ШИХТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА
CHARGE FOR PRODUCTION OF IRON

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству чугуна в доменных печах.
Известна композиционная шихта для металлургического передела, включающая 40,0-82,8% металлосодержащей добавки и 17,1-50,0% оксидного материала [1]. Металлосодержащие добавки дополнительно содержат карбиды железа, ванадия, хрома.
Несмотря на полезность ванадия наличие карбидов нежелательно для доменного процесса, а присутствие таких элементов, как хром, кобальт, молибден осложняет дальнейший передел чугуна в сталь. Кроме того, использование указанного количества металлосодержащей добавки увеличивает удельный выход шлака.
Известна также шихта, содержащая железорудное сырье (агломерат, в т.ч. демпферный агломерат и окатыши), которая дополнительно содержит ванадийсодержащий шлак основностью 3,31 в количестве 2-10 мас.%, а также борсодержащий агломерат в количестве 3-10 мас.% [2].
К недостаткам данной шихты относятся: усложнение состава шихты, т.к. требуется ввод в шихту, кроме агломерата КГОК, еще двух видов агломерата - демпферного и борсодержащего, а высокая основность ванадийсодержащего шлака не обеспечивает необходимые физико-химические свойства доменных шлаков при производстве ванадиевого чугуна.
2
2
5
Наиболее близким аналогом к предлагаемому решению является "Шихта для выплавки ванадиевого чугуна", содержащая офлюсованный агломерат, ванадийсодержащий шлак и демпферный агломерат [3]. В качестве ванадийсодержащего шлака используют шлаки сталеплавильного производства основностью 4-5,26 в количестве 2-10 мас.% от объема шихты. Ванадийсодержащий шлак содержит Fe=24-30%, TiO=3,5-5,5%, VO=5,42-7,42% и другие оксиды.
2
5
К недостаткам шихты относятся: ограниченное содержание VO (до 7,42%) в ванадиевом шлаке, увеличение выхода шлака с 433 кг/т до 441 кг/т чугуна и потери ванадия со шлаком с 0,194% до 0,313% (см. пример сравнительных испытаний в данном патенте).
Желаемыми техническими результатами изобретения являются:
- уменьшение в шихте доли дорогостоящих агломерата и окатышей;
- уменьшение расхода кокса;
- эффективная утилизация отходов металлургического производства;
- более полное извлечение ванадия в чугун из отходов металлургического производства.
2
5
Технический результат достигается благодаря использованию доменной шихты, включающей железорудное сырье, металлодобавки, промывочные материалы, кокс, известняк и/или известь, ванадийсодержащую шлакометаллооксидную смесь с содержанием VO, равным 8-25%, в количестве 4-17 кг/т чугуна при следующем соотношении компонентов, мас.%:
металлодобавки - 1,4-3,5;
промывочные материалы - 0,3-1,2;
кокс - 18-28;
известняк и/или известь - 2,0-4,0;
ванадийсодержащая шлакометаллооксидная смесь - 0,2-1,0;
железорудное сырье - остальное.
При этом, в качестве ванадийсодержащей шлакометаллооксидной смеси используется конвертерный ванадийсодержащий скрап, ванадиевые отходы при их следующем составе, мас.%:
2
5
VO 8-25; Fe мет. 1-10; Fe оксидное 15-40; оксиды Si, Ca, Mg, Mn, Al, Ti и С, P, S - остальное.
В качестве металлодобавок используется окалина, металлопродукт
переработки доменных, сталеплавильных шлаков.
Промывочными материалами являются шлаки прокатного,
сталеплавильного производства, окалина.
Ванадийсодержащая шлакометаллооксидная смесь является отходом производства товарного ванадиевого шлака крупностью от 0 до 1000 мм. Перед использованием его дробят (падающим грузом или другим способом), просеивают через решетку с размером ячейки согласно возможностям доменного производства.
Количество ванадийсодержащей шлакометаллооксидной смеси, являющейся оптимальной, удалось получить опытно-экспериментальными проработками предлагаемого решения.
2
5
При введении в шихту доменных печей ванадийсодержащей шлакометаллооксидной смеси в значительной мере повышается содержание ванадия в чугуне, т.к. данный материал имеет высокое VO - до 25%.
Последнее обстоятельство увеличивает переход ванадия из чугуна в товарный ванадиевый шлак, при этом повышается эффективность сталеплавильного, в частности конвертерного производства.
Согласно изобретению шихта включает отходы сталеплавильного производства - металлодобавки в количестве 1,4-3,5%, имеющие следующий состав, мас.%:
Fe мет. 52-60; Fe оксидное 10-20; оксиды Si, Ca, Mg, Mn, Al, Ti и С, Р, S - остальное.
2
3
2
Окалина: FеO 30-36; FeO 60-67; CaO 0,20-0,60; MgO 0,42-0,78; SiO 0,72-1,2; 80,06-0,18; Р 0,10-0,15.
Пределы содержания металлодобавок 1,4-3,5% и промывочных материалов 0,3-1,2% получены опытно-экспериментальным путем. Именно при таких соотношениях были получены наилучшие показатели качественного ванадийсодержащего чугуна.
Промывочные материалы, используемые в шихте, взаимодействуют с сажистым углеродом и графитом, образующимися в горне и нижней части шахты доменной печи. При использовании материалов менее 0,3% невозможно обеспечить промывку горна и как следствие увеличение производительности печи, а при концентрации более 1,2% возникает необходимость введения дополнительного количества кокса для поддержания теплового баланса печи.
Металлодобавки вводятся в состав шихты для поддержания заданного количества железа при сокращении доли агломерата и окалины, причем при использовании металлодобавок менее 1,4% эффективность добавок невысокая, а при концентрации более 3,5% возникает необходимость вывода из состава шихты других составляющих, что не позволяет с максимальным эффектом использовать их преимущества.
Содержание ванадийсодержащей шлакометаллооксидной смеси в количестве 4-17 кг/т чугуна в шихте доменной печи является оптимальным. При расходе ванадийсодержащей шлакометаллооксидной смеси менее 4 кг/т чугуна концентрация ванадия в чугуне увеличивается незначительно, а при расходе данной смеси свыше 17 кг/т чугуна ухудшается шлаковый режим доменной плавки, что приводит к введению дополнительного количества промывочных материалов и снижению использования металлодобавок в шихте.
Использование металлодобавок позволяет утилизировать отходы сталеплавильного производства, появляется возможность вовлечения в шихту большего количества металлоотходов, извлеченных при переработке шлаков, при этом повышается содержание ванадия в чугуне.
В качестве примера осуществления изобретения приводятся показатели доменной плавки ванадиевого чугуна в условиях ОАО НТМК.
На доменной печи №4 шихта состояла из 577 кг/т агломерата Качканарского ГОКа (КГОК), 878 кг/т окатышей КГОКа, 214 кг/т агломерата Высокогорского ГОКа (ВГОК) и 13 кг/т ванадийсодержащей шлакометаллооксидной смеси.
В результате доменной плавки был получен чугун, содержащий, %: Si 0,10; Mn 0,33; S 0,021; V 0,539; Ti 0,15.
2
2
3
2
2
5
Основность шлака составила 1,15, а его состав, %: SiO 29,4; AlO 15,5; CaO 33,9; MgO 12,2; S 0,58; TiO 8,94; VO 0,26; FeO 0,72; MnO 0,59.
При выплавке чугуна по обычной технологии с использованием окатышей и агломерата КГОКа были получены следующие результаты.
Расход окатышей 874 кг/т чугуна, агломерата 776 кг/т.
Получен чугун состава, %: Si 0,14; Mn 0,34; S 0,021; V 0,440; Ti 0,21.
2
2
3
2
2
5
Основность шлака составила 1,16, а его состав, %: SiO 28,1; AlO 15,35; CaO 32,6; MgO 12,7; S 0,56; TiO 9,7; VO 0,24; FeO 1,21; MnO 0,52.
Расход кокса составил при обычной технологии составлял 448 кг/т чугуна, по изобретению - 446 кг/т чугуна.
Приведенные данные позволяют утверждать, что при расходе ванадийсодержащей шлакометаллооксидной смеси в доменной шихте, например, равного 13 кг/т чугуна, содержание ванадия в чугуне увеличилось с 0,440 до 0,539%, при этом расход кокса уменьшился на 2 кг/т чугуна.
Примеры составов доменной шихты, предлагаемой и взятой в качестве прототипа, приведены в таблицах 1 и 2.
Результаты, изложенные в таблицах 1 и 2, получены на основании испытаний, проведенных на доменных печах №№1 и 4 ОАО "НТМК".
Полные результаты эксперимента на доменной печи №4 ОАО НТМК отражены в таблице 3 и подтверждают тот факт, что предлагаемая шихта для выплавки чугуна соответствуют критерию "промышленная применимость" изобретения.
Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованиям критерия патентоспособности "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, результаты которого показывают, что предлагаемое техническое решение не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию критерия патентоспособности "изобретательский уровень".
При сопоставлении заявляемого технического решения и шихты, взятой за прототип, видно, что благодаря введению в доменную шихту дополнительных метало- и ванадийсодержащих компонентов, удалось:
- снизить в шихте долю дорогостоящих агломерата и окатышей с одновременным увеличением доли металлодобавок;
- снизить расход кокса на 2 кг/т чугуна;
- увеличить содержание ванадия в чугуне с 0,44 до 0,54%.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявляемое изобретение является новым, т.к. не известны другие аналоги из отечественных и зарубежных источников информации.
Источники информации.
1. "Композиционная шихта для металлургического передела", патент РФ №2094478, кл. С21C 5/52, С21С 5/04, опубл. 27.10.1997 г.
2. "Шихта для доменной плавки титаномагнетитов", патент РФ №2024617, кл. С21В 5/00, опубл. 15.12.1994 г.
3. "Шихта для выплавки ванадиевого чугуна", патент РФ №2124563, кл. С21В 5/02, опубл. 10.01.1999 г.
Таблица 1
Состав шихты
Потери ванадия (содержание V<sub>2</sub>O<sub>5</sub> в шлаке), %
Удельный выход шлака, кг/т чугуна
По прототипу
0,313
433-441
По предлагаемому составу
0,260
340-345
Таблица 2
№ п/п
Содержание ванадийсодержащей шлакометаллооксидной смеси в шихте,
Использование металлодобавок в шихте, %
Использование промывочного материала в шихте, %
Содержание ванадия в чугуне, %
кг/т чугуна
%
1.
0
0
1,0
1,95
0,44
Прототип
2.
4
0,2
1,4
1,2
0,48
3.
10
0,6
2,8
0,7
0,51
4.
17
1,0
3,5
0,3
0,54
5.
20
1,25
2,5
1,4
0,58