Оценка влияния качества исходных шихтовых компонентов на ТЭП

вызывающие затруднения  в реализации преимуществ. Изменения  свойств

агломерата также не однозначны: возрастание доли железа в агломерате

вследствие увеличения доли концентрата Соколовско-Сарбайского горно-

производственного объединения  давал повышение прочности на удар до

содержания железа 58,0 - 58,5 %.

Чтобы оценить влияние  увеличения доли Fe в сырье на ход и

результаты плавки с использованием различных дополнительных

мероприятий по реализации преимуществ его, получены по данным

лаборатории ОАО «НЛМК» ДЦ №1 зависимости, по которым видно,

что при увеличении содержания железа в железосодержащем сырье  на 1 %

приводит к уменьшению расхода кокса на 0,75 % и росту производительности на 1,14 %,что также подтверждается в исследованиях, где на ОАО «ММК» были проведены опытные плавки на доменных печах № 1,2, 6, 8 - 10. Основные показатели плавки после предварительной промывки горна в среднем по периодам — (длительность периодов I и II составляла 5 сут, давление дутья и колошникового газа — 150 кПа). В среднем, по результатам опытным плавок на всех печах сокращение удельного расхода кокса на 1 % увеличения содержания железа составило 4,7 - 5,8 кг/т чугуна, повышение производительности — около 1,7 %.

 В работе изучено воздействие сырья с большим содержанием Fe на работу доменной печи. В лабораторных условиях проведено восстановление

агломерата и окатышей с 40 - 63 % Fe основностью 0,37 - 1,51 при 700 -

1200°С применительно к расходам природного газа 50 - 150 м3/т чугуна,

обогащению дутья кислородом до 30 %, рудным нагрузкам, соответствующим доменной плавке. По полученным результатам с использованием математической модели определен ход процесса восстановления по высоте доменной печи в разных условиях. Установлено, что скорость восстановления окатышей и агломерата с ростом содержания железа при других постоянных условиях возрастает.

Скорость восстановления при 900°С

Показатель Содержание железа, %

40 49 56 63

Общая скорость восстановления (% О2/мин)

при расходе газа-восстановителя, см3/(с • г Fe):

0,85 0,6 0,75 0,93 1,15

4,0 1,8 2,2 2,5 2,8

Рост степени восстановления на каждый 1 %

Fe при расходе газа-восстановителя,

см3/(с • г Fe):

0,85 — 1,76 2,6 3,3

4,0 — 4,5 4,3 4,3

Fe, % 4 0 49 56 63

Степень использования СО, %, при расходе

газа, см3/(с • г Fe):

0,85 1 9 , 5 24,5 30,5 38,3

4,0 1 3 , 0 15,0 18,0 20,0

Повышение содержания железа при малом расходе газа-восстановителя

усиливает его воздействие  на скорость восстановления, при высоком  расходе

несколько ослабляет. С увеличением  расхода газа-восстановителя

существенно возрастает влияние  железа в связи с уменьшением  степени

использования газа. При содержании железа 60 % и 65 % преобладает замедляющее воздействие роста степени использования энергии газов на скорость восстановления vR. Снижение восстановленности к горизонту

шлакообразования ухудшает газодинамические условия в нижней части печи

по следующим причинам: восстановление большого количества железа из

FeO шлака приводит к вспениванию его; такой шлак обладает низкой

газопроницаемостью; температура  плавления железа, полученного по

реакции FeO + С = Fe + СО, выше фактической температуры шлака; оно

находится в нем в виде взвеси, увеличивая вязкость расплава; уменьшение

концентрации FeO в шлаке вследствие расходования его на получение железа

увеличивает температуру  плавления шлака, что также повышает его вязкость

и задерживает движение вниз.

Для компенсации влияния  повышенного содержания железа (до 60 %)

необходимо одновременно использовать другие мероприятия, обеспечивающие рост восстановленности материалов к зоне плавления их. К таким мероприятиям, в частности, относятся увеличение расхода природного газа и восстановимости сырья, применение офлюсованных материалов, отсев мелочи из сырья и увеличение его средней крупности с интенсификацией процесса по дутью. Скорость восстановления vR офлюсованных материалов, содержащих 63 % Fe и имеющих степень восстановления 60 %, в 1,36 раза выше, чем неофлюсованных. Содержанию железа 50 % соответствует превышение скорости vR в 3,66 раза. К другим мероприятиям, способствующим реализации преимуществ сырья с высоким содержанием Fe, относятся улучшение стабильности показателей качества шихтовых материалов и высокотемпературной прочности кокса, повышение рудной нагрузки на периферии, а также своевременная промывка горна.

Для оценки влияния расхода  окатышей на технико-экономические

показатели работы печи была проведена сравнительная оценка показателей

работы печи с различным  содержанием окатышей в загружаемом  сырье с

апреля по июнь 2009г на ДП № 5 ОАО «НЛМК» В период с апреля по июль 2005 г. доменные цехи ОАО «НЛМК» работали с минимальным расходом окатышей. При оценке изменения технико-экономических показателей последние были приведены к одинаковым условиям методом пофакторного анализа.

По рисунку видно, что  при уменьшении доли окатышей происходят снижение производительности и увеличение расхода кокса. Основными

причинами этого являются снижение содержания железа в шихте  и

нарушение газодинамики потоков.

В результате сравнения степени влияния доли окатышей в шихте ДП

№ 6 (VДП = 3200 м3) и ДП № 4 (VДП = 2000 м3) установлено, что при

использовании печей большего объема это влияние сильнее. Сравнение

работы ДП № 3 и ДП № 4 одинакового  объема показало, что с увеличением

форсирования хода печи влияние  окатышей усиливается. Увеличение доли и стабильный расход металлизованных окатышей, применяемых на ОАО «НЛМК» совместно с агломератом собственного производства, способствуют:

• стабилизации химического  состава чугуна и ровному ходу

доменной печи;

• снижению расхода кокса  и себестоимости чугуна;

• повышению производительности печи.

Гранулометрический состав окатышей является предпочтительным:

содержание фракции 5 мм менее 4 %, в то время как у скипового  агломерата

она составляет 10 - 12 %, а периодически и более. Поэтому окатыши

значительно облегчают газодинамику верха доменной печи.

Окатыши при их применении в достаточном количестве (25-30 % от

общей массы шихты) служат постоянным "промывочным" материалом для

стен доменной печи. Их применение значительно уменьшает расстройства хода

печи, связанные с “потерей объема”. Увеличение активного веса шихты (с

окатышами), а также отмеченное выше "промывочное" действие, дает

возможность работать с большим  общим перепадом давления.

Таким образом, при увеличении содержания железа в железосодержащем сырье на 1 %приводит к уменьшению расхода кокса на 0,75 % и росту  производительности на 1,14, но при содержании железа более 58% в железорудном сырье  необходимо: улучшение стабильности показателей качества шихтовых материалов и высокотемпературной прочности  кокса, повышение рудной нагрузки на периферии, а также своевременная  промывка горна.

 Увеличение содержания  окатышей в железорудной части  шихты на 1% способствует снижению  расхода кокса, примерно на 3,1 кг/т чугуна и повышению производительности  на 1,5 %. Значительно уменьшается  расстройства хода печи, связанные  с “потерей объема”. Увеличение  активного веса шихты (с окатышами), а также отмеченное выше "промывочное"  действие, дает возможность работать  с большим общим перепадом  давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Температурные режимы плавки

Вторым важным этапом разработки технологий является исследование составов шлакообразующих смесей и температурных  режимов плавок. Для подбора ТШС  необходимого состава было произведены  плавки на ИСТ-0,16 с кислой футеровкой с использованием различных смесей, по режиму: «нагрев расплава до 14000С - скачивание первичного шлака - ввод состава  на «зеркало» металла - нагрев до температуры 16000С». Результаты представлены в Таблице №3.

 

 

№	Состав	Свойства*
1	55% SiO2, 40% Al2O3, 5% CaO	Удовлетворительная текучесть
2	60% SiO2, 40% Al2O3	Шлак «комкуется» до температуры 16000С
3	50% SiO2, 35% Al2O3, 15% CaO	Удовлетворительная текучесть, сильный прогар футеровки

 

Таблица №3. - Исследование составов ТШС на кислых футеровках

Выбор режимов плавок, в  которых бы учитывались «наследственные» и технологические свойства шихты  с учетом обзором и проведенных  исследований, должен осуществляться исходя из следующих предпосылок:

1) относительно низкая  температура миксирования (для чугунов - около 14000С, для углеродистых сталей - около 15500С) не обеспечивает необходимую степень удаления газов и неметаллических включений в шлак, но способствует сохранению высокой стойкости футеровок (для кислых  - не менее 100 плавок); при этом расплавы имеют приемлемую склонность к дендритной сегрегации;

2) относительно высокая  температура миксирования (для чугунов - около 15500С, для углеродистых сталей - около 16500С) повышает жидкоподвижность кислых шлаков, уменьшает вязкость расплавов, но существенно снижает стойкость футеровки (вплоть до аварийного выпуска плавки) и увеличивает их склонность к сегрегации.  

Таким образом, необходимо выбирать некоторый «комбинированный» режим  – термовременная обработка расплавов. Поэтому в дальнейших исследованиях сравнивались две различные технологии выплавки:

1) действующая - с форсированным режимом нагрева и одним режимом миксирования, с использованием в качестве ТШС сухого кварцевого песка в количестве 6,5-7 кг/т. Энергозатраты составили 560-590 кВтч/т;

2) экспериментальная – с тремя режимами миксирования (ТВО), с использованием в качестве ТШС смеси боя шамотного кирпича и извести в отношении 9,5:0,5 (52% SiO2, 38% Al2O3 и 5% CaO) в том же количестве. Энергозатраты составили 580-600 кВтч/т.

Температурные режимы плавок указаны на рисунке 1.

Рисунок №1. - Температурные режимы плавок

 

На рисунке №1 отображены режимы плавок: 1 – действующий (форсированный) режим; 2 – экспериментальный режим. Вертикальными стрелками обозначены технологические операции: «Ш» - скачивание первичного шлака и ввод ТШС, «Т» - замер температуры, «Х» - отбор пробы на химический состав, «Ф» - ввод ферросплавов для корректировки состава.

Назначение периодов миксирования в следующем. В первый период миксирования происходит окисление Si, Mn и Fe, в результате этих процессов шлакообразующая смесь насыщается соответствующими оксидами, начинается процесс шлакообразования. Второй период характеризуется наличием жидкоподвижного шлака, постепенным развитием реакций восстановления оксидов, всплытием неметаллических включений и удалением растворенных газов вследствие эффекта «барботажа» расплава пузырьками {СО}. При наличии жидкотекучего шлака углерод расходуется на восстановление марганца и железа по известным уравнениям:

            (FeO) + [С] ® {CO} + Feж, ∆GºFeO = -100,75 – 0,093T,                   

            (MnO) + [С] ® {CO} + [Mn], ∆GºMnO  = 270,94 – 0,17T,                 

Третий период необходим  для выравнивания химического состава  и температуры расплава перед  выпуском плавки. В результате поверхностно-активный углерод на границе раздела «металл-шлак»  в большей степени расходуется  не на восстановление SiO2 из шлака и  футеровки шлакового пояса печи, а на восстановление марганца и железа, что в массовом эквиваленте снижает  степень его окисления (Таблица №4).

Технология выплавки	Содержание элементов			Температура отбора пробы, 0С
	С	Si*	Mn
Экспериментальная	3,70	1,90	0,55	1400
	3,52	2,05	0,53	1450
Действующая	3,70	1,90	0,55	1400
	3,48	2,15	0,51	1550

   *«пригар» кремния

Таблица №4. - Окисление элементов в плавках различных технологий (% масс.)

Для кислых процессов при  температуре расплава выше 14000С характерно протекание тигельной реакции:

           (SiO2) + 2[С] ↔ [Si] + 2{CO}, ∆G ºSiО2 = -357,71 + 0,128T,              

Развитие реакции определяет конечное содержание углерода и кремния. Усреднение ванны по химическому  составу и температуре, а также  приведение основных химических взаимодействий в состояние близкое к динамическому  равновесию во время второго периода  миксирования обеспечивают нормальный ход процесса выплавки, выражающийся в снижении и стабилизации изменения концентраций основных элементов – C и Si (рис. 3 а, б). Увеличение корреляционной связи параметров «С - Si»  говорит о повышении воспроизводимости результатов Сср = f(Sicр) в экспериментальных плавках, что можно расценивать как увеличение эффективности управления технологическим процессом. Значительно больший прирост содержания Si в чугуне можно объяснить его восстановлением из футеровки печи, что подтверждается практикой: при форсированном режиме выплавки стойкость кислой футеровки не превышает 100 плавок, тогда как согласно паспортным данным, она должна составлять не менее 150 плавок.