СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНОГО ГАРНИСАЖА В ШАХТЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
METHOD FOR CREATING PROTECTIVE SLAG LINING IN SHAFT OF BLAST FURNACE

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано для улучшения показателей плавки и увеличения межремонтного периода службы шахты доменных печей, оборудованных водоохлаждаемыми холодильниками, футерованными высокотеплопроводными огнеупорными материалами.
Известен способ доменной плавки (Способ доменной плавки. Авт. свид. СССР №1401046, С21В 5/00. Опубл. 04.06.1988. Бюл.№21), в котором в качестве гарнисажеобразующего материала используют титансодержащий шлак от проплавки титаномагнетитовых железорудных материалов в доменной печи. Из-за высокой тугоплавкости шлака он практически не создает устойчивый гарнисаж на горизонтах шахты доменной печи.
Наиболее близким к заявляемому является способ (Способ создания защитного гарнисажа в шахте доменной печи. Пат. РФ №2251575, С21В 5/00. Опубл. 10.05.2005. Бюл. №13), в котором в качестве гарнисажеобразующего материала используют смесь агломерата и железной руды. Способ применим только для создания гарнисажа на шамотной футеровке, обладающей низкой теплопроводностью (порядка ~3 Вт/м·град) и склонностью к повышенному химическому взаимодействию с «агрессивным» высокозакисным расплавом, приводящему к «перерождению» и разрушению шамота. Поэтому в указанном способе верхний предел содержаниия закиси железа в расплаве из гарнисажеобразующей смеси ограничивают 15%.
При футеровке шахты доменной печи высокотеплопроводными огнеупорами, например карбидкремниевыми с теплопроводностью ~ 20 Вт/м·град, создание устойчивого гарнисажа требует применения гарнисажеобразующей смеси со специфическими свойствами, изменения условий его использования, параметров и приемов доменной плавки.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в возможности наращивания устойчивого гарнисажа в шахте доменной печи, футерованной высокотеплопроводными огнеупорными материалами, снижении тепловых потерь.
Техническим результатом изобретения является снижение расхода кокса и природного газа, повышение производительности печи, а также увеличение продолжительности кампании доменной печи.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе создания защитного гарнисажа в шахте доменной печи, включающем циклическую загрузку шихтовых материалов, введение гарнисажеобразующей смеси, состоящей из железной руды и агломерата, в определенную порцию цикла загрузки, контроль тепловых нагрузок на холодильники щахты доменной печи, при футеровке шахты высокотеплопроводными материалами в гарнисажеобразующую смесь дополнительно вводят окатыши в соотношении соответственно железная руда:агломерат:окатыши (1÷15):(4÷94):(5÷45), обеспечивая получение первичного расплава с содержанием закиси железа 16÷30%. Загрузку гарнисажеобразующей смеси заканчивают через 18-72 часа после достижения допустимой тепловой нагрузки на холодильники шахты доменной печи, а на время подачи смеси теоретическую температуру горения в фурменном очаге доменной печи снижают на 30-80°С. При этом обеспечивают формирование 20-30% первичного расплава от массы гарнисажеобразующей смеси путем регулирования соотношения железорудных материалов в ней. В качестве высокотеплопроводных материалов для футеровки шахты доменной печи используют карбидкремниевые огнеупоры.
Сущность способа заключается в следующем.
Общим и непременным условием образования гарнисажа является наличие жидких или вязкопластичных масс при соблюдении неравенства:
ст
пг
г
Т<Т<Т,
ст
пг
г
где Т, Т, Т - соответственно, температура стенки, плавления гарнисажа и газа (°С). По природе образования гарнисаж различают на образующийся в результате восстановительных процессов между материалами плавки и газовым потоком и на формирующийся в результате физико-химического взаимодействия компонентов плавки с огнеупором футеровки. Так как расплавы, образованные из отдельных материалов и их смесей, по-разному взаимодействуют с карбидкремниевыми огнеупорами, рассмотрим условия, при которых происходит механическое сцепление вязкопластичных и жидких фаз с определенными температурами плавления с холодной стенкой.
Размягченные и вязкопластичные составляющие шихты, контактируя с высокотеплопроводной футеровкой печи, из-за резкого понижения температуры расплава застывают и налипают на охлажденные поверхности. Налипание продолжается до тех пор, пока толщина слоя гарнисажа не будет соответствовать установившемуся тепловому равновесию между газовым потоком и поверхностным слоем гарнисажа, то есть пока температура поверхности гарнисажа не станет равной температуре его плавления. С увеличением температуры плавления гарнисажа его толщина увеличится при неизменной температуре газа. Толщина гарнисажа также может резко увеличиться при дефиците тепла в периферийной зоне и (или) интенсивном восстановлении высокозакисного расплава, где скорость перехода вязкопластичного состояния в твердое в пристенной зоне будет определяться не столько теплоотводом, сколько скоростью вспенивания и "замораживания" высокозакисного расплава.
Наоборот, при стабильном составе шлакообразующих и невысоком содержании FeO в расплаве, то есть при стабильной температуре плавления гарнисажа, повышение температуры газа приведет к уменьшению его толщины и одновременно к увеличению количества отводимого тепла. Толщина гарнисажа будет также уменьшаться при повышении температуры рабочей поверхности холодильника, например, за счет увеличения температуры хладоагента или при отключении холодильника.
Оптимальная толщина гарнисажа определяется двумя граничными условиями: при интенсивном его наращивании образуется настыль, отрицательно влияющая на газодинамику газового потока, а при тонком слое и рыхлой структуре гарнисажа происходит его сползание либо обрыв, которые приводят к горению фурм и резкому охлаждению горна доменной печи.
Реально создание устойчивого гарнисажа предопределяется силой сцепления слоев, примыкающих к кладке. Высокотеплопроводные карбидкремниевые огнеупоры, по сравнению с щамотом, пассивные к химическому взаимодействию к высокозакисному расплаву, поэтому для внедрения в контактную поверхность высокотеплопроводного огнеупора расплав должен обладать повышенной «агрессивностью».
В предлагаемом способе такой расплав, содержащий более 15 и до 30% FeO, создается за счет того, что в известную гарнисажеобразующую смесь из железной руды и агломерата дополнительно вводят окатыши в соотношении соответственно (1÷15):(40÷94):(5÷45) с образованием 20-30% первичного высокозакисного расплава.
Для получения расплава заданного состава и свойств на отдельно взятой доменной печи, тепловая нагрузка на часть холодильников шахты которой достигла предельно допустимой величины 40 кВт, в период загрузки создают гарнисажеобразующую смесь из железорудных материалов текущего потребления и загружают ее в периферийную зону агрегата.
Поскольку проведение непосредственных измерений в шахте доменной печи мероприятие дорогостоящее и трудоемкое, процессы восстановления, размягчения и первичного шлакообразования моделировали по известной методике (Гладков Н.А., Нестеров А.С. Процессы в слое железорудных материалов при его нагревании // Известия АН СССР. Металлы. - 1987, - №3, с.9-11).
Температуру перехода железорудных материалов в вязкопластичное состояние оценивали по 45%-ной усадке слоя, а температуры начала фильтрации расплава через коксовую насадку и его полного расплавления определяли визуально через смотровое окно. Взаимодействие расплава с футеровкой оценивали по методике, в соответствии с которой предварительно восстановленные железорудные материалы либо их смесь помещали в высокотемпературную печь между образцами из высокотеплопроводного огнеупорного материала и нагревали до температур 1250-1500°С.
По глубине проникновения расплава в футеровку и по состоянию контактной зоны "огнеупор-расплав" оценивали «агрессивность» расплава и его склонность к гарнисажеобразованию, в том числе за счет внедрения в контактную поверхность карбидкремниевого огнеупора без ее разрушения.
Химический состав испытанных материалов и результаты исследований представлены в таблице.
Как видно из данных таблицы, двухкомпонентные смеси агломерат-руда (как в известном способе) и агломерат-окатыши не образуют контактного слоя с внедрением расплава в высокотеплопроводный и интенсивно охлаждаемый через медные холодильники относительно пассивный к физико-химическому взаимодействию (по сравнению с шамотом) карбидкремниевый огнеупор. В первом случае из-за недостаточной «агрессивности» расплава с низким содержанием FeO, во втором - из-за недостаточного количества такого расплава.
Взаимодействие в контактном слое "расплав - высокотеплопроводный огнеупор" отмечается в опытах №№5, 7-8, т.е. если расплав образован из смеси железной руды, агломерата и окатышей. В зависимости от соотношения железорудных компонентов в гарнисажеобразующей смеси обеспечивают образование на горизонтах шахты доменной печи высокозакисного расплава с содержанием FeO 16-30% в количестве 20-30% от массы гарнисажеобразующей смеси.
При футеровке шахты доменной печи низкотеплопроводным шамотом, склонным к взаимодействию со шлаком, расплав из смеси материалов вышеуказанного состава внедряется в огнеупор на глубину 5-8 мм и постепенно разрушает его.
Химический состав материалов, характеристики размягчения-плавления, шлакообразования и глубины проникновения расплава.
№№ опыта
Материал
Содержание, %
Т<sub>45</sub>, °C
Тнф, °C
FeO, %
М пш., %
ГП, мм
Fe
FeO
СаО
SiO<sub>2</sub>
MgO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
1
Агломерат(А)
58,5
12,8
8,2
5,1
2,1
0,95
0,42
1370
1435
8,0
4,6
0,05
2
Окатыши(О)
63,2
1,5
3,69
5,0
0,26
0,43
-
1260
1350
37,4
18,6
0,5
3
Руда(Р)
44,7
6,2
3,07
27,20
0,36
0,42
-
1390
1540
26.0
5,2
-
Смеси
4
65% А + 35% Ок
60,80
7,2
5,65
5,05
1,28
0,72
0,22
1275
1390
24.2
10,5
0,1-0.8
5
75% А + 10% Ок + 15% Р
56,88
10,68
6,97
8,41
1,66
0,81
0,3
1250
1310
29,7
28,6
0,2-1.0
6
90,0% А + 10.0% Р
57,26
12,18
7.68
7,31
2,10
0,9
0,35
1285
1395
7,4
18,6
0,05
7
70,0% А + 20,0% ОК + 10,0% Р
58,06
9,88
6,37
7,29
1,58
0,79
0,28
1260
1340
24,5
22,6
0,5-1,0
8
75,0% А + 25,0% ОК + 5,0% Р
58,99
9,64
6,81
6,18
1,56
0,79
0,28
1280
1350
16,0
21,8
0,5-1,0
Т<sub>45</sub> - температура 45 процентной усадки слоя, °С;
Т<sub>нф</sub> - температура начала фильтрации расплава через слой кокса, °С;
FeO - содержание закиси железа в первичном шлаке, %;
М пш - масса первичного расплава по Отношению к массе пробы, %;
ГП - глубина проникновения расплава в высокотеплопроводный футеровочный материал, мм.
3
В промышленных условиях предлагаемый способ создания защитного гарнисажа реализован на доменной печи объемом 2700 м, шахта которой оборудована медными холодильниками и футерована высокотеплопроводными карбидкремниевыми огнеупорами. Формирование гарнисажеобразующей смеси осуществлялось перед загрузкой в бункер бесконусного загрузочного устройства (БЗУ) путем задания последовательности набора и соотношения масс компонентов смеси при загрузке скипов на шихтоподаче.
В различные периоды формирования гарнисажа в зависимости от режима работы печи, качества шихтовых материалов, особенно кокса, гарнисажеобразующую смесь создавали из 1÷15% руды, 40÷94% агломерата и 5÷45% окатышей, что обеспечивало согласно широким лабораторным исследованиям формирование первичного расплава с содержанием закиси железа от 16% до 30% в количестве 20÷30% от массы смеси, чем обеспечивали поддержание допустимых тепловых нагрузок на холодильники шахты. Загрузку смеси продолжали еще 18-72 часа для гарантированного образования устойчивого гарнисажа.
Так, например, при нормальной работе печи тепловые нагрузки на каждый медный холодильник находились в пределах 15-25 кВт. При расстройстве газодинамического режима был зарегистрирован местный перегрев шахты и сползание гарнисажа с поверхности кладки. Тепловая нагрузка на холодильники шахты повысилась и приблизилась к максимально допустимой величине 40 кВт. Начиная с этого момента, на шихтоподаче формировали и вводили в каждый цикл загрузки гарнисажеобразующую смесь из 10% руды, 80% агломерата и 10% окатышей.
Одновременно с загрузкой гарнисажеобразующей смеси последовательно снизили теоретическую температуру горения в фурменном очаге с 2050°С до 2020°С (на 30°С) и, в конечном итоге, до 1970°С (на 80°С) путем увеличения природного газа в дутье. Снижение теоретической температуры способствовало переносу тепла в более высокие горизонты шахты доменной печи. В этих условиях по данным лабораторного моделирования (таблица), наряду с образованием вязкопластичных масс и расплава в количестве 22,9% с содержанием FeO 24,2% в температурном интервале 1250-1340°С происходило взаимодействие расплава с интенсивно охлаждаемой карбидкремниевой футеровкой шахты на контактной поверхности "огнеупор - расплав" с внедрением последнего на глубину до 1 мм. Наращивание гарнисажа происходило до достижения температурного равновесия между стенкой, расплавом и газом, толщина гарнисажа составляла 40-50 мм и не увеличивалась до пределов образования настыли. Тепловая нагрузка на холодильники шахты на доменной печи начинала снижаться и достигла рабочей величины. Для стабилизации процесса гарнисажеобразования загрузку гарнисажеобразующей смеси продолжали еще 18 часов. Окончательно гарнисаж сформировался через 36 часов после достижения рабочей величины тепловых нагрузок на холодильниках шахты. После этого восстановили первоначальную теоретическую температуру горения и исходный режим загрузки доменной печи.
По сравнению с предшествующим периодом плавки, когда суммарный расход условного топлива составлял 508 кг/т чугуна из-за тепловых потерь через остатки футеровки, не защищенной гарнисажем, после проведения операций, регламентируемых данным способом, расход условного топлива снизился до 503 кг/т чугуна, а производительность печи возросла на 1,5%.
Таким образом, при футеровке шахты доменной печи высокотеплопроводными огнеупорными материалами, например карбидкремниевыми, применение предлагаемого способа позволяет снизить расход кокса и природного газа, повысить производительность печи, а также способствует увеличению продолжительности кампании доменной печи.