 .
Изменение продолжительности совместного выпуска чугуна и шлака вызвано потерями напора при входе потока в летку и на трение в канале летки.
Процесс выпуска чугуна и шлака рассматривается как процесс движения двухфазной жидкости. Расчеты показали, что режим движения расплавов в канале летки можно отнести к волновому или перемежающемуся. При этом потери напора и объемный расход расплава существенно зависят от кажущейся вязкости системы. При росте доли твердой фазы в системе до 0,1 % (объемного) продолжительность совместного выпуска чугуна и шлака возрастает примерно в 1,5 раза. Длительность совместного выпуска чугуна и шлака контролируется включенным в комплекс блоком.
Для ликвидации карбидных и карбонитридных масс титана в горне печи и уменьшения концентрации капель чугуна в шлаке, имеющих карбидную и карбонитридную оболочку, в состав комплекса включен блок загрузки окислителей содержащих FeO или МпО. Эти оксиды вступают в реакции: TiC + (МпО)  + Ti + (СО) ; TiC + (FeO)  Fe + Ti + (CO) ; при этом разрушаются карбиды титана.
Оксиды марганца и железа вводятся в шихту с помощью дополнительно включенного в технологическую схему оборудования для дозирования и загрузки окислителей. При этом масса единичной порции окислителей должна обеспечивать полное перекрытие сечения колошника печи для равномерного распределения оксидов марганца и железа во всем объеме шлака.
Требуемое количество оксидов марганца и железа определялось путем специально поставленного эксперимента. Эффективное разрушение карбидов титана наблюдается в тех случаях, когда концентрация МпО в шлаке составляет 1,5-2,0 %, а FeO - 2-2,5%. Исходя из этих цифр, определяется количество загружаемых окислителей.
ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВЫНОЛНЕНИЯ
Проводилась доменная плавка с использованием в шихте титансодержащего железорудного сырья, кокса марганецсодержащего шлака и сварочного шлака. Измерялся химический состав чугуна и шлака и время совместного выпуска чугуна со шлаком. Результаты плавки в различных периодах приводятся в таблице.
Период 1 - работа по прототипу.
Период 2 - промывка с использованием сварочного шлака, содержащего FeO в виде трудновосстановимого соединения  .
Период 3 - работа после промывки горна сварочным шлаком, шлаком от выплавки доменного ферромарганца. Период 4 - промывка марганцсодержащм шлаком. Период 5 - работа после промывки горна марганцсодержащим шлаком.