Результат интеллектуальной деятельности: 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, 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 фирменных 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, увеличение производительности печи, повышение качества чугуна и снижение его себестоимости за счет использования в доменной шихте дешевых композиционных материалов и регламентации параметров доменной плавки при их 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, загрузки в заданную зону колошника твердой углеродсодержащей добавки, в качестве твердой углеродсодержащей добавки используют кусковый шунгит с содержанием углерода 20-36%, 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. Решение данной технической задачи достигается также тем, что количество загружаемого шунгита предпочтительно поддерживают в пределах 3-7% от суммарной массы углерода загружаемого в печь кокса и вдуваемой в фурмы топливной добавки.

Заявленные пределы содержания углерода в шунгите (20-36%) обусловлены минимально приемлемым по экономическим критериям значением коэффициента замены кокса шунгитом (20%) и предельным содержанием углерода (36%) в разрабатываемом (единственном в мире) месторождении шунгита. При использовании шунгита с содержанием углерода менее 20% применение его становится экономически нецелесообразным из-за повышения себестоимости чугуна в связи со снижением коэффициента замены кокса шунгитом до уровня 0,25-0,3 кг кокса/кг шунгита. При таком коэффициенте замены применение шунгита становится невыгодным, так как цена его добычи и транспортировки к потребителю, включая НДС, составляет не менее 30% от себестоимости кокса. Кроме того, применение шунгита с содержанием углерода менее 20% увеличивает выход шлака, что приводит к еще большему снижению коэффициента замены кокса шунгитом.

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 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 0,5% от суммарного количества углерода загружаемого в печь с коксом и поступающего с вдуваемым топливом, не оказывает заметного влияния на расход кокса даже при максимальной 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•моля/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•молей карбида кремния (SiC). Это количество карбида кремния может восстановить железа из шлака по реакции:
3FeO+SiC=3Fe+SiO₂+CO
0,65•3= 1,95 кг•молей, 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.

При проведении опытных доменных плавок с применением шунгита установлено, предпочтительными пределами расхода шунгита в шихте для выплавки передельного чугуна являются пределы 3-7% от массы поступающего в печь углерода. При этих расходах шунгита достигаются максимальные коэффициенты замены кокса шунгитом, наиболее распространенной разновидностью которого в разрабатываемом месторождении является шунгит с содержанием углерода 28-32%. При расходах шунгита менее 3% не используется все возможности замены кокса менее дорогим его заменителем, а при расходе шунгита более 7% начинает уменьшаться коэффициент замены кокса шунгитом, что снижает экономический эффект от его применения.

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%, конвертерного шлака 1% (содержание Fe в железорудной смеси 59,7%. При этом расход кокса на 1 т чугуна составлял 425 кг/т (содержание С в коксе 87%) при расходе вдуваемого природного газа 98 м.куб./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 25 кг/т (5,9% 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 0,68 м). Шунгит 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). Расход кокса на выплавку чугуна снизился до 408 кг/т чугуна без увеличения содержания кремния в чугуне. Коэффициент замены кокса шунгитом составил 0,68 кг/кг. Производительность печи увеличилась на 95 т в сутки или на 1,2%. Содержание серы в чугуне снизилось на 0,005%.

На той же доменной печи применяли шунгит с содержанием углерода 29% в количестве 15 кг/т (3,5% 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 0,86 м). Шунгит загружали за цикл загрузки, включающей 9 подач, дважды (в коксовые порции 1-й и 5-й подачи). Расход кокса уменьшился по сравнению с базовым периодом на 12,0 кг/т чугуна без увеличения содержания кремния в чугуне. Коэффициент замены кокса шунгитом составил 0,8 кг/т. Производительность печи увеличилась на 128 т в сутки или на 1,6%.

При использовании шунгита в шихте согласно изобретения содержание кремния в чугуне регулировали, изменяя рудную нагрузку и влажность дутья. Стандартное отклонение содержания кремния в чугуне по выпускам оставалось в обычных пределам значений этой величины (0,14-0,16%), а содержание серы в чугуне снизилось на 0,005 и на 0,002%, соответственно по плавкам.

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

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

2. Патент РФ N 2042714, МКИ С 21 В 5/00, заявл. 26.06.1993 г., опубл. 27.08.1995 г., Бюл. N 24.