Способ выплавки передельного чугуна

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах, оборудованных загрузочными устройствами. Способ выплавки передельного чугуна включает загрузку железорудных материалов, кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку кускового шунгита в кольцевую зону колошника, расположенную в пределах, ограниченных радиусами 0,1 и 0,95 радиуса колошника. Шунгит грузят периодически с периодом 0,2-0,6 длительности цикла загрузки в количестве 0,5-15% от суммарной массы углерода, загружаемого в печь кокса и вдуваемой топливной добавки. Использование изобретения обеспечивает сокращение расхода кокса, увеличение производительности печи.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах, оборудованных загрузочными устройствами, позволяющими регулировать распределение загружаемых материалов по радиусу колошника в широких пределах.

Известен способ выплавки передельного чугуна в доменной печи, включающий загрузку доменной шихты, вдувание горячего дутья, выпуск продуктов плавки, причем в состав доменной шихты входят кокс, железорудные материалы и шунгит, используемый в качестве кислого флюса /1/.

Недостатком известного способа является отсутствие в нем технологических регламентаций по режиму загрузки в печь комплексного материала - шунгита, что снижает эффективность его применения и вызывает колебания содержания кремния в чугуне, состава и основности шлака и приводит, в итоге, к снижению показателей доменной плавки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и по достигаемым результатам является известный способ выплавки передельного чугуна в доменной печи, включающий загрузку в печь железорудных материалов и кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку твердой углеродсодержащей добавки в определенную кольцевую зону колошника /2/.

Недостатком данного способа является то, что он предусматривает загрузку твердой углеродсодержащей добавки в зону, транспортирующую эту добавку в район фурменных очагов. Это позволяет применять согласно этому способу лишь топливные добавки с традиционным спектром их функциональных возможностей в доменной плавке (горение, реакция газификации).

Технической задачей изобретения является устранение недостатков известных способов - аналога и прототипа, повышение производительности печи и качества чугуна и снижение его себестоимости за счет частичной замены дорогого и дефицитного кокса дешевым композиционным материалом и регламентации параметров доменной плавки при его применении.

Решение данной технической задачи достигается тем, что в известном способе выплавки передельного чугуна в доменной печи, включающем загрузку железорудных материалов, кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку в заданную зону колошника твердой углеродсодержащей добавки, в качестве твердой углеродсодержащей добавки используют кусковый шунгит, смешивая его при загрузке в печь с коксом и загружая в кольцевую зону колошника, расположенную в пределах, ограниченных радиусами 0,1 и 0,95 радиуса колошника, причем количество загружаемого шунгита поддерживают в пределах 0,5-15 % от суммарной массы углерода загружаемого в печь кокса и вдуваемой в фурмы топливной добавки, а загрузку шунгита в печь ведут периодически с периодом, равным 0,2-0,6 длительности цикла загрузки.

Сущность изобретения заключается в следующем. При использовании кускового шунгита в качестве твердой углеродсодержащей добавки благодаря тесному контакту между мелкодисперсными частицами углерода и кремнезема в этом материале (удельная поверхность контактов составляет до 20 ²/г) углерод шунгита активно реагирует с кремнеземом с образованием карбида кремния и кремния. При этом реакции восстановления кремния и образования карбида кремния протекают до прихода шунгита в горн доменной печи и с меньшими энергозатратами, чем аналогичные реакции с участием углерода кокса и кремнезема пустой породы железорудных материалов или золы кокса благодаря высокой активности углерода шунгита и чрезвычайно высокой удельной поверхности контактов между реагирующими компонентами. В горне доменной печи кремний и карбид кремния, образовавшиеся из шунгита, окисляются первичным железистым шлаком или кислородом дутья с выделением тепла. Содержание кремния в чугуне на выпуске из печи при этом определяется тепловым состоянием печи и может регулироваться приемами, предусмотренными технологической инструкцией по ведению доменной плавки, т.е. путем изменения расхода кокса или параметров дутья.

Заявленные пределы кольцевой зоны колошника, в которую необходимо загружать шунгит, обусловлены его ролью в доменном процессе и траекториями движения материалов и продуктов плавки в доменной печи. При выплавке передельного чугуна вещество шунгита в результате химических реакций образует сильные восстановители (кремний и карбид кремния) по отношению к закиси железа. При загрузке шунгита в центр печи, т.е. в зону, ограниченную радиусом менее 0,1 радиуса колошника, шунгит попадает в коксовый тотерман и остается там, не реагируя оксидами железа до тех пор, пока не опустится ниже уровня продуктов плавки в горне. Жидкие продукты плавки, стекающие по коксовой насадке, на печах с бесконусными загрузочными устройствами в этой зоне практически отсутствуют. Т. е. длительное время шунгит не работает в этой зоне как восстановитель, накапливаясь в малоподвижном тотермане.

При загрузке шунгита за пределами зоны, ограниченной радиусом 0,95 радиуса колошника, шунгит попадает близко к стенкам печи и длительное время остается в зоне пониженных температур. При этом в нем не успевают завершиться реакции взаимодействия между углеродом и кремнеземом до прихода шунгита в горн. В результате при прохождении через фурменную зону углерод шунгита окисляется, что лишает шунгит термодинамических преимуществ перед обычной смесью углерода и кремнезема и снижает коэффициент замены кокса шунгитом.

Указанные пределы количества применяемого шунгита 0,5-15% от суммарного количества углерода топлива определены расчетным путем, исходя из механизма участия вещества шунгита в восстановительных процессах. Применение шунгита менее О,5% от суммарного количества углерода, загружаемого в печь с коксом и поступающего с вдуваемым топливом, не оказывает заметного влияния на расход кокса даже при максимальном содержании углерода в шунгите (36%). При использовании шунгита в количестве более 15% от суммарного количества поступающего в печь углерода с топливом приводит к нежелательному при выплавке передельного чугуна повышению содержания кремния в чугуне, так как количество восстановителя (кремния и карбида кремния, образующегося из этого шунгита) приближается к соответствующему стехиометрическому количеству железа, которое в современных условиях доменной плавки восстанавливается в доменной печи из первичных и промежуточных шлаков. Так при расходе кокса 430 кг/т и расходе природного газа 120 м³/т суммарное количество углерода, поступающего в печь, составляет 430 кг/т, а степень прямого восстановления железа - 0,12-0,14 кг/кг. При этом из шлака восстанавливается железа 114-133 кг/т или 2-2,4 кг•моль/т. При расходе шунгита, равном 0,15•430 = 64,5 кг/т и содержании в нем углерода 36% он образует в печи 0,65 кг•моль карбида кремния (SiC). Это количество карбида кремния может восстановить железа из шлака по реакции: 3 FeO + SiC = 3 Fe + SiО₂ + CО 0,65•3 = 1,95 кг•моль, т.е. 97,5% железа, восстанавливаемого из шлака. При дальнейшем увеличении расхода шунгита продукты его превращения в доменной печи будут переходить в чугун в виде силицида железа, увеличивая содержание кремния в чугуне. Таким образом, применение шунгита в количестве 0,5-15% от суммарной массы углерода загружаемого в печь кокса и вдуваемой в фурмы топливной добавки обеспечивает получение максимального коэффициента замены кокса шунгитом без увеличения содержания кремния в чугуне, причем верхний предел относится к шунгиту с максимальным содержанием углерода, а нижний - к минимальному.

Периодическая загрузка шунгита с периодом, равным 0,2-0,6 длительности цикла загрузки печи необходима для избежания снижения темпа загрузки печи, и следовательно, ее производительности, которое неизбежно при загрузке шунгита малыми порциями с каждой дозой кокса в цикле подач (на доменной печи с бесконусным загрузочным устройством это 8-12 подач или 16-24 дозы рудных материалов и кокса) в связи с отдельным дозированием шунгита из бункера добавок. Нижний и верхний пределы длительности периода загрузки порций шунгита (0,2 и 0,6 длительности цикла загрузки) определены исходя из оптимального соотношения между величиной порций шунгита и длительностью интервала между ними с учетом количества загружаемого шунгита (0,5 -15% от массы поступающего в печь углерода). Для поддержания высокого темпа загрузки печи величина порции шунгита должна быть максимально возможной, а для исключения колебаний состава первичного шлака и состава чугуна (т.е. для поддержания высокого качества чугуна по стабильности его состава) шунгит должен грузиться в печь с минимально возможным интервалом между его порциями в шихте. Такой оптимальной по массе порцией шунгита является порция 1,5-2 т. При такой величине порции шунгит загружается вместе с 2-6-порциями кокса (при 10 порций кокса в цикле подач) с равномерными интервалами между ними. Это позволяет также загружать шунгит в заданную кольцевую зону, что необходимо для получения максимального коэффициента замены кокса шунгитом и максимально возможного снижения расхода кокса, следовательно, и повышения производительности печи при использовании шунгита в шихте. Нижний предел длительности периода загрузки шунгита используется при высоких расходах шунгита (10-15% от суммарной массы углерода топлива, поступающего в печь), верхний предел - при низких расходах шунгита (0,5-3% от суммарной массы углерода кокса и вдуваемого топлива, поступающего в печь).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

В доменной печи объемом 3200 м³ с диаметром колошника 8,9 м, оборудованной бесконусным загрузочным устройством фирмы Paul Wurt, выплавляли передельный чугун, содержащий 0,5-0,7% кремния из железорудной смеси, включающей: агломерата - 87%, окатышей - 13% (содержание Fe в железорудной смеси 59,7%). При этом расход кокса на 1 т чугуна составлял 427 кг/т (содержание С в коксе 87%) при расходе вдуваемого природного газа 95 м³/т чугуна (содержание С в природном газе 0,56 кг/м³) и температуре дутья 1005^oС.

При переходе на выплавку чугуна согласно изобретению в шихту добавили шунгит (содержание С 30%), в количестве 27 кг/т (6,35% от суммарной массы углерода кокса и вдуваемого природного газа), загружая его вместе с коксом в кольцевую зону колошника, ограниченную радиусами, составляющими 0,75 и 0,9 радиуса колошника (зона на расстоянии 0,45 м от стенки колошника шириной 0,66 м). Шингит загружали отдельными порциями 3 раза за цикл загрузки, который включал 9 подач (вместе с коксовыми порциями 1-й, 4-й и 7-й подач цикла загрузки). Длительность периода загрузки шунгита составляла 0,3 длительности цикла загрузки. Расход кокса на выплавку чугуна снизился до 408 кг/т чугуна без увеличения содержания кремния в чугуне. Коэффициент замены кокса шунгитом составил 0,7 кг/кг. Производительность печи увеличилась на 98 т в сутки или на 1,2%.

На той же доменной печи применяли шунгит с содержанием углерода 29% в количестве 17 кг/т (4,0% от суммарной массы углерода кокса и вдуваемого природного газа), периодически загружая его вместе с коксом в кольцевую зону колошника, ограниченную радиусами 0,75-0,9 радиуса колошника (зона на расстоянии 0,45 м от стенки колошника шириной 0,66 м). Период загрузки шунгита составлял 0,5 длительности периода цикла загрузки, т.е. шунгит загружали за цикл загрузки дважды (в коксовые порции 1-й и 5-й подачи). Расход кокса уменьшился по сравнению с базовым периодом на 14 кг/т чугуна без увеличения содержания кремния в чугуне. Коэффициент замены кокса шунгитом составил 0,82 кг/т. Производительность печи увеличилась на 120 т в сутки или на 1,5%.

При использовании шунгита в шихте согласно изобретению содержание кремния в чугуне регулировали, изменяя рудную нагрузку и влажность дутья. Стандартное отклонение содержания кремния в чугуне по выпускам оставалось в обычных пределах значений этой величины (0,14-0,16%), а содержание серы в чугуне снизилось на 0,004 и на 0,002% соответственно.

Таким образом, выплавка передельного чугуна в доменной печи согласно изобретению позволяет существенно сократить расход кокса, увеличить производительность печи и улучшить качество чугуна.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 740834, МКИ С 21 В 5/00, заявл. 09.10.1972 г., опубл. 15.06.1980 г., бюл. N 22.

2. Патент РФ 2042714, МКИ С 21 В 5/00, заявл. 26.06.1993 г., опубл. 27. 08. 1995 г., бюл. N 24.

Формула изобретения

Способ выплавки передельного чугуна в доменной печи, включающий загрузку железорудных материалов, кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку в заданную зону колошника твердой углеродсодежащей добавки, отличающийся тем, что в качестве твердой углеродсодержащей добавки используют кусковый шунгит, смешивают его при загрузке в печь с коксом и загружают в кольцевую зону колошника, расположенную в пределах, ограниченных радиусами 0,1 и 0,95 радиуса колошника, причем количество загружаемого шунгита поддерживают в пределах 0,5-15% от суммарной массы углерода, загружаемого в печь кокса и вдуваемой в фурмы топливной добавки, а загрузку его в печь ведут периодически с периодом 0,2-0,6 длительности цикла загрузки.