Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОМЫВКИ ГОРНА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству чугуна в доменных печах.

При выплавке чугуна кокс частично подвергается разрушению под воздействием механических и термических нагрузок. В результате в высокотемпературной зоне доменной печи образуется «коксовый мусор», который скапливается в горне, уменьшает его объем, ухудшает дренажную способность коксовых слоев и отработку продуктов плавки. Поэтому периодически необходимо производить промывку горна.

Известен способ промывки горна доменной печи по патенту Украины №43872 С2, кл. С21В 3/00 (опубл. 15.01.2002 г., бюл. №1). В способе в качестве промывочного материала предлагается использовать окалину прокатного производства. Однако она представляет собой практически чистые оксиды железа, которые легко в большей части восстанавливаются до металла в "сухой" зоне шахты доменной печи и не образуют необходимого количества высокозакисного расплава для окисления коксового мусора в горне.

Наиболее близким к заявляемому по технологической сущности является изобретение по авторскому свидетельству СССР №1530639 А1, кл. С21В 3/00 "Способ промывки горна доменной печи" (опубл. 23.12.89 г., бюл. №47). В изобретении указана промывочная шихта в виде сварочного шлака либо железной или марганцевой руды, плавикового шпата, но предлагается применение только одного из перечисленных компонентов. Недостатком способа является то, что применение указанных материалов отдельно для промывки горна ухудшает шлаковый режим доменной плавки.

В основу предлагаемого способа поставлена задача устранения загромождения нижней части доменной печи, приводящего к потере рабочего объема горна, горению фурм, снижению расхода дутья, ухудшению технико-экономических показателей плавки.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, - окисление мелочи кокса высокозакисным расплавом, улучшение дренажной способности коксовой насадки и горна, снижение расхода кокса, повышение производительности печи, улучшение эксплуатационной надежности агрегата и экономия железорудных материалов за счет использования вторичных ресурсов.

Данный способ промывки горна доменной печи включает дозирование, загрузку и распределение промывочного материала, проплавку его совместно с железорудными материалами и коксом, изменение состава дутья в период промывки, выдачу продуктов плавки, а его отличие от известного способа заключается в том, что в качестве промывочного материала используют смесь из железной руды, конвертерного шлака и сталеплавильного скрапа, при этом загрузку смеси осуществляют в промежуточную кольцевую зону колошника, расположенную на расстоянии не менее 0,12-0,25 радиуса от стен и оси печи, а при выдаче продуктов плавки увлажняют дутье паром до содержания в нем Н₂О в пределах 24-36 г/м³. При этом отношение массы железной руды к суммарной массе конвертерного шлака и сталеплавильного скрапа устанавливают в пределах от 50%:50% до 70%:30%, а увлажнение дутья паром начинают одновременно с выпуском продуктов плавки и заканчивают через 20-40 минут.

Сущность способа заключается в создании промывочного материала с заданными свойствами на основании определения взаимодействия расплава из него с продуктом разрушения кокса (лабораторные опыты), выборе рационального режима загрузки промывочной смеси в доменную печь и последующей отработки технологии промывок в ходе плавки на действующих печах с обоснованием ее оптимальных параметров.

Поскольку кокс разрушается внизу печи, то "сжигание" коксового мусора необходимо производить в горне. Промывочный материал, соответствующий заданным свойствам, подбирали на основании лабораторных опытов на экспериментальной установке. Использовали материалы следующего химического состава (табл.1).

Экспериментальная установка представляет собой графитовую трубу с нагревателем и перфорированным дном. Труба размещена в герметичной камере. Максимальная температура нагрева 1600°С, атмосфера - восстановительная.

В трубу загружается слой крупного кокса (коксовая насадка). На коксовую насадку сверху укладывается проплавляемый материал под грузом. В ходе опыта фиксируется начало фильтрации расплава через коксовую насадку, представляющего собой первичный высокозакисный шлак (ТН, °С), определяется количество этого шлака по отношению к массе исходной пробы (МШ, %), содержание в нем монооксида железа (FeO_p, %), а также количество зависшего в коксовой насадке непрофильтровавшегося остатка (МО, %) после окончания опыта и содержание монооксида железа в нем (FeO_o, %).

Таблица 1 Химический состав материалов Материал Содержание, % Feобщ. Feмет. FeO CaO SiO2 MgO P2O5 S Руда железная 44,5 - 5,2 1,5 26,6 0,27 0,62 0,12 0,06 Сталеплавильный скрап x) 28,7 1,7 19,0 13,2 6,2 8,9 0,64 0,07 2,13 Конвертерный шлак 74,1 56,3 17,6 37,6 11,7 3,6 0,28 0,10 3,21 х) Продукт обогащения смеси отвальных шлаков.

Результаты экспериментов представлены в табл.2.

Из результатов следует, что материалы раздельно не образуют необходимого количества высокозакисного расплава, зависают в слое кокса из-за значительной вязкости расплава, делают коксовую насадку слабогазопроницаемой и приходят в горн в неподготовленном состоянии, вызывая перерасход кокса на прямое восстановление. Создание композиции из нескольких составляющих обеспечивает образование более легкоплавких эвтектик, способствует значительному растворению оксидов во вновь образующемся расплаве. В результате количество высокозакисного фильтрующегося через коксовую насадку промывочного расплава значительно возрастает. Этот расплав способен окислять коксовую мелочь непосредственно в горне.

Наиболее благоприятно соотношение руды и шлаково-скраповой составляющей 60%:40%. Изменение этого соотношения за счет уменьшения или увеличения доли руды показывает тенденцию на снижение FeO в расплаве и увеличение остатка непрофильтровавшегося расплава. Поэтому соотношение массы железной руды и суммарной массы конвертерного шлака и сталеплавильного скрапа ограничивается пределами от 50%:50% до 70%-30%.

При этом расплав не должен контактировать как с шамотной или торкрет-футеровкой, вызывая ее эрозию, так и углеродистой футеровкой горна, которая может расходоваться на восстановление железа из закиси. Одновременно промывочный материал не должен попадать и в центральную часть печи, образуя так называемый "тотерман" из конгломерата кокса и зависшего на нем остатка тугоплавких масс.

Далее проводят опыты по определению "моющей" способности расплава, образовавшегося от проплавки промывочной смеси состава (соотношение руды и шлако-скраповой составляющей 60%:40%). Для этого на поверхность расплавленного в тигле при температуре 1500°С шлака насыпали коксовую мелочь, выдерживали 3 мин и анализировали конечный состав шлака (сравнительный опыт). В следующем опыте в расплавленный шлак с коксовым мусором вводили 2% по массе предварительно образовавшегося в опытах при проплавке на коксовой насадке промывочной композиции высокозакисный расплав и кусочки зависшего в слое кокса остатка. В третьей серии опытов дополнительно барботировали шлак воздушной струей, обогащенной перегретым паром. По окончании опытов анализировали состав шлака, определяли остаток коксовой мелочи.

Опыты показали, что без ввода промывочного материала масса мелкого кокса уменьшилась лишь на 2,5%, которые израсходовались лишь на восстановление FeO шлака. При вводе промывочного материала на восстановление FeO израсходовалось 84% коксовой мелочи, а при дополнительной подаче пара - 93%.

Аналогичные опыты с использованием в качестве промывочного материала продуктов плавки одной только руды показали, что количество сожженного коксового мусора было заметно ниже - соответственно 63% и 78%. При этом шлак становился "кислым" и его вязкость возрастала.

Из полученных данных видно, что железо из закиси промывочного материала восстанавливается в условиях, моделирующих процессы в горне, за счет коксового мусора. Процесс "сжигания" коксового мусора интенсифицируется при вдувании пара в шлаковую ванну.

Промышленные эксперименты проведены на доменных печах, оборудованных бесконусным загрузочным устройство (БЗУ) и двухконусным засыпным аппаратом.

На доменной печи объемом 5500 м³ с БЗУ создание промывочной смеси осуществляют на главном конвейере шихтоподачи, т.е. в процессе формирования порций шихты. Для этого на слой агломерата и окатышей укладывают послойно железную руду, конвертерный шлак и сталеплавильный скрап. Слои железной руды, конвертерного шлака и сталеплавильного скрапа укладывают в среднюю часть железорудной порции на конвейере, чтобы предотвратить попадание промывочного материала в пристеночную и осевую зоны печи. Печь плавит шихту с расходом в подачу 70 т агломерата и 30 т окатышей, расход кокса 430 кг/т чугуна, количество вдуваемого природного газа 5300 м³/час, содержание кислорода в дутье 24%. После того, как были отмечены рост нижнего перепада давления, снижение теплосъема на холодильники горна, появление коксового мусора при выпуске шлака, что свидетельствовало о "замусоренности" горна, промывочный материал в количестве 14-17 тонн вместо агломерата и окатышей стали вводить в каждую 3-7-ю подачу, предварительно загружая "холостую" подачу кокса. Это создавало оптимальную "промывочную нагрузку" (отношение массы окускованных железорудных материалов к массе промывочного материала в подаче) в пределах 4,88-6,14 ед. Соотношение руды и шлаково-скраповой смеси поддерживали 60%:40%.

Загрузка промывочного материала чаще, чем в каждую 3-ю подачу, приводила к значительному перерасходу кокса, загружаемого в виде "холостых" подач, а реже, чем в каждую 7-ю - не давала должного промывочного эффекта продолжительное время.

Продукты плавки промывочного материала пришли в горн через 7 часов после загрузки. При этом расход природного газа уменьшили в два раза, не изменяя расход технического кислорода, тем самым, увеличивая окислительный потенциал дутья. При выпуске продуктов плавки дутье увлажнили паром до содержания Н₂O 24-36 г/м³. Это позволило дополнительно усилить окисление коксового мусора, причем подачу пара производили с началом выпуска продуктов плавки, когда они находились в подвижном состоянии и возникала возможность лучшей обработки. Следует отметить, что благодаря своим физическим и термодинамическим свойствам пар, в отличие от обычного дутья, проникает в центр печи, т.е. работает как окислитель во всем объеме горна. Продолжительность увлажнения дутья паром 20-40 минут объясняется тем, что в течение этого времени опустошенный горн интенсивно заполняется чугуном и шлаком, которые несут повышенное количество продуктов разрушения кокса.

До промывки горна содержание FeO в шлаке в среднем составляло 0,35%. При внесении FeO промывочным материалом содержание FeO в шлаке выросло до 0,45%, при этом расчетное содержание FeO в шлаке на входе в горн составляло 0,59%. Таким образом, 0,14% FeO израсходовалось на восстановление коксового мусора. При массе выпуска чугуна 520 тонн это эквивалентно "сжиганию" примерно 470 кг коксового мусора. При выходе шлака 265 кг/т чугуна его количество на выпуске составляло 138 тонн.

После окончания процесса промывки работа печи стабилизировалась, производительность выросла с 10,9 до 11,3 тыс.тонн чугуна в сутки, расход кокса уменьшился с 430 до 427 кг/т чугуна.

Промывка горна доменной печи объемом 2002 м³, оборудованной двухконусным засыпным аппаратом, отличалась тем, что формирование промывочной композиции производили на стадии загрузки шихты. Для этого в каждой 3-7-ой подаче во второй скип укладывали 7-8 тонн окатышей, 6 тонн агломерата, а на них поочередно 3-4 тонны руды, на нее суммарно 3-2 тонны скрапа и конвертерного шлака, всего 19 тонн материалов в скипе. При опрокидывании скипа в загрузочную воронку и выгрузке на малый конус руда, скрап и шлак образовывали промывочную смесь, а выгруженные первым скипом 19 тонн агломерата попадали в печь первыми, не давая промывочному материалу попасть к стенкам печи. Ход большого конуса при этом уменьшили для предотвращения попадания промывочного материала в центр печи. Таким образом, обеспечивалась загрузка промывочного материала в промежуточную кольцевую зону колошника, расположенную на расстоянии не менее 0,12-0,25 радиуса от стен и оси печи.

Масса промывочной смеси составляла 5-6 тонн при массе окускованных железорудных материалов в подаче из двух скипов соответственно 33 и 32 т, что соответствовало "промывочной нагрузке" 5,33-6,60 ед. Как и в предыдущем примере, дутье увлажняли паром из расчета 24-36 г H₂O на 1 м³ дутья, пар подавали с началом выпуска и прекращали его подачу через 20-40 минут.

При внесении в горн FeO промывочной смесью содержание FeO в шлаке выросло на 0,13%, что эквивалентно сжиганию примерно 280 кг коксового мусора.

После промывки горна и стабилизации работы печи расход кокса снизился с 422 до 420 кг/т чугуна, а суточное производство чугуна увеличилось с 4650 тонн до 4820 тонн.

Соотношение массы руды и суммарной массы конвертерного шлака и сталеплавильного скрапа в пределах от 50%-50% до 70%-30% позволяло получить основность расплава по CaO/SiO₂ в пределах 0,9-1,35 ед., что практически не нарушало шлаковый режим плавки за счет образования тугоплавких и вязких масс.