Совершенствование технологии доменной плавки цинксодержащей шихты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Гостенин, Владимир Александрович

• Гостенин, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гостенин, Владимир Александрович

Введение.

1. Состояние вопроса.

1.1. Этапы изучения проблемы переработки цинксодержащего сырья в доменном процессе.

1.2. Исследования поведения цинка в доменных печах Магнитогорского металлургического комбината.

1.3. Базовый способ удаления цинка из доменной печи.

1.4. Задачи исследования.

2. Развитие новой концепции поведения цинка в доменной печи.

2.1. Определение вероятности образования жидкой фазы при окислении металлического цинка.

2.2. Оценка конденсирующей способности материалов доменной плавки.

3. Обоснование и разработка нових технологических приемов по уменьшению вредного воздействия цинка на доменный процесс.

3.1. Обоснование возможности удаление цинка из доменной печи с жидкими продуктами плавки.

3.1.1. Термохимия процессбв.восстановления цинка.

3.1.2. Анализ поведения цйй^ка'в нижней части доменной печи.".'.'.

3.1.3. Отбор проб расплавов из летки доменной печи.

3.1.4. Основы нового способа удаления цинка через летки доменной печи.

3.2. Разработка нового способа удаления цинка через колошник доменной печи.

4. Опытно-промышленные испытания и внедрение новой технологии удаления цинка из доменной печи.

4.1. Выбор гранулометрического состава материалов.

4.2. Опытно-промышленные испытания способа.

4.3. Резервы повышения эффективности нового способа «сухой» выдувки.

4.4. Технико-экономическая эффективность удаления цинка из доменной печи.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии доменной плавки цинксодержащей шихты»

По мере расходования запасов богатых и чистых по вредным примесям руд с конца 19 века в металлургический передел стали вовлекать также богатое по железу сырье, но с большим количеством примесей, в том числе цинка. Его присутствие сразу же сказалось на основной стадии передела - в доменном процессе. Непрерывная работа доменных печей в течении длительного периода, тепловые и термодинамические условия, характерные для доменного процесса, обусловливают то, что в рабочем пространстве печей цинк может находиться в разных формах агрегатного состояния: в виде пара, жидкости и твердом состоянии (металл и оксид). Поэтому цинк откладывается на футеровке печи, вступает в химическое взаимодействие с компонентами шихты, образует цинкитные настыли, искажающие профиль агрегата, способствует разрушению футеровки. Он оседает в порах кусков шихты и образует оксидные пленки на их поверхности, чем вовлекается в циркуляцию. Это приводит к тому, что в рабочем пространстве печей постоянно присутствует значительная масса цинка, на вынужденное поддержание циркуляции которого необходимо тратить дефицитный кокс.

Образование пленок оксида цинка на кусках железорудной части шихты замедляет косвенное восстановление и, как следствие, увеличивает прямое восстановление железа, что приводит к росту в первичных шлаках содержания РеО. Такое явление известно металлургам как нежелательное. Наличие трудновосстановимых вторичных соединений цинка, причем зачастую неравномерно распределенных в столбе шихты, ухудшает тепловую и химическую работу горна, приводит к колебаниям качества чугуна, неравномерности отработки расплавов металла и шлака и лруг'м известным негативным последствиям. Все это вызывает неустойчивость и расстройство хода п чей, снижение их производительности и перерасход кокса.

Со временем в переделе цинкосодержащего железорудного сырья возникла ощутимая проблема, связанная с необходимостью устранения вредных проявлений цинка при выплавке чугуна. Эта проблема стала общей практически для всех стран с развитой черной металлургией, в том числе и для России.

За длительный период ее существования предпринимались неоднократные попытки найти эффективные решения, снижающие воздействие цинка на доменный процесс. Предлагались конструктивные изменения отдельных элементов печей, вводились в шихту различные добавки, подбирался режим работы печи, обеспечивающий выход большей части поступающего в печь цинка (по балансу) через колошник, ряд технологических приемов, целью которых также было удаление цинка из печи.

При проплавке значительного объема цинксодержащего сырья, накапливались сотни тонн цинкосодержащих отходов передела - шламов газоочисток. Разрабатывались технологии обесцинкова-ния сырья и шламов с целью их утилизации. Однако удаление цинка при агломерации оказалось невыгодным, и технологии обес-цинкования шламов также оказались не экономичными. Решения вопроса ограничения поступления цинка в доменные печи России в ближайшей перспективе не ожидается.

До 80-х годов не было экономичных разработок, использование которых могло бы ослабить негативные последствия цинка непосредственно в доменном процессе. Основные причины этого в настоящее время уже сформулированы и они заключаются в следующем:

- во-первых, внимание исследователей обращалось, прежде всего, на цинк, который откладывался в виде настылей, а роль той его части, которая накапливалась в столбе шихтовых материалов, недооценивалась;

- во-вторых, несмотря на , большой объем фактической информации, не были вскрыты механизмы явлений, протекающих с цинком в доменной печи, которые способствуют образованию настылей и накоплению его в столбе шихтовых материалов;

- в третьих, первостепенное значение придавалось содержанию цинка в шихте, а значение других факторов, в первую очередь, режима работы доменной печи, значительной частью специалистов считалось второстепенным;

- в четвертых, не учитывались процессы теплообмена в шахте доменной печи, поскольку теория теплообмена получила признание только к началу 60-х годов, когда интерес исследователей к проблеме использования цинксодержащего сырья в доменное процессе угас.

В 1991 г. на Магнитогорском металлургическом комбинате (ОАО «ММК») совместно с Уральским институтом металлов (ГНЦ ОАО «УИМ») был начат новый комплекс исследований, целью которых было:

- оценка степени и характера накопления различных форм цинка в стогбе шихтовых материалов, в том числе вновь образованных в печи («вторичных»); выявление и описание механизмов явлений, протекающих с цинком е доменной печи, установление их доминирующих факторов;

- обоснование, разработка экономичных и технологичных технических решений, предназначенных для снижения вредного воздействия ^инка непосредственно в доменной печи.

В результате исследований, в том числе при выдувках доменных печей, как частичных, так и полных, был получен богатый объем информации, в значительной мере - новый.

Анализ полученной и существующей информации, результатов лабораторных исследований позволили сформулирозать основные позиции новой концепции поведения цинка в доменной печи, выявить механизмы явлений, протекающих с цинком в ее рабочем пространстве.

Был обоснован и разработан ряд технических решений, направленных на снижение вредного проявления цинка. Опытные испытания ряда новых предложений показали, что они достаточно эффективны и экономичны. Часть этих разработок внедрена в доменном цехе ОАО «ММК».

В данной работе рассматриваются новые технологические приемы, составившие два способа удаления цинка из доменной печи.

Один из способов (удаление цинка через колошник) является развитием разработанного ранее, согласно которому изменение характера порозности слоя обеспечивалось загрузкой кокса фракции +40 мм. Отличие их заключается в замене части кокса фракционированным шлаковым щебнем, что лишает его ряда недостатков, присущих базовому варианту и создает новые преимущества. Поэтому он рассматривается как самостоятельное техническое решение, защищен патентом РФ и внедрен в доменном цехе ОАО «МЙК».

Промышленное использование его на доменных печах обеспечивает улучшение технико-экономических показателей, что в денежном выражении эквивачентно 8-10 млн. рублей в год (в ценах 1998 г.). 7

Работа выполнена с участием Центральной лабораторий контроля и ОАО «УИМ» в доменном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Гостенин, Владимир Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложен механизм образования «рыхлых» пористых слоев цинкитных настылей в верхней части шахты, колошника и га* зоотводов, включающий возникновение жидкой фазы цинка при плавлении металлических его частиц за счет поглощения тепла реакции их окисления и последующего их налипания на твердую поверхность при растрескивании оксидной оболочки. Проявление его не зависит от прихода цинка с шихтой и определяется сочетанием тепловых и термодинамических условий в рабочем пространстве печи и газоотводов.

2. Проведена сравнительная оценка способности шихтовых материалов конденсировать пары цинка в верхней части шахты. Установлено, что коррекцией состава шихты и системы ее загрузки можно воздействовать на характер и степень накопления цинка в верхней зоне циркуляции. Предложен заменитель железорудных материалов при удалении цинка из доменной печи проведением «сухих» выдувок.

3. Разработан и запатентован способ удаления цинка с жидкими продуктами плавки. Он реализуется путем создания условий для уменьшения выноса цинка из горна в верхние горизонты печи и сохранения повышенной насыщенности им расплавов перед их выпуском.

Разработан и запатентован усовершенствованный способ эпизодического разрушения верхнего контура циркуляции цинка, что обеспечивается новым сочетанием параметров и технологических приемов. Он реализуется путем опускания уровня засыпи шихты с предварительным формированием в ней слоя с измененными газодинамическими свойствами из смеси кокса и шлакового щебня

104 фракции 10 - 70 мм. Загрузку этой смеси в домеьную печь производят по определенному режиму, конкретному для каждой печи.

При использовании нового технологического приема из верхнего контура циркуляции удаляется 10 - 35 % накопленного цинка. В зависимости от условий применения нового способа фактическое снижение удельного расхода кокса достигает 10-15 кг/т чугуна, повышение производительности печей - до 5 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гостенин, Владимир Александрович, 2000 год

1. Kahlhofer H., Send A. Stahl und Eisen, 1954, 74. P.1697-1713.

2. Kahlhofer H„ Send A., Himsel W. Stahl und Eisen, 1954, 74, P. 1714-1723.

3. Struve G. von. Neue Hutte, 1955-1956, 1. P.515-524.

4. Причины образования настылей в доменных печах ЧМЗ / А.П. Попов, Л.З. Ходак, А .Я. Попов // Сталь, 1953, № 1. С.313-321.

5. Logeling P. Circ. Inform, techn., 1953, 10. P.465-492.

6. Shesters J.H., Halliday J.M. D., Mackenzie J.J. Jron Steel Inst., 1948, 159. P.23-26.

7. Rigby G.J. Iron Sneel Inst., 1949, 161. P.295-300.

8. Холзаков B.M., Цылев A.M. Известия АН СССР, ОТН, 1958, №3. С.89-95.

9. Исследование настылей в доменной печи и их удаление путем взрывания / Я. Виллемс, Г. Хейнерт, Г. Кваде, В. Цишкале // Черные металлы, 1964, № 2. С.55-61.

10. Базилевич C.B. Исследование поведения цинка в доменной печи. Дис. канд техн. наук. Нижний Тагил, 1956. 180 с.

11. Базилевич C.B. Поведение цинка в доменных печах //Тр. НТО черней металлургии. Т. ХШ, ГОНТИ, М.: -1958. С.21-34.

12. Испытание углеродистой кладки шахт доменных печей / Ф.А. Хилькевич, Б.Л. Лазарев, C.B. Базилевич, В.К. Корнев // Сталь, 1960, № 5. С. J85-390.

13. Редько А.Н. Методы борьбы с вредным влиянием цинка // Сталь, 1947, №1. С 499-505.

14. Редько А.Н. Влияние цинка на срок службы доменной печи // Сталь, 1949, № 1. с 499-505.

15. Юшгн Ф.А. Настыли в газоотводах доменных печей // Ст?ль, 1965, № 2. С. 112-114.

16. Поведение цинка в доменных печах и его влияние на огнеупорную кладку / A.B. Горох, И.М. Галемин, Г.А. Комлев // Сталь, 1964, № 7. С 587-591.

17. Галемин И.М., Горох A.B. Настыли на колошнике доменных печей при плавке цинксодержащих руд // Сталь, 1961, № 12. С. 1062-1064.

18. О причинах ускоренного износа кладки и холодильников доменных печей ММК / H.JI. Жило, Р.Ф. Першина, JI.A. Белова // Сталь, 1977, №> 4. С 300-304.

19. Hartmann F. Stahl und Eisen, 1932, 131, 52, № 44.

20. Луговцев M.В., Сигов A.A. Борьба с вредным влиянием цинка на Кузнецком заводе // Сталь, 1947, № 7. С.593-595.

21. Бялый Л.Я., Котов А.П. Исследование процесса восстановления в шахте доменной печи при работе на комбинированном дутье // Сталь, 1966, № 12. С. 1075-1081.

22. Образование и устранение настылей в доменной печи при плавке цинксодержащих руд / Н.Д. Егоров, В.А. Костров, В.И. Со-лодков и др. // Металлург, 1985, № 5. С. 12-15.

23. Влияние цинка на шамотную кладку доменных печей / М.В. Луговцев, A.A. Сигов, И.В. Страшников // Сталь, 1945, № 6. С.195-202.

24. Osann В. Stahl und Eisen, 1907, 301,27, № 45.

25. Ясаки Минору. О минералогическом составе и образовании настылей в доменной печи. Сер. 15, Металлургия: РЖ.-1970, P.6B97.

26. Жеребин Б.Н. Практика да^дения дленной печи // -М.: Металлургия, 1980.248 с.

27. Ямаока И. Циркулящ.я цинка в доменной печи. Сер. 15, Металлургия: РЖ.-1979, p. 6В275.

28. Стек Р. и др. Баланс цинка в доменной печи. Сер. 15, Металлургия* РЖ.-1978, p. 4В196.ф

29. Mukai Kouichi. Изучение и механизма образования настылей в нижней части доменных печей. Сер. 15, Металлургия: 1984, р.5В223.

30. Цинк и свинец в доменной печи / А. Майерова и др. // Hutnicke 1 isty, 1987, №5. С.309-314.

31. Пашке М. Архив доменного производства // 1927, № 6. С.337-402.

32. Восстановление оксидов цинка / JI. фон Богданди, Э.Клэр // верные металлы, 1962, 26. С.30-38.

33. Проблема цинка в доменном производстве / В.В. Капорулин, Г.И. Урбанович, Е.В. Невмержицкий и др. // Сталь, 1984, №11. С.9-15.

34. Поведение цинка и щелочей в доменных печах / В.А. Костров, А.П. Котов, Л.Л. Левин и др. // Металлург, 1985, № 8. С.36-39.

35. О поведении цинка в доменной печи / В.А. Костров, В.И. Со-лодков, А.П. Котов // Сталь, 1980, № 8. С.659-663.

36. М. Schneider. Результаты работы Лотарингских доменных печей после внедрения средств контроля. Сер. 15, Металлургия: РЖ -1984, Р.5В223.

37. Reduction eguilibria of Zink oxiede and carbon monoxide / E.C. Truesdale, R.K. Warning / J.Am. Chem. Soc., 1941, 63. C. 1610.

38. Поведение цинка в доменной печи / Ю.П. Щукин, В.И. Глады-шев, А.П. Пухов и др. // Сталь, 1985, № 1. С. 12-16.

39. Доменные плавки, с использованием цинксидержащих ши^т / Ю.П. Щукин, С.К. Носов, В.А. Гостенин и др // Металлург, 1997,№ 12.С 20.

40. Опытная плавке чугуна марки ПВК / H.H. Бабарыкин, В.А. Гостенин, С.П. Рогожников й др. // Сталь, 1992, №7. С. 18-20.

41. Количество цинка, циркулирующего в печи / Л.Я. Бялый, Ь.И. Райх, К.К. Шкодин и др. // Сталь, 1988, № 11. С. 53-57.

42. Механизм циркуляции цинка в доменной печи / Ю.П. Щукин, В.П. Гладышев, Н.С. Антипов и др.- // Сталь, 1986, № 9. С. 8-14.

43. Механизм поведения цинка в доменной печи при плавке чугуна / Ю.П. Щукин, В.И. Гладышев, Г.И. Урбанович и д^. // Симп. по кинетике, термодинамике и механизмам процесса восстановления // Тез. докл., ч. II, Москва, 1986. С 33-34.

44. Работа доменных печей HJIMK при уменьшении прихода цинка ё шихтой / Н.С. Антипов, Б.Ф. Чернобривец, Ю.П. Щукин и др. // Сталь, 1987, № 6. С.11-14.

45. Связь балансов цинка с режимом работы доменных печей / Ю.П. Щукин, В.И. Гладышев, Б.Ф. Чернобривец и др. // Сталь, 1988, №11. С. 57-61.

46. Влияние различных факторов на поведение цинка в доменной печи / Ю.П. Щукин, В.В. Капорулин, B.C. Новиков и др. // Сталь, 1991, № 2. С. 5-9.

47. Основные закономерности поведения цинка в домекчых печах / Ю.П. Щукин, B.C. Новиков, Б.А. Марсуверский и др. // Сталь, 1992, № 2. С. 5-9.

48. Поведение цинка в доменных печах НТМК / Ю.П. Щукин, Б.А. Марсуверский, Б.П. Рыбаков и др. // Сталь, 1992, № 3. С. 8-12.

49. О связи образования : инкитных настылей с технологией доменной плавки / Ю.П. Щукин, B.C. Новиков, В.И. Сединкин и др. II Сталь, 1994, № 4. С. 13-15.

50. Результаты опытно-промышленных испытаний новых способов удаления цинка из доменных печей ММК / Ю.П. Щукин, В.И. Сединкин, А.Д. Никаноров, И.Е. Косаченко, В.А. Гостенин и др. // Тез. докл., III Международный конгресс доменщиков. Новокузнецк, 1995г.

51. Wenzel W. Циркуляция веществ в доменной печи. Сер. 15, Металлургия: РЖ.-1979, P.9B188.

52. Результаты внедрения новой технологии удаления цинка из доменной печи / Ю.П. Щукин, В.И. Сединкин, B.C. Новиков, В.А. Гостенин и др. // Сталь, 1997, № 3. С 11-13.

53. Доменные плавки с использованием цинксодержащих шихт / Ю.П. Щукин В.И. Сединкин, В.А. Гостенин и др. // Металлург, 1997, № 12. С. 20.

54. О влиянии режима отработки продуктов плавки на параметры доменного процесса и накопление цинка в доменной печи / Ю.П. Щукин, В.В. Филиппов, B.C. Рудин и др. // Сталь, 1998, № 6. С. 3-6.

55. Пат. № 1822412 RU. МКИ С 21 В 5/00. Способ доменной плавки железорудных шихт / Ю.П. Щукин, A.A. Дерябин, В.В. Филиппов и др. (RU). 4886069-02; заявляй© 02.11.90, опубл. 15.06.93. Bkwí. № -22.

56. Пат. № 1827103 RU. МКИ С 21 В 5/00. Способ доменной плавки / Ю.П. Щукин, A.A. Дерябин, В.В. Филиппов и др.(ЬШ). -494768-02; заявлено 27.05.91, опубл. 15.06.93. Бюл. № 11.

57. Пат. № 2025491 RU, МКИ С21В 5/00. Способ доменной плавки цинкосодержащей шихты / Ю.П. Щукин, A.A. Дерябин, В.И. Се-динкин и др. (RU).-5038791-02; заявлено 20.04.92, опубл. 30.12.94, Бюл. № 24. С.6.

58. Пат. № 2058394 RU, МКИ С21В 5/00. Способ доменной плавки цинкосодержащих шихт / Ю.П. Щукин, B.C. Новиков, В.И. Се-динкин и др. (RU).-5049381-02; заявлено 23.06.92, опубл. 20.04.96, Бюл. № 11. С.12.

59. Пат. № 2058393 RU, МКИ С21В 5/00. Способ доменной плавки железорудных шихт / Ю.П. Щукин, A.A. Дерябин, В.И. Сединкин и др. (RU).-5038792-02; заявлено 20.04.92, опубл. 20.04.94, Бюл. №11. С. 10.

60. Пат. № 2078830 RU, МКИ С21В 5/00. Способ доменной плавки цинкосодержащих железорудных материалов / Ю.П. Щукин, B.C. Новиков, В.И. Сединкин и др. (RU).-5049379-02; заявлено 23.06.92, опубл. 10.05.97, Бюл. № 13. С.6.

61. Пат. № 2074893 RU, МКИ С21В 5/00. Способ доменной плавки цинкосодержащих шихт / М.И. Аршанский, В.А. Гостенин, С.К. Носов, Ю.П. Щукин и др. (RU).-96115130-02; заявлено 13.08.96, опубл. 10.03.97, Бюл. № 7. С.11.

62. Изменение состава и свойств чугуна в процессе транспортировки/ В.А. Чудинов, М.Н. Курбацкий, В.А. Гостенин и др. Н Металлург,1986, №3. С. 20-21.

63. Доменные плавки с использованием цинкосодержащей щихты/ Ю.П. Щукин, В.А. Гостенин, В.Ф. Сарычев и др. // Металлург, 1997, № 12. С. 20.

64. Оценка влияния качк нарского железорудного сырья на показатели плавки/ В.И. Сединкин, B.JI. Терентьев, В.А. Гостенин и др. // Сталь, 1997, №9. С. 11-13.

65. Taguchi Seiji и др. Поведение щелочей и цинка в доменной печи. Сер.15, Металлургия: РЖ.-1983, р.4В236.

66. Debor D. и др. Поведение цинка в доменных печах. Сер. 15, Металлургия: РЖ. 1982, P.4B182.

67. Чижиков Д.М. Металлургия тяжелых цветных металлов. АН СССР. М.-Л., 1948. 780 с.

68. Погорелый А.Д. Теория металлургических процессов. М.; Металлургия, 1971. 504 с.

69. Краткий химический справочник. / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. Под ред. В.А. Рабиновича.- 2-е изд.,-Л., Химия, 1978. 205с.

70. Теплотехни"а доменного процесса / Б.И. Китаев, Ю.Г. Яро-шенко, Е.Л. Суханов и др. // М., Металлургия, 1978. 248 с.

71. Металлургические расчеты. / В.Г. Агеенков, Я.Я. Михин // М., ГОНТИ, 1962. 207 с.

72. Сединкин В.Pi. Накопление цинка в доменной печи и разработка технологии его удаления. Дис.: канд.техн.наук, Магнитогорск, 1998. 137 с.

73. Совершенствование технологии доменной плавки с целью уменьшения отрицательного воздействия щелочей и цинка / О.Ф.

74. Коряко^а, B.B. Щепанский, A.B. Парцеьский 11 Бю.^п. ЦНИИИЧМ, 1981, № 15. С.13-22.

75. Исследование образования настылей в доменных печах / Г. Ди-мерс, З.И. Хенкел-> и др. // Черные металлы, 1965, 85.20. С.1240-1247.

76. Восстановление, теплообмен и гидродинамика в доменном процессе / С.А. Шаврин, С.Д. Абрамов и др. // Сб. науч. трудов ИМ УФАН СССР, вып.24, Свердловск, 1970. 193с.

77. Расчеты теплового режима твердых тел / А.И. Пехович, В.М. Жидких // Л.: Энергия, 1976. 352 с.

78. Теплофизические свойства топльз и шихтовых материалов черной металлургии / В.М. Бабошин, Е.А. Кричевцов, В.М. Абзаловги др. // Спр. М.: Металлургия, 1982. 152 с.

79. Reduction equilibria of zink oxicle and carbon monoxide / Majer С.Ct.,Ralston O.C. // J.amer.Chem.Soc., 1926, 48. C.564-374.

80. Пат. № 57-53404 Яп. МКИ C21B 5/00. Способ ведения доменной плавки / Син-Ниппон, К.К. Сэйтэцу (Яп.). 54-21337. Заявлено2702.79, опубл. 12.11.82, № 3-1336.

81. Пат. № 57-48603 Яп. МКИ С21В 5/00. Способ ведения доменной плавки /Син-Ниппон, К.К. Сэйтэцу (Яп.). 55-17869. Заявлено1802.80, опубл. 16.10.82, № 3-1216.

82. Пат. № 57-53402 Яп. МКИ С21В 5/00. Способ удаления настыли со стенок доменной печи / Син-Ниппон, К.К. Сэйтэцу (Яп.). 54-21Д35. Заявлено 27.02.79, опубл. 12.11.82, № 3-1336.

83. Пат. № 57-14725 Яп. МКИ С21В 7/00. Способ удаления настылей во время ее работы / Син-Ниппон, К.К. Сэйтэцу (Яп.). -52-100740. Заявлено 23.08.77, опубл. 26.03.82, № 3-339.