Способ повышения производительности доменной печи
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к доменному производству. Способ включает контактирование предназначенного для загрузки доменной печи железосодержащего агломерата с эффективным для модифицирования шлака количеством дисперсии сыпучего материала. Контактирование осуществляют перед загрузкой доменной печи агломератом. При контактировании на части наружной поверхности железосодержащего агломерата образуется поверхностный слой покрытия. Использование изобретения обеспечивает повышение коэффициента расхода топлива и устойчивости работы. 17 з.п. ф-лы, 13 табл., 4 ил.
Настоящее изобретение относится к способу увеличения производства железа в доменной печи в соответствии с вводной частью пункта 1 формулы изобретения.
Предпосылки к созданию изобретения
Изобретение, главным образом, относится к определяющим реакциям между доменным газом и минералами, присутствующими в шахте доменной печи, и относится к распределению минералов по отношению к образованию расплавленного шлака. Имеются также факторы, имеющие отношение к устранению пыли при операциях и транспортировке агломерата железной руды.
Железооксидные окатыши обычно используются в качестве компонентов железа в доменной печи сами по себе или совместно с природной кусковой рудой или окалиной. В высокотемпературной области печи при температуре выше приблизительно 1000°С восстановление оксида железа до металлического железа быстро ускоряется. Было обнаружено, что в процессе этой быстрой восстановительной стадии агломераты железной руды могут слипаться за счет спекания железа с железом или образования шлака с низкоплавкой поверхностью. При дальнейшем повышении температуры шлакообразующий материал в агломератах начинает плавиться и, в конце концов, вытекает из агломератов. Первичные шлаки имеют тенденцию быть по своей природе кислыми. Эти так называемые первичные шлаки содержат остаточную окись железа FeO, которая позже восстанавливается при контакте с восстановительным газом или углеродом. Железо при контакте с углеродом науглероживается и плавится. Образовавшиеся в первичном процессе шлаки взаимодействуют с другими кусковыми шлакообразователями в рудной части шихты, образуя вторичные шлаки, и затем, в конце концов, с остаточной коксовой золой с образованием конечного шлака, который сливают из печи. Было установлено, что такой процесс выплавки (включающий расплавление и науглероживание шлака и железа) активнейшим образом влияет на устойчивость работы в зоне плавления и горне печи и может оказывать влияние на газовый поток. Поддержание шлака в жидкотекучем состоянии в течение всего процесса является важнейшим фактором для устойчивой работы. Это особенно важно для печей, работающих с очень малыми объемами шлака, так как основность вторичного шлака в слое руды повышается, увеличивая риск появления максимальной разницы в температурах плавления между первичным шлаком и вторичным шлаком. В некоторых случаях вследствие эндотермического восстановления FeO и расплавления железа шлаки могут затвердеть, блокируя поток газа через слой руды и тормозя последующие восстановление и плавку. Улучшение распределения шлакообразователей уменьшает максимальную разницу температур плавления.
При очень высоких температурах в фурме и горне некоторые из щелочей (калий и натрий), поступающих вместе с материалом шихты, восстанавливаются и испаряются, поднимаясь вместе с газом в шахту. Во время своего подъема щелочи реагируют вначале с кислыми компонентами рудной части шихты, улавливание которыми щелочей хорошо известно. Щелочи, не уловленные кислыми компонентами, продолжают подниматься и осаждаются в виде карбонатов и цианидов. Известно, что эти осадки являются причиной наростов и остановки процесса, а также взаимодействуют с огнеупорной футеровкой печи. Было также показано, что присутствие щелочи в восстановительном газе вызывает разрушение кокса и железорудных агломератов, что создает проблемы проницаемости в слое насадки. Степень циркуляции щелочи и поведение кокса и железной составляющей шихты в присутствии щелочи являются постоянным объектом внимания во время работы доменной печи.
Явления слипания руд, плохих шлакообразования и характеристик расплавления, а также циркуляция щелочи являются причиной менее эффективного контакта газа с твердым материалом, неравномерного опускания рудной части шихты и нестабильности в свойствах горячего металла, что требует повышенного расхода топлива для доменной печи и приводит к более низкой производительности.
Следует рассмотреть несколько минералогических факторов, влияющих на названные характеристики. Улучшение некоторых из следующих характеристик улучшает работу доменной печи и может повысить производительность и коэффициент полезного действия печи.
Прежде всего, кислые материалы, а именно материалы, содержащие значительные количества кремнезема или окиси глинозема, сильно реагируют со щелочами, связывая их в формы более устойчивые, чем карбонаты или цианиды. Щелочи, циркулирующие в форме карбонатов или цианидов, оседают в шахте, блокируя газовый поток, являются причиной наростов на стенках, слипания рудных слоев и взаимодействуют с коксом или агломератами, приводя к их разрушению. Добавление, например, глинозема в виде гравия позволяет регулировать конечный состав сливаемого шлака, однако размер частиц этого гравия, составляющий при загрузке обычно +6 мм, дает слишком низкую площадь поверхности для взаимодействия газа с твердым материалом. Из-за малой поверхности добавок грубого размера реакция со щелочью не достигает максимума.
Во-вторых, когда агломераты начинают плавиться, кислые шлаки первыми вытекают из железорудных агломератов. Для шлаков необходимо флюсование разбивающими кристаллическую решетку оксидами, такими как СаО и MgO, которые можно добавлять в виде твердых материалов грубого размера, например в виде кускового известняка, конверторного шлака, доломита или оливина, обычно с размером частиц значительно большим 6 мм. Однако из-за неравномерности распределения флюсующих частиц могут возникать предельные составы шлака, в результате чего появляются очень вязкие шлаки, которые блокируют поток газа и являются причиной слипания окатышей или, в наихудшем случае, застывания шлака, приводящего к избыточной канализации газа и приостановке процесса.
В-третьих, слипание железорудных агломератов, обусловленное либо твердотельным спеканием железа, либо шлаком с низкоплавкой поверхностью, можно ослабить применением высокоплавкого минерального слоя в точках контакта между агломератами. Слипание в процессе прямого восстановления можно уменьшить применением высокоплавких минералов на поверхности окатышей, предназначенных для процесса прямого восстановления.
Последним соображением, которое не относится к химическим характеристикам печи, является орошение водой, которое обычно применяют для сведения к минимуму пыли при транспортировке. Следует избегать влаги в окатышах, так как она снижает температуру газа в колошнике, что в некоторых случаях увеличивает расход топлива и, следовательно, снижает производительность доменной печи. Подавление пылеобразования важно также и в доменном процессе, поскольку пыль, выходящую из печи вместе с доменным газом, необходимо возвращать и направлять в отход. Такая пыль, которую обычно называют колошниковой пылью, с одной стороны, ведет к потере компонентов железа и, с другой стороны, приводит к затратам на ее ликвидацию или рециркуляцию. Кроме того, уменьшение пылеобразования при транспортировке снижает потери компонентов железа и улучшает экологический аспект выплавки железа в доменной печи.
В US 4350523 раскрыты железорудные окатыши, которые при их использовании в доменной печи уменьшают расход кокса и топлива, а также частоту оползней и флуктуаций в доменном процессе. Согласно этому документу способность окатышей к восстановлению (так называемая задержка восстановления) в высокотемпературной зоне улучшается при увеличении пористости и диаметров пор отдельных окатышей. Окатыши изготовляют путем добавления горючего материала к окатышам в процессе гранулирования с последующим обжигом окатышей.
В RU 173721 раскрываются проблемы разрыхления и разбивки окатышей в верхней части восстановительного блока и проблемы слипания окатышей во время интенсивного образования металлического железа в средней и нижней частях печной шахты. Согласно утверждениям этого документа названные проблемы можно облегчить путем нанесения покрытия из СаО- и/или MgO-содержащих материалов на «зеленые» окатыши перед их обжигом. В результате изменения основности поверхностного слоя восстановительные свойства окатышей оказываются улучшенными.
Хотя КПД и производительность доменной печи непрерывно совершенствовались с использованием различных средств, процесс все еще может быть усовершенствован. Предметом настоящего изобретения, таким образом, является предложение способа, улучшающего коэффициент расхода топлива и устойчивость работы, а следовательно, производительность таким образом, что этот способ не меняет способности обожженных окатышей к восстановлению или их способности к восстановительному разрушению. Средство, которое обеспечивает такие улучшения, состоит в уменьшении объема туннелирования газа, оползней и пылеобразования путем улучшения шлакообразования и протекания плавки, уменьшения степени слипания железорудных агломератов и уменьшения или изменения циркуляции щелочей в доменной печи.
Согласно сказанному выше предложенные здесь разработки и предложения неожиданным образом привели к повышению КПД и производительности доменных печей.
Краткое содержание изобретения
Изобретение состоит в способе усовершенствования производства железа в доменной печи, загружаемой железосодержащими агломератами, состоящем в контактировании предназначенного для загрузки железосодержащего материала с эффективным для модифицирования шлака количеством дисперсии сыпучего материала, которое (контактирование) осуществляется перед загрузкой доменной печи. Нанесение покрытия на железосодержащий материал, такой как окатыши, который сразу же после этого можно загружать в доменную печь, имеет ряд преимуществ по сравнению с нанесением покрытия на "зеленые" окатыши. Одним из преимуществ нанесения покрытия на обожженные окатыши является то, что нанесенные покрытия не меняют фундаментальные свойства окатышей и, следовательно, можно использовать любой покровный материал, не меняя при этом прочности окатышей или их способности к восстановлению. Другим преимуществом нанесения покрытия на обожженные окатыши является то, что материал покрытия поступает в доменную печь минералогически неизмененным и с гораздо большей реакционноспособной площадью поверхности, способствуя тем самым прохождению желаемых реакций газа с твердым материалом.
Эффективный в отношении модифицирования шлака сыпучий материал может быть выбран из группы, в которую входят содержащий известь материал - гашеная известь, известняк, доломит; магнийсодержащий материал - магнезит, оливин, серпентин или периклаз; алюминийсодержащий материал - боксит, бокситовые глины, каолиниты, каолинитовые глины, муллит, корунд, бентонит, силлиманиты, огнеупорные глины; и материал, содержащий кремнезем - кварцит или другие кремнеземные материалы; оксидсодержащий материал - оксид бария; другой обычно используемый материал, такой как ильменит и рутил.
Целесообразно наносить покрытие на окатыши для доменной печи перед проведением первой операции, приводящей к значительному запылению окружающей среды, такой как загрузка через загрузочный люк. Нанесение покрытия может быть также осуществлено непосредственно (после обжига или сразу же после обжига) перед загрузкой в доменную печь.
Частью покровной смеси может быть связующий материал, такой как глина или материалы типа цемента, которые могут отверждаться на частицах, на поверхность которых на месте наносится покровная смесь.
С целью уменьшения циркуляции щелочи в доменном процессе или улучшения характеристик плавления шлака железорудных окатышей авторы настоящего изобретения широко исследовали возможность максимального увеличения площади поверхности минералов и улучшения распределения шлакообразователя. Упомянутое максимальное увеличение площади было достигнуто путем диспергирования покрытия из различных минералов на поверхность обожженных окатышей. Наряду с исследованиями максимального увеличения активной поверхности были исследованы также возможности большего снижения пылеобразования при транспортировке и манипулировании и снижения возникновения колошниковой пыли для достижения нескольких преимуществ в одном изобретении.
После ряда исследований оказалось возможным усовершенствовать доменный процесс путем нанесения дисперсии, содержащей некоторые сыпучие твердые материалы, для которых было известно или предполагалось специфическое поведение в доменном процессе на железорудных окатышах. Наряду с этим, покрытие дисперсией можно оптимизировать для максимального устранения пыли, сводя тем самым к минимуму влажность покрытого окатыша при транспортировке и манипуляциях.
Эффективная площадь поверхности взвеси на несколько порядков выше, чем у покровного минерала, загружаемого в виде твердого материала грубого размера, и, следовательно, намного более реакционноспособна. Таким путем реагирующие со щелочами минералы, которые далее будут упоминаться как реактивные к щелочи материалы, могут улавливать максимальное количество щелочи в форме более устойчивой, чем карбонаты или цианиды, которые, как известно, являются причиной циркуляции щелочи в верхней части шахты доменной печи. Удаление щелочи из газа с использованием минерала, диспергированного на поверхности окатыша, ограничивает взаимодействие щелочей с коксом, которое вызывает разрушение кокса, или отложение на огнеупорных материалах, приводя к настыли и повреждению огнеупорных материалов.
Путем нанесения покрытия на поверхность окатышей можно добиться более равномерного вытекания первичных шлаков из окатышей на критической реакционной поверхности, когда начинают вытекать, в основном, кислые первичные шлаки. Следует отметить, что для кислого материала, прореагировавшего со щелочами, следует ожидать лучшего шлакообразования, так как оксиды калия и натрия очень сильно понижают вязкость кислых шлаков.
При нанесении дисперсии, содержащей тонкий порошкообразный материал с регулируемым размером зерна и поверхностной поляризацией, отличной от поверхностной поляризации оксидов железа, отдельные частицы, которые в других условиях могли бы превратиться в свободную пыль, более эффективно прилипают к поверхности окатышей. Такое сильное прилипание снижает как пылеообразование при транспортировке, так и унос пыли с колошниковым газом доменной печи.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более детально раскрывается с помощью примера, представленного в нескольких чертежах.
Фиг.1 - сопротивление газовому потоку (индекс сопротивления рудной части шихты или BRI - burden resistance index) и скорость опускания рудной части шихты при испытаниях экспериментальной доменной печи с окатышами МРВО (стандартные оливиновые окатыши LKAB, производимые в Malmberget), тестируемыми с покрытиями из оливина, кварцита и доломита.
Фиг.2 демонстрирует зависимость содержания оксида калия в шлаке от оптической основности при испытаниях в экспериментальной доменной печи с окатышами МРВО1, тестируемыми с покрытиями из оливина и кварцита.
Фиг.3 демонстрирует зависимость между температурой горячего металла и кремния при испытаниях экспериментальной доменной печи с окатышами МРВО1, тестируемыми с покрытиями из оливина и кварцита.
Фиг.4 - образование шлака с большим содержанием К2О на поверхности покрытого каолинитом окатыша МРВО, взятого из нижней шахты экспериментальной доменной печи.
Полное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к способу увеличения производства железа в доменной печи, загружаемой железосодержащими агломератами, включающему контактирование предназначенного для загрузки железосодержащего материала с эффективным для модифицирования шлака количеством дисперсии твердых частиц. Это контактирование осуществляют после агломерации железной руды и перед загрузкой в шахту доменной печи.
Предназначенный для загрузки агломерированный материал, согласно настоящему изобретению, может быть в любой форме, обычной для переработки в доменной печи. В качестве не исчерпывающих всех возможностей примеров предназначенный для загрузки материал может быть рудой, агломерированной в форме окатышей, брикетов, гранулята и т.п. или в виде природной кусковой железооксидной руды, обычно называемой кусковой рудой или рудным ломом.
В соответствии с принятой в настоящей заявке терминологией «дисперсия» подразумевает распределение или смесь тонко измельченного и/или порошкообразного твердого материала в жидкой среде. Подобные термины «взвесь», «суспензия» и т.п. также включаются в термин «дисперсия».
В соответствии с принятой в настоящей заявке терминологией «модифицирующий шлак материал» понимается как материал, проявляющий активность в процессе шлакообразования. Основным действием этого материала может быть улавливание щелочи в топочном газе. В соответствии с принятой в настоящей заявке терминологией «активный в отношении щелочей материал» следует понимать как любой материал, который может оказать содействие процессу шлакообразования путем улучшения распределения или состава добавляемых шлакообразователей. Кроме того, в соответствии с принятой в настоящей заявке терминологией «эффективный флюсующий материал» подразумевает любой материал, основное действие которого состоит в уменьшении слипания загружаемого железосодержащего материала после восстановления для предотвращения твердотельного спекания или образования шлака с низкоплавкой поверхностью. Эти материалы называют также материалами «эффективными в отношении уменьшения слипания».
В одном из вариантов железосодержащие агломераты находятся в форме окатышей, включающих связующие или другие добавки, используемые при образовании железорудных окатышей. Типичные связующие и добавки, так же как и операция применения связующих и добавок, хорошо известны. Не ограничивающими изобретение примерами таких связующих и добавок могут быть глины, такие как бентонит, соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) с щелочным металлом, хлорид натрия и гликолят натрия, а также другие полисахариды или синтетические водорастворимые полимеры.
Дисперсия, согласно настоящему изобретению, может в некоторых случаях содержать стабилизирующую систему, которая поддерживает устойчивость дисперсии и усиливает адгезию сыпучего материала к восстанавливаемым железосодержащим агломератам и/или создает возможность для более высокого содержания твердого материала в дисперсии. Для этой цели может быть использована любая традиционная известная стабилизирующая система при условии, что она способствует стабилизации дисперсии. Примерами таких стабилизаторов являются органические дисперганты, такие как полиакрилаты, производные полиакрилатов и им подобные, и неорганические дисперсанты, включающие каустическую соду, золу, фосфаты и т.п. В число предпочтительных стабилизаторов входят как органические, так и неорганические стабилизаторы, включающие ксантановые смолы или их производные, производные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза, и синтетические модификаторы вязкости, такие как полиакриламиды и т.п.
В соответствии с принятой в настоящей заявке терминологией «сыпучий материал» означает материал, подобный тонко измельченному порошку, который способен образовывать дисперсию в жидкой среде, такой как вода.
В дисперсии, согласно настоящему изобретению, могут быть использованы любые флюсующие агенты или добавки, обычно применяемые в железо- или сталеварении. Предпочтительными являются материалы, содержащие известь или магний, и в число не ограничивающих изобретения примеров входят гашеная известь, магнезит, доломит, оливин, серпентин, известняк, ильменит.
В дисперсии, согласно настоящему изобретению, могут быть использованы любые активные в отношении щелочи минералы. Типичными, не ограничивающими изобретение примерами являются кварцит, боксит или бокситовые глины, каолинит или каолинитовые глины, муллит.
Размер частиц в дисперсии определяется типом материала частиц и его способностью образовывать дисперсию в среде, такой как вода. В общем случае, средний размер частиц материала должен быть в пределах от около 0,05 μм до около 500 μм.
При выполнении способа, согласно изобретению, для осуществления контакта загружаемых железосодержащих агломератов с сыпучим материалом могут быть использованы разные технические приемы. В число предпочтительно используемых приемов входит образование дисперсии, которая контактирует с агломерированным материалом.
Изобретение было протестировано на действенность в доменном процессе в ряде экспериментов как в лабораторных, так и в пилотных испытаниях. Были протестированы два типа железорудных окатышей с разными покрытиями: окатыши МРВО (стандартные оливиновые окатыши LKAB) и МРВ1 (экспериментальные окатыши LKAB). Ощутимое уменьшение пыли при транспортировке и манипулировании было подтверждено промышленными испытаниями с окатышами МРВО с покрытием.
В первой серии испытаний оценивали стандартные окатыши МРВО. Химические составы окатышей приведены в таблице 1. МРВО-2 и МРВО-3 являются аналогичными типами окатышей, оба из которых являются оливиновыми окатышами с добавлением оливина и небольшого количества известняка, а к окатышам МРВО-3 было также добавлено небольшое количество кварцита.
В качестве базового окатыша для экспериментов с покрытиями был использован окатыш МРВО-3, в то время как окатыши МРВО-2 и МРВО-3 использовали в качестве материалов сравнения в экспериментальной доменной печи. Окатыши покрывали различными типами покровных материалов, из которых в настоящем исследовании были использованы три типа покровных материалов: оливин, кварцит и доломит. Каждый из них смешивали с 9%-ным бентонитом на стадии связывания. Химические составы покровных материалов также приведены в таблице 1, в то время как распределение размеров покровных материалов показано в таблице 2 в виде фракций с разными пределами размеров. Все использованные материалы очень близки между собой по размеру с преобладающей долей <45 μм (65-70%) и лишь с небольшими количествами >0,125 мм (1-6%).
В процессе нанесения покрытия окатыши забирают из бункера для окатышей на ленту конвейера. В точке перехода на вторую конвейерную ленту на поток окатышей распыляют через два сопла предварительно перемешанную взвесь. Покровную взвесь образует покровный агент, смешанный, как описано выше, с бентонитом и водой, добавляемой до достижения содержания твердых материалов, равного 25%. Скорости потоков покровной взвеси и окатышей регулируют таким образом, чтобы наносить 4 кг твердых покровных материалов на 1 тонну продукта в виде окатышей.
Химический состав базовых окатышей и окатышей с покрытием приведен в таблице 3, где приведены также химические составы окатышей, образцы которых взяты из доменной печи. Было установлено, что покровные материалы сохраняются на поверхности окатышей после хранения, транспортировки, манипуляций и рассеивания (перед загрузкой в доменную печь мелочь <6 мм отсеивается).
С целью изучения поведения окатышей с покрытием в лабораторных условиях был использован тест восстановления под нагрузкой, практикуемый для предназначенных для доменной печи окатышей, а именно тест ISO 7992. Тест ISO 7992 был дополнен капельным тестом для измерения слипания после восстановления.
Согласно тесту ISO 7992 1200 г окатышей изотермически восстанавливают при 1050°С до степени восстановления 80% при нагрузке 500 г/см2 на слой образца во время восстановления в атмосфере 2% Нз, 40% СО и 58% N2. С точки зрения имитации условий в шахте доменной печи тест ISO 7992 с дополнительной капельной операцией является подходящим тестом на слипание для окатышей доменной печи. Подходящей является температура теста 1050°С, поскольку она приблизительно равна температуре нижнего конца резервной зоны, где окатыши начинают подвергаться воздействию более сильного восстановительного газа, и восстановление до металлического железа начинает ускоряться. Может образовываться также небольшое количество расплавленного шлака. Образец после этого охлаждают азотом и слипшуюся часть образца обрабатывают в 1.0-метровом капельном тесте с использованием до 20 капель. Результатом теста является величина индекса (SI) слипания характеризующая тенденцию к слипанию, SI от 0 (отсутствие агломерированных частиц перед началом капельного теста) до 100 (все частицы агломерированы даже после 20 капель). Результаты этого теста приведены в таблице 4. Доломит и оливин оказывают четкое влияние на измеряемое слипание. Однако кварцит не обнаруживает измеряемого эффекта в лабораторном тесте на слипание. Следует отметить, что в результате реакций внутри доменной печи минералогия покровного материала может принципиальным образом меняться и индекс слипания, прежде всего, указывает на то, что имеет место поверхностный эффект и материал остается на поверхности. Результаты лабораторного восстановления и теста на слипание не обязательно коррелируются с эффектом при работе доменной печи или объясняют этот эффект.
Результаты механических и металлургических тестов приведены в таблице 5. Большая часть параметров, относящихся к качеству окатышей, лишь слегка или вообще не испытывает влияния применения покрытия. Получено снижение прочности на сжатие на холоде (CCS) на 13-29 даН или 6-12% и величины низкотемпературной дезинтеграции (LTD) до 18% на фракции >6,3 мм. Оба этих изменения были в действительности обусловлены хорошо известными действиями добавления воды к железорудным окатышам, а не покровными материалами.
В первой серии пилотных тестов описанные выше окатыши МРВО с покрытием были загружены в экспериментальную доменную печь LKAB с диаметром горна 1,2 м.
Испытание было разбито на пять разных этапов:
| МРВО-2 | этап с использованием окатышей без покрытия, |
| МРВО-О | окатыши МРВО-3 с оливиновым покрытием, |
| MPBO-D | окатыши МРВО-3 с доломитовым покрытием, |
| MPBO-Q | окатыши МРВО-3 с кварцевым покрытием, |
| МРВО-3 | сравнительный этап с использованием окатышей без покрытия. |
С окатышами как типа МРВО-2, так и типа МРВО-3 проводили работу на SSAB Tunnplåt (Luleå) и на АВ Oxelösund в Швеции и на Fundia Koverhar в Финляндии, не обнаружив сколько-нибудь значительной разницы в работе доменной печи.
Таблица 6 показывает содержание влаги в окатышах и количество окускованных шлакообразователей, загружаемых в печь, для каждого из этапов испытания. Окатыши МРВО-2 были сухими (менее 0,1% влаги), в то время как окатыши МРВО-3 обладали содержанием влаги 2,2%. Количество влаги, добавляемой к окатышам во время нанесения покрытия, соответствовало примерно 1,5%, а в результате осаждения пыли влага в окатышах возрастала еще на 0,6-0,8%.
Количество вводимого в рудную часть шихты известняка оставалось почти на постоянном уровне на всех этапах. В целях постоянства желаемых основности и объема шлака количество добавляемого оснóвного кислородно-конвертерного шлака и добавляемого кускового кварцита регулировали так, чтобы скомпенсировать различие в химическом составе разных используемых покровных материалов.
Первой целью названного испытания было поддержание устойчивости в работе и установление влияния на образование колошниковой пыли и, в меньшей степени, сведение к минимуму расхода топлива и максимизация производительности печи. Условия печного дутья приведены в таблице 7. Главными показателями устойчивости процесса являются равномерное опускание рудной части шихты и постоянство индекса сопротивления рудной части шихты (BRI), рассчитываемое с помощью уравнения 1.
Уравнение 1. BRI=([давление дутья]2-[колошниковое давление]2)/(объем газов в заплечиках]1,7×константа).
В первой серии тестов четко улучшение скорости опускания было обнаружено только в случае окатышей МРВО с оливиновым покрытием, а сопротивление газовому потоку было отчетливо устойчивым при использовании окатышей с кварцитовым покрытием (фиг.1). Улучшение скорости опускания при наличии оливинового покрытия может быть приписано пониженному явлению слипания. Сопротивление газовому потоку прежде всего связано с характеристиками плавления окатышей. Из-за флуктуаций в системе ввода угля ее использование в целях сравнения не является определяющим. Однако в случае окатышей МРВО с кварцитовым покрытием устойчивость исключительно велика и даже в процессе выхода из горна в период МРВО с доломитовым покрытием сопротивление газовому потоку остается постоянным. Главный вывод состоит в том, что работа с окатышами, которые имеют покрытие, намного устойчивее работы с непокрытыми окатышами сравнения.
Объем пыли, уносимой колошниковым газом и собираемой в виде колошниковой пыли, значительно понижен для окатышей с покрытием по сравнению с непокрытыми окатышами. В таблице 8 показаны количества собираемой колошниковой пыли и ее состав. Распределение среднего размера собираемой колошниковой пыли показано в таблице 2. Можно видеть, что колошниковая пыль значительно крупнее материалов, использованных в этом тесте в качестве покрытия. Более мелкая часть колошниковой пыли проходит через пылеулавливающий циклон и собирается в следующем за ним влажном электростатическом осадителе в виде шлама. В таблице 9 показан состав шлама доменной печи на разных этапах.
Значительное уменьшение собранной колошниковой пыли доменной печи в сухом пылеулавливающем циклоне наблюдалось при испытаниях окатышей с покрытием, как показано в таблице 8. Объемы колошниковой пыли были отчетливо ниже для всех трех этапов с покрытыми окатышами по сравнению с непокрытыми окатышами. Баланс масс, основанный на химических составах колошниковой пыли в таблице 8, показывает, что материал окатышей, уходящий из печи в виде колошниковой пыли, снижен приблизительно на две трети. Эти наблюдения были затем подтверждены тем фактом, что во влажной части колошниковой пыли, т.е. в шламе, содержание железа также было понижено в результате использования окатышей с покрытием, как это видно в таблице 8.
Следует также отметить, что количества мелких частиц, образованных коксовой мелочью, так же как и загруженных кусковых шлакообразователей, были ниже для этапов с покрытыми окатышами и с влажным окатышем МРВО-3, чем для этапа с сухим окатышем МРВО-2. Полагают, что причиной этого является явление адгезии пыли на поверхности влажных или покрытых влажных окатышей.
Ожидалось, что использование кислого покровного материала (либо кварцита, либо, в меньшей степени, оливина) должно обеспечить лучшее удаление щелочи шлаком при работе доменной печи. Основанием для такого ожидания была очень большая площадь поверхности покровного материала, доступная для реакции. Однако ожидаемый эффект не был подтвержден в первой серии тестов с окатышами МРВО. По испытательным образцам, взятым из экспериментальной доменной печи, было уже известно, что окатыш МРВО обладает достаточно хорошей способностью захватывать щелочь, благодаря чему на производительность можно повлиять лишь одним составом конечного доменного шлака. Однако ожидалось, что внутренняя циркуляция щелочей должна быть изменена кварцитовым покрытием с образованием на поверхности окатышей силикатных шлаков с высоким содержанием щелочи, что должно отразиться на улучшении постоянства сопротивления газовому потоку.
Во второй серии испытаний оценивалось поведение экспериментальной доменной печи с покрытыми экспериментальными окатышами, названными окатышами МРВ1, составы которых приведены в таблице 10. Был детально изучен выход щелочи. Был сделан вывод, что поглощение щелочи этим типом окатышей происходит хуже, чем окатышами типа МРВО, благодаря минералогии шлака, образующегося на окатыше в процессе обжига. Окатыши МРВО содержат некоторое количество непрореагировавшего оливина и пироксеновых фаз, которые взаимодействуют со щелочами. У окатышей МРВ1 шлакообразователь в окатыше представляет собой, в основном, аморфный шлак, который рассматривался как шлак, не способный реагировать со щелочью.
На окатыши МРВ1 покрытие наносилось с использованием водной дисперсии с образованием 3,6 кг кварцита, 0,4 кг бентонита и 3,6 кг оливина плюс 0,4 кг бентонита на 1 т окатышей, соответственно. Окатыши МРВ1 покрывали водой без каких-либо частиц в качестве эталона для сравнения. Операция нанесения покрытия была в основном такой же, как описанная выше для испытаний с МРВО. И в этом случае целью операции была устойчивость, а не оптимизация расхода топлива и производительности.
На фиг.2 показана продукция щелочи с помощью шлака, четко демонстрируя улучшенное удаление щелочи со шлаком с окатышами МРВ1 с оливиновым или кварцитовым покрытием в сравнении с эталонными окатышами МРВ1. Печь была теплее на этапе с окатышами МРВ1 с кварцитовым покрытием, что является следствием различного распределения основности шлака. Опускание рудной части шихты было также более плавным при использовании окатышей с покрытием, как это показано в таблице 11. Индекс сопротивления рудной части шихты оставался неизмененным с незначительно увеличенным отклонением для окатыша с кварцитовым покрытием, но это следует интерпретировать в связи с довольно высоким содержанием кремния в горячем металле, обусловленным переобогащением печи. При некотором ослаблении расхода топлива в течение периода с окатышем с оливиновым покрытием сопротивление газовому потоку было ниже и более устойчивым, чем на эталонном этапе.
Далее, использование окатышей МРВ1 с покрытием улучшило зависимость температуры горячего металла от содержания в горячем металле кремния. На фиг.3 показаны результаты для окатышей МРВ1 с кварцитовым и оливиновым покрытием. Работа с более низким содержанием кремния в горячем металле, поддерживающим температуру горячего металла, имеет для доменного процесса то преимущество, что она делает возможными более низкий расход кокса и, следовательно, более высокую производительность, а также сведение к минимуму потери железа в конверторный шлак, повышая, тем самым, общий выход железа в процессе сталеварения. Как уменьшение слипания, так и уменьшение циркуляции щелочи являются факторами, влияющими на взаимозависимость между температурой и содержанием в горячем металле кремния. Более низкий разброс по кремнию и температуре для окатышей МРВ1 с покрытием указывает на бóльшую стабильность зоны плавления и контакт между газом и твердым материалом в нижней части печи. Сильное слипание может приводить к опусканию нерасплавленного слипшегося материала в горн, в результате чего понижается температура расплавленного железа. Во-вторых, циркуляция щелочи действует как тепловой насос, восстанавливая в высокотемпературной области и окисляя и отверждая при более низких температурах в шахте, удаляя тем самым доступное для металла тепло в высокотемпературной зоне. При этом также отложение, обусловленное щелочью в шахте, производит пыль, например карбонаты, которые легко рециркулируют и могут отлагаться в верхней части шахты, приводя, как это хорошо известно, к зависанию и образованию настыли.
В третьей серии тестов окатыши МРВО были покрыты аналогичной дисперсионной системой, содержащей 3,6 кг каолинита и 0,4 кг бентонита на 1 тонну окатышей. В таблице 12 показан состав окатышей МРВО сравнения, опрыснутых водой в том же количестве, что и в случае окатышей с покрытием, и состав окатышей с покрытием. В рудную часть шихты было включено 20% другого окатыша, используемого вместе с 80% окатышей МРВО в промышленной доменной печи. Структура рудной части шихты оставалась постоянной с 80% окатышей МРВО (с покрытием или без покрытия) и 20% других окатышей.
На этапах тестирования с окатышами МРВО с каолинитовым покрытием и сравнительными окатышами МРВО расход топлива быстро падал в течение этапа тестирования, оптимизируя расход топлива. Работа печи производилась с подачей нефти, которая по сравнению с подачей угля приводит к более стабильным и надежным эксплуатационным результатам. Скорость подачи угля и характеристики сгорания не столь стабильны, как системы с подачей нефти или сгорание нефти при используемых в этих тестах скоростях.
Главные результаты работы экспериментальной доменной печи приведены в таблице 13. Следствием нанесения на окатыши каолинитового покрытия является более равномерное опускание рудной части шихты, представленное в виде более низкого стандартного отклонения скорости опускания и полного отсутствия оползней; более низкий расход топлива: 4 кг/тгм (т горячего металла), повышение производительности, весьма значительно уменьшенный объем колошниковой пыли. Эти результаты подтверждают интерпретацию результатов предыдущего теста и обнаруживают снижение расхода топлива, повышение производительности и стабильности печи.
Изучение образцов, взятых из рудной части шихты в нижней области шахты печи, как это и предсказывалось, указывает на прохождение в значительной степени реакции между каолинитовым покрытием и калием. На фиг.4 показан пример образования алюмосиликата калия из каолинитового покрытия. Кальсилит был идентифицирован методом дифракции рентгеновских лучей как существенный продукт реакции каолинитового покрытия с доменным газом.
Пыль, возникающая при транспортировке и манипулировании железорудных окатышей, является экологической проблемой. На окатышах МРВО с каолинитовым покрытием, содержащим 4 кг каолинита на 1 т окатышей, были выполнены тесты на транспортировку в промышленном масштабе с помощью распыления водной дисперсии, содержащей около 25% твердого материала без применения бентонита или другого связующего. Уменьшение пылеобразования при манипулировании и транспортировке во время загрузки, разгрузки и транспортирования с помощью конвейера оказалось значительно эффективнее, чем при использовании только одной воды.
Эффективность выбранных покровных материалов следует рассматривать с учетом минералогии покрываемых окатышей. Эффективное покрытие на одном типе окатышей может оказаться неэффективным на другом типе окатышей. Условия в печи, в особенности те, которые влияют на работу циркуляции щелочи, являются существенными при выборе покрытия. Для выбора оптимального покрытия для конкретного типа окатышей требуется понимание протекания химических реакций между газом и минералами, а также важнейших факторов в процессе образования шлака.
| Таблица 6. | |||||
| Содержание влаги в окатышах и количество шлакообразователей, загружаемых при испытаниях в экспериментальной доменной печи | |||||
| Период | МРВО-2 | МРВО-О | MPBO-D | MPBO-Q | МРВО-3 |
| Влага в окатыше (%) | 0,1 | 2,1 | 2,2 | 2,3 | 2,2 |
| Известняк (кг/т ГМ) | 48 | 48 | 49 | 49 | 49 |
| Кислородноконвертоный шлак (кг/т ГМ) | 45 | 41 | 42 | 48 | 48 |
| Кварцит (кг/т ГМ) | 17 | 15 | 17 | 11 | 17 |
| Расход кокса (кг/т ГМ) | 408 | 410 | 414 | 421 | 430 |
| (ГМ - горячий металл) | |||||
| Таблица 7. | |||||
| Рабочие параметры печного дутья во время испытания | |||||
| Период | МРВО-2 | МРВО-О | MPBO-D | MPBO-Q | МРВО-3 |
| Продолжительность (ч) | 85 | 83 | 48 | 68 | 27 |
| Температура дутья (°С) | 1198 | 1197 | 1198 | 1197 | 1197 |
| Объем дутья (нм3/ч) | 1590 | 1589 | 1591 | 1590 | 1570 |
| Ввод угля (кг/т ГМ) | 133 | 131 | 123 | 127 | 122 |
| Обогащение кислородом дутья (%) | 3,3 | 3,4 | 3,5 | 3,4 | 3,4 |
| Влажность дутья (г/нм3) | 26 | 26 | 27 | 27 | 27 |
| Температура пламени (расчетная, °С) | 2188 | 2195 | 2201 | 2201 | 2204 |
| Избыточное давление в засыпном устройстве (бар) | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
| Таблица 8. | |||||
| Количество колошниковой пыли, состав (% мас.) и оцененное происхождение | |||||
| Период | МРВО-2 | МРВО-О | MPBO-D | MPBO-Q | МРВО-3 |
| Колошник. пыль сухая (кг/т ГМ) | 5,4 | 2,9 | 2,7 | 3,0 | 4,4 |
| Fe(%) | 21,6 | 13,8 | не опр. | 13,3 | 21,8 |
| SiO2(%) | 11,1 | 15,9 | не опр. | 20,8 | 17,7 |
| CaO(%) | 16,2 | 14,1 | не опр. | 12,1 | 14,2 |
| MgO(%) | 4,3 | 9,2 | не опр. | 6,3 | 6,8 |
| Al2O3(%) | 3,0 | 4,2 | не опр. | 4,0 | 4,0 |
| MnO(%) | 0,3 | 0,4 | не опр. | 0,4 | 0,3 |
| K2O(%) | 0,3 | 0,5 | не опр. | 0,4 | 0,6 |
| С(%) | 20,4 | 26,0 | не опр. | 31,2 | 16,5 |
| Из окатышей (кг/т ГМ) | 1,5 | 0,5 | не опр. | 0,5 | 1,3 |
| Из кокса (кг/т ГМ) | 1,4 | 0,9 | не опр. | 1,1 | 0,9 |
| Из известняка (кг/т ГМ) | 1,0 | 0,5 | не опр. | 0,4 | 0,8 |
| Из кислородоконверторного шлака (кг/т ГМ) | 1,0 | 0,5 | не опр. | 0,5 | 0,7 |
| Из кварцита (кг/т ГМ) | 0,5 | 0,3 | не опр. | 0,3 | 0,7 |
| Из оливинового покрытия (кг/т ГМ) | - | 0,2 | - | - | - |
| Из кварцитового покрытия (кг/т ГМ) | - | - | - | 0,2 | - |
| Таблица 9. | |||||
| Химический состав (% мас.) шлама, собранного с помощью влажного электростатического осадителя, при испытаниях в экспериментальной доменной печи | |||||
| Период | МРВО-2 | МРВО-O | MPBO-D | MPBO-Q | МРВО-3 |
| Fe(%) | 6,2 | 2,4 | 1,6 | 1,1 | не опр. |
| SiO2(%) | 19,2 | 20,2 | 22,6 | 18,2 | не опр. |
| CaO(%) | 8,8 | 7,3 | 8,0 | 7,4 | не опр. |
| MgO(%) | 8,7 | 10,3 | 14,7 | 10,7 | не опр. |
| Al2О3(%) | 6,1 | 6,6 | 8,4 | 8,3 | не опр. |
| MnO(%) | 0,6 | 0,5 | 0,7 | 0,5 | не опр. |
| К2O(%) | 1,2 | 1,1 | 1,0 | 0,7 | не опр |
| Na2О(%) | 10,4 | 9,2 | 6,5 | 7,7 | не опр. |
| V2O5(%) | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | не опр. |
| Р2O5(%) | 0,1 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | не опр. |
| С(%) | 16,0 | 17,0 | 11,8 | 12,3 | не опр. |
| S(%) | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | не опр. |
| Таблица 10. | |||
| Состав и металлургические свойства окатышей МРВ1 и МРВ1 с покрытием, протестированных на экспериментальной доменной печи | |||
| % мас. | Окатыши МРВ1 | Окатыши МРВ1 с кварцитовым покрытием | Окатыши МРВ1 с оливиновым покрытием |
| Fe(%) | 66,8 | 66,6 | 66,3 |
| СаО(%) | 1,45 | 1,53 | 1,53 |
| MgO(%) | 0,31 | 0,35 | 0.49 |
| SiO2(%) | 1,44 | 2,02 | 1,70 |
| Al2О3(%) | 0,35 | 0,37 | 0,38 |
| Влажность (%) | 0,7 | 1,0 | 1,2 |
| Прочность на сжатие на холоде по ISO 4700 (даН/окатыш) | 291 | 277 | 279 |
| Низкотемпературное разрушение по ISO 13930 (%+6,3 мм) | 78 | 82 | 75 |
| Низкотемпературное разрушение по ISO 13930 (%-0,5 мм) | 12 | 10 | 15 |
| Восстанавливаемость, R40 по ISO 4695 (%0 мин) | 1,2 | 1,2 | 1,2 |
| ITH1) (%+6,3 мм) | 78 | 83 | 83 |
| 1) Прочность после восстановления (восстановленный материал из ISO 4695, механически обработанный и просеянный). | |||
| Таблица 11. | |||
| Перечень рабочих результатов, полученных на экспериментальной доменной печи путем сравнения окатышей МРВ1 с окатышами МРВ1 с покрытием | |||
| МРВ1 | МРВ1 с кварцитовым покрытием | МРВ1 с оливиновым покрытием | |
| Время тестирования (ч) | 42 | 67 | 76 |
| Эталон. СО (%) | 47,4 | 46,9 | 47,5 |
| Стандартная скорость опускания рудной части шихты (см/мин) | 0,52 | 0,35 | 0,48 |
| Производительность (т/ч) | 1,56 | 1,54 | 1,57 |
| Расход кокса (кг/т ГМ) | 400 | 400 | 396 |
| Расход угля (кг/т ГМ) | 123 | 127 | 124 |
| Средняя температура горячего металла (°С) | 1433 | 1445 | 1450 |
| Средняя температура горячего металла с SI (°С) | 1,62 | 1,71 | 1,53 |
| Таблица 12. | ||
| Состав окатышей МРВО и окатышей МРВО с каолинитовым покрытием, тестируемых в экспериментальной доменной печи | ||
| % мас. | Окатыши МРВО | Окатыши МРВО с каолинитовым покрытием |
| Fe(%) | 66,6 | 66,4 |
| СаО(%) | 0,38 | 0,40 |
| MgO(%) | 1,52 | 1,49 |
| SiO2(%) | 1,74 | 1,98 |
| Al2О3(%) | 0,33 | 0,52 |
| Влажность (%) | 1,8 | 16 |
| Таблица 13. | ||
| Перечень рабочих результатов, полученных в экспериментальной доменной печи путем сравнения окатышей МРВ1 с окатышами МРВ1 с каолинитовым покрытием | ||
| МРВО-сравнит. | МРВО с каолинитовым покрытием | |
| Время (ч) | 50 | 62 |
| Объем дутья (нм3/ч) | 1516 | 1516 |
| Обогащение кислородом дутья (нм3/ч) | 101 | 101 |
| Производительность (т/сут) | 34,1 | 34,6 |
| Стандартная скорость опускания рудной части шихты (см/мин) | 1,53 | 1,15 |
| Индекс сопротивления рудной части шихты (-) | 6,74 | 6,38 |
| Стандартный индекс сопротивления рудной части шихты (-) | 0,33 | 0,21 |
| Расход кокса (кг/т ГМ) | 404 | 403 |
| Расход нефти (кг/т ГМ) | 121 | 118 |
| Содержание Si в горячем металле (%) | 1,24 | 1,23 |
| Температура горячего металла (°С) | 1422 | 1425 |
| Содержание С в горячем металле (%) | 4,49 | 4,56 |
| Колошниковая пыль (кг/т ГМ) | 5,6 | 3,6 |
| Число оползней в сутки | 3,8 | 0,0 |
1. Способ производства железа в доменной печи, включающий загрузку доменной печи железосодержащим агломератом, отличающийся тем, что перед загрузкой доменной печи осуществляют контактирование железосодержащего агломерата с эффективным для модифицирования шлака количеством дисперсии сыпучего материала с возможностью образования поверхностного слоя покрытия, по меньшей мере, на части наружной поверхности железосодержащего агломерата.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эффективное для модифицирования шлака количество дисперсии включает активный в отношении щелочей материал.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что активный в отношении щелочей материал включает материал, содержащий оксид алюминия, и материал, содержащий оксид кремния.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что эффективный для модифицирования шлака сыпучий материал выбирают из группы, в которую входят известьсодержащий материал: гашеная известь, известняк, доломит; магнийсодержащий материал: магнезит, оливин, серпентин или периклаз; алюминийсодержащий материал: боксит, бокситовые глины, каолиниты, каолинитовые глины, муллит, корунд, бентонит, силлиманиты, огнеупорные глины; и кремнеземсодержащий материал: кварцит; оксидсодержащий материал: оксид бария; и материал, такой как ильменит и рутил.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что эффективное для модифицирования шлака количество дисперсии включает твердые частицы в жидкости.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что эффективное для модифицирования шлака количество дисперсии включает эффективный в отношении ослабления слипания материал.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что эффективный в отношении ослабления слипания материал выбирают из группы, в которую входят известьсодержащий материал: гашеная известь, известняк, доломит; магнийсодержащий материал: магнезит, оливин, серпентин или периклаз; алюминийсодержащий материал: боксит, бокситовые глины, каолиниты, каолинитовые глины, муллит, корунд, бентонит, силлиманиты, огнеупорные глины; и материал, содержащий кремнезем: кварцит; оксидсодержащий материал: оксид бария; и материал, такой как ильменит и рутил.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что эффективный в отношении ослабления слипания материал включает твердые частицы в жидкости.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что эффективное для модифицирования шлака количество дисперсии включает твердые частицы в виде смеси модифицирующего шлак сыпучего материала с эффективным в отношении ослабления слипания материалом.
10. Способ по п.5, отличающийся тем, что твердыми частицами является материал, твердый при температурах выше 1000°С, или материал, который при нагревании образует фазы, твердые при температурах выше 1000°С.
11. Способ по п.6, отличающийся тем, что эффективное в отношении ослабления слипания количество дисперсии включает связующее.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве связующего используют бентонит, глину, материал типа цемента или органический материал, который способен затвердевать на твердых частицах с нанесенной на них покровной смесью "на месте".
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что сыпучий материал имеет размер частиц от около 0,05 до около 500 μм.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что более 50% сыпучего материала имеет размер частиц менее, чем приблизительно 45 μм.
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсия представляет собой смесь тонко измельченного твердого материала в жидкой среде, такую как взвесь.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что содержание твердого тонко измельченного материала в дисперсии составляет от 1 до 90%.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что содержание твердого тонко измельченного материала в дисперсии составляет приблизительно 30%.
18. Способ по п.1, отличающийся тем, что железосодержащие агломераты имеют форму окатышей, брикетов или гранулята.
