СПОСОБ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ Российский патент 2000 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности - к способу доменной плавки на атмосферном или обогащенном кислородом дутье с заменой твердого топлива на угольную пыль, вводимую через фурмы.

Известен способ доменной плавки на атмосферном дутье, в котором расход угольной пыли равен 0,15 кг/кг чугуна при суммарном расходе условного топлива на плавку 0,5 кг/кг чугуна. Газификация пыли полная [1].

Наиболее близким аналогом изобретения принят способ доменной плавки, включающий загрузку через колошник шихты, состоящей из железорудных материалов и кокса, подачу атмосферного или обогащенного кислородом горячего дутья, ввод в печь с горячим дутьем угольной пыли, опускание столба шихты, отвод колошниковых газов под давлением [2]. Недостатком этих способов является высокий расход твердого топлива на плавку.

Способ по изобретению направлен на исключение указанного недостатка путем использования угольной пыли взамен твердого топлива, сохранения устойчивости процесса при выводе твердого топлива из состава шихты и повышения вследствие этого технико-экономических показателей плавки.

Положительный результат достигается за счет того, что твердое топливо раздельно загружают в количестве 0,05 кг/кг чугуна в осевую зону колошника, радиус которой равен 0,3-0,4 радиуса колошника, а железорудные материалы загружают в периферийную зону колошника шириной 0,6-0,7 радиуса колошника; в качестве твердого топлива используют кокс, или антрацит, или угольные брикеты с размерами частиц 100 мм и выше и порозностью в слое 0,6-0,8 м³/м³; при возникновении неравномерности опускания столба выше границ механической устойчивости плавки, дополнительно изменяют давление колошникового газа от номинала, горячее дутье обогащают кислородом до 30-80%, снижают температуру дутья до 0,5 от номинала.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-8, на которых изображено:
фиг. 1 - вертикальный разрез доменной печи в рабочем состоянии по способу;
фиг.2 - зависимость расхода твердого топлива от расхода угольной пыли по способу с учетом влияния на использование газа вывода твердого топлива из объема печи;
фиг.3 - кривая распределения двуокиси углерода по радиусу колошника доменной печи по способу;
фиг.4 - план фурменной полости, приведенной к объему равновеликого шара, с исходным V₁ и расширенным V₂ объемами;
фиг.5 - зависимость объема и радиуса фурменной полости (шара) от расхода угольной пыли на атмосферном дутье;
фиг.6 - кривая механической устойчивости плавки на твердом топливе;
фиг. 7 - зависимость давления газа на колошнике от неравномерности хода при выходе неравномерности выше границы устойчивости;
фиг. 8 - алгоритм воздействия давления колошникового газа на опускание столба шихты при нарушениях.

На фиг.1 рабочий объем печи (между горизонтами фурм и засыпи) включает: 1 - кольцевую рудную зону, 2 - осевую зону, заполненную твердым топливом, 3 - фурмы для подачи горячего дутья внутрь печи, 4 - объем фурменной полости, в которой совершается полная газификация угольной пыли, вводимой с дутьем через фурмы 3, 5 - дренажная зона, на которой показаны траектории движения потока расплава из периферийной в осевую зоны по данным замеров на холодной модели [4] , 6 - конус обрушения (dead men), состоящий из твердого топлива, доставленного через осевую зону 2 из объема колошника, 7 - уровнемеры (шомпола или другие), обеспечивающие первичные данные для расчета времени и неравномерности опускания столба шихты, 8 - дроссель высокого давления, 9 - объем колошника печи.

Согласно изобретению при расходе твердого топлива на чугун, равном 0,05 кг/кг чугуна, радиус осевой зоны будет равным где V₂ - объем твердого топлива, V_m - объем всей шихты, м³/т чугуна. Насыпные веса твердого топлива - 0,5, руды - 1,5 (т/м³). Расход руды 1,72 кг/кг чугуна. Представляя радиус осевой зоны будет равным 0,3 радиуса колошника. Минимальный радиус осевой зоны по условиям устойчивости и оптимальности плавки равен 0,2 радиуса колошника (4% площади колошника) [3].

Для сохранения устойчивости при выводе твердого топлива из объема зоны 1 по изобретению радиус осевой зоны принят равным 0,3-0,4 радиуса колошника, причем размер частиц твердого топлива равен 100 мм и выше при порозности слоя 0,6-0,8 м³/м³.

Соответственно при вышеуказанном радиусе осевой зоны 1, ширина рудного кольца 2 равна 0,6-0,7 радиуса колошника. В качестве твердого топлива по способу используют кокс или антрацит, или угольные брикеты.

На фиг.2 приведена зависимость расхода твердого топлива от расхода угольной пыли по изобретению согласно схеме S_д = S_ф + S_d (расход пыли с дутьем равен расходу пыли в полости горения и на прямое восстановление окислов железа). Линия 1 - вышеуказанная связь, 2 - коэффициент замены твердого топлива на угольную пыль, принятый равным единице, 3 - расход твердого топлива на чугун и на питание дренажной зоны 5. Линия 4 - снижение расхода угольной пыли с учетом влияния вывода твердого топлива из объема печи на использование газа. Для расчета необходимого объема фурменной полости на атмосферном дутье принимаем объем, равный V₁ при расходе пыли 0,15 кг/кг чугуна.

На фиг.4 показан рост объема полости на атмосферном дутье в зависимости от расхода угольной пыли с учетом необходимости ее полной газификации внутри полости в направлении V₁ ---> V₂. Для расчета необходимого роста объема полости составляем нуль-баланс предельной плотности угольной пыли внутри полости. При атмосферном дутье и расходе угольной пыли 0,15 кг/кг чугуна предельная плотность пыли, отвечающая полной газификации, равна 0,067 кг/м³ газа. При превышении этой плотности на атмосферном дутье возникает недожог пыли, падающей в шлак, либо на стенки печи или уносимой с колошниковым газом. При этом объем полости и расход пыли связаны формулой
V₂/V₁ = S/0,15,
где 0,15 - предельный расход пыли в объеме полости V₁.

На фиг. 5 линия 1 показывает зависимость объема полости, приведенной к равновеликому шару, от расхода пыли на атмосферном дутье. Линия 2 - радиус шара (в относительных единицах).

Для сохранения постоянного объема полости V₂ = V₁ при обогащенном кислородом дутье зависимость расхода угольной пыли от содержания кислорода в дутье ωs будет следующей
S/0,15 = ωs/0,21,
где 0,21 - содержание кислорода в атмосферном дутье. При расходе угольной пыли 0,45 кг/кг чугуна расчет по этой формуле дает необходимую степень обогащения дутья кислородом - 60%.

По изобретению степень обогащения дутья кислородом принята равной 30-80% в зависимости от принятого расхода пыли на плавку.

Условиями роста объема полости при атмосферном дутье может быть: 1) рост кинетической энергии дутья, что ограничено мощностью воздуходувной машины [5] , 2) снижение реакции окружающей среды до минимальной путем удерживания пылеугольной плавки в состоянии устойчивости за счет использования дополнительных мер.

На фиг.6 приведена кривая механической устойчивости для плавки на твердом топливе. По ординате - время срабатывания подач - τ_СРАБ. При постоянной величине рудной колоши, это время будет обратно пропорциональным интенсивности плавки по руде. По абсциссе - отложена абсолютная неравномерность хода в виде единицы минус скользящее отношение двух смежных времен срабатывания δ_AБC = 1-τ_min/τ_max. Объем печи будет максимальным при δ/δ_пред ≤ 1.
По данным [6] предельная неравномерость плавки на твердом топливе равна 0,5. Для режима плавки по изобретению принята предельная неравномерность = 0,4. Это отвечает росту склонности печи к нарушениям хода при выводе твердого топлива из объема печи. Причиной нарушений хода служит возникновение поверхностей раздела в столбе. Поверхности раздела могут быть типа арки из сухих частиц, либо состоят из пластин неплавких веществ, возникающие при росте вязкости шлака, дефицита тепла в нижней части печи, упущенной осевой зоны, в которую попали рудные материалы и др.

Согласно изобретению для разрушения поверхностей раздела воздействуют на них колебательным изменением давления колошникового газа от установленного номинала. Изменения давления колошникового газа вызывают противоположные по знаку изменения перепада, то есть вертикальных усилий, приложенных на обе стороны поверхности.

На фиг.7 приведена диаграмма колебательных изменений давления колошникового газа в зависимости от неравномерности хода (петли гистерезиса), отвечающие изменениям порозности столба за период колебаний. По оси ординат отложено давление, а по оси абсцисс - неравномерность, превышающая предельное значение 0,4 (фиг.6). Петля 1 отвечает колебаниям (пульсации) давления колошникового газа в зависимости от величины отклонения неравномерности от нормы. Петля 2 - противоположная по знаку колебания перепада давления газа по высоте столба. После разрушения поверхности раздела, неравномерность возвращается в допустимый интервал значений, а давление колошникового газа - к номиналу.

На фиг. 8 приведен алгоритм воздействия изменения давления колошникового газа в зависимости от неравномерности, 1 - план колошника, 2 - шомпольные уровнемеры, 3 - замеры времени срабатывания. Сигналами на замер могут служить шомпола 2, либо сигналы моментов открытия клапанов промежуточных бункеров засыпного аппарата, 4 - расчет текущей и предельной неравномерности, 5 - схема сравнения текущей и предельной неравномерности, 6 - изменение давления колошникового газа (дроссель, регулятор турбины-утилизатора).

Схема фиг. 8 постоянно включена в режиме ожидания и отслеживает сигналы схемы сравнения 5. При нарушениях хода включается цикл воздействий. При устранении нарушений схема возвращается в режим ожидания.

Для создания необходимой пропускной способности дренажной зоны составляем нуль-баланс порозности слоя. Принимаем площадь сечения дренажной зоны равной 0,5 площади гидравлического сечения печи, объем которой приведен к равновеликому цилиндру.

Площадь сечения кольцевой зоны 1 (фиг. 1) равна 0,9 площади гидравлического сечения печи. Для полной эвакуации шлака из кольцевой зоны 1 в осевую зону 2 согласно схеме положения траектории потоков расплава необходимо, чтобы просветности обеих зон были равными. Считаем порозность рудных материалов 0,32 м³/м³. Из уравнений просветности, порозность слоя в осевой зоне равна 0,32 •0,9/0,5 = 0,57 м³/м³. Такая просветность слоя (численно равная порозности) обеспечивается согласно изобретению при размере частиц твердого топлива 100 мм и выше.

При площади сечения дренажной зоны 0,4 от площади гидравлического сечения печи, необходимая порозность слоя равна 0,72 м³/м³. Верхний предел порозности по изобретению отвечает площади сечения дренажной зоны 0,34 от площади гидравлического сечения печи (0,57 гидравлического радиуса). Такая площадь сечения дренажной зоны создается за счет поступления через осевую зону нерастворимого в чугуне твердого топлива в количестве 0,005 кг/кг чугуна.

Минутный расход дутья в печи - постоянный. При обогащении дутья кислородом производительность печи повышается пропорционально росту степени обогащения дутья либо для сохранения прежней производительности, снижают минутный расход дутья от номинала. При избытке тепла в печи снижают расход угольной пыли до 0,04 кг/кг чугуна, либо, сохраняя расход угольной пыли в номинале, снижают температуру дутья на 0,5 от номинала.

При дефиците тепла в печи, повышают расход твердого топлива до 0,1 кг/кг чугуна при сохранении номинального расхода угольной пыли. Изменение температуры дутья также используется для компенсации изменений температуры горения в полости 4 (фиг. 1), на которую оказывают противоположные влияния ввод холодной пыли и обогащение дутья кислородом. При превышении нормы t горения, температуру дутья снижают, независимо от изменений запаса тепла в печи. Для контроля полноты газификации пыли в полости 4 (фиг. 1) используют анализ колошникового газа (выноса) на содержание мелкой фракции, вводимой через фурмы 3 угольной пыли. Другие воздействия на процесс изменений качества сырья, состава шлака, остановки и пуска печи и др. идентичны приемам воздействия на режим плавки на твердом топливе (без пыли в дутье).

Пример реализации способа
Описание реализации способа приведено применительно к печи 3000 м³ производительностью 6000 т/сут, выплавляющей передельный чугун. Рудная часть шихты содержит FeО = 0,55 и включает офлюсованный агломерат, окатыши или их смесь.

Дутье - атмосферное либо обогащенное кислородом. Температура дутья - 12000^oC. Расход дутья 1,8 м³/м³ мин объема печи.

Давление колошникового газа (кг/см³) номинал - 2, нижний предел - 0. Перепад давления по высоте столба 1,8 кг/см².

Рудную часть загружают в кольцевую зону шириной 2,5-3 м в количестве 1,72 кг/кг чугуна.

Твердое топливо загружают в осевую зону радиусом 1,2-1,7 м (в количестве 0,05 кг/кг чугуна). Печь оборудована устройством подачи угольной пыли мощностью 500 т/час. Фурмы печи снабжены форсунками ввода пыли по центру канала фурм. Кислород дутья вводят на вход воздуходувной машины либо частично подают вместе с пылью через форсунки.

Расход угольной пыли - 0,45 кг/кг чугуна.

Расход условного топлива (пыль и твердое топливо) = 0,5 кг/кг чугуна. Размер частиц твердого топлива 100 мм и выше при порозности слоя 0,6-0,7 м³/м³. Угольная пыль - размер частиц - 0,06 мм и ниже. Время полного сгорания частицы = 0,1 сек. Зольность твердого топлива и пыли = 10%. Коэффициент замены твердого топлива на пыль равен единице.

Состав передельного чугуна: Si = 0,5, Mn = 0,2, P = 0,1, S = 0,02 (в процентах).

Состав шлака: SiO₂ = 36,1, CaO = 40,9, Al₂O₃ = 11,8, MgO = 7,9, MnO = 0,2, FeO = 0,3, S = 1,0.

Вариант первый - дутье атмосферное
Условия плавки вышеуказанные. Предельная неравномерность хода = 0,4. При отклонении неравномерности хода на 0,1 выше предельной изменяют давление колошникового газа от 0 до 0,5 кг/см² от номинала.

Вариант второй - обогащенное кислородом дутье.

Условия плавки вышеуказанные.

Степень обогащения дутья 60%. Предельная неравномерность хода = 0,4. При отклонении неравномерности на 0,1 выше предельной изменяют давление колошникового газа на плюс-минус (колебания) от 0 до 1,0 кг/см² от номинала. При росте Si чугуна на 0,1% от нормы снижают расход угольной пыли на 2% от номинала. При снижении Si чугуна на 0,1% от нормы повышают расход твердого топлива на 2% от номинала, что соответствует росту радиуса осевой зоны на 0,02 радиуса колошника.

Для реализации первого варианта изобретения полезный объем печи определяют исходя из ширины незанятых межфурменных промежутков, которые обеспечивают возможность роста радиуса фурменной полости. Для первого варианта пригодны доменные печи объемом 1000-3000 м³.

Для осуществления второго варианта изобретения пригодны печи объемом 1000-5000 м³.

Использование заявленного способа обеспечивает экономию твердого топлива в пределах до 0,45 кг/кг чугуна при суммарном расходе условного топлива (твердое топливо + угольная пыль) 0,5 кг/кг чугуна.

Литература
1. Рамм А.Н. - Современный доменный процесс. М., Металлургия, 1980. С. 247-257.

2. Петерс К.X. и др. - Технический уровень и тенденции развития доменного производства. М., Черные металлы. 1993, N 30. С.24-49.

3. Раковский Б.М. - Расчет предельного объема и расхода дутья в сверхмощных доменных печах. Сталь, 1977. N 1. С.6-9.

4. Гупта - модель дренажной зоны доменной печи. G.S.Gupta - Model studies of Liquid Flow in the B.F. Lower Zone. ISII International, Vol.36 (1990). N 1. PP. 32-39.

5. Леонидов Н.К. и др. - Расчет равновесных размеров фурменной зоны горения, скорости истечения дутья и количества фурм доменных печей. Черная металлургия. М., Черметинформация, 1996, N 6. С.50-52.

6. Раковский Б.М. - Выбор параметра устойчивости хода доменной печи. М., Металлург, 1968, N 6. С.5-7.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам доменной плавки. Сущность изобретения: способ включает раздельную загрузку руды в периферийную зону колошника, ширина которой 0,6-0,7 радиуса колошника, а топлива в осевую зону, радиус которой равен 0,3-0,4 радиуса колошника. В качестве топлива используют кокс, или антрацит, или угольные брикеты, горячее дутье обогащают кислородом до 30-80%. При возникновении неравномерности опускания столба шихты выше границ механической устойчивости плавки, дополнительно изменяют давление колошникового газа от его номинального значения. Использование заявленного способа обеспечивает экономию твердого топлива в пределах до 0,45 кг/кг чугуна. 4 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Способ доменной плавки, включающий загрузку шихты, состоящей из железорудных материалов и твердого топлива, подачу атмосферного или обогащенного кислородом горячего дутья, ввод в печь с горячим дутьем угольной пыли, опускание столба шихты, отвод колошникового газа под давлением, отличающийся тем, что твердое топливо раздельно загружают в количестве 0,05 кг/кг чугуна в осевую зону колошника, радиус которой равен 0,3 - 0,4 радиуса колошника, а железорудные материалы загружают в периферийную зону колошника, шириной 0,6 - 0,7 радиуса колошника. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердого топлива используют кокс, или антрацит, или угольные брикеты с размерами частиц 100 мм и выше и порозностью в слое 0,6 - 0,8 м³/м³. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при возникновении неравномерности опускания столба шихты выше границ механической устойчивости плавки дополнительно изменяют давление колошникового газа от его номинального значения. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячее дутье обогащают кислородом до 30 - 80%. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что снижают температуру горячего дутья до 0,5 от его номинального значения.