Производство чугуна

Введение 

 

Чугун —  сплав железа с углеродом с  содержанием более 2,14 %. В зависимости  от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.).

Главным процессом производства чугуна в  настоящее время является доменный процесс, а наиважнейшим компонентом  этого процесса является доменная печь.

Доменная  печь является мощным и высоко производительным агрегатом, в котором расходуется  огромное количество шихты и дутья. Основным топливом доменной плавки является кокс – кусковой пористый материал из спекшийся углеродистой массы, получающейся при прокаливании каменного угля без доступа воздуха. Доменный процесс стараются вести так, чтобы обеспечивался минимальный расход дефицитного и дорогостоящего кокса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Загрузка шихты и распределение материалов на колошнике

 

В современной  доменной печи продолжительность пребывания в ней материалов составляет 4-6 ч, а газов - около 3-12 с. Высокие показатели плавки могут быть получены при хорошем распределении газов по сечению печи. Естественно, что распределение газового потока по сечению печи зависит от сопротивления столба шихты, через которую проходят газы. Учитывая то, что газы всегда движутся по зонам с меньшим сопротивлением шихты, его в процессе загрузки регулируют, перераспределяя определенным образом порции агломерата и кокса по сечению печи.

При загрузке, прежде всего, учитывают следующее: дутье поступает в печь у стен и сопротивление газам у гладких  стен меньше, чем в объеме шихты, в связи с чем газы стремятся двигаться у стен. Поэтому целесообразно, чтобы у стен были толще слои менее газопроницаемого агломерата, а в центре - толще слои кокса, что способствует перераспределению газового потока к центру. По окружности же печи материалы должны располагаться равномерно.

На печах  с двух конусным засыпным аппаратом шихту загружают в печь отдельными порциями - подачами. Подача включает несколько скипов (чаще четыре и иногда три, пять, шесть) и состоит из рудной части (в основном агломерата) и кокса.

В целом  регулирование распределения шихты  по сечению печи с помощью двух конусного аппарата является сложной  задачей и непрерывно совершенствуется.

На печах  с бесконусным загрузочным устройством  шихту загружают в печь через  два поочередно открываемых шлюзовых бункера а в бункеры ее доставляют наклонным ленточным конвейером, на котором с определенными интервалами уложены порции агломерата (или смеси агломерата и окатышей) и кокса. В один бункер с ленты поступает одна порция агломерата или кокса; из бункера порцию выгружают на колошник печи по наклонному вращающемуся лотку, который за время выгрузки порции (60-140 с) совершает более десяти оборотов вокруг вертикальной оси.

Применение  вращающегося лотка и изменение  угла его наклона в процессе выгрузки из шлюзового бункера каждой порции материала позволяет в очень широких пределах перераспределять шихту по сечению колошника и регулировать толщину слоев агломерата и кокса, добиваясь рациональной ее укладки и эффективного использования газового потока.

 

2. Распределение температур, удаление влаги и разложение карбонатов

 

2.1 Распределение  температур в печи

 

Помимо  тепла, вносимого нагретым дутьем; основным источником тепла для нагрева шихты и газов, расплавления чугуна и шлака, обеспечения процессов восстановления и компенсации теплопотерь является: тепло, выделяющееся в верхней части горна при сгорании топлива (кокса и зачастую вводимых для замены части кокса природного газа, нефтепродуктов и угольной пыли). Горячие газообразные продукты сгорания движутся из горна вверх, отдавая тепло опускающимся вниз холодным шихтовым материалам, нагревая их, а сами охлаждаются.

 

2.2 Удаление влаги

 

Шихта, загружаемая  в доменную печь, содержит гигроскопическую влагу (например, в коксе 0,5-5 %), а иногда гидратную влагу. Гигроскопическая влага легко испаряется на колошнике, и для ее удаления не требуется дополнительного тепла, так как температура колошниковых газов выше температуры испарения влаги. Гидратная влага появляется лишь при загрузке в печь железных руд, она находится в соединении с (в буром железняке) или с (в каолинитах , . . ). Эти соединения разлагаются при 400-1000 с поглощением тепла.

 

2.3 Разложение карбонатов

 

Карбонаты (углекислые соединения) могут поступать в доменную печь в виде известняка СаСО₃ (иногда он содержит немного СаСО₃ МgСО₃), с карбонатной железной рудой(FеСО₃) и марганцевой рудой (МnСО₃). При нагреве карбонаты разлагаются на СО₂ и оксид металла с поглощением при этом тепла.

 

3. Восстановление железа

 

Железо  поступает в доменную печь в виде оксидов: агломерат вносит Fе₂О. и немного Fе₂О₃ и FeO, окатыши – Fе₂О₃ и Fе₂О. Основная задача доменного процесса - обеспечение как можно более полного извлечения железа из этих оксидов путем их восстановления. Восстановление заключается в отнятии кислорода от оксида и получении из него элемента. Его осуществляют с помощью восстановителя - вещества, к которому переходит кислород благодаря тому, что у восстановителя большее химическое сродство к кислороду, чем у восстанавливаемого элемента. Таким образом в процессе восстановления одно вещество теряет кислород (восстанавливается), а другое приобретает его (окисляется).

Восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших к низшим:

Fе₂О₃ – Fе₂О - FeO - Fe.

Восстановителями  оксидов железа в доменной печи служат углерод, оксид СО и водород. Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами - косвенным. Реакции косвенного восстановления оксидом углерода следующие:

при температуре > 570:

1) 3Fе₂О₃ + СО = 2Fе₂О. + CO₂ + 53740;

2) Fе₂О + СО = 3FeO + CO₂ + 36680;

3) FeO + СО = Fe + CO₂ + 16060;

при температуре < 570

1) 3 Fе₂О₃ + СО = 2 Fе₂О. + CO₂ + 53740;

2) 1/4 Fе₂О. + СО = 3/4Fe + CO₂ + 2870.

Их характерной  особенностью является то, что продуктом  реакций всегда является CO₂, и то, что они идут без затрат тепла. Реакции прямого восстановления углеродом протекают с образованием СО и требуют значительных затрат тепла, например:

FeO + С = Fe + СО - 152670.

Прямое восстановление протекает через газовую фазу и состоит из двух стадий:

FeO + СО = Fe + CO₂, CO₂ + С = 2СО,

что после  суммирования дает итоговую реакцию прямого восстановления

FeO + С = Fe + СО.

Таким образом  главное, что отличает прямое восстановление от косвенного, это расходование углерода, а это означает, что с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество углерода, достигающего фурм. Косвенное восстановление водородом, содержание которого в атмосфере доменной печи может достигать 8-12 %, протекает по следующим реакциям:

3Fе₂О₃ + Н₂. = 2Fе₃О₄ + Н₂О - 4200;

Fе₃О₄ + Н₂ = 3FеО + H₂O - 62410; FеО + Н₂ = Fе + H₂О - 27800.

В целом  ход процесса восстановления железа в доменной печи можно охарактеризовать следующим образом. Во всем объеме печи, начиная от верха колошника до участков с температурой 900- 1000, протекают процессы косвенного восстановления газом СО и отчасти водородом. Часть FеО восстанавливается до железа прямым путем в зоне высоких температур (> 900-1000). При этом в зонах с температурами свыше 1100-1250, когда сформировался шлак, железо восстанавливается прямым путем из жидкого шлака при стекании его капель вниз между кусками кокса. Железо при восстановлении получается в твердом виде; частицы железа, восстановившиеся из материалов, находящихся в твердом виде, имеют форму губки.

В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Степень восстановления железа составляет 0,99-0,998, а это означает, что 99-99,8 % железа переходит в чугун и лишь 0,2-1,0 % переходит в шлак.

 

4. Образование шлака и его свойства

 

Помимо  чугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят не восстановившиеся оксиды элементов, т.е. СаО, MgO, АI₂О₃, SiО₂ и небольшое количество МnО и FеО, причем СаО специально добавляют к железорудной шихте для получения жидкого шлака.

Наведение в печи жидкого текучего шлака  необходимо прежде всего для выведения  из печи составляющих пустой породы железных руд, вносимых агломератом и окатышами, а также золы кокса. Основу пустой породы большинства руд так же, как и основу золы кокса, составляют SiО₂ и АI₂О₃, температура плавления которых (соответственно 1710 и 2050) выше температур в доменной печи, в связи с чем они в печи расплавиться не могут. При температурах доменного процесса расплавляются, переводя пустую породу и золу кокса в жидкую фазу - шлак, который периодически выпускают через летки, освобождая печь от непрерывно поступающих сверху невосстанавливаемых оксидов. Другой важной функцией, шлака является десульфурация.

Основными стадиями сложного процесса шлакообразования в доменной печи являются: нагрев и размягчение железосодержащей части шихты, ее плавление, стекание в горн первичного шлака с изменением его состава, присоединение к нему золы кокса, формирование окончательного состава в горне. При опускании в печи шихтовых материалов сохраняется их слоевое расположение (чередование слоев агломерата и кокса), и материалы остаются твердыми до поступления в участки печи с температурами около 1000 - 1100, где начинается пластичная зона.

Формирующаяся ниже зоны пластичности жидкая оксидная фаза - расплавленные пустая порода агломерата и окатышей и не восстановившиеся оксиды FeO и МnО - образует первичный шлак. Первичный шлак каплями стекает в горн через слой кокса ("коксовую осадку"), при этом изменяется его состав. Конечный шлак на 85-95 % состоит из SiO₂, Аl₂О₃ и СаО и содержит,  38-42% SiO₂, 38-48% СаО, 6-20% Аl₂О₃, 2-12% MgO, 0-0,26% Р₂О₅, 1-2 МnО и 0,6-2,5 серы (в основном в виде CaS). Температура шлака несколько выше температуры чугуна и составляет 1400-1560.

Состав  шлака, его физические свойства, основность и количество оказывают существенное влияние на ход доменной плавки и  показатели работы печи.

Для нормальной работы доменных печей вязкость шлака  должна составлять 0,3-0,6 Па*с и является их важной технологической характеристикой. Ее выражают величиной отношения содержания основных оксидов в шлаке к содержанию кислотных: CaO/SiО₂.

 

5. Дутьё, процессы в горне и движение газов в печи

 

Дутьем  служит атмосферный воздух и зачастую воздух, обогащенный кислородом. Температура дутья в настоящее время на разных печах находится в пределах 1100-1300, давление перед фурмами достигает        0,4-0,5 МПа. Расход дутья всегда стараются поддерживать максимальным, поскольку при увеличении минут расхода дутья больше сгорает кокса и проплавляется шихты в единицу времени, т.е. возрастает производительность печи. Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от расположенных в ней воздуходувных машин (компрессоров) с приводам в виде паровой турбины и иногда с электроприводом, создающими давление дутья на выходе 0,45-0,59 МПа. При обогащении дутья кислородом последний вводят во входной патрубок воздуходувной машины.

Дутье проходит воздухонагреватели, кольцевой воздухопровод и из него поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16-40 фурм. Выходной диаметр фурм составляет 140-190 мм, высов фурм (расстояние от конца фурмы до футеровки) 300-500 мм, скорость дутья на выходе из фурмы 180-240 м/мин при расходе дутья на одну фурму 170-230 м³/мин.

 

6. Процессы  в горне

 

В горне  доменной печи встречаются и взаимодействуют  два потока: опускающаяся шихта и  горновые газы. Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры  куски кокса, а также жидкий чугун  и шлак. Извне через фурмы, расположенные  в верхней части горна, поступает  нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие  добавки. Вблизи фурм происходит процесс  сжигания углерода топлива и угле­водородов природного газа или мазута. Получающиеся горновые газы поднимаются вверх навстречу опускающейся шихте. Основным и важнейшим процессом в горне является сжигание углерода кокса, которое обеспечивает:

а) выделение  тепла, необходимого для нагрева  шихты и газов, обеспечения процессов  восстановления, расплавления чугуна и шлака и компенсации теплопотерь  печи;

б) образование  газа-восстановителя СО;

в) образование  свободного объема вследствие превраще­ния твердых кусков кокса в газ, что  способствует движению шихты в печи сверху вниз.

Большая кинетическая энергия струй дутья  вызывает циркуляцию кусков кокса перед фурмами, и они сгорают в окислительной зоне во взвешенном состоянии. Измененяется состав газа в окислительной зоне по мере отдаления от фурм. Размеры окислительной зоны как вдоль оси воздушной фурмы, так и вдоль оси печи возрастают с повышением количества воздуха. На больших печах протяженность окислительной зоны вдоль оси фурм достигает 1,7-1,9 м. Продукт сгорания кокса - горновой газ состоит, в основном, из СО и N₂.

Добавки к дутью кислорода, природного газа и влаги изменяют температурное состояние горна. Увеличение количества влаги в дутье вызывает снижение температур в зоне горения и в горне поскольку, как отмечалось, при попадании в горн влаги разлагается углеродом с поглощением тепла. Дутье всегда содержит немного влаги, которая в горне разлагается углеродом, поэтому в горновом газе всегда есть немного водорода. При вдувании в горн природного газа он не полностью сгорает и в горновом газе заметно возрастает содержание водорода. Заметно увеличивается также объем горновых газов. Вдувание в горн мазута, состоящего как и природный газ из углеводородов, характеризуется теми же процессами, что и выдувание природного газа. При добавке кислорода к дутью объем продуктов сгорания, уменьшается. Вдувание природного газа ведет к увеличению объема продуктов сгорания.