СПОСОБ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
BLAST-FURNACE SMELTING METHOD

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, включающий загрузку кокса, рудной части шихты и добавок для промывки горна с содержанием монооксида железа 20-40% крупностью 5-200 мм, загружаемых в центральную зону доменной печи совместно с коксом в соотношении 1:4-1:20 в количестве 2,5-10% от общего расхода рудной части шихты. В качестве добавки для промывки горна используют агломерат, железосодержащие брикеты и руду с содержанием монооксида железа 20-25% (Патент RU №2295573, С21В 5/00, опубл. 20.03.2007 г.).
Недостатком данного способа является пониженная производительность и повышенный расход кокса из-за малого количества добавок в шихте и низкого содержания монооксида железа в них.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ доменной плавки, включающий загрузку в печь железорудного (в т.ч. титаномагнетитового) сырья и кокса, подачу в фурмы нагретого, обогащенного кислородом дутья, природного газа, выпуск чугуна и шлака, одновременное увеличение расхода кислорода на 0,15-0,20% по отношению к расходу дутья и основности шлака на 0,010-0,015, при повышении концентрации титана в чугуне на каждые 0,01% сверх 0,10% (Патент RU №2359040, С21В 5/00, опубл. 20.06.2009 г.).
Недостатком данного способа является ограниченное воздействие принимаемых мер (преимущественно в фурменной зоне) на ослабление процессов образования тугоплавких соединений титана, улучшение свойств шлака и работы горна при превышении предела растворимости титана в чугуне, что снижает производительность и увеличивает расход кокса.
Специфика доменной плавки титаномагнетитового сырья связана с неравновесностью шлаков, содержащих оксиды титана, которые в условиях доменной плавки, восстанавливаясь твердым углеродом через ряд промежуточных оксидов образуют тугоплавкие соединения на основе двухвалентного титана (ТiO), карбидов и карбонитридов титана (TiC, TiNC), образующихся вследствие ограниченной растворимости титана в чугуне и выделяющегося из расплава на контактных поверхностях «металл-кокс-шлак». Эти соединения повышают гетерогенность и видимую вязкость шлака, обуславливают напряженность шлакового режима плавки титаномагнетитового сырья, ухудшают дренажную способность горна, усиливают зарастание горна и желобов, увеличивают потери чугуна со шлаком, снижая производительность доменной печи и повышая расход кокса.
Целью изобретения является обеспечение ровного, форсированного хода доменной печи, повышение производительности, снижение удельного расхода кокса и потерь чугуна со шлаком за счет технических мер, направленных на ослабление процесса развития образования тугоплавких соединений титана, улучшение физико-химических свойств шлака, повышение дренажной способности и активизации работы горна в его центральной зоне.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе доменной плавки, включающем загрузку в печь железорудного сырья и кокса, подачу в фурмы нагретого, обогащенного кислородом дутья, природного газа, выпуск чугуна и шлака и одновременное увеличение 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 0,01%, сверх 0,10%, согласно изобретению в центральную зону колошника доменной печи дополнительно загружают окисляющую добавку с содержанием монооксида железа 20-50%, крупностью 5-100 мм, в количестве 0,5-15,0% от расхода железорудной части шихты.
Технический эффект при реализации заявленного способа доменной плавки достигается повышением окисленности шлака в центральной зоне горна за счет высвобождающегося (при восстановлении) кислорода окисляющей добавки, при повышении содержания титана в чугуне сверх 0,10%. Это создает в центральной зоне горна физико-химические условия, способствующие развитию процесса окисления титана и его тугоплавких соединений, вследствие большего (по термодинамике) сродства титана к кислороду (чем у железа), улучшает физико-химические свойства шлака и дренажную способность коксовой насадки, активизирует работу горна доменной печи.
В совокупности с повышением основности шлака, окисленности дутья и шлака снижается образование и выделение из расплава свободного титана (практически до минимума) по всему сечению горна доменной печи.
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). В окислительной среде реакции их образования являются обратимыми и протекают в направлении распада карбидов и карбонитридов.
Процесс образования тугоплавких соединений титана значительно лимитируется окисленностью среды (дутья и шлака). При значительном развитии окислительных процессов по сечению горна (в области фурм и центральной зоне), образование тугоплавких соединений практически затухает. Очевидно, что развитие окислительных процессов титана и его тугоплавких соединений в горне пропорционально степени окисленности среды и тепловому состоянию горна, с уровнем теоретической температуры горения в пределах 2100-2200°С. Практикой работы доменных печей доказано, что при этом уровне теоретической температуры горения достигается стабилизация температурного поля и теплового состояния горна, улучшение физико-химических свойств титанистых шлаков.
Загрузка в центральную зону колошника доменной печи окисляющей добавки в количестве 0,5-15,0% от расхода железорудной части шихты, содержащей 20-50% монооксида железа, крупностью 5-100 мм, позволяет активизировать окислительные процессы в центральной зоне горна за счет повышения окисленности первичных и промежуточных шлаков, а также обеспечивает потенциал, необходимый для разрушения карбидов и карбонитридов, улучшения свойств шлаков, дренажной способности коксовой насадки и работы центральной части горна.
Содержание монооксида железа в окисляющей добавке менее 20% не обеспечивает достаточного развития процессов окисления титана и его тугоплавких соединений, из-за недостаточного количества высвобождающегося кислорода, а содержание его более 50% - нецелесообразно из-за высокой себестоимости ее производства и выплавляемого чугуна, не компенсируемого улучшенными показателями доменной плавки.
Загрузка окисляющей добавки в количестве менее 0,5% от расхода железорудной части шихты нежелательна вследствие снижения эффективности окислительных процессов, а более 15,0% - способствует чрезмерному развитию окислительных процессов с поглощением большого количества тепла, вызывающих похолодание горна.
При загрузке в центральную зону колошника окисляющей добавки крупностью менее 5 мм происходит нарушение газодинамического режима процесса плавки из-за повышения общего перепада давления газа в печи, а при ее загрузке крупностью более 100 мм - не обеспечивается полное ее усвоение, ухудшается работа горна, снижается производительность печи и повышается расход кокса.
3
Пример. Предлагаемый способ доменной плавки реализован на доменной печи полезным объемом 3000 м, оборудованной роторным загрузочным устройством и выплавляющей передельный чугун с использованием в шихте железорудного сырья (в т.ч. титаномагнетитового).
Перед загрузкой шихты в доменную печь из окисляющей добавки, содержащей монооксид железа, отсеивали фракции менее 5 мм и более 100 мм, определяли ее химический состав.
В доменную печь загружали железорудное сырье (56 т) и кокс (14,2 т). Железорудная часть шихты состояла из 85% агломерата (47,6 т) и 15% (8,4 т) титаномагнетитового сырья (окатышей Качканарского ГОКа). Загрузка шихты на поверхность колошника осуществлялась по девяти равновеликим кольцевым зонам на фиксированные (6, 5, 4 и т.п.) или переменные (6-5, 7-4, 0-0 и т.п.) радиусы зон. При этом 15% железорудных материалов загружалось в центральную зону печи, 40% - в промежуточную и 45% - периферийную.
3
3
3
2
Через воздушные фурмы подавали нагретое (до температуры 1190°С), обогащенное кислородом (27,62%) дутье и природный газ. Расход дутья составлял 4400 нм/мин, кислорода на обогащение дутья - 23 тыс. м/ч, природного газа - 23 тыс. м/ч, содержание титана в чугуне - 0,10%, основность шлака по CaO/SiO - 1,01 ед.
3
При повышении содержания титана в чугуне на 0,01%, сверх 0,10%, в процессе плавки одновременно увеличивали расход кислорода на 0,15-0,20% (на 460 м/ч, т.е. на 0,175%) по отношению к дутью и основности шлака на 0,010-0,015 ед. (на 0,0125 ед.) и, дополнительно, в центральную зону колошника доменной печи загружали окисляющую добавку с содержанием монооксида железа 35,1% в количестве 7,75% (4,34 т) от расхода железорудной части шихты (вариант №4). Окисляющую добавку загружали роторным распределителем в центральную зону колошника доменной печи (радиус выгрузки 4-0) при укладке шихты по девяти кольцевым зонам.
Результаты промышленных доменных плавок предлагаемого способа (варианты №2-6) в сравнении с прототипом (вариант №1) приведены в таблице.
Как видно из таблицы, оптимальные результаты при осуществлении заявляемого способа доменной плавки были достигнуты при параметрах, указанных в вариантах №3-5: фактическая производительность доменной печи составила 101,53%, а удельный расход кокса - 98,92%.
В вариантах №2 и №6 при заграничных значениях заявляемого способа доменной плавки производительность доменной печи уменьшалась, а расход кокса увеличивался по сравнению с прототипом (вариант №1). Производительность доменной печи составила 99,97%, а удельный расход кокса - 100,12 и 100,10% соответственно.
Таблица
Показатели
Ед.
Варианты
изм.
1
2
3
4
5
6
Количество кокса в подачу
т
14,2
14,2
14,2
14,2
14,2
14,2
Количество железорудной части шихты
т
56
56
56
56
56
56
Количество окисляющей добавки
т
-
0,2
0,3
4,3
8,4
8,5
Количество окисляющей добавки от расхода железорудной части шихты
%
-
0,4
0,5
7,75
15,0
15,2
Содержание монооксида железа в окисляющей добавке
%
-
19,8
20,0
35,1
50,0
50,1
Крупность окисляющей добавки
мм
-
4,6
5,0
52,6
100,0
102,3
Содержание титана в чугуне
%
0,10
0,11
0,11
0,11
0,11
0,11
Основность шлака
ед.
1,01
1,019
1,020
1,0225
1,025
1,026
Изменение основности
-«-
0,009
0,010
0,0125
0,015
0,016
Расход кислорода
тыс. м<sup>3</sup>/ч
23,0
23,37
23,40
23,46
23,53
23,55
Изменение кислорода
%
0,14
0,15
0,175
0,20
0,21
Расход природного газа
тыс. м<sup>3</sup>/ч
23,0
24,2
24,2
24,2
24,3
24,3
Концентрация кислорода в дутье
%
27,62
27,72
27,74
27,76
27,77
27,78
Расход дутья
нм<sup>3</sup>/мин
4400
4403
4403
4403
4402
4400
Температура дутья
°С
1190
1191
1189
1190
1189
1189
Производительность
%
100,0
99,97
100,12
101,53
101,0
99,97
Удельный расход кокса
%
100,0
100,12
99,86
98,92
99,26
100,10
Загрузка в центральную зону колошника доменной печи окисляющей добавки с содержанием монооксида железа 20-50%, крупностью 5-100 мм, в количестве 0,5-15,0% от расхода железорудной части шихты, позволила улучшить газодинамический режим плавки, физико-химические свойства титанистого шлака, дренажную способность коксовой насадки, активизировать работу горна. Удельная производительность доменной печи увеличилась на 1,5%, а удельный расход кокса уменьшился на 1,1%.
Использование предлагаемого способа доменной плавки свидетельствует об улучшении основных технико-экономических показателей доменной плавки: увеличена производительность доменной печи и снижен удельный расход кокса за счет повышения ровности хода печи.
Предлагаемый способ доменной плавки промышленно применим на доменных печах металлургических предприятий России, не требует капитальных затрат и обеспечивает получение передельного чугуна с низкой себестоимостью.