Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано при выплавке передельных и литейных чугунов и ферросплавов с использованием в шихте шунгита в доменных печах, оборудованных загрузочными устройствами, позволяющими регулировать распределение загружаемых материалов по радиусу колошника в широких пределах.

Известен способ доменной плавки, 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 применению комплексного материала - шунгита и отсутствие регламента регулирования содержания кремния в чугуне, что снижает эффективность его применения и вызывает колебания теплового состояния печи и шлакового режима и приводит в итоге к снижению качества выплавляемого чугуна.

Известен способ регулирования содержания кремния в чугуне путем изменения распределения по радиусу колошника загружаемых материалов [2]. В данном способе для повышения содержания кремния в чугуне распределяют железорудные материалы и кокс более равномерно по радиусу, т.е. уменьшают неравномерность распределения рудной нагрузки по радиусу печи. При этом улучшается использование газа в печи, уменьшается расход тепла на прямое восстановление железа и содержание кремния в чугуне увеличивается.

Недостатком способа является существенное транспортное запаздывание и инерционность процесса. Кроме того, недостатком данного способа является большое влияние на производительность печи изменения распределения рудной нагрузки по радиусу, что не всегда желательно.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и по достигаемым результатам является известный способ доменной плавки, включающий загрузку в печь железорудных материалов и кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку твердой углеродсодержащей добавки в определенную зону колошника /3/.

Недостатком данного способа является то, что он предусматривает загрузку твердой углеродсодержащей добавки в зону, транспортирующую эту добавку в район фурменных очагов. Это позволяет применять по данному способу лишь топливные добавки с традиционным спектром их функций в доменной печи (горение, участие в реакции газификации). Способ не предусматривает мер по стабилицации содержания кремния в чугуне, что снижает его эффективность.

Технической задачей изобретения является устранение недостатков способов-аналогов и прототипа, снижение расхода кокса, повышение производительности печи и повышение качества чугуна за счет стабилизации его состава.

Решение технической задачи достигается тем, что в известном способе доменной плавки, включающем загрузку железорудных материалов, кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку в заданную зону колошника твердой углеродсодержащей добавки, согласно изобретению 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, а содержание кремния в чугуне в заданных пределах поддерживают, изменяя положение этой кольцевой зоны на колошнике, причем для увеличения содержания кремния в чугуне на 0,1% указанную зону перемещают к центру колошника печи и увеличивают ее площадь на 10-20% за счет уменьшения радиуса внутренней границы зоны, а для уменьшения содержания кремния в чугуне на 0,1% указанную зону перемещают к периферии колошника и увеличивают ее площадь на 10-20% за счет увеличения радиуса внешней границы зоны.

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 м²/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 положением зоны плавления в печи и температурно-тепловым потенциалом горна, но оно может поддерживаться в заданных пределах изменением долей карбида и кремния шунгита, которые окисляются в фурменной зоне и первичными железистыми шлаками на коксовой насадке и в горне печи. Увеличивая долю шунгита, загружаемого в центральную часть печи, можно уменьшать долю кремния шунгита, окисляемого в горне. При этом содержание кремния в чугуне будет увеличиваться. Напротив, увеличивая долю шунгита, загружаемого ближе к периферии печи, можно увеличить долю кремния шунгита, окисляемого в фурменной зоне и железистыми первичными шлаками. При этом содержание кремния в чугуне будет уменьшаться. Изменяя площадь и положение кольцевой зоны, в которую загружают шунгит, можно, таким образом, регулировать содержание кремния в чугуне, не воздействуя на температурно-тепловой потенциал горна и высоту зоны плавления, от которых зависит содержание кремния в чугуне на выпуске, путем изменения расхода кокса или параметров дутья. Положение кольцевой зоны колошника, в которую необходимо загружать шунгит, согласно изобретению определено с помощью математического моделирования и опытным путем.

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 на 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.

Величина изменения (10-20%) площади кольцевой зоны, в которую необходимо загружать шунгит для коррекции содержания кремния в чугуне на 0,1%, получена в результате проведения опытных плавок. При меньшем значении величины изменения площади этой зоны не достигается желаемый результат, а при большей величине изменения площади зоны происходит изменение содержания кремния в чугуне, которое превышает 0,1%.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

В доменной печи объемом 3200 м³ (диаметр колошника 8,9 м), оборудованной бесконусным загрузочным устройством фирмы Paul Wurt, выплавляли предельный чугун, содержащий 0,4-0,6% кремния из железорудной смеси, включающей: агломерата - 88%, окатышей - 12% {содержание Fe в железорудной смеси 59,6%, основность железорудной смеси по модулю (CaO+MgO)/(SiО₂+Al₂О₃) - 1,13). При этом расход кокса на 1 т чугуна составлял 427 кг/т при расходе вдуваемого природного газа 106 м³/т чугуна и температуре дутья 1005^oС. При переходе на выплавку чугуна согласно изобретению в шихту добавили шунгит (содержание С 29%), в количестве 19 кг/т (4,4% от массы поступающего в печь углерода), загружая его вместе с коксом в кольцевую зону колошника, ограниченную радиусами, составляющими 0,65 и 0,85 радиуса колошника, т.е. в зону, расположенную на расстоянии 0,67 м от стенок колошника и имеющую ширину 0,89 м. Расход кокса на выплавку чугуна снизился до 413 кг/т чугуна без увеличения содержания кремния в чугуне. Производительность печи увеличилась на 0,6%. Содержание серы в чугуне снизилось на 0,002%.

При использовании шунгита в шихте согласно изобретению содержание кремния в чугуне регулировали, изменяя положение и площадь зоны, в которую загружали шунгит. Так, при снижении содержания кремния в чугуне на двух выпусках подряд до значений 0,30% и 0,20% соответственно, т.е. в среднем на 0,25% ниже заданного уровня (0,5%) для увеличения содержания кремния в чугуне шунгит стали грузить в зону, ограниченную радиусами 0,55-0,85 радиуса колошника, т.е. в зону, находящуюся от стенки колошника на расстоянии 0,67 м и имеющую ширину 1,33 м. При этом площадь кольцевой зоны колошника, в которую грузили шунгит, увеличилась с 18,65 м² до 26,12 м², т.е. на 40% за счет уменьшения радиуса внутренней границы этой зоны или на 16% на каждый 0,1% необходимого увеличения содержания кремния в чугуне. Спустя 5 ч (через два выпуска) содержание кремния в чугуне выросло до 0,45%, а на следующем выпуске - до 0,55%.

В другом случае при увеличении содержания кремния в чугуне до уровня 0,7-0,80 % на трех выпусках подряд для снижения уровня нагрева печи по кремнию шунгит стели загружать в более периферийную зону, ограниченную радиусами 0,65-0,90 радиуса колошника (зона на расстоянии 0,45 м от стенки колошника шириной 1,11 м) вместо зоны, ограниченной радиусами 0,65-0,85 радиуса колошника (зона на расстоянии 0,67 м от стенки колошника шириной 0,89 м). При этом площадь зоны увеличилась с 18,65 м² до 26,27 м² или на 29%, т.е. на 11,6% на каждый 0,1 % необходимого снижения содержания кремния в чугуне. Спустя 5 ч (через 2 выпуска) содержание кремния снизилось до 0,65%, а на следующем выпуске - до 0,55%. Стандартное отклонение содержания кремния в чугуне по выпускам в период плавок согласно изобретению оставалось в пределах 0,12-0,15%, что ниже значений этой величины в базовых периодах (0,13-0,16%). Таким образом, выплавка передельного чугуна согласно изобретению позволяет сократить расход кокса на выплавку чугуна, уменьшить его себестоимость, повысить качество чугуна и производительность печи.

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

2. Ефименко Г.Г., Левченко В.И., Гиммельфарб А.А. Металлургия чугуна, г. Киев. "Вища школа". 1982 г.

3. Патент РФ 2042714, МКИ С 21 В 5/00, заявл. 26.06.1993 г., опубл. 27.08.1995 г., бюл. 24.