Способ ведения доменной плавки

 

Сущность изобретения: регулирование свойств шлака ведут путем поддержания постоянным физико-химического параметра «шлакового расплава в пределах 0,85-1,05, Численное значение физико-химического параметра а находится как отношение сумм сил взаимодействия соответствующих анионов и катионов, обладающих основными свойствами, к сумме аналогичных показателей компонентов, обладающих кислотными свойствами, 2 табл., 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)я С 21 В 5/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4854520/02 (22) 14.05.90 (46) 15,01.93. Бюл. N 2 (71) Институт черной металлургии и Череповецкий металлургический комбинат (72) В.С,Хвостенко, В,А.Белецкий, Н.H,Èýþìñêèé, А.П.Пухов, Л.А.Сульман, В,Л.Сафрис, В,А,Улахович, А.К,Икконен и

Л.К.Брянцева (56) Авторское свидетельство СССР

К 1067046, кл. С 21 В 5/00, 1984, Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, конкретно к повышению устойчивости хода за счет гибкого регулирования физикохимических свойств шлака, зон вязко-пластичного состояния и плавления и может быть использовано в системе автоматического регулирования хода печи.

Известны способы ведения доменной плавки, в которых по заданной основности шлака определяют расходы шлакообразующих компонентов шихты, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ ведения доменной плавки, включающий изменение химического состава и расходов шлакообразующих компонентов шихты, желеэорудных материалов, кокса и флюса, отличающийся тем, что с целью повышения производительности и экономичности плавки за счет стабилизации металлургических свойств шлака, при количестве шлакообразующих компонентов свыше четырех расхо„„5U„„1788016 А1 (54) СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ДОМЕННОЙ

ПЛАВКИ (57) Сущность изобретения; регулирование свойств шлака ведут путем поддержания постоянным физико-химического параметра а шлакового расплава в пределах 0,85-1,05, Численное значение физико-химического параметра а находится как отношение сумм сил взаимодействия соответствующих анионов и катионов, обладающих основными свойствами, к сумме аналогичных показателей компонентов, обладающих кислотными свойствами, 2 табл., 1 ил. ды и химический состав шлакообразующих компонентов изменяют, поддерживая постоянными химический Л е и стехиометрический р параметры шихты в пределах 1,93—

1,98 и 0,68 — 0,70 соответственно, при этом численные значения химического Л е и стехиометрического р параметров находят путем решения уравнений, включающих табулированные значения ионных радиусов, зарядов и атомных долей химических элементов шлакообразующих.

Недостатком известного способа является отождествление структуры реального шлакового расплава в доменной печи с равновесной и устойчивой кристаллохимической системой, что не позволяет определять кинетические характеристики (вязкость, поверхностное натяжение и др,) в зависимости от переменных термических состояний пластичного материала и от электродвлжущих сил в реальном расплаве, Трактовка понятия "основность" шлакового расплава(СаО: Si0z); (СаО+ M90): Si02

1788016 ДО Ат.са, е +

100 МОЛ Càoò,< 2+ тот е2 МдО Ат.м

I00 Мол Mgo гM 2++г02—

$) SiOg Ат.у е А120з Ат,Ai . 100 Мол.во (r 4+ „2-Я 100 Мол,д 20з („з+ 1 г О,-)2 и (СаО+ MgO): (SION+ AizOz), как отношения механических смесей основных и кислых окислов, также не позволяют оценить причины и количественные меры изменения текучести шлака и зоны вязко-пластичного состояния при замещении в нем одного компонента другим при сохранении основности. При этом понятие "нейтральной",,"кислой" ипи "основной" шлаковой среды до настбящего времени не имеют количественного определения.

Целью изобретения" является повыше-. ние устойчивости хот дэти производительности доменной печи, сокфащение расхода кокса за счет определения положения и стабилизации зоны вязко-пластичного состояния путем гибкого регулирования физико-химических свойств шлака, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу ведения доменной плавки, включающему изменение химического состава и расходов шлакообразующих компонентов шихты, жепезорудных материалов, флюсов, кокса и других добавок, расходы компонентов и их состав изменяют, поддерживая постоянным физико-химический параметр а в пределах 0,85-1,05.

Фйзико-химический параметр шлакового расплава а оценивает как отношение сумм сил притяжения по одной вапентной связи анионов и катионов, обладающих основными свойствами, к сумме сил притяжения анионов и катионов, обладающих кислотными свойствами, По известному составу шлакообразующих с помощью этого параметра можно рассчитать вязкость реальных конечных и промежуточных шлаков при различной температуре, а значит оценить и регулировать протяженность зоны вязко-пластичного состояния.

Равенство сил взаимодействия (а=1) показывает, что шлаковый расплав облада. ет "нейтральными" свойствами, при а меньше единицы — "кислыми", а при а больше единицы — "основными" свойствами..

Использование отношения электродвижущих сил в одном параметре а позволяет учесть физико-химические особенности всех окислов, сульфидов и других соединений шлаковой системы во взаимодействии, исключает необходимость рассмотрения различных вариантов основности. При этом снимаются ограничения на область практического применения параметра а, присущие для известных показателей, Известен метод определения сил притя5 жения кислорода, однако он предполагает вести расчет с использованием всех вэлентных связей, что пригодно только при расчете изолированной двухкомпонентной системы, например СаО или Я)02 и т.д.

10 Для шлаков металлургического передела характерна ионная структура, В шлаковых расплавах положительные ионы металлов (катионы) связаны с отрицательными — кислородом, серой и др, (анионы).

15 Шлаковые расплавы состоят из смеси указанных компонентов или их комплексных соединений. Различные катионы в шлакоВ0М расплаве связаны между собой через анионы электронами, нахоцящимися на

20 внешних орбитах (оболочках), т.е. вапентными связями и образуют между собой различные комбинации. При этом катионы имеющие меньший ионный радиус обладают большей силой притяжения, поэтому че25 рез анионы они притягивают к себе те катионы, у которых радиус больше и обладающих меньшей силой притя>кения, Добавление каких-либо других катионов приведет к нарушению сбалансированных сил взаи30 модействия, Например, в двухкомпонентной системе Ca0 - ЯО2 один и тот же анион кислорода будет связан одновременно с катионом кальция и кремния, Катиону кремния легче удержать у себя, 35 через кислородную связь, катион обладающий меньшей силой взаимодействия с анионом кислорода. Разрыв связей Si - О - Si будет происходить по мере вытеснения Si другими катионами, обладающими мень40 шей силой взаимодействия и по мере увеличения концентрации последних. Отсюда следует, что прочность, например, указанной системы в целом, либо силу взаимодействия между отдельными катионами через

45 анионы можно оценивать по одной валентной связи.

С этой точки зрения целесообразно ввести физико-химический параметр шлакового расплава а, Выражение для расчета

50 указанного параметра, с учетом процентного содержания каждого компонента имеет вид

1788016 где a — физико-химический параметр шлакового расплава, доля единиц;

7, СаО, SION и т.д. — процентное содержание компонента расплава, обладающих . соответственно основными и кислотными 5 свойствами, ;

Атс, Атр — атомный вес основного и кислотного катиона (5);

Молс о; Молзюг — молекулярный вес соответствующей молекулы основного и кис- 10 лого катиона;

r c2+,; r s 4+ — ионный радиус основного и кислого катиона, нм (4); е — элементарный заряд, величина которого составляет 1,6021892 10 19 кл. (5).

Для оценки влияния взаимодействия аниона серы, фтора и др. с катионами необходимо в выражении (1) вместо ионного радиуса кислорода подставить ионный радиус принятого аниона.

В выражении (1) для конкретных компонентов расплава, кроме массовых их долей, все величины — постоянные, следовательно их можно заменить обобщенной соответствующей постоянной величиной. Выражение

25 (1) в этом случае примет вид:

Il, M) К Fi

i=1 (2) 30

g MI К F ,=1 где a — физико-химический параметр;

М и MI — массовое содержание шлакообразующего компонента обладающего, со- 35 ответственно. основными (!) и О) кислотными свойствами;

К и KI — коэффициент пересчета массового содержания шлакообразующего компонента на массовую долю соответству- 40 ющего ему катиона;

FI u Fi — кулоновская сила притяжения

i-го и J-го катиона и аниона по одной валентной связи; и и m — число шлакообразующих кампо- 45 нентов обладающих, соответственно, основными и кислотными свойствами.

Для удобства пользования в практике, рассчитаны коэффициенты характеризую- 50 щие свойства некоторых катионов для отдельных окислов шлакового расплава (табл.1), Физико-химический параметр шлакового расплава а позволяет рассчитать по известному составу шлакообразующих вязкость реальных конечных и промежуточных шлаков при различной температуре, а значит оценить и регулировать протяженность зоны вязко-пластичного состояния.

Известно, что при высокой температуре (1500 С) вязкость практически всех шлаков низкая, они хорошо подвижны (с величиной вязкости менее 0,6 Нс/м ). Вязкость 0,8— г

2,5 Нс/м характеризует зону "ползучего тег чения" (6) или условно ее можно считать зоной вязко-пластичного состояния, Протяженность зоны вязко-пластичного состояния будет тем больше, чем выше вязкость при минимальной температуре. Тяжелее при этом будут и газодинамические условия плавки.

Очевидно, что газодинамический режим плавки и качество чугуна можно значительно улучшить путем изменения физико-химического параметра а шлакового расплава.

Расчеты вязкости шлака выполняются по формуле I и

q=(а a +b .а+с) ек, (3) где r — вязкость, Hc/м; а,Ь.с — постоянные коэффициенты; е — основание натурального логарифма;

К вЂ” постоянная Больцмана;

Т вЂ” абсолютная температура, К;

u — энергия активации вязкого течения; а — физико-химический параметр шлакового расплава.

На чертеже представлена расчетная зависимость (3) вязкости шлака от физико-химического параметра.

Из зависимости следует, что минимальная вязкость шлаков при различных температурах достигается при a = 1,00, т.е. когда силы взаимодействия основных и кислотных составля|ощих уравниваются. При этом основность шлака по CaO/SI0z равна 1,127, а отношение А гОз/MgO, будет составлять

0,980. В этом случае протяженность зоны вязко-пластичного состояния будет минимальной, а вязкость шлака при температуре

1400 С не превышает 0,6 Нсlм (сечение А).

Видно, что разница вязкости шлака при температуре 1350 и 1550 С составляет 0,8 — 0,2 =

= 0,6 Нс/м . В сечении В эта разница состаг вит 1,38 — 0,28 = 1,10 Нсlмг; а в сечении С свыше 2,3 Нсlм . Это значит, что самой тяг

>келой в газодинамическом отношении является зона в сечении С. Наиболее благоприятная газодинамика достигается в сечении А. Следовательно, изменением состава и расхода шлакообразующих необходимо стремиться к тому, чтобы показатель а максимально приближался к 1.00.

Известно (7), что устойчивые по температуре плавления и вязкости шлаки можно получить путем увеличения содержания в них магнезии и изменении основности (Са О/SION), 1788016

30

В этом случае снижение основности и увеличение содержания магнезии в основных шлаках (а > 1,00) приведет к повышению их устойчивости, а повышение температуры начала плавления к сокращению протяженности зоны вязко-пластичного состояния. К аналогичным результатам приведет повышение основности и содержания магнезии в кислых шлаках (а < 1,0), Магнеэиальные шлаки лучше аккумулируют тепло в высокотемпературных зонах и приносят его в горн, способствуя перегреву чугуна и шлака, что значительно понижает вязкость последнего. Следовательно появляется возможность снижать содержание кремния в чугуне за счет увеличения рудной нагрузки без ухудшения его качества по содержанию серы, Сокращение протяженности зоны вязко-пластичного состояния улучшает газодинамику, что. позволяет увеличить расход дутья, з мерами воздействия

"сверху" повысить степень использования газа, а значит, и технико-зкономические показатели плавки.

В связи с существующей колеблемостью химсостава железорудного сырья физико-химический параметр (а) должен изменяться в пределах 0,85-1,05. Нижний предел физико-химического параметра 0,85 относится к шлакам с высоким содержанием глинозема (до 16%), а верхний — с меньшим (до 10%). При увеличении а свыше 1,05 резко увеличивается зона вязко-пластичного состояния. Снижение ниже 0,85 не желательно, так как несмотря на сравнительно незначительный рост зоны вязко-пластичного состоянйя заметно ухудшается качество чугуна по содержанию серы даже при малом поступлении ее с коксом. Предлагаемый. способ можно использовать в расчете соотношения компонентов шихты и в комплексном регулировании физико-химических свойств шлака, газораспределения и теплового состояния.

В качестве примера реализации предлагаемого способа на доменной печи объемом 5500 м в табл.2 приведены результаты корректировки шихты, программы загрузки и расхода дутья.

Предложенный режим отличался от исходного уменьшением параметра а в сторону (от 1,1 к 1,0) более устойчивых (нейтральных) шлаков (чертеж). На чертеже показано изменение вязкости шлака в зависимости от показателя а(физико-химического параметра - а) при различных температурах, Температура, С: 1-1550; 2-! 500; 3-1450; 4-1400; 5-1350. !-область вязко-пластичных состояний шлака (у „ р 0,6

Hc/м ), ll-область жидкоподвижных состояний шлака(r <0.6 Нс/м ), Появляющийся резерв по вязкости (текучести) использовался с целью снижения теплового резерва путем увеличения общей рудной нагрузки на 0,2 т/т с параллельным уменьшением площади осевой отдушины печи, Эти корректировки обусловили необходимость и возможность увеличения расхода дутья на 100 м /мин (табл.2).

В результате сравнения средних данных базового и достигнутого по предлагаемому способу режима плавки:

1) производительность доменной печи увеличилась с 10400 т/сут до 10600 т/сут;

2) удельный расход кокса сократился с

449 до 444 кг/т чугуна;

3) степень прямого восстановления (по

М.А,Павлову) снизилась с 36 до 35%.

Формула изобретения

1. Способ ведения доменной плавки, включающий изменение химического состава компонентов шихты и их расходов, контроль состава конечного шлака и чугуна, о тл и ч а ю шийся тем, что с целью сокращения расхода кокса и увеличения производительности печи, путем стабилизации вязкости шлака при стохастических колебаниях его состава и температуры, изменение химического состава компонентов шихты и их расходов ведут путем поддержания постоянным физико-химического параметра а шлакового расплава в пределах

0,85-1,05, при этом численное значение зтоro параметра определяют формулой

П

g М! К! F! а= !

=1

М! K> Fi !

=1 где п, m — число шлакообразующих компонентов, обладающих соответственно основными и кислотными свойствами; а — физико-химический параметр шлака, М!, М! — массовое содержание основных! и кислых j оксидов в шлаке;

Кь К! — коэффициент пересчета массового содержания шлакообразующего компонента в массовую долю соответствующего ему катиона;

Fl, F! — кулоновская сила притяжения!

-го, j-ro катионов по одной валентной связи.

2, Способ по п1, отл ич а ю щи йс я тем, что численное значение а определяют для данных условий плавки по периоду ее работы с максимальным выходом кондиционного по кремнию и сере чугуна, после чего

1788016

Таблица 1

Коэффициенты, характеризующие свойства некоторых катионов, входящих в состав шлака

* Обозначения указаны в описании, Таблица 2

Способ

Показатели исхОДныЙ и е лагаемый химический параметр (а) агрузка, т/т ение масс железорудных материаыши/агломерат), т/т ой добавки в подачу, т утья, нм /мин ма загрузки:

1,10

3,6

1,00

3,8

35/63

3,0

9050. Без изменений

Без изменений

Без изменений

Без изменений

К (8 — 5)

P (8-3) Беэ изменений

Без изменений вязкость шлака поддерживают в пределах

0,1-0,6 Н с/м, исходя из формулы

U т/=(а сР+Ь а+с) е" т, где у — вязкость, Н с/м:

2. а,Ь,с — постоянные коэффициенты;

К вЂ” постоянная Больцмана:

Т вЂ” абсолютная температура, К;

U — энергия активации вязкости течения;

a — физико-химический параметр шлакового расплава.

35/63

2,0

К (8-5)

P (9-5)

К (8-5)

P (9 — 4)

К (3-2)

P (9-4)

К (8-5)

Р(9 — 4)

К (8-5)

P (9-4)

К (8-5)

Р (9-4)

К (8-5)

P 9-4

1788016

О6 R8 10 2

Составитель B,Õâîñòåíêî

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

З.аказ 49 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5