СПОСОБ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ ТИТАНОСОДЕРЖАЩЕГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ Российский патент 2000 года по МПК C21B5/02 

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.

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.

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.