Способ доменной плавки титаносодержащего железорудного сырья

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству чугуна в доменной печи. Способ включает загрузку в печь сырья совместно с коксом и добавкой, содержащей оксид марганца. При этом расход добавки зависит от поступления окислов титана и определяется по формуле М_шл=1,48 х где - количество титана в виде TiO₂, вносимого с шихтой, кг/т чугуна; [Ti] - содержание титана в чугуне, кг/т чугуна; TiO_(Tio) - содержание титана в виде (Ti0) в шлаке, кг/т шлака; Ш - удельный выход шлака, т/т чугуна; К - эмпирический коэффициент, учитывающий долю МnО, расходуемого на восстановление карбидов и карбонитридов титана (численное значение этого коэффициента составляет 0,5 - 0,8); L_Mn - коэффициент распределения марганца между шлаком и чугуном, кг/кг; (МnО) - содержание МnО в шлаке, %. Использование изобретения позволит улучшить показатели работы доменной печи и снизить потери чугуна со шлаком. 1 табл., 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству чугуна.

Известен способ доменной плавки титансодержащего сырья (Технологическая инструкция "Производство чугуна", ТИ 102-Д-78-95, АО "Нижнетагильский металлургический комбинат", г. Н-Тагил, 1995 г.) при котором, с целью уменьшения образования карбидов и карбонитридов титана предусмотрена выплавка чугуна с низким нагревом. При этом предусматривается получение чугуна с содержанием кремния в чугуне в пределах 0,1-0,3%, температурой 1450±25^oC, основностью шлака 1,05-1,2 и теоретической температурой горения в пределах 1950-2100^oC.

Недостаток аналога заключается в том, что он не предусматривает каких-либо мероприятий, направленных на борьбу с образованием карбидов и карбонитридов титана, образование которых происходит даже при холодном ходе печи, хотя и в меньшей степени. При этом потери металла с карбидами и карбонитридами доходят до 10-15%. Кроме того, технология, ориентированная на выплавку холодных чугунов, не выгодна для использования таких чугунов при производстве стали в мартеновских печах, где требуется высокий физический и химический нагрев чугуна.

Прототипом способа является патент 2034031C, C 21 B 5/02, предусматривающий использование в шихте для производства чугуна от 10 до 30% первичного мартеновского шлака, содержащего 20-25% FeO, 23-26% CaO, 19-20% SiO₂, 7-9% MgO, 7-8% MnO, 4-5% Al₂O₃. Сущность способа заключается в снижении вязкости шлаков за счет уменьшения образования в печи карбонитридов титана и гренали.

Недостатком прототипа является то, что способ не учитывает зависимость количества титана, переходящего в карбиды и карбонитриды при изменении нагрева печи. Кроме того, закись железа восстанавливаются при более низких температурах, чем закись марганца, что требует более высоких концентраций добавки в шихте. Еще одним недостатком первичного мартеновского шлака является повышенное содержание в нем фосфора, который в доменной печи полностью переходит в чугун.

Технический результат - улучшение показателей работы доменных печей при плавке титансодержащего сырья за счет снижения доли карбидов и карбонитридов титана в продуктах плавки.

Технический результат достигается тем, что доменная плавка титансодержащего железорудного сырья включает загрузку его в печь совместно с коксом и добавкой, содержащей оксид марганца, выпуск чугуна и шлака, при этом, согласно изобретению, определяют количество титана в виде диоксида в шихте кг/т чугуна, количество титана в чугуне [Ti] кг/т чугуна, количество титана в виде оксида в шлаке Ti_(TiO) кг/т шлака, удельный выход шлака Ш т/т чугуна, содержание оксида марганца в шлаке (MnO)%, и вычисляют расход добавки, содержащей оксид марганца М_шл кг/т чугуна из соотношения где К - эмпирический коэффициент, учитывающий долю MnO, расходуемого на восстановление карбидов и карбонитридов титана, равный 0,5-0,8; L_Mn - коэффициент распределения марганца между шлаком и чугуном, кг/кг.

Находящийся в составе титансодержащих железорудных материалов диоксид титана (TiO₂) последовательно восстанавливается в доменной печи по следующим реакциям: TiO₂+C=TiO+CO, TiO+C=Ti+CO Термодинамический анализ приведенных реакций показывает, что восстановление оксидов титана с заметной скоростью начинается при температуре 1300^oC.

Получающийся металлический титан взаимодействует с углеродом, а также и с азотом с получением карбидов (TiC), карбонитридов (TiCN) и нитридов (TiN) титана: Ti+C = TiC,
Ti+C+N = TiCN,
Ti + N = TiN
Образующиеся соединения имеют исключительно высокие температуры плавления - более 3000^oC (к примеру, TiC - 3420^oC). Поскольку температура чугуна и шлака при доменной плавке редко превышает 1450-1500^oC, то указанные карбиды и карбонитриды титана находятся в расплавах в виде твердых фаз.

Наличие карбидов титана в продуктах доменной плавки подтверждается в результате анализа баланса титана, который можно представишь в следующем виде:

где - количество титана в виде TiO₂, вносимого с шихтой, кг титана на тонну чугуна,
[Ti] - содержание титана в чугуне, кг титана на 1т чугуна,
Ti_(TiO) - содержание титана в виде (TiO) в шлаке, кг титана на 1 т шлака;
Ш - удельный выход шлака т/т чугуна;
Ti_TiC - количество титана в виде карбидов и карбонитридов, кг титана на 1 т чугуна.

На чертеже представлена зависимость количества титана в виде карбидов и карбонитридов от содержания кремния в чугуне, принятого за показатель нагрева печи, построенная по усредненным за неделю данным о плавке титансодержащего сырья на доменных печах Серовского металлургического завода. Потери чугуна при плавке Качканарского сырья в доменных печах Серовского металлургического завода доходят до 17%.

С ростом температуры и времени выдержки расплавов в горне печи образование TiC и TiCN прогрессивно возрастает, что сопровождается их накоплением в горне доменной печи. Плотность карбидных и карбонитридных образований титана ниже плотности чугуна (плотность карбида титана 4,93 г/см³, а плотность чугуна - 6,9 г/см³), но выше плотности шлака (плотность шлака - 2,6-2,8 г/см³). Указанные образования, не растворимые в чугуне и шлаке, образуют третью фазу - греналь, которая практически не отделяется от чугуна в главном горновом желобе и попадает в чугуновозы и шлаковозы. Это приводит к увеличению удельного расхода железа на 1 т товарного чугуна.

Появление в расплавах чугуна и шлака твердых фаз карбидов и карбонитридов титана имеет еще одну крайне неблагоприятную сторону. Образующиеся в этом случае твердые оболочки из TiC и TiCN препятствуют укрупнению (каогуляции, сливанию) капель чугуна, что приводит к увеличению потерь чугуна, уносимого из главного горнового разделительного желоба при выпуске чугуна из горна печи.

Наличие твердых частиц карбидов и карбонитридов титана в шлаке делает шлак гетерогенной (неоднородной) системой, что сопровождается возрастанием кажущейся вязкости этого шлака. Влияние доли твердых фаз в шлаковой системе на его вязкость описывается уравнением А. Энштейна
η/η₀ = (1 + 2,5 × ϕ) + 7 × ϕ²+ ...
где η - фактическая кажущаяся вязкость гетерогенного шлака (с находящимися в нем твердыми частицами TiC и TiCN), Па·с;
η₀ - вязкость гомогенного (однородного) шлакового расплава (без твердых частиц), Па·с;
ϕ - доля твердых частиц (фаз) в шлаке, кг/кг.

При увеличении нагрева горна печи и увеличении температуры нагрева расплавов чугуна и шлака восстановление оксидов титана и образование карбидов и кабонитридов титана интенсифицируется, что вызывает прогрессивное возрастание вязкости гетерогенного шлакового расплава.

Если, к примеру, вязкость гомогенного шлака при температуре 1450^oC составляет 0,45 Па·с (для условий плавки Качканарского железорудного сырья в доменных печах АО "Серовский металлургический завод"), то уже при доле твердых фаз ϕ = 0,1 кг/кг шлака (10 мас.%) кажущаяся вязкость шлака будет в 1,32 раза выше указанной и составит около 0,6 Па·с, что приближается к предельным рекомендуемым значениям по этой характеристике шлака.

Рост потерь металла со шлаком при увеличении вязкости шлака и малом размере капель чугуна связан с малой скоростью осаждения капель чугуна в шлаке, которая описывается уравнением Стокса:
W = (2/9) × {[g × r²×(ρ_ч-ρ_шл)]/η}
где W - скорость осаждения капель чугуна в шлаке;
g - ускорение свободного падения;
r - радиус капли чугуна;
ρ_ч - плотность чугуна;
ρ_шл - плотность шлака,
где η - вязкость шлака.

Для снижения карбидных и карбонитридных масс титана в горне печи и уменьшения концентрации капель чугуна в шлаке, имеющих карбидную и карбонитридную оболочку, предлагается повысить окисленность шлака в нижней зоне печи путем ввода в шихту добавки в виде марганцевистого шлака (так называемого "зеленого" шлака), получающегося при доменной плавке ферромарганца или "зеркального" чугуна. Шлак, получающийся при выплавке таких чугунов, характеризуется содержанием монооксида марганца (MnO), доходящего до 12-20%. Из-за низкой восстановимости MnO и низкой температуры плавления в первичных, промежуточных и конечных шлаках повышается содержание MnO. При этом протекает следующая реакция:
[TiC] + (MnO) = [Mn] + [Ti] + {CO} (10)
В результате этой реакции разрушаются карбидные и карбонитридные оболочки, что способствует достижению поставленной цели.

Из стехиометрии уравнения (10) получается, что для окисления 1 кг титана, находящегося в виде карбидов и карбонитридов, требуется 1,48 кг MnO.

Расчет массы добавки, содержащей оксид Mn, для окисления заданного количества титана, находящегося в виде карбидов и карбонитридов, осуществляется по уравнению

где - количество титана в виде TiO₂, вносимого с шихтой, кг титана на 1 т чугуна;
[Ti] - содержание титана в чугуне, кг титана на 1 т чугуна;
Ti_(TiO) - содержание титана в виде (TiO) в шлаке, кг титана на 1 т шлака;
Ш - удельный выход шлака, тонн шлака на 1 т чугуна;
(MnO) - содержание MnO в шлаке, %;
К - эмпирический коэффициент, учитывающий долю MnO, расходуемого на восстановление карбидов и карбонитридов титана (численное значение коэффициента 0,5-0,8);
L_Mn - коэффициент распределения марганца между шлаком и чугуном, кг/кг.

Пример конкретного выполнения
Проводилась доменная плавка с использованием в шихте Качканарского сырья (60% окатышей и 40% агломерата), кокса и марганецсодержащего сырья. Измерялись химический состав чугуна и шлака и потери чугуна. Результаты плавки в сопоставлении с предлагаемым вариантом приводятся в таблице.

Анализ приведенных данных показывает, что предлагаемый способ позволяет улучшить показатели работы доменной печи, при этом потери чугуна со шлаком снижаются.

Формула изобретения

Способ доменной плавки титаносодержащего железорудного сырья, включающий загрузку его в печь совместно с коксом и добавкой, содержащей оксид марганца, выпуск чугуна и шлака, отличающийся тем, что определяют количество титана в виде диоксида в шихте кг/т чугуна, количество титана в чугуне [Тi] кг/т чугуна, количество титана в виде оксида в шлаке Ti_(TiO) кг/т шлака, удельный выход шлака Ш т/т чугуна, содержание оксида марганца в шлаке (MnO)% и вычисляют расход добавки, содержащей оксид марганца М_шл кг/т чугуна из соотношения

где К - эмпирический коэффициент, учитывающий долю MnO, расходуемого на восстановление карбидов и карбонитридов титана, равный 0,5 - 0,8;
L_Mn - коэффициент распределения марганца между шлаком и чугуном, кг/кг.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2