Способ выплавки чугуна Российский патент 2024 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, конкретнее к вдуванию комбинированного дутья, в том числе при вдувании высоких расходов природного газа в горн доменной печи и может быть использовано при выплавке передельного и литейного чугуна.

Известен способ 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 и соотношение газов определяется уровнем теоретической температуры горения (Рамм А.Н. Современный доменный процесс. М., Металлургия, 1980 С. 172 -229).

Выполненные аналитические исследования влияния дутьевых добавок на технологические параметры доменной плавки показали, что рекомендуемый рациональный уровень теоретической температуры горения при расходе природного газа 180 -200м³/т, обеспечивающий коэффициент замены кокса природным газом на уровне 0,8 кг/м³ находится в пределах 1900 - 2000°С. Анализ и обобщения показателей доменной плавки в различных шихтовых условиях показывает, что указанные значения коэффициента замены кокса являются предельными и обеспечиваются при ровной работе доменной печи с оптимальным распределением газов по сечению и полном окислении углеводородов в фурменных очагах. В реальных условиях значения коэффициентов замены ниже предельных (Товаровский И.Г. Доменная плавка 2-е издание дополненное и уточненное Днепропетровск, Пороги, 2009 г. С 432.).

Недостаток этих способов заключается в том, что они не предусматривают каких либо действий при высоких расходах заменителей кокса и ограничивают рациональный диапазон теоретической температуры горения при использовании комбинированного дутья температурами 1900-2000°С.

Известен также способ доменной плавки на комбинированном дутье с расходом природного газа выше 140 м³/т чугуна, в котором контролируют теоретическую температуру горения в фурменном очаге и содержание водорода в колошниковом газе, при увеличении расхода природного газа выше 140 м³/т чугуна и увеличении содержания водорода в колошниковом газе на 0,5% и более корректируют рудную нагрузку по сечению доменной печи (патент RU № 2798507, С21В5/00, 2023).

Недостатком известного способа является то, что в нем не учтены характеристики продуктов плавки и качественные характеристики кокса. Например, снижение теоретической температуры дутья снижает температуру продуктов плавки и, соответственно, увеличивает вязкость конечных шлаков, а снижение основности конечного шлака приводит к понижению вязкости.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ ведения доменной плавки, в котором вязкость конечного шлака, поддерживают в пределах 0,2-0,5 Па*с, в том числе, с учетом градиента вязкости шлака при изменении его температуры (патент RU 2479633, С21В5/00, 2013).

Недостаток этого способа заключается в том, что шлаковый режим по данному способу, определяется, в основном, требованиями к качеству чугуна, в первую очередь по содержанию серы и не учитывает газодинамические условия доменной плавки, особенно в период увеличения заменителей кокса при наращивании расхода природного газа. Также, данный способ не учитывает дренажных характеристик жидких продуктов плавки в коксовой насадке при изменении рудной нагрузки в доменной печи при увеличении заменителей кокса и сокращения расхода кокса на тонну чугуна.

Ни один из рассмотренных способов не предусматривает повышение управляемости доменной печи при сокращении расхода кокса и увеличении жидкостной нагрузки продуктов плавки на коксовую насадку.

Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента замены кокса природным газом, сокращении расхода кокса в доменной плавке и сохранении производительности доменной печи за счет регулирования вязкости конечного шлака при изменении теоретической температуры горения и температуры продуктов плавки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе выплавки чугуна, включающем загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание комбинированного дутья, контроль теоретической температуры горения (ТТГ), определение температур продуктов плавки и вязкости конечного шлака при различных температурах, согласно изобретению, плавку ведут с расходом природного газа 140-250 м³/т чугуна, теоретическую температуру горения регулируют в диапазоне 1650-2100°С и при снижении теоретической температуры горения ниже 1900°С понижают вязкость конечного шлака на 0,002-0,015Па*с на каждые 50°С ТТГ.

Понижение вязкости конечного шлака обеспечивают за счет корректировки его основности по показателю (CaO+MgO)/SiO₂ и повышения содержания в нем TiO₂.

Понижение вязкости конечного шлака обеспечивают в соответствии с формулой:

η = A + B * ТТГ + C * TiO₂ + D * Осн₂, + E * Осн₂²,

где η - вязкость конечного доменного шлака, Па*с;

ТТГ - теоретическая температура горения, °С;

TiO₂ - массовая доля оксида титана в конечном доменном шлаке, %;

Осн₂ - основность конечного доменного шлака по показателю (CaO+MgO)/SiO₂;

A, B, C, D, E - эмпирические коэффициенты уравнения вязкости, учитывающие объем и особенности работы доменной печи, находящиеся в пределах:

А = 1,0 ÷ 7,0, B = -0,0007 ÷ -0,00001, C = -0,009 ÷ -0,0001, D = -5,0 ÷ -1,0; E = 1,0 ÷ 2,0

Сущность предложенного способа заключается в следующем:

Первостепенным условием эффективного использования природного газа является ритмичная работа доменных печей при минимальном количестве остановок и снижений давления, связанных с формированием газового потока в доменной печи и отработке продуктов плавки. Важным условием использования высоких расходов природного газа является поддержание теоретической температуры горения в рациональном диапазоне, обеспечивающем плавный сход шихты и высокопроизводительную работу.

Работа доменных печей с высоким расходом природного газа сопровождается:

-сокращением расхода твердого топлива;

- понижением теоретической температуры горения;

- снижением температуры чугуна;

- уменьшением содержания кремния в чугуне;

- увеличением вязкости конечного шлакового расплава;

- повышенным содержанием водорода в горновом и колошниковом газах.

Анализ фактических результатов работы доменных печей разного объёма (1000 м³ - 5500 м³) показал влияние изменения ряда технологических показателей работы на вязкость конечного доменного шлака - повышение теоретической температуры горения и массовой доли оксида титана в конечном доменном шлаке снижает вязкость шлака, изменение основности шлака по показателю (CaO+MgO)/SiO₂ влияет нелинейно (параболически, с некоторым экстремумом).

Иллюстрация влияния высокого расхода природного газа на примере среднемесячных технико-экономические показателей работы доменной печи объемом 1000 м³ представлена на фигурах 1-5.

Фиг. 1. Зависимость между расходом ПГ и расходом твердого топлива.

Фиг. 2. Зависимость между расходом ПГ и ТТГ.

Фиг. 3. Зависимость между расходом ПГ и температурой чугуна.

Фиг. 4. Зависимость между расходом ПГ и содержанием кремния в чугуне.

Фиг. 5. Зависимость между расходом ПГ и содержанием водорода в колошниковом газе.

Высокое содержание водорода в горновом и, соответственно, в колошниковом газе приводит к увеличению восстановимости железорудных материалов, повышенному разупрочнению железорудных материалов при низкотемпературном восстановлении, как следствие, к повышению верхнего и общего перепада давления в доменной печи, с последующим снижением расхода дутья и, как следствие, к сокращению производительности доменных печей.

Пример.

Доменные печи объемом 1000 м³ - 5500 м³ работают с использованием в доменной шихте агломерата, окатышей, кусковой руды, кокса и комбинированного дутья, выплавляя чугун заданного качества.

При увеличении расхода природного газа, сокращают расход кокса и корректируют основность ((СаО+MgO)/SiO₂) конечного доменного шлака путем изменения состава агломерата (изменяя соотношение компонентов аглошихты) и/или вводя в состав доменной шихты окатышей с содержанием TiO₂ от 1,5 до 3,0%. Определяют вязкость конечного доменного шлака с учетом температуры продуктов плавки и теоретической температуры горения комбинированного дутья и корректируют ее в соответствии с предлагаемой формулой.

Пример конкретного применения предлагаемого способа представлен в таблицах 1-3.

В таблице №1 представлены варианты работы доменной печи объёмом 1000 м³. Вариант №1 является базовым, здесь печь работала с базовым (общепринятым) уровнем теоретической температуры горения (ТТГ) = 1886°С и высоким коэффициентом замены кокса твёрдым топливом - 0,81. Вязкость шлака составляла 0,330 Па*с. Печь работала удовлетворительно, с ровным ходом и нормальной отработкой жидких продуктов плавки. При переходе на вариант работы №2 с понижением ТТГ до 1815°С путём увеличения расхода природного газа (ПГ) до 195 м³/т чугуна без корректировки параметров шлакового режима получили снижение коэффициента замены до 0,58 (расход ПГ увеличен от базы на 195-170=25 м³/т, а сокращение расхода кокса составило только 367-381,4 = - 14,4 кг/т), увеличение вязкости шлака до 0,365 Па*с и снижение производительности работы печи на 1,1 % от базового периода. Отработка продуктов плавки шла с затруднениями.

С переходом на вариант работы №3 скорректировали шлаковый режим, ввели титансодержащий материал в шихту, в результате повысили жидкоподвижность конечного доменного шлака (вязкость снизилась до 0,316), отработка продуктов плавки улучшилась, коэффициент замены повысился до 0,8, производство чугуна восстановилось до базового уровня.

В варианте №4 произвели дальнейшее снижение ТТГ до уровня 1695°С при увеличении расхода ПГ до 250 м³/т чугуна. Шлаковый режим скорректировали, но недостаточно для обеспечения требуемой жидкоподвижности - вязкость увеличилась до 0,405 Па*с, коэффициент замены кокса природным газом снизился до уровня 0,55, производство чугуна снизилось до 2610 т/сутки.

В варианте работы №5 произвели требуемую коррекцию, с обеспечением необходимой вязкости шлака на уровне 0,285 и стабильной работой печи.

Анализ таблиц №№ 2-3 показывает аналогичные выводы - несоблюдение рационального шлакового режима в условиях работы доменных печей с уровнем ТТГ ниже 1900°С приводит к снижению коэффициента замены кокса природным газом менее 0,65 м³/кг и сокращению производительности доменных печей на 1,0-3,0% (табл.2 - варианты №№ 4 и 6; табл.3 - вариант №5).

Ведение доменной плавки по предлагаемому способу в условиях работы доменных печей с расходом природного газа 140-250 м³/т чугуна позволяет, в среднем, по доменному цеху в течение года, при наращивании расхода природного газа, сократить расход твердого топлива на 11 кг/т чугуна при сохранении объема производства.

Таблица 1
Технико - экономические показатели доменной печи объемом 1000м³ Показатели Ед. изм. Варианты 1 2 3 4 5 Производительность т/сут 2672 2642 2684 2610 2678 Кокс кг/т чугуна 381.4 367 361.5 337.5 316.5 ПГ м³/т чугуна 170 195 195 250 250 Рудная нагрузка т/т 4.18 4.35 4.41 4.73 5.04 Коэффициент замены кг/м³ 0.81 0.58 0.80 0.55 0.81 ТТГ °С 1886 1815 1813 1695 1650 Т чугуна °С 1438 1424 1424 1408 1408 [Si] % 0.46 0.44 0.44 0.4 0.38 [S] % 0.028 0.018 0.032 0.026 0.042 [C] °% 4.64 4.66 4.66 4.72 4.72 (CaO+MgO)/SiO₂ ед. 1.25 1.25 1.22 1.24 1.15 (ТiO₂) % 0.6 0.6 0.8 1.6 2.6 Вязкость Па⋅с 0.330 0.365 0.316 0.405 0.285 коэффициенты А 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 1.33 В -0.000496 -0.000496 -0.000496 -0.000496 -0.000496 -0.000496 С -0.0031 -0.0031 -0.0031 -0.0031 -0.0031 -0.0031 D -1.8 -1.8 -1.8 -1.8 -1.8 -1.8 E 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4

Таблица 2
Технико - экономические показатели доменной печи объемом 3200м³ Показатели Ед. изм. Варианты 1 2 3 4 5 6 7 Производительность т/сут 8607 8587 8593 8496 8611 8489 8590 Кокс кг/т чугуна 379.3 359 358 346 331 330 314 ПГ м³/т чугуна 140 168 168 200 200 220 220 Рудная нагрузка т/т 3.94 4.16 4.17 4.32 4.51 4.53 4.76 Коэффициент замены кг/м³ 0.76 0.73 0.76 0.56 0.81 0.62 0.82 ТТГ °С 1958 1885 1885 1810 1810 1765 1765 Т чугуна °С 1458 1456 1456 1452 1452 1448 1444 [Si] % 0.58 0.55 0.55 0.52 0.52 0.48 0.48 [S] % 0.24 0.27 0.27 0.32 0.3 0.32 0.34 [C] % 4.66 4.72 4.72 4.76 4.76 4.78 4.78 (CaO+MgO)/SiO₂ ед. 1.20 1.17 1.17 1.20 1.15 1.19 1.13 (ТiO₂) % 0.8 0.8 0.8 1.0 1.0 1.2 1.2 Вязкость Па⋅с 0.303 0.289 0.289 0.313 0.283 0.309 0.276 коэффициенты А 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 В -0.000067 -0.000067 -0.000067 -0.000067 -0.000067 -0.000067 -0.000067 -0.000067 С -0.0001 -0.0001 -0.0001 -0.0001 -0.0001 -0.0001 -0.0001 -0.0001 D -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 -2 E 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1

Таблица 3
Технико - экономические показатели доменной печи объемом 5500м³ Показатели Ед. изм. Варианты 1 2 3 4 5 6 Производительность т/сут 11863 11850 11830 11802 11720 11795 Кокс кг/т чугуна 371.8 357.1 356.7 343.9 340.6 334.6 ПГ м³/т чугуна 140 160 160 178 192 192 Рудная нагрузка т/т 4.27 4.44 4.45 4.61 4.66 4.74 Коэффициент замены кг/м³ 0.76 0.73 0.76 0.73 0.60 0.72 ТТГ °С 2030 1972 1972 1900 1855 1856 Т чугуна °С 1476 1472 1472 1469 1464 1464 [Si] % 0.45 0.44 0.44 0.45 0.45 0.45 [S] % 0.024 0.023 0.024 0.025 0.025 0.025 [C] % 4.69 4.7 4.7 4.71 4.72 4.72 (CaO+MgO)/SiO₂ ед. 1.25 1.23 1.23 1.2 1.3 1.2 (ТiO₂) % 0.6 0.6 0.8 0.8 0.6 1.2 Вязкость Па⋅с 0.266 0.261 0.259 0.251 0.323 0.254 коэффициенты А 1.43 1.43 1.43 1.43 1.43 1.43 1.43 В -0.000125 -0.000125 -0.000125 -0.000125 -0.000125 -0.000125 -0.000125 С -0.0069 -0.0069 -0.0069 -0.0069 -0.0069 -0.0069 -0.0069 D -2.1 -2.1 -2.1 -2.1 -2.1 -2.1 -2.1 E 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, конкретнее к вдуванию комбинированного дутья, в том числе при вдувании высоких расходов природного газа в горн доменной печи, и может быть использовано при выплавке передельного и литейного чугуна. Осуществляют загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание комбинированного дутья, контроль теоретической температуры горения (ТТГ), определение температуры продуктов плавки и вязкости конечного шлака при различных температурах. При этом плавку ведут с расходом природного газа 140-250 м³/т чугуна. Теоретическую температуру горения регулируют в диапазоне 1650-2100°С и при снижении теоретической температуры горения ниже 1900°С понижают вязкость конечного шлака на 0,002-0,015Па*с на каждые 50°С ТТГ. Обеспечивается повышение коэффициента замены кокса природным газом и сокращение расхода кокса в доменной плавке при сохранении производительности доменной печи. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

1. Способ выплавки чугуна, включающий загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание комбинированного дутья, контроль теоретической температуры горения, определение температуры продуктов плавки и вязкости конечного шлака при различных температурах, отличающийся тем, что плавку ведут с расходом природного газа 140-250 м³/т чугуна, теоретическую температуру горения регулируют в диапазоне 1650-2100°С и при снижении теоретической температуры горения ниже 1900°С понижают вязкость конечного шлака на 0,002-0,015Па*с на каждые 50°С теоретической температуры горения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что понижение вязкости конечного шлака обеспечивают за счет корректировки его основности по показателю (CaO+MgO)/SiO₂ и повышения содержания в нем TiO₂.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что понижение вязкости конечного шлака обеспечивают в соответствии с формулой:

η = A + B * ТТГ + C * TiO₂ + D * Осн₂, + E * Осн₂²,

где η - вязкость конечного доменного шлака, Па*с;

ТТГ - теоретическая температура горения, °С;

TiO₂ - массовая доля оксида титана в конечном доменном шлаке, %;

Осн₂ - основность конечного доменного шлака по показателю (CaO+MgO)/SiO₂;

A, B, C, D, E - эмпирические коэффициенты уравнения вязкости, учитывающие объем и особенности работы доменной печи, находящиеся в пределах:

А = 1,0 ÷ 7,0, B = -0,0007 ÷ -0,00001, C = -0,009 ÷ -0,0001, D = -5,0 ÷ -1,0; E = 1,0 ÷ 2,0.