Теоретические основы доменного производства чугуна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Значительные достижения металлургической науки в последние годы обусловлены использованием современных методов исследования и контроля, позволивших значительно углубить представления о металлургических процессах. Представить сущность процессов, протекающих при металлургическом переделе железных руд, невозможно без использования современных знаний в области физической химии, кристаллографии, физики твердого тела, теплофизики, газодинамики и других фундаментальных дисциплин.

История развития профиля доменной печи берет начало от домниц ХIV века, рабочее пространство которых представляло собой два усеченных конуса, сложенных широкими основаниями. Первые доменные печи ХV века мало отличались от домниц, за исключением несколько большей высоты – от 4,5 до 6,5 м при диаметре распара 2 – 3 м и горна 0,7 – 0,8 м. Температура в нижней части печи в то время уже составляла 1350–1450 0С, а содержание FeO в шлаке 3 – 6 %. В этих условиях выгорание углерода из железа под шлаком было сведено к минимуму – продуктом плавки сделался исключительно чугун. В дальнейшем были, изобретены эффективные способы передела чугуна в сталь и процесс получения стали из руды сделался двухступенчатым с чугуном в виде промежуточного продукта передела.

Доменная печь была изобретена не каким-либо лицом, она явилась плодом коллективного творчества многих поколений металлургов, осуществивших многовековой переход от примитивных сыродутных горнов к домницам и, наконец, к доменным печам.

Современная доменная печь (название от старославянского «дмение» – «дутьё»)- это непрерывно работающий агрегат шахтного типа, течение процесса в котором основано на противотоке шихтовых материалов и горячих газов. Несмотря на кратковременность пребывания газов в печи, тепловой коэффициент их полезного действия, равный 85 – 87%, является одним из лучших для металлургических объектов.

Особенностью современного доменного производства в мировой практике является значительное увеличение единичной мощности агрегатов с одновременным совершенствованием конструкций и оборудования, как самих доменных печей, так и вспомогательных сооружений.

В настоящее время в СНГ работают печи полезным объемом до 5000 м3, намечается ввод печей объемом до 5500 м3 с избыточным давлением газа на колошнике до 245 кПа, температурой горячего дутья 1350–1400°С, обогащением его кислородом до 35% и использованием различных видов добавочного топлива. Увеличение абсолютного расхода шихтовых материалов и количества чугуна (достигающего в настоящее время 10000, а в будущем 13000–14000 т/сут) обусловило большие изменения в конструктивных решениях всего комплекса доменного производства .

 

1 Теоретические основы доменного производства чугуна

1.1 Структурная схема производства чугуна в доменной печи и сущность доменного процесса

 

Исходными материалами доменной плавки являются железные и марганцевые руды, топливо и флюс. Продукты плавки - жидкие чугун и шлак, доменный газ. Схема производства чугуна в доменной печи представлена на рис. 1.

В доменной печи при нагревании в результате окислительно-восстановительных реакций образуется основной продукт плавки — железо, которое после восстановления науглероживается газом. По достижении температуры плавления (1130-1160 °С) металл расплавляется, и, стекая в горн по кускам кокса, продолжает насыщаться углеродом, превращаясь в чугун.

Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того, кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и обеспечивает прохождение газового потока в шихте доменной печи.

Исходные материалы для получения кокса - определенные марки каменного угля - измельчают, по возможности удаляют пустую породу, усредняют угольную шихту и подвергают ее коксованию - нагреву без доступа воздуха в коксовых печах. Готовый кокс охлаждают (водяное или сухое «тушение»), дробят, сортируют для удаления мелких фракций сначала на коксохимическом заводе и затем перед загрузкой в доменную печь. Отсев кокса (< 25 мм) используют, в основном, как топливо для спекания железорудного сырья. Мелкие фракции кокса (> 15 мм) в небольших количествах могут загружаться в доменную печь.

Железные руды вносят в доменную печь, кроме железа, и другие элементы (марганец, кремний, серу, фосфор и др.) в виде оксидов, которые восстанавливаются в доменной печи. Для получения высоких технико-экономических показателей доменной плавки железные руды предварительно подвергают специальной подготовке: дроблению, сортировке, обжигу и обогащению. При этом в значительной мере удаляют пустую породу и по возможности вредные примеси. После усреднения мелкие железные руды и рудный концентрат окусковывают при помощи агломерации или окатывания. В процессе окускования производят офлюсование пустой породы до заданной основности добавлением в спекаемую шихту флюса. Сырой флюс загружают в доменную печь в незначительном количестве (не более 50 кг/т чугуна) для корректировки химического состава шлака.

Рис. 1. Структурная схема производства чугуна в доменной печи *Газовая утилизационная  бескомпрессорная турбина, ** Система испарительного охлаждения

 Для получения чугуна заданного состава в спекаемую шихту добавляют при необходимости марганцевую руду.

Подготовленные шихтовые материалы загружают в доменную печь сверху при помощи засыпного аппарата или бесконусного загрузочного устройства (рис. 2).

В нижнюю часть доменной печи - горн - через воздушные фурмы воздуходувной машиной подается компримированный воздух. Для уменьшения расхода кокса и повышения производительности доменной печи воздух обогащают кислородом, нагревают до 1000-1200 °С в воздухонагревателях, а в фурменную зону через воздушные фурмы специальной конструкции вдувают природный газ, мазут или пылеугольное топливо. В результате протекания сложных физико-химических процессов между исходными шихтовыми материалами и дутьем образуются чугун, шлак и газ .

Передельный и литейный чугун выпускают из печи 8-16 раз в сутки (в зависимости от объема печи и количества чугунных леток) и направляют в сталеплавильные цехи для передела в сталь или на разливочные машины для разливки в чушки и отправки потребителям. При необходимости в доменных печах выплавляют доменные ферросплавы - ферросилиций, ферромарганец и зеркальный чугун, используемые в сталеплавильном производстве для раскисления стали и присадки соответствующих элементов.

В результате плавления пустой породы железосодержащих компонентов, флюса и золы кокса в печи образуется шлак, который может выпускаться через летки для выпуска шлака (верхний шлак) и через чугунные летки (нижний шлак). На современных печах шлаковые летки используются редко, т. к. практически весь шлак удаляется из доменной печи через чугунные летки при выпуске чугуна.

Жидкий шлак транспортируют шлаковозами на установки грануляции (60-70% от его количества) и в шлаковые отвалы. Грануляция шлака может производиться в непосредственной близости от доменной печи (придоменная грануляция). На шлаковых отвалах шлак после его затвердевания перерабатывается в щебень, используемый в дорожном строительстве, для производства пемзы, шлаковаты, цемента, строительных панелей и блоков. Кроме этого, при разработке отвалов выделяют скрап (остатки чугуна) массой до 1-1,5 т, который затем используют в шихте доменной печи или в сталеплавильных агрегатах.

Доменный газ, образующийся в печи при взаимодействии шихты с кислородом дутья, углеродом кокса и компонентами углеводородсодержащих добавок, после очистки используют как энергетическое топливо: для нагрева насадки воздухонагревателей, стальных заготовок и слитков в нагревательных печах, отопления зажигательных горнов на аглофабриках, котлов паросиловых установок, а также обогрева коксовых батарей (если коксохимический завод расположен на одной промплощадке).

 

 

 

 

Рис. 2. Общий вид доменной печи

1-фундамент;2-колонна; 3-летка для выпуска чугуна; 4-чугунные

желоба; 5-фурменные устройства;6-кольцевой воздухопровод; 7-мараторное кольцо кожуха; 8-футеровка; 9-стальной кожух; 10-колошник; 11-большой конус; 12-малый конус; 13-вращающийся механизм засыпного устройства; 14-приёмная воронка; 15,19-газоотводы; 16-скип; 17-воронка;18-наклонный   мост для скипового подъёмника; 20-воронка (чаша); 21-летка для выпуска чугуна; 22-рабочая площадка.

 

 

При очистке доменного газа из него отделяют колошниковую пыль и шламы, которые направляют на аглофабрику в качестве добавки в агломерационную шихту для производства агломерата.

Для выполнения регламентных работ по уборке жидких продуктов плавки (набивка чугунных и шлаковых желобов, изготовление футляров чугунных и шлаковых леток, забивка чугунных леток) на доменную печь в зависимости от ее объема и производительности поставляют заправочные огнеупорные материалы - леточные, желобные и футлярные массы. Для этой цели в структурной схеме (см. рис. 1) предусмотрено сооружение отделения по приготовлению заправочных материалов. Ранее в доменных цехах при подготовке желобов для выпуска чугуна и шлака применялся песок. В настоящее время использование вместо песка специальной огнеупорной массы заданного состава обеспечивает пропуск 100-150 тыс. т чугуна без замены футеровки желобов.

Современная доменная печь - это мощный и высокопроизводительный металлургический агрегат, расходующий ежесуточно 25—30 тыс. т шихтовых материалов и кокса (500-600 кг условного топлива на 1 т чугуна). Для обеспечения непрерывной подачи такого количества материалов и удаления продуктов плавки необходимо оборудовать доменную печь надежными конструкциями и механизмами, организовать качественный уход и надзор за ними.

Производство чугуна в доменной печи представляет собой совокупность механических, физических и химических процессов. В результате окислительно-восстановительных реакций из оксидов восстанавливаются железо, марганец, кремний, фосфор и другие элементы, а оксид углерода, водород, твердый углерод окисляются.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное противоточное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса и других углеводородсодержащих компонентов в нагретом до 1000-1200 °С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его периметру фурмы. К дутью могут добавляться технический кислород, водяной пар, а также топливные добавки - природный газ, мазут, пылеугольное топливо, горячие восстановительные газы.

Под действием тепла восходящего газового потока кокс поступает в горн печи нагретым до 1400-1500 °С. В зонах горения у фурм углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья по реакциям:

Ск + О2 → СО2 + 400,928 МДж,      (1)

Ск + 0,5О2 → СО + 117,565 МДж.  (2)

Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода химически неустойчив и превращается в оксид углерода по реакции:

СО2 + С → 2СО - 165,767 МДж.    (3)

Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, содержащая 32-36% СО; 57-64% N2 и 1-10% Н2 и нагретая до 1800-2100 °С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в нижнюю часть печи вследствие выгорания кокса, перехода шихтовых материалов из твердого состояния в жидкое (образование чугуна и шлака) и периодического выпуска из доменной печи продуктов плавки. При этом газы, пройдя через столб шихтовых материалов, охлаждаются до 150-350 °С, а оксид углерода, отнимая кислород у оксидов железа и других металлов, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14-20%. Кроме оксида углерода восстановителями являются водород и твердый углерод.

В процессе нагревания опускающихся шихтовых материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов СО и Н2, а при температуре свыше 1000 °С и твердого углерода кокса, постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем в металлическое железо по схеме Fe203 → Fe304 → FeO → Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглероживается еще в твердом состоянии. По мере науглероживания температура плавления его понижается. Науглероженное железо с некоторым количеством кремния, марганца и фосфора в виде капель стекает по кускам кокса («коксовой насадке») в горн. При этом происходит дальнейшее его науглероживание, которое заканчивается в нижней части горна печи (в жидкой ванне), где содержание углерода в металле (чугуне) может превышать 4%.

В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы железосодержащих компонентов шихты и флюса (SiO , Аl2О3, CaO, MgO). Понижению температуры плавления шлака способствуют не восстановленные оксиды железа и марганца (FeO и МnО). В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляются вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса и его зола. При этом сера, поглощенная металлом в ходе плавки, переходит в шлак, образуя сульфид кальция CaS по реакции FeS + СаО → CaS + FeO, в результате чего содержание серы в чугуне снижается до 0,03-0,05%. Железо в доменной печи восстанавливается практически полностью (99,5%) и переходит в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полнота удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества. Фосфор в доменной печи восстанавливается на 100% и полностью переходит в чугун. Таким образом, материалы, загруженные в доменную печь, претерпевают ряд физико-химических превращений, в результате которых получаются конечные продукты плавки - жидкие чугун и шлак.