Результат интеллектуальной деятельности: Способ ведения доменной плавки

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано для увеличения срока службы футеровки доменных печей в процессе выплавки передельного и литейного чугуна, а также ферросплавов. Увеличение межремонтного периода 1-го разряда возможно путем создания защитного гарнисажа в горне доменных печей и/или путем регулирования теплового режима доменной плавки, обеспечивающего выплавку чугуна с низкой степенью агрессивности по отношению к углеродистой футеровке металлоприемника.

Известен способ создания защитного гарнисажа в горне доменной печи, включает ввод в шихту, содержащую железорудную часть и кокс, гарнисажеобразующих добавок, содержащих оксиды титана, кальция, кремния и алюминия, загрузку шихты в печь, подачу в печь комбинированного дутья, выпуск чугуна и шлака. При реализации способа гарнисажеобразующую добавку загружают в периферийное кольцо колошника, ограниченное радиусами 0,8-1,0 радиуса колошника. Гарнисажеобразующую добавку загружают в печь в течение 3-8 суток, причем повторяют эту операцию 1,5-3,0 месяца и поддерживают при этом содержание гарнисажеобразующей добавки в шихте на уровне 3-10% от массы железорудной части шихты [Патент RU №2179583, МПК С21В 5/00, 2002].

Такой способ направлен на получение на стенках горна печи гарнисажного слоя, который должен выполнить функцию защиты футеровки от размывания и химического разрушения, вызванных воздействием жидких продуктов плавки.

Недостатком является то, что гарнисаж в процессе образования постоянно размывается жидким металлом и не образует достаточно толстый и прочный слой на стенках печи, что не позволяет существенно повысить стойкость футеровки и не способствует снижению агрессивности продуктов плавки к гарнисажу и углеродистой футеровке горна. Кроме того, для получения гарнисажа с заданными свойствами необходимо осуществлять проплавку гарнисажеобразующих добавок в течение длительного времени 3-8 суток через каждые 30-75 суток работы доменной печи, что снижает производительность доменных печей и увеличивает расход условного топлива.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ ведения доменной плавки, где расход вдуваемого газообразного топлива и содержание кислорода в дутье устанавливают с учетом выхода газов при неполном химическом сгорании вдуваемого газообразного топлива. Стабилизация теплового режима доменной плавки путем оптимизации параметров комбинированного дутья, обеспечивает снижение энергетических затрат и повышение качества чугуна [Патент RU №2190667, МПК С21В 5/00, 2002].

Недостатком данного способа является то, что он не учитывает влияние расхода природного газа и содержание кислорода в дутье на состав чугуна и, соответственно, не позволяет поддерживать состав чугуна, инертного по отношению к углеродистой футеровки горна.

Основной задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение срока службы футеровки печи, уменьшение тепловых потерь с охлаждающей водой и снижение удельного расхода условного топлива при выплавке чугуна путем сокращения случаев работы доменной печи с выдачей чугуна, агрессивного по отношению к углеродистой футеровке.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого изобретения -продление межремонтного периода 1-го разряда при эксплуатации доменных печей, выплавляющих передельный и литейный чугун, улучшение процессов фильтрации продуктов плавки через коксовую насадку и экономия условного топлива.

В предлагаемом способе ведения доменной плавки, включающем периодическую загрузку в доменную печь рудных материалов и кокса, контроль состава и количества рудных материалов и кокса, расходов дополнительного топлива, вдуваемого через фурмы в горн печи, дутья, химического состава колошникового газа и продуктов плавки, температуры чугуна, фактического содержания углерода в чугуне согласно изобретению осуществляют определение насыщенного содержания углерода каждого выпуска (С_н), поддерживают отношение фактического содержания углерода в чугуне (С_ф) к насыщенному в интервале (С_ф/С_н) 0,92-0,98, путем регулирования расхода природного газа, причем, при снижении отношения С_ф/С_н ниже 0,92 расход природного газа увеличивают на 2,0-10,0 м³/т чугуна на каждые 0,01 уменьшения указанного отношения при сохранении содержания кислорода в дутье, а при повышении отношения С_ф/С_н более 0,98 расход природного газа сокращают на 0,2-2,0 м³/т чугуна на каждые 0,01 повышения указанного отношения при сохранении содержания кислорода в дутье.

Изменение расхода природного газа при сохранении содержания кислорода в дутье производят после двух выпусков чугуна подряд, в которых отношение С_ф/С_н менее 0,92 или более 0,98.

Сущность способа заключается в том, чтобы при обеспечении контроля отношения фактического содержания углерода (С_ф) к насыщенному содержанию (С_н) С_ф/С_н его значение путем регулирования расхода природного газа поддерживается в безопасном для защитной футеровки горна диапазоне 0,92-0,98, обеспечивающем минимизацию растворения углерода футеровки. Химическое растворение углерода кладки чугуном возможно, если насыщенное содержание углерода в чугуне больше фактического его содержания в расплаве. Причем разность между насыщенным и фактическим содержанием углерода может существенно изменяться во времени при колебаниях температуры чугуна, которая зависит от теплового состояния горна. При нормальном ходе печи чугун обычно обладает достаточно высоким запасом растворенного и химически связанного углерода. Капли и струйки расплавленного чугуна имеют близкое к насыщению углеродом состояние. Но в момент прохождения через слой шлака происходят потери углерода, например, на восстановление из шлака в чугун марганца и кремния. При этом исходное насыщение чугуна углеродом определяется температурами, более близкими к температуре шлака, чем чугуна в нижней части горна. Это обуславливает обычно несколько более низкое фактическое содержание чугуна по сравнению с насыщенным. Насыщенное содержание углерода в чугуне определяли по формуле:

С_н=1,34+0,0025⋅Т-0,308×Si-0,34×Р-0,39×S-0,045×Ni+0,024×Mn+0,05×Cr+0,14×Ti+0,08×V, где

С_н - насыщенное (равновесное) содержание углерода в чугуне, %;

Т - температура чугуна, °С;

Si, Р, S, Ni, Mn, Cr, Ti, V - фактическое содержание элементов в чугуне - кремния, фосфора, серы, никеля, марганца, хрома, титана, ванадия, соответственно, %.

С одной стороны, чем ближе отношение (С_ф/С_н) приближается к 1,0, тем, при прочих равных условиях выше расход условного топлива, с другой стороны, чем ниже это отношение, тем больше вероятность химического растворения углерода кладки чугуном.

Проведенный анализ изменения состава и свойств чугуна, на доменных печах ПАО «Северсталь» различного объема показал, что отношение фактического содержания углерода к его насыщенному содержанию в стационарных условиях доменной плавки изменяется в достаточно широких пределах от 0,88 до 1,0.

Для определения рационального диапазона характеристик расплава по показателю (С_ф/С_н), обеспечивающего работу доменной печи в условиях, исключающих интенсивное взаимодействие расплава с углеродистой футеровкой и минимальным расходом условного топлива, проведены исследования процессов взаимодействия чугуна различного состава с углеродистой футеровкой в лабораторных условиях и на промышленных агрегатах.

На чертеже представлена схема лабораторной установки, моделирующей процессы взаимодействия металлоуглеродистого расплава и углеродистой футеровки.

1 - графитовый стержень;

2 - блок вращения;

3 - термопара;

4 - индукционная печь;

5 - тигель с крышкой;

6 - исследуемый материал (чугун переменного состава);

7 - огнеупорное стопорное кольцо;

8 - приемный бокс.

Эксперименты проводились следующим образом. В графитовый тигель диаметром 65 мм загружался чугун переменного состава массой 400 г и опускался в разогретую до 1400°С лабораторную печь в зону равномерных температур. После выдержки в течение 15 мин температуру в печи повысили до 1470°С-1500°С со скоростью 5°С/мин. При достижении заданной температуры в расплав вводился вращающийся графитовый стержень диаметром 8 мм на глубину 20 мм. Эксперимент проводился в течение 10 мин., после чего графитовый стержень извлекался, измерялись его геометрические размеры и взвешивался отсеченный от основной части графитового стержня исследуемый образец. Нагрев, выдержка и охлаждение проводились в инертной атмосфере. По потере массы графитового стержня оценивалась агрессивность расплава.

В таблице 1 приведены результаты лабораторных экспериментов: различные составы промышленного чугуна; насыщенное содержание углерода в чугуне для приведенных условий плавки; отношение фактического содержания углерода к насыщенному и изменение массы углеродистого образца к исходному состоянию.

Результаты лабораторных исследований показали, что интенсивное взаимодействие чугуна различного состава с углеродистым материалом начинается при соотношении С_ф/С_н менее 0,92 и усиливается в геометрической прогрессии при дальнейшем снижении показателя С_ф/С_н. При соотношении С_ф/С_н более 0,92 изменение потери массы в лабораторных исследованиях не зафиксировано.

Проведенный анализ изменения состава и свойств чугуна, на доменных печах ПАО «Северсталь» различного объема показал, что количество выпусков с С_ф/С_н<0,88 для печей различного объема в течение года находилось в пределах 0,8-1,0%, а выпусков с С_ф/С_н<0,92 - в пределах 5,50-6,4%.

Способ опробован на доменной печи объемом 5500 м³. В процессе доменной плавки в доменные печи периодически загружали железорудные материалы, содержащие 60,0-61,5% Fe_общ, контролировали состав и количество железорудных материалов и кокса, расходы дополнительного топлива, вдуваемого через фурмы в горн печи, дутья, технологического кислорода, природного газа. Измеряли температуру чугуна, рассчитывали насыщенное содержание углерода в чугуне и оценивали отношение фактического содержания углерода к насыщенному содержанию. Выплавляли передельный чугун следующего химического состава: Si - 0,25-0,55%; Mn - 0,15-0,45%; S - 0,015-0,045%; Р - 0,066-0,089%; С - 4,45-5,1%. Основность конечного доменного шлака по CaO/SiO₂ и (СаО+MgO)/SiO₂ выдерживали в пределах 0,93-1,03 и 1,22-1,32, соответственно. Расход природного газа изменяли в диапазоне от 106 м³/т чугуна до 124 м³/т чугуна. Содержание технического кислорода в дутье изменялось в пределах 30,5-31,5%.

В период опытных плавок при снижении показателя С_ф/С_н ниже 0,92 в течение двух выпусков увеличивали расход природного газа на 2,0-10,0 м³/т чугуна на каждые 0,01 снижения показателя С_ф/С_н при сохранении содержания кислорода в дутье.

При превышении значения 0,96 на 0,01 и более в течение двух выпусков подряд расход природного газа сокращали на 0,2-2,0 м³/т чугуна на каждые 0,01 при сохранении содержания кислорода в дутье.

Ниже приведены примеры реализации заявляемого способа в промышленных условиях. Технико-экономические показатели доменной плавки приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, когда отношение фактического содержания углерода к насыщенному содержанию (С_ф/С_н) находилось в рекомендуемых пределах 0,92-0,98 (таблица 2, периоды 1.1 и 2.1) корректировку расхода природного газа не проводили, состав продуктов плавки не изменялся. Тепловые нагрузки на холодильники системы охлаждения не изменялись.

При уменьшении С_ф/С_н ниже 0,92 (таблица 2, периоды 3.1, 4.1), не изменяя содержание кислорода в дутье, расход природного газа увеличили на 5,2 м³/т чугуна и 4,1 м³/т чугуна, соответственно. Вследствии этого, величина параметра (С_ф/С_н) увеличилась на 0,03 и 0,02, соответственно. При этом тепловая нагрузка на холодильники системы охлаждения в наиболее уязвимой зоне металлоприемника, стыка горна и лещади, в этих периодах снизилась на 3,0% и 2,8%, соответственно.

В условиях работы доменной печи объемом 5500 м³ с высоким значением С_ф/С_н (таблица 2, период 5.1) сокращение расхода природного газа на 5,8 м³ при сохранении содержания кислорода в дутье (таблица 2, период 5.2) привело к снижению параметра С_ф/С_н на 0,04 ед. При этом тепловые нагрузки на холодильники системы охлаждения на стыке горна и лещади в периоде 5.2 возросли незначительно.

За исследуемый период в течение 12 месяцев до применения предлагаемого способа расход условного топлива составлял 469,5 кг/т чугуна. После применения предлагаемого способа расход условного топлива уменьшился на 0,65% (на 3,06 кг/т чугуна), количество выпусков с показателем С_ф/С_н менее 0,92 сократилось с 5,8% до 1,4%. Приращение тепловых нагрузок на холодильники системы охлаждения в металлоприемнике за 12 месяцев использования заявляемого способа уменьшилось в среднем в два раза по сравнению с предыдущим аналогичным периодом.

В периодах с поддержанием оптимального соотношения С_ф/С_р=0,92-0,98 по заявляемому способу повышается сохранность футеровки металлоприемника, снижаются тепловые потери и уменьшается расход условного топлива.