СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ Российский патент 2003 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано для регулирования теплового режима доменной плавки путем оптимизации параметров комбинированного дутья.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к заявляемому способу является способ регулирования параметров комбинированного дутья (температура дутья, содержание кислорода в дутье, содержание влаги в дутье, расход вдуваемого топлива), предложенный А.Н. Раммом (А.Н. Рамм. Современный доменный процесс. - М.: Металлургия. 1984. Стр. 194). По указанному способу (стр. 194) параметры комбинированного дутья рассчитывают, исходя из уравнения

где i_ф - энтальпия фурменного газа, кДж/м³; А=w_c+i_c+υ'_дi_д, кДж/кг С_ф; кДж/м³ вдуваемого топлива; σ = s/C_ф; w_c - теплота горения углерода кокса в СО, кДж/кг Сф; w_s - теплота горения вдуваемого топлива у фурм, кДж/м³; i_c, i_s, i_д - энтальпии углерода кокса, вдуваемого топлива и дутья соответственно, кДж/кг и кДж/м³; - расход дутья и выход фурменного газа, м³/кг С_ф', - расход дутья, м³/м³ вдуваемого топлива.

Способ осуществляется путем изменения трех из четырех параметров комбинированного дутья (температура дутья, содержание кислорода в дутье, содержание влаги в дутье, расход вдуваемого топлива) в таких пределах, при которых теоретическая температура горения сохраняется на заданном уровне при любом изменении четвертого параметра.

По уравнению (1) устанавливают предельные нормы расхода природного газа:
- при работе доменной печи на атмосферном дутье (t_д-1250^oС, ϕ -1%) - 90÷120 м³/т чугуна;
- при обогащении дутья кислородом до 40% и тех же значениях температуры и влажности - 180÷210 м³/ т чугуна.

В том и другом случаях минимально допустимая теоретическая температура горения составляет 2000-1900^oС (стр. 194).

Недостаток данного способа ведения доменной плавки заключается в том, что установление, например, расхода дополнительного топлива осуществляется методом перебора нескольких вариантов других параметров комбинированного дутья: трех из четырех (температура дутья, содержание кислорода в дутье, содержание влаги в дутье, расход вдуваемого топлива). За критерий оценки "оптимальности" значений параметров комбинированного дутья принимается теоретическая температура горения. Однако теоретическая температура горения не определяет температурный режим во всем объеме печи. Температуры газового потока и шихты в шахте печи определяются кроме температуры газов еще и их количеством. Эффективное ведение доменной плавки требует определенного соотношения между количеством газов, образующихся в горне печи, их температурой и количеством сжигаемого углерода кокса на единицу дутья.

Технический эффект при использовании заявляемого изобретения выражается в снижении энергетических затрат на выплавку чугуна за счет уменьшения удельных расходов кокса и дополнительного топлива, вдуваемого в горн доменной печи, а также в снижении материальных и энергетических затрат в производстве за счет повышения качества чугуна по химическому составу (снижения содержания S на 15-30% и Si - на 20-30%). Использование заявляемого изобретения расширяет возможности оперативного управления интенсивностью доменной печи без нарушения ровности ее хода.

Технический результат достигают тем, что способ ведения доменной плавки включает загрузку в доменную печь шихтовых материалов и кокса, вдувание обогащенного кислородом и увлажненного горячего дутья, газообразного топлива в виде, например, природного и коксового газов, вдуваемых в доменную печь через фурмы, контроль химического состава и количества шихтовых материалов и кокса, химического состава колошникового газа, контроль расходов дутья, газообразного топлива в виде, например, природного и коксового газов, вдуваемых через фурмы, технологического кислорода, контроль температуры дутья и его влажности.

Расход вдуваемого газообразного топлива, например природного или коксового газов, и содержание кислорода в дутье устанавливают по формулам
U = a(6,1•ν²-38,12•ν+70,15), (2)
ω=21+b•U, (3)
где U - расход вдуваемого газообразного топлива, например природного или коксового газов, % к сухому дутью;
ν - коэффициент, отражающий удельный выход газов (СО+Н₂) при неполном химическом сгорании вдуваемого газообразного топлива, выраженный в относительном виде (м³/м³);
ω - содержание кислорода в дутье, % к сухому дутью;
a, b - коэффициенты, отражающие тепло- и физико-химические свойства доменной шихты, равные: а= (0,70÷1,20), и b=(0,30÷0,50), безразмерные; 6,1; 38,12; 70,15 - коэффициенты, устанавливающие количественное соотношение между расходом вдуваемого газообразного топлива и коэффициентом ν, %; 21 - содержание кислорода в атмосферном дутье, %.

Соотношения (2) и (3) соответствуют следующим условиям ведения доменной плавки:
- теоретическая температура горения (^oС): 1900≤t_т≤2400;
- количество горнового газа (СО+H₂+N₂): 1,28≤V_г≤1,40, м³/м³ дутья;
- количество углерода кокса, сгорающего у фурм: 0,18≤(С_к)^ф≤0,30, кг/м³ дутья.

Указанные граничные условия обеспечивают эффективное протекание процессов нагрева шихты, восстановления, плавления, образования чугуна и шлака. Соблюдение в заданных пределах теоретической температуры горения и количества горновых газов обеспечивает определенное соотношение водяных эквивалентов газового потока и шихты (W_г>W_ш), при котором успешно развиваются восстановительные процессы в шахте печи. Вследствие этого сокращается количество Fe, восстанавливаемого в горне печи, что обеспечивает снижение удельного расхода кокса.

Условие по обеспечению заданной интенсивности доменного процесса выражено в виде граничных величин по количеству углерода кокса, сгорающего у фурм - (С_к)^ф, и по количеству горнового газа (V_г).

Содержание кислорода в дутье, устанавливаемое по формуле (3), обеспечивает ведение процесса при оптимальных значениях по количеству горновых газов-1,28≤V_г≤1,40, м³/м³ дутья, их температуре - 1900≤t_т≤2400,^oС и по интенсивности горения углерода кокса -0,18≤(С_к)^ф≤0,30, кг/м³ дутья.

В качестве характеристического параметра вдуваемого газообразного топлива принят удельный выход газов (ν), образующихся при неполном химическом сгорания, выраженный в относительном виде (м³/м³). Указанные требования отражают граничные условия, обеспечивающие эффективное протекание физических и химических процессов во всем объеме доменной печи: нагрев шихты и восстановление железа из его оксидов в шахте печи, плавление и шлакообразование в горне, образование чугуна, включая процессы обессеривания чугуна.

В отличие от прототипа предложенные соотношения позволяют устанавливать расход вдуваемого газообразного топлива и содержание кислорода в дутье независимо от других параметров комбинированного дутья, не прибегая к процедуре перебора параметров комбинированного дутья по температуре и содержанию влаги.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков предлагаемого способа с признаками известных технических решений, на основании чего делается вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Ниже приводятся примеры осуществления изобретения, не исключающие другие варианты в пределах формулы изобретения.

Пример.

Доменную плавку осуществляют путем загрузки в доменную печь шихтовых материалов и кокса, вдувание обогащенного кислородом и увлажненного горячего дутья, газообразного топлива в виде, например, природного и коксового газов, вдуваемых в доменную печь через фурмы, контроль химического состава и количества шихтовых материалов и кокса, химического состава колошникового газа, контроль расходов дутья, газообразного топлива в виде, например, природного и коксового газов, вдуваемых через фурмы, технологического кислорода, контроль температуры дутья и его влажности.

Расход вдуваемого газообразного топлива, например природного или коксового газов, и содержание кислорода в дутье устанавливают по формулам (2) и (3)
U = a(6,1•ν²-38,12•ν+70,15),
ω=21+b•U,
где U - расход вдуваемого газообразного топлива, например природного или коксового газов, % к сухому дутью;
ν - коэффициент, отражающий удельный выход газов (СО+H₂) при неполном химическом сгорании вдуваемого топлива, выраженный в относительном виде (м³/м³);
ω - содержание кислорода в дутье, % к сухому дутью;
a, b - коэффициенты, отражающие тепло- и физико-химические свойства доменной шихты, равные: а=(0,70÷1,20) и b=(0,30÷0,50), безразмерные; 6,1; 38,12; 70,15 - коэффициенты, устанавливающие количественное соотношение между расходом вдуваемого газообразного топлива и коэффициентом ν, %; 21 - содержание кислорода в атмосферном дутье, %.

Заявляемый способ ведения доменной плавки осуществляют на доменной печи полезным объемом 3200 м³. В качестве вдуваемого газообразного топлива используют природный газ (табл. 1) и коксовый газ (табл. 2).

Удельный выход газов при неполном химическом сгорании составляет: у природного газа ν= 3,135 м³/м³ (СО=2,065 м³/м³ и Н₂=1,070 м³/м³); у коксового газа ν=1,579 м³/м³ (СО=0,371 м³/м³ и Н₂=1,132 м³/м³).

Рудная часть шихты состоит на 100% из агломерата следующего химического состава, мас. %: Fе_общ.-58,33; FeO-8,50; Fе₂О₃-73,86; CaO-8,14; SiO₂-6,79; MgO-1,81; Аl₂О₃-0,67; MnO-0,23.

Параметры дутья - температура, влажность и расход приведены в табл.1 и 2.

В табл. 1 приведены примеры осуществления заявляемого способа при использовании в качестве вдуваемого газообразного топлива природного газа, в табл. 2 - коксового газа. Примеры 1 и 5 в табл. 1 и 2 иллюстрируют те случаи технологии, когда содержание кислорода в дутье и расход природного газа не соответствуют регламентированным значениям, рассчитанным по формулам (2) и (3). В примерах 1 (табл. 1 и 2) оба параметра комбинированного дутья не соответствуют регламентируемым значениям, поскольку расход природного газа и коксового газа рассчитаны при значениях коэффициентов а и b, меньше регламентированных значений (%): а=0,60 и b=0,30. В результате содержание кислорода в дутье составляет (природный газ / коксовый газ): 22,27%/24,02%, расход природного газа - 6,36% (80 м³/т чугуна) и коксового газа - 24,02% (182,3 м³/т чугуна).

Рассчитанные параметры комбинированного дутья не соответствуют граничным условиям по следующим условиям:
- применительно к технологии с применением природного газа (табл. 1): по теоретической температуре горения - t_т<1950^oС, по количеству горнового газа - V_г<1,28 м³/м³ и по количеству сгораемого углерода кокса -(С_к)^ф<0,18 кг/м³ дутья.

- применительно к технологии с применением коксового газа (табл. 2) параметры дутья (U и ω) не удовлетворяют граничным условиям по количеству горнового газа - V_г=1,271<1,28 м³/м³.

В результате того, что параметры комбинированного дутья по расходу вдуваемого газообразного топлива и содержанию кислорода в дутье не удовлетворяют значениям, задаваемым по предлагаемому способу, показатели ведения доменной плавки имеют низкие значения (природный газ/коксовый газ): производительность - 7600/7350 т/сутки, удельный расход кокса - 430/433 кг/т чугуна, качество чугуна по содержанию серы и кремния соответственно: Si-0,60%, S-0,014%.

В примерах 5 (табл. 1 и 2) оба параметра комбинированного дутья (U и ω) не соответствуют регламентируемым значениям, поскольку расход природного и коксового газов и содержание кислорода в дутье рассчитаны при значениях коэффициентов а и b, превышающих максимальные регламентированные величины: а>1,20, % и b>0,50, %. В результате содержание кислорода в дутье составляет (природный газ/коксовый газ): 28,95%/40,63%, расход природного газа - 13,26% (165,0 м³/т чугуна) и коксового газа -32,72% (245,6 м³/т чугуна). Рассчитанные параметры не соответствуют граничным условиям для природного газа (табл. 1) по количеству горнового газа -V_г=1,410>1,400 м³/м³, для технологии с коксовым газом (табл. 2) - по теоретической температуре - t_т=2433^oС>2400^oС и количеству горнового газа - V_г=1,453 м³/м³>1,400 м³/м³. Это обусловило низкий технический результат применения заявляемого способа (природный газ / коксовый газ): по производительности доменной печи 7570/7300 т/сутки (при регламентированных параметрах, как в примерах 2, 3 и 4 - 7833÷8000/7460÷7523 т /сутки); удельный расход кокса - 425 /437 кг/т чугуна (в примерах 2, 3 и 4 -400÷420/422÷426,5 кг/т чугуна); качество чугуна по содержанию серы и кремния остается таким же, как в примерах 1 с применением природного газа (табл. 1) и коксового газа (табл. 2).

В примерах 2.3 и 4, как при технологии с применением природного газа (табл.1), так и при технологии с применением коксового газа (табл.2), расход вдуваемого газообразного топлива и содержание кислорода в дутье соответствуют значениям, задаваемым по формулам (1) и (2). Коэффициенты а= (0,70÷1,20), %, b= (0,30÷0,50), %. Расход природного газа в этих примерах (табл. 1) составляет - 7,42÷12,24% и 92,6÷135,4 м³/т чугуна, содержание кислорода в дутье - 23,22÷27,12%. Расход коксового газа (табл.2) составляет - 17,62÷30,20% и 198÷251 м³/т чугуна, содержание кислорода в дутье - 26,3÷36,1%.

Статистическая оценка параметров качества чугуна свидетельствует о том, что регламентируемые значения параметров комбинированного дутья по содержанию кислорода и расходу вдуваемого газообразного топлива (табл. 1 и 2: примеры 2, 3 и 4) обеспечивают ровный устойчивый режим ведения доменной печи. Благодаря этому достигаются минимальные отклонения от средних значений по Si и S (σ_Si= 0,024% и σ_S=0,0001%), а также физический нагрев чугуна. Технический результат выражается в достижении высокой производительности доменной печи - 7833÷8000/7460 -7523 т/сутки, низкий удельный расход кокса - 420÷400/422÷426,5 кг/т чугуна (слева от косой черты - по отношению технологии с применением природного газа, справа - с применением коксового газа).

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано для регулирования расхода дополнительного топлива, вдуваемого в горн доменной печи. Способ включает загрузку в доменную печь шихтовых материалов и кокса, вдувание обогащенного кислородом и увлажненного горячего дутья, газообразного топлива в виде, например, природного и коксового газов, контроль состава и количества шихтовых материалов и кокса, химического состава колошникового газа, контроль расходов газообразного топлива, дутья. При этом расход вдуваемого газообразного топлива и содержание кислорода в дутье устанавливают по формулам a(6,1•ν²-38,12•ν+70,15); ω = 21+b•U, где U - расход вдуваемого газообразного топлива, например природного или коксового газов, % к сухому дутью; ν - коэффициент, отражающий удельный выход газов (СО+Н₂) при неполном химическом сгорании вдуваемого газообразного топлива (м³/м³); ω- содержание кислорода в дутье, % к сухому дутью; а, b - коэффициенты, отражающие тепло- и физико-химические свойства доменной шихты, равные: a=(0,70 -1,20) и b=(0,30-0,50). При использовании изобретения обеспечивается снижение энергетических затрат и повышение качества чугуна. 2 табл.

Способ ведения доменной плавки, включающий загрузку в доменную печь шихтовых материалов и кокса, вдувание через фурмы обогащенного кислородом, увлажненного горячего дутья и газообразного топлива, контроль химического состава и количества шихтовых материалов и кокса, химического состава колошникового газа, расходов дутья, газообразного топлива, кислорода, температуры дутья и его влажности, отличающийся тем, что расход вдуваемого газообразного топлива и содержание кислорода в дутье устанавливают по формулам
U = a(6,1•ν²-38,12•ν+70,15);
ω=21+b•U,
где U - расход вдуваемого газообразного топлива, % к сухому дутью;
ν - коэффициент, отражающий удельный выход газов при неполном химическом сгорании вдуваемого газообразного топлива (м³/м³);
ω - содержание кислорода в дутье, % к сухому дутью;
а, b - коэффициенты, отражающие тепло- и физико-химические свойства доменной шихты, равные: a=(0,70-1,20) и b=(0,30-0,50).