RU2186119C1 - Conversion pig iron melting method - Google Patents

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy. SUBSTANCE: method involves charging iron ore material, coke; blowing air and fuel additive into tuyere; charging lump schungite into furnace mouth annular zone arranged within area restricted with radii making 0.1 and 0.95 of mouth radius; periodically charging schungite with period being equal to 0.2-0.6 of charging cycle time in an amount of 0.5-15% of total weight of carbon, coke charged into furnace and fuel additive blown into furnace. Method is used for melting cast iron in blast furnace equipped with charging devices. EFFECT: reduced consumption of coke and increased efficiency of blast furnace.

Description

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах, оборудованных загрузочными устройствами, позволяющими регулировать распределение загружаемых материалов по радиусу колошника в широких пределах. The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to blast furnace production, and can be used in the smelting of pig iron in blast furnaces equipped with loading devices that allow controlling the distribution of the loaded materials over the top radius over a wide range.

Известен способ выплавки передельного чугуна в доменной печи, включающий загрузку доменной шихты, вдувание горячего дутья, выпуск продуктов плавки, причем в состав доменной шихты входят кокс, железорудные материалы и шунгит, используемый в качестве кислого флюса /1/. A known method of smelting pig iron in a blast furnace, including loading the blast furnace charge, blowing hot blast, the release of smelting products, and the blast furnace mixture includes coke, iron ore materials and schungite used as acid flux / 1 /.

Недостатком известного способа является отсутствие в нем технологических регламентаций по режиму загрузки в печь комплексного материала - шунгита, что снижает эффективность его применения и вызывает колебания содержания кремния в чугуне, состава и основности шлака и приводит, в итоге, к снижению показателей доменной плавки. The disadvantage of this method is the lack of technological regulations on the mode of loading complex material - schungite into the furnace, which reduces the efficiency of its use and causes fluctuations in the silicon content in cast iron, the composition and basicity of slag, and ultimately leads to a decrease in blast furnace smelting.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и по достигаемым результатам является известный способ выплавки передельного чугуна в доменной печи, включающий загрузку в печь железорудных материалов и кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку твердой углеродсодержащей добавки в определенную кольцевую зону колошника /2/. The closest to the invention in technical essence and in the achieved results is a known method of smelting pig iron in a blast furnace, which includes loading iron ore and coke into the furnace, blowing blast and fuel additives into air lances, loading solid carbon-containing additives into a certain annular furnace top zone / 2 /.

Недостатком данного способа является то, что он предусматривает загрузку твердой углеродсодержащей добавки в зону, транспортирующую эту добавку в район фурменных очагов. Это позволяет применять согласно этому способу лишь топливные добавки с традиционным спектром их функциональных возможностей в доменной плавке (горение, реакция газификации). The disadvantage of this method is that it provides for the loading of a solid carbon-containing additive in the area transporting this additive to the area of the tuyere foci. This allows using according to this method only fuel additives with the traditional spectrum of their functionality in blast furnace smelting (combustion, gasification reaction).

Технической задачей изобретения является устранение недостатков известных способов - аналога и прототипа, повышение производительности печи и качества чугуна и снижение его себестоимости за счет частичной замены дорогого и дефицитного кокса дешевым композиционным материалом и регламентации параметров доменной плавки при его применении. An object of the invention is to eliminate the disadvantages of known methods - analogue and prototype, increasing the productivity of the furnace and the quality of cast iron and reducing its cost by partially replacing expensive and scarce coke with cheap composite material and regulating the parameters of blast furnace smelting when it is used.

Решение данной технической задачи достигается тем, что в известном способе выплавки передельного чугуна в доменной печи, включающем загрузку железорудных материалов, кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку в заданную зону колошника твердой углеродсодержащей добавки, в качестве твердой углеродсодержащей добавки используют кусковый шунгит, смешивая его при загрузке в печь с коксом и загружая в кольцевую зону колошника, расположенную в пределах, ограниченных радиусами 0,1 и 0,95 радиуса колошника, причем количество загружаемого шунгита поддерживают в пределах 0,5-15 % от суммарной массы углерода загружаемого в печь кокса и вдуваемой в фурмы топливной добавки, а загрузку шунгита в печь ведут периодически с периодом, равным 0,2-0,6 длительности цикла загрузки. The solution to this technical problem is achieved by the fact that in the known method of smelting pig iron in a blast furnace, which includes loading iron ore materials, coke, blowing air and fuel additives into air lances, loading a solid carbon-containing additive into a given area of the top of the furnace, lump using solid carbon-containing additives shungite, mixing it when loading into the furnace with coke and loading into the annular zone of the top located within the limits limited by the radii of 0.1 and 0.95 of the radius of the top, and GUT loaded shungite maintained between 0.5-15% of the total weight of carbon charged into the coke oven and blown into the tuyeres fuel additives, and loading shungite in the furnace are periodically with period equal to the duration of 0.2-0.6 loading cycle.

Сущность изобретения заключается в следующем. При использовании кускового шунгита в качестве твердой углеродсодержащей добавки благодаря тесному контакту между мелкодисперсными частицами углерода и кремнезема в этом материале (удельная поверхность контактов составляет до 20 м²/г) углерод шунгита активно реагирует с кремнеземом с образованием карбида кремния и кремния. При этом реакции восстановления кремния и образования карбида кремния протекают до прихода шунгита в горн доменной печи и с меньшими энергозатратами, чем аналогичные реакции с участием углерода кокса и кремнезема пустой породы железорудных материалов или золы кокса благодаря высокой активности углерода шунгита и чрезвычайно высокой удельной поверхности контактов между реагирующими компонентами. В горне доменной печи кремний и карбид кремния, образовавшиеся из шунгита, окисляются первичным железистым шлаком или кислородом дутья с выделением тепла. Содержание кремния в чугуне на выпуске из печи при этом определяется тепловым состоянием печи и может регулироваться приемами, предусмотренными технологической инструкцией по ведению доменной плавки, т.е. путем изменения расхода кокса или параметров дутья.The invention consists in the following. When using lump shungite as a solid carbon-containing additive, due to the close contact between fine particles of carbon and silica in this material (specific contact surface is up to 20 m ² / g), shungite carbon actively reacts with silica to form silicon and silicon carbide. In this case, the reactions of reduction of silicon and the formation of silicon carbide occur before shungite arrives in the furnace of the blast furnace and with lower energy consumption than similar reactions involving carbon coke and silica of waste rock iron ore or coke ash due to the high activity of carbon shungite and an extremely high specific contact surface between reacting components. In the hearth of a blast furnace, silicon and silicon carbide formed from schungite are oxidized by primary ferrous slag or blast oxygen with the release of heat. The silicon content in the pig iron at the outlet from the furnace is determined by the thermal condition of the furnace and can be regulated by the methods provided for by the technological instruction for conducting blast furnace smelting, i.e. by changing the consumption of coke or blast parameters.

Заявленные пределы кольцевой зоны колошника, в которую необходимо загружать шунгит, обусловлены его ролью в доменном процессе и траекториями движения материалов и продуктов плавки в доменной печи. При выплавке передельного чугуна вещество шунгита в результате химических реакций образует сильные восстановители (кремний и карбид кремния) по отношению к закиси железа. При загрузке шунгита в центр печи, т.е. в зону, ограниченную радиусом менее 0,1 радиуса колошника, шунгит попадает в коксовый тотерман и остается там, не реагируя оксидами железа до тех пор, пока не опустится ниже уровня продуктов плавки в горне. Жидкие продукты плавки, стекающие по коксовой насадке, на печах с бесконусными загрузочными устройствами в этой зоне практически отсутствуют. Т. е. длительное время шунгит не работает в этой зоне как восстановитель, накапливаясь в малоподвижном тотермане. The declared limits of the annular zone of the top to which shungite must be loaded are due to its role in the blast furnace process and the trajectories of materials and melting products in the blast furnace. During the smelting of pig iron, the substance of schungite, as a result of chemical reactions, forms strong reducing agents (silicon and silicon carbide) with respect to iron oxide. When loading shungite into the center of the furnace, i.e. in a zone limited by a radius less than 0.1 of the radius of the top, shungite enters the coke toterman and remains there, not reacting with iron oxides, until it falls below the level of smelting products in the furnace. Liquid smelting products flowing down the coke nozzle are practically absent in furnaces with cone-less loading devices. That is, for a long time, shungite does not work in this zone as a reducing agent, accumulating in a sedentary toterman.

При загрузке шунгита за пределами зоны, ограниченной радиусом 0,95 радиуса колошника, шунгит попадает близко к стенкам печи и длительное время остается в зоне пониженных температур. При этом в нем не успевают завершиться реакции взаимодействия между углеродом и кремнеземом до прихода шунгита в горн. В результате при прохождении через фурменную зону углерод шунгита окисляется, что лишает шунгит термодинамических преимуществ перед обычной смесью углерода и кремнезема и снижает коэффициент замены кокса шунгитом. When shungite is loaded outside the zone limited by a radius of 0.95 of the top radius, shungite gets close to the walls of the furnace and remains in the zone of low temperatures for a long time. Moreover, it does not have time to complete the reaction of interaction between carbon and silica before shungite arrives in the furnace. As a result, when passing through the tuyere zone, the shungite carbon is oxidized, which deprives the shungite of the thermodynamic advantages over the usual mixture of carbon and silica and reduces the coefficient of replacement of coke with shungite.

Указанные пределы количества применяемого шунгита 0,5-15% от суммарного количества углерода топлива определены расчетным путем, исходя из механизма участия вещества шунгита в восстановительных процессах. Применение шунгита менее О,5% от суммарного количества углерода, загружаемого в печь с коксом и поступающего с вдуваемым топливом, не оказывает заметного влияния на расход кокса даже при максимальном содержании углерода в шунгите (36%). При использовании шунгита в количестве более 15% от суммарного количества поступающего в печь углерода с топливом приводит к нежелательному при выплавке передельного чугуна повышению содержания кремния в чугуне, так как количество восстановителя (кремния и карбида кремния, образующегося из этого шунгита) приближается к соответствующему стехиометрическому количеству железа, которое в современных условиях доменной плавки восстанавливается в доменной печи из первичных и промежуточных шлаков. Так при расходе кокса 430 кг/т и расходе природного газа 120 м³/т суммарное количество углерода, поступающего в печь, составляет 430 кг/т, а степень прямого восстановления железа - 0,12-0,14 кг/кг. При этом из шлака восстанавливается железа 114-133 кг/т или 2-2,4 кг•моль/т. При расходе шунгита, равном 0,15•430 = 64,5 кг/т и содержании в нем углерода 36% он образует в печи 0,65 кг•моль карбида кремния (SiC). Это количество карбида кремния может восстановить железа из шлака по реакции:
3 FeO + SiC = 3 Fe + SiО₂ + CО
0,65•3 = 1,95 кг•моль, т.е. 97,5% железа, восстанавливаемого из шлака. При дальнейшем увеличении расхода шунгита продукты его превращения в доменной печи будут переходить в чугун в виде силицида железа, увеличивая содержание кремния в чугуне. Таким образом, применение шунгита в количестве 0,5-15% от суммарной массы углерода загружаемого в печь кокса и вдуваемой в фурмы топливной добавки обеспечивает получение максимального коэффициента замены кокса шунгитом без увеличения содержания кремния в чугуне, причем верхний предел относится к шунгиту с максимальным содержанием углерода, а нижний - к минимальному.The indicated limits of the amount of shungite used are 0.5-15% of the total amount of fuel carbon determined by calculation, based on the mechanism of participation of shungite substance in recovery processes. The use of shungite is less than O, 5% of the total amount of carbon loaded into the furnace with coke and supplied with injected fuel does not have a noticeable effect on coke consumption even with a maximum carbon content in shungite (36%). When using shungite in an amount of more than 15% of the total amount of carbon with fuel entering the furnace, an increase in the silicon content in cast iron is undesirable when smelting pig iron, since the amount of reducing agent (silicon and silicon carbide formed from this schungite) approaches the corresponding stoichiometric amount iron, which in modern blast furnace conditions is reduced in a blast furnace from primary and intermediate slags. So, with a coke consumption of 430 kg / t and a natural gas consumption of 120 m ³ / t, the total amount of carbon entering the furnace is 430 kg / t, and the direct reduction of iron is 0.12-0.14 kg / kg. At the same time, iron 114–133 kg / t or 2–2.4 kg mol – t is reduced from slag. With a schungite consumption equal to 0.15 • 430 = 64.5 kg / t and a carbon content of 36% in it, it forms 0.65 kg • mol of silicon carbide (SiC) in the furnace. This amount of silicon carbide can reduce iron from slag by the reaction:
3 FeO + SiC = 3 Fe + SiО ₂ + CO
0.65 • 3 = 1.95 kg • mol, i.e. 97.5% of iron recovered from slag. With a further increase in the consumption of schungite, the products of its transformation in the blast furnace will turn into cast iron in the form of iron silicide, increasing the silicon content in cast iron. Thus, the use of shungite in an amount of 0.5-15% of the total carbon mass of the coke loaded into the furnace and the fuel additive blown into the tuyeres provides the maximum coefficient of coke replacement with shungite without increasing the silicon content in cast iron, and the upper limit refers to shungite with the maximum content carbon, and the bottom - to the minimum.

Периодическая загрузка шунгита с периодом, равным 0,2-0,6 длительности цикла загрузки печи необходима для избежания снижения темпа загрузки печи, и следовательно, ее производительности, которое неизбежно при загрузке шунгита малыми порциями с каждой дозой кокса в цикле подач (на доменной печи с бесконусным загрузочным устройством это 8-12 подач или 16-24 дозы рудных материалов и кокса) в связи с отдельным дозированием шунгита из бункера добавок. Нижний и верхний пределы длительности периода загрузки порций шунгита (0,2 и 0,6 длительности цикла загрузки) определены исходя из оптимального соотношения между величиной порций шунгита и длительностью интервала между ними с учетом количества загружаемого шунгита (0,5 -15% от массы поступающего в печь углерода). Для поддержания высокого темпа загрузки печи величина порции шунгита должна быть максимально возможной, а для исключения колебаний состава первичного шлака и состава чугуна (т.е. для поддержания высокого качества чугуна по стабильности его состава) шунгит должен грузиться в печь с минимально возможным интервалом между его порциями в шихте. Такой оптимальной по массе порцией шунгита является порция 1,5-2 т. При такой величине порции шунгит загружается вместе с 2-6-порциями кокса (при 10 порций кокса в цикле подач) с равномерными интервалами между ними. Это позволяет также загружать шунгит в заданную кольцевую зону, что необходимо для получения максимального коэффициента замены кокса шунгитом и максимально возможного снижения расхода кокса, следовательно, и повышения производительности печи при использовании шунгита в шихте. Нижний предел длительности периода загрузки шунгита используется при высоких расходах шунгита (10-15% от суммарной массы углерода топлива, поступающего в печь), верхний предел - при низких расходах шунгита (0,5-3% от суммарной массы углерода кокса и вдуваемого топлива, поступающего в печь). Periodic loading of schungite with a period equal to 0.2-0.6 the duration of the furnace loading cycle is necessary to avoid a decrease in the furnace loading rate, and therefore its productivity, which is inevitable when loading schungite in small portions with each dose of coke in the feed cycle (on a blast furnace with a cone-free loading device, this is 8-12 feeds or 16-24 doses of ore materials and coke) in connection with a separate dosing of shungite from the additive hopper. The lower and upper limits of the duration of the period of loading portions of shungite (0.2 and 0.6 of the duration of the loading cycle) are determined based on the optimal ratio between the size of the portions of shungite and the duration of the interval between them, taking into account the amount of loaded shungite (0.5 -15% of the incoming mass into the carbon furnace). To maintain a high furnace loading rate, the amount of shungite should be as high as possible, and to avoid fluctuations in the composition of primary slag and the composition of cast iron (i.e., to maintain the high quality of cast iron in terms of the stability of its composition), shungite should be loaded into the furnace with the minimum possible interval between it portions in the charge. A portion of shungite that is optimal in mass is a portion of 1.5–2 tons. With this portion size, shungite is loaded with 2–6 portions of coke (at 10 portions of coke in the feed cycle) with uniform intervals between them. This also allows you to load shungite in a given annular zone, which is necessary to obtain the maximum coefficient of replacement of coke with shungite and the maximum possible reduction in coke consumption, and therefore, increase the productivity of the furnace when using shungite in the charge. The lower limit for the duration of the shungite loading period is used for high shungite consumption (10-15% of the total mass of carbon fuel entering the furnace), the upper limit - for low shungite consumption (0.5-3% of the total mass of carbon coke and injected fuel, entering the oven).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами. The invention is illustrated by the following examples.

В доменной печи объемом 3200 м³ с диаметром колошника 8,9 м, оборудованной бесконусным загрузочным устройством фирмы Paul Wurt, выплавляли передельный чугун, содержащий 0,5-0,7% кремния из железорудной смеси, включающей: агломерата - 87%, окатышей - 13% (содержание Fe в железорудной смеси 59,7%). При этом расход кокса на 1 т чугуна составлял 427 кг/т (содержание С в коксе 87%) при расходе вдуваемого природного газа 95 м³/т чугуна (содержание С в природном газе 0,56 кг/м³) и температуре дутья 1005^oС.In a blast furnace with a volume of 3200 m ³ and a furnace top diameter of 8.9 m, equipped with a Paul Wurt cone-less loading device, pig iron was smelted containing 0.5-0.7% silicon from an iron ore mixture, including: agglomerate - 87%, pellets - 13% (Fe content in the iron ore mixture is 59.7%). The consumption of coke per 1 ton of pig iron was 427 kg / t (C content in coke 87%) with a flow rate of injected natural gas of 95 m ³ / t pig iron (C content in natural gas 0.56 kg / m ³ ) and a blast temperature of 1005 ^o C.

При переходе на выплавку чугуна согласно изобретению в шихту добавили шунгит (содержание С 30%), в количестве 27 кг/т (6,35% от суммарной массы углерода кокса и вдуваемого природного газа), загружая его вместе с коксом в кольцевую зону колошника, ограниченную радиусами, составляющими 0,75 и 0,9 радиуса колошника (зона на расстоянии 0,45 м от стенки колошника шириной 0,66 м). Шингит загружали отдельными порциями 3 раза за цикл загрузки, который включал 9 подач (вместе с коксовыми порциями 1-й, 4-й и 7-й подач цикла загрузки). Длительность периода загрузки шунгита составляла 0,3 длительности цикла загрузки. Расход кокса на выплавку чугуна снизился до 408 кг/т чугуна без увеличения содержания кремния в чугуне. Коэффициент замены кокса шунгитом составил 0,7 кг/кг. Производительность печи увеличилась на 98 т в сутки или на 1,2%. When switching to smelting cast iron according to the invention, shungite (С 30% content) was added to the charge in an amount of 27 kg / t (6.35% of the total mass of carbon coke and injected natural gas), loading it with coke into the annular zone of the top, limited by radii of 0.75 and 0.9 of the radius of the grate (zone at a distance of 0.45 m from the wall of the grate with a width of 0.66 m). Shingit was loaded in separate portions 3 times per loading cycle, which included 9 feeds (along with coke portions of the 1st, 4th and 7th feeds of the loading cycle). The duration of the shungite loading period was 0.3 times the loading cycle. Coke consumption for pig iron smelting decreased to 408 kg / t of pig iron without increasing the silicon content in cast iron. The replacement ratio of coke with shungite was 0.7 kg / kg. The furnace productivity increased by 98 tons per day or by 1.2%.

На той же доменной печи применяли шунгит с содержанием углерода 29% в количестве 17 кг/т (4,0% от суммарной массы углерода кокса и вдуваемого природного газа), периодически загружая его вместе с коксом в кольцевую зону колошника, ограниченную радиусами 0,75-0,9 радиуса колошника (зона на расстоянии 0,45 м от стенки колошника шириной 0,66 м). Период загрузки шунгита составлял 0,5 длительности периода цикла загрузки, т.е. шунгит загружали за цикл загрузки дважды (в коксовые порции 1-й и 5-й подачи). Расход кокса уменьшился по сравнению с базовым периодом на 14 кг/т чугуна без увеличения содержания кремния в чугуне. Коэффициент замены кокса шунгитом составил 0,82 кг/т. Производительность печи увеличилась на 120 т в сутки или на 1,5%. Shungite with a carbon content of 29% in an amount of 17 kg / t (4.0% of the total mass of carbon of coke and injected natural gas) was used at the same blast furnace, periodically loading it with coke into the annular zone of the top, limited by radii of 0.75 -0.9 radius of the top (zone at a distance of 0.45 m from the wall of the top of the width of 0.66 m). The shungite loading period was 0.5 times the duration of the loading cycle period, i.e. shungite was loaded twice during the loading cycle (in coke portions of the 1st and 5th supply). The coke consumption decreased compared to the base period by 14 kg / t of cast iron without increasing the silicon content in cast iron. The coke replacement ratio with shungite was 0.82 kg / t. The furnace productivity increased by 120 tons per day or by 1.5%.

При использовании шунгита в шихте согласно изобретению содержание кремния в чугуне регулировали, изменяя рудную нагрузку и влажность дутья. Стандартное отклонение содержания кремния в чугуне по выпускам оставалось в обычных пределах значений этой величины (0,14-0,16%), а содержание серы в чугуне снизилось на 0,004 и на 0,002% соответственно. When using shungite in the charge according to the invention, the silicon content in the cast iron was controlled by changing the ore load and the humidity of the blast. The standard deviation of the silicon content in pig iron by emissions remained within the usual range of this value (0.14-0.16%), and the sulfur content in pig iron decreased by 0.004 and 0.002%, respectively.

Таким образом, выплавка передельного чугуна в доменной печи согласно изобретению позволяет существенно сократить расход кокса, увеличить производительность печи и улучшить качество чугуна. Thus, the smelting of pig iron in a blast furnace according to the invention can significantly reduce coke consumption, increase furnace productivity and improve the quality of cast iron.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 740834, МКИ С 21 В 5/00, заявл. 09.10.1972 г., опубл. 15.06.1980 г., бюл. N 22.Sources of information
1. USSR copyright certificate 740834, MKI C 21 B 5/00, decl. 10/09/1972, publ. 06/15/1980, bull. N 22.

2. Патент РФ 2042714, МКИ С 21 В 5/00, заявл. 26.06.1993 г., опубл. 27. 08. 1995 г., бюл. N 24. 2. RF patent 2042714, MKI C 21 V 5/00, the application. 06/26/1993, publ. 27. 08. 1995, bull. N 24.

Claims (1)

Способ выплавки передельного чугуна в доменной печи, включающий загрузку железорудных материалов, кокса, вдувание в воздушные фурмы дутья и топливной добавки, загрузку в заданную зону колошника твердой углеродсодежащей добавки, отличающийся тем, что в качестве твердой углеродсодержащей добавки используют кусковый шунгит, смешивают его при загрузке в печь с коксом и загружают в кольцевую зону колошника, расположенную в пределах, ограниченных радиусами 0,1 и 0,95 радиуса колошника, причем количество загружаемого шунгита поддерживают в пределах 0,5-15% от суммарной массы углерода, загружаемого в печь кокса и вдуваемой в фурмы топливной добавки, а загрузку его в печь ведут периодически с периодом 0,2-0,6 длительности цикла загрузки. A method of smelting pig iron in a blast furnace, including loading iron ore materials, coke, blowing air and fuel additives into air lances, loading a solid carbon-containing additive into a given furnace top zone, characterized in that lump shungite is used as a solid carbon-containing additive, it is mixed during loading into the furnace with coke and load into the annular zone of the top, located within the radius of 0.1 and 0.95 of the radius of the top, and the amount of loaded shungite is maintained in the pre Around 0.5-15% of the total mass of carbon loaded into the furnace of coke and injected into the tuyeres of the fuel additive, and it is loaded into the furnace periodically with a period of 0.2-0.6 loading cycle duration.