Способ ведения доменной плавки Российский патент 2025 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способу ведения доменной плавки.

Известен способ доменной плавки, включающий загрузку железорудных материалов, кокса, вдувание горячего дутья и топливной добавки, в качестве которой используют кусковый шунгит, который загружают совместно с коксом в заданную зону колошника доменной печи и используют для управления содержанием кремния в чугуне [Патент RU № 2186854, C21B5/00, 2002].

Недостатком способа является отсутствие в нем информации о поведении различных видов топлива в зоне высоких температур, что снижает эффективность его применения и может вызвать загромождение приосевой зоны доменной печи, колебание теплового состояния и шлакового режима, что, в конечном счете, приводит к снижению производительности доменных печей и качеству выплавляемого чугуна.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известный по достигаемым результатам способ работы доменной печи на двух и более видах твердого топлива, в котором в печь одновременно в топливную порцию, загружают в различные зоны колошника доменной печи составы твердого топлива с различными показателем горячей прочности. В осевую зону твердое топливо с высоким показателем горячей прочности, а в промежуточную и пристеночную зоны твердое топливо с более низким показателем [Патент RU 2770658, C21B5/00, 2022].

Недостатком способа является то, что в нем в условиях работы доменных печей на двух видах кокса учитываются только его характеристики, отвечающие за поведение кокса в высокотемпературной зоне доменной печи, и не учитывается масса коксовых подач, формирующая толщину коксовых слоев, так называемых коксовых «окон». Нерациональное размещение в объеме доменной печи коксовых слоев («окон»), особенно в условиях работы доменных печей с высокой долей заменителей кокса, таких как природный газ или пылеугольное топливо может приводить к ухудшению газопроницаемости шихты по высоте доменной печи, нарушению процессов восстановления железорудных материалов, что приведет к повышению расхода твердого топлива и снижению производительности доменных печей.

Технической задачей изобретения является устранение недостатков способов – аналогов и прототипа путем повышения газопроницаемости столба шихтовых материалов в доменной печи. При этом достигается получение такого технического результата, как увеличение производительности доменной печи и снижение расхода кокса.

Указанная цель достигается тем, что в способе доменной плавки, включающем использование комбинированного дутья, загрузку шихты из железорудных материалов и кокса подачами с заданным размещением шихты на колошнике доменной печи, нагрев шихты, восстановление, плавление и выпуск продуктов плавки, согласно изобретению, доменную плавку ведут с использованием в доменной шихте кокса, полученного технологией коксования с гравитационной загрузкой и кокса, полученного технологией коксования с трамбованием шихты, различающихся по показателю насыпного веса на 0,05 кг/м³ и более и загружаемых в количестве 15-50 и 50-85 мас.% от общего количества кокса соответственно.

Кокс, полученный технологией коксования с трамбованием шихты, загружают отдельной подачей, масса которой на 12-20% превышает массу подачи кокса, полученного технологией коксования с гравитационной загрузкой.

В настоящее время технология коксования трамбованных угольных шихт относится к числу наиболее перспективных. Проведенные исследования показали, что предварительное трамбование угольной шихты, составленной преимущественно из высоколетучих углей, увеличивает внутрипластическое газовое давление, затрудняет выход парогазовых продуктов из пластического слоя, что приводит к ускорению реакций деструктивной поликонденсации и усилению взаимодействия между твердыми и жидкими фазами. Все эти процессы способствуют более полному взаимодействию компонентов и образованию более прочного кокса, удовлетворяющего по качеству требованиям доменного производства [Влияние технологических факторов производства кокса на образование пылевидных фракций после реакции с диоксидом углерода / Е.Н. Виноградов, А.А. Калько, Е.В. Карунова // Кокс и химия №11 2023 г., с. 12-16]. Кроме этого, технология трамбования угольных шихт позволяет использовать более широкий спектр угольных шихт, что повышает конкурентоспособность производства кокса и в целом, доменного передела.

Как известно, кокс в доменной печи является топливом, восстановителем и разрыхлителем. Его уникальность заключена в сохранении своего физического состояния в зоне высоких температур. Функции разрыхлителя кокс выполняет преимущественно в нижних горизонтах доменной печи, оставаясь твердым кусковым материалом, когда все остальные материалы находятся в размягченном состоянии и в виде расплава. Благодаря газопроницаемости и дренажной способности коксовой насадки в нижних горизонтах печи сохраняется возможность относительно свободного прохода газов. Однако выполнять функции разрыхлителя кокс может только при условии сохранения достаточной крупности кусков, рациональной высоты коксового слоя и значительного объема межкусковых пустот в условиях высоких температур.

Исследования фурменного кокса показали, что в зависимости от исходного качества кокса и технологических параметров плавки в доменной печи средний диаметр куска кокса при прохождении от поверхности засыпи до фурменного очага уменьшается в 2,0-2,3 раза, при этом порозность коксового слоя уменьшается на 25-31%, что отражается на порозности коксовых слоев особенно в нижней зоне доменной печи [Влияние технологических факторов производства кокса на образование пылевидных фракций после реакции с диоксидом углерода / Е.Н. Виноградов, А.А. Калько, Е.В. Карунова // Кокс и химия №11 2023 г., с. 12-16].

Сравнительная характеристика качественных показателей кокса, спеченного традиционным слоевым способом с гравитационной загрузкой коксовых батарей (КБ-3-10), с технологией трамбования (КБ-11) и фракции кокса 25-40 мм представлены в табл. 1.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Доменную плавку вели, загружая в печь объемом 3200 м³ железорудное сырье с содержанием железа общего 62,2%, основностью 1,21 ед., при использовании природного газа в количестве 200 м³/т чугуна и кокса различного качества, спеченного по технологии с гравитационной загрузкой (КБ 9-10) и с технологией трамбования (КБ 11) со среднемесячным показателем CSR в пределах 51,0-53,0%. Качество твердого топлива оценивали по содержанию золы, серы, М₄₀ и М₁₀, показателям CRI и CSR по ГОСТ Р 54250-2010 (Кокс. Определение реакционной способности кокса и прочности кокса после реакции) и насыпному весу.

Работу доменной печи, в различных технологических условиях, оценивали по средним за 15 суток ее работы значениям условного топлива и производительности доменной печи. Показатели доменной плавки, в условиях работы доменной печи на двух видах слоевого кокса, спеченного с гравитационной загрузкой и с технологией трамбования со средневзвешенным показателем горячей прочности 52,0%, приведены в табл. 2.

В опытном периоде работали на двух видах кокса, а именно: с использованием кокса, спеченного с гравитационной загрузкой и кокса, спеченного с технологией трамбования в соотношении 80:20 соответственно. Для сравнения рассмотрены условия работы печей на коксе, спеченном с гравитационной загрузкой (базовый период). В базовом периоде печь работала с рудной нагрузкой 4,51 ед., при этом коксовая порция составляла 12,96 тонн.

Переход на технологию доменной плавки с использованием двух видов кокса с частичной заменой части кокса, спеченного с гравитационной загрузкой на кокс, спеченный с технологией трамбования в количестве 20% от массы всего кокса в нерегламентированном режиме в течение 15 суток привел к нарушению хода печи, увеличению температуры периферийных термопар в среднем на 32°С, периодически наблюдался повышенный сход гарнисажа. Расход условного топлива повысился на 6 кг/т чугуна, среднесуточное производство доменной печи в сравнении с базовым периодом сократилась на 1,3% (табл. 2., столбец 2).

Систематизация режима загрузки кокса, спеченного с технологией трамбования в промежуточную зону колошника доменной печи, частично повысила показатели доменной плавки в сравнении с первым опытным периодом, однако в сравнении с базовым периодом, расход дутья сократился и, соответственно, снизилась производительности доменной печи (табл. 2, столбец 3).

На третьем этапе опытно-промышленных испытаний, в соответствии с формулой изобретения, массу коксовой подачи увеличили до уровня 14,5 тонн, загрузив кокс, спеченный с технологией трамбования в промежуточную зону колошника. На вторые сутки повысилась ровность хода печи, прекратилось оползание гарнисажа и снизилась температура колошниковых газов. Расход условного топлива сократился на 2,6 кг/т чугуна в сравнении с базовым периодом.

В четвертом этапе, опытно-промышленных исследований, загрузку кокса, спеченного с технологией трамбования производили в каждую пятую подачу в виде отдельных коксовых порций массой 14,5 тонн, сохраняя высоту коксового окна, сопоставимую с высотой коксового окна кокса, спеченного с традиционной гравитационной загрузкой, сохраняя при этом рудную нагрузку по сечению колошника доменной печи. Результаты опытной плавки показали, что загрузка кокса, спеченного с технологией трамбования отдельной подачей, согласно формуле изобретения, позволила сократить суммарный расход кокса на 6,9 кг/т чугуна и увеличить, среднесуточное производство на 0,65% (табл.2, этап 4).

Пример 2. Доменную плавку вели, загружая в печь объемом 1000 м³ железорудное сырье с содержанием железа общего 60,2%, основностью 1,21 ед., при использовании природного газа в количестве 241 м³/т чугуна и кокса различного качества, спеченного по технологии с гравитационной загрузкой (КБ 3-4) и с технологией трамбования (КБ 11). Работу доменной печи, в различных технологических условиях, оценивали по средним за 15 суток ее работы значениям условного топлива и производительности доменной печи. Показатели доменной плавки, в условиях работы доменной печи на двух видах слоевого кокса, спеченного с гравитационной загрузкой и с технологией трамбования, приведены в табл. 3.

В качестве базового периода принят период работы доменной печи на коксе, произведенном с гравитационной загрузкой. В опытном периоде работали на двух видах кокса, а именно с использованием кокса, спеченного с гравитационной загрузкой и кокса, спеченного с технологией трамбования. В первом опытном периоде при добавке к коксу, спеченному с гравитационной загрузкой в количестве 8% от суммы коксов изменение условного расхода топлива и среднесуточного производства доменной печи отмечено не было. При увеличении массы кокса, спеченного с технологией трамбования до 16,0% от массы двух видов кокса, при сохранении массы подачи смеси коксов во втором опытном периоде зафиксировано ухудшение технико-экономических показателей доменной плавки: снижение суточного производства на 0,7% и увеличение расхода условного топлива на 3,4 кг/т чугуна. Изменение режима загрузки, в соответствии с формулой изобретения, в котором масса каждой второй подачи, сформированной из кокса, спеченного с технологией трамбования была увеличена на 25% от массы подачи кокса, спеченного с гравитационной загрузкой, привело к снижению расхода условного топлива на 6,6 кг/т чугуна и увеличению суточного производства на 2,9% в сравнении с базовым периодом. В четвёртом периоде печь работала на коксе, спеченном с гравитационной загрузкой и фракции кокса 25-40 мм. Значимых изменений по сравнению с базовым периодом не было выявлено.

Пример 3. Доменную плавку вели, загружая в печь объемом 5500 м³ железорудное сырье с содержанием железа общего 60,15%, основностью 1,21 ед., при использовании природного газа в количестве 168 м³/т чугуна и двух видов кокса различного качества, спеченного по технологии с гравитационной загрузкой (КБ 9-10) и с технологией трамбования (КБ 11). В опытных периодах, во всех случаях, доля кокса, спеченного с технологией трамбования составляла около 30% от общей массы кокса. В доменную печь в каждую подачу загружали смесь коксов.

Работу доменной печи, в различных технологических условиях, оценивали по средним за 15 суток ее работы значениям условного топлива и производительности доменной печи. Показатели доменной плавки, в условиях работы доменной печи на двух видах слоевого кокса, спеченного с гравитационной загрузкой и с технологией трамбования, приведены в табл. 4. В базовом периоде доменная печь работала на одном виде кокса, спеченного с гравитационной загрузкой.

В первом опытном периоде часть кокса, с гравитационной загрузкой заменили на кокс, спеченный с технологией трамбования в количестве 29-30% от массы всего кокса. Кокс, полученный методом трамбования загружали в смеси коксов, массу коксовой подачи сохранили на уровне массы подачи в базовом периоде. Суточное производство при этом сократилось на 1,4%, расход условного топлива увеличился на 3,2 кг/т чугуна.

Во втором опытном периоде массу подачи для смеси коксов увеличили в соответствии с формулой изобретения на 21% от базового уровня до 32 т. Суточное производство в этих условиях повысилось на 2,4% от базового уровня, расход условного топлива сократился на 2,8 кг/т чугуна.

В третьем опытном периоде в условиях работы на двух видах кокса, массу коксовой подачи увеличили на 27,7% до 33,8 т/подачу, масса железорудной части подачи в этих условиях выросла до 151 т/подачу. Печь работала неустойчиво, среднесуточное производство в сравнении с базовым периодом сократилось на 1,8%, расход условного топлива увеличился на 4,2 кг/т чугуна.

Преимущества способа особенно значительны при его применении для ведения доменных печей большого объема, где особые требования предъявляются к формированию высоты «коксовых окон», так как нарушение распределения газового потока может привести к тяжелому нарушению хода печи.

Таблица 1

Качественные характеристики кокса

Наименование материала Качественные характеристики кокса Влага,
% Зола,
% Сера,
% Летучие, % М₄₀,% М₁₀, % CSR,
% CRI,
% Насыпной вес, т/м³ Кокс слоевой, спеченный с гравитационной загрузкой:
(КБ-9-10)
(КБ-3-4) 0,3
0,5 10,9
11,0 0,51
0,6 0,8
0,9 82,3
76,8 7,0
7,3 53,3
51,2 31,1
32,8 0,47
0,47 Кокс слоевой, спеченный с технологией трамбования
(КБ-11) 0,3 11,3 0,65 0,8 87,7 5,7 51,7 34,4 0,53 Кокс слоевой, спеченный с гравитационной загрузкой, фракция 25-40 мм:
(КБ-9-10) 0,3 10,8 0,54 0,8 - - 55,8 30,1 0,44

Таблица 2

Показатели работы доменной печи, объемом 3200 м³ в условиях работы с использованием двух видов кокса

Показатели период Базовый опытный 1 2 3 4* Суточное производство, т/сутки 8305 8197 8272 8340 8338 Расход кокса, спеченного с гравитационной загрузкой, кг/т 343,1 279,1 277,6 289,4 266,2 Расход кокса, спеченного с технологией трамбования, кг/т - 70 69,0 51 70 Суммарный расход кокса, кг/т 343,1 349,1 346,6 340,4 336,2 Соотношение масс кокса, спеченного, с гравитационной загрузкой и с технологией трамбования - 80:20 80:20 85:15 80:20 Масса коксовой подачи кокса, спеченного с гравитационной загрузкой, т 12,96 - - - 12,96 Масса коксовой подачи смеси коксов, т - 12,96 12,96 14,5 - Масса коксовой подачи кокса, спеченного с технологией трамбования, т - - - - 14,5 Рудная нагрузка, т/т 4,51 4,41 4,44 4,52 4,57 Расход железорудных материалов, кг/т 1538,9 1540 1539 1539,9 1536,9 Природный газ, м³/т чугуна 200 200 198 200 206 Условное топливо, кг/т 477 483 478 474,4 474,2 Fe_общ. в шихте 62,2 62,2 62,2 61,9 62,3 Содержание окатышей в железорудной шихте, % 75,9 75,8 75,8 75,9 76,1 Дутье, расход, м³/мин. 5340 5270 5286 5330 5320 Колошниковый газ, температура, °С 184 216 188 176 178 Чугун: [Si],% 0,44 0,44 0,45 0,44 0,45               [S],% 0,024 0,024 0,024 0,025 0,025 Шлак: выход,кг/т 237,1 237,7 237,6 237,0 236,9 осн.1, ед. 1,01 1,0 1,01 1,02 0,99 осн.2, ед. 1,18 1,19 1,18 1,17 1,17

*каждая пятая подача, сформированная из кокса, спеченного с технологией трамбования

Таблица 3

Показатели работы доменной печи, объемом 1000 м³ в условиях работы с использованием двух видов кокса

Показатели период Базовый опытный 1 2 3* 4** Суточное производство, т/сутки 2798 2796 2780 2879 2802 Расход кокса, спеченного с гравитационной загрузкой, кг/т 325,4 299,4 276,2 160 324,3 Расход кокса, спеченного с технологией трамбования, кг/т - 26,2 54,0 158,8 - Суммарный расход кокса, кг/т 325,4 325,6 330,2 318,8 324,3 Соотношение масс кокса, спеченного с гравитационной загрузкой и с технологией трамбования - 92:8 84:16 50:50 - Соотношение масс кокса, спеченного с гравитационной загрузкой и фракции кокса 25-40 мм - - - - 50:50 Масса подачи кокса, спеченного с гравитационной загрузкой, т 4,1 - - 4,1 4,1 Масса подачи смеси коксов, т - 4,1 4,1 - - Масса подачи кокса, спеченного с технологией трамбования, т - - - 5,1 - Масса подачи кокса, состоящая из фракции 25-40 мм - - - - 4,1 Рудная нагрузка, т/т 5,0 5,0 4,92 5,1 5,0 Расход железорудных материалов, кг/т 1627 1628 1626 1624 1625 Природный газ, м³/т чугуна 241 241 239 242 240 Условное топливо, кг/т 494,1 494 497,5 488,2 492,3 Fe_общ. в шихте, % 60,2 60,2 60,2 60,2 60,2 Содержание окатышей в железорудной шихте, % 45,9 45,9 46,0 46,0 45,9 Дутье, расход, м³/мин. 2123 2120 2110 2210 2122 Колошниковый газ, температура, ^оС 223 225 238 215 220 Чугун: [Si],% 0,39 0,40 0,41 0,38 0,39 [S],% 0,021 0,021 0,021 0,021 0,021 Шлак: выход,кг/т 259 258 258 256 258 осн.1, ед. 0,96 0,96 0,97 0,96 0,96 осн.2, ед. 1,17 1,17 1,18 1,17 1,17

*каждая вторая подача сформирована из кокса, спеченного с технологией трамбования

**каждая вторая подача сформирована из фракции кокса 25-40 мм

Таблица 4

Показатели работы доменной печи, объемом 5500 м³ в условиях работы с использованием двух видов кокса

Показатели период Базовый опытный 1 2 3 Суточное производство, т/сутки 11465 11304 11740 11258 Расход кокса, спеченного с гравитационной загрузкой, кг/т 350,1 245,3 239,3 246,3 Расход кокса, спеченного с технологией трамбования, кг/т - 108 108 108 Суммарный расход кокса, кг/т 350,1 353,3 347,3 354,3 Масса коксовой подачи кокс, спеченного с гравитационной загрузкой, т 26,47 - - - Масса коксовой подачи смеси коксов, т - 26,47 32,0 33,8 Масса коксовой подачи кокс, спеченного с технологией трамбования гравитационной загрузкой, т - - - - Рудная нагрузка, т/т 4,53 4,49 4,58 4,47 Расход железорудных материалов, кг/т 1586 1586 1590 1586 Природный газ, м³/т чугуна 168 168 168 168 Условное топливо, кг/т 467,7 470,9 464,9 471,2 Fe_общ. в шихте 58,96 58,96 58,9 Содержание окатышей в железорудной шихте, % 33,6 33,6 33,6 33,6 Дутье, расход, м³/мин 8224 8102 8400 7900 Колошниковый газ, температура, °С 237 251 228 270 Чугун: [Si],% 0,48 0,50 0,47 0,5 [S],% 0,023 0,022 0,023 0,024 Шлак: выход,кг/т 266 266 266 осн.1, ед. 0,97 0,98 0,97 0,99 осн.2, ед. 1,20 1,21 1,20 1,22

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способу ведения доменной плавки. Осуществляют загрузку шихты из железорудных материалов и кокса подачами с заданным размещением шихты на колошнике доменной печи, нагрев шихты, восстановление, плавление и выпуск продуктов плавки. При этом доменную плавку ведут с использованием комбинированного дутья и с использованием в доменной шихте кокса, полученного технологией коксования с гравитационной загрузкой, и кокса, полученного технологией коксования с трамбованием шихты, различающихся по показателю насыпного веса на 0,05 кг/м³ и более и загружаемых в количестве 15-50 и 50-85 мас.% от общего количества кокса соответственно. В частном случае осуществления изобретения кокс, полученный технологией коксования с трамбованием шихты, загружают отдельной подачей, масса которой на 12-20% превышает массу подачи кокса, полученного технологией коксования с гравитационной загрузкой. В результате обеспечивается увеличение производительности доменной печи и снижение расхода кокса. 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 3 пр.

1. Способ доменной плавки, включающий использование комбинированного дутья, загрузку шихты из железорудных материалов и кокса подачами с заданным размещением шихты на колошнике доменной печи, нагрев шихты, восстановление, плавление и выпуск продуктов плавки, отличающийся тем, что доменную плавку ведут с использованием в доменной шихте кокса, полученного технологией коксования с гравитационной загрузкой, и кокса, полученного технологией коксования с трамбованием шихты, различающихся по показателю насыпного веса на 0,05 кг/м³ и более и загружаемых в количестве 15-50 и 50-85 мас.% от общего количества кокса соответственно.

2. Способ п. 1, отличающийся тем, что кокс, полученный технологией коксования с трамбованием шихты, загружают отдельной подачей, масса которой на 12-20% превышает массу подачи кокса, полученного технологией коксования с гравитационной загрузкой.