СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ НА ТОЩИХ УГЛЯХ
CUPOLA HEAT ON HARD COAL

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.
Поиски новых видов ваграночного и доменного топлива ведутся давно. Известны вагранки с частичной заменой кокса природным газом, вагранки с применением электроэнергии. Также разработаны технологии применения в вагранках пылеугольного топлива (ПУТ), использование мазута, нефти, пекового кокса, а также эмульсий и суспензий.
Известно, что в первых доменных печах основным горючим был древесный уголь. Выход древесного угля из дров колеблется обычно в пределах от 60 до 70 об.%.
Древесный уголь обладает высокой реакционной способностью и горючестью, что связано с его огромной пористостью (80-87%). По химическому составу древесный уголь выгодно отличается от кокса малой зольностью (1-2% А) и чистотой по сере (<0,05% S) и фосфору (0,1-0,07% Р). Однако в настоящее время его почти не используют вследствие дороговизны, большого расхода и низкой механической прочности из-за его большой пористости.
Известна технология производства литейного кокса из тощих и слабоспекающихся углей Кузнецкого угольного бассейна. Основным недостатком этой технологии являются большие затраты при коксовании.
На протяжении многих лет велись попытки использования различных марок углей без какой-либо подготовки его как в доменном, так и в ваграночном производстве.
в
Известен способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците, включающий загрузку материалов в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону, отличающийся тем, что уровень загрузки материалов в печи составляет , где Д - диаметр вагранки, причем дутье в кислородную зону подают подогретым до 450-550°С в равных количествах на двух горизонтах с расстоянием между ними (17,5-20)% от диаметра вагранки [патент RU 2335718. Пашков В.В., Селянин И.Ф. и др.].
в
В данном патенте описывается технология, позволяющая устранить основной недостаток антрацита - низкую термическую стойкость, вследствие чего он при быстром нагреве в вагранке и большом давлении столба металлической шихты растрескивается на мелкие куски, которые уменьшают свободное сечение вагранки и приводят к нарушению хода плавки. Указывается, что подогрев дутья до 450-500°С уменьшает вероятность растрескивания антрацита, тем самым способствуя нормальному протеканию процесса. Основной недостаток этого способа заключается в том, что уровень загрузки материалов в печи ограничен соотношением , где Д - диаметр вагранки, а также то, что дутье в кислородную зону подают на двух горизонтах с расстоянием между ними (17,5-20)% от диаметра вагранки.
Наиболее близким к заявленному является способ плавки чугуна в вагранке с вторичным дутьем, позволяющим заменить часть кокса рабочей топливной колоши каменным углем [Селянин И.Ф. Плавка чугуна в вагранке с расширенной зоной горения с применением каменного угля. / И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс // Ресурсосберегающие технологические процессы в литейном производстве: тезисы докладов II Республиканской научно-технической конференции; Орджоникидзе. - 1988. - С.32-33]. В этом способе использовали тощий уголь марки ТК Кузнецкого бассейна. Опытные плавки показали, что замена кокса углем положительно сказывается на химическом составе получаемого чугуна. Расход дефицитного кокса при плавке чугуна в вагранке с вторичным дутьем можно уменьшить. Однако замена в рабочей топливной колоше 50% кокса углем приводит к незначительному снижению температуры чугуна на желобе вагранки, а при дальнейшем увеличении доли угля температура чугуна падает значительно.
Недостатком этого способа является то, что невозможно полностью уйти от использования кокса.
Задачей изобретения является использовать вместо кокса смесь, состоящую из 60% тощих углей и 40% березовых дров. Что приводит к устойчивому ходу плавки и удешевлению процесса выплавки.
Для этого в способе ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на тощих углях, включающем загрузку топлива и материалов в вагранку, по данному изобретению в топливные колоши добавляют 40% березовых дров и 60% тощих углей, при этом дутье подогревают до 450-550°С.
3
3
3
Сущность метода заключается в том, что березовые дрова не теряют своей прочности при горении и имеют высокую теплотворную способность Q=(4÷4,5)·10 ккал/кг, тощие угли Q=(7,5÷8,3)·10 ккал/кг, а кокс Q=(6,2÷6,8)·10 ккал/кг.
В процессе ваграночной плавки на коксе выделяется оптимальное количество тепла.
Для нормального протекания ваграночного процесса необходимо, чтобы в результате горения смеси древесных дров и тощих углей выделялось такое же количество тепла как и при горении кокса.
При заданном процентном соотношении: 40% дров и 60% тощих углей количество теплоты, выделяющееся при сгорании топливной колоши равно
общ
дрова
уголь
3
3
3
Q=Q+Q=0,4·4,5·10+0,6·8·10=6,6·10 ккал/кг.
Таким образом, один килограмм смеси - дрова (40%) и тощий уголь (60%) дают такое же количество тепла, что и один килограмм кокса. Эта замена равносильна в тепловом отношении.
Дрова при горении и нагрузке не растрескиваются, хорошо держат давление верхних слоев шихты, как каркас воспринимают нагрузку на себя и разгружают от нагрузки куски угля. Это позволяет значительно повысить уровень загрузки шихтовых материалов.
Также дрова являются замедлителем реакции горения, в результате увеличивается высота кислородной зоны.
Начиная со 150°С древесная масса теряет гигроскопическую влагу. Начиная с этой температуры и с дальнейшем повышением температуры начинается процесс выделения и горения летучих. При достижении температуры 270-280°С происходит быстрая реакция усиленного разложения органических веществ древесины с выделением большого количества газа, сопровождающаяся значительным выделением тепла, доходящим до 6% от общей начальной калорийности древесины [Л.М.Мариенбах. Применение местных топлив и заменителей кокса при плавке чугуна в вагранке. МАШГИЗ, 1943, с.28-29].
Таким образом, реакции выделения тепла начинают идти уже на верхних горизонтах печи. Углерод, содержащийся в древесине, при этом пока не выгорает.
Некоторый захолаживающий эффект, при использовании сырых дров, компенсируется подогревом дутья до 450-550°С. Также это благоприятно влияет на стойкость углей против растрескивания.
Плотность и модуль упругости тощих углей выше, чем у кокса. Стойкость углей против растрескивания в кислородной зоне повышается при подогреве дутья.
Подогрев дутья способствует протеканию реакции
вместо реакции
что уменьшает температуру поверхности кокса в кислородной зоне, температурные градиенты и уменьшает вероятность растрескивания угля.
Влага, которая выделяется из дров при горении, увлажняет дутье и также способствует протеканию реакции (I) с тем же положительным эффектом.
В изобретении предлагается дутье подогревать до 450-550°С.
Подогрев дутья ниже 450°С недостаточно для эффективного подавления реакции (II) и развития реакции (I). Температура поверхности куска угля в кислородной зоне остается высокой, порядка 2000°С, что вызывает высокие температурные градиенты поверхности, увеличивает вероятность растрескивания куска топлива.
Подогрев дутья свыше 550°С нецелесообразно, так как на малых шахтных печах устанавливаются радиационно-конвективные рекуператоры, у которых свыше этой температуры теплообменные трубы из жаростойкой стали быстро выходят из строя.
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. В качестве топлива применяли березовые дрова и тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красногорский» (Юг Кузбасса).
Вагранка оборудована радиационно-конвективным рекуператором, позволяющим подогревать дутье до 550°С.
Были произведены две серии опытов. Первая серия: высота загрузки материалов составляла 4,0 м, количество добавляемых дров в топливные колоши изменялось в пределах 20-60% по массе (таблица 1).
Таблица 1
Температура оксидного материала в зависимости от количества дров в топливных колошах
Количество дров, % по массе
20
30
40
50
60
Температура оксидного расплава, °С
1310
1330
1360
1320
1270
Вторая серия: количество добавляемых дров в топливных колошах составляла 40% по массе, высота загрузки материалов изменялась в пределах 3,0-5,5 м (таблица 2)
Таблица 2
Температура оксидного материала в зависимости от высоты загрузки материалов
Высота загрузки, м
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
Температура оксидного расплава, °С
1280
1345
1360
1365
1355
1320
Первая серия опытов показала, что оптимальные результаты достигаются при 40% березовых дров в топливных колошах. При меньшем содержании дров прочности каркаса березовых дров недостаточно, чтобы эффективно противостоять нагрузке верхних слоев шихты, и куски угля частично растрескиваются, несмотря на подогрев дутья до 550°С. При большем содержании, свыше 40%, теплотворной способности топлива недостаточно, чтобы перегреть расплав до высоких необходимых температур.
Вторая серия опытов показала, что оптимальные результаты достигаются при 40% дров в топливных колошах и при высоте загрузки материалов 4,0-4,5 м. При меньшей высоте загрузки газы не успевают отдать тепло твердым материалам, при незавершенном теплообмене высота зоны плавления понижается, температура перегрева расплава также понижается. При высоте загрузки свыше 4,5 м каркас дров не выдерживает механической нагрузки со стороны верхних слоев шихты, куски угля начинают растрескиваться, уровень плавления понижается, и температура расплава падает.
Плавки на чугуне проводили на ОАО «Универсал» (г.Новокузнецк). Эксперименты проводили на вагранке с внутренним диаметром 1350 мм и максимальной высотой загрузки 5,2 м. Вагранка оборудована рекуператором труба в трубе, позволяющим подогревать дутье до 450°С. Шихта состояла из 60% чушкового чугуна, 30% боя изложниц и 10% стального лома. В качестве топлива применяли березовые дрова и тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красноярский» (юг Кузбасса). Были проведены также две серии опытов.
Первая серия: высота загрузки материалов составляла 4,0 м, количество добавляемых дров в топливные колоши изменялось в пределах 30-50% по массе (таблица 3).
Таблица 3
Количество дров, % по массе
30
35
40
45
50
Температура чугуна, °С
1350
1375
1380
1360
1300
Вторая серия: количество добавляемых дров в топливных колошах составляло 40% по массе, высота загрузки материалов изменялась в пределах 3,5-5,4 м (таблица 4).
Таблица 4
Температура чугуна на выпуске в зависимости от высоты загрузки материалов.
Высота загрузки в метрах
3,5
4,0
4,5
5,0
5,4
Температура чугуна, °С
1360
1380
1375
1355
1340
При плавке оксидных материалов применялись березовые чурки ⌀ 120-130 мм длиной 150-160, при плавке чугуна размер чурок составлял ⌀ 150-180 мм, длина 200-220 мм.
Применение дров при плавке чугуна и оксидных материалов дает оптимальный эффект по температуре выпускаемого расплава при одинаковых параметрах по расходу дров - 40% по высоте загрузки 4,0-4,5 м.
3
3
Теплофизическая причина данного явления одна и та же. Оптимальная температура чугуна оказалась на 20°С выше, чем оксидного расплава. Это связано с тем, что на ЗАО «Изолит» вагранка обслуживается воздуходувкой ВМ 6/6000 м/ч, на ОАО «Универсал» воздуходувкой большей мощностью ВМ 15/15000 м/ч. Поэтому при плавке на чугуне вагранка лучше снабжалась воздухом, что привело к повышению температуры расплава.