Способ доменной плавки

 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах. Сущность: в способе доменной плавки, включающем загрузку подачами через колошник печи шихты из железорудных материалов, флюсов, кокса и углеродсодержащего материала, шихту загружают слоями, при этом углеродсодержащий материал с реакционной способностью, превышающей реакционную способность кокса, загружают между нижележащим слоем флюсорудной части шихты и вышележащим слоем кокса в каждой подаче, и его расход устанавливают равным 20-50% от массы чугуна, получаемого из одной подачи. Реакционная способность углеродсодержащего материала составляет 11,5-15 мл/гс. Использование изобретения позволяет снизить расход кокса на восстановение до 300-512 кг/т чуг. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах.

Известен способ доменной плавки, предусматривающий загрузку через колошник, шихты из железорудных материалов, флюсов, добавок и кокса со стабильным значением реакционной способности в пределах 0,25-0,75 мл/гс. Способ обеспечивает оптимальное соотношение индексов "непрямого" и "прямого" восстановления оксидов железа, минимальный удельный расход кокса и высокую производительность процессов доменной плавки. Увеличенный сверх 0,75 мл/гс показатель реакционной способности создает условия для чрезмерной газификации кокса по реакции: СО₂ + С 2СО Q, вызывает снижение коэффициентов полезного действия тепловой и химической энергии кокса в горне печи. Кокс с реакционной способностью менее 0,25 мл/гс не продуцирует достаточного количества газа-восстановителя в шахте печи, сдерживает развитие процесса непрямого восстановления, что является причиной увеличения удельного расхода кокса и снижения производительности процесса доменной плавки. Таким образом, недостатком способа является невозможность влиять на процессы продуцирования газа-восстановителя и восстановление оксидов железа в доменной плавке при имеющемся качестве кокса по показателю "реакционная способность".

Наиболее близким по сути и достигаемому техническому результату является способ доменной плавки предусматривающий загрузку в составе доменной шихты железорудных материалов, флюсов, кокса и углеродсодержащего материала-заменителя кокса.

В качестве заменителя кокса возможно использования отходов резинотехнических изделий.

Введение добавки, в частности в виде резинотехнических отходов увеличивает реакционную способность топливной части шихты, повышает концентрацию оксидов железа в шахте печи. Повышение индекса непрямого восстановления за счет углерода добавки и прямая замена части кокса его заменителями позволяет уменьшить затраты кокса в плавку. Возрастающие потери углерода с колошниковым газом в виде СО компенсируются низкой стоимостью резинотехнических отходов и возможностью утилизации тепловой и химической энергии (СО) колошникового газа.

Недостатками прототипа являются: отсутствие схемы привлечения заменителя кокса в состав шихты; недостаточное количество заменителя кокса по отношению к количеству СО₂, образующемуся в шахте печи при восстановлении оксидов железа. Совокупность указанных недостатков порождает параллельное, нерегулируемое протекание процессов газификации кокса и его заменителя в шахте печи под воздействием СО₂ и уменьшение эффективности блокирования процессов газификации кокса с повышением показателя его реакционной способности.

Целью изобретения является создание способа доменной плавки с применением в составе топливной части шихты углеродсодержащих материалов-заменителей кокса, выполняющих на плавке роль стабилизатора процессов газификации углерода.

При решении данной задачи обеспечивается стабильность величины коэффициентов полезного действия тепловой и химической энергии кокса в горне печи вне зависимости от реакционной способности кокса, обеспечивается трансформация режима доменной плавки с использованием заменителя части кокса в режиме доменной плавки с использованием стабилизатора процессов газификации углерода.

Это достигается тем, что в известном способе доменной плавки, предусматривающем загрузку подачами через колошник печи шихты из железорудных материалов, флюсов, кокса и углеродсодержащего материала заменителя кокса, шихту загружают слоями в пределах подачи, в качестве углеродсодержащего материала заменителя кокса используют углеродсодержащий материал с реакционной способностью, превышающей реакционную способность окса, заменитель загружают слоем между нижележащим слоем флюсо-рудной части и вышележащим слоем кокса каждой подачи в количестве 20-50% от массы чугуна.

Предпочтительно в качестве заменителя кокса, использовать углеродсодержащий материал с реакционной способностью 1,5-15 мл/гс.

Лучший результат получают тогда, когда расход заменителя кокса в интервале 20-50% от массы чугуна определяют по равенству в мольном исчислении между количеством кислорода в оксидах железа в рудной части шихты и углерода в заменителе кокса.

В качестве заменителя кокса можно использовать отходы резинотехнических изделий, или угли, или отходы органических полимерных материалов, или их смеси.

В качестве отходов резинотехнических изделий в частности можно использовать изношенные автомобильные покрышки, измельченные на куски 0,3-2,0 кг.

Способ основан на принципе частичной или полной замены углерода кокса углеродом заменителя, расходуемого в шахте печи на продуцирование газа-восстановителя по реакции СО₂ + СО 2СО Q.

Использование заменителя кокса возможно в широком диапазоне частот и сосредоточенности его загрузки, от равномерного привлечения в каждую подачу до разового привлечения в цикл загрузки; от сосредоточения в определенной зоне колошника до равномерного распределению по его сечению. Кокс при разовой и сосредоточенной схеме привлечения заменителя в основной своей массе не будет защищен от газификации, т.е. от расходования под действием СО₂. Истощение коксовых слоев и уменьшение механической прочности кусков кокса ввиду их газификации в шахте вызывает ухудшение газодинамической и дренажной способности зоны вязко-пластичного состояния и горна печи, требует увеличения удельного расхода в плавку.

При послойной загрузке шихты в процессе доменной плавки диоксид углерода из нижележащего слоя флюсо-рудной части подачи поступает в слой заменителя кокса и восстанавливается до монооксида. Монооксид углерода, покидающий слой заменителя и проходящий через слой кокса, не газифицирует и не расходует углерод кокса. Поэтому восстановление оксидов железа последующей подачи осуществляется за счет СО, образованного из углерода заменителя кокса предыдущей подачи. Процесс сохранения углерода кокса длится до полного расходования углерода заменителя.

Оптимальный удельный расход заменителя лежит в пределах 20-50% от массы чугуна, получаемого из одной подачи. Уменьшение удельного расхода заменителя кокса менее 20% не позволяет сформировать сплошной слой, защищающий кокс от газификации. Увеличение удельного расхода заменителя кокса сверх 50% вызывает рост прихода остатков заменителя в зону вязко-пластичного состояния, ухудшение ее газопроницаемости и дренажной способности.

В качестве заменителя используют кусковые углеродсодержащие материалы с достаточной механической прочностью, с содержанием углерода не менее 60% и с реакционной способностью от 1,5 до 15 мл/гс: отходы резинотехнических изделий, угли марок "тощий" и "слабоспекающийся", нефтяные и формованные коксы и т.д.

В качестве отходов резинотехнических изделий по изобретению предлагается использовать изношенные автомобильные покрышки, измельченные на куски 0,3-2,0 кг.

На фиг. 1 показана схема загрузки доменной печи и номограммы распределения расходов углерода кокса и заменителя кокса по известному (вариант 1) и предлагаемому (вариант 11) способу; на фиг. 2 потребность в удельном расходе кокса и топлива на выплавку чугуна в зависимости от соотношения количества углерода заменителя кокса и кислорода в оксидах железа шихты.

В плавке используют материалы с известными показателями металлургических свойств. Шихтовые материалы (фиг. 1) каждой подачи загружают в рабочее пространство доменной печи 1 послойно: на слой флюсо-рудной части 2 укладывают слой заменителя кокса 3 с последующей загрузкой слоя кокса 4. В процессе доменной плавки диоксид углерода из нижележащего слоя флюсорудной части подачи 2" поступает в слой заменителя кокса 3" и, проходя его, восстанавливается в нем до монооксида (СО). Монооксид углерода, покидая слой заменителя 3" и проходя сквозь слой кокса 4", не газифицирует его и не расходует углерод кокса. Восстановление оксидов железа последующей подачи 2 осуществляется за счет СО, образованного из углерода заменителя кокса предыдущей подачи 3". Повышенная по отношению к коксу реакционная способность заменителя обеспечивает смещение равновесия реакций восстановления в шахте печи вправо: СО₂ + С" 2СО Q₁ (1) FeO + CO Fe + CO₂ + Q₂ (2) где С" углерод заменителя кокса.

Смещение равновесия реакции газификации углерода кокса под действием высокой реакционной способности заменителя происходит влево: СО₂ + С 2СО Q₃ В результате смещения равновесия реакций 2 и 1 интенсифицируются процессы восстановления оксидов железа и тормозится расходование углерода кокса (фиг. 1).

Процессы восстановления Fe₂O₃ в FeO, отображаемые кривой 6, протекают интенсивнее и заканчиваются раньше в варианте 11, чем в варианте 1.

Убыль кислорода в шихте с перемещением в нижележащие горизонты печи, характеризуемая углом наклона прямой 5, в варианте 11 протекает интенсивнее, чем в варианте 1.

Количество кислорода шихты, отнятое за счет углерода заменителя кокса, в варианте 11 значительно больше, чем в варианте 1.

Процесс сохранения углерода кокса характеризуется кривой 7 и длится до полного расходования углерода заменителя. Потребность в углероде заменителя составляет величину, равную в мольном исчислении количеству кислорода в оксидах железа рудной части шихты 5 (фиг. 1). Соблюдение указанного равенства обеспечивает полное восстановление оксидов железа и полное расходование углерода заменителя к моменту поступления подачи в зону вязко-пластичного состояния 8. Полной газификации углерода добавки способствует реакция образования сажистого углерода: 2СО С + СО₂ + Q₄ Недостаточное количество углерода заменителя вызывает газификацию углерода кокса, а избыток заменителя вызывает загромождение им коксовых слоев в зоне вязко-пластичного состояния, ухудшение условий распределения и использования энергии газового потока.

Количество расходуемого в плавке кокса изменяют в зависимости от потребности в тепле на нагрев продуктов плавки в горне, на восстановление примесей (ванадий, титан, марганец, хром и т.д.) и на восстановление вторичноокисленного в фурменных очагах железа. Восстановительная работа в шахте печи выполняется полностью за счет углерода заменителя (9, фиг. 1).

Пример. Способ реализован на доменной печи объемом 1350 м³. Приход кислорода с оксидами железа шихты для всех вариантов постоянен и отвечает условиям проплавки гематитовой шихты, состоящей из Fe₂O₃, это составляет: в мольном исчислении 940: 56х3:2 25 кМоль/т чуг. в массовом исчислении 25х16 403 кг/т чуг. где 940 количество железа в тонне чугуна, кг, 56 и 16 атомные массы железа и кислорода в углеродных единицах, 3 и 2 количество атомов кислорода и железа в молекуле гематита (Fe₂О₃).

В качестве заменителя кокса для всех вариантов приняты отходы резинотехнических изделий (измельченные автомобильные покрышки) с показателем реакционной способности 7,5 мл/гс. Для вариантов по прототипу принят максимальный удельный расход заменителя кокса в соответствии с формулой 200 кг/т чуг. с 60% углерода, что соответствует 120 кг/т чуг. углерода. Для заявляемого способа удельный расход заменителя принят в 500 кг/т чуг. что соответствует 300 кг/т чуг. углерода или 25 кМолям.

Расход заменителя кокса изменялся в интервале 20-50% или 200-500 кг/т чуг. Углеродсодержащий заменитель кокса загружали послойно между нижележащим слоем флюсо-рудной части шихты и вышележащим слоем кокса в каждой подаче. После проплавления шихты фиксировался расход топливной части (кокс + заменитель кокса).

Результат сравнения результатов по известному способу и заявляемому приведены в таблице и фиг. на 2.

Из сравнения результатов плавки видно, что степень усвоения углерода заменителя в известном способе колеблется в интервале 0,45-0,55, а в предложенном способе вследствие приемов послойной завалки и регламентации расхода заменителя кокса в интервале 20-50% от массы чугуна степень усвоения углерода кокса составляет 1,0.

Наименьший расход кокса на плавке 300 кг/т чуг. наблюдается в случае, когда углерод в заменителе кокса, взятый в мольном исчислении, загружен в печь в количестве, равном количеству кислорода в мольном исчислении в оксидах железа в рудной части шихты, то есть когда отношение углерода к кислороду в молях в печи равно единице.

Отклонение от мольного равенства сверх 10% вызывает заметное снижение экономии кокса, а при отклонении 10% за пределы 20-50% расхода заменителя кокса расход кокса становится недопустимо высоким.

Таким образом, использование предложенного способа доменной плавки позволяет снизить расход кокса на восстановление до 300-512 кг/т чуг. при расходе топливной составляющей 600-632 кг/т чуг. Снижение в среднем составляет 176 кг/т чуг. кокса или 43% на восстановление при снижении расхода топливной составляющей на 86 кг/чуг. или 13%

Формула изобретения

1. Способ доменной плавки, включающий загрузку подачами через колошник печи шихты из железорудных материалов, флюсов, кокса и углеродсодержащего материала отличающийся тем, что шихту загружают слоями, между нижележащим слоем флюсорудной части шихты и вышележащим слоем кокса, в каждой подаче загружают слой углеродсодержащего материала, реакционная способность которого превышает реакционную способность кокса, при этом расход углеродсодержащего материала равен 20-50% от массы получаемого из одной подачи чугуна.

2. Способ по п.1 отличающийся тем, что используют углеродсодержащий материал с реакционной способностью 1,5-15 мл/г с.

3. Способ по п.1 отличающийся тем, что углеродсодержащий материал в интервале расходов его 20-50% от массы получаемого чугуна подают в количестве, обеспечивающем равенство в молярном исчислении между количеством кислорода в оксидах железорудной части шихты и углерода углеродсодержащего материала.

4. Способ по п.1 отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют отходы резинотехнических изделий, угли, отходы органических полимерных материалов или их смеси.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве отходов резинотехнических изделий используют изношенные автомобильные покрышки измельченные на куски по 0,3-2,0 кг.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3