Защита футеровки горна доменной печи добавлением TiO2

Защита футеровки горна доменной печи добавлением TiO2

Большое беспокойство вызывает кампания продления срока службы доменной печи (ДП). Необходимость продления кампании БФ общеизвестна. Улучшение срока службы кампании должно быть достигнуто при сохранении высокой производительности для снижения удельных капитальных затрат. Огнеупорная футеровка горна доменной печи является наиболее важной и сильно влияет на срок службы доменной печи. На самом деле, это один из важнейших факторов, ограничивающих жизнь кампании БФ. Износ огнеупоров горна является серьезной проблемой для операторов доменных печей, так как его влияние на срок службы доменной печи максимально.

Горн является наиболее подверженной воздействию зоны в доменной печи из-за химического воздействия, растворения угольных блоков, потоков шлака и чугуна (ТМ) и термических напряжений. Наиболее критической зоной является переходная зона между стенкой печи и дном пода. Ресурс доменной печи обычно определяется эрозией огнеупоров стен горна. Помимо правильной конструкции футеровки крайне важно свести к минимуму эрозию стенок горна. Следовательно, методы, позволяющие продлить срок службы горна и стенок доменной печи без остановки производства, представляют значительный экономический и технический интерес.

Абразивное и эрозионное воздействие на горн доменной печи обусловлено различными условиями, а именно (i) высокими температурами окружающей среды, (ii) непрерывным движением жидких продуктов плавки, (iii) химической активностью продуктов, (iv) давлением и химическими активность газов и (v) попадание влаги в топку доменной печи. Основными причинами износа огнеупоров горна доменной печи являются (i) высокая производительность печи, (ii) частота длительных остановов печи (более 2 суток), (iii) утечка воды из системы водяного охлаждения печи и (iv) качество шихтовых материалов

Существует несколько мер по уменьшению эрозии горна доменной печи, которые включают (i) снижение производительности доменной печи, (ii) снижение скорости нагнетания угля, (iii) цементирование набивной массы между клепками и угольными блоками, (iv) временное закупоривание фурм, (v) увеличение скорости охлаждения стенки и (vi) добавление материалов, содержащих TiO2 (оксид титана). Увеличение срока службы футеровки горна доменной печи путем добавления соединений, содержащих TiO2, является наиболее распространенным методом. TiO2 обеспечивает защиту футеровки доменной печи от преждевременной эрозии.

Наиболее часто TiO2-содержащим материалом, подаваемым в доменную печь через колошник, является ильменитовая руда, являющаяся естественным источником Ti. Эта руда встречается в виде титаномагнетита (Fe,Ti)3O4 или FeTiO3 и представляет собой механическую смесь ильменита с минералами железа (магнетит и частично гематит). Типичный состав ильменита:TiO2 – 33 %, Fe2O3 – менее 36 %, SiO2 – менее 25 %, Al2O3 – менее 8 %, MgO – менее 5 %, влага – 6 %. Размер руды колеблется от 10 мм до 40 мм. Другой способ загрузки материалов, содержащих TiO2, в доменную печь вместе с шихтой сверху — через агломерат, гранулы или синтетические материалы, содержащие TiO2.

Существующий технологический прием снижения износа и ремонта поврежденных участков горна заключается в вводе ильменита, который образует химически и термически устойчивые карбонитриды титана Ti(C,N). Эти соединения накапливаются преимущественно в местах повреждения и имеют эффект так называемого «горячего ремонта». На рис. 1 показаны отложения Ti(C,N) в горне доменной печи.

Рис. 1. Отложение карбонитридов титана в горне доменной печи

Установлено, что использование соответствующего количества материалов, содержащих титан (Ti), в доменной печи является эффективным способом защиты стенки горна. Считается, что добавление материалов, содержащих титан, способствует образованию защитного слоя, так называемого «титанового медведя», на огнеупорном кирпиче. «Титановый медведь» представляет собой осадок карбида, нитрида и карбонитрида Ti, который может образовываться в зоне горна доменной печи, если в сырье присутствует TiO2. На вкладке 1 показаны некоторые важные характерные свойства соединений TiN и TiC.

<тд 89"> <тд 116">29 <тд 109">38 <тд 89"> <тд 116">9 <тд 109">9 <тд 89"> <тд 89"> <тд 116">0,4305-0,4327 <тд 109">0,4323-0,4342 <тд 109">260 <тд 116">7 <тд 109">3

Вкладка 1 Свойства карбида и нитрида титана
Сл. №	Свойство	Единица	TiC	TiN
1	Цвет	Серый металлик	Цвет меди
2	Плотность	г/см	4,93	5.4
3	Точка плавления	градусы Цельсия	3 157	2950
4	Теплопроводность	Вт/(м·К)
5	Твердость (по шкале Мооса)
6	Твердость (Кнуп)	2470	1800
7	Растворимость в горячем металле (1400°C)	%	Менее 0,01	Менее 0,01
8	Тип кристалла	Гранецентрированный куб	Гранецентрированная кубическая
9	Расстояние между решетками	нм
10	Коэффициент расширения при температуре от 25°C до 100°C	(10)-6          1/K	7.3	7.3
11	Модуль упругости	GN/куб.	320
12	Удельное электрическое сопротивление	(10)-5 Вт.куб

Эта цель добавления материалов, содержащих титан, основана на создании высокотемпературных и износостойких соединений Ti(C,N), которые проявляют зависящую от температуры растворимость в ТМ. При достижении предела растворимости из-за понижения температуры, что имеет место в местах повреждения в очаге из-за повышенного теплового потока и потери тепла наружу, соответствующие соединения Ti(C,N) выпадают в осадок. из ТМ и откладывается в наиболее поврежденных зонах огнеупоров с присущим им «эффектом горячего ремонта».

Двумя распространенными подходами к добавлению TiO2 в доменную печь являются (i) превентивный подход и (ii) корректирующий подход. При восстановительном подходе TiO2 загружают на регулярной основе для создания и поддержания защитного слоя осадка Ti(C,N) на горне доменной печи. При восстановительном подходе относительно большие количества TiO2 загружаются, когда температура горна превышает критический уровень. Эти большие количества добавляют до тех пор, пока температура пода не стабилизируется на приемлемом уровне. На вкладке 2 приведены типичные параметры при добавлении TiO2 в доменную печь во время этих двух подходов.

<тд 105">3-5 <тд 98">5-20 <тд 98">1,0 – 1,5 <тд 98">1,5 – 3,0

Вкладка 1 Типичные параметры при добавлении TiO2 в доменную печь
Серийный №	Тема	Единица	Меры предосторожности	Меры по исправлению положения
1	Зарядка агрегатов TiO2	кг/тHM
2	Концентрация Ti в ТМ	%	0,05 – 0,1
3	Концентрация TiO2 в шлаке	%	1,0 – 1,5

Механизм химических реакций TiO2

Ильменит – это природная руда, состоящая из титанатов железа (Fe,Ti)3O4 или FeTiO3. Сначала его необходимо разложить в доменной печи на FeO и TiO2 посредством подачи энергии (расход кокса от 3 кг/т до 10 кг/т ильменита), прежде чем может произойти образование соединений Ti (C,N).

Три основных технических механизма в случае добавления соединения, содержащего TiO2, в доменную печь:(i) термодинамические расчеты показывают, что TiO2 находится в равновесии с Ti(C,N) в шлаке на уровне фурмы, когда концентрация TiO2 в шлаке составляет около 1,2 %, (ii) при концентрациях более 1,2 % TiO2 восстанавливается и осаждается в виде Ti(C,N), (iii) из-за увеличения вязкости жидкого шлака и максимального уровня TiO2 в шлаке и максимальной концентрации Ti в ТМ должны контролироваться с соответствующими верхними пределами уровня TiO2 в шлаке, равным 3 %, и максимальной концентрацией Ti в ТМ, равной 0,3 %, и (iv) более высокому разделению Ti/TiO2 способствуют более высокие уровни Si в ТМ. и более высокая основность шлака.

Процесс осаждения Ti(C,N) представляет собой пограничную реакцию. Необходимо, чтобы уровни Ti повышались через границу раздела шлак/твердометаллический металл, чтобы обеспечить эффективную реакцию источников Ti. Следовательно, выгодно как можно скорее получить мелкодисперсные капли Ti с большим количеством и большой удельной площадью. Было доказано, что мелкодисперсные капли Ti особенно благоприятны для образования большого количества Ti(C,N). Крупные кристаллы Ti(C,N) на блоках C в очаге можно отнести к инфильтрационной концентрации на поверхности огнеупорного материала. Это накопление приводит к ускоренному росту кристаллов и, таким образом, к стабилизации отложений.

Ti-содержащие материалы, загружаемые в доменную печь, восстанавливаются только прямым восстановлением, как показано в уравнении TiO2 + 2 C =Ti + 2 CO; Н =169773 Ккал/моль. Образование карбонитридов контролируется процессом диффузии и, следовательно, требует больше времени. Ti после восстановления из TiO2 осаждается в ТМ и реагирует с углеродом и азотом с образованием Ti(C,N), который образует защитный слой на очаге. Успешное формирование защитного слоя на эродированных участках футеровки горна во многом зависит от расхода и теплообмена ТМ и, следовательно, от условий работы печи. Кроме того, необходимое количество материала, содержащего TiO2, должно быть достаточным для формирования защитного слоя, но в то же время должно быть сведено к минимуму, поскольку избыточное количество оказывает неблагоприятное воздействие на последующую обработку ТМ и шлака. Механизм образования износа Ti(C,N) описан ниже.

Металлическое железо необходимо в качестве катализатора для превращения TiO2 в Ti(C,N). При добавлении TiO2 в ДП он растворяется в шлаковой фазе и восстанавливается до металлического Ti под действием кремния или углерода на границе раздела фаз ТМ и шлака в соответствии с уравнениями (i) TiO2 + C =Ti + CO2 и/или (ii) TiO2 + Si =Ti + SiO2. Образовавшийся Ti затем немедленно растворяется (из-за его высокой растворимости) в ТМ. Ti, находящийся в обогащенных ТМ, транспортируется потоком ТМ в поврежденные зоны горна. Растворенный металлический Ti реагирует с C и N, растворенными в ТМ, с образованием соединений Ti(C,N) в соответствии с уравнением xTi + yC, zN =TiN, TiC и Ti(C,N). Соединения Ti(C,N) осаждаются в местах с более низкими температурами (зоны с высоким тепловым потоком), когда растворимость Ti(C,N) в ТМ низкая. На рис. 2 представлена ​​визуализация механизма образования защитного слоя Ti(C,N) в горне доменной печи. И кусок защитного слоя Ti(C,N) на горне, снятом с доменной печи после ее остановки для перефутеровки.

Рис. 2. Защита топки доменной печи TiO2

Факторы, влияющие на равновесие [Ti]/[TiO2] при работе доменной печи, включают (i) температуру горна, (ii) основность шлака и (iii) уровни кремния в ТМ. Типичные взаимосвязи между температурой и загрузкой TiO2 при различном равновесии Ti/TiO2 и высокомолекулярного кремния показаны на рис. 3. Ti(C,N), имеющий температуру плавления 2959°C, осаждается на дне и стенках горна. Осажденные отложения с течением времени защищают внутреннюю поверхность футеровки горна и помогают продлить срок службы доменной печи. Это было доказано большими отложениями Ti(C,N), обнаруженными в саламандрах взорванных БС.

Рис. 3. Взаимосвязь между температурой пода и загрузкой титана при различном равновесии Ti/TiO2 и уровнях кремния HM

Способ загрузки TiO2 в доменную печь

Соединения, содержащие TiO2, могут добавляться в доменную печь вместе с шихтовыми материалами сверху или могут вводиться в доменную печь через несколько фурм. В случае материалов, содержащих TiO2, загружаемых вместе с шихтой сверху, распределение происходит по всей длине шахты и, как следствие, происходит задержка реакции. В результате загружаемые количества превышают фактически необходимые, что ухудшает качество шлака и случайные отложения в шахте (неактивная шихта). В норме Ti равномерно распределен по всему сечению БВ. Однако Ti необходим только в пристенных зонах горна. Следовательно, необходимы более высокие входные количества, что отрицательно сказывается на качестве ТМ и шлака. Увеличение содержания Ti в ТМ из-за увеличения загрузки материалов, содержащих TiO2, приводит к увеличению содержания TiO2 в шлаке, и это может быть ограничивающим фактором в использовании шлака в качестве добавки в производстве цемента.

Материалы, содержащие TiO2, когда они вводятся в доменную печь, находятся в виде мелкодисперсных частиц синтетических материалов TiO2. Эти мелкие частицы синтетических материалов TiO2 впрыскиваются в доменную печь через фурму вблизи топки доменной печи. Локальная инжекция мелкодисперсных источников TiO2 через фурмы непосредственно вблизи очаговой зоны является более эффективным методом поступления TiO2 в доменную печь. Этот метод предлагает целый ряд преимуществ, таких как (i) инжекция происходит в непосредственной близости от уязвимых участков огнеупоров, что означает, что наилучшие результаты могут быть систематически достигнуты при малых количествах ввода, (ii) период задержки короче до репаративное действие происходит даже в случае «горячих точек» в стенке печи, (iii) не происходит накопления материалов, содержащих TiO2, в шахте доменной печи, (iv) материалы, содержащие TiO2, транспортируются непосредственно к месту реакции на уровне фурмы и в горне, где они способны непосредственно влиять на взаимодействие газовой, металлической и шлаковой фаз, независимо от реакций, протекающих в шахте и когезионной зоне, (v) меньшие скорости ввода и более высокая эффективность преобразование в соединения Ti(C, N) приводит к улучшению качества шлака из-за более низкого содержания TiO2 в шлаке и, следовательно, к ухудшению качества гранулированного шлака доменной печи .

Промышленное использование синтетического источника TiO2 свидетельствует о значительном снижении температуры при систематической закачке в критические зоны горна доменной печи. Точная инъекция материалов позволяет быстро восстановить поврежденные участки в случае возникновения «горячей точки». Однако для использования синтетических продуктов необходима система впрыска. Эта система состоит из бункера-накопителя, гидрозатвора, питательной емкости, роторного питателя с эжекторным соплом и соответствующих размеров конвейеров для одновременной подачи до 4 фурм. Скорость подачи должна составлять от 10 кг/мин до 60 кг/мин. В зависимости от требований и потребностей могут быть выбраны и поставлены наиболее подходящие фурмы. Концепция автоматизации позволяет полностью автоматизировать работу, за исключением заполнения бункера.