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

В результате неодинаковой скорости движения шихты в рабочем  пространстве  печи  одновременно  загруженные   в   печь   материалы   приходят   в   горн неодновременно.  Это  явление  называется  опережением,  которое  необходимо учитывать при изменении условий  работы,  печи,  связанных  с  переходом  на выплавку другого вида чугуна, изменением качества материалов.

 

Восстановление оксидов металлов

 

Физико-химические основы восстановительных процессов

Одним из условий получения  чугуна  в  доменной  печи  является  удаление кислорода из оксидов,  металлы  которых  входят  в  состав  чугуна.  Процесс отнятия кислорода от оксида и  получения  из  него  элемента  или  оксида  с меньшим  содержанием  кислорода   называется   восстановлением.   Наряду   с восстановлением   протекает  окисление  вещества,   к   которому   переходит кислород оксида. Это вещество называется восстановителем.

Восстановительные  процессы  сопровождаются  выделением  или  поглощением тепла. Химическая прочность  оксида  определяется  силами  химической  связи данного элемента с кислородом.

 

Восстановление оксидов железа оксидом углерода

По степени убывания кислорода оксиды железа располагаются в  ряд:  Fe2O3, Fe3O4 и FeO, содержащие соответственно  30,06; 27,64 и  22,28  %  кислорода.

Из трех оксидов железа, взятых в свободном  состоянии,  наиболее  прочным  в условиях рабочего пространства доменной печи, а точнее при температуре  выше 570 С,  является  FeO.  Восстановление  железа  из  его  оксидов  протекает ступенчато путем последовательного удаления кислорода  и  в  зависимости  от зон горения, содержание углерода в чугуне достигает  3,8  – 4,0%. Температуры. Это может быть изображено двумя схемами:

 

   при температуре выше 570 С →   Fe2O3  ( Fe3O4 ( FeO ( F

   при температуре ниже 570 С →    Fe2O3  ( Fe3O4 ( Fe.

 

Ниже 570 С.  Прочность  FeO  становится  меньше  прочности  Fe3O4  и  она превращается в Fe3O4 и Fe.

В доменной печи восстановление железа из его оксидов протекает в основном по  первой  схеме,  так  как  уже  через  несколько  минут  после   загрузки материалов на колошник они нагреваются до температуры выше 570 С.  Большая половина  кислорода,  связанного  в  оксиды   железа,   отбирается   оксидом углерода, поэтому основным восстановителем в доменной  печи  является  оксид углерода.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода при температуре выше  570 С идет по реакциям:

 

   3Fe2O3 + СО ( 2Fe3O4 + СО2 + 37,137 МДж,

   Fe2O3 + mCO ( 3FeO + (m – 1)CO + СО2 – 20,892 МДж,

   FeO + nCO ( Fe + (n – 1)CO + СО2 + 13,607 МДж.

 

Образование чугуна и шлака

 

Науглераживание железа

Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и другие элементы,  образуя  чугун.  Процесс  науглераживания  железа  начинается   с момента его появления в виде твердой  губки  в  зоне умеренных  температур.

Механизм науглераживания железа сводится к следующему.  Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода  на  сажистый углерод и диоксид углерода. Эта  реакция  протекает  на  поверхности  губки.

Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод  взаимодействует с атомами  железа  и  образует  карбиды  железа.  Науглераживание  губчатого железа уже заметно протекает при 400  –  500 С.  По  мере  науглераживания железа температура плавления его понижается.  Если  чистое  железо  плавится при 1539( С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,3 % С,  плавится  при 1135( С. Однако науглераживание железа в  твердом  состоянии  является  лишь начальной  стадией  этого  процесса,  способствующей понижению  температуры плавления  металла.  Более  интенсивно   науглераживание   протекает   после перехода металла в жидкое состояние. Капли  металла,  стекая  в  горн  печи, Окончательное науглераживание металла происходит в горне печи.контактируют  на  поверхности  кусков  раскаленного  кокса  с  углеродом,  в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает.

Переход других элементов в чугун  (марганца,  кремния,  фосфора  и  серы)осуществляется по мере их восстановления на  различных  горизонтах  рабочего пространства  печи.  Марганец  при  выплавке  передельного  чугуна   заметно переходит в металл уже в  распаре,  однако  наиболее  интенсивное  насыщение чугуна  марганцем  происходит  в  заплечиках  и  горне  при   восстановлении марганца.  Основная  масса  кремния  переходит  в  чугун  в   нижней   части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из  распара  почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и  выше.  Это  объясняется  тем, что в металл из распара, попадает не только  фосфор,  который  восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов  печи.  Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты.

Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается  регулированию  и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром,  являясь  корбидообразующими элементами, способствуют увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний  и фосфор, образуя  более  прочные  с  железом  соединения,  разрушают  карбиды железа  и  понижают  содержание  углерода  в  чугуне.  Если  в   передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4 –  4,6%  углерода,  то  в  зеркальном чугуне, содержащем 10 – 25 % марганца, углерода содержится 5 – 5,5  %,  а  в 75 %-ом ферромарганце содержание углерода достигает 7 – 7,5 %.  Наоборот,  в литейном чугуне, содержащем 2,5% кремния, содержание углерода  не  превышает 3,5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже.

Содержание марганца и кремния сильно  влияет  на  структуру  чугуна,  что имеет   очень   важное   значение   при   производстве   литейного   чугуна, используемого  в  машиностроении.  Известно,  что  углерод  в  чугуне  может находиться в химически связанном состоянии в  виде  карбида  и  в  свободном состоянии  в  виде  графита.  В  литейном   чугуне   благодаря   повышенному содержанию кремния значительная часть углерода  находится  в  виде  графита, что способствует повышению прочности отливок. В  изломе  такой  чугун  имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов  железа  в  чугуне повышает  его хрупкость. В изломе такой  чугун  имеет  белый  цвет.  Качество  чугуна  для отливок также зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи.

 

Образование шлака

В доменной печи  шлак  образуется  под  действием  высоких  температур  в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов  и  флюса,  к которым в  горне  присоединяется  зола  сгоревшего  кокса.  Шлакообразующими оксидами являются  SiO2,  CaO,  MgO,  Al2O3,  FeO,  MnO,  а  также  сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.

Образованию шлака предшествуют процессы  размягчения  и  спекания  пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов и  различных химических соединений. Эти процессы представляют собой  промежуточное  звено при  переходе  вещества  из  твердого  состояния  в   жидкое.   Чем   больше температурный интервал,  в  котором  протекает  превращение  шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое,  тем  большую  часть  по  высоте печи занимает вязкая  масса,  заполняющая  пустоты  между  кусками  кокса  и препятствующая движению и распределению газов. В связи с этим  температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по  возможности меньшим.

В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный и конечный шлаки. Первичный шлак  появляется  в  начальной  стадии  шлакообразования  в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь  в зоны с более высокими температурами, нагревается, а  химический  состав  его непрерывно изменяется  вследствии  восстановления  железа  и  марганца  из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых  количеств  CaO  и  MgO, увеличивающих количество шлака.  Конечный  шлак  образуется  в  горне  после растворения  в  шлаке  золы  сгоревшего   кокса   и   остатков   извести   и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком.

С   применением   офлюсованного   агломерата   условия   шлакообразования изменяются. Присутствие извести в агломерате  обеспечивает  хороший  контакт шлакообразующих оксидов, по этому их размягчение при нагреве  и  образование первичного шлака протекает в сравнительно не большой зоне  по  высоте  печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой  зоны.  Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее  и  равномернее  по сечению, вследствие чего  в  первичном  шлакообразовании  участвует  меньшее количество FeO, а зона начала образования шлака смещается  в  область  более высоких температур.

 

Методы интенсификации доменного процесса

 

Некоторые понятия об интенсификации

Под интенсификацией доменного процесса понимают увеличение  скорости  его протекания. Мерой  интенсивности  хода  доменной  печи  является  количество чугуна, получаемое в единицу времени в расчете на единицу  полезного  объема доменной  печи.  В  условиях  производства  принято  пользоваться   обратной величиной  –  полезным  объемом  печи,  затрачиваемым  в  течении  суток  на выплавку 1 т чугуна. Этот показатель называется коэффициентом  использования полезного объема  доменной  печи  и  определяется  как  частное  от  деления полезного объема печи Vпол (м3) на суточную производительность  печи  Т  (т) чугуна/сут.  Чем  меньше  этот  показатель,  по  абсолютному  значению,  тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи.

Увеличить интенсивность хода доменной печи можно двумя путями:

   1. создание условий, при  которых в горн доменной печи  в  единицу  времени       можно  подать  большее  количество  дутья,  расходуемого  на  сгорание       углерода горючего;

   2. создание условий, обеспечивающих  снижение  расхода  кокса  на  единицу       выплавляемого чугуна, если количество  дутья,  поступающее  в  горн  в       единицу времени, не снижается или снижается в меньшей мере, чем расход   кокса.

При увеличении количества дутья, подаваемого в горн  в  единицу  времени, соответственно  увеличивается  сгорающее  в   единицу   времени   количество углерода, а следовательно,  увеличивается  и  производительность  печи.  При уменьшении относительного расхода горючего  и  неизменном  количестве  дутья производительность  печи  также  возрастает  вследствие  увеличения   рудной нагрузки  на  кокс.  Наиболее  высокая   степень   интенсификации   процесса достигается, когда  одновременно  с  увеличением  количества  дутья  имеется возможность уменьшить и относительный расход горючего.

Увеличение интенсивности хода  доменной  печи  путем  увеличения  расхода дутья в единицу времени предполагает улучшение  газодинамики  процесса.  Это может  быть  достигнуто  повышением  прочности  агломерата,  отсевом  мелких фракций и  улучшением  однородности  гранулометрического   состава  шихтовых материалов,  повышением  давления  газов  в   рабочем   пространстве   печи, снижением относительного выхода шлака и улучшением его физических свойств.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем снижения относительного расхода  кокса  предполагает  уменьшение  тепловых  затрат  на   процесс   и применение заменителей кокса в роли теплоносителя и восстановителя.

Основными методами интенсификации доменного процесса являются:

   1. совершенствование  способов  подготовки  и  улучшение  качества  сырых       материалов;

   2. высокотемпературный нагрев  дутья;

   3. увлажнение дутья;

   4. обогащение дутья кислородом;

   5. вдувание в горн углеводородосодержащих добавок;

   6. комбинирование дутья;

   7. повышение давления газов  в рабочем пространстве доменной  печи. Наиболее важной по своему значению является подготовка сырья к плавке. Ни один из методов интенсификации доменного процесса, перечисленных в  п.  2  – 7, не может дать максимального эффекта при плохом качестве сырья.

 

Нагрев дутья

Впервые нагретое дутье  в  доменном  производстве  применили  в  1829  г. Несмотря на сравнительно невысокий нагрев дутья (150( С), показатели  работы печи значительно улучшились: относительный расход горючего уменьшился на  30 %,  производительность  печи  возросла,  появилась   возможность   увеличить количество дутья. При этом расход горючего на нагрев дутья был намного  ниже полученной экономии. Впоследствии применение более нагретого  дутья  (350  – 400 С) на коксовых доменных печах позволило уменьшить относительный  расход кокса на 25 – 35 %. В настоящее время дутье нагревают до 1100 –  1200 С  и выше.

За всю историю существования доменного производства ни  одно  мероприятие не дало такого снижения расхода горючего, как применение нагретого дутья.

 

Увлажнение дутья

Естественная влажность воздуха колеблется в значительных пределах  как  в течении суток, так и по временам года. Колебания  влажности  дутья  вызывают изменения в тепловом и температурном режиме горна и в  ходе  восстановления, что  нередко  приводит  к  расстройствам   хода   печи,   ухудшая   технико- экономические показатели.

Устранить  колебания  естественной  влажности  можно   двумя   способами:

осушением дутья и увлажнением дутья в таких пределах,  чтобы  влажность  его была несколько выше естественной, но постоянной во времени.

 

Обогащение дутья кислородом

При обогащении дутья кислородом изменяются следующие показатели:

   1. Уменьшается расход дутья  на единицу сжигаемого у фурм  углерода.

   2. Уменьшается количество  горнового газа на  единицу  сжигаемого  у  фурм       углерода.

   3. Повышается концентрация  оксида углерода в горновом  газе.

   4. Значительно возрастает температура в зоне горения.