Оценка эффективности вдувания в горн вагранки дисперсных высокоосновных и железосодержащих отходов производства

д. т.н., профессор

к. т.н. доцент

Камская государственная инженерно-экономическая академия

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВДУВАНИЯ В ГОРН ВАГРАНКИ

ДИСПЕРСНЫХ ВЫСОКООСНОВНЫХ И ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ

ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА.

ЧАСТЬ 1(2)

В практике ваграночного производства литейного чугуна в качестве основного флюса широко используется сырой известняк, загружаемый сверху. Недостатком в применении этого материала является высокое значение отрицательной величины теплового эквивалента. Установлено, что из всех применяемых в плавке материалов сырой известняк обладает наименьшим тепловым эквивалентом (-3,27 МДж/кг). Это обусловлено большим полезным расходом тепла (2,55 МДж/кг), главными статьями которого являются разложение карбоната кальция и его углекислоты. На компенсацию большого отрицательного эквивалента сырого известняка требуется расходование кокса в количестве 3,27/12,46 = 0,262 кг/кг сырого известняка. Эта проблема усугубляется при работе на высокоосновных шлаках с целью выплавки низкосернистого чугуна, пригодного для получения в нем компактных форм графитных включений. Эффективным решением обсуждаемой проблемы может быть переход на технологию вдувания порошкообразных высокоосновных материалов, свободных от карбонатных солей кальция и магния [1]. На указанных выше заводах Донбасса были проведены опытные ваграночные плавки с вдуванием в горн через фурмы измельченного высокоосновного металлургического шлака в качестве заменителя сырого известняка, загружаемого сверху, и порошкообразной извести. Металлургический шлак имел следующий состав, % (мас.):

Fe2O3	FeO	Feмет	MnO	P2O5	SO3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
5,0	15,0	2,0	7,5	2,0	0,5	13,8	0,5	51,7	2,0

Результаты опытных ваграночных плавок представлены в табл. 1.

Такое мероприятие приводит к получению положительных результатов, основанных на экономии тепла, затрачиваемого на диссоциацию карбонатных солей известняка и реакцию восстановления части углекислоты раскаленным коксом, который притом экономится, а также на уменьшении потерь тепла с отходящими газами. Но есть и отрицательная сторона, которая заключается в дефиците тепла, обусловленном вдуванием в горн холодного материала.

Таблица 1

Технические показатели ваграночного процесса

при вдувании в горн пылетвердых заменителей кускового известняка (ТЭТЗ г. Торез)

	Показатели	Периоды
		Базо­вый	Опытные
		1	2
	1.	Производительность, т/час	3,794	4,050	4,350
	2.	Расход кокса, кг/кг чугуна	0,1285	0,1183	0,1132
	3.	Расход флюса, кг/кг чугуна
		Кусковый известняк	0,0345	–	–
порошок	металлургический шлак	–	0,0399	–
известь	–	–	0,0225
	4.	Удельный расход воздуха, нм3/(м2×мин.)	117	115	119
	5.	Температура колошникового газа, К	657	623	619
	6.	Состав сухого колошникового газа,%
		СО2	12,2	12,3	13,0
		СО	16,9	14,8	15,4
	7.	Температура на желобе, К
		чугуна	1651	1643	1655
		шлака	1705	1700	1708
	8.	Состав шлака, % (мас.)
		Fe2O3	0,12	0,22	0,31
		FeO	22,17	21,52	21,34
		MnO	3,24	3,62	4,49
		SiO2	38,46	39,01	38,56
		Al2O3	16,92	15,54	15,74
		CaO	18,22	19,07	18,65
		MgO	0,45	0,75	0,56
		0,5×S	0,42	0,27	0,35
	9.	Основность шлака,	0,49	0,51	0,50

Для условий базового периода ваграночной плавки (табл. 1) были рассчитаны характеристики вдуваемых порошкообразных заменителей кускового известняка, загружаемого сверху, и аналогичные характеристики последнего, которые представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнение материальных и тепловых характеристик

сырого известняка и вдуваемых порошкообразных заменителей

Наименование характеристики	Сырой известняк	Известь	Металлургический шлак
1.	Выход чугуна, е, кг/кг материала	0,0005	0,0009	0,0209
2.	Выход шлака, u, кг/кг материала	0,5679	0,9967	0,9757
3.	Содержание свободных оснований, RO, кг/кг материала	0,5332	0,9358	0,4780
4.	Количество углерода кокса, окисляемое кислородом материала, Cd, кг/кг материала	0,0597	0,0018	0,0023
5.	Количество углерода кокса, окисляемое кислородом дутья, Сф­, кг/кг материала	0,0597	0,0018	0,0027
6.	Полезный расход тепла, Q0, МДж/кг материала	2,52	1,70	1,96
7.	Тепловой эквивалент, , МДж/кг материала	-2,9	-1,70	-1,96

Анализ приведенных в указанной таблице расчетных данных позволяет сделать вывод о том, что положительные стороны замены сырого известняка вдуваемыми порошкообразными заменителями с лихвой перекрывают отрицательную. Полезный расход тепла у сырого известняка (2,52 МДж/кг) значительно превышает аналогичную тепловую характеристику порошкообразных заменителей: извести (1,70 МДж/кг) и металлургического шлака (1,96 МДж/кг). В соответствии с этим и тепловые эквиваленты у порошкообразных заменителей значительно выше по сравнению с сырым известняком. Это создает предпосылки для экономии кокса при выводе сырого известняка из шихты и замене его вдуваемыми порошкообразными высокоосновными материалами. Исходя из содержаний свободных оснований, вывод из шихты 1кг сырого известняка сопровождается вдуванием порошкообразных заменителей: извести в количестве кг и металлургического шлака в количестве кг. Поэтому их тепловые эквиваленты в расчете на 1кг выводимого из шихты сырого известняка составят: МДж/кг; МДж/кг.

Экономия кокса состоит из его количеств, обусловленных разницей тепловых эквивалентов сырого известняка и порошкообразных высокоосновных его заменителей, уменьшением расхода кокса в редукционной зоне на восстановление части углекислоты, выделяющейся при разложении сырого известняка, и сокращением затрат тепла на эту реакцию:

. (1)

Расчет по формуле (1) привел к значению экономии кокса при выводе из шихты 1кг сырого известняка, равной 0,42 кг при замене его порошкообразной известью и 0,28 кг при замене металлургическим шлаком. Полученные расчетные результаты хорошо согласуются с опытными данными (табл. 1). Достигнутая экономия кокса в опытных периодах по сравнению с базовым при сохранении температуры жидких продуктов плавки на одинаковом уровне составила 0,0153 кг/кг чугуна при замене сырого известняка вдуваемой порошкообразной известью и 0,0102 кг/кг чугуна при замене вдуваемым металлургическим шлаком. Соответствующие показатели, определенные расчетным путем, равны 0,0145 кг/кг чугуна и 0,0097 кг/кг чугуна. При проведении опытных ваграночных плавок в вдуванием в горн порошкообразных высокоосновных материалов, заменяющих кусковый известняк, загружаемый сверху, отмечалось улучшение процесса шлакообразования и реализовывалась возможность оперативной корректировки основности шлака.

Формирование чугуна в ваграночном процессе происходит за счет загружаемых сверху кусковых металлических компонентов шихты, которые в основном определяют состав выплавляемого чугуна. В ваграночной шихте используются компактные отходы машиностроительного комплекса в виде литников, скрапа, брака отливок, чугунного и стального лома. Однако, в ходе производственной деятельности образуются многочисленные виды дисперсных железосодержащих отходов, которые либо вовсе не используются, либо их применение крайне неэффективно [2-4]. Это связано как с дополнительными мероприятиями по их подготовке, так и малой долей извлечения железа и других элементов в литейный сплав. Обсуждаемые дисперсные отходы производства содержат железо как в металлической форме, так и в окисленной. В любом случае для наиболее полного извлечения железа в литейный чугун необходима восстановительная среда.

В настоящей работе рассматривается вариант эффективного использования дисперсных железосодержащих отходов производства путем вдувания их ниже уровня фурм шахтной печи газонесущей средой, обладающей восстановительным потенциалом по отношению к оксидам железа [5]. Такая организация процесса создает зону, расположенную ниже уровня воздушных фурм, где возможно восстановление оксидов металлов и образование жидких продуктов из дисперсных отходов с разделением их на две фазы: металлическую и шлаковую [6]. Кроме того, следует отметить как положительный фактор отсутствие подготовительных операций, производимых над дисперсными отходами. Газовая среда, в которой восстановительный потенциал оказался неисчерпанным за счет окисления оксидами металлов, поднимаясь до уровня фурм, сгорает и отдает тепловую энергию ваграночному процессу.

Рассмотрим эффективность вдувания бигхаузной пыли в потоке природного газа, соотношение между которыми возьмем таким, чтобы на один нм газа приходился 1 кг пыли. Такая концентрация пылегазовой смеси вполне приемлема, так как она укладывается в норму устойчивой работы пневмотранспорта, верхний предел которой равен 5 кг/нм. Ниже приводятся составы бигхаузной пыли и природного газа.

Бигхаузная пыль, % (мас.)

FeO	Fe2O3	Feобщ	MnO	NiO	Cr2O3	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	C
13,0	59,3	51,6	3,0	0,2	0,2	14,8	1,5	2,5	4,0	1,5

Природный газ, % (объемн.)

98,1	0,3	0,2	0,1	0,7	0,6

При попадании пылегазовой смеси в нижнюю часть шахтной печи происходит восстановительный процесс, обуславливающий переход в газовую фазу кислорода оксидов. Его количество (кг/нм) складывается из следующих составляющих:

1) при восстановлении оксидов железа до FeO: 0,1002×Fe2O3 = 0,1002×0,593 = 0,0594;

2) при восстановлении NiO до металла: 0,2135×NiO = 0,2135×0,002 = 0,0004;

3) при восстановлении FeO до Fe (принимается, что 0,1% Feобщ бигхаузной пыли переходит в шлак в виде FeO): 0,999×0,2865×Feобщ = 0,1477;

4) при восстановлении MnO до Mn (принимается, что 30% марганца бигхаузной пыли переходит в шлак в виде MnO): 0,7×0,2255×MnO = 0,0047;

5) при восстановлении Cr2O3 до Cr (принимается, что 5% Cr бигхаузной пыли переходит в шлак в виде Cr2O3): 0,95×0,3153×Cr2O3 = 0,0006;

6) при восстановлении SiO2 до Si: hSi×0,532× SiO2 = 0,15×0,532×0,148 = 0,0118;

7) при восстановлении углекислоты природного газа: 0,7143×= 0,7143×0,007 = 0,0050.

Количество газифицируемого кислорода равно OГ = 0,2296 кг/нм3. В газовой фазе он находится в виде оксида углерода, на образование которого затрачивается кг углерода пылегазовой смеси. Кроме того, природный газ обладает свойством науглероживать восстановленное железо. Соответствующий показатель принимаем равным на уровне 0,04 кг углерода на 1 кг железа.

Выход чугуна из 1 нм3 природного газа, содержащего 1 кг бигхаузной пыли, определится следующим образом, кг/нм3:

1) 0,999×Feобщ = 0,999×0,516 = 0,5155;

2) 0,785×NiO = 0,785×0,002 = 0,0016;

3) 0,7×0,774×MnO = 0,7×0,774×0,03 = 0,0163;

4) 0,95×0,684×Cr2O3 = 0,95×0,684×0,002 = 0,0013;

5) hSi×0,4667×SiO2 = 0,15×0,4667×0,148 = 0,0104;

6) 0,04×0,999×Feобщ = 0,04×0,5155 = 0,0206;

е = 0,5657.

Литература:

1.  Об эффективности замены в ваграночном процессе сырого известняка порошкообразной известью // Литейное производство. – 1984. - № 5. – С. 36.

2.  О работе Международной комиссии «Защита окружающей среды от отходов литейного производства» // Литейное производство. – 1985. - № 5. – С. 37-38.

3.  , Чехов окружающей среды и использование отходов промышленности. - Днепропетровск: Проминь, 1979. – 173 с.

4.  , , Каменский как потенциальные источники сырья для металлургии // Известия вузов. Чёрная металлургия. – 1997.- № 11. – С. 71-72.

5.  Сафронов вдувания железосодержащих дисперсных отходов производства в горн вагранки // Рукопись деп. в ВИНИТИ № 000 – В 95, 1995. БУ ВИНИТИ «Депонированные научные работы». – 1995. - № 12. – 11 с.

6.  Патент 2138661 РФ, МПК 6 С 21 С 1/08. Способ получения чугуна в вагранке / (РФ). - № ; Заявл. 30.06.95; Опубл. 27.09.99, Бюл. № 27.