СПОСОБ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА Российский патент 1998 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к выплавке чугуна в доменной печи с использованием пылеугольного топлива.

Известен способ доменной плавки на кислородном дутье, предусматривающий вдувание в шахту продуктов сжигания колошникового газа, а в горн печи - пылеугольного топлива, кислорода и колошникового газа (без его отмывки от CO₂). (The full oxygen blast furnace process/ Minsheng Qin, Baoming Qi// Proc. 6th. Int. Iron and Steel Congr., Nogoya, Oct. 21-26, 1990, p. 589-595).

Известен способ доменной плавки на кислородном дутье (Blast furnace operation with full oxygen blast/ Minwsheng Qin, Zhengkai Cao, Guanlun Wang, Yuting Zhang// Ironmak and Steelmak, 1988, N 6, p. 287-292). B доменной печи устанавливается два ряда фурм: в верхней части горна и в нижней части шахты. В фурмы горна вдувается кислород при обычной температуре и большое количество пылеугольного топлива, а в нижнюю часть шахты - подогретый до 900-1000^oC, очищенный от CO₂ и H₂O колошниковый газ.

Недостатком указанных способов является то, что колошниковый газ подается через специальные фурмы, расположенные в шахте доменной печи, что требует дополнительных затрат и создает конструктивные напряжения в кожухе доменной печи; кроме того, нарушается классический процесс доменной плавки вследствие отсутствия прихода тепла с дутьем и значительного снижения выхода горновых газов на 1 т чугуна.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ выплавки чугуна, включающий вдувание в горн через фурменные приборы дутья, технологического кислорода, пылеугольного топлива, пара, природного газа, т. е. газообразного топлива (Ярошевский С.Л. и др. Применение пылеугольного топлива для выплавки чугуна, Киев, Техника, 1974, с. 72-76).

Основным недостатком данного способа является то, что пар подается совместно с кислородно-угольной смесью, что снижает интенсивность сгорания пылеугольного топлива из-за падения концентрации кислорода в потоке пыли и понижения температуры в зоне горения пылеугольного топлива. Эффективность процесса снижает также высокий расход кислорода.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа выплавки чугуна в доменной печи с использованием пылеугольного топлива, в котором пылеугольное топливо с технологическим кислородом и дутье с компенсирующими компонентами (природным, коксовым, колошниковым газами, паром, азотом) подают во внутреннее пространство печи раздельно, что обеспечивает улучшение условий сжигания пылеугольного топлива и более рациональное использование технологического кислорода и за счет этого достигается снижение расхода кокса и себестоимости чугуна.

Поставленная задача достигается тем, что в способе выплавки чугуна, включающем вдувание в горн доменной печи через фурмы горячего дутья, технологического кислорода, пылеугольного топлива и компенсирующих изменение температурно-дутьевого режима компонентов, согласно изобретению пылеугольное топливо и технологический кислород вдувают через нижнюю половину рыльной части фурмы под углом 15-40^o вниз от оси фурмы, а компенсирующие изменение температурно-дутьевого режима компоненты вдувают в поток горячего дутья через верхнюю половину фурмы, при этом соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и горячего дутья с компенсирующими компонентами равно (0,5-1,0): 1, а соотношение объемных расходов технологического кислорода и компенсирующих компонентов, в качестве которых используют природный или коксовый или колошниковый газы или пар или азот, на 1 кг пылеугольного топлива составляет соответственно 0,6 - 1,0, 0,2 - 0,4, 0,3 - 0,5, 0,4 - 0,6, 0,1 - 0,3, 0,2 - 0,4 на 1 кг пылеугольного топлива.

Пылеугольное топливо (ПУТ) и технологический кислород, минуя внутреннюю полость фурмы, подают в доменную печь под основную фурменную зону. Здесь, в локальной зоне горения ПУТ происходит воспламенение и горение угольной пыли в атмосфере только кислорода при отсутствии азота, восстановительных и других газов. В результате в этой локальной зоне создается максимальный температурно-окислительный потенциал, обеспечивающий достижение предельных скоростей окисления углерода ПУТ. Расчеты показывают, что температура газовой фазы в рассматриваемом локальном объеме может достигать 3 - 4 тыс.^oC, что резко интенсифицирует процессы горения топлива и обеспечивает высокую степень газификации практически любых реально возможных количеств вдуваемого ПУТ.

Относительно автономное существование локальной зоны горения ПУТ протяженностью 0,5 - 1,5 м обеспечивается высокой кинетической энергией кислородно-угольного потока и его направленностью вниз от основной фурменной зоны.

Впоследствии продукты газификации ПУТ, поднимаясь вверх, попадают в основную фурменную зону, где перемешиваются с имеющимися в ней газами. Поскольку температура продуктов газификации ПУТ весьма высока, а их количество не велико (из-за отсутствия азота), в основную фурменную зону необходимо вводить пар, газообразные топлива или другие вещества, компенсирующие отклонение теоретической температуры горения и выхода фурменных газов. Количество компенсирующих компонентов определяется из условия сохранения температурно-дутьевых параметров плавки, обеспечивающих заданный нагрев продуктов плавки и необходимое распределение температур по высоте печи.

Эти компоненты, подаваемые обычно в фурму, следует вводить через верхнюю ее половину, чтобы равномерно распределить напряжения в фурме.

Объемная доля кислорода, равная 0,6 - 1,0 м³ на 1 кг вдуваемого ПУТ, обеспечивает газификацию угольных частиц в фурменных зонах.

При доле кислорода меньше 0,6 м³/кг ПУТ создаются предпосылки для неполного сгорания угольной пыли в пределах фурменной зоны со всеми вытекающими из этого обстоятельства негативными последствиями: переход части ПУТ в шлак, ухудшение обессеривающей способности горна, снижение газопроницаемости столба шихты, уменьшение коэффициента замены кокса ПУТ и т.д.

При доле кислорода выше 1,0 м³/кг ПУТ степень сгорания угольных частиц практически не повышается, в результате кислород расходуется неэффективно, что повышает себестоимость чугуна.

Соотношение расходов компенсирующих компонентов к кислороду и ПУТ выбраны исходя из условия сохранения на исходном уровне выхода фурменных газов и средней по всему объему фурменной зоны теоретической температуры горения. При расходах компенсирующих компонентов, меньших указанных величин (0,2 м³ для природного газа, 0,3 м³ для коксового газа, 0,4 м³ для колошникового газа, 0,1 м³ для пара, 0,2 м³ для азота), подача технологического кислорода через рыльную часть фурмы в количестве 0,6 - 1,0 м³ на каждый дополнительный 1 кг пылеугольного топлива приведет к значительному повышению теоретической температуры горения (более, чем на 50^oC) и снижению количества образующихся горновых газов, что может вызвать нарушения теплового и газодинамического режимов плавки и повышение расхода кокса. При расходах этих компонентов, больших указанных величин (0,4 м³ для природного газа, 0,5 м³ для коксового газа, 0,6 м³ для колошникового газа, 0,3 м³ для пара, 0,4 м³ для азота), произойдет значительное понижение температуры горения (более, чем на 50^oC) и возрастет выход фурменных газов, что также будет способствовать нарушению нормального технологического режима доменной плавки.

При соотношении кинетических энергий кислородно-угольной струи и горячего дутья с компенсирующими компонентами меньше 0,5 продукты газификации ПУТ и неизрасходованный кислород будут подниматься вверх на коротком расстоянии от выхода в печное пространство (до 0,5 - 0,7 м), что приведет к неполному сгоранию угольных частиц и создаст предпосылки к нарушению теплового и газодинамического режимов плавки. При соотношении кинетических энергий рассматриваемых потоков больше 1,0 не обеспечивается полное смешение продуктов газификации ПУТ с газами в основной фурменной зоне, в результате чего может нарушиться распределение температур по сечению печи и равномерность прогрева продуктов плавки.

При угле наклона оси кислородно-угольной струи менее 15^o вниз от оси фурмы исключается возможность автономного существования зоны горения ПУТ; она будет соединяться с основной фурменной зоной и поставленная задача не сможет быть осуществлена. При угле наклона более 40^o образованию локальной зоны горения ПУТ необходимой протяженности будет препятствовать шлаковый расплав.

Пример 1. Доменная печь оборудована 14 фурмами диаметром 150 мм с патрубками для подвода кислородно-угольной смеси во внутреннее пространство печи диаметром 25 мм.

Через патрубок во внутреннее пространство печи под углом 15^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 200 м³ технологического кислорода на 1 т чугуна.

Через фурменный прибор подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 80 м³/т чугуна природного газа.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и природного газа, равное 1 и 0,4 на 1 кг ПУТ, что обеспечивает теоретическую температуру фурменных газов 2130^oC и соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока 1:1.

Пример 2. В доменную печь через фурмы, конструкция которых описана в примере 1, подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³/т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 40 м³/т чугуна природного газа.

Через парубок во внутреннее пространство печи под углом 40^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 120 м³ технологического кислорода на 1 т чугуна.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и природного газа, равное 0,6 и 0,2 на 1 кг ПУТ, что позволяет сохранять теоретическую температуру горения в допускаемых пределах (2120^oC). Соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока при этом составляет 0,5:1.

Пример 3. В доменную печь через фурмы, конструкция которых описана в примере 1, подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³/т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 60 м³/т чугуна природного газа.

Через патрубок во внутреннее пространство печи под углом 30^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 160 м³ технологического кислорода на 1 т чугуна.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и природного газа, равное 0,8 и 0,3 на 1 кг ПУТ, что позволяет сохранять теоретическую температуру горения в допустимых пределах (2110^oC). Соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока при этом составляет 0,7:1.

Пример 4. Доменная печь оборудована 14 фурмами диаметром 150 мм с патрубками для подвода кислородно-угольной смеси во внутреннее пространство печи диаметром 25 мм.

Через патрубок во внутреннее пространство печи под углом 15^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 200 м³ технологического кислорода на 1 т чугуна.

Через фурменный прибор подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³/т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 100 м³/т чугуна коксового газа.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и коксового газа, равное 1 и 0,5 на 1 кг ПУТ, что обеспечивает теоретическую температуру фурменных газов 2130^oC и соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока 1:1.

Пример 5. В доменную печь через фурмы, конструкция которых описана в примере 1, подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³/т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 60 м³/т чугуна коксового газа.

Через парубок во внутреннее пространство печи под углом 40^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 120 м³ технологического кислорода на 1 т чугуна.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и коксового газа, равное 0,6 и 0,3 на 1 кг ПУТ, что позволяет сохранять теоретическую температуру горения в допускаемых пределах (2120^oC). Соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока при этом составляет 0,5:1.

Пример 6. В доменную печь через фурмы, конструкция которых описана в примере 1, подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³/т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 80 м³/т чугуна коксового газа.

Через патрубок во внутреннее пространство печи под углом 30^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 160 м³ технологического кислорода на 1 т чугуна.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и коксового газа, равное 0,8 и 0,4 на 1 кг ПУТ, что позволяет сохранять теоретическую температуру горения в допустимых пределах (2110^oC). Соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока при этом составляет 0,7:1.

Пример 7. Доменная печь оборудована 14 фурмами диаметром 150 мм с патрубками для подвода кислородно-угольной смеси во внутреннее пространство печи диаметром 25 мм.

Через патрубок во внутреннее пространство печи под углом 15^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 200 м³ технологического кислорода на 1 т чугуна.

Через фурменный прибор подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³/т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 60 м³/т чугуна пара, нагретого до 250^oC.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и природного газа, равное 1 и 0,3 на 1 кг ПУТ, что обеспечивает теоретическую температуру фурменных газов 2130^oC и соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока 1: 1.

Пример 8. В доменную печь через фурмы, конструкция которых описана в примере 1, подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³/т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 20 м³/т чугуна пара, нагретого до 250^oC.

Через патрубок во внутреннее пространство печи под углом 40^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 120 м³ технологического кислорода на 1 т чугуна.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и пара, равное 0,6 и 0,1 на 1 кг ПУТ, что позволяет сохранять теоретическую температуру горения в допускаемых пределах (2120^oC). Соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока при этом составляет 0,5:1.

Пример 9. В доменную печь через фурмы, конструкция которых описана в примере 1, подается атмосферное дутье в количестве 1500 м³/т чугуна, нагретое до 1000^oC, и 40 м³/т чугуна пара, нагретого до 250^oC.

Через патрубок во внутреннее пространство печи под углом 30^o вниз от оси фурмы подается 200 кг ПУТ и 160 м³ технологическою кислорода на 1 т чугуна.

Данный технологический режим обеспечивает соотношение объемных расходов технологического кислорода и пара, равное 0,8 и 0,2 на 1 кг ПУТ, что позволяет сохранять теоретическую температуру горения в допустимых пределах (2110^oC). Соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и основного потока при этом составляет 0,7:1.

Использование указанных технологических режимов благодаря рациональному применению кислорода обеспечивает эффективное использование повышенных расходов ПУТ (до 200 кг/т чугуна и более при коэффициенте замены 0,8-0,9), что способствует экономии кокса.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно выплавки чугуна в доменной печи с использованием пылеугольного топлива. Сущность изобретения: в горн через фурменные приборы вдувают горячее дутье, технологический кислород, пылеугольное топливо и компенсирующие изменение температурно-дутьевого режима компоненты, а именно пар, азот и газообразные топлива, при этом пылеугольное топливо и кислород подают во внутреннее пространство доменной печи через нижнюю половину рыльной части фурмы под углом 15 - 40^o вниз от оси фурмы, а компенсирующие изменение температурно-дутьевого режима компоненты подают в канал фурменного прибора через его верхнюю половину, при этом соотношение кинетических энергий кислородно-угольной струи и горячего дутья с компенсирующими компонентами равно (0,5 - 1,0):1, а соотношение объемных расходов технологического кислорода и компенсирующих компонентов (природного, коксового, колошникового газов, пара, азота) составляет (0,6 - 1,0):(0,2 - 0,4):(0,3 - 0,5):(0,4 - 0,6):(0,1 - 0,3):(0,2 - 0,4) на 1 кг пылеугольного топлива. Использование изобретения обеспечивает эффективное использование ПУТ, что способствует экономии кокса.

Способ выплавки чугуна, включающий вдувание в горн доменной печи через фурмы горячего дутья, технологического кислорода, пылеугольного топлива и компенсирующих изменение температурно-дутьевого режима компонентов, отличающийся тем, что пылеугольное топливо и технологический кислород вдувают через нижнюю половину рыльной части фурмы под углом 15 - 40^o вниз от оси фурмы, а компенсирующие изменение температурно-дутьевого режима компоненты вдувают в поток горячего дутья через верхнюю половину фурмы, при этом соотношение кинеатических энергий кислородно-угольной струи и горячего дутья с компенсирующими компонентами равно (0,5 - 1,0) : 1, а соотношение объемных расходов технологического кислорода и компенсирующих компонентов, в качестве которых используют природный, или коксовый, или колошниковый газы, или пар, или азот, на 1 кг пылеугольного топлива составляет соответственно 0,6 - 1,0, 0,2 - 0,4, 0,3 - 0,5, 0,4 - 0,6, 0,1 - 0,3, 0,2 - 0,4.