Решающее влияние на ТЭП доменной плавки оказывает форма, толщина и положение по высоте печи зоны когезии, оптимизация которых является основной задачей управления доменной плавкой. Решение этой задачи зависит от качества материалов, загрузочного устройства, наличия средств контроля и профессионального мастерства управляющего персонала.

Важнейшими факторами являются количество, вязкость и жидкоподвижность шлаков, образующихся в зоне когезии. Горн доменной печи является самой высокотемпературной зоной, где тепло- и массообмен между реагирующими фазами проходит с высокими скоростями. Существует возможность подавать в эту зону через фурмы мелкодисперсные материалы, позволяющие улучшать технологию доменной плавки. Выделяются следующие направления рационализации технологии доменной плавки путем вдувания в воздушные фурмы материалов:

· флюсов или добавок, улучшающих свойства шлаков;

· железосодержащих и гарнисажеобразующих материалов, подлежащих экологически безопасному уничтожению;

· различных материалов, утилизация которых затруднена или невозможна другими способами.

Вдувание в воздушные фурмы дисперсных материалов может преследовать различные цели:

· повышение газопропускной способности подвижной коксовой насадки и коксового тотермана в горне в результате уменьшения выхода шлака в зоне когезии, снижения его температуры кристаллизации, вязкости и повышения подвижности;

· снижение содержания кремния и серы в чугуне;

· повышение прочности агломерата и снижение содержания в нем серы вследствие уменьшения его основности;

· ликвидация загромождения горна вязкими шлаковыми массами путем вдувания в горн флюсов, снижающих вязкость шлаков;

· снижение себестоимости выплавляемого чугуна.

Таблица 1 - Основные показатели работы доменной печи с вдуванием известняка в воздушные фурмы

Видно, что ТЭП работы печи не улучшились. При расходе известняка, вдуваемого через фурмы до 144 кг/т чугуна, он полностью усваивался, и затруднений с отработкой продуктов плавки не наблюдалось. Вывод около 30% известняка из шихты привел к сокращению выхода шлака из зоны шлакообразования, что увеличило газопроницаемость нижней части печи и позволило интенсифицировать плавку, несмотря на увеличение выхода шлака. В опытном периоде расход кокса увеличился на 56 кг/т, несмотря на более высокую температуру дутья. Этому способствовало увеличение содержания кремния в чугуне (на 0,17%) и дополнительный расход тепла в горне на диссоциацию вдуваемого известняка и на реакцию газификации углерода кокса углекислотой.

Вдувание извести в горн доменной печи, работающей на сырой руде с большим расходом известняка на передельный чугун, проведенное в 1957 г. [1], привело к существенному улучшению ТЭП доменной плавки. В печь вдували известь состава, %: 94,2 СаО; 1,25 SiO₂; 1,25 МgО; 0,85 Аl₂О₃; 0,24 Fе₂О₃; 0,033 S. Крупность частиц, %: 70<0,8 мм, 45<0,37 мм, 30<0,25 мм, 20<0,14 мм. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Показатели работы доменной печи рабочим объемом 850 м³ на металлургическом заводе фирмы United States Steel Corporation в Клайртоне при вдувании извести в горн

Как видно из таблицы 2, замена известняка, вдуваемой известью, привела к росту производительности печи более чем на 5% и к снижению расхода кокса на 6 кг/т при более низкой температуре дутья. Вынос колошниковой пыли практически не изменился, ее химический анализ показал, что вдуваемая известь полностью усваивалась шлаком [1]. Сравнение этих двух экспериментов показывает преимущества вдувания извести по сравнению с вдуванием известняка.

Для Индии типичны высокое значение модуля Аl₂O₃/SiO₂ в пустой породе железных руд и в золе кокса, и высокое содержание золы в коксе (23-28%). Что обуславливает повышенный расход флюсов при работе на богатых кусковых рудах или использование агломерата повышенной основности. Это вызывает образование вязких гетерогенных шлаков в зоне шлакообразования. Восстановление железа из промежуточных шлаков по мере их движения в горн и растворения в них извести повышает основность и вязкость этих шлаков. Основность промежуточных шлаков в 1,5-2 раза превышает основность конечных (рисунок 1), что снижает газопроницаемость столба шихты в нижней части печи и ограничивает ее производительность, не позволяя интенсифицировать плавку.

В-Бхилаи; ВК - Бокаро; D - Дургапур; К - Калинга; R - Роуркела; Т - фирмы Tisco

Рисунок 1 - Основность конечных (1) и промежуточных (2) шлаков доменных печей заводов Индии

Была предложена технология плавки с вдуванием в фурмы извести и с выводом из шихты части флюса. Промышленные опыты провели на доменной печи №3 завода Калинга в Барбиле (полезный объем 71,53 м³, полезная высота 9,75 м, диаметр горна 3 м, число воздушных фурм 8, шлаковых леток 2, чугунная летка одна).

Промышленные эксперименты провели в два этапа - до и после капитального ремонта печи с заменой футеровки. Типичный состав шихтовых материалов и их расход на 1 т чугуна приведен в таблице 3 [2].

Таблица 3 - Состав и расход шихтовых материалов на доменной печи №3 завода Калинга

Результаты опытных плавок с вдуванием извести в фурмы доменной печи и с частичным выводом флюсов из шихты представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты работы доменной печи №3 завода Калинга с вдуванием извести в воздушные фурмы в течение 1980-1982 гг.

Вдувание извести и частичный вывод флюсов из шихты в двух опытных плавках привело к повышению производительности печи (на 12 и 14,4%) и сокращению расхода кокса (на 6,4 и 11,0%) по сравнению с базовыми периодами. Отмечена более ровная и стабильная работа печи, что отразилось, на колебаниях суточной производительности (рисунок 2 и 3).

N - продолжительность периода, сут.; X - производительность печи, т/сут; у - среднеквадратичное отклонение, т/сут.

Рисунок 2 - Частотные диаграммы производительности доменной печи №3 завода Калинга в базовом (а) и опытном (б) периодах работы до ремонта

Рисунок 3 - Частотные диаграммы производительности доменной печи №3 завода Калинга в базовом (а) и опытном (б) периодах работы после ремонта

Исследования процесса шлакообразования в доменных печах проведены специалистами Технологического университета г. Лулеа, а также фирм MEFOS и SSAB [3,4], что вызвано технологическими трудностями, которые выявились при освоении офлюсованных окатышей. Две доменные печи завода фирмы SSAB, Швеция, в Лулеа (рабочий объем 1235 м³) более 10 лет работали на 100% богатых оливиновых окатышей фирмы LKAB с использованием флюсов в шихте. При этом достигнуты рекордно высокие технико-экономические показатели работы печей. С целью дальнейшего улучшения показателей работы печей фирма LKAB освоила производство офлюсованных окатышей двух типов - А и В.

Промышленные эксперименты с офлюсованными окатышами (в шихте сохранился известняк для офлюсования золы кокса и вдуваемого угля) показали, что, несмотря на уменьшение выхода шлака до 130 кг/т возрос общий перепад давления, расширился диапазон его колебаний, увеличились потери тепла с охлаждающей водой в нижней части шахты. При сохранении прежнего теплового состояния печи (температура чугуна, содержание кремния и углерода в чугуне) увеличились колебания основности шлака и его вязкость, что не соответствовало его составу. Причиной этих явлений был гетерогенный промежуточный и конечный шлак. Образование тугоплавких соединений связано с растворением извести флюса в первичном железистом шлаке. Основность промежуточного шлака резко повышается, увеличивая температуру его кристаллизации и вязкость. При восстановлении из этого шлака железа вязкость его еще более возрастает, что резко ухудшает газодинамические условия в нижней зоне.

Это подтверждается приведенной на рисунке 4 тройной диаграммой (СаО-SiO₂-FeO_n) температур кристаллизации шлака, на которой видно, что при основности железистых шлаков меньше 1 изменение их состава в широком диапазоне (до 20-50%) незначительно влияет на температуру кристаллизации шлака. В то же время при основности этих шлаков больше 1 даже незначительные увеличения содержания СаО и уменьшения содержания FеО вызывают существенное повышение температуры кристаллизации шлака.

Рисунок 4 - Диаграмма температур кристаллизации шлаков системы CaO-SiO₂-FeO_n

Расчетные характеристики шлаков при работе печи на оливиновых и офлюсованных окатышах приведены в таблице 5 [3].

Таблица 5 - Расход шихтовых материалов и расчетные характеристики доменного шлака при работе печи №1 в Лулеа на оливиновых и офлюсованных окатышах

Как видно из таблицы 5, при работе на офлюсованных окатышах основность шлака СаО/SiO2 при его формировании и движении в горн значительно изменяется и больше 1, что свидетельствует о высокой температуре его кристаллизации.

Предложено вдувать флюсы непосредственно в воздушные фурмы, т.е. в зону печи, где переходит в шлак основное количество кислых оксидов (из золы кокса и вдуваемого угля). Расчетные характеристики шлаков и расход материалов при работе печи на офлюсованных окатышах с вдуванием конвертерного шлака и извести приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Расход шихтовых материалов и расчетные характеристики образующихся в доменной печи шлаков, при работе на офлюсованных окатышах с вдуванием в фурмы конвертерного шлака и извести

Моделирование показывает, что вдувание флюсов в воздушные фурмы улучшает условия шлакообразования по высоте печи (снижение количества шлаков в заплечиках, уменьшение основности промежуточных шлаков, увеличение основности шлаков в фурменной зоне до уровня конечных шлаков и ее стабильность по мере стекания из зоны шлакообразования в горн печи) (рисунок 5) [3].

Преимущество конвертерного шлака перед известью заключается в наличии в нем магнезии, что позволяет получать фурменный шлак с меньшей вязкостью и более высокой десульфурирующей способностью. Конвертерный шлак лучше ассимилируется золой кокса и вдуваемого угля, но наличие в нем оксидов железа требует дополнительного тепла на их восстановление углеродом.

Влияние вдуваемого конвертерного шлака при применении богатых офлюсованных окатышей изучалось на опытной доменной печи в Лулеа (рабочий объем 8,2 м³, диаметр горна 1,2 м, 3 воздушные фурмы, двухконусное загрузочное устройство, температура дутья 1200°С, система вдувания ПУТ и флюсующих добавок) [4]. Печь работала на 100% окатышей с добавками флюсов (известняк, конвертерный шлак, кварцит) в шихту и с вдуванием различных количеств конвертерного шлака в фурмы. Химический состав применяемых материалов приведен в таблице 7, прогнозируемые условия опытных плавок - в таблице 8, а достигнутые показатели работы печи - в таблице 9.

Рисунок 5 - Изменение основности шлака по высоте доменной печи: а - без вдувания флюса в фурмы; б - с вдуванием конвертерного шлака

Таблица 7 - Химический состав окатышей и флюсов

Таблица 8 - Прогнозируемые условия работы печи в опытные периоды

Таблица 9 - Показатели работы доменной печи по опытным периодам

Усредненный состав чугуна и основность шлака приведены в таблице 10. Свойства шлаков оценивали с использованием обычного модуля СаО/SiO₂ и комплексного модуля основности:

В_К = (% СаО + 0,69 *% МgО)/ (0,93*%SiO₂+0,18% Аl₂О₃),

который достовернее характеризует способность шлака поглощать серу и щелочи [4].

доменный шлак шихтовый флюс

Таблица 10 - Усредненный состав чугуна и основность шлака по периодам

С переходом на 100% офлюсованных окатышей и увеличении расхода вдуваемого конвертерного шлака до 37 кг/т улучшились показатели работы печи по расходу топлива, производительности и по качеству чугуна (минимальное содержание кремния и его минимальные колебания). Повышенное содержание серы в периоде 4 по сравнению со 2 и 3 связано, вероятно, с меньшим на 2% содержанием магнезии в шлаке.

В одну фурму вдували только уголь, во вторую - уголь и конвертерный шлак, в третью фурму топливо и флюс не вдували. Печь заморозили азотом. Исследование коксового слоя по оси трех фурм показало, что вдувание конвертерного шлака в фурму способствовало почти полной ликвидации «птичьего гнезда». «Птичье гнездо» обнаружили только в фурменной зоне фурмы, в которую вдували уголь.

Отбор проб шлака из заплечиков и из фурменной зоны выявил различие модуля основности этих шлаков (таблица 11).

Таблица 11 - Состав шлаков из заплечиков и фурменной зоны экспериментальной доменной печи в базовом и опытном периодах

Конвертерный шлак снижает температуру начала размягчения и текучести шлака, образующегося в фурменных очагах, и температурный интервал между ними. На рисунке 6 представлены зависимости температур размягчения и текучести шлака в зависимости от комплексного модуля этих шлаков при различных расходах вдуваемого в фурмы конвертерного шлака.

Таблица 12 - Химический состав, крупность угля и флюсующих добавок, вдуваемых в фурмы

Рисунок 6 - Влияние расхода вдуваемого конвертерного шлака (цифры на кривой) на свойства шлака образующегося в фурменных очагах

Таблица 13 - Основные показатели работы доменной печи №2 в Кейхине при вдувании в фурмы флюсов совместно с ПУТ и без вдувания флюсов

Вдувание флюсующих добавок приводило к снижению содержания серы в чугуне. Наибольшее влияние на содержание серы в чугуне оказало вдувание извести, при этом содержание кремния в чугуне и его температура увеличились. Суммарный расход топлива (кокс + ПУТ) в этом случае существенно снизился. Наибольшее влияние на снижение содержания кремния в чугуне оказывает вдувание магнезита (рисунок 7), что объясняется уменьшением генерации SiO в горне и снижением активности SiO₂ в шлаке образующегося из золы кокса в фурменном очаге. На рисунке 8 показаны тенденции изменения активности SiO₂ (a_SiO2) парциального давления SiO, содержания кремния в чугуне и основных компонентов доменного шлака при переходе от базового варианта плавки к вариантам с загрузкой магнезита совместно с железорудными компонентами, с коксом и с вдуванием магнезита в воздушные фурмы. Загрузка магнезита с железорудными компонентами шихты и с коксом также приводила к увеличению содержания магнезии в шлаке и к снижению содержания серы и кремния в чугуне. [5]

Вдувание флюсов приводило к повышению ровности хода печи [5]. Воздействие вдуваемых флюсов на содержание кремния в чугуне возможно связано со снижением уровня зоны когезии (увеличение затрат тепла в горне на нагрев вдуваемых материалов).

На доменной печи №5 металлургического завода в Чибе фирмы Kawasaki Steel, Япония, для оценки возможности снижения содержания кремния в чугуне путем вдувания различных флюсов и руды использовали многоцелевую систему вдувания [7]. В качестве вдуваемых материалов применили богатую (66,3% Fе) мартитовую руду крупностью 250 мкм, известняк (54,9% CaO) крупностью 109 мкм и магнезиальный клинкер (84,2% MgO, 1,98% CaO, 6,8% SiO₂) крупностью 100 мкм. Максимальное влияние на содержание кремния в чугуне оказало вдувание смеси руды и известняка. При вдувании известняка в количестве (по массе CaO) 5 кг/т чугуна в смеси с рудой достигнуто снижение содержания кремния в чугуне на 0,08.

Анализ колошниковой пыли показал, что часть извести, вдуваемого известняка, выносится с колошниковой пылью. Основность CaO/SiO₂ колошниковой пыли увеличивалась прямо пропорционально количеству вдуваемого известняка. Вдувание руды в количестве 50,4 кг/т при постоянном расходе кокса не привело к существенному снижению содержания кремния в чугуне, хотя содержание закиси железа в шлаке и серы в чугуне увеличилось. Производительность печи возросла с 5000 т/сут базовом периоде до 5165 т/сут. Расход кокса не изменился за счет увеличения температуры дутья при вдувании руды с 950 до 993°С. Теоретическая температура горения снизилась с 2208 до 2141°С. При неизменном выходе колошникового газа 1542 м³/т его калорийность увеличилась с 3054,5 до 3117 кДж/м³ [7].

Специалисты фирмы Sumitomo Metal Industries, Япония изучали влияние вдувания в воздушные фурмы доменной печи смеси угля и доломита на содержание кремния и серы в выплавляемом чугуне [8]. В лабораторных условиях исследовали влияние доломита на активность SiO₂ в шлаке и генерацию SiO в фурменной зоне. Принятый механизм влияния доломита во вдуваемой смеси на указанные факторы приведен на рисунке 10. Расчетные значения температуры плавления шлака, образующегося из золы вдуваемого угля, золы кокса и доломита, представлены на рисунке 11, на котором позиции на оси абсцисс, обозначенные буквами от a до f, соответствуют повышению доли золы кокса при фиксированном отношении количества золы вдуваемого угля к расходу доломита. С увеличением отношения золы кокса к сумме вдуваемого доломита и золы вдуваемого угля температура плавления образующихся из них шлака уменьшается. Присутствие частиц доломита вблизи горящих частиц угля облегчает процесс шлакообразования в фурменной зоне из золы кокса и угля.

Список литературы

1. Дунаев Н.Е., Кудрявцева З.М., Кузнецов Ю.М. Вдувание пылевидных материалов в доменные печи. - М: Meталлургия. 2009. - 207 с.

2. Вдувание извести в горн доменной печи через фурмы / Б Тхакур, Р. Атхаппан, А.К. Саху, С.К. Гупта / В сб.: Meталлургическая переработка железных руд с глиноземистой пустой породой.-М.: Металлургия. 1990. С. 252-271.

3. Курунов И.Ф., Ященко С.Б. Методика расчета технико-экономических показателей доменной плавки: Сб. научн. тр./МИСиС-М., 1983. №152. С. 20-55.

4. Курунов И.Ф., Ященко С.Б., Фурсова Л.А. Теория, технология и оборудование металлургического производства. Расчет показателей доменной плавки на ЭВМ. - М.: МИСиС, 1986. -84 с.

5. Бабарыкин Н.Н. Восстановление и плавление рудных материалов в доменной печи: Курс лекций. - Магнитогорск: МГМИ, 1995. - 163 с.

6. Бабарыкин Н.Н. Движение шихты и газа в доменной печи: Курс лекций. - Магнитогорск: МГМИ, 1994. - 111 с.

7. Вергун А.С., Двоскин Б.В., Шевченко А.Ф. Труды V конгресса сталеплавильщиков (г. Рыбница, 14-17 октября 1998 г.). - М.: АО «Черметинформация», 1999. С. 383 - 386.

8. Гуденау Г.В., Випперманн Ш., Московчук В.П. Исследование по вдуванию железорудной мелочи в доменную печь // Сталь. 1996. №2. С. 9-11.

9. Дунаев Н.Е., Кудрявцева З.M., Кузнецов Ю.М. Вдувание пылевидных материалов в доменные печи. - М.: Металлургия 1977. -207 с.

10. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Савчук А.Н. Вдувание железосодержащего рудного сырья в фурмы доменных печей расширяет возможности доменного процесса // Бюллетень «Черная металлургия» №3 2003

11. Куликов И.С. Десульфурация чугуна. - М.: Металлургиздат, 1962. - 306 с.

12. Курунов И.Ф., Ященко С.Б. Методика расчета технико-экономических показателей доменной плавки: Сб. научн. тр./МИСиС-М., 1983. №152. С. 20-55.

13. Курунов И.Ф., Ященко С.Б., Фурсова Л.А. Теория, технология и оборудование металлургического производства. Расчет показателей доменной плавки на ЭВМ. - М.: МИСиС, 2008. -84 с.

14. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Савчук А.Н. Вдувание флюсов в горн доменной печи для улучшения газодинамики процесса и контроля состава чугуна. // Бюллетень «Черная металлургия» №5 2003

15. Никитин Л.Д., Долинский В.А., Бугаев С.Ф., Федоров И.П., Чуднова Н.Т. Выплавка чугуна с пониженным содержанием кремния на магнезиально-глиноземистых шлаках. // Известия высших учебных заведений №4 2001

16. Стефанович М.А. Анализ хода доменного процесса. - Свердловск: Металлургиздат, 1969. - 286 с.

17. Технолог-доменшик. Справочник / Ю.П. Волков, Л.Я. Шпарбер, А.К. Гусаров. - М.: Металлургия, 1986. - 263 с.

18. Фазовые превращения материалов при доменной плавке / И.Д. Балон, И.З. Буклан, В.Н. Муравьев, Ю.Ф. Никулин - М.: Металлургия, 2011. - 152 с.

Размещено на Allbest.ru