ШИХТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МАРГАНЕЦСОДЕРЖАЩЕГО ЖЕЛЕЗОФЛЮСА
MIX MATERIAL FOR PRODUCTION OF MANGANESE-CONTAINING STAFLUX

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству комплексного марганецсодержащего железофлюса для доменных печей.
Известна шихта для производства железофлюса, состоящая из смеси известняка, замасленного шлама из вторичных отстойников системы оборотного водоснабжения прокатных цехов, кусковой извести и плавикового шпата, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
известняк
60,0
сухой шлам
33,0
известь
6,0
плавиковый шпат
0,74
тяжелые углеводо-
роды (масла)
5,0
Недостатками указанного состава шихты является малая производительность агрегата горячего окомкования при производстве железофлюса из-за низкого содержания извести и плохое качество готовой продукции.
Известна также шихта для производства железофлюса, в состав которой входят сталеплавильные шлаки и шламы, доменный шлам, колошниковая и конвертерная пыль, окалина, отсев агломерата и окатышей, известь и плавиковый шпат (авт. свид. СССР № 765370, кл. С21С 5/28, С22В 1/16, 1980).
Известна шихта для получения флюса, которая содержит, %: известь 15-20, известняк или доломит 10-12, топливо 8-10, конвертерный шлам или окалина - остальное (авт. свид. СССР № 945209, кл. С21С 5/00, 1982). Недостатками данных шихт являются большая загрязненность железофлюса вредными примесями, низкая его рафинирующая способность.
Известен (авт. свид. СССР № 1254021, МКИ С21С 5/36, опуб. БИ № 32, 1986, прототип) способ производства флюса путем термической обработки смеси известняка и железосодержащего флюса с использованием газообразного топлива во вращающихся печах.
2
3
2
Шихта состоит из известняка и ферритной добавки, в которой молярное отношение FеO/СаО=2-3, содержание SiO равно 1-3%, а масса ее составляет 20-30% от общей массы загружаемого в печь флюса. В качестве ферритной добавки могут быть использованы, в частности, шламы сталеплавильного производства.
общ.
Недостаток шихты заключается в том, что из-за низкого содержания железа (2,76-10,1 Fe) и высокого содержания СаО (81-85%) получаемый флюс пригоден только для использования в конвертерном производстве. Попытки увеличить содержание железа во флюсе, увеличивая присадку ферритной добавки, не дали желаемого результата, так как использование во вращающихся печах многокомпонентной шихты с разной плотностью составляющих связано с большими трудностями.
2
2
общ.
2
Известен ферритно-кальциевый флюс (патент РФ № 2087557, МКИ С22В 1/16, опубл. в БИ № 23, 1997), включающий железосодержащие отходы или их смесь отходов, известняк, доломит и топливо. Причем железосодержащие отходы и их смесь характеризуются отношением Fe/SiO≥11, а содержание SiO ограничено интервалом 0,5-5,0% (мас.). Производство ферритно-кальциевого флюса из указанной шихты осуществляется на ленточных агломашинах. Способ позволяет получить ферритно-кальциевый флюс с повышенным содержанием железа (Fe≥50%, 11-18 СаО и 3,5% SiO), пригодный для использования в доменном процессе.
Известна шихта для получения высокоосновного марганецсодержащего агломерата, содержащая марганцевое сырье, твердое топливо и флюс, согласно изобретению, она дополнительно содержит железорудный концентрат при следующем соотношении компонентов, мас.% (а.с. № 1446181, кл. С22В 47/00, опубл. 23.12.1988, БИ № 47):
флюс
35-60
железорудный концентрат
6-20
твердое топливо
8-15
марганцевое сырье
- остальное
Недостатком известных технических решений является невысокая механическая прочность полученного продукта и низкая влагоустойчивость.
2
2
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является известный способ получения марганецсодержащего комплексного флюса, включающий дозирование, смешивание, грануляцию шихты, состоящей из известняка, твердого топлива, марганецсодержащего сырья (а.с. № 1708893, С22В 1/24, опубл. 30.01.1992, бюл. № 4), кроме того, в шихту дополнительно вводят железосодержащий материал, в качестве которого используют шлам конвертерного производства, в качестве марганецсодержащего материала используют отходы ферромарганцевого производства. Опыт производства флюса согласно предложенной технологии показал, что не удается избежать образования тугоплавкого двухкальциевого силиката кальция с температурой плавления более 2100°С за счет тесного контакта золы топлива (SiO) и частиц СаО. За счет образования 2CaOSiO качество флюса ухудшается, снижается его вязкость. Кроме того, у такого марганецсодержащего флюса невысокая основность.
Техническим результатом изобретения является получение прочного высокоосновного марганецсодержащего флюса с повышенным содержанием железа и повышенной основностью, способствующего формированию жидкотекучего шлака, а также улучшению технико-экономических показателей доменной плавки.
2
Технический результат достигается тем, что используют шихту для производства марганецсодержащего железофлюса основностью (СаО/SiO) 4,5-8,5 и содержанием железа не менее 40%, состоящую из известняка, твердого топлива, низкокремнистого железосодержащего материала в виде смеси металлургических отходов крупностью 0-5 мм и марганецсодержащего компонента в виде карбонатной руды с содержанием марганца 7,0-9,0%, при следующем содержании компонентов, мас.%:
известняк
12,0-20,0
марганецсодержащая карбонатная руда
8,5-12,0
твердое топливо
3,5-7,0
низкокремнистая железосодержащая смесь
- остальное,
при этом в качестве низкокремнистой железосодержащей смеси используют смесь аглоотсева, аспирационной и колошниковой пылей и шламов.
пл.
2
Предлагаемое для патентования изобретение заключается в использовании шихты для производства марганецсодержащего железофлюса, в котором наряду с марганецсодержащей карбонатной рудой используют низкокремнистые железосодержащие металлургические отходы, которые образуют железосодержащую смесь. Ограниченное содержание кремнезема устраняет его вредное воздействие на пропитку известняка оксидами железа, так как в этом случае максимально снижается возможность образования тугоплавкого двухкальциевого силиката (t=2130°С), который покрывает оболочкой куски извести и оказывает тормозящее влияние на диффузию оксидов железа внутрь кусков. Кроме того, наличие 2СаО SiO способствует образованию настылей в доменной печи.
Низкокремнистая железосодержащая смесь приготавливается из металлургических отходов путем механического смешивания компонентов. Крупность железосодержащей смеси находится в пределах 0-5 мм. Улучшению физико-механических свойств железофлюса способствует равномерное распределение заранее сформированных ферритных и других связок. Для равномерного распределения железосодержащей смеси размер ее компонентов должен быть сопоставимым с остальными компонентами шихты, т.е. 0-5 мм.
2
Применение низкокремнистой железосодержащей смеси и марганец-содержащей карбонатной руды способствует образованию легкоплавкого высокоактивного железисто-кальциевого флюса с содержанием Fe более 40% и основностью (СаО/SiO) в пределах 4,5-8,5 и без дополнительного использования железосодержащих и карбонатных флюсов VI пригодного в доменном производстве.
Пределы содержания известняка обусловлены качеством чугуна и расходом кокса на его производство. При содержании известняка в шихте железофлюса менее 12% произведенный в доменном цехе чугун не удовлетворяет требованиям сталеплавильного производства по содержанию серы. При содержании известняка в шихте более 20% возрастает расход кокса при производстве чугуна.
Пределы содержания твердого топлива обусловлены задачей получения прочного железофлюса. При содержании твердого топлива в шихте менее 3,5% прочность железофлюса не удовлетворяет требованиям доменного производства. При содержании твердого топлива в шихте более 7,0 повышается расход кокса, без существенного повышения прочности железофлюса.
Введение в состав шихты марганцовистой карбонатной руды в указанных пределах (8,5-12,0%) позволяет интенсифицировать процессы спекания железофлюса за счет ускорения растворения оксидов кальция, марганца и магния, способствует их усвоению марганецсодержащим расплавом. Пределы содержания карбонатной руды обусловлены необходимостью получения массовой доли Mn в готовом железофлюсе не менее 1,0% с допустимым отклонением ±0,3%.
Наличие железа в низкокремнистой железосодержащей смеси приводит к образованию легкоплавких эвтектик ферритов кальция, марганца и магния. При этом происходит стабилизация фазовых образований в системе Mn-Fe-Ca-Mg и тем самым уменьшаются фазовые превращения, приводящие к разрушению железофлюса.
Применение низкокремнистой железосодержащей смеси в заданных пределах с содержанием железа не менее 40% способствует получению железофлюса с высокими прочностными характеристиками.
2
2
3
Высокая удельная поверхность железосодержащих металлургических отходов (4,0-8,5 м/г) улучшает эффективность грануляции и способствует интенсификации процесса спекания флюса, а интенсивное образование СаО и FеО при нагреве железосодержащей смеси сопровождается равномерным распределением температуры в спекаемом слое, улучшением физико-химических свойств и повышением механической прочности спекаемого марганецсодержащего железофлюса.
Пример 1
На основе отходов металлургического производства: аглоотсева, аспирационной и колошниковой пыли и шламов с расходом компонентов сырья, указанного в таблице №2, путем механического перемешивания была получена низкокремнистая железосодержащая смесь, которая закачивалась в выделенные бункера.
Известняк, марганецсодержащий компонент и твердое топливо также закачивали в отдельные бункера для их точной дозировки.
Далее компоненты из бункеров ленточными дозаторами подавали на сборный конвейер и усредняли в барабанном смесителе. Смешанную и увлажненную до 5-7% шихту окомковывали в барабанном смесителе и укладывали на паллеты агломашины для спекания, высота слоя составляла 320-340 мм. Спекание проводили при температуре 1250°С. После охлаждения спеченный железофлюс подвергали испытаниям в барабане для определения механической прочности. Прочность оценивали по выходу фракций более 5 мм, характеризующих показатель сопротивления на разрушение.
При проведении экспериментальных работ по отработке технологии получения оптимальной шихты железофлюса для доменных печей сравнивались показатели спекания взятой в качестве прототипа известной шихты и шихты, предлагаемой в качестве нового технического решения.
В таблице № 1 приведены сравнительные показатели разных шихт. Совокупность приведенных выше технологических факторов способствует получению марганецсодержащего железофлюса прочного по мех. свойствам и с высокими потребительскими свойствами, способствующего значительному увеличению технико-экономических показателей доменной плавки. Хим. состав компонентов шихты марганецсодержащего железофлюса показан в таблице № 2.
3
Опытное опробование патентуемого марганецсодержащего железофлюса проводилось на доменной печи № 5 Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК) с полезным объемом 2200 м, выплавляющей ванадийсодержащий чугун.
2
2
Существующая на НТМК технология доменной плавки титаномагнетитов предусматривает использование в железорудной части шихты примерно 40% высокоосновного агломерата (СаО/SiO=2,2) и примерно 60% неофлюсованных окатышей с природной основностью около 0,3. В ванадиевом чугуне содержится в среднем 0,07 - 0,08% кремния и около 0,35% марганца. В связи с тем, что основность шлака (СаО/SiO) устанавливается в пределах 1,20-1,25, расход известняка в шихту составляет около 60 кг/т чугуна, а повышенный расход известняка в доменной плавке приводит к повышенному расходу кокса.
Пример 2
Рассмотрим пример конкретного использования патентуемого железофлюса в доменной плавке.
Марганецсодержащий железофлюс, поступивший из аглоцеха Высокогорского ГОКа, выгружался на отдельно выделенное место рудного двора доменного цеха с целью его охлаждения в течение 2-4-х суток.
Средневзвешенный хим. состав железофлюса, указанный в таблице № 2, соответствовал требованиям технических условий на данный материал. Железофлюс использовался в шихте доменной печи №5 путем загрузки его в печь через бункера добавок. Расход железофлюса составлял около 10% от всей железорудной части шихты и корректировался по требуемой основности шлака. При этом из состава шихты был полностью выведен аглоотсев, известняк и марганцевый агломерат. Железофлюс загружался в скип совместно с окатышами.
Параметры загрузки шихты, дутьевого режима, интенсивность доменной плавки поддерживались в пределах, обеспечивающих ровный ход печи, нормальное тепловое состояние и оптимальный шлаковый режим согласно заводской инструкции ТИ-102-132-2007.
Анализ технологических показателей работы доменной печи № 5, выплавляющей ванадиевый чугун, показан в таблице № 3.
Особенностью выплавки ванадиевых чугунов является образование в печи карбидов и карбонитридов титана, образование которых происходит даже при холодном ходе печи. При этом потери чугуна с карбидами и карбонитридами доходят до 10-15%.
Патентуемый железофлюс способствовал улучшению процесса шлакообразования в печи и снижал вязкость конечного доменного шлака, за счет чего достигалось улучшение разделения продуктов плавки на выпуске из печи и значительно уменьшились потери чугуна со шлаком. Снижение вязкости доменного шлака происходило в связи с меньшим образованием в печи карбонитридов титана и гренали, что обусловлено благоприятным химическим составом железофлюса, его низкой температурой плавления (1260-1280°С) и хорошей жидкоподвижностью в расплавленном состоянии.
Вязкость шлака снизилась с 0,29 до 0,22-0,24 Па·с, что обеспечило снижение концентрации металла в шлаке на выпуске из печи, как было сказано выше, на 10-15%.
Данный фактор способствовал увеличению производства чугуна по суткам на опытных плавках с 5235 т. до 5810 т. (на 9,8%).
Благодаря использованию предлагаемого для патентования марганецсодержащего железофлюса, удалось достичь:
3
- удельный расход кокса снизился на 10 кг/т чугуна, при этом в опытном периоде расход природного газа был ниже на 6 м/т чугуна;
- полностью выведены из шихты сырой известняк, аглоотсев агломерата КГОК и марганцевый агломерат ВГОК;
- увеличилось содержание ванадия в чугуне с 0,398% до 0,430%, и повысился коэффициент извлечения ванадия (КИВ) с 81% до 85%;
2
- улучшилась стабильность шлака по основности (САО/SiO), а также стал более стабильным хим. состав выплавляемого чугуна по содержанию V, Si, Mn;
- содержание серы в чугуне осталось на прежнем уровне.
Таким образом, предложенное техническое решение полностью соответствует критерию "новизна". Анализ патентов и научно-технической литературы не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом изобретении, по функциональному назначению. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Таблица №1
Показатели процесса спекания марганецсодержащего железофлюса разных шихт
Показатели
Марганецсодержащий железофлюс
Известный (прототип)
Предлагаемый
Высота слоя шихты, мм
750
320
Содержание марганецсодержаще-
го компонента шихты, %
9,40
9,00
Содержание твердого топлива в
шихте, %
6,93
5,8
Основность (CaO/SiO<sub>2</sub>), ед.
3,73
7,5
Выход годного, %
78,0
80,5
Прочность, фр.>5 мм, %
94,0
92,4
Удельная производительность, т/
м<sup>3</sup> час.
0,49
1,30
Содержание Mn в железофлюсе, %
5,85
1,1
Таблица 2
Химический состав компонентов шихты доменного железофлюса
Шихта
Сырье, т.т
Расход компон. на 1 т. железофлюса
Содержание компонентов железофлюса,
%
Fe
СаО
SiO<sub>2</sub>
S
TiO<sub>2</sub>
MgO
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Zn
Mn
V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
Известняк
6,86
0,460
0,00
53,80
1,30
0,04
0,00
0,45
0,00
0,0
0,0
0,00
Аглоотсев
6,90
0,457
54,30
10,50
4,70
0,16
2,41
2,40
2,50
0,10
0,16
0,51
Зола
0,13
0,009
10,00
6,00
42,00
0,00
1,00
1,40
26,60
0,00
0,00
0,00
Марганцовистая арбонатн. руда
2,31
0,154
0,00
41,00
6,94
0,05
0,00
1,33
1,46
0,00
9,00
0,00
Аспирационная. пыль
0,54
0,036
56,00
4,20
3,20
0,17
1,20
1,30
1,50
0,10
0,18
0,19
Колошниковая пыль
1,21
0,081
43,00
6,10
4,85
0,23
1,00
2,20
2,82
0,25
0,40
0,40
Шламы
2,63
0,175
55,00
4,00
3,00
0,14
0,55
2,00
1,50
1,63
0,50
0,41
Средневзвешенный состав железофлюса
43,02
25,77
5,58
0,08
0,85
1,48
2,15
0,09
1,10
0,32
Показатели работы доменной печи №5 НТМК по обычной технологии и с использованием железофлюса.
Обычная технология
С использованием железофлюса
Производство по цеху (сут.), т.
5235
5810
Состав шихты, %:
агломерат КГОК
35
36
окатыши КГОК
60
54
аглоотсев
5
-
железофлюс
-
10
Содержание Fe в ЖР части ших-
ты, %:
57,6
59,3
Расход Fe всего, кг/ т
988,0
982,2
Расход Fe в ЖРС, кг/ т
977,0
969,5
Расход ПГ, куб. м/ т
115,5
117,0
Расход, кг/ т:
кокс
422
405
ЖРС
1665
1527
Добавки, кг/ т:
известняк
66,0
0
марг. агломерат ВГОК
5,0
0
Дутье: давление, атм.
3,67
3,61
температура, °С
1187
1221
Содержание O<sub>2</sub> в дутье, %
25,0
22,7
Расход O<sub>2</sub>, куб./ т чуг.
60,61
62,90
Хим. состав чугуна, %:
Si
0,07
0,08
Mn
0,31
0,31
S
0,018
0,018
V
0,398
0,430
Ti
0,14
0,15
Основность шлака, ед.
1,25
1,23
Содержание V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>, %:
аглом. КГОК
0,498
0,513
окат. КГОК
0,556
0,564
железофлюс
-
0,32
КИВ, %
80,76
84,96
Простои, %
1,8
0