СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ТОЩИХ УГЛЯХ И АНТРАЦИТЕ
METHOD OF CUPOLA HEAT OF CAST IRON AND OXIDE MATERIALS ON LEAN COALS AND ANTHRACITE

Изобретение относится к литейному производству и производству минераловатных изделий, где применяются шахтные печи малого диаметра одинаковой конструкции, и предназначено для плавки шихтовых материалов на антраците.
Известен способ выплавки чугуна в доменной печи путем увлажнения дутья. При этом достигается увеличение производительности печи в результате более ровного хода печи и обогащения дутья кислородом (Ефименко Г.Г. Металлургия чугуна / Г.Г.Ефименко, А.А.Гиммельфарб, В.Е.Левченко. - Киев: Вища школа, 1988, с.208-209).
При высоких температурах в горне печи влага разлагается с выделением в газовую фазу водорода и кислорода
В условиях избытка углерода разложение водяного пара в горне происходит с образованием водорода и оксида углерода
которые затем используются в восстановительных процессах в зоне непрямого восстановления.
К недостаткам способа относится то, что влажность дутья колеблется в течении суток и по времени года и поэтому вызывает непостоянство теплового и температурного режимов горна и изменения в протекании восстановительных процессов. Кроме того, увлажнение дутья приводит к общему падению температуры процесса за счет протекания эндотермических реакций (1) и (2). Для поддержания требуемого температурного режима печи дутье дополнительно обогащают природным газом, кислородом и повышают его температуру.
Поэтому в настоящее время считается, что экономически эффективнее не увлажнять, а осушать дутье.
3
Известен способ плавки чугуна в коксовой вагранке на увлажненном дутье. Опыты показали, что при некоторой оптимальной влажности дутья (от 2,5 до 8 г/м) температура чугуна может быть повышена примерно на 20-30°, а расход кокса снижен на 5-10% (Гиршович Н.Г. Чугунное литье. - М.: Металлургиздат, 1949, с.553-554).
Такое влияние влажности объясняется тем, что водяные пары обладают большим коэффициентом лучеиспускания. Однако вследствие колебания естественной влажности дутья работа вагранок на паровоздушном дутье не дала положительных результатов.
Отрицательные факторы увлажнения дутья связаны с эндотермическими реакциями (1) и (2), которые протекают в кислородной зоне вагранки, как и в горне доменной печи. Данные реакции без дополнительного обогащения дутья кислородом и природным газом приведут к понижению температуры расплава, как и в доменной печи.
Наиболее близким к заявленному является 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 позволяет 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 в вагранке 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 [И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.50].
Задачей изобретения является разработка способа плавки на вагранке, позволяющего полностью заменить кокс на антрацит для выплавки чугунов и оксидных материалов, не нарушая технологического режима плавки.
Поставленная задача решается следующим образом: в способе ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците, включающем загрузку материалов в шахту печи и подачу дутья в кислородную зону, согласно изобретению дутье подается подогретым до 450-550°С и увлажняется до содержания 12-15% водяного пара.
Стойкость антрацита против растрескивания в кислородной зоне повышается при подогреве и увлажнении дутья.
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 антрацита на 30-40% 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 антрацитом.
Поэтому для уменьшения термических напряжений в кусках антрацита необходимо резко уменьшить градиенты температуры на его поверхности, что возможно осуществить при подогреве и увлажнении дутья.
Подогрев дутья способствует протеканию реакции
вместо реакции
2
2
С+О→СО+400,428 МДж/моль,
что уменьшает температуру поверхности кокса в кислородной зоне, температурные градиенты и уменьшает вероятность растрескивания антрацита.
Дополнительно стойкость антрацита против растрескивания повышается за счет увлажнения подогретого дутья. В кислородной зоне реакция восстановления водяного пара углеродом антрацита резко интенсифицируется при скорости дутья свыше 0,5 м/с [Н.В.Лавров. Физико-химические основы горения и газификации топлива. - М.: ГНТИ, 1957, с.229-232].
Суммарным эффектом реакций (3-5) будет реакция
6
которая идет с большим поглощением тепла Q=-210,036 МДж.
Реакция (6) резко понижает температуру поверхности антрацита в кислородной зоне с 2000°С до 1400-1450°С, что понижает температурные градиенты и, следовательно, напряжения в поверхностных слоях куска топлива.
2
Кроме того, высота кислородной зоны при сухом и паровоздушном дутье примерно одинакова и составляет от 4,5 до 6,5 начальных средних диаметров частиц антрацита. Восстановление CO при этом обеспечивается при 15-20 начальных диаметрах. Именно последний факт выклинивает восстановительную зону в слое топлива, выравнивает температурную кривую газа по высоте холостой колоши и, следовательно, резко интенсифицирует теплообмен между каплей расплава и теплоносителем [И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.80-87].
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 антрацит марки А и тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красногорский» (Юг Кузбасса).
Вагранка оборудована радиационно-конвективным рекуператором, позволяющим подогревать дутье до 500°С.
При замене кокса на антрацит 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 компании.
В таблицах 1, 2 приведены данные плавок при увлажнении на холодном дутье и при увлажнении на подогретом дутье.
Таблица 1Данные плавок на паровоздушном холодном дутье
% Н<sub>2</sub>O в дутье
0
5
10
Температура расплава, °С
1280
1250
1210
Производительность по расплаву, т/ч
2,7
2,9
3,3
Таблица 2Данные плавок на паровоздушном дутье, подогретом до 450-500°С
% Н<sub>2</sub>О в дутье
0
5
10
15
20
Температура расплава, °С
1370
1365
1355
1350
1280
Производительность по расплаву, т/ч
3,1
3,3
3,5
3,8
4,2
2
Плавки показали, что увлажнение холодного дутья неэффективно, температура расплава прогрессивно падает с увеличением подачи водяного пара в кислородную зону вагранки (таблица 1). Производительность вагранки растет, но при добавлении в дутье свыше 10% НО температура расплава падает до критических значений, вагранка идет на замораживание.
Увлажнение дутья с одновременным его подогревом наиболее эффективно при подаче пара в дутье в количестве 10-15%. В этом случае достигаются оптимальные параметры по температуре расплава (1350-1355°С) и производительности (3,5-3,8 т/ч).
При увлажнении ниже 10% на подогретом дутье температура остается на технологически необходимом уровне, но производительность печи по расплаву недостаточна, при увлажнении дутья выше 15% производительность вагранки растет прогрессивно, но температура расплава резко падает и печь идет на зохолаживание.
Производительность вагранки равна [И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.15]
0
3
2
где q - расход дутья, м/(м·с);
- содержание кислорода в дутье, %;
К - расход твердого топлива, %;
2
СО, СО - содержание оксидов углерода в отходящих газах.
Увеличение производительности вагранки при увлажнении дутья определяется по стехиометрическим соотношениям реакций (1) и (6)
Из суммарной реакции (6) следует, что реакция (1) идет одновременно с разложением трех молекул воды
Кислород, образующийся по реакции (1а), взаимодействует с углеродом антрацита по реакциям
2
C+0,5O=CO+117,845 МДж
Следовательно, дополнительное количество кислорода, образующееся при увлажнении дутья, равно
2
где НО - процентное содержание водяных паров в дутье.
Производительность вагранки возрастает и будет определяться по формуле
Расчет по формуле (10) дает увеличение производительности вагранки на 12-17% больше, чем получено в экспериментальных плавках (таблица 2). Это связано с уменьшением температуры оксидного расплава, что вызывает увеличение вязкости расплава и способствует «тугому» ходу плавки.