СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ НА ТОЩИХ УГЛЯХ Российский патент 2010 года по МПК C21C1/08 C03B5/12 

Описание патента на изобретение RU2407804C2

Изобретение относится к литейному производству и производству минераловатных изделий, где применяются шахтные печи малого диаметра одинаковой конструкции и предназначено для плавки шихтовых материалов на тощих углях.

Поиски новых видов ваграночного и доменного топлива ведутся давно. Известны вагранки с частичной заменой кокса природным газом, вагранки с применением электроэнергии. Также разработаны технологии применения в вагранках пылеугольного топлива (ПУТ), использование мазута, нефти, пекового кокса, а также эмульсий и суспензий.

Известно, что в первых доменных печах основным горючим был древесный уголь. Выход древесного угля из дров колеблется обычно в пределах от 60 до 70 об.%.

Древесный уголь обладает высокой реакционной способностью и горючестью, что связано с его огромной пористостью (80-87%). По химическому составу древесный уголь выгодно отличается от кокса малой зольностью (1-2% А) и чистотой по сере (<0,05% S) и фосфору (0,1-0,07% Р). Однако в настоящее время его почти не используют вследствие дороговизны, большого расхода и низкой механической прочности из-за его большой пористости.

Известна технология производства литейного кокса из тощих и слабоспекающихся углей Кузнецкого угольного бассейна. Основным недостатком этой технологии являются большие затраты при коксовании.

На протяжении многих лет велись попытки использования различных марок углей без какой-либо подготовки его как в доменном, так и в ваграночном производстве.

Известен способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците, включающий загрузку материалов в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону, отличающийся тем, что уровень загрузки материалов в печи составляет , где Дв - диаметр вагранки, причем дутье в кислородную зону подают подогретым до 450-550°С в равных количествах на двух горизонтах с расстоянием между ними (17,5-20)% от диаметра вагранки [патент RU 2335718. Пашков В.В., Селянин И.Ф. и др.].

В данном патенте описывается технология, позволяющая устранить основной недостаток антрацита - низкую термическую стойкость, вследствие чего он при быстром нагреве в вагранке и большом давлении столба металлической шихты растрескивается на мелкие куски, которые уменьшают свободное сечение вагранки и приводят к нарушению хода плавки. Указывается, что подогрев дутья до 450-500°С уменьшает вероятность растрескивания антрацита, тем самым способствуя нормальному протеканию процесса. Основной недостаток этого способа заключается в том, что уровень загрузки материалов в печи ограничен соотношением , где Дв - диаметр вагранки, а также то, что дутье в кислородную зону подают на двух горизонтах с расстоянием между ними (17,5-20)% от диаметра вагранки.

Наиболее близким к заявленному является способ плавки чугуна в вагранке с вторичным дутьем, позволяющим заменить часть кокса рабочей топливной колоши каменным углем [Селянин И.Ф. Плавка чугуна в вагранке с расширенной зоной горения с применением каменного угля. / И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс // Ресурсосберегающие технологические процессы в литейном производстве: тезисы докладов II Республиканской научно-технической конференции; Орджоникидзе. - 1988. - С.32-33]. В этом способе использовали тощий уголь марки ТК Кузнецкого бассейна. Опытные плавки показали, что замена кокса углем положительно сказывается на химическом составе получаемого чугуна. Расход дефицитного кокса при плавке чугуна в вагранке с вторичным дутьем можно уменьшить. Однако замена в рабочей топливной колоше 50% кокса углем приводит к незначительному снижению температуры чугуна на желобе вагранки, а при дальнейшем увеличении доли угля температура чугуна падает значительно.

Недостатком этого способа является то, что невозможно полностью уйти от использования кокса.

Задачей изобретения является использовать вместо кокса смесь, состоящую из 60% тощих углей и 40% березовых дров. Что приводит к устойчивому ходу плавки и удешевлению процесса выплавки.

Для этого в способе ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на тощих углях, включающем загрузку топлива и материалов в вагранку, по данному изобретению в топливные колоши добавляют 40% березовых дров и 60% тощих углей, при этом дутье подогревают до 450-550°С.

Сущность метода заключается в том, что березовые дрова не теряют своей прочности при горении и имеют высокую теплотворную способность Q=(4÷4,5)·103 ккал/кг, тощие угли Q=(7,5÷8,3)·103 ккал/кг, а кокс Q=(6,2÷6,8)·103 ккал/кг.

В процессе ваграночной плавки на коксе выделяется оптимальное количество тепла.

Для нормального протекания ваграночного процесса необходимо, чтобы в результате горения смеси древесных дров и тощих углей выделялось такое же количество тепла как и при горении кокса.

При заданном процентном соотношении: 40% дров и 60% тощих углей количество теплоты, выделяющееся при сгорании топливной колоши равно

Qобщ=Qдрова+Qуголь=0,4·4,5·103+0,6·8·103=6,6·103 ккал/кг.

Таким образом, один килограмм смеси - дрова (40%) и тощий уголь (60%) дают такое же количество тепла, что и один килограмм кокса. Эта замена равносильна в тепловом отношении.

Дрова при горении и нагрузке не растрескиваются, хорошо держат давление верхних слоев шихты, как каркас воспринимают нагрузку на себя и разгружают от нагрузки куски угля. Это позволяет значительно повысить уровень загрузки шихтовых материалов.

Также дрова являются замедлителем реакции горения, в результате увеличивается высота кислородной зоны.

Начиная со 150°С древесная масса теряет гигроскопическую влагу. Начиная с этой температуры и с дальнейшем повышением температуры начинается процесс выделения и горения летучих. При достижении температуры 270-280°С происходит быстрая реакция усиленного разложения органических веществ древесины с выделением большого количества газа, сопровождающаяся значительным выделением тепла, доходящим до 6% от общей начальной калорийности древесины [Л.М.Мариенбах. Применение местных топлив и заменителей кокса при плавке чугуна в вагранке. МАШГИЗ, 1943, с.28-29].

Таким образом, реакции выделения тепла начинают идти уже на верхних горизонтах печи. Углерод, содержащийся в древесине, при этом пока не выгорает.

Некоторый захолаживающий эффект, при использовании сырых дров, компенсируется подогревом дутья до 450-550°С. Также это благоприятно влияет на стойкость углей против растрескивания.

Плотность и модуль упругости тощих углей выше, чем у кокса. Стойкость углей против растрескивания в кислородной зоне повышается при подогреве дутья.

Подогрев дутья способствует протеканию реакции

вместо реакции

что уменьшает температуру поверхности кокса в кислородной зоне, температурные градиенты и уменьшает вероятность растрескивания угля.

Влага, которая выделяется из дров при горении, увлажняет дутье и также способствует протеканию реакции (I) с тем же положительным эффектом.

В изобретении предлагается дутье подогревать до 450-550°С.

Подогрев дутья ниже 450°С недостаточно для эффективного подавления реакции (II) и развития реакции (I). Температура поверхности куска угля в кислородной зоне остается высокой, порядка 2000°С, что вызывает высокие температурные градиенты поверхности, увеличивает вероятность растрескивания куска топлива.

Подогрев дутья свыше 550°С нецелесообразно, так как на малых шахтных печах устанавливаются радиационно-конвективные рекуператоры, у которых свыше этой температуры теплообменные трубы из жаростойкой стали быстро выходят из строя.

Экспериментальные плавки проводили на вагранке Новокузнецкого предприятия ЗАО «Изолит». Вагранка имела внутренний диаметр 1250 мм и два загрузочных отверстия на высоте 3,5 и 5,5 м от уровня основного ряда фурм. Вагранка предназначена для приготовления оксидного расплава из отвального доменного шлака и горной породы - диабаза для производства минеральной ваты. В качестве топлива применяли березовые дрова и тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красногорский» (Юг Кузбасса).

Вагранка оборудована радиационно-конвективным рекуператором, позволяющим подогревать дутье до 550°С.

Были произведены две серии опытов. Первая серия: высота загрузки материалов составляла 4,0 м, количество добавляемых дров в топливные колоши изменялось в пределах 20-60% по массе (таблица 1).

Таблица 1 Температура оксидного материала в зависимости от количества дров в топливных колошах Количество дров, % по массе 20 30 40 50 60 Температура оксидного расплава, °С 1310 1330 1360 1320 1270

Вторая серия: количество добавляемых дров в топливных колошах составляла 40% по массе, высота загрузки материалов изменялась в пределах 3,0-5,5 м (таблица 2)

Таблица 2 Температура оксидного материала в зависимости от высоты загрузки материалов Высота загрузки, м 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Температура оксидного расплава, °С 1280 1345 1360 1365 1355 1320

Первая серия опытов показала, что оптимальные результаты достигаются при 40% березовых дров в топливных колошах. При меньшем содержании дров прочности каркаса березовых дров недостаточно, чтобы эффективно противостоять нагрузке верхних слоев шихты, и куски угля частично растрескиваются, несмотря на подогрев дутья до 550°С. При большем содержании, свыше 40%, теплотворной способности топлива недостаточно, чтобы перегреть расплав до высоких необходимых температур.

Вторая серия опытов показала, что оптимальные результаты достигаются при 40% дров в топливных колошах и при высоте загрузки материалов 4,0-4,5 м. При меньшей высоте загрузки газы не успевают отдать тепло твердым материалам, при незавершенном теплообмене высота зоны плавления понижается, температура перегрева расплава также понижается. При высоте загрузки свыше 4,5 м каркас дров не выдерживает механической нагрузки со стороны верхних слоев шихты, куски угля начинают растрескиваться, уровень плавления понижается, и температура расплава падает.

Плавки на чугуне проводили на ОАО «Универсал» (г.Новокузнецк). Эксперименты проводили на вагранке с внутренним диаметром 1350 мм и максимальной высотой загрузки 5,2 м. Вагранка оборудована рекуператором труба в трубе, позволяющим подогревать дутье до 450°С. Шихта состояла из 60% чушкового чугуна, 30% боя изложниц и 10% стального лома. В качестве топлива применяли березовые дрова и тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красноярский» (юг Кузбасса). Были проведены также две серии опытов.

Первая серия: высота загрузки материалов составляла 4,0 м, количество добавляемых дров в топливные колоши изменялось в пределах 30-50% по массе (таблица 3).

Таблица 3 Количество дров, % по массе 30 35 40 45 50 Температура чугуна, °С 1350 1375 1380 1360 1300

Вторая серия: количество добавляемых дров в топливных колошах составляло 40% по массе, высота загрузки материалов изменялась в пределах 3,5-5,4 м (таблица 4).

Таблица 4 Температура чугуна на выпуске в зависимости от высоты загрузки материалов. Высота загрузки в метрах 3,5 4,0 4,5 5,0 5,4 Температура чугуна, °С 1360 1380 1375 1355 1340

При плавке оксидных материалов применялись березовые чурки ⌀ 120-130 мм длиной 150-160, при плавке чугуна размер чурок составлял ⌀ 150-180 мм, длина 200-220 мм.

Применение дров при плавке чугуна и оксидных материалов дает оптимальный эффект по температуре выпускаемого расплава при одинаковых параметрах по расходу дров - 40% по высоте загрузки 4,0-4,5 м.

Теплофизическая причина данного явления одна и та же. Оптимальная температура чугуна оказалась на 20°С выше, чем оксидного расплава. Это связано с тем, что на ЗАО «Изолит» вагранка обслуживается воздуходувкой ВМ 6/6000 м3/ч, на ОАО «Универсал» воздуходувкой большей мощностью ВМ 15/15000 м3/ч. Поэтому при плавке на чугуне вагранка лучше снабжалась воздухом, что привело к повышению температуры расплава.

Похожие патенты RU2407804C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ТОЩИХ УГЛЯХ И АНТРАЦИТЕ 2007
  • Пашков Владимир Васильевич
  • Селянин Иван Филиппович
  • Клопов Виктор Иванович
  • Бедарев Сергей Александрович
  • Феоктистов Андрей Владимирович
RU2378388C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ 2017
  • Хафизов Руслан Амирович
  • Султангалиев Руслан Фирзанович
  • Буренкова Юлия Владимировна
RU2681172C2
СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА АНТРАЦИТЕ 2007
  • Селянин Иван Филиппович
  • Феоктистов Андрей Владимирович
  • Бедарев Сергей Александрович
  • Клопов Виктор Иванович
RU2350659C1
СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА АНТРАЦИТЕ 2006
  • Пашков Владимир Васильевич
  • Селянин Иван Филиппович
  • Клопов Виктор Иванович
  • Бедарев Сергей Александрович
RU2335718C2
СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2009
  • Феоктистов Андрей Владимирович
  • Селянин Иван Филиппович
  • Бедарев Сергей Александрович
  • Филинберг Ирина Николаевна
  • Марченко Валентин Александрович
  • Прохоренко Алексей Владимирович
RU2394106C1
ВАГРАНКА ДЛЯ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА АНТРАЦИТЕ 2010
  • Селянин Иван Филиппович
  • Пашков Владимир Васильевич
  • Куценко Андрей Иванович
  • Феоктистов Андрей Владимирович
  • Филинберг Ирина Николаевна
  • Клопов Александр Викторович
  • Марченко Валентин Александрович
  • Бедарев Сергей Александрович
RU2446372C2
СПОСОБ ПЛАВКИ ЧУГУНА В ГАЗОВОЙ ВАГРАНКЕ 2009
  • Черный Анатолий Алексеевич
  • Черный Вадим Анатольевич
  • Соломонидина Светлана Ивановна
  • Городнова Татьяна Николаевна
  • Дурина Татьяна Анатольевна
RU2412413C1
Способ плавки чугуна в коксогазовой шахтной печи 1985
  • Ключников Анатолий Дмитриевич
  • Евтифеев Игорь Александрович
SU1420324A1
СПОСОБ ПЛАВКИ ЧУГУНА В ВАГРАНКЕ С ДВУМЯ РЯДАМИ ФУРМ 1991
  • Безрутченко В.Т.
  • Кузьмичев Г.Г.
  • Щеголев Ю.В.
RU2024620C1
ВАГРАНКА 1991
  • Селянин И.Ф.
  • Маркс Г.Л.
  • Головко В.Д.
  • Антипин В.П.
RU2009417C1

Реферат патента 2010 года СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ НА ТОЩИХ УГЛЯХ

Изобретение относится к литейному производству и производству минераловатных изделий. Способ включает загрузку топлива и материалов в вагранку, подачу подогретого до 450-550°С дутья. В качестве топлива используют смесь 40% березовых дров и 60% тощих углей при высоте загрузки материалов 4,0-4,5 м в топливные колоши. Использование изобретения позволяет обеспечить устойчивость хода плавки и удешевить процесс выплавки. 4 табл.

Формула изобретения RU 2 407 804 C2

Способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на тощих углях, включающий загрузку шихтовых материалов и топлива в топливные колоши, подачу подогретого до 450-550°С дутья, отличающийся тем, что в качестве топлива используют смесь 40% березовых дров и 60% тощих углей при высоте загрузки материалов в вагранку 4,0-4,5 м.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2407804C2

СПОСОБ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА АНТРАЦИТЕ 2006
  • Пашков Владимир Васильевич
  • Селянин Иван Филиппович
  • Клопов Виктор Иванович
  • Бедарев Сергей Александрович
RU2335718C2
Способ переплавки чугунной и стальной стружки в вагранке 1942
  • Мариенбах Л.М.
SU65105A1
Способ плавки чугуна в вагранке 1988
  • Грачев Владимир Александрович
SU1574638A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ 2003
  • Шашмурин П.И.
  • Посохов М.Ю.
  • Стуков М.И.
  • Журавлева Д.Д.
  • Загайнов В.С.
  • Стуков Д.В.
  • Кашинский Б.Л.
  • Фоминых А.А.
  • Лысенко А.В.
RU2248332C1

RU 2 407 804 C2

Авторы

Феоктистов Андрей Владимирович

Селянин Иван Филиппович

Бедарев Сергей Александрович

Филинберг Ирина Николаевна

Марченко Валентин Александрович

Прохоренко Алексей Владимирович

Даты

2010-12-27Публикация

2009-01-11Подача