СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
PROCEDURE FOR CUPOLA HEAT OF IRON AND OXIDE MATERIALS

Изобретение относится к литейному производству и производству минераловатных изделий, где применяются шахтные печи малого диаметра одинаковой конструкции и предназначено для плавки шихтовых материалов на тощих углях или антраците.
Известен способ плавки на антраците как заменителе ваграночного кокса (Баринов Н.А. Водоохлаждаемые вагранки / Н.А.Баринов. М.: Машиностроение, 1960, с.123).
Большая высота уровня загрузки и высокая температура куска топлива в кислородной зоне вагранки не позволяют вести технологически устойчиво плавку на антраците, теплотворная способность которого в 1,1-1,2 раза выше, зольность в 1,3-1,5 раза ниже, а стоимость в 4-5 раз меньше соответствующих показателей кокса.
Основной недостаток способа плавки на антраците - низкая термическая стойкость, вследствие чего он при быстром нагреве и большом давлении столба металлической шихты растрескивается на мелкие куски, которые уменьшают свободное сечение вагранки и приводят к нарушению хода плавки. Растрескивание происходит за счет высоких механических и термических напряжений по объему куска топлива в кислородной зоне, где поверхность куска разогревается до 2000-2100°С (См. И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.50).
Тощий уголь по своим механическим свойствам схож с антрацитом. И все вышеописанное относится и к тощим углям.
2
3
Наиболее близким к заявленному является способ ваграночной плавки на антраците, включающий загрузку шихтовых материалов в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону (см. пат. РФ №2335718). Однако в этом способе плавки в золе наблюдается небольшое количество FeO, что недостаточно для интенсивного процесса горения.
Задачей изобретения является интенсификация процесса горения и предотвращение растрескивания кусков топлива в процессе плавки.
2
3
2
3
Для этого в способе ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов, включающем загрузку углеродсодержащего материала и топлива в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону, согласно изобретению куски топлива перед загрузкой в печь окунают в водную суспензию выбросов конвертерного производства на основе оксидов железа типа FeO и СаО и выдерживают 25-35 минут в этой водной суспензии выбросов конвертерного производства на основе оксидов железа типа FeO и СаО, при этом дутье в кислородную зону подают подогретым до 450-550°С.
3
2
4
2
2
2
Известно, что для интенсификации горения твердых углеродосодержащих материалов в последние добавляют соли металлов FeCl, CaCl, FeSO и т.п. (О.А.Есин, П.В.Гельд. Физическая химия пирометаллургических процессов. Ч.I. Металлургиздат, 1950, с.197-198). В данной работе указывается на то, что повышение активности горючего введением минеральных примесей, ускоряющих реакцию CO с углеродом и аналогичные ей процессы, получило распространение в технике; так, кокс или уголь, пропитанный солями щелочных металлов, используют как в металлургии, так и в производстве других продуктов, например сероуглерода. Известно, что оксиды щелочноземельных металлов, железа, марганца, меди, никеля и других ускоряют восстановление CO углем. Наиболее правдоподобным механизмом, ускоряющим влияние примесей, является механизм, описанный О.А.Есиным и П.В.Гельдом в книге «Физическая химия пирометаллургических процессов», ч.I, Металлургиздат, 1950, с.199. Как известно, металлы, входящие в состав активных добавок, способны внедряться в решетку графита и существенно деформировать ее. Подобное внедрение ослабляет связь между базисными плоскостями графита и влияет на скорость взаимодействия СО с С.
2
3
Выдерживание в суспензии выбросов конвертерного производства на основе оксидов железа типа FeO и СаО менее 25 минут неэффективно, а более 35 минут приводит к растворению топлива в этой суспензии.
2
3
2
3
В отходах конвертерного производства содержатся оксиды в основном железа и кальция, то есть FeO и СаО. Куски топлива перед загрузкой в печь окунают и выдерживают в водной суспензии этих отходов. На поверхности углей образуется слой оксидов FeO и СаО.
Восстановление оксидов Fe углеродом идет последовательно
Сумма реакций (1-3) дает реакцию (4):
2
3
4
2
2
2
3
Суммарный отрицательный тепловой эффект реакции восстановления оксида FeO составляет Q=-471,080 МДж/моль и превосходит положительный тепловой эффект основной реакции горения углерода в кислородной зоне С+O→СO+400,428 МДж/моль, что способствует захолаживанию поверхности куска угля, уменьшает градиенты температур на его поверхности и уменьшает эффект растрескивания, кроме того, процесс горения интенсифицируется, т.к. на одну молекулу FeO по реакции (4) расходуется три атома углерода. Дожигание 3,33 молекул СО происходит в пространстве между кусками топлива с дополнительным тепловым эффектом
Главное, температура поверхности куска топлива резко снижается с 2000°С до 1500°С.
Оксид кальция СаО, частично содержащийся в конверторных выбросах, идет на образование ваграночного шлака, что приводит к уменьшению расхода известняка на плавку.
Стойкость тощих углей против растрескивания в кислородной зоне повышается при подогреве.
Подогрев дутья в коксовой вагранке интенсифицирует теплообмен в зоне перегрева капель расплава (И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.80-87).
Плотность и модуль упругости тощих углей выше, чем у кокса. Кусок кокса имеет большое количество пор, которые образуются в куске угля в процессе коксования за счет удаления влаги и летучих. Поры кокса уменьшают его плотность и модуль упругости по сравнению с тощим углем.
Поэтому для уменьшения термических напряжений в кусках тощего угля необходимо резко уменьшить градиенты температуры на его поверхности, что возможно осуществить при подогреве.
Подогрев дутья способствует протеканию реакции
вместо реакции
что уменьшает температуру поверхности угля в кислородной зоне, температурные градиенты и уменьшает вероятность растрескивания угля.
2
3
Экспериментальные плавки проводили на вагранке Новокузнецкого предприятия ЗАО «Изолит». Вагранка имела внутренний диаметр 1250 мм и два загрузочных отверстия на высоте 3,5 и 5,5 м от уровня основного ряда фурм. Вагранка предназначена для приготовления оксидного расплава из отвального доменного шлака и горной породы - диабаза для производства минеральной ваты. Вагранка оборудована радиационно-конвективным рекуператором, позволяющим подогревать дутье до 550°С. В качестве топлива применяли тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красногорский» (юг Кузбасса). Куски угля обмакивали в водную суспензию выбросов конвертерного производства, содержащую оксиды железа типа FeO и СаО, и выдерживали в суспензии 30 минут.
При замене кокса на тощие угли на холодном дутье было установлено, что в конце плавочной кампании над фурмами образуются козырьки, состоящие из шлака и угольной мелочи. Давление дутья и, соответственно, сопротивление столба шихты возрастает с 400 до 1200 мм в начале и в конце кампании. Для исключения этих нежелательных явлений в соответствии с заявленным способом плавки на тощих углях было применено подогретое дутье.
В таблице приведены данные по времени работы вагранки до выбивки в зависимости от температуры подогрева дутья.
Таблица
Основные параметры плавочной кампании
Температура подогрева дутья, °С
Без подогрева
100
200
300
450
550
Время плавочной кампании, сутки
0,3
0,8
1,5
3,0
4,5
5,0
Техническим эффектом является интенсификация процесса горения и предотвращение растрескивания кусков топлива в процессе плавки.