СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЧУГУНА И КОНЕЧНОГО ТИТАНИСТОГО ШЛАКА Российский патент 1996 года по МПК C21B7/14 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам отделения чугуна от шлака после их совместного выпуска из доменной печи, работающей на титаномагнетитовом железорудном сырье.

Типовым способом разделения чугуна и шлака [1] после совместного их выпуска из доменной печи является реализация эффекта саморазделения покоящихся жидкостей под действием разности их удельных весов. Продукты плавки (чугун и шлак) из доменной печи выпускают совместно через летку в разделительное устройство.

Чугун и шлак накапливаются в разделительном устройстве и под действием разности их удельных весов разделяются на два слоя: нижний слой из чугуна (ввиду большого его удельного веса) и верхний слой из шлака. После накопления и разделения заданного количества продуктов плавки в разделительном устройстве образуется два потока жидкости,соответствующих сформировавшимся слоям: нижний поток (чугун), пройдя под скиммерной плитой через перевал, поступает в желоб для транспортировки жидкого чугуна, верхний поток (шлак), пройдя через перевал в окне, поступает в желоб для транспортировки жидкого шлака.

Недостатком способа является то, что в нижней части шлакового потока образуется промежуточный слой, обогащенный каплями чугуна. При достижении промежуточным слоем уровня шлакового перевала возникает уход чугуна со шлаком в транспортировочный шлаковый желоб.

Практика проплавки титаномагнетитового железорудного сырья показывает, что металлосодержание отвального доменного шлака составляет 10,6% при средних потерях чугуна со шлаком во время выпуска из печи,проплавляющей обычную доменную шихту, на уровне 4,5% Потери чугуна при проплавке титаномагнетитового железорудного сырья вызваны высокой толщиной промежуточного слоя, возникающего в разделительном устройстве. Высокая толщина промежуточного слоя создается карбидами титана, оформленными в конечном шлаке в виде "гренали" [2] "Греналь" (капля чугуна в оболочке карбидов титана с диаметром поперечного сечения от 0,5 до 5 мм) взвешена в шлаке силами адгезии (прилипания) между соединениями титана. Наибольшей работой адгезии обладают карбиды титана на поверхности капель чугуна к низшим оксидам титана (ТiO) в шлаке.

Силы адгезии между карбамидами титана, греналями и низшими оксидами конечного шлака вызывают формирование шлако-металлической эмульсии с плотностью, в 1,5-2,0 раза большей плотности "чистого" конечного шлака. Шлако-чугунная эмульсия формируется в виде вышеуказанного промежуточного слоя, содержит большое количество капель чугуна и обогащена низшими оксидами титана. Количество гренали и величина потерь чугуна со шлаком прямо пропорциональны количеству титана в продуктах плавки и степени его восстановленности, т. е. содержанию ТiO и ТiC. В то же время известно, что перевод низших (ТiO) окислов титана в высшие (TiO₂) в конечном доменном шлаке [3] улучшает процесс разделения чугуна и шлака.

Наиболее близким (по технической сущности и достигаемому результату) является способ [4] разделения продуктов доменной плавки, включающий совместный выпуск продуктов плавки из доменной печи в разделительное устройство, ввод присадок и окисление карбидов титана конечного шлака в типовом разделительном устройстве. В качестве реагента-окислителя в разделительное устройство вводят кусковые железорудные материалы. Спектр применяемых материалов широк: от окалины до сырых руд. После введения реагента в расплав, находящийся в разделительном устройстве, железорудный материал нагревается и плавится за счет физического тепла конечного шлака, обогащая последний оксидами железа. Оксиды железа вступают в химическое взаимодействие с находящимися на поверхности капель чугуна твердыми частицами углерода или карбидами титана. Результатом разрушения углеродистых и карбидных оболочек на поверхности чугуна является интенсивная коагуляция последних с переходом в основной слой чугуна, уменьшение толщины промежуточного слоя и улучшение эффективности процесса отделения чугуна от шлака. Предпочтительная крупность материала находится в пределах 3-15 мм.

Недостатками способа являются: большая крупность частиц реагента-окислителя (3-15 мм), определяющая малую удельную поверхность взаимодействия со шлаком, высокую тепловую и химическую инерционность, низкий коэффициент использования присадки, захолаживание шлака в разделительном устройстве (на 70-150^oС) ввиду затрат тепла на физический нагрев и плавление присадки, что вызывает повышение вязкости шлака и снижение эффективности процесса отделения чугуна от шлака.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности процесса разделения чугуна и конечного титанистого шлака в разделительном устройстве.

Техническим результатом, достигаемым по изобретению, является снижение металлосодержания отвального доменного шлака, повышение коэффициента использования присадки, снижение затрат тепла на нагрев и плавление присадки, повышение эффективности отделения чугуна от шлака вследствие улучшения его физико-химических характеристик.

Технический результат по изобретению достигается тем, что в отличие от известного способа разделения чугуна и конечного титанистого шлака, включающего совместный выпуск продуктов (чугуна и шлака) из доменной печи в разделительное устройство, введение присадки в расплав, находящийся в разделительном устройстве, перед вводом присадки определяют вносимое шихтой количество титана в продукты плавки и степень его восстановленности и карбонизации в разделительном устройстве, в качестве присадки используют пылевидную смесь фракции 0-1 мм, содержащую 70-90 мас. окисленной железосодержащей составляющей и 10-30 мас. углеродистой топливной составляющей, определяющих концентрацию железа в пылевидной смеси, и вводят присадку, удельный расход которой определяют из соотношения,кг/т:
М=1/Q_шл*(K_TiC_вк/K_Fe)*56/48 (1)
где 56/48 соотношение молекулярных масс железа и титана;
К_Fe концентрация железа в пылевидной смеси, в долях;
К_Ti приход титана из шихты в продукты плавки, кг;
Q_шл масса выпускаемого шлака, т;
С_вк степень карбонизации и восстановленности титана в шлаке.

По изобретению допустимо в качестве пылевидной присадки в шлак в разделительном устройстве вводить колошниковую пыль.

Эффективность отделения чугуна от шлака по изобретению достигается путем улучшения физико-химических характеристик шлака под действием пылевидной топливно-окислительной присадки.

Под пылевидностью по изобретению понимается фракционный состав частиц реагента менее 1 мм в поперечнике, что обеспечивает минимальную тепловую и химическую инерционность присадки, гарантирует завершенность процесса прогрева, плавления и окисления восстановления в разделительном устройстве. Наличие топливной составляющей позволяет управлять температурой шлака в разделительном устройстве, его текучестью и обессеривающей способностью. Окислительная составляющая обеспечивает окисление ТiO и ТiC до ТiO₂, снижая работу адгезии "шлак-металл", понижая ее металлосодержание и, тем самым, повышая эффективность процесса разделения продуктов плавки. Топливной составляющей присадки в смеси может являться коксовая пыль, сажистый углерод, угольная, электродная или графитовая пыль либо другой углеродистый материал с теплотворной способностью не менее 25000 кДж/кг, достаточно чистый по содержанию серы.

Содержание углеродистой топливной составляющей в смеси равно 10-30 и определяется ее теплотворной способностью и необходимым для внесения в жидкий шлак количеством тепла.

Окислительной составляющей в смеси могут являться пылевидные железорудные материалы: концентраты, аспирационные осадки. Содержание железной окислительной составляющей в смеси равно 70-90 мас. и определяется концентрацией в ней оксидов железа и потребностью в FeO для полного окисления ТiО и ТiC шлака до ТiO₂.

Использование пылевидной смеси, содержащей менее 70 мас. окисленной железосодержащей составляющей и более 30 мас. топливно-углеродистой составляющей при расплавлении не обеспечивает требуемое количество окислов железа (FeO) для полного окисления ТiO и ТiC шлака до ТiO₂, вызывает вспенивание в транспортном желобе и шлаковой чаше ввиду неполного сгорания топливной составляющей в разделительном устройстве. Колошниковые пыли с добавлением 10-30 мас. углерода удовлетворяют требованиям тепловой компенсации.

Использование смеси с содержанием окисленной железосодержащей составляющей более 90 мас. и менее 10 мас. топливной углеродистой составляющей не обеспечивает необходимое количество тепла, вызывает захолаживание шлака с ухудшением эффективности процесса разделения чугуна и шлака.

Готовой топливно-окислительной присадкой является колошниковая пыль доменного производства, как отвечающая трем основным требованиям:
1. Фракционный состав представлен в пределах 0-1 мм со средним размером частицы 0,5-0,8 мм в поперечнике;
2. Наличие топливной составляющей, представленной коксовой пылью и углеродом пиролиза природного газа, в количестве 10-30 мас.

3. Наличие пылевидных железорудных материалов с содержанием оксидов железа от 45-60 мас. в количестве 70-80 мас.

Содержание окислов железа в окисленной железосодержащей составляющей смеси различается в зависимости от вида используемого в смеси материала (концентраты и/или окалина, кокс и/или сажистый углерод).

В изобретении предложено определять состав используемых смесей с учетом соотношения формулы (1), учитывающей концентрацию окисленной железной составляющей в смеси.

Приход титана из шихты в продукты доменной плавки может быть определен балансовыми методами расчета.

В изобретении предложено определять количество титана, поступившего в продукты плавки, как сумму масс титана, поступившего в чугун и в шлак в виде карбидов, низших и высших окислов титана, концентрация которых в шлаке определяют методами химического и спектрального анализов:

где все эти коэффициенты массы титана перешедшие в чугун и шлак в виде карбидов, высших и низших окислов.

Степень восстановленности титана в разделительном устройстве определяли по выражению:
C_вк=(К_TiC + К_TiO)/K_Ti (3)
Степень восстановленности титана в разделительном устройстве на печах со стабильной шихтовкой может быть определена заранее и использована при расчете. Способ реализован на доменной печи, оснащенной разделительным устройством.2 Продукты плавки выпускают совместно через летку доменной печи в разделительное устройство в расплавы, находящиеся в разделительном устройстве, вводят пылевидную смесь кокса и железосодержащих материалов из дозирующего устройства. В результате этого образуется два потока: верхний поток из шлака, промежуточный слой и нижний поток, состоящий из чугуна. Верхний поток направляется через окно в боковой стенке в желоб для транспортировки шлака. Нижний поток, пройдя под скиммерной плитой, поступает в желоб для транспортировки чугуна. Нижняя часть шлакового потока образует промежуточный слой, обогащенный коагулировавшимися каплями чугуна и монооксидом титана (ТiO).

Пылевидная топливно-окислительная присадка вводится в расплав, находящийся в разделительном устройстве. Компоненты вводимой смеси в жидкой ванне прогреваются до температуры реакционной зоны 1000-1050^oС. При этом восстанавливаются оксиды железа до монооксида. Монооксид железа (вюстит) плавится и внедряется в шлаковый промежуточный слой ввиду большего удельного веса в сравнении с конечным "чистым" шлаком потока, но меньшим, чем чугун. Обогащение промежуточного слоя монооксидом железа обеспечивает окисление соединений титана в шлаке и на поверхности капель чугуна до высшей валентности, например, по реакциям:
ТiO+FeO=TiO₂+Fe и TiC+3FeO TiO₂+3Fe+CO
В результате этих реакций поверхность капель чугуна освобождается от карбидной оболочки и ускоряется процесс коагуляции капель между собой и основной массой металла. Выделяющийся монооксид углерода от окисления карбидов и топливной составляющей барботирует шлаковую ванну, активизируя процессы коагуляции капель чугуна. Над поверхностью шлака монооксид углерода дожигается кислородом атмосферы до диоксида, предотвращая окисление железа чугуна или образование "бурого дыма".

Пример.Выплавку чугуна осуществляют из титаномагнетитового железорудного сырья с содержанием железа 58% и диоксида титана 2,6% Масса одного выпуска составляет 300 т чугуна. Продолжительность выпуска 45 мин. Содержание кремния 0,1-1 и титана в чугуне 0,1-0,4% Температура чугуна 1400-1480^oС; температура шлака 1450-1500^oС; массовая доля соединений высших окислов титана в шлаке при пересчете в ТiO₂ 0,15-9,8.

В качестве присадки используют порошкообразную, фракцией менее 0,1 мм, смесь составленную из окалины и кокса содержащего С^r 86-90 Состав используемой окалины: Fe_общ. 68,9-71,76% FeO 28,9-57,9% Fe₂O₃ 0,9-38,1% MnО 0,86-1,04% CuO 0,2-0,23% MgO 4,0-4,07% SiO₂ 0,5-0,53% Al₂O₃ 0,1-0,22% П.П.П.

0,15-1,10.

В табл.1 приведены составы используемых смесей.

В выпускаемом из доменной печи шлаке на основании химических анализов определяют количество титана в виде соединений ТiC, TiO, Ti₂O₃, TiO₂, а также содержание титана в чугуне. Определяют С_вк - степень восстановленности и карбидизации титана в шлаке. После чего по предложенным соотношениям устанавливают удельный расход смеси на тонну шлака.

Расчет по формуле (1) для варианта I плавки:

где (см.формулу 3) К_Ti х С_вк К_TiO + К_TiC - масса титана в низших окислах и карбидах в шлаке, кг.

К_Fe 0,49 концентрация общего железа в используемой смеси, в долях.

Q_шл 110 масса шлака, т.

После ввода смеси в расплав определяют характеристики шлака на транспортном желобе (металлосодержание, содержание FeO в шлаке и температуру). Для сравнения проведена плавка и по технологии прототипа без использования топливной составляющей и регламентации расходов. В качестве присадки использовали окалину фракцией 3-15 мм.

Проведены также опыты, в которых в качестве топливно-окислительной добавки использована колошниковая пыль следующего химсостава, Fe_общ. 45,0; Fe₂O₃ 53,0; FeO 9,4; С 15; СаО 6,5; SiO₂ 6,4; Al₂O₃ 2,7; MgO 2,0; MnO 0,3; S 0,35; Р 0,030; ТiO₂ 1,55; V₂O₅ 0,45.

Остальное: Сu + Zn + Na + K + редкоземельные 2,32%
Полученные результаты приведены в табл.2.

Определено также время пребывания и плавления частицы присадки в разделительном устройстве в случае использования известной присадки, колошниковой пыли и предложенной смеси.

Результаты показывают, что длительность прогрева и плавления кусков окалины в 5,5 раз превышает время пребывания шлака в разделительном устройстве, а длительность прогрева восстановления до FeO и плавления предложенной присадки составляет менее половины периода пребывания шлака в разделительном устройстве, что обеспечивает ее полное усвоение.

Полученные практические результаты подтверждают, что использование предложенной смеси в качестве присадки, по сравнению с окалиной, повышает температуру шлака на 50 100^oС и снижает потери чугуна и окислов железа со шлаком в 2-2,5 раза.

Литература
1. Академия Наук СССР. Уральский филиал. Труды Института металлургии. Восстановление, теплообмен и гидродинамика в доменном процессе. Выпуск 24, 1970, часть 1, с. 104-114. Свердловск.

Академия Наук СССР. Уральский филиал. Труды Института металлургии. Металлургический передел титаномагнетитовых руд. Выпуск 17, 1969, с. 54-61, М. Металлургия.

Жило Н. Л. Формирование и свойства доменных шлаков. М. Металлургия, с. 39-49, 1974.

Авторское свидетельство СССР N 1497222, 1989.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам отделения чугуна и шлака после их совместного выпуска из доменной печи, работающей на титаномагнетитовом железорудном сырье. Сущность: при выпуске продуктов плавки из доменной печи в шлак (в разделительное устройство) в качестве добавки вводят пылевидную смесь фракции до 1 мм, содержащую 70-90 мас.% окисленной железосоставляющей и 10-30 мас.% топливно-углеродистой составляющей, при этом удельный расход смеси устанавливают по определенному соотношению. В качестве добавки может использоваться колошниковая пыль. Использование изобретения позволяет повысить эффективность разделения чугуна и конечного титанистого шлака за счет того, что монооксид железа окисляет ТiО и ТiC и величина сил адгезии "чугун-шлак" уменьшается, капли чугуна коагулируют между собой и основной массой чугуна, толщина промежуточного слоя уменьшается и эффективность процесса разделения чугуна и конечного титанистого шлака повышается. 1 з.п.ф-лы., 2 табл.

1. Способ разделения чугуна и конечного титанистого шлака, включающий совместный выпуск продуктов плавки из доменной печи в разделительное устройство, введение присадки в расплав, находящийся в разделительном устройстве, разделение чугуна и шлака, определение их химических характеристик, отличающийся тем, что перед введением присадки определяют количество титана, вносимого шихтой в продукты плавки, К_T i, а также степень его восстановленности и карбидизации С_в к в разделительном устройстве, в качестве присадки вводят пылевидную смесь фракции до 1 мм из 70-90 мас. окисленной железосодержащей составляющей и 10-30 мас. топливной углеродистой составляющей, при этом удельный расход М присадки определяют из соотношения

где Q_ш л масса выпускаемого шлака, т;
K_F e концентрация железа в присадке, доля;
К_T i количество титана в продуктах плавки, кг; 56/48 - отношение молекулярных масс железа и титана
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве присадки вводят колошниковую пыль.