научная статья по теме НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ ФУТЕРОВКИ ГОРНА ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ Металлургия

Текст научной статьи на тему «НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ ФУТЕРОВКИ ГОРНА ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ»

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ ФУТЕРОВКИ ГОРНА ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», Череповецкий металлургический комбинат ОАО «Северсталь», ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат»

Увеличение работоспособности футеровки горна и лещади доменной печи (ДП) достигается за счет комплексного использования конструктивных, технологических и ремонтных факторов. К числу технологических факторов относятся применение гарнисажеобра-зующих добавок и оптимизация интенсивности плавки.

В качестве гарнисажеобразующих добавок используют в основном титансо держащие добавки, которые подают в печь путем загрузки на колошник или вдувания через воздушные фурмы [1]. Защитный гарнисаж-ный слой на футеровке горна формируется из образующихся в печи титанатов кальция, карбидов и нитридов титана. Вдувание дисперсных титансодержащих материалов (ильменит, рутилит) требует применения дорогостоящего оборудования. Загрузка кусковых титансодержащих материалов (ильменит, доменные шлаки) решает проблему защиты футеровки горна, но сопровождается повышением расхода кокса в связи с увеличением выхода шлака.

Новая технология защиты футеровки горна заключается в загрузке в печь кускового (10-100 мм) природного минерала шунгита. Это комплексное углерод-содержащее сырье, состоящее из аморфного углерода особой разновидности и силикатных минералов, среди которых преобладает кварц. Единственные в мире месторождения шунгитовых горных пород находятся в Карелии. В настоящее время ведется промышленная разработка Загожинского месторождения шунгита, содержащего 57-60% БЮ2 и 28-32% С.

Мелкодисперсный углерод и силикаты в породе равномерно распределены по объему и имеют большую удельную контактную поверхность (до 20 м2/г породы и более).

Благодаря высоким значениям энтальпии и поверхностной энергии аморфного углерода теплота его сгорания - 10,48 МДж/кг С (теплота сгорания углерода кокса - 9,82 МДж/кг С). Энтальпия образования БЮ2 для мелкодисперсного аморфного кремнезема -897 МДж/(кг-моль), а не 911 МДж/(кг-моль), что относится к А-кварцу [2].

Исходя из структуры и термодинамических характеристик компонентов (углерод и кремнезем), шунгит в доменной шихте рассматривается не как высокозольное топливо, а как восстановитель. Считая фактически стехиометрическим (для реакции образования карбида кремния) отношение ЯЮ2 и С в шунгите и учитывая особенности их термодинамических характеристик, есть причина полагать, что внутри ДП углерод и кремний

шунгита взаимодействуют, образуя карбид кремния. Этому способствует относительно низкая температура в начале реакции между кварцем и углеродом шунгита, которая, исходя из термодинамических характеристик, составляет 1626 К или 1354 °С. Температура начала взаимодействия углерода и кварца шунгита с образованием карбида кремния подтверждена результатами лабораторных экспериментов (табл. 1).

Относительно низкая температура начала реакции образования карбида кремния и большая удельная поверхность контакта между углеродом и кварцем в шун-гите (20 м2/г) обеспечивают протекание этой реакции в кусках шунгита, когда они опускаются вместе с коксом от зоны когезии до горна доменной печи. Карбид кремния, образовавшийся в кусках шунгита, может расходоваться в ДП по трем механизмам [2]:

1. Участие в реакции восстановления железа из оксидов железа первичных шлаков:

3Сш + БЮ2ш = Б1С + 2СО - 579,4 МДж,

3БеО + Б1С = 3Бе + СО + Б1О2 + 122,8 МДж,

Б1О2 + 2СаО = Са2Б1О4 + 72 МДж.

Затраты тепла: -579,8 + 122,8 + 72 = -384,6 МДж. При этом на восстановление железа затрачивается меньше тепла, чем при его восстановлении углеродом кокса:

3БеО + 3Ск = 3Бе + 3СО - 480,3 МДж.

Таблица 1. Результаты анализа продуктов термической обработки шунгита

Условия Химический состав

эксперимента Потеря массы, % продуктов реакции, %

Температура, Время, ч Размер кусков, мм 81С 81 С

1400 4 -0,01 58 30 42,2 27,8 -

1600 4 -0,01 70 69,5 27,35 3,15 -

1400 4 4 -0,01 +4-10 66 63,6 33,15 3,25

1800 4 2 +4-10 70 95,15 95,85 0,75 0,5 2,9

1800 4 2 40-50 40-50 71 70 100 - -

Таблица 2. Показатели работы ДП-6 ОАО НЛМК

с использованием шунгита

в < во периоды 1-3 В < во -е В 8

зр ае Р5 В зр ае Р5 В ыр пе О ==

Показатели -5.12.2001 12.12.2001 -24.12.2001 18.01.2002 2 0 0 .2 2. ® 6. 2 2 0 0 .2 4. ® 2 -

1 1 1 0\ 1 1 1 2 - 2 2 3 .0 1.

Продолжитель- 5 4 8 17 5 55

Производитель- 54,46 58,38 56,8 66,52 60,1 65,22

кокса 438 404 393 389 342 410

шунгита - 25 45 50 - 28

Природный газ, 69 76 82 104 80 92

Содержание О2, % 23,7 25,3 24,9 28,3 25,1 27,6

Температура, °С 1053 1046 1054 1057 1078 1086

Давление, кПа 346,5 364,8 348,6 371,9 351,6 357,7

0,78 0,76 0,70 0,76 0,72 0,74

Б 0,010 0,010 0,011 0,010 0,010 0,010

Температура 1513 1495 1495 1519 1501 1504

Основность 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05

Выход шлака, кг/т 295 287 273 292 240 263

Приведенный 438 424 421 411 432 417

расход кокса, кг/т

производитель- 54,46 53,33 52,76 56,44 60,1 61,75

замены кокса - 0,56 0,38 0,54 - 0,54

2. Участие в реакции восстановления железа из оксидов железа первичных шлаков с образованием силицида железа:

3Сш + БЮ2ш = Б1С + 2СО - 579,4 МДж,

БеО + Б1С = БеБ1 + СО + 141,6 МДж.

Затраты тепла: -579,4 + 141,6 = -437,8 МДж. При этом на восстановление железа и кремния с образованием силицида кремния затрачивается меньше тепла, чем при их восстановлении углеродом кокса:

БеО + Б1О2 + 3Ск = БеБ1 + 3СО - 758,7 МДж.

3. Транспортирование на периферию печи потоками жидких продуктов плавки в горне во время выпуска не прореагировавших по указанным реакциям кристал-

лов карбида кремния, где они осаждаются на стенках горна с образованием тугоплавкого гарнисажа.

Энтальпия оксидов и соединений, МДж/кг моль [3]: СаО - 634; Са2Б1О4 - 2251; СО (из углерода кокса) - 117,9; СО (из углерода шунгита) - 125,8; БеО -278; БеБ1 - 76,6; Б1О2 (крист.) - 911; Б1О2 (шунгит) - 897; Б1С - 66,1.

В зависимости от условий работы печи превалирует один из двух первых механизмов участия карбида кремния в реакциях восстановления железа из железистых шлаков: при низком уровне положения зоны плавления - первый механизм, а при высоком - второй. Соответственно, замена кокса шунгитом в этих реакциях сопровождается существенно большей экономией кокса по сравнению с балансовой заменой 0,34 кг кокса/кг шунгита (при содержании углерода в коксе 86,75 %, а в шунгите - 29,5 %). При участии шунгита в реакциях по первому механизму расчетный коэффициент замены кокса шунгитом составляет 0,432 кг/кг, а по второму - 0,649 кг/кг. Кроме того, при выплавке высококремнистых чугунов этот коэффициент может существенно увеличиваться (до 1,0-1,3 кг/кг) за счет значительного сокращения потерь тепла при применении шунгита, обусловленного меньшими перемещениями уровня зоны плавления при переходе на выплавку высококремнистого чугуна с применением шунгита и без увеличения расхода кокса.

Практика работы доменных печей с применением шунгита показала, что в любых условиях работы печи часть карбида кремния, образовавшегося из шунгита, участвует в формировании защитного гарнисажа на стенках горна. Впервые гарнисажеобразующий эффект шунгита был зафиксирован на ДП-6 (диам. горна 12 м) ОАО НЛМК во время первых успешных промышленных плавок с применением шунгита (табл. 2) с целью частичной замены кокса при выплавке передельного чугуна [4].

Динамика изменения температуры торцов углеродистых блоков горна (усредненные данные результатов измерения температуры в восьми блоках по окружности горна) и суточного расхода шунгита (рис. 1) показывают, что минимум температуры приходится на период длительного бесперебойного применения шун-гита. Вывод шунгита из шихты привел к повышению температуры периферийных блоков футеровки горна.

Анализ статистической зависимости температуры торцов углеродистых блоков от расхода шунгита (рис. 2) показал, что влияние шунгита на температуру периферийных блоков проявлялось только при загрузке шунгита в количестве более 150 т/сут (25-30 кг/т), возрастая с увеличением его расхода.

При длительном (не менее 10 сут) применении шунгита в количестве 25-30 кг/т вдвое (до ±5 °С) уменьшался интервал колебаний температуры периферийных блоков по сравнению с периодами работы печи без шунгита (±10 °С), а средний уровень температуры снижался на 10-15 °С. Установлено также, что чередование коротких периодов (4-6 сут) работы печи с изменением расхода шунгита от 0 до 50 кг/т сопро-

сг» Ч' V б1 V V V ®> Ч1 о> Ч' V & 4= V V й1 тл Дата (ноябрь 2001 - июнь 2002)

Рис. 1. Динамика изменения расхода шунгита и температуры торцов углеродистых блоков

-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35

' ' Л N. 1 1 1 К А ■ Пояс 2

6 7 8 9 10 11 Номер термопары

Рис. 4. Изменение показателей термопар при применении шунгита

105 100 -95 -90 -О 85 -. ^ 80 -75 -70 -65 -60

♦ . ♦ -Р±-- у = "0,001х2+ 0,0099* + 88,388 Я2 = 0,2421

0 50 100 150 200 250

Расход шунгита, т/сут

Рис. 2. Статистическая зависимость температуры торцов углеродистых блоков от расхода шунгита

130 125 120 115 110 105 100 95

Рис. 5. Изменение температуры кладки горна и лещади в зависимости от расхода шунгита

Н 350,0 345,0 340,0

Рис. 3. Изменения производительности доменной печи и температуры стенок горна

вождалось соответствующими изменениями температуры периферийных блоков в пределах до ±(12-15) °С. Описанные изменения температуры углеродист

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎