способ плавления металлических шихтовых материалов в шахтной печи

Формула изобретения

1. Способ плавления металлических шихтовых материалов в шахтной печи, включающий сжигание кокса с помощью предварительно подогретого воздуха, преимущественно чистого кислорода, который вдувают постоянно со сверхзвуковой скоростью как можно далее в коксовую постель для лучшего проникновения через нее газов, нагревание в противотоке металлической шихты дымовыми газами, перегрев расплава и насыщение его углеродом в коксовой постели, отличающийся тем, что постоянно со сверхзвуковой скоростью в коксовую постель вдувают часть кислорода, а вторую часть кислорода вдувают переменно в кольцевой воздухопровод.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть кислорода, вдуваемого постоянно, выбирают из условия обеспечения установления возможно высокой температуры.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в колошниковом газе устанавливают оптимальное для угара печи содержание СО/СО₂.

4. Способ по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что оптимальную температуру чугуна поддерживают постоянной при помощи системы автоматического регулирования.

5. Способ по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что оптимальную атмосферу печи поддерживают постоянной при помощи системы автоматического регулирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу плавления металлических шихтовых материалов в шахтной печи, при котором сжигают кокс с помощью подогретого воздуха и, в основном, чистого кислорода, и дымовые газы в противотоке нагревают металлическую шихту, и при котором расплав перегревают и насыщают углеродом в коксовой постели.

Металлические и неметаллические материалы, например чугун и цветные металлы, базальт и диабаз, несмотря на разработку электрических и пламенных способов плавления плавят, как и прежде, в вагранках. В настоящее время около 60% всех чугунных материалов производят еще в вагранках.

Причиной такого высокого процента применения вагранок является непрерывное дальнейшее совершенствование, при этом из большого числа известных модификаций способа значение имеет разработка вагранок с горячим дутьем и применение кислорода.

Так, например, за счет разработки вагранки с горячим дутьем были в большой степени компенсированы такие технологические и металлургические недостатки вагранки, как низкие температуры чугуна, высокий угар кремния, слабое насыщение углеродом, высокий расход кокса, высокое поглощение серы, высокий расход огнеупоров.

Аналогичные улучшения достигают применением кислорода, при этом кислород вдувают в вагранку либо посредством обогащения дутья вагранки до максимально 25%, либо прямым инжектированием со скоростью ниже скорости звука в вагранку.

Однако из-за высокой стоимости кислород применяют только прерывисто, например, для быстрого разогревания остывшей печи или для ограниченного по времени повышения температуры чугуна. Возможность повышения производительности, т.е. непрерывное применение кислорода, используют только в исключительных случаях.

Несмотря на введение этих модификаций способа возможно изменение производительности плавки, температуры чугуна, коксовой подачи только в очень узком диапазоне в максимальной рабочей точке.

Зависимость между производительностью плавки и количеством дутья, а также количеством добавляемого кислорода описывает известное уравнение Юнгблута. Это уравнение вытекает из соотношения массы и энергии, причем для каждой вагранки необходимо опытным путем определять коксовую подачу и соотношение сгорания.

За счет взаимосвязи влияющих величин, таких как количество дутья, коксовая подача и соотношение сгорания, с целевыми величинами образуется диаграмма варочной производительности по фиг.1 с кривыми равной коксовой подачи и равного количества дутья.

Эту диаграмму варочной производительности, известную как диаграмма Юнгблута, необходимо опытным путем строить для каждой вагранки. Использование ее для другой вагранки невозможно, так как при изменении граничных условий, например крупности кусков кокса, реакционной способности кокса, состава шихты, скорости дутья, давления в печи, температуры, тотчас изменяется режим работы.

При максимальной температуре потери тепла минимальны. При очень больших количествах дутья, т. е. при высокой скорости потока, печь передувают. При слишком низком количестве дутья, т.е. при низкой скорости потока, печь не додувают. В обоих случаях уменьшается температура сгорания, так как, с одной стороны, необходимо нагревать дополнительный балласт N₂ и, с другой стороны, забирается тепло за счет образования дополнительного CO. Кроме того, при избыточном дутье сильнее окисляются элементы примесей чугуна.

За счет применения кислорода, например, в количестве 24% объема в дутье сетевая линия смещается вправо вверх, т.е. к более высоким температурам и к более высоким проплавам чугуна. Максимум температуры становится более плоским, а печь становится нечувствительной по отношению к передуву или недодуву.

Снижение коксовой подачи при постоянных проплавах чугуна и сокращенном количестве дутья невозможно при непрерывной подаче кислорода, так как в этом случае падает температура чугуна и возникают дополнительные технологические и металлургические проблемы, как, например: низкое насыщение углеродом, увеличение угара кремния, увеличение содержания FeО в шлаке, смещение к стенкам печи при снижении скорости дутья. Вагранка производит не поддающийся литью чугун.

Так как с точки зрения технологии сгорания кокс присутствует в избытке, то большой интерес вызывает уменьшение количества кокса при постоянной производительности плавки по соображениям экономичности, так как на стоимость изготовления жидкого чугуна, в основном, влияет стоимость переплавки и стоимость применяемых материалов.

Кроме того, уже давно известно, что, в частности, в вагранках с большим диаметром горна несмотря на обогащение дутья кислородом или при непосредственной инжекции кислорода со скоростью ниже скорости звука в середине печи образуется так называемая "мертвая зона". Реакция между вдуваемым кислородом и углеродом имеет место только в ограниченной области вблизи сопла фурмы, печь работает только в пристеночной области.

Находящийся в середине печи кокс не вносит вклада в процесс восстановления, так как воздух сгорания из-за низкого импульса не проникает через расположенную перед ним засыпку. Зона реакции лежит в непосредственной близости от сопла фурмы (фиг. 2а). За счет известного обогащения дутья печи кислородом или вдувания кислорода со скоростью ниже скорости звука глубина проникновения увеличивается лишь незначительно. За счет большого количества подаваемого кислорода зона реакции за счет соотношения давлений расширяется вверх (фиг. 2b).

Предварительным условием желаемого сокращения количества сжигаемого кокса является достижение равномерного горения по всему поперечному сечению печи, т. е. необходимо стремится к равномерному распределению подаваемого кислорода. Для этой цели импульс, т.е. скорость воздуха, соответственно, потока кислорода необходимо повысить сверх значений, которые до настоящего времени представляли собой уровень техники.

В заявке на патент GB 2018295 раскрыта система, в которой кислород вдувают с помощью центрально встроенных в сопла фурмы сопел Лаваля, т.е. со скоростью выше скорости звука, для минимизации износа огнеупорной обшивки. Снизить коксовую подачу при этом не удалось.

Однако, опыты с центрально встроенными в сопла фурмы соплами Лаваля неожиданным образом показали, что можно сократить количество горючего кокса на 20-30 кг/т Fe без отрицательного воздействия на процесс в печи и металлургию чугуна, если одновременно уменьшить удельное количество дутья печи с 500-600 м³ (i.N.)/т Fe до 400-480 м³ (i.N.)/т Fe и дополнительно вдувать кислород в зависимости от диаметра печи (фиг. 3). Удельную потребность в кислороде необходимо изменить, согласно фиг. 3. Для вагранки с горячим дутьем (температура дутья 500-600^oC) и диаметром печи 1 метр требуется, примерно, 15-22 м³ (i.N.) на тонну чугуна, а при диаметре 4 м необходимо 40-61 м³ (i. N. ) кислорода на тонну чугуна. В зависимости от диаметра печи необходимо устанавливать число Маха на выходе сопла для потока кислорода в диапазоне 1,1 < М < 3. Вопреки известной до настоящего времени теории вагранок одновременно повышается температура чугуна в желобе максимально на 30^oC. За счет этого сокращается угар кремния на 10% и насыщение углеродом улучшается на 0,2%. Лучшие результаты в отношении экономии кокса достигаются тогда, когда постоянную часть количества кислорода подают в вагранку посредством инжекции со сверхзвуковой скоростью, так как в этом случае обеспечивается более равномерное распределение кислорода по поперечному сечению вагранки. Остальную часть количества кислорода регулируемо подмешивают в дутье через кольцевой воздухопровод (фиг. 4). За счет этого возможно постоянное проведение анализов. Насыщение кислородом дутья регулируют в зависимости от содержания CO, CO₂, O₂ в колошниковом газе. Зона реакции, которая за счет сверхзвуковой инжекции вытянулась в форме языка в середину вагранки (фиг. 2c), расширяется вверх и становится более равномерной, так как вследствие всасывающей способности сверхзвукового потока переносится дополнительно обогащенный кислородом воздух в середину печи (фиг. 2d).

За счет сокращения дутья печи сокращается давление в печи и уменьшается количество колошникового газа на 20%. На основании более низкой скорости потока в печи дополнительно уменьшается, пропорционально количеству колошникового газа, количество пыли. Температура горячего дутья повышается максимально на 30^oC, так как рекуператор за счет уменьшенного количества дутья менее загружен.

Для распределения подачи кислорода в кольцевой воздухопровод и в сопла следует учитывать следующие принципы:

Основные количества можно выбрать из диаграммы OCI1.XLS. Абсолютное количество подачи кислорода определяют по желаемой температуре чугуна. Температура чугуна повышается, если повышается температура коксовой постели. Температура в коксовой постели повышается, если отсутствует охлаждающее влияние сопровождающего кислород азота.

Необходимо тем больше подавать кислорода со сверхзвуковой скоростью через кислородные копья, чем больше печь. Оптимальное соотношение между количеством кислорода, подаваемого через кислородные копья (01), к количеству кислорода, подаваемого в качестве обогащения дутья (02), выбирают при запуске печи посредством измерения температуры чугуна и введением его в регулятор.

Оптимальное соотношение объемных долей CO к CO₂, в колошниковом газе определяют из суммы результирующей стоимости производства. Более сильно восстанавливающая атмосфера с более высоким содержанием CO приводит к экономии кремния и большему расходу кокса. Поэтому оптимальная регулировка зависит от рыночных цен на сырье. Существуют времена и страны, в которых более окисляющий режим работы является более экономичным. Поэтому выгодное соотношение CO и CO₂, необходимо время от времени проверять и устанавливать в зависимости от этого соответствующее количество кислорода.

Желаемое оптимальное регулирование CO и CO₂ колеблется, потому что оно вызывается регулированием загружаемых количеств чугуна и углерода. Кратковременные колебания могут быть скомпенсированы за счет изменения подачи кислорода. Реакция Будуарда происходит быстро, потому что температура коксовой постели при подаче кислорода очень быстро возрастает. Поэтому подводом общего количества кислорода 01 и 02 управляют так, чтобы поддерживать соотношение 01 к 02 на экономически выгодном уровне. При таком способе достигают также минимального разброса результатов анализа.