Способ ведения доменной плавки Российский патент 2023 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, а конкретнее, к вдуванию комбинированного дутья в горн доменной печи, в том числе с высоким расходом природного газа, и может быть применено при выплавке передельного и литейного чугуна с использованием на доменных печах загрузочных устройств, позволяющих регулировать распределение материалов по радиусу колошника в широких пределах.

Известны способы доменной плавки с применением комбинированного дутья, в частности с раздельным или совместным вдуванием природного и коксового газов для снижения расхода кокса на выплавку чугуна. При этом расход газов определяется уровнем теоретической температуры горения [1. Рамм А.Н. Современный доменный процесс. М., Металлургия, 1980 С. 172-229. 2. Авторское свидетельство SU № 1068481, С21В5/00, 1984].

Недостаток известных способов в неполном использовании возможностей при экономии кокса природным и, или коксовым газом, так как предельный расход углеводородов определяется не только теоретической температурой горения и газодинамическими условиями доменной плавки, а также условиями распределения железорудной шихты и кокса по сечению колошника доменной печи.

Известен также способ контроля и регулирования распределения материалов и газов по сечению доменной печи, включающий контроль состава колошникового газа и параметров дутья, позволяющие корректировать рудную нагрузку по сечению колошника при отклонении показателей газа от оптимального уровня. [Патент SU 1682402, МПК C21B7/24, 1991].

Недостатком способа является то, что данный способ направлен на повышение стабильности технологии доменной плавки в узком диапазоне изменения расхода комбинированного дутья, отсутствие в нем информации об изменении содержании водорода в колошниковом газе при высоких расходах природного газа и способов регулирования рудной нагрузки по сечению доменной печи в условиях малошлаковой плавки с расходом природного газа 140-260 м³/т чугуна.

Технической задачей изобретения является устранение недостатков известных способов (аналогов и прототипа) путем повышения степени использования газа в доменной печи в условиях работы с его высоким расходом, а также обеспечение ровного, высокопроизводительного хода доменной печи, продление ее компании и снижение удельного расхода кокса.

Указанная техническая задача достигается тем, что в способе ведения доменной плавки, включающем загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание комбинированного дутья, непрерывный контроль параметров колошникового газа, согласно изобретению плавку ведут при расходе природного газа выше 140 м³/т чугуна, рудную нагрузку регулируют массой присаживаемой железорудной подачи, определяют изменение рудной нагрузки по радиусу печи в пристеночной зоне, ограниченной 0,9-1,0 радиуса колошника и приосевой зоне, ограниченной 0,1-0,15 радиуса колошника, при этом, при увеличении расхода природного газа на величину более или равную 5,0 % от базового значения и повышении содержания водорода в колошниковом газе на величину более 0,5% от базового значения, производят снижение ОРН_отн. на 0,01 - 0,1 ед, а коэффициент N повышают на 0,05 - 0,5ед., на каждые 0,5% водорода, содержащегося в колошниковом газе сверх базового значения.

Отношение высоты слоя кокса в колошнике доменной печи к диаметру колошника составляет 0,045 - 0,065.

Коксовая часть подачи содержит кокс фракционным размером 10-40 мм и/или антрацит и/или продукт углеродсодержащий, представляющий собой продукт коксования условно пригодных для коксования марок углей с суммарным содержанием в количестве до 100 % от коксовой части подачи.

Где:

ОРН_отн. - относительная рудная нагрузка в оси по отношению к средней рудной нагрузке, ед.;

N - отношение относительной рудной нагрузки на периферии к относительной рудной нагрузке в оси (ПРН_отн./ ОРН_отн.), ед;

ПРН_отн - относительная рудная нагрузка на периферии по отношению к средней рудной нагрузке; ед.

Сущность способа заключается в следующем.

Высокопроизводительная, экономичная работа доменной печи, обеспечивающая сохранность футеровки шахты обусловливает необходимость формирования столба шихтовых материалов таким образом, чтобы газовый поток максимально обрабатывал столб железорудных материалов и обеспечивал ровность схода шихты. В связи со спецификой профиля доменной печи и периферийным подводом дутья распределение материалов и рудной нагрузки по радиусу колошника должно быть неравномерным. Рациональным принято считать создание умеренного газового потока у стен печи и развитие газового потока в осевой зоне, путем регулирования рудной нагрузки. Рациональный характер распределения газового потока, независимо от вида применяемого загрузочного устройства, предполагает наименьшие рудные нагрузки в осевой зоне, то есть наличие «осевой» отдушины для поддержания в ней стабильного, более активного по сравнению с другими зонами потока горновых газов.

Газопроницаемость нижней зоны доменной печи в значительной степени зависит от характеристик коксовой насадки и фильтруемости через нее промежуточных расплавов. Проведенные в ХХ веке в СССР и Японии фундаментальные исследования по изучению изменений структуры железорудных материалов и кокса в процессе доменной плавки на охлажденных доменных печах показали, что кокс для доменной плавки должен характеризоваться узким диапазоном гранулометрического состава, высокой прочностью, низкой истираемостью и низкой реакционной способностью. Фракционный состав коксового слоя, его высота (масса коксовой подачи) при этом должны включать не менее 4 - 5 кусков усредненной фракции. Для лучшего обеспечения функций разрыхлителя куски кокса должны быть достаточно крупными, а межкусковые расстояния достаточно большими. Для сохранения крупности кокс должен иметь достаточно высокий показатель горячей прочности. При формировании железорудного слоя по сечению доменной печи необходимо учитывать, тот факт, что порозность коксовой насадки изменяется по радиусу горна. В пристеночной зоне (с хорошими дренажными условиями) она примерно равна 0,32-0,36 м³/м³, в осевой зоне примерна равна 0,41 м³/м³. При этом рудная нагрузка в пристеночной зоне может изменяться в пределах 3,6-6,5 в осевой 0,5-3,0 т/т.

Увеличение расхода природного газа в технологии доменной плавки, при постоянном содержании кислорода в дутье, обусловливает снижение теоретической температуры горения. При увеличении расхода природного газа и соответственно, сокращению расхода твердого топлива на тонну чугуна при сохранении качества железорудных материалов рудная нагрузка растет, как правило, за счет сокращения твердого топлива. При опускании железорудных материалов и кокса в процессе восстановительно-тепловой обработки толщина железорудных и коксовых слоев вниз сокращается и, в зоне вязко-пластичного состояния железорудных материалов, коксовые слои являются основной распределительной решеткой газового потока. При сокращении массы кокса в подаче, рудные слои могут сомкнуться и нарушить газораспределение в доменной печи. Регулирование рудной нагрузки путем корректировки массы железорудных материалов при сохранении коксового слоя является залогом стабильного распределения газового потока по сечению и высоте доменной печи. Снижение теоретической температуры в осевой зоне печи приводит к усилению газового потока в периферийной зоне, что отражается на степени использования газа и, соответственно, к снижению коэффициента замены кокса природным газом. Кроме этого, развитие периферийного хода печи увеличивает отвод тепла через стенки печи и сокращает срок службы футеровки печи.

Расширение диапазона устойчивого формирования центрального газового потока обеспечивается поддержанием высокой относительной рудной нагрузки на периферии к относительной рудной нагрузке в оси (ПРН_отн./ ОРН_отн.) величину которой, целесообразно поддерживать на уровне более 2,0 ед., при постоянной величине «коксового окна», размером не менее пяти кусков кокса фракции 40-60мм.

Площадь колошника доменной печи разделяют на десять равновеликих по площади кольцевых зон. В каждой зоне производятся расчеты относительной рудной нагрузки, при этом для определения рудной нагрузки, согласно заявленного изобретения, производят оценку в пристеночной и приосевой зонах, которые ограничены указанными диапазонами радиусов (0,9-1,0 и 0,1-0,15 соответственно).

Отношение высоты слоя кокса в колошнике доменной печи к диаметру колошника должно составлять 0,045 - 0,065. Диапазон выбран исходя из принятого минимально допустимого слоя кокса одной коксовой порции, выгруженной на колошник доменной печи. Выход за диапазон ниже 0,045 ведет к снижению толщины слоя коксового окна ниже допустимого, а выше 0,065 - к неэффективной работе печи по расходу твердого топлива.

Коксовая часть подачи может состоять из инновационного продукта углеродсодержащего (ИПУС), который описан в патенте № 2733610 от 28.10.2019 г., и представляет собой продукт коксования условно пригодных для коксования марок углей.

Изобретение поясняется следующими примерами.

Пример 1.

Доменную плавку вели, загружая в печь объемом 5500м³ железорудное сырье с содержанием железа общего 60,8%, основностью 1,23 ед., при использовании природного газа в количестве 140м³/т чугуна, среднюю рудную нагрузку поддерживали на уровне 3,93 т/т, расход кокса составлял 396,9 кг/т чугуна. Содержание водорода в колошниковом газе в базовом периоде находилось на уровне 11,0%. Моделирование рудной нагрузки по сечению доменной печи, представленное в таблице 1 показало, что в базовом периоде показатель рудной нагрузки (N), характеризующий - отношение относительной рудной нагрузки на периферии к относительной рудной нагрузке в оси (ПРН_отн./ ОРН_отн.) составлял - 2,16 ед. Доменная печь работала устойчиво, содержание кремния в чугуне поддерживали на уровне 0,46%.

В опытном периоде 1 увеличение расхода природного газа, проводили при постоянном качестве железорудных материалов и кокса (таблица 1). Доменная плавка сопровождалось сокращением расхода кокса, снижением теоретической температуры горения, повышением температур периферийных термопар и колошникового газа. Периодически нарушался сход шихтовых материалов. Содержание водорода в колошниковом газе увеличилось 11,2 до 13,6%.

Моделирование распределения рудной нагрузки по сечению доменной печи при средней рудной нагрузке 4,09 т/т показало, что при снижении расхода кокса относительная рудная нагрузка в оси (ОРН_отн.) по отношению к базовому периоду выросла с уровня 0,62 до 0,68 ед., а показатель N - понизился с 2,16 до 1,9 ед.

Во втором опытном периоде загрузку шихтовых материалов провели по предлагаемому способу ведения доменной плавки, снизив относительную рудную нагрузку в оси на 0,06 ед. относительно базового периода и увеличили коэффициент N с уровня 1,34 до 1,38 ед. Корректировку рудной нагрузки проводили увеличением массы железорудной подачи.

Расход кокса в сравнении с первым опытным периодом сократился на 7,1кг/т чугуна и на 21 кг/т чугуна в сравнении с базовым периодом, сход шихтовых материалов стабилизировался, температура колошникового газа снизилась на 30°С.

Пример 2.

Доменную плавку вели, загружая в печь объемом 3200 м³ железорудное сырье с содержанием железа общего 61,3%, основностью 1,2 ед., при использовании природного газа в количестве 178 м³/т чугуна, среднюю рудную нагрузку поддерживали на уровне 4,48 т/т, расход кокса составлял 342,3 кг/т чугуна. Содержание водорода в колошниковом газе в базовом периоде находилось на уровне 14,4%.

Моделирование рудной нагрузки по сечению доменной печи, представленное в таблице 2 показало, что в базовом периоде показатель рудной нагрузки (N), характеризующий - отношение относительной рудной нагрузки на периферии к относительной рудной нагрузке в оси (ПРН_отн./ ОРН_отн.) составлял - 2,32 ед. Доменная печь работала устойчиво, содержание кремния в чугуне поддерживали на уровне 0,55%.

В опытном периоде 1 увеличение расхода природного газа, проводили при постоянном качестве железорудных материалов (таблица 2) и кокса. Повышение рудной нагрузки проводили увеличением массы железорудной подачи. Опытный период продолжался 14 суток. Доменная плавка в опытном периоде в сравнении с базовым сопровождалось сокращением расхода кокса, снижением теоретической температуры горения, повышением температур периферийных термопар и колошникового газа. Периодически нарушался сход шихтовых материалов. Содержание водорода в колошниковом газе увеличилось с 14,4 до 16,4%.

Моделирование распределения рудной нагрузки по сечению доменной печи показало, что при увеличении расхода природного газа и сокращения расхода кокса относительная рудная нагрузка в оси (ОРН_отн.) по отношению к базовому периоду выросла с уровня 0,56 до 0,72 ед., а показатель N - понизился с 2,32 до 1,76 ед.

Во втором опытном периоде загрузку шихтовых материалов провели по предлагаемому способу ведения доменной плавки, снизив относительную рудную нагрузку в оси на 0,1 ед. относительно базового периода и увеличили коэффициент N с уровня 2,32 до 2,87 ед.

Расход кокса в сравнении с первым опытным периодом сократился на 3,4 кг/т чугуна и на 15,7 кг/т чугуна в сравнении с базовым периодом, сход шихтовых материалов стабилизировался, температура колошникового газа снизилась в среднем на 15°С в сравнении с первым опытным периодом.

В третьем опытном периоде при повышении расхода природного газа, спрогнозировав повышение содержания водорода в колошниковом газе и коэффициент замены кокса рассчитали среднюю нагрузку и скорректировали систему загрузки в соответствии с предлагаемым способом ведения доменной плавки. Изменение расхода кокса, содержания водорода в колошниковом газе, изменение рудной нагрузки представлено в таблице 2 (опытный период 3). В результате опытно-промышленного опробования повышения расхода природного газа до 220 м³/т чугуна расход кокса в третьем опытном периоде сократился на 18,4 кг/т чугуна, температура колошникового газа осталась на прежнем уровне, сход шихтовых материалов оставался стабильным во втором и третьем опытных периодах.

Пример 3.

Доменную плавку вели, загружая в печь объемом 1000 м³ железорудное сырье с содержанием железа общего 60,82%, основностью 1,18 ед., при использовании природного газа в количестве 178 м³/т чугуна, среднюю рудную нагрузку поддерживали на уровне 4,28 т/т. В состав коксовой подачи входили: кокс слоевой - 260 кг/т чугуна, антрацит -15,2 кг/т чугуна и инновационный углеродсодержащий продукт слоевого коксования (ИПУС) в количестве 87,2 кг/т чугуна. Содержание водорода в колошниковом газе в базовом периоде находилось на уровне 13,8%. Моделирование рудной нагрузки по сечению доменной печи, представленное в таблице 3 (базовый период) показало, что в базовом периоде показатель рудной нагрузки (N), характеризующий - отношение относительной рудной нагрузки на периферии к относительной рудной нагрузке в оси (ПРНотн./ОРНотн.) составлял - 1,73 ед. Доменная печь работала устойчиво, содержание кремния в чугуне поддерживали на уровне 0,38%.

В опытном периоде плавку вели по предлагаемому способу ведения доменной плавки, в котором при увеличение расхода природного газа на
34 м3/т чугуна, рудную нагрузку повысили с уровня 4,28 до 4,7ед., выведя из коксовой подачи антрацит и сократив расход ИПУСа на 9,3 кг/т чугуна. Суммарный расход твердого топлива в доменной плавке сократили с 362,7 кг/т чугуна до 338,4 кг/т чугуна, относительную рудную нагрузку в осевой зоне доменной печи в опытном периоде снизили 0,58 ед. до 0,49 ед. Показатель N - повысился с уровня 1,73 до 2,57.

Нарушений хода доменной плавки не отмечено.

Таблица 1
Показатели доменной плавки при изменении расхода природного газа и распределения рудной нагрузки по сечению
доменной печи объемом 5500 м³ Период,/ сутки Расход ПГ, м³/т Н₂ в колош-никовом газе,
% кокс, кг/т Fe металлошихты, % масса подачи, т Содержание кремния в чугуне
[Si], % Рудная нагрузка кокс Железоруд-ная средняя относительная N Ось
(ОРН_отн) Периферия
(ПРН_отн) Базовый / 14 140 11,2 396,9 60,82 30,5 120,0 0,46 3,93 0,62 1,34 2,16 опытный 1/ 14 165 13,6 382,1 60,80 30,5 124,9 0,46 4,10 0,68 1,29 1,90 опытный 2/ 28 165 13,2 375,9 60,80 30,5 126,7 0,46 4,15 0,56 1,38 2,46

Таблица 2 Показатели доменной плавки при изменении расхода природного газа и распределения рудной нагрузки по сечению
доменной печи объёмом 3200 м³ Период/ сутки Расход ПГ, м³/т Н₂ в колош-никовом газе,
% кокс, кг/т Fe металло-шихты, % масса подачи, т Содержание кремния в чугуне
[Si], % Рудная нагрузка кокс железорудн. средняя относительная N Ось
(ОРН_отн) Перифе-рия
(ПРН_отн) Базовый/ 14 178 14,4 342,3 61,30 13,6 60,9 0,55 4,48 0,56 1,3 2,32 опытный 1/ 14 200 16,4 330 61,30 13,6 63,4 0,55 4,66 0,72 1,27 1,76 опытный 2/ 14 200 16,1 326,6 61,30 13,6 64,8 0,55 4,76 0,46 1,32 2,87 опытный 3/ 16 220 17,9 306,2 61,30 13,6 68,7 0,55 5,05 0,4 1,32 3,30

Таблица 3 Показатели доменной плавки при изменении расхода природного газа и распределения рудной нагрузки по сечению доменной печи объемом 1000 м³ Период, сутки Расход ПГ, м3/т Н₂ в колошнико-
вом газе,
% Кокс
кг/т Fe металлошихты, % масса подачи, т [Si], % Рудная нагрузка кокс Железо-
рудная средняя относительная N Ось
(ОРН_отн) Периферия
(ПРН_отн) базовый, 14 178 13,8 362,7 60,82 4,3 19,0 0,38 4,42 0,58 1,16 2,00 опытный, 14 212 15,1 338,4 60,76 4,3 20,4 0,4 4,74 0,49 1,26 2,57

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству. Осуществляют загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание комбинированного дутья, непрерывный контроль параметров колошникового газа. Плавку ведут при расходе природного газа 140-250 м³/т чугуна, рудную нагрузку регулируют массой присаживаемой железорудной подачи, дополнительно определяют изменение рудной нагрузки по радиусу печи в пристеночной зоне, ограниченной 0,9-1,0 радиуса, колошника и приосевой зоне, ограниченной 0,1-0,15 радиуса колошника. При увеличении расхода природного газа на величину более или равную 5,0% от базового значения и повышении содержания водорода в колошниковом газе на величину более 0,5% от базового значения производят снижение ОРН_отн. на 0,01-0,1 ед., а коэффициент N повышают на 0,05-0,5 ед. на каждые 0,5% водорода, содержащегося в колошниковом газе сверх базового значения, где: ОРН_отн. - относительная рудная нагрузка в оси по отношению к средней рудной нагрузке, ед.; N - отношение относительной рудной нагрузки на периферии к относительной рудной нагрузке в оси (ПРН_отн./ОРН_отн.), ед.; ПРН_отн. - относительная рудная нагрузка на периферии по отношению к средней рудной нагрузке; ед. Обеспечивается повышение степени использования газа в доменной печи в условиях работы с его высоким расходом, а также обеспечение ровного высокопроизводительного хода доменной печи и снижение удельного расхода кокса. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.

1. Способ ведения доменной плавки, включающий загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание комбинированного дутья, непрерывный контроль параметров колошникового газа, отличающийся тем, что плавку ведут при расходе природного газа 140-250 м³/т чугуна, рудную нагрузку регулируют массой присаживаемой железорудной подачи, дополнительно определяют изменение рудной нагрузки по радиусу печи в пристеночной зоне, ограниченной 0,9-1,0 радиуса колошника, и приосевой зоне, ограниченной 0,1-0,15 радиуса колошника, при этом при увеличении расхода природного газа на величину более или равную 5,0% от базового значения и повышении содержания водорода в колошниковом газе на величину более 0,5% от базового значения производят снижение ОРН_отн. на 0,01-0,1 ед., а коэффициент N повышают на 0,05-0,5ед. на каждые 0,5% водорода, содержащегося в колошниковом газе сверх базового значения, где:

ОРН_отн. - относительная рудная нагрузка в оси по отношению к средней рудной нагрузке, ед.;

N - отношение относительной рудной нагрузки на периферии к относительной рудной нагрузке в оси (ПРН_отн./ОРН_отн.), ед.;

ПРН_отн. - относительная рудная нагрузка на периферии по отношению к средней рудной нагрузке; ед.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отношение высоты слоя кокса в колошнике доменной печи к диаметру колошника составляет 0,045-0,065.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коксовая часть подачи содержит кокс фракционным размером 10-40 мм, и/или антрацит, и/или продукт углеродсодержащий, представляющий собой продукт коксования условно пригодных для коксования марок углей с суммарным содержанием в количестве до 100% от коксовой части подачи.