ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ
BLAST FURNACE

Изобретение относится к области металлургии, в частности к доменному производству металлов, в частности получения ванадиевого чугуна из сырья, содержащих тугоплавкие вещества.
Известны доменные печи для плавки передельных, литейных и ванадиевых чугунов [1-4]. Особенностью их конструкции является наличие зумпфа (углубления в лещади) глубиной от 1,0 до 1,5 м. В основном доменные печи все аналогичны между собой и широко известны их конструкции специалистам.
Однако недостатками таких конструкций доменных печей являются открытая поверхность жидкого чугуна, на которую в слабоактивной центральной части лещади накапливаются тугоплавкие массы (гренали), как карбиды титана и другие «неплавкие массы» с образованием конусообразного выступа в центре горновой зоны печи-тотермана. Его высота со временем наращиваясь в рабочем режиме печи достигает уровня заплечиков и распара. Наличие тугоплавкого случайной формы тотермана по оси воздушных фурм приводит к набеганию газов фурменного очага на боковую поверхность указанного тотермана с отражением этих потоков и их направлением в сторону гарнисажа и футеровки горна. Последствием этого «рикошета» является увеличение износа гарнисажа горна и футеровки последнего с возникновением опасности прорыва горна. Такие явления, в частности, имели место на доменной печи №6 НТМК в 2006 г.
Таким образом, известные большеразмерные печи допускают образование массивных (крупных) тугоплавких карбидов и карбонитридов титана (греналей) в слабоактивной центральной части горна в зоне зумпфа с образованием валунообразного тугоплавкого тотермана, с восходящей вершиной, доходящей до уровня заплечиков и распара печи. При этом газы фурменного очага, ударяясь о боковую поверхность восходящего конца тотермана, отражаются от нее и направляются на поверхность гарнисажа и футеровки доменной печи. Это приводит к возникновению аварийных ситуаций вследствие снижения стойкости гарнисажа и футеровки горна и сопровождаемое прорывом высокотемпературных (до 2000°С) продуктов плавки через стенки горна. Такие аварии не только снижают технико-экономические показатели работы доменных печей, но представляют большую опасность для обслуживающего персонала.
Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение технико-экономических показателей доменной печи с предотвращением возможных опасных аварийных ситуаций в ее работе.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по техническому результату и совокупности существенных признаков заявляемого технического решения является доменная печь, известная из SU 46267 А, С21В 7/00, 31.03.1941 г. [5]. Прототип включает в себя вертикальный огнеупорный выступ, расположенный в центре горна, нижняя часть выступа выполнена в виде цилиндрического основания и опирается на дно зумпфа горна, имеющего в части горна форму цилиндра, в части заплечиков - форму усеченного конуса с наклоном образующей, равным наклону стенок заплечиков, а в части выше заплечиков - конической формы с надетым на него массивным толстостенным конусом из жароупорной стали.
К недостаткам прототипа по [5] относятся:
- тугоплавкие образования, например карбонатридов титана или гренали, имеющие более высокую вязкость и парашютность в восходящих потоках, они мгновенно будут отброшены вверх к стенкам горна или поднимутся по стенкам выступа в верхнюю ее часть, т.е. в зону более низких скоростей движения - верхушку конуса. Покидая зону высоких температур 1600-1900°С у сопла фурм и оказавшись в зоне менее низких скоростей указанные тугоплавкие гренали будут коагулироваться и образуют валунообразный тотерман, который со временем нарушит гидродинамику печи, создавая все негативные явления в зоне горна, отмеченные при анализе доменных печей в [1-4]. Особо существенным при этом является постепенное сужение зоны для нормального (проектная зона) функционирования факелов фурм, которые будут соударяться с краями тотермана и направляться в сторону гарнисажа и футеровки горна. Это приведет к возникновению опасности прорыва горна и перегреву фурм;
- невозможно концентрировать и интенсивно перемешивать тугоплавкие элементы в открытой поверхности жидкого чугуна и воздействовать на них высокотемпературным факелом в зоне сопла фурм.
В предлагаемом варианте доменной печи снижается возможность образования тотермана или обеспечивается равномерный нагрев, а также появляется возможность непрерывного движения тугоплавких образований плавки в высокотемпературной зоне факела фурм, а следовательно, исключить возможность образования греналей и тотермана.
выс
г
выс
г
г
Указанный положительный эффект достигается тем, что вершина конуса огнеупорного выступа, расположенная на уровне горизонтальной оси воздушных фурм, исключает накопление греналей в центре горна путем их рассекания на более мелкие частицы, т.е. такое расположение конуса выступа не дает возможность коагуляции карбидов. Благодаря низкой вязкости жидкого чугуна в этой зоне раздробленные частицы, непрерывно вращаясь вокруг вершины конуса выступа, многократно входят в зону высоких температур факела, и расплавляются или же покидают печь во аремя выпуска чугуна и шлака через летку зумпфа. Следует отметить также, что если некоторые гренали образуются выше уровня сопел фурм, то они после укрупнения (слипания друг с другом) начинают осаждаться на конус выступа, который их разобьет под напором потоков жидкофазного чугуна на более мелкие части. Последние активно начнут перемещаться вокруг конуса и тоже расплавляются или измельчаются по вышеописанному механизму или выводятся из печи. Диаметр цилиндрического основания d=(0,1-0,2)d и высота конуса равна h=0,2 d, где d- диаметр горна - это наиболее оптимальные значения параметров выступа, определенные решением оптимальной задачи минимизации занятия объема горна выступом.
Кроме того, выполнение огнеупорного выступа разборным, а нижнию часть в виде цилиндрического основания - сплошной, позволяет быстро разобрать и собрать выступ внутри зумпфа, а также легко обеспечить устойчивость и вертикальность выступа относительно центральной (виртуальной) оси корпуса печи. Выполнение конуса многослойным и с малой величиной адгезии относительно тугоплавких веществ, позволяет достаточно просто подобрать высоту конуса относительно горизонтальной оси фурм - за счет изменения толщины огнеупорных прокладок между слоями, а также компенсировать тепловые деформации конуса. Малая величина адгезии относительно тугоплавких веществ способствует активному удалению греналей из центральной или низкотемпературной части горна.
Из изложенного очевидно, что использование совокупности новых признаков конструкции предложенной доменной печи дает положительные результаты с предотвращением возможных аварийных ситуаций в работе печи и позволяет поддерживать проектную производительность печи при переработке руд с образованием тугоплавких веществ, как, например, карбонитридов титана.
На чертеже изображена предлагаемая доменная печь. Доменная печь содержит: засыпной аппарат - 1 с уровнем засыпи - 2, воздушную фурму - 3 с фурменным очагом - 4, условную ось воздушной фурмы - 5, заплечики - 6, чугунную летку - 7, зумпф - 8 с огнеупорной футеровкой, конусообразный исскуственный выступ - 9, установленный вертикально в нижней плоскости зумпфа 8 и лещадь - 10. Конусная часть выступа 9 изготовлена из высокоогнеупорного материала с малой величиной адгезии по отношению к карбонитридам титана.
Доменная печь содержит засыпной аппарат 1 для подачи кокса, флюсов и ванадий-титансодержащего рудного сырья (агломерат, руда или отходы) на уровень засыпи 2, воздушных фурм доменной печи 5, заплечиков 6, чугунную летку 7, зумпф 8 и конусный выступ 9 из тугоплавкого материала.
выс
г
осн
выc
г
г
Выступ 9 состоит из цилиндрического основания диаметром d=(0,1÷0,2)d, высоты h=1,0-1,5 м; ориентировочная высота конуса h=0,2d. Здесь d - диаметр горна. Необходимо учесть, что вершина конуса должна находиться на уровне горизонтальной оси воздушной фурмы печи.
Материал выступа 9 обеспечивает его высокую огнеупорность и малую величину адгезии по отношению к карбонитридам титана. При загрузке в доменную печь с использованием засыпного аппарата 1 ванадий-титаносодержащего рудного сырья, кокса и флюсов подача на воздушные фурмы 5 воздушного дутья и тепловых добавок в результате процесса прямого и косвенного восстановления железа и оксидов ванадия образуется ванадиевый чугун, заполняющий горн и зумпф 8. При этом образуются и тугоплавкие карбонитриды титана-гренали. Искусственный выступ 9 с вершиной на уровне оси воздушной(ых) фурмы рассекает на части образующиеся гренали и они под действием гидродинамических сил фурменного очага, разбрасываются по всей зоне нагрева горна. Поскольку совместно с греналями также будут отброшены частицы кокса, то независимо от объема доменной печи устанавливается равномерное тепловое поле в фурменной зоне, исключающее скопления масс карбонитридов, т.е. их последующее уплотнение и образование тотермана в центральной части зумпфа. Такие условия обеспечивают равномерное поддержание температуры в фурменной зоне печи на уровне (1210÷1227)°С, что обеспечивает разрушение карбидов оксидами железа по реакции
2
TiC+3FeO=TiO+СО+3Fe.
Установка огнеупорного конусообразного выступа внутри зумпфа действует как своеобразный рассекатель осаждающихся из шлака тугоплавких карбонитридных масс (греналей), способствуя их рассредоточению по периферийным зонам зумпфа. Тем самым удовлетворяется устранение скопления взаимосвязанных неплавких карбидов и карбонитридов титана с образованием плотного наплавного тотермана. В свою очередь это обеспечивает эффективное развитие фурменных очагов с их активной поверхностью в центре горна, что позволяет создать равномерное распределение тепла и за счет устранения "рикошетных" эффектов удается снизить агрессивную эррозию материала гарнисажа, футеровки горна и заплечиков. Это обеспечивает в свою очередь ровный ход доменной печи с предотвращением аварийных ситуаций и улучшает технико-экономические показатели работы доменной печи.
С другой стороны, конусообразный выступ 9 предотвращая накопление и уплотнение греналей в центре горна, не способствует скоплению кокса в этой зоне. Это еще более способствует равномерному распределению температуры в горновой зоне печи, а следовательно, исключению возможности локального нагрева образующихся частиц греналей до практически нерасплавляемых нитридов и других видов тугоплавких масс.
Кроме того, отметим, что выполнение верхней части искусственного выступа 9 в виде многослойныой разборной (снимаются послойно) композиционной конструкции позволяет экономить дорогостоящие материалы (составляющие композита) для обеспечения долговечности выступа при воздействии как высоких температур, агрессивных сред и динамических напоров фурменных очагов. Выполнение нижней части выступа 9 в виде огнеупорного диска не требует дополнительных видов огнеупорных материалов, т.к. выполняется из того же материала, что и донная часть зумпфа 8 печи. Очевидно также, что выполнение выступа 9 разборным упрощает его сборку, монтаж внутри печи и ремонтные работы.
Из изложенного очевидно, что полученные технические эффекты за счет отличительных признаков печи обеспечивают равномерное распределение температурного поля в зоне фурм, исключает возможность настылеобразования и тотермана, а совокупность их обеспечивает снижение вероятности возникновения аварийных режимов на доменной печи при производстве чугуна из сырья, содержащего тугоплавкие образования.
Литература
1. Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвистнев А.В. и др. Металлургия чугуна. Учебник для ВУЗов. - М: ИЦК «Академкнига», 2004. с.774.
2. Волков Ю.П., Шпарбер Л.Я., Гусаров А.К. Технолог-доменщик. - М.: Металлургия, 1986, с.263.
3. Гаврилюк Г.Г.. Леконцев Ю.А., Абрамов С.Д. Доменная плавка титаномагнититов. - Тула, АССОД, 1997, с.216.
4. Гаврилюк Г.Г. и др. Доменная плавка титаномагнетитов. - Тула. АССОД, 1997, с.99 и с.138.
5. Сорокин. Доменная печь. А.с. №46267. Опубликовано 31.03.1941 г.