способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците

Формула изобретения

Способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците, включающий загрузку материалов в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону, отличающийся тем, что дутье в кислородную зону подают подогретым в равных количествах на двух горизонтах, при этом на втором нижнем горизонте дутье увлажняют до содержания (12-20)% водяного пара.

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 антраците и тощих углях.

Известен способ плавки чугуна в коксовой вагранке на увлажненном дутье. Опыты показали, что при некоторой оптимальной влажности дутья (от 2,5 до 8 г/м ³) температура чугуна может быть повышена примерно на 20-30°, а расход кокса снижен на 5-10% (Гиршович Н.Г. Чугунное литье. - М.: Металлургиздат, 1949, с.553-554). Такое влияние влажности объясняется тем, что водяные пары обладают большим коэффициентом лучеиспускания. Однако вследствие колебания естественной влажности дутья, работа вагранок на паровоздушном дутье не дала положительных результатов.

Отрицательные факторы увлажнения дутья связаны с эндотермическими реакциями

которые протекают в кислородной зоне вагранки. Данные реакции без дополнительного подогрева, обогащения дутья кислородом и природным газом приведут к понижению температуры расплава как и в доменной печи.

Известен способ плавки чугуна в коксогазовой вагранке с частичной заменой кокса природным газом (Ю.В.Чапыгин, А.Е.Еринов. Использование природного газа при плавке чугуна. Киев. Наукова думка, 1976, с.17-25). Коксогазовая вагранка отличается от обычной тем, что по периметру вагранки на высоте 400-800 мм от основного ряда фурм установлены двухпроводные газовые горелки. В фурмы подается холодное дутье от фурменного коллектора. Сущность метода частичной замены кокса заключается в том, что природный газ полностью сжигается в горелочных тоннелях, расположенных в шахте вагранки выше зоны перегрева, а продукты полного горения подаются в зону подогрева шихты, что повышает производительность печи по различным данным на (10-20)%, а температура чугуна остается на прежнем уровне или снижается на (10-20)°С (см. там же с. 21-22) по сравнению с коксовой вагранкой. Основной составляющей природного газа является метан. При соединении с воздухом метан сгорает по реакции:

Углекислый газ, содержащийся в продуктах горения природного газа, при контакте с коксом частично восстанавливается до окиси углерода по реакции СО₂+С=2СО. Водяной пар, содержащийся в продуктах горения природного газа при контакте с раскаленным коксом, разлагается по реакциям:

Суммарный состав ваграночных газов, образующихся в результате смешения, следующий: 7-8% СО₂ , 16-20% СО, 3% Н₂ и 70% N ₂.

Недостатком этого процесса является то, что в связи с химическим взаимодействием с коксом примерно половина газа, подаваемая через газовые горелки, удаляется из вагранки в виде СО и Н₂, т.е. наблюдается большой недожог газов и, как следствие, понижение температуры расплава на(10-20)°С.

Положительной стороной этого процесса является экономия дорогостоящего кокса, увеличение производительности печи на (10-25)% и некоторое снижение серы в металле за счет снижения расхода кокса, который является основным ее источником.

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

Большая высота уровня загрузки и высокая температура куска топлива в кислородной зоне вагранки не позволяет 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 в вагранке 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].

Задачей изобретения является разработка способа ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците, позволяющего устранить растрескивание антрацита при полной замене им кокса.

Поставленная задача решается следующим образом: в способе ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците, включающем загрузку материалов в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону, согласно изобретению дутье в кислородную зону подается подогретым в равных количествах на двух горизонтах с расстоянием между ними от диаметра вагранки, при этом на втором горизонте дутье увлажняется до содержания (12-20)% водяного пара.

Стойкость антрацита против растрескивания в кислородной зоне повышается при подогреве и увлажнении дутья.

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 антрацита на 30-40% 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 антрацитом.

Поэтому для уменьшения термических напряжений в кусках антрацита необходимо резко уменьшить градиенты температуры на его поверхности, что возможно осуществить при подогреве и увлажнении дутья.

Подогрев дутья способствует протеканию реакции

вместо реакции

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

Дополнительно стойкость антрацита против растрескивания повышается за счет увлажнения подогретого дутья. В кислородной зоне реакция восстановления водяного пара углеродом антрацита резко интенсифицируется при скорости дутья свыше 0,5 м/с [Н.В.Лавров. Физико-химические основы горения и газификации топлива. - М.: ГНТИ, 1957, с.229-232].

Суммарным эффектом реакций (7-9) будет реакция

которая идет с большим поглощением тепла Q ₆=-210,036 МДж.

Реакция (10) резко понижает температуру поверхности антрацита в кислородной зоне с 2000°С до 1400-1450°С, что понижает температурные градиенты и, следовательно, напряжения в поверхностных слоях куска топлива.

Кроме того, высота кислородной зоны при сухом и паровоздушном дутье примерно одинакова и составляет от 4,5 до 6,5 начальных средних диаметров частиц антрацита. Восстановление СО₂ при этом обеспечивается при 15-20 начальных диаметрах. Именно последний факт выклинивает восстановительную зону в слое топлива, выравнивает температурную кривую газа по высоте холостой колоши и, следовательно, резко интенсифицирует теплообмен между каплей расплава и теплоносителем [И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.80-87].

Второй уровень вдувания должен быть расположен на уровне конца кислородной зоны от первого уровня вдувания. По данным [З.Ф.Чуханова (Некоторые проблемы топлива и энергетики, М.: АН СССР, 1961, с.203)] длина кислородной зоны:

где Д_к - средний размер кусков топлива,

Re - критерий Рейнольдса,

А=const.

Значение критерия Re не зависит от вида применяемого топлива. Поэтому L_к˜Д_к .

В соответствии с ГОСТ 24774-81 вагранки средней производительности имеют внутренний диаметр 900, 1100, 1300 мм. Для коксовой вагранки длина кислородной зоны равна 350-400 мм [Селянин И.Ф., Степанов А.И. К расчету объема зон горения в шахтных печах. /Изв. вузов. Черная металлургия, 1987, №12, с.12-14], что соответствует L _к=(0,35-0,40)Д_в, где Д _в - диаметр вагранки. Куски антрацита при опускании в кислородную зону частично истираются и дробятся, их средний размер порядка в два раза меньше размера кусков кокса, что соответствует расстоянию между уровнями вдувания, то есть длине кислородной зоны L ₁₂=L_к=(0,175-0,20)Д _в, где Д_в - диаметр вагранки.

В коксогазовой вагранке и предлагаемом способе плавки идут аналогичные эндотермические реакции (1), (2) и (4) разложения водяного пара. Компенсация захолаживающего эффекта от этих реакций идет от реакции (3) в коксогазовой вагранке, при плавке только на твердом топливе от реакции

которая идет со значительно большим выделением тепла, чем реакция горения метана (3):

Q ₁₂=400,428>Q₃=181,76

Дополнительный перегрев капель расплава осуществляется при их прохождении через кислородную зону основного ряда фурм, куда подается подогретое и сухое дутье.

При подаче увлажненного дутья и в нижний ряд дополнительного перегрева капель расплава не будет наблюдаться, так как по всей высоте холостой колоши будут развиваться эндотермические реакции разложения водяного пара (1) и (2), или (4), что приведет к понижению температуры расплава как и при плавке в коксогазовой вагранке.

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. В качестве топлива применяли антрацит марки А и тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красногорский» (Юг Кузбасса).

Вагранка оборудована радиационно-конвективным рекуператором, позволяющим подогревать дутье до 500°С.

При замене кокса на антрацит 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.

В таблицах 1, 2, 3 приведены данные плавок при увлажнении на холодном дутье, при увлажнении на подогретом дутье и при подаче увлажненного горячего дутья только во второй ряд фурм.

Таблица 1
Данные плавок на паровоздушном холодном дутье
% Н2O в дутье	0	5	10
Температура расплава, °С	1280	1250	1210
Производительность по расплаву, т/ч	2,7	2,9	3,3

Таблица 2
Данные плавок на паровоздушном дутье, подогретом до 450-500°С
% H2O в дутье	0	5	10	15	20
Температура расплава, °С	1370	1365	1355	1350	1280
Производительность по расплаву, т/ч	3,1	3,3	3,5	3,8	4,2

Таблица 3
Данные плавок при подаче паровоздушного дутья во второй ряд фурм, подогретого до 450-550°С, в первый ряд фурм - сухое дутье с тем же подогревом
% Н 2O в дутье	0	5	10	15	20
Температура расплава, °С	1375	1370	1365	1360	1320
Производительность по расплаву, т/ч	3,1	3,2	3,45	3,65	4,1

Плавки показали, что увлажнение холодного дутья неэффективно, температура расплава прогрессивно падает с увеличением подачи водяного пара в кислородную зону вагранки (таблица 1). Производительность вагранки растет, но при добавлении в дутье свыше 10% Н₂O температура расплава падает до критических значений, вагранка идет на замораживание.

Увлажнение дутья с одновременным его подогревом наиболее эффективно при подаче пара в дутье в количестве 10-15%. В этом случае достигаются оптимальные параметры по температуре расплава (1350-1355°С) и производительности (3,5-3,8 т/ч).

При увлажнении ниже 10% на подогретом дутье температура остается на технологически необходимом уровне, но производительность печи по расплаву недостаточна, при увлажнении дутья выше 15% производительность вагранки растет прогрессивно, но температура расплава резко падает и печь идет на захолаживание.

При подаче увлажненного и подогретого дутья только во второй ряд фурм температура расплава при увеличении содержания водяного пара падает менее прогрессивно, чем при подаче увлажненного и подогретого дутья в оба ряда фурм (таблица 2, 3). В этом случае при подаче в дутье до 20% пара достигается максимальная производительность печи, а температура расплава остается на приемлемом уровне.

Производительность вагранки равна [И.Ф.Селянин, Г.Л.Маркс. Ваграночный процесс с оптимальным распределением дутья по высоте зоны горения. Новокузнецк, 1997, с.15].

где q₀ - расход дутья, м ³/(м²·с);

- содержание кислорода в дутье, %;

K - расход твердого топлива, %;

СО, СО₂ - содержание оксидов углерода в отходящих газах.

Увеличение производительности вагранки при увлажнении дутья определяется дополнительным приходом кислорода при разложении пара по реакции (1).

Расчет по формуле (13) дает увеличение производительности вагранки на (12-17)% больше, чем получено в экспериментальных плавках (таблица 2). Это связано с уменьшением температуры оксидного расплава, что вызывает увеличение вязкости расплава и способствует «тугому» ходу плавки.