Понятие о чугуне, его состав, свойства, доменное производство чугуна

 

Обогащение

Обогащением называется  процесс  разделения  рудного  минерала  и  пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и  уменьшения  содержания пустой породы, а  в  некоторых  случаях  и  вредных  примесей.  Все  способы обогащения основаны  на  различии  физических  свойств  рудных  минералов  и пустой породы. В результате обогащения руды получают:

   1. концентрат – продукт, в котором содержится большая  часть  извлекаемого       металла;

   2.  хвосты  –  отходы  при  обогащении   руды,   в   которых   содержится       незначительное количество металла;

   3. промежуточный продукт, в  котором  содержание  металла  больше,  чем  в       хвостах и меньше, чем в концентрате.

Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению.

В  зависимости  от  метода  обогащения  и  устройства  аппарата   степень извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60  до  95 %. Различают пять основных методов обогащения руд:

   1.рудоотборка, основанная на различии  цвета  и  блеска  кусков  рудного       минерала и пустой породы;

   2.промывка, основанная на  разной размываемости кусков  рудного  минерала и пустой породы;

   3.гравитационное обогащение  – разделение в жидкой среде  рудных минералов       и пустой породы в зависимости от плотности зерен;

   4. флотация  –  метод  обогащения,  основанный   на   различии   физико-механических свойств поверхности  частиц  рудного  минерала  и  пустой породы;

   5. магнитная  сепарация  (самый  распространенный  метод  обогащения), основанная на различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

 

Окуксование руд

 

Окуксованием железных руд называются процессы превращения  мелких  руд  и концентратов в кусковые материалы с целью  улучшения  хода  металлургических процессов  в  печах  различного  типа  для  получения   металлов   из   руд.

Окуксование руд широко применяется в металлургии черных и цветных  металлов. В металлургии  черных  металлов  окуксованию  подлежат  все  мелкие  руды  и концентраты, из  которых  получают  металл  в  доменном,  сталеплавильном  и электрометаллургическом производствах.

В доменном производстве окуксованием железорудного сырья достигают:

    1. уменьшения выноса  газовым потоком мелких фракций  руды  из  доменной  печи;

    2. повышения газопроницаемости  столба шихтовых материалов;

    3.  улучшения  использования  тепловой  энергии   и   восстановительной        способности газового потока;

    4. улучшения протекания  процессов  восстановления,  шлакообразования  и        перевода серы в шлак.

В   итоге   окуксование    сырья    позволяет    значительно    увеличить производительность  доменных  печей,  сократить  расход  кокса  и   повысить качество чугуна.

Существует три метода окуксования руд и концентратов:

   1. агломерация (процесс спекания мелких руд и концентратов путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или  подвода  высокотемпературного тепла извне);

   2. окатывание (процесс получения  из концентрата сырых шаров  диаметром  10 – 25 мм и последующего  их обжига при температуре 1200 – 1350( С);

   3. брикетирование (процесс  прессования пылеватых  руд  и  концентратов  в       куски одинаковой формы с добавкой или без добавки связующих веществ).

В черной металлургии наибольшее распространение  получила  агломерация  и окатывание руд.

 

Общая схема и сущность доменного процесса

 

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и  физико-химических  явлений,  протекающих  в  работающей  доменной   печи. Загружаемые в доменную печь  шихтовые  материалы  –  кокс,  железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса  превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

В  химическом  отношении  доменный  процесс  является   восстановительно- окислительным:   из   оксидов  восстанавливается   железо,   а   окисляются  восстановители. Однако доменный процесс принято называть  восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного  типа. Рабочее  пространство  доменной  печи  в  горизонтальных сечениях имеет круглую  форму,  а  в  вертикальном  разрезе  –  своеобразное очертание, называемое профилем.

Важнейшим   условием   осуществления   доменного   процесса   в   рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение  и  взаимодействие опускающихся шихтовых материалов,  загружаемых  в  печь  через  колошник,  и  восходящего потока газов, образующегося в горне при горении  углерода  кокса в нагретом до 1000 – 1200 С воздухе (дутье), который нагнетается в  верхнюю часть горна через расположенные по  его  окружности  фурмы.  К  дутью  может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400 – 1500С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с  кислородом  дутья.  Образующийся  в  зонах  горения диоксид углерода при высокой температуре и  избытке  углерода  неустойчив  и превращается в оксид углерода.  Таким  образом,  за  пределами  зон  горения горновой  газ  состоит  только  из  оксида  углерода,  азота  и   небольшого количества  водорода,  образовавшегося  при  разложении  водяных  паров  или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 – 2000 С ,  поднимается вверх  и  передает  тепло  материалам,  постепенно   опускающимся   в   горн вследствие выгорания кокса, образования  чугуна  и  шлака  и  периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 –  450 С,  а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично  в диоксид углерода, содержание которого в доменном  газе  на  выходе  из  печи достигает 14 – 20 %. Шихтовые  материалы  загружают  в  доменную  печь  при  помощи  засыпного аппарата отдельными порциями –  подачами.  Они  располагаются  на  колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса  при  работе  на  не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят  через  5  –  8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в  результате  опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из  них влаги и летучих веществ кокса и разложение  карбонатов.  Оксиды  железа  под действием восстановительных газов постепенно переходят  от  высших  степеней окисления к низшим, а затем – в  металлическое  железо  по  схеме:

 

Fe2O3 Fe3O4 ( FeO ( Fe.

 

Свежевосстановленное  железо  заметно  науглераживается  еще  в   твердом состоянии. По мере науглераживания  температура  плавления  его  понижается. При температуре 1000 – 1100( С восстановление железа почти  заканчивается  и начинают восстанавливаться более  трудновосстановимые  элементы  –  кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4  %  углерода  и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится  при  температуре 1130 – 1150С и стекает в виде капель чугуна  в  горн.  В  нижней  половине шахты начинается  образование  жидкого  шлака  из  составных  частей  пустой породы руды и флюса.  Понижению  температуры  плавления  шлака  способствуют невосстановленные оксиды железа и  марганца.  В  стекающем  вниз  шлаке  под действием  возрастающей  температуры  постепенно  расплавляется  вся  пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

При  взаимодействии  жидких  продуктов  плавки  с  раскаленным  коксом  в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния,  марганца  и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же  поглощенная  металлом в ходе плавки  сера  переходит  в  шлак.  Железо  и  фосфор  печи  полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень  восстановления  кремния  и марганца и полотна удаления  из  чугуна  серы  в  большой  мере  зависят  от температурных условий, химического состава шлака и его количества. Жидкие чугун и шлак разделяются  в  горне  благодаря  различным  удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через  чугунную  летку,

А шлак – через шлаковые летки (верхний  шлак)  и  чугунную  летку  во  время выпуска чугуна (нижний шлак).

Все  перечисленные  процессы  протекают  в  доменной  печи  одновременно, оказывая взаимное влияние.

 

Распределение и движение газов и шихты в доменной печи

 

Газовый поток.

Высокопроизводительная и экономичная работа доменной печи в  значительной мере зависит от того, как организовано  движение  и  распределение  газов  и шихты в ее рабочем пространстве. Движение газов и распределение  их  в  печи определяется   множеством   факторов,   но   главным   из    них    являются гранулометрический состав шихты и ее распределение  на  колошнике  во  время загрузки и перераспределение при движении в доменной печи. В свою очередь  и движущийся газовый поток влияет на распределение шихты.

Газы в  доменной  печи  движутся  через  столь  шихты   снизу  вверх  под действием   разности   давлений,   зависящей   от   величины   сопротивления загруженной  в  печь  шихты  и  количества  воздуха,  нагнетаемого  в   горн воздуходувной машиной. Проходя путь 24 – 26 м в течение  нескольких  секунд, газовый  поток  должен  выполнить  тепловую  и  восстановительную  работу  и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну.  Исходя  из этих  функций  газового   потока   к   распределению   газов   предъявляются противоречивые  требования.  Для  наиболее  полного  использования  тепла  и восстановительной способности газового потока газы по  сечению  печи  должны распределяться равномерно, иными словами,  температура  и  состав  газов  во всех точках сечения доменной печи должны  быть  одинаковыми,  а  шихта  –  в равной мере нагретой и восстановленной.

Для обеспечения ровного схода шихты газовый поток по сечению печи  должен распределяться неравномерно, проходя в большем количестве у стен и в  осевой зоне печи, т. е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата.

В действительности же в доменной  печи  невозможно  достичь  равномерного распределения  газов  по  сечению  вследствие   специфических   особенностей доменного процесса и конструкции доменной печи.

Наиболее  важным  показателем,  характеризующим  распределение   газового потока по сечению столба шихты,  является   сопоставление  количеств  газов, проходящих через равновеликие площади заполненного  шихтой  сечения  печи  в единицу времени.

 

Распределение материалов на колошнике при загрузке доменной печи

Исходя из требований, предъявляемых  к  распределению  газов  в  доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно  по  сечению печи  как  по  крупности,  так  и  по  компонентам  шихты.  У  стен   должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью  лучшего  использования периферийных газов, а у  оси  –  больше  кокса.  Большое  количество  мелких фракций железосодержащих компонентов у стен печи  недопустимо  во  избежание тугого  хода.  Основную  часть  мелких  фракций  необходимо  располагать   в промежуточном кольце между периферией и центром.

По окружности печи  материалы  должны,  наоборот,  распределяться  строго равномерно, т. е. так, чтобы любая окружность горизонтального  сечения  была кривой равного содержания диоксида  углерода  в  газе  и  кривой  одинаковой температуры.

Этим условиям распределения шихты удовлетворяет принятый способ  загрузки материалов  при  помощи  конуса  и  воронки.  Шихтовые  материалы  –   кокс, железосодержащие компоненты и флюс – загружают в  доменную  печь  отдельными порциями,  называемыми  подачами.  Количественное  соотношение   компонентов шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно  определяется  расчетом  шихты.

Материалы   на   колошник   подают   специальными   тележками   –   скипами, перемещающимися по рельсам наклонного моста. Объем материалов  одной  подачисоответствует   объему  нескольких  скипов,  поэтому  подача   на   колошник подается по частям несколькими скипами. При этом одну  часть  скипов  подачи загружают коксом, а другую – железосодержащими компонентами  и  флюсом.    При полностью  офлюсованном  агломерате  подача  состоит  только  из  скипов   с агломератом и коксом.

 

Движение шихты в доменной печи

В  доменной  печи  шихта  опускается  под   действием   своей   массы   в пространство,  освобождающееся  в  результате  уменьшения  ее   объема   при протекании  различных  процессов,  основными  из  которых  являются  горение углерода  кокса  в  фурменных  очагах,  расход  углерода  кокса  на   прямое восстановление, образование и плавление чугуна и шлака, а  также  уплотнение шихты при движении. 44 – 52 % общего уменьшения объема шихты  приходится  на горение углерода, 11 – 16 % - на прямое восстановление,  25  –  35  %  -  на плавление чугуна и шлака и 5 – 15 % - на  уплотнение  материалов.  Из  этого следует, что уменьшение объема шихты происходит  главным  образом  в  очагах горения перед  фурмами,  а  фурменные  очаги  можно  уподобить  своеобразным воронкам, через которые движется основная масса шихты.

Периферийное  расположение  зон  горения  приводит  к   преимущественному движению шихты на периферии печи. Скорость  движения  шихты  в  периферийном кольце колошника  составляет  90  –  140,  а  в  центре  70  –  120  мм/мин.

Длительность  пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до  7  ч. Активизация работы центра печи всегда приводит  к  существенному  увеличению скоростей опускания шихты в осевой  зоне  и  уменьшению  разности  скоростей движения шихты на периферии и в центре.

Повышение скорости схода  шихты  на  периферии  колошника  объясняется  и другими причинами, главной из которых  являются  расширение  шахты  книзу  и более интенсивное по сравнению с коксом движение  железорудных  компонентов, располагающихся в большом количестве на периферии.