способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов

Формула изобретения

Способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на тощих углях или антраците, включающий загрузку углеродсодержащего материала и топлива в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону, отличающийся тем, что куски топлива перед загрузкой в печь окунают в водную суспензию выбросов конвертерного производства на основе оксидов железа типа Fe₂O₃ и СаО и выдерживают 25-35 мин в этой водной суспензии выбросов конвертерного производства на основе оксидов железа типа Fe₂O ₃ и СаО, при этом дутье в кислородную зону подают подогретым до 450-550°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству и производству минераловатных изделий, где применяются шахтные печи малого диаметра одинаковой конструкции и предназначено для плавки шихтовых материалов на тощих углях или антраците.

Известен способ плавки на антраците как заменителе ваграночного кокса (Баринов Н.А. Водоохлаждаемые вагранки / Н.А.Баринов. М.: Машиностроение, 1960, с.123).

Большая высота уровня загрузки и высокая температура куска топлива в кислородной зоне вагранки не позволяют вести технологически устойчиво плавку на антраците, теплотворная способность которого в 1,1-1,2 раза выше, зольность в 1,3-1,5 раза ниже, а стоимость в 4-5 раз меньше соответствующих показателей кокса.

Основной недостаток способа плавки на антраците - низкая термическая стойкость, вследствие чего он при быстром нагреве и большом давлении столба металлической шихты растрескивается на мелкие куски, которые уменьшают свободное сечение вагранки и приводят к нарушению хода плавки. Растрескивание происходит за счет высоких механических и термических напряжений по объему куска топлива в кислородной зоне, где поверхность куска разогревается до 2000-2100°С (См. И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.50).

Тощий уголь по своим механическим свойствам схож с антрацитом. И все вышеописанное относится и к тощим углям.

Наиболее близким к заявленному является способ ваграночной плавки на антраците, включающий загрузку шихтовых материалов в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону (см. пат. РФ № 2335718). Однако в этом способе плавки в золе наблюдается небольшое количество Fe₂O₃, что недостаточно для интенсивного процесса горения.

Задачей изобретения является интенсификация процесса горения и предотвращение растрескивания кусков топлива в процессе плавки.

Для этого в способе ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов, включающем загрузку углеродсодержащего материала и топлива в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону, согласно изобретению куски топлива перед загрузкой в печь окунают в водную суспензию выбросов конвертерного производства на основе оксидов железа типа Fe₂O ₃ и СаО и выдерживают 25-35 минут в этой водной суспензии выбросов конвертерного производства на основе оксидов железа типа Fe₂O₃ и СаО, при этом дутье в кислородную зону подают подогретым до 450-550°С.

Известно, что для интенсификации горения твердых углеродосодержащих материалов в последние добавляют соли металлов FeCl₃, CaCl ₂, FeSO₄ и т.п. (О.А.Есин, П.В.Гельд. Физическая химия пирометаллургических процессов. Ч.I. Металлургиздат, 1950, с.197-198). В данной работе указывается на то, что повышение активности горючего введением минеральных примесей, ускоряющих реакцию CO₂ с углеродом и аналогичные ей процессы, получило распространение в технике; так, кокс или уголь, пропитанный солями щелочных металлов, используют как в металлургии, так и в производстве других продуктов, например сероуглерода. Известно, что оксиды щелочноземельных металлов, железа, марганца, меди, никеля и других ускоряют восстановление CO₂ углем. Наиболее правдоподобным механизмом, ускоряющим влияние примесей, является механизм, описанный О.А.Есиным и П.В.Гельдом в книге «Физическая химия пирометаллургических процессов», ч.I, Металлургиздат, 1950, с.199. Как известно, металлы, входящие в состав активных добавок, способны внедряться в решетку графита и существенно деформировать ее. Подобное внедрение ослабляет связь между базисными плоскостями графита и влияет на скорость взаимодействия СО₂ с С.

Выдерживание в суспензии выбросов конвертерного производства на основе оксидов железа типа Fe₂O₃ и СаО менее 25 минут неэффективно, а более 35 минут приводит к растворению топлива в этой суспензии.

В отходах конвертерного производства содержатся оксиды в основном железа и кальция, то есть Fe ₂O₃ и СаО. Куски топлива перед загрузкой в печь окунают и выдерживают в водной суспензии этих отходов. На поверхности углей образуется слой оксидов Fe₂O₃ и СаО.

Восстановление оксидов Fe углеродом идет последовательно

Сумма реакций (1-3) дает реакцию (4):

Суммарный отрицательный тепловой эффект реакции восстановления оксида Fe₂O₃ составляет Q₄=-471,080 МДж/моль и превосходит положительный тепловой эффект основной реакции горения углерода в кислородной зоне С+O ₂ СO₂+400,428 МДж/моль, что способствует захолаживанию поверхности куска угля, уменьшает градиенты температур на его поверхности и уменьшает эффект растрескивания, кроме того, процесс горения интенсифицируется, т.к. на одну молекулу Fe₂ O₃ по реакции (4) расходуется три атома углерода. Дожигание 3,33 молекул СО происходит в пространстве между кусками топлива с дополнительным тепловым эффектом

Главное, температура поверхности куска топлива резко снижается с 2000°С до 1500°С.

Оксид кальция СаО, частично содержащийся в конверторных выбросах, идет на образование ваграночного шлака, что приводит к уменьшению расхода известняка на плавку.

Стойкость тощих углей против растрескивания в кислородной зоне повышается при подогреве.

Подогрев дутья в коксовой вагранке интенсифицирует теплообмен в зоне перегрева капель расплава (И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.80-87).

Плотность и модуль упругости тощих углей выше, чем у кокса. Кусок кокса имеет большое количество пор, которые образуются в куске угля в процессе коксования за счет удаления влаги и летучих. Поры кокса уменьшают его плотность и модуль упругости по сравнению с тощим углем.

Поэтому для уменьшения термических напряжений в кусках тощего угля необходимо резко уменьшить градиенты температуры на его поверхности, что возможно осуществить при подогреве.

Подогрев дутья способствует протеканию реакции

вместо реакции

что уменьшает температуру поверхности угля в кислородной зоне, температурные градиенты и уменьшает вероятность растрескивания угля.

Экспериментальные плавки проводили на вагранке Новокузнецкого предприятия ЗАО «Изолит». Вагранка имела внутренний диаметр 1250 мм и два загрузочных отверстия на высоте 3,5 и 5,5 м от уровня основного ряда фурм. Вагранка предназначена для приготовления оксидного расплава из отвального доменного шлака и горной породы - диабаза для производства минеральной ваты. Вагранка оборудована радиационно-конвективным рекуператором, позволяющим подогревать дутье до 550°С. В качестве топлива применяли тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красногорский» (юг Кузбасса). Куски угля обмакивали в водную суспензию выбросов конвертерного производства, содержащую оксиды железа типа Fe ₂O₃ и СаО, и выдерживали в суспензии 30 минут.

При замене кокса на тощие угли на холодном дутье было установлено, что в конце плавочной кампании над фурмами образуются козырьки, состоящие из шлака и угольной мелочи. Давление дутья и, соответственно, сопротивление столба шихты возрастает с 400 до 1200 мм в начале и в конце кампании. Для исключения этих нежелательных явлений в соответствии с заявленным способом плавки на тощих углях было применено подогретое дутье.

В таблице приведены данные по времени работы вагранки до выбивки в зависимости от температуры подогрева дутья.

Таблица
Основные параметры плавочной кампании
Температура подогрева дутья, °С	Без подогрева	100	200	300	450	550
Время плавочной кампании, сутки	0,3	0,8	1,5	3,0	4,5	5,0

Техническим эффектом является интенсификация процесса горения и предотвращение растрескивания кусков топлива в процессе плавки.