БРИКЕТ ДЛЯ ПРОМЫВКИ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2010 года по МПК C22B1/243 C22B1/248 

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве промывочных материалов и при выплавке чугуна в доменных печах.

Заявляются три варианта технического решения, которое по каждому из вариантов является решением одной и той же задачи принципиально тем самым путем, которые не могут быть охвачены одним общим пунктом формулы изобретения.

Известна шихта для производства брикетов для промывки горна доменной печи [1], включающая окисленные железосодержащие материалы, цемент и пластификатор. Шихта дополнительно содержит углеродсодержащие и марганецсодержащие материалы и флюсующие добавки в количестве, обеспечивающем содержание углерода, оксидов железа, марганца, кальция, кремния, магния и алюминия, при котором массовые отношения элементов и оксидов C:Fe, Mn:Fe, CaO:SiO₂, MgO:Al₂O₃ в шихте находится в пределах 0,05…0,15, 0,03…0,2, 0,6…1,2, 0,2…0,6 соответственно. Входящие в шихту углеродсодержащие материалы имеют крупность до 10 мм, а железосодержащие, марганецсодержащие материалы и флюсующие добавки - крупность до 3 мм. В качестве углеродсодержащего материала шихта содержит коксовую мелочь, и/или антрацит, и/или уголь, и/или бой графитированных или углеродистых электродов, и/или бой электролизных ванн, и/или углеродсодержащие шламы и пыли. В качестве железосодержащих материалов шихта содержит железорудный концентрат, и/или железную руду, и/или окалину, и/или сталеплавильные шламы, и/или доменные шламы. В качестве марганецсодержащего материала шихта содержит марганцевый концентрат, и/или марганцевую руду, и/или пыль газоочисток печей для выплавки ферромарганца и/или силикомарганца. В качестве флюсующих добавок шихта содержит сталеплавильные шлаки, и/или шлак производства силикомарганца, и/или шлак производства ферромарганца, и/или шлак производства ферросилиция, и/или отходы сварочного флюса.

Недостатком шихты для производства брикетов для промывки горна доменной печи является высокая стоимость производства брикетов и низкая эффективность при использовании в качестве промывочного материала в доменной печи, обусловленная высокой восстановимостью железосодержащего материала в брикете и низким содержанием оксидов железа после термообработки брикета в шахте доменной печи, а также высоким значением отношения CaO/SiO₂.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является брикет для металлургического производства, брикет для промывки горна доменной печи [2]. Брикет для металлургического производства содержит окисленный железосодержащий материал, измельченный железоуглеродистый сплав, карбюризатор, связующее, легирующую и флюсующую добавки и пластификатор при следующем соотношении компонентов, мас.%: окисленный железосодержащий материал 5-57; измельченный железоуглеродистый сплав 1-30; карбюризатор 20-30; связующее 10-20; легирующая добавка 1-15; флюсующая добавка 1-10; пластификатор сверх 100% в количестве 0,1-0,5% от массы связующего. В качестве окисленного железосодержащего материала брикет содержит прокатную окалину, железорудный концентрат, аглодоменный шлам, пиритные огарки, колошниковую пыль. В качестве измельченного железоуглеродистого сплава брикет содержит отсев чугунной дроби или чугунную пыль. В качестве карбюризатора брикет содержит коксовую мелочь, коксовую пыль, антрацитовый штыб, графитовую спель, бой графитовых электродов. В качестве связующего брикет содержит органическое или минеральное связующее. В качестве минерального связующего используют цемент и жидкое стекло, а в качестве органического связующего - сульфидно-спиртовую барду или лигносульфонат. В качестве легирующей добавки брикет содержит скрап, пыль и шлам, образующийся при выплавке ферромарганца, ферросилиция и феррохрома, металлоотсев производства феррованадия. В качестве флюсующей добавки брикет содержит известняковую или доломитизированную мучку. В качестве пластификатора брикет содержит сульфидно-дрожжевую бражку, мелассу и т.п.

Шихтовый материал для промывки горна доменной печи сформирован в виде брикета и содержит окисленный железосодержащий материал, минеральное связующее и пластификатор при следующем соотношении компонентов, мас.%: окисленный железосодержащий материал 80-90; минеральное связующее 10-20; пластификатор сверх 100% в количестве 0,1-0,5% от массы связующего. Шихтовый материал в качестве окисленного железосодержащего материала содержит окалину, в качестве минерального связующего - портландцемент, а в качестве пластификатора - сульфидно-дрожжевую бражку, мелассу, упаренную последрожжевую барду, водорастворимый препарат, щелочной сток производства капролактана или мылонафт.

Недостатком брикета для промывки горна доменной печи является низкий промывочный эффект, обусловленный высокой восстановимостью окалины в брикете и низким содержанием оксидов железа после термообработки брикета в шахте доменной печи, а также высокая стоимость производства брикетов.

Задачей изобретения является создание брикета с высокими промывочными характеристиками при его использовании в доменной плавке с низкими затратами.

Технический результат достигается тем, что в первом варианте брикет для промывки доменной печи содержит в качестве железосодержащего материала окалину, в качестве связующего портландцемент, дополнительно содержит катализатор твердения, а в качестве флюсовых материалов шлаки шахтной плавки никелевого и медного штейна и при следующем соотношении компонентов, мас.%: окалина 20,0-40,0; шлак шахтной плавки никелевого штейна 26,5-37,0; шлак шахтной плавки медного штейна 26,0-39,0; связующее 2,5-5,0; катализатор твердения 1,5-2,5. В качестве катализатора твердения используют раствор хлористого кальция и/или нитрата кальция.

Промывочный эффект в доменной печи достигается при плавке трудновосстановимого оксидного материала, имеющего низкую температуру плавления, способного ассимилировать тугоплавкие высокоосновные шлаки и активно химически разрушать коксовый мусор. Для этих целей больше всего подходит материал, основная масса которого состоит из минералов на основе оливинов и силикатов железа. Основным источником оливинов и силикатов железа являются флюсовые компоненты - шлаки шахтной плавки никелевого и медного штейнов. Определенное сочетание этих шлаков обеспечивает необходимое количество оливинов и силикатов железа в промывочном брикете. Вторым промывочным компонентом является жидкое металлическое железо, которое получается при восстановлении окалины. Поток жидкого металлического железа физически промывает коксовую насадку, вытесняя мусор и тугоплавкие массы.

Брикет для промывки доменной печи отличается от прототипа тем, что в качестве флюса содержит шлаки шахтной плавки никелевого и медного штейнов и дополнительно катализатор твердения. Отличием заявляемого изобретения являются пределы содержания шлаков шахтной плавки никелевого и медного штейнов и катализатора твердения.

Пределы содержания окалины в брикете обусловлены требуемым минеральным составом, обеспечивающим максимальный промывочный эффект в доменной плавке. При содержании окалины менее 20% ухудшаются промывочные свойства, обусловленные дренажем металла в горне. При содержании окалины более 40% снижается промывочный эффект, обусловленный низким содержанием силикатов железа.

Пределы содержания шлака шахтной плавки никелевого штейна в брикете обусловлены требуемым минеральным составом, обеспечивающим максимальный промывочный эффект в доменной плавке. При содержании шлака шахтной плавки никелевого штейна в брикете менее 26,5% количество оливинов снижается и не обеспечивает необходимого промывочного эффекта. При содержании шлака шахтной плавки никелевого штейна в брикете более 37% возрастает содержание CaO и MgO в брикете, что приводит к повышению температуры плавления и снижению промывочных свойств.

Пределы содержания шлака шахтной плавки медного штейна в брикете обусловлены требуемым количеством силикатов железа, обеспечивающим максимальный промывочный эффект в доменной плавке. При содержании шлака шахтной плавки медного штейна в брикете менее 26% количество силикатов железа снижается и не обеспечивает необходимого промывочного эффекта. При содержании шлака шахтной плавки медного штейна в брикете более 39% формируется неблагоприятный минеральный состав первичного шлака, что приводит к уменьшению промывочных свойств.

Пределы содержания портландцемента в брикете обусловлены требуемой прочностью брикета и минеральным составом. Нижний предел содержания портландцемента в брикете, т.е. 2,5%, обусловлен нижним пределом требуемой прочности. При содержании портландцемента в брикете более 5,0% возможно образование тугоплавких масс шлака, оседающих на коксовой насадке и ухудшающих дренаж продуктов плавки в горне.

Пределы содержания катализатора твердения в брикете обусловлены технологией производства брикетов. Нижний предел содержания катализатора твердения в брикете, т.е. 1,5%, обусловлен максимально возможным временем набора прочности, при котором не происходит разрушение брикета в процессе транспортировки из брикетного пресса. При содержании катализатора твердения в брикете более 2,5% возрастает себестоимость производства брикетов.

По второму варианту брикет для промывки доменной печи содержит в качестве железосодержащего материала окалину, в качестве связующего портландцемент, дополнительно содержит катализатор твердения, а в качестве флюсовых материалов шлак шахтной плавки никелевого штейна при следующем соотношении компонентов, мас.%: окалина 42,0-48,0; шлак шахтной плавки никелевого штейна 44,5-54,0; портландцемент 2,5-5,0; катализатор твердения 1,5-2,5. В качестве катализатора твердения используют раствор хлористого кальция и/или нитрата кальция.

Шлак шахтной плавки никелевого штейна является источником оливинов. Введение этого шлака в шихту брикетов обеспечивает необходимое промывочные свойства в доменной печи. Окалина является источником второго промывочного компонента - жидкого металлического железа. Для создания необходимого комплекса промывочных свойств соотношение окалины и шлака шахтной плавки никелевого штейна необходимо изменить по сравнению с первым вариантом.

Пределы содержания окалины в брикете при вводе в шихту в качестве флюса одного шлака шахтной плавки никелевого штейна обусловлены требуемым минеральным составом, обеспечивающим максимальный промывочный эффект в доменной плавке. При содержании окалины менее 42% ухудшаются промывочные свойства обусловленные дренажем металла в горне. При содержании окалины более 48% снижается промывочный эффект, обусловленный низким содержанием оливинов.

Пределы содержания шлака шахтной плавки никелевого штейна в брикете при вводе его одного в качестве флюса обусловлены требуемым минеральным составом, обеспечивающим максимальный промывочный эффект в доменной плавке. При содержании шлака шахтной плавки никелевого штейна в брикете менее 44,5% количество оливинов снижается и не обеспечивает необходимого промывочного эффекта. При содержании шлака шахтной плавки никелевого штейна в брикете более 54% возрастает содержание CaO и MgO в брикете, что приводит к повышению температуры плавления и снижению промывочных свойств.

По третьему варианту брикет для промывки доменной печи содержит в качестве железосодержащего материала окалину, в качестве связующего портландцемент, дополнительно содержит катализатор твердения, а в качестве флюсовых материалов шлак шахтной плавки медного штейна при следующем соотношении компонентов, мас.%: окалина 7,5-21,0; шлак шахтной плавки медного штейна 75,0-85,0; портландцемент 2,5-5,0; катализатор твердения 1,5-2,5. В качестве катализатора твердения используют раствор хлористого кальция и/или нитрата кальция.

Шлак шахтной плавки медного штейна является источником силикатов железа. Введение этого шлака в шихту брикетов обеспечивает необходимое промывочные свойства в доменной печи. В связи с высокими промывочными свойствами шлака шахтной плавки медного штейна содержание второго промывочного компонента - окалины требует корректировки по сравнению с первым и вторым вариантами.

Пределы содержания окалины в брикете при вводе в шихту в качестве флюса одного шлака шахтной плавки медного штейна обусловлены требуемым минеральным составом, обеспечивающим максимальный промывочный эффект в доменной плавке. При содержании окалины менее 7,5% ухудшаются промывочные свойства, обусловленные дренажем металла в горне. При содержании окалины более 21% снижается промывочный эффект, обусловленный низким содержанием силикатов железа.

Пределы содержания шлака шахтной плавки медного штейна в брикете при вводе его одного в шихту обусловлены требуемым количеством силикатов железа, обеспечивающим максимальный промывочный эффект в доменной плавке. При содержании шлака шахтной плавки медного штейна в брикете менее 75% количество силикатов железа снижается и не обеспечивает необходимого промывочного эффекта. При содержании шлака шахтной плавки медного штейна в брикете более 85% ухудшаются промывочные свойства брикета.

Заявленный состав компонентов и их количественное содержание гарантируют необходимые металлургические свойства брикета для достижения задачи изобретения - создание материала с высокими промывочными характеристиками при его использовании в доменной плавке с низкими затратами.

Известны брикеты для промывки горна доменной печи [3], который получают путем прессования под давлением 500-1000 МПа. В качестве связующего органической природы брикет содержит лигносульфонат или кубовые остатки жирных кислот.

Недостатками способа изготовления брикетов являются низкая производительность, обусловленная использованием штемпельных прессов, и большие производственные затраты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления брикетов для металлургического производства и брикетов для промывки горна доменной печи [2], который включает подготовку шихты, смешивание, увлажнение смеси водным раствором пластификатора и прессование с удельным давлением 0,02-0,1 МПа с одновременным воздействием на смесь вибрацией с частотой 30-70 Гц и амплитудой колебания 0,2-0,6 мм до возникновения в смеси необратимых тиксотропических изменений.

Недостатком способа изготовления брикетов является высокий расход связующего, обуславливающий высокую стоимость производства брикетов, и дополнительная тепловлажностная обработка в течение 15 часов, снижающая производительность.

Задачей изобретения является создание материала с высокими промывочными характеристиками при его использовании в доменной плавке с низкими затратами.

Технический результат достигается тем, что способ производства брикета для промывки доменной печи включает ввод в шихту железосодержащих, флюсовых компонентов, связующего, смешивание и прессование, которое производят в валковом брикетном прессе при удельном давлении 30-100 МПа, а содержание компонентов шихты соответствует составу по приведенным выше вариантам.

Способ производства брикета для промывки доменной печи отличается от прототипа тем, что прессование шихты производят в валковом брикетном прессе при удельном давлении 30-100 МПа, а в качестве флюса в шихту вводят шлаки шахтной плавки никелевого и медного штейнов и дополнительно катализатор твердения.

Прессование брикетов в валковом брикетном прессе обусловлено задачей снижения затрат и получения требуемой прочности. Пределы изменения удельного давления прессования обусловлены требованиями прочности брикетов и снижением затрат при производстве.

Нижний предел изменения удельного давления прессования, т.е. 30 МПа, обусловлен минимальным удельным давлением, при котором обеспечивается требуемая прочность брикетов и соответствует максимальному расходу связующего и катализатора твердения. При меньшем чем 30 МПа удельном давлении возрастает расход связующего, что приводит к увеличению затрат. Верхний предел изменения удельного давления прессования, т.е. 100 МПа, обусловлен конструктивными особенностями и техническими характеристиками валковых брикетных прессов. При удельном давлении более 100 МПа возрастают затраты на ремонт и обслуживание оборудования.

При производстве брикета для промывки доменной печи введение в шихту в качестве флюса шлаков шахтной плавки никелевого и медного штейнов обусловлено задачей создания материала с высокими промывочными характеристиками. Использование шлаков шахтной плавки никелевого и медного штейнов обеспечивает также снижение затрат при производстве брикетов.

При производстве брикета для промывки доменной печи введение в шихту катализатора твердения обусловлено задачей получения брикета требуемой прочности и минимального разрушения при его транспортировке от брикетного пресса. Использование катализатора твердения обеспечивает также повышение производительности и снижение затрат при производстве брикетов.

Проведенный поиск по научно-техническим и патентным источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволяют выявить вышеприведенные отличия в предлагаемом техническом решении. Предлагаемое техническое решение «Брикет для промывки доменной печи (варианты) и способ его производства» отвечает критерию изобретения "новизна".

Проведенный дополнительный анализ известных технических решений для определения в них признаков, аналогичных признакам отличительной части формулы изобретения заявляемого технического решения, показал, что эти признаки не найдены среди известных решений. Таким образом, заявляемое техническое решение отвечает критерию изобретения "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения. Производство брикета для промывки доменной печи проводили в промышленных условиях на брикетном заводе ООО «Тормаг». Компоненты шихты для производства брикетов дозировали, смешивали в смесителе и загружали в приемный бункер валкового брикетного пресса ПБВ 700/300-200. Содержание оксидов в компонентах шихты приведено в табл.1. В качестве связующего использовали портландцемент марки 400. В качестве катализатора твердения использовали раствор хлористого кальция и нитрата кальция. После производства опытных партий брикеты испытывали на прочность и в лабораторных условиях определяли промывочные свойства. Основными показателями, определяющими промывочные свойства шихтовых материалов доменной плавки, являются восстановимость и фильтруемость продуктов плавки через коксовую насадку. Чем ниже восстановимость и больше фильтруемость продуктов плавки, в частности шлака, через коксовую насадку, тем выше промывочные свойства материала. Восстановимость и фильтруемость продуктов плавки определяли по специально разработанной методике. Для сравнения показателей были проведены испытания способа по прототипу. Затраты на производство брикетов определяли по калькуляции себестоимости опытных партий. Результаты испытаний представлены в табл.2-3.

Анализ полученных результатов показывает, что использование заявляемого брикета для промывки доменной печи и способа его производства обеспечивает повышение промывочных свойств по показателю фильтруемости шлака через коксовую насадку по сравнению с прототипом с 70,5 до 90,2-98,5%. Затраты на производство брикетов для промывки доменной печи снижаются с 3400 до 1330-2000 руб./т.

Заявляемое техническое решение реализовано в промышленности, а технический результат вытекает из совокупности существенных признаков изобретения, что свидетельствует о соответствии критерию «промышленная применимость».

Таблица 1. Содержание (мас.%) в компонентах шихты Элементы, оксиды Окалина Шлак шахтной плавки никелевого штейна Шлак шахтной плавки медного штейна Fe_общ 73,16 16,5 37,3 FeO 61,10 21,2 48,0 Fe₂O₃ 36,60 - - SiO₂ 1,33 42,5 32,5 Al₂O₃ 0,30 9,6 8,2- CaO 0,20 19,2 5,5 MgO 0,40 6,0 4,8

Источники информации

1. Пат. РФ №2244013, заявл. 03.07.2003, опубл. 10.01.2005, МПК C21B 3/00.

2. Пат. РФ №2183679, заявл. 28.06.2001, опубл. 20.06.2002, МПК C21C 5/52, C21B 3/00, C22B 1/24, C22B 1/242.

3. Пат. РФ №2241759, заявл. 03.07.2003, опубл. 10.12.2004, МПК C21B 3/00.

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве промывочных материалов и при выплавке чугуна в доменных печах. Брикет для промывки доменной печи содержит флюсовые материалы, в качестве железосодержащего материала - окалину, в качестве связующего - портландцемент и катализатор твердения. В качестве флюсовых материалов используют шлаки шахтной плавки никелевого и/или медного штейна, а в качестве катализатора твердения - раствор хлористого кальция и/или раствор нитрата кальция. Для получения брикета осуществляют введение в шихту железосодержащих, флюсовых компонентов, связующего и катализатора твердения, смешивание и прессование шихты, которое производят в валковом брикетном прессе при удельном давлении 30-100 МПа. Изобретение направлено на получение брикета с высокими промывочными характеристиками при его использовании при доменной плавке с низкими затратами. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Брикет для промывки доменной печи, содержащий флюсовые материалы, в качестве железосодержащего материала - окалину, а в качестве связующего - портландцемент, отличающийся тем, что он дополнительно содержит катализатор твердения, а в качестве флюсовых материалов - шлаки шахтной плавки никелевого и медного штейна при следующем соотношении компонентов, мас.%:
окалина 20,0-40,0 шлак шахтной плавки никелевого штейна 26,5-37,0 шлак шахтной плавки медного штейна 26,0-39,0 портландцемент 2,5-5,0 катализатор твердения 1,5-2,5

2. Брикет по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора твердения использован раствор хлористого кальция и/или раствор нитрата кальция.

3. Брикет для промывки доменной печи, содержащий флюсовые материалы, в качестве железосодержащего материала - окалину, а в качестве связующего - портландцемент, отличающийся тем, что он дополнительно содержит катализатор твердения, а в качестве флюсовых материалов - шлак шахтной плавки никелевого штейна при следующем соотношении компонентов, мас.%:
окалина 42,0-48,0 шлак шахтной плавки никелевого штейна 44,5-54,0 портландцемент 2,5-5,0 катализатор твердения 1,5-2,5

4. Брикет по п.3, отличающийся тем, что в качестве катализатора твердения использован раствор хлористого кальция и/или раствор нитрата кальция.

5. Брикет для промывки доменной печи, содержащий флюсовые материалы, в качестве железосодержащего материала - окалину, а в качестве связующего - портландцемент, отличающийся тем, что он дополнительно содержит катализатор твердения, а в качестве флюсовых материалов - шлак шахтной плавки медного штейна при следующем соотношении компонентов, мас.%:
окалина 7,5-21,0 шлак шахтной плавки медного штейна 75,0-85,0 портландцемент 2,5-5,0 катализатор твердения 1,5-2,5

6. Брикет по п.5, отличающийся тем, что в качестве катализатора твердения использован раствор хлористого кальция и/или раствор нитрата кальция.

7. Способ производства брикета для промывки доменной печи, включающий введение в шихту железосодержащих, флюсовых компонентов, связующего и катализатора твердения, смешивание и прессование шихты, которое производят в валковом брикетном прессе при удельном давлении 30-100 МПа, и при содержании компонентов шихты, соответствующем составу по п.1, или 3, или 5.