Доменная печь

 

Использование: при выплавке чугуна в доменных печах, работающих с периодическим выпуском чугуна и шлака. Доменная печь содержит загрузочное устройство, установленное на колошнике, шахту распар, заплечики, горн, в котором установлены воздушные фурмы. Шлаковые и чугунные летки расположены на разных уровнях по высоте горна на расстоянии 0,1 - 0,2 высоты горна от уровня основных чугунных леток. 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах, работающих с периодическим выпуском чугуна и шлака.

Выплавка чугуна осуществляется в доменных печах, основными элементами которых являются колошник, шахта, распар, заплечики и горн. Загрузка сыпучих материалов: железорудного сырья, кокса, флюсов производится засыпным устройством на колошнике доменной печи, а подача высоконагретого, обогащенного кислородом воздушного дутья, инжектирующих топлив осуществляется в горн печи через воздушные фурмы. Для выпуска жидких продуктов плавки используются чугунные и шлаковые летки, находящиеся в нижней части горна печи.

На печах объемом 1000 м³ и более сооружают две и более чугунные летки. Н печах объемом 3000, 3200, 5000, 5500 м³ число чугунных леток увеличивают до 3-4, а расстояние между ними по окружности горна составляет 80-90^о. Расстояние всех чугунных леток от лещади горна (высота мертвого слоя) для данной печи одинакова. По мере улучшения подготовки сырья и уменьшении количества шлака по 400-450 кг/т чугуна и менее шлаковые летки теряют свое значение. В условиях доменной плавки отработку верхнего шлака практически не проводят и устройство шлаковых леток становится не обязательным. Выпуск чугуна и шлака осуществляют совместно периодически через чугунные летки. Выпуск продуктов плавки производится до полного удаления шлака из печи, о чем свидетельствуют горячие газы, вырывающиеся из печи (продув летки). Совместный выпуск чугуна и шлака через чугунную летку способствует улучшению контакта шлака и чугуна, повышает степень использования обессеривающей способности шлака, снижает содержание серы в чугуне.

Наиболее близкой по конструктивным признакам к заявляемому объекту является доменная печь, содержащая засыпной аппарат, колошник, шахту, распер, заплечики, горны, установленные в нем воздушные фурмы, чугунные и шлаковые летки расположенные в горне печи.

Однако такая конструкция доменной печи не обеспечивает в современных условиях рациональной тепловой и шлаковый режим доменной плавки и тем самым приводит к ухудшению качества чугуна перерасходу топлива и снижению производительности.

В доменных печах, работающих на богатой по железу шихте, выход шлака существенно снижается. Так, например, при содержании в шихте 80% окатышей ССГОКа и 20% агломератов местных фабрик выход шлака для условий работы доменных печей MMК составляет 200-230 кг/т чугуна. Степень достижения коэффициента распределения по сере приближается к единице, поэтому не удается получить чугун с низким содержанием серы. При выходе шлака менее 220 кг/т чугуна, как показывает опыт работы доменных печей ММК, значительно возрастает колебание теплового режима доменной плавки, связанные с уменьшением аккумуляции тепла в горне, снижением тепловой инерции печи. При этом уменьшается регулирующее воздействие шлака на химический состав чугуна. Роль же шлака как одного из основных регуляторов распределения тепла и химического состава чугуна утвердилась в научной литературе и убедительно подтверждается практикой.

Цель изобретения повышение качества чугуна и его температуры при выпуске из печи за счет разделения более качественного по составу и более физически нагретого чугуна от остальной массы чугуна, имеющей повышенное содержание серы и более низкую температуру.

Поставленная цель достигается тем, что доменная печь, включающая основные элементы: засыпной аппарат, колошник, шахту, распер, заплечики и горн, воздушные фурмы, чугунные и шлаковые ленты, расположенные в горне печи, в отличие от прототипа снабжена дополнительными чугунными летками на расстоянии 0,1-0,2 высоты горна от уровня чугунной летки.

Чугун, выпускаемый через дополнительные верхние чугунные летки, будет характеризоваться пониженным содержанием серы и более высоким физически и химическим нагревом чугуна. Основная масса серы переходит в шлак, когда через слой шлака фильтруются капли жидкого чугуна, скапливающегося в горне. Поэтому по мере накопления жидких продуктов плавки десульфурация протекает неравномерно сначала, когда в горне мало шлака, слабо, затем по мере накопления шлака в печи активность десульфурации возрастает. В связи с этим нижние слои чугуна будут иметь наибольшее содержание серы, а верхние слои будут характеризоваться пониженным содержанием серы. Температура расплава, поступающего в горн по ходу доменной плавки в цикле накопление-выпуск, изменяется циклически. По мере накопления жидких продуктов плавки скорость опускания коксовой насадки падает, вследствие этого растут температуры в печи, а следовательно и жидких продуктов плавки. Поэтому верхний чугун будет иметь на 50-100^оС более высокую температуру, чем нижний чугун. Как показывают расчеты и результаты исследований, по мере накопления жидких продуктов плавки в горне кокс внедряется полностью в шлак и частично в чугун. Слой кокса находится во взвешенном состоянии, а нижняя граница этого слоя в ряде случаев может достигать района нижней чугунной летки, т.е. существенная часть верхнего чугуна будет находиться в коксовой насадке, что создает дополнительный резерв тепла в верхнем чугуне в виде нагретой массы кокса, имеющей на 50-100^оС более высокую температуру, чем чугун. Как показывают исследования на относительно стабильно работающих печах, первые порции выпущенного чугуна из печи более холодные. При этом процессы восстановления кремния и марганца, так как же как и десульфурация, будет оставаться незавершенными и чугун будет содержать меньше кремния и марганца и больше серы.

При дальнейшем совместном выпуске чугуна со шлаком через дополнительные чугунные летки, расположенные между шлаковыми и чугунными летками на расстоянии 0,1-0,2 высоты горна, происходит интенсивное перемешивание чугуна и шлака благодаря чему улучшается взаимный контакт, а следовательно, создаются дополнительные условия для развития процесса обессеривания чугуна. Обработка меньшего количества верхнего чугуна относительно большим количеством шлака в канале чугунной летки осуществляется и при более (на 50-100^оС) высоких температурных чугуна и шлака, что также способствует повышению эффективности десульфурации, поскольку удаление серы из чугуна связано с эндотермическим эффектом реакции. Предложенная конструкция печи наиболее эффективна особенно в связи с сокращением выхода шлака. При малом выходе шлака в случае совместного выпуска чугуна и шлака через один нижний пояс чугунных леток, т.е. по способу-прототипу, степень достижения коэффициента распределения серы приближается к единице и резервы обессеривающей способности шлака на всю массу поступающего в горн чугуна как уже отмечалось, использованы практически полностью. В расчете же только на верхний чугун практически той же массы шлака его обессеривающая способность использована в меньшей степени.

В последующий период после продувки и закрытия дополнительной чугунной летки, открывается чугунная летка нижнего пояса и осуществляется выпуск жидких продуктов через этот пояс чугунных леток. При этом количество шлака, выпускаемое через нижний ряд леток совместно с чугуном, будет значительно меньше, чем отработанное количество через верхний пояс леток. Нижний чугун в среднем будет иметь повышенное содержание серы и пониженный физический и химический нагрев.

Таким образом, предложенная конструкция доменной печи обеспечит выделение более качественного по составу и более физически нагретого чугуна, выпускаемого через верхний пояс чугунных леток от чугуна с повышенным содержанием серы и пониженным физическим нагревом, выпускаемого через нижний основной ряд чугунных леток. Появляется возможность дальнейшего повышения обессеривающей способности шлака и регулирующего воздействия шлака на химический состав чугуна.

Максимальное расстояние чугунных леток верхнего пояса относительно существующего нижнего пояса, равное 0,2 высоты горна, обусловлено следующим обстоятельством. Высота слоя чугуна, расположенного выше оси нижнего ряда чугунных леток, в значительной степени зависит от глубины погружения в расплав столба кокса. Глубина же погружения кокса в чугун зависит от выхода шлака. Так, при выходе шлака 150 кг/т чугуна глубина погружения столба кокса в чугун составляет 1,2 м, а суммарная высота слоя чугуна над уровнем нижнего ряда чугунных леток 1,3 м, т.е. нижняя граница столба кокса находится практически на уровне нижнего ряда чугунных леток. При выходе шлака 450 кг/т чугуна столб кокса погружен полностью только в шлак и в значительно меньшей степени в чугун. Верхний уровень чугуна располагается на расстоянии 0,2 высоты горна от уровня чугунных леток. Если верхний ряд чугунных леток будет располагаться на расстоянии более 0,2 высоты горна, то при выходе шлака 400-450 кг/т чугуна и более выпуск чугуна через этот ряд леток становится затруднительным, т.к. уровень чугуна в горне ниже месторасположения верхнего ряда чугунных леток. Граничное значение выхода шлака, равное 450 кг/т чугуна, обусловлено тем, что при превращении этого значения выпуск жидких продуктов плавки без отработки верхнего шлака проблематичен. Это подтверждается теорией и практикой доменных печей.

Минимальное расстояние верхнего пояса чугунных леток относительно основного нижнего пояса чугунных леток, равное 0,1 высоты горна, обусловлено следующими обстоятельствами. Во-первых, характером движения расплава при выпуске через чугунную летку. Известно, что в процессе выпуска из печи к летке поступает примерно до 50% чугуна из области, расположенной ниже. В связи с этим минимальное расстояние выбрано из условия, что через верхний ряд леток не выпускался чугун, расположенный ниже оси нижней чугунной летки. Во-вторых, при понижении верхнего ряда чугунных леток, возрастает количество расплава, в том числе и чугуна, выпускаемое из печи через этот пояс леток. При этом чем меньше выход шлака, тем на большую глубину опускается столб кокса в чугун и большая доля чугуна будет выпускаться через этот верхний ряд чугунных леток. При выходе шлака 150 кг/т чугуна до 65-70% чугуна будет выпускаться через верхний ряд леток, расположенный на минимально возможном уровне. Такое увеличение массы чугуна при малом выходе шлака делает проблематичным достижение поставленной цели.

Обессеривающая способность шлака в расчете только на верхний чугун будет использована практически полностью. В результате качество верхнего и нижнего чугуна будет одинаково, т.е. не обеспечивается выделение более качественного чугуна.

Не известна доменная печь с расположением чугунных леток на двух уровнях, отстоящих друг от друга на заявляемом расстоянии, кроме того указанные признаки не следуют явным образом из существующего уровня техники, следовательно, данное решение способствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже дана схема предлагаемой доменной печи.

Доменная печь содержит загрузочное устройство 1, установленное на колошнике 2, шахту 3, распар 4, заплечики 5, горн 6, в котором установлены воздушные фурмы 7, шлаковые летки 8 и чугунные летки 9 и 10, расположенные на разных уровнях по высоте горна на расстоянии 0,1-0,2 высоты горна от уровня чугунных леток.

Доменная печь работает следующим образом. Загрузка железорудных материалов, кокса, флюсов производится засыпным устройством 1 на колошнике доменной печи 2, подача высоконагретого, обогащенного кислородом воздушного дутья осуществляется в горн 6 печи через воздушные фурмы 7. В результате восстановления и плавления железорудных материалов формируется в печи чугун и шлак, накапливающиеся в горне 6 печи.

В случае плавки бедного железорудного сырья и повышенном выходе шлака производится предварительное скачивание верхнего шлака через шлаковую летку 8. При пониженном выходе шлака после накопления расплава в горне открывается верхняя летка 9 и осуществляется совместный выпуск чугуна со шлаком. После окончания выпуска жидких продуктов плавки и продувки этой летки 9 производится ее закрытие. В дальнейшем открывается нижняя летка 10 и производится выпуск оставшейся массы расплава из печи. После окончания выпуска и закрытия нижней чугунной летки 10 вновь происходит накопление расплава в горне 6 и повторяется цикл открытия и закрытия леток 8, 9, 10.

П р и м е р. Описание реализации приведено применительно к условиям работы доменной печи, объемом 2014 м³. Печь оборудована двумя литейными дворами, имеет две чугунные летки, расположенные на одном уровне. Рудная часть шихты состоит из 60% окатышей ССГОКа и 40% агломерата. Производительность печи составляет 4910 т/сут, выход шлака 320 кг/т чугуна при расходе кокса 410 кг/т чугуна. Печь работала на комбинированном дутье с вдуванием в воздушные фурмы 120 м³/т чугуна природного газа и обогащении дутья кислородом до 27% Печь выплавляла передельный чугун с температурой 1440^оС с содержанием кремния 0,57% и серы 0,025% Скачивание верхнего шлака не производилось, а совместный выпуск чугуна и шлака осуществлялся поочередно через чугунные летки по 14-разовому графику выпуска чугуна и шлака.

Доменная печь дополнительно оборудована двумя верхними чугунными летками, расположенными на расстоянии 0,5 м выше оси основных леток, что составляет 0,14 высоты горна доменной печи. Дополнительные летки располагаются под нижними чугунными основными летками со смещением на 30-90, 180^о (в зависимости от количества литейных дворов на печи и размеров литейного двора, если он один). На доменной печи два литейных двора, смещенных относительно друг друга на 180^о, поэтому целесообразно одну летку (нижнего пояса) расположить на одном литейном дворе, а другую летку (верхнего пояса) на другом литейном дворе. Когда доменная печь оборудована одним литейным двором, то второй пояс с дополнительной (нижней и верхней) чугунной леткой целесообразно располагать со смещением угла как минимум 30^о, иначе будут трудности в размещении оборудования для обслуживания чугунных леток и при производстве горновых работ на одной из леток во время выпуска продуктов плавки на другой чугунной летке. Когда печь оборудована круглым литейным двором, то пояса верхних и нижних чугунных леток целесообразно располагать со смещением 90^о относительно друг друга, т.е. две верхних чугунных летки, диаметрально расположенных, смещаются на 90^о относительно двух нижних чугунных леток, тоже расположенных диаметрально.

После выпуска чугуна со шлаком через одну из леток нижнего уровня и ее продувки осуществляется ее закрытие. Примерно через 40 мин после закрытия этой летки и накопления расплава в горне производится открытие верхней летки, расположенной с противоположной стороны по отношению к ранее закрытой нижней чугунной летке, и осуществляется совместный выпуск чугуна и шлака через эту верхнюю летку в течение примерно 20-25 мин. После окончания выпуска жидких продуктов плавки и продувки верхней летки производится ее закрытие. В последующем через небольшой интервал времени, обусловленной технологическими причинами, открывают верхнюю чугунную летку, которая оборудована на диаметрально расположенном литейном дворе и осуществляют выпуск основной массы расплава, в основном чугуна, в течение примерно 25-30 мин. После окончания выпуска, продувки и закрытия этой верхней чугунной летки вновь происходит накопление жидких продуктов плавки в горне. В дальнейшем такой же цикл открытия и закрытия чугунных леток повторяется для нижнего уровня леток. При этом доля чугуна выпускаемого через верхнюю летку составит примерно 30% т.е. через основную нижнюю летку будет выпускаться 70% массы чугуна. Содержание серы в верхнем чугуне составит 0,020% а в нижнем 0,027% температура верхнего чугуна равна 1490^оС, а нижнего 1420^оС.

Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает возможность выделения более качественного по составу и более физически нагретого чугуна, выпускаемого через верхнюю летку, от чугуна с повышенным содержанием серы и пониженным физическим нагревом, выпускаемого через нижнюю летку, при этом появляется возможность дальнейшего повышения обессеривающей способности шлака и его регулирующего воздействия на химический состав чугуна.

При расположении верхней чугунной летки на расстоянии 0,8 м т.е. 0,22 высоты горна, через верхнюю чугунную летку будет выпускаться в основном шлак, а почти весь чугун будет выпускаться через нижнюю основную летку. Температура чугуна будет равна 1440^оС, а содержание серы в чугуне составит 0,025% При расположении дополнительной верхней чугунной летки на расстоянии 0,3 м и 0,08 высоты горна от уровня нижней летки через верхнюю чугунную летку будет выпускаться 70-75% массы чугуна, накопившегося в горне за период между смежными выпусками. Температуры верхнего и нижнего чугуна, содержание в них серы будут примерно одинаковыми и составят соответственно 1440^оС и 0,025% Ниже приводятся расчеты работы доменной печи.

Расчеты выполнены применительно к условиям работы доменной печи, выплавляющей передельный чугун, имеющей объем 2014 м³, оборудованной двумя чугунными летками. Площадь горна S_г 74,6 м². Число выпусков 14 в сутки; выход шлака 300 кг/т чугуна. Плотность чугуна ρ_ч 7,0 т/м³, шлака ρ_шл 2,7 т/м³.

1. По данным И.С.Куликова и А.Л.Галатонова степень достижения равновесия по сере определяется соотношением: γ 22,4/Ш^0,6, где γ степень достижения равновесия по сере; Ш выход шлака кг/т чугуна.

Тогда при существующей технологии γ 0,73, а при Ш 220 кг/т чугуна γ 0,89; Ш=200; γ 0,93.

2. Глубина погружения кокса в жидкие продукты плавки перед их выпуском рассчитывается по соотношению: h_погр=h где β коэффициент заполнения горна β 0,41; ε 0,45 порозность слоя кокса; Δ h расстояние между чугунной и шлаковой летками, равное 1,6 м.

Тогда h_погр=1,6=1,72 м 3. Высота слоя шлака в горне: h_шл V_шл/(S_г ε), где V_шл объем шлака в горне.

V_шл 38,1 м³; h_шл 1,13 м 4. Высота слоя чистого чугуна в горне без кокса h_чуг определяется из соотношения: h_погрS_г ε + h_чугS_г V_Σ
или
h_чуг 0,39 м где V_Σ общий объем расплава в горне.

V_Σ= V_чуг+V_шл + 87,1 м³ где V_чуг 49 м³ объем чугуна в горне.

5. Высота слоя чугуна, расположенного в коксовой насадке:
h_чуг^к h_погр h_шл 1,72-1,13 0,59 м.

6. Суммарная высота расплава в горне выше уровня основного ряда чугунных леток N 2.

h_Σ h_шл + h_чуг^к + h_чуг 1,13 + 0,59 +
+ 0,39 2,11 м.

7. Доля чугуна, выпускаемого через верхний ряд чугунных леток:
приlʹ≅ h_чуг, V^в_чуг=
приlʹ≥ h_чуг, V^в_чуг
В данном случае l' l˙h_г 0,1˙3,6 0,36 м < h_чуг,
V^в_чуг = 0,45 м³
Аналогичным образом рассчитываются указанные параметры для других условий работы печи. Результаты вычислений представлены в таблице.

Формула изобретения

ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ, содержащая засыпной аппарат, колошник, шахту, распар, заплечики, горн, воздушные фурмы, чугунные и шлаковые летки, расположенные в горне печи, отличающаяся тем, что печь снабжена дополнительными чугунными летками, расположенными на одном уровне между шлаковыми и чугунными летками на расстоянии 0,1 0,2 высоты горна от уровня основных чугунных леток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2