Производство чугуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА



Введение

Производство чугуна - это первая стадия двухступенчатого процесса переработки железных руд в сталь, который в настоящее время преобладает. Чугун выплавляют из железорудного сырья в доменных печах, в которых за счет сгорания топлива создаются высокие температуры, обеспечивающие процессы восстановления оксидов железа руды, образования жидкого чугуна и отделения пустой породы в виде шлака. Подобный процесс получил название доменного процесса или доменной плавки.



1. Сырье доменной плавки

В качестве сырья в доменном процессе используют специально подготовленные железные руды (агломерат, окатыши), твердое, жидкое и газообразное топливо, флюсы, марганцевые руды и воздух. Смесь твердых компонентов сырья, загружаемого в доменную печь, называется шихтой.

Топливо обеспечивает создание в печи высоких температур, необходимых для протекания реакций восстановления оксидов железа, образование оксида углерода (II) и водорода, являющихся газообразными восстановителями, диффузию углерода в восстановленное железо и образование чугуна. В качестве топлива используется преимущественно каменноугольный кокс и для снижения его расхода - добавки газообразного (природный и коксовый газы), жидкого (мазут) и аэрозольного (угольная пыль) топлив. Доменный кокс должен обладать высокой прочностью, сопротивлением к истиранию, не спекаться в условиях доменного процесса и содержать минимальные количества золы, серы и фосфора. Так, например, повышение содержания серы в коксе на 1 % увеличивает расход кокса на 10 % и снижает производительность печи на 20 %. Обычно в металлургическом коксе содержится: золы 8-12 %, серы 0,5-2,0 % и фосфора до 0,5 %.

Флюсы вводят в шихту для образования с пустой породой руды и золой кокса, содержащих тугоплавкие оксиды кремния, алюминия и кальция, легкоплавкого жидкотекучего и легко отделяемого от чугуна шлака. В качестве флюсов используют не содержащие серы и фосфора карбонат кальция и доломит CaCO₃ MgCO₃. В современном процессе флюсы вводят не непосредственно в доменную печь, а в шихту при ее подготовке, образуя так называемый офлюсованный железорудный материал.

Марганцевые руды, содержащие оксиды марганца МnО₂ и Мn₂О₃ или карбонат марганца МnСО₃, используются при выплавке ферромарганца и высокомарганцовистых (с содержанием около 1%) сортов литейного и передельного чугунов.

Воздух, обогащенный кислородом, обеспечивает горение топлива и образование газообразных восстановителей.

Железные руды перед доменной плавкой проходят специальную подготовку. Цель подготовки - повышение содержания железа в железорудных материалах, обеспечение необходимых дисперсности и газопроницаемости их и, как следствие, увеличение производительности доменной печи, снижение расхода кокса и флюсов. Основными операциями подготовки являются обогащенные руды и окускование рудной мелочи. Перед этим сырье подвергают обычным операциям дробления, тонкого измельчения и классификации (грохочения).

Метод обогащения зависит от состава руды, гидрофобности пустой породы и формы нахождения железа в руде. В зависимости от этого для обогащения используют промывку (отмывание пустой породы), флотацию, гравитационную и магнитную сепарацию. При этом оптимальную степень обогащения выбирают из технико-экономических соображений. По мере повышения содержания железа в концентрате возрастают затраты на обогащение (кривая CDна рис. 4.1), но сокращаются затраты на доменный процесс (кривая АВ). Очевидно, что оптимальная степень обогащения соответствует точке пересечения этих кривых (точка К), чему отвечает минимум на кривой себестоимости чугуна (кривая EF).

Рисунок 4.1 Определение оптимальной степени обогащения: 3 - затраты и себестоимость; м - содержание железа в шихте

Наиболее распространенный метод магнитной сепарации, которым получают до 90 % всего железорудного концентрата, основан на различной магнитной проницаемости минералов руды и пригоден для обогащения магнитных железняков. Магнитная сепарация может быть сухой, когда руду загружают на барабаны магнитных сепараторов, и мокрой, когда рудную пульпу подают в ванну под вращающийся барабан с электромагнитом, извлекающим из пульпы ферромагнитный минерал. На рис. 4.2 представлен магнитный сепаратор для сухой сепарации ленточного типа. Производительность магнитных сепараторов составляет более 400 т/ч при степени обогащения до 0,75 долей ед.

Рисунок 4.2 Схема магнитного ленточного сепаратора: 1- снимающая лента; 2- питающая лента; 3- бункер шихты; 4- бункер магнитного концентрата; 5 - бункер пустой породы; 6- магниты

Для обогащения методом магнитной сепарации немагнитных бурых и красных железняков их предварительно подвергают магнетизирующему (восстановительному) обжигу при 600-800 °С в восстановительной атмосфере, образующейся при неполном сгорании топлива:

3Fe₂O₃ + СО 2Fe₃O₄ + СO₂,

3Fe₂O₃ + Н₂ 2Fe₃O₄ + Н₂O.

Магнетизирующий обжиг приводит к повышению содержания железа в концентрате и по существу является химическим обогащением.

Полученные в результате обогащения концентраты усредняются по составу, после чего поступают на операцию окускования.

2. Окускование рудной мелочи

Полученный обогащением рудный концентрат мелкодисперсен и не может непосредственно использоваться для доменной плавки. Поэтому он подвергается операции окускования. Окускованием называется процесс превращения мелкого железорудного материала в кусковой материал необходимых размеров, которые обеспечивают стабильный и высокопроизводительный процесс доменной плавки. В черной металлургии используют два способа окускования: агломерацию и окомкование (окатывание).

1. Агломерацией называется способ окускования рудного концентрата путем спекания до частиц нужного размера за счет сжигания твердого топлива в слое концентрата или подвода тепла извне с одновременным удалением из него серы, мышьяка и пустой породы (оксида кремния). В металлургическую практику метод агломерации был введен в 1911 году и стал широко применяться с 30-х годов XX столетия.

Агломерацию осуществляют путем просасывания воздуха через слой шихты, состоящей из рудного концентрата (40-50 %), известняка (15-20 %), возврата агломерата (20-30 %), коксовой мелочи или коксика (4-6 %) и воды (6-9 %), при температуре около 1400 °C. Процесс агломерации протекает через три последовательных стадии:

- подготовительную, начинающуюся после зажигания шихты (нагрев шихты, испарение влаги, воспламенение топлива);

- стадию сгорания, сопровождающуюся опусканием зоны горения вниз (сгорание топлива с образованием оксида углерода (II), образование жидкой фазы, частичное восстановление оксидов железа);

- стадию охлаждения образовавшегося агломерата холодным воздухом.

На рисунке 4.3 представлены эти стадии процесса агломерации.

Рисунок 4.3 Схема агломерационного процесса: а - подготовительная стадия; б - стадия сгорания; в - стадия охлаждения

При агломерации в шихте протекают процессы:

- неполного окисления топлива и восстановления оксидов железа:

2С + O₂ = 2СО,

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СO₂,

Fe₃O₄ + СО = 3FeO + СO₂;

- термической диссоциации известняка и образования силикатов (шлак):

СаСО₃ = СаО + СO₂,

2СаО + SiO₂ = 2CaOSiO₂,

2FeO + SiO₂ = 2FeOSiO₂;

- диссоциации дисульфида и обжига сульфида железа:

2FeS₂ = 2FeS + S₂,

2FeS + 3,5O₂ = Fe₂O₃ + 2SO₂.

В результате агломерации из концентрата удаляется до 95 % серы и до 20 % мышьяка, значительное количество оксида кремния и повышается до 65 % содержание железа. Применение для доменной плавки подобного офлюсованного (полученного с добавкой флюсов) агломерата:

- исключает процесс диссоциации флюсов, вводимых в доменную печь, сокращая за счет этого на 10-12 % расход топлива;

- улучшает восстанавливаемость рудного сырья вследствие образования силикатов и освобождения железа из его соединений;

- уменьшает объем шихты, загружаемой в доменную печь;

- улучшает условия шлакообразования и отделения шлака от металла. В результате использования при доменной плавке офлюсованного агломерата производительность доменной печи возрастает на 10-12 %.

На рисунке 4.4 представлена технологическая схема агломерации.

Рисунок 4.4 Технологическая схема агломерации концентрата: 1 - бункера; 2 - транспортер; 3 - барабанный смеситель; 4 - агломерационная машина; 5 - барабанный окомкователь; 6 - отсасывающий вентилятор; 7 - зажигательный горн;8 - слой шихты; 9 - грохот

Процесс спекания шихты происходит на агломерационных машинах. Наиболее распространены машины непрерывного действия ленточного типа с поверхностью спекания до 800 м². Машина АКМ-800 этого типа имеет длину 102 м, ширину 8 м, что при скорости движения ленты 12 м/мин дает производительность 30000 т/сут.

2. Окомкованием (окатыванием) называется способ окускования тонко измельченного рудного концентрата путем превращения его в комки (окатыши) с последующим упрочняющим обжигом. Производство окатышей в промышленных масштабах было начато в США в 1955 году, а в нашей стране - в 1964 году. Окатыши используют как сырье доменной плавки (до 20 % состава железорудной части шихты) и в качестве полупродукта во внедоменном производстве стали.

Окомкование концентрата осуществляется в грануляторах барабанного или тарельчатого типа. При этом в шихту добавляется около 1,5 % мелкодисперсной глины (бентонита) в качестве связующего материала и известняк, если изготавливаются офлюсованные окатыши. Производительность грануляторов составляет 125-150 т/сут при диаметре окатышей 6-7 мм. Для обжига окатышей применяются ленточные обжиговые машины с площадью спекания до 500 м² и производительностью 2500-9000 т/сут. При обжиге сырые окатыши последовательно проходят зоны сушки при 250-400 °С, обжига - при 1200-1300 °С, где обогреваются продуктами сгорания газа или мазута, просасываемыми через решетку, и охлаждения холодным воздухом (рис. 4.5).



Рисунок 4.5 Технологическая схема изготовления окатышей: 1 - бункера компонентов шихты; 2 - сборный транспортер;3 - смесительный барабан; 4 - бункер бентонита; 5 - тарельчатый гранулятор; 6 - обжиговая машина; 7 - вентиляторы;8 - грохот; 9 - транспортер шихты

Целью обжига окатышей является упрочнение их до такого состояния, при котором они могут выдерживать без значительных разрушений транспортировку, перегрузки и процесс доменной плавки. При этом в отличие от агломерации при обжиге окатышей не происходит спекания материалов шихты. Обычно окомкованию подвергают концентраты магнетита, поэтому при обжиге происходит частичное окисление его до оксида железа (III):

4Fe₃O₄ + O₂ = 6Fe₂O₃,

который образует в офлюсованных окатышах легкоплавкие ферриты кальция СаО · Fe₂O₃ и 2CaO · Fe₂O₃, выполняющие роль шлаковой связки. Содержание железа в окатышах составляет обычно 80-90 %. В большинстве случаев для доменной плавки используют смесь агломерата и окатышей в отношении 2:1.

На рисунке 4.6 представлена общая принципиальная схема подготовки железорудного сырья к доменному процессу, включая операции обогащения, агломерации и окомкования.

Рисунок 4.6 Принципиальная схема подготовки железных руд к доменной плавке

3. Теоретические основы доменного процесса

Процесс доменной плавки происходит в плавильных агрегатах непрерывного действия шахтного типа - доменных печах, представляющих реакторы идеального вытеснения РИВ-Н. В них непрерывно движутся навстречу друг другу два материальных потока: сверху вниз твердая шихта и снизу вверх газообразные восстановители, образующиеся в результате горения топлива и взаимодействия продуктов горения с компонентами шихты. Подобный режим противотока создает постоянство движущей силы и скорости процесса восстановления и обеспечивает стационарность режима работы доменной печи.

Профиль плавильного пространства печи выбран таким образом, чтобы обеспечить равномерное опускание шихты вследствие горения кокса, плавления материалов шихты и периодического выпуска чугуна и шлака, равномерное распределение газового потока по сечению печи и максимально интенсивное протекание процессов восстановления руды, образования и разделения чугуна и шлака. В соответствии с этим в плавильном пространстве печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики и горн. На рисунке 4.7 представлены разрез доменной печи и распределение температур по ее высоте.

Рисунок 4.7 Профиль доменной печи

При установившемся режиме работы печи в ней создается и поддерживается определенный температурный режим и протекают химические и физико-химические процессы, которые могут быть сведены к нескольким группам. Они приведены ниже, причем номера их отмечены на схеме печи в тех ее зонах, в которых они протекают.

1. Подготовительные процессы. К подготовительным процессам, протекающим в интервале температур 100-400 °С, относится выделение гигроскопической и гидратной воды и летучих веществ из твердого топлива.

2. Образование газообразных восстановителей. Газообразные восстановители образуются в результате полного сгорания углерода кокса и природного газа при температурах 1800-1900 °C и последующего восстановления продуктов окисления при контакте с раскаленным коксом:

С + O₂ = СO₂ и СН₄ + 2O₂ = 2Н₂O,

СO₂ + С = 2СО и Н₂O + С = СО + Н₂.

Суммируя, соответственно получаем уравнения образования газообразных восстановителей:

2С + O₂ = 2СО - ДH,

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂- ДH.

3. Восстановление оксидов железа. Восстановление оксидов железа начинается при температуре выше 570 °С и в соответствии с теорией А. А. Байкова протекает ступенчато от высших оксидов к низшим, то есть

Fe₂О₃ > Fe₃О₄ > FeO > Fe

Заканчивается восстановление при температуре 1200 °С.

При доменной плавке прямое восстановление оксидов железа углеродом кокса играет незначительную роль и возможно лишь при высоких температурах. В доменной печи преобладает процесс косвенного восстановления их оксидом углерода (II) и водородом, описываемый уравнениями:



3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ - ДH, ДH= 53,74 кДж, (а)

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + СO₂ + ДH, ДH = 36,68 кДж, (б)

FeO + CO = Fe + СО₂ - ДH, ДH = 16,06 кДж, (в)

3Fe₂O₃ + Н₂ = 2Fe₃O₄ + Н₂O - ДH, ДH = 12,89 кДж, (г)

Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O + ДH, ДH= 77,54 кДж, (д)

FeO + Н₂ = Fe + Н₂O+ ДH, ДH= 24,79 кДж. (е)

Из этих реакций (а), (в) и (г) протекают с выделением тепла, реакции (б), (д) и (е) - с поглощением тепла. Расчет изобарно-изотермических потенциалов реакций (а), (б) и (в) по значениям ДG оксидов (табл. 4.1) дает для них значения соответственно 66, 54 и 6 кДж, что подтверждает справедливость теории ступенчатого восстановления оксидов железа.

Таблица 4.1

Изобарно-изотермические потенциалы оксидов

Оксид	FeO	Fe2O3	Fe3O4	CO	CO2	MnO	SiO2
ДG°298,кДж/моль	-252	-744	-1020	-137	-395	-364	-851

Каждой из приведенных выше реакций соответствует равновесный состав газовой фазы, характеризуемый отношением СО/СО₂ и зависящий от природы оксида железа (его термической стабильности) и температуры. На рисунке 4.8 представлены кривые равновесного состава газовой фазы над твердой фазой в функции температуры для реакций (а), (б) и (в). Так как реакция (а) практически необратима, кривая для нее приближается к оси абсцисс; следовательно, даже небольшой концентрации оксида углерода (II) в газовой фазе достаточно для восстановления Fe₂O₃ до Fe₃O₄. Реакция (в) является экзотермической, поэтому равновесная концентрация СО для нее возрастает при повышении температуры, в то время как для эндотермической реакции (б) она падает.

Из рисунка 4.8 следует, что если оксиды железа находятся в равновесии с газовой фазой, содержащей СО и СО₂, то в поле диаграммы ниже кривой 1 устойчив оксид Fe₂O₃, в поле между кривыми 1 и 2 - оксид Fe₃O₄, в поле между кривыми 2 и 3 - оксид FeO и в поле выше кривой 3 металлическое железо. Если в системе находится в избытке углерод, то состав газа будет определяться кривой 4. По условиям термодинамики восстановление оксида Fe₂O₄ в оксид FeO может начаться при температуре, отвечающей точке А, а оксида FeO в железо - точке Б. Фактический состав газовой фазы в печи таков (кривая 5), что только при высоких температурах достигаются равновесные концентрации СО, отвечающие реакции СО₂ + С = 2СО + ДH. При низких температурах фактическое содержание СО выше равновесного и по отношению к железу в печи всегда поддерживается восстановительная атмосфера (27 - 30 % СО в газе).

Рисунок 4.8 Равновесный состав газовой фазы реакций восстановления оксидов железа оксидом углерода (II): 1, 2, 3 - кривые равновесия для реакций а, б, в, соответственно; 4 - кривая равновесного состава для реакции СО₂ + С = 2СО; 5 - кривая, отвечающая составу реального газа в печи

Суммируя реакции а, б и в, получаем уравнение восстановления оксида железа (III) до металлического железа в виде

Fe₂O₃ + 3СО? 2Fe + 3CO₂ - ДH, ДH= 25,58 кДж,

из которого следует, что процесс в целом является экзотермическим.

Скорость косвенного восстановления оксидов железа оксидом углерода (II) пропорциональна концентрации СО в газовой фазе:

,

где С_СО - концентрация СО в газовой фазе действительная; С_СО* - равновесная концентрация СО над твердой фазой, и тем выше, чем более система удалена от состояния равновесия. Из приведенных выше реакций образования газообразных восстановителей следует, что этому способствует увеличение концентрации кислорода в подаваемом в печь воздухе и повышение давления, что и используется на практике.

При температуре выше 900 °C происходит интенсивное восстановление оксида углерода (IV) на поверхности раскаленного кокса, и процесс может быть описан уравнениями:

FeO + СО = Fe + СO₂- ДHи С + СO₂ = 2 СО +ДH.

Суммируя их, получаем

FeO + C = Fe + CO + ДH, ДH=153 кДж,

то есть процесс восстановления оксида железа FeO можно рассматривать как протекающий в твердой фазе, как прямое восстановление. Этой реакции на рис. 4.8 отвечает заштрихованная часть поля, следовательно, доля прямого восстановления растет с увеличением температуры доменного процесса.

4. Науглероживание железа и получение чугуна. Науглероживание губчатого металлического железа происходит при его контакте с доменными газами, содержащими оксид углерода (П), и раскаленным коксом. Процесс науглероживания начинается в твердой фазе при температуре около 600 С на поверхности свежевосстановленного железа, катализирующего реакцию распада оксида углерода (II). При этом образуется высокоактивный сажистый углерод, реагирующий с железом с образованием карбида железа:

2СО = СO₂ + С и 3Fe + С = Fe₃C,

или 3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂ - ДH, ДH= 180,5 кДж.

При переходе металла в жидкое состояние науглероживание становится более интенсивным и протекает уже непосредственно за счет взаимодействия железа с раскаленным коксом с последующим растворением карбида железа в железе. По мере науглероживания температура плавления железа понижается с 1539 °С (чистое железо) до 1135 °С (сплав, содержащий 4,3 % углерода).

5. Восстановление примесей. В состав металлизированных материалов шихты (агломерат, окатыши) входят помимо оксидов железа оксиды различных элементов. По возрастанию сродства к кислороду и термодинамической прочности их оксидов они располагаются в ряд: Сu, As, Ni, P, Zn, Mn, V, Cr, Si, Ti, Al, Mg, Ca. Степень восстановления этих элементов в доменной печи соответствует их положению в этом ряду. Медь, мышьяк, фосфор подобно железу почти полностью восстанавливаются и переходят в чугун; цинк, хотя и восстанавливается, но возгоняется; ванадий и хром восстанавливаются на 70-90 %. Алюминий, кальций и магний при доменной плавке не восстанавливаются.

Важнейшие элементы в шихте - марганец и кремний, входящие в виде различных силикатов в состав агломерата, золы, кокса и оксидов марганца, содержатся в марганцевых рудах. Кремний и марганец (из его низшего оксида) восстанавливаются только по реакциям прямого восстановления при температуре 1150-1300 °С:

SiO₂ + 2C ? Si + 2CO + ДH, ДH = 635,1 кДж,

МnО + С ? Мn + СО + ДH, ДH = 288,3 кДж.

В отличие от оксида марганца (II) высшие оксиды его легко восстанавливаются в газовой фазе оксидом углерода (II) уже при 200-500 С в последовательности, аналогичной последовательности восстановления оксидов железа:

МnO₂ > Мn₂O₃ > Мn₃O₄ > МnО.

Расчет изобарно-изотермического потенциала реакций восстановления кремния и марганца по значениям ДG соответствующих оксидов (табл 4.1) показывает, что они составляют соответственно +61 и -31 кДж, а для реакции восстановления железа из FeO - +109 кДж. Поэтому прямому восстановлению подвергаются, в первую очередь, кремний и марганец.

Образование шлака. При доменной плавке одновременно с образованием чугуна образуется шлак в виде различных силикатов за счет взаимодействия невосстановленных основных (CaO, MgO, MnO и FeO) и кислотных (Al₂O₃ и SiO₂) оксидов. По мере перемещения в зону высоких температур (выше 1400 °С) шлак обогащается оксидами кальция, магния, алюминия и кремния за счет восстановления оксидов железа и марганца и становится жидкотекучим. Состав доменного шлака: 85-95 % CaO, SiO₂, Аl₂O₃; 2-10 % MgO; 0,2-0,6 % FeO; 0,3-3,0 % MnO; 1,5-2,5 % серы в виде CaS.

Реакции с участием серы и фосфора. Сера и фосфор вносятся в доменную печь с материалами шихты: сера в виде органических соединений, сульфидов и дисульфидов железа и других металлов, а также сульфатов с коксом и агломератом, фосфор - в виде тетракальцийфосфата с пустой породой и флюсами. Оба элемента ухудшают качество как чугуна, так и выплавляемой из него стали, поэтому содержание их в металле должно быть ограничено.

Восстановление фосфора в присутствии оксида кремния шихты протекает при температуре выше 1100 °С по реакциям:

4СаОР₂O₅ + 4SiO₂ = 4CaOSiO₂ + Р₂O₅,

Р₂O₅ + 5С = 2Р + 5СО.

Восстановленный фосфор растворяется в железе и полностью переходит в чугун. Поэтому получить металл с низким содержанием фосфора можно только на основе низкофосфористой шихты.

Сера из шихты в процессе плавки частично, на 10-20 %, переходит в газовую фазу в виде оксида серы (IV), сероводорода и др. соединений, но большая часть ее остается в шихте в виде сульфидов железа FeS, марганца MnS и кальция CaS. Из них сульфиды железа и марганца хорошо растворимы в металле, а сульфид кальция - в шлаке. Поэтому для удаления серы из чугуна необходимо перевести сульфиды железа и марганца в сульфид кальция, который не растворяется в чугуне (рис. 4.9).



Рисунок 4.9 Схема передачи серы из шихты в шлак

Для этого в печи должны быть созданы условия получения жидкого хорошо нагретого шлака основного характера с высоким содержанием оксида кальция. При взаимодействии такого шлака с сульфидами железа и марганца протекают обменные реакции:

FeS + СаО = FeO + CaS и MnS + СаО = MnO + CaS.

Образовавшиеся оксиды металлов восстанавливаются углеродом кокса до свободных металлов, поэтому процесс обессеривания чугуна может быть выражен суммарным уравнением, например, для сульфида железа:

FeS + СаО + С = Fe + СО + CaS (в шлак).

4. Технологическая схема доменного производства

Организация технологического процесса выплавки чугуна из руды должна предусматривать:

- непрерывность процесса плавки при периодичности операций загрузки материалов шихты, выпуска чугуна и шлака;

- осуществление противотока реагентов (шихты и газообразных компонентов сырья);

- использование теплоты продуктов процесса;

- герметизацию оборудования и возможность непрерывного отбора доменного газа.

В соответствии с этими задачами технологическая схема доменного производства (рис. 4.10) включает:

- рудный двор и бункерную эстакаду для хранения, дозировки и загрузки в скипы (тележки) материалов шихты;

- доменную печь;

- систему подогрева и подачи воздушного дутья;

- устройство для уборки и транспортировки жидких продуктов плавки (чугуна и шлака);

- систему очистки доменного газа.

Рисунок 4.10 Технологическая схема доменного производства: 1- бункер агломерата; 2- бункер кокса; 3 - скиповый подъемник;4- доменная печь; 5 - засыпной аппарат доменной печи; 6 - пылеуловитель; 7 - промывной скруббер; 8 - мокрый электрофильтр; 9- каупер; работающий на подогрев дутья; 10 - каупер, работающий на разогрев насадки; 11 - дымовая труба

Агломерат и кокс загружаются на рудном дворе в бункера 1 и 2, из которых они поступают в скипы подъемника 3. Скипы с материалами шихты в определенной последовательности, например, АККАК (где А - скип с агломератом, К - скип с коксом), подаются в загрузочное устройство (засыпной аппарат) 5 доменной печи 4. В нижнюю часть печи через фурмы с помощью воздуходувки из каупера (воздухонагревателя) 9 подается воздух, нагретый до 1200-1300 °С. Образующиеся в процессе плавки жидкие чугун и шлак периодически выпускаются из нижней части печи через специальные отверстия - летки. Выпускаемый чугун собирается в ковши емкостью 90-140 т, или в миксер; футерованные огнеупорным материалом емкостью до 420 т, установленные на железнодорожных платформах. Шлак отводится по желобу в шлаковозы и направляется на грануляцию. Доменный газ, выходящий из колошника печи, очищается от пыли в пылеуловителе 6, скруббере 7, орошаемом водой, и окончательно - в мокром электрофильтре 8. Очищенный и охлажденный до 40 °С газ направляется в каупер 10, где сжигается в токе воздуха и разогревает насадку. Кауперы работают, таким образом, попеременно: один на подогрев воздушного дутья, другой - на разогрев насадки, что обеспечивает бесперебойность подачи подогретого воздуха в доменную печь.

Основными аппаратами доменного производства являются доменная печь и каупер.

Доменная печь имеет форму башни из огнеупорного кирпича, заключенную снаружи в металлический сварной кожух. Изнутри печь имеет огнеупорную футеровку. Для уменьшения выгорания кладки она снабжена специальными холодильниками. Масса печи достигает 30 000 тонн, поэтому она устанавливается на мощном фундаменте. Размеры печи зависят от ее полезного объема, который определяется ее полезной высотой (от верхнего уровня шихты до чугунной летки). Размеры остальных элементов печи (рис. 4.7) зависят от ее полезного объема. Так, для наиболее мощных современных печей полезным объемом 5000 м³ полезная высота равна 32,2 м, высота шахты 19,5 м, диаметр и высота горна 14,9 и 4,5 м соответственно. Материалы шихты подаются в колошник через загрузочное устройство, обеспечивающее равномерное распределение их по сечению печи и герметичность в момент загрузки. В горн печи через равномерно расположенные по его окружности отверстия (от 24 до 40) с помощью фурм подается из общего кольцевого трубопровода подогретый воздух (воздушное дутье) под давлением от 0,1-0,35 МПа. Для выпуска чугуна и шлака в горне печи имеются отверстия - летки (от 10 до 18), забиваемые огнеупорной глиной.

Каупер представляет регенератор периодического действия, в котором используется теплота сгорания доменного или природного газа. Он выполнен в виде металлического цилиндра высотой до 50 м и диаметром 6-9 м общим объемом до 4000 м³, выложенного внутри огнеупорным материалом. Внутренне пространство каупера разделено на две части: камеру сгорания и камеру с насадкой из огнеупорного кирпича, снабженной сквозными каналами. В камере сгорания сжигается доменный газ, к которому для увеличения теплоты сгорания добавляется природный газ, и продукты горения обогревают насадку во второй камере. По достижении 1200-1300 °С дымоход перекрывается, и через нагретую насадку пропускается холодный воздух, а обогревающий газ переключается на другой каупер.

5. Продукты доменного производства

Доменный процесс организуется для производства целевого продукта чугуна. Однако, помимо чугуна, конечными продуктами доменной плавки являются также шлак и доменный газ.

Из всего выплавляемого чугуна до 90 % его составляет чугун передельный, используемый для производства стали и переплавки в литейный чугун, и только 10-15 % составляет серый литейный чугун.

Доменный шлак - побочный продукт плавки. Выход его зависит от состава шихты и составляет 0,3-0,6 т на 1 тонну чугуна. Шлак используют в качестве сырья в производстве цемента, вяжущих веществ, шлаковой пемзы и ваты, ситаллов, материалов для дорожного покрытия. В эти продукты перерабатывается до 75 % годового количества шлака.

Доменный (колошниковый) газ содержит до 60 % азота, 10-18 % оксида углерода (IV), 24-32 % оксида углерода (II) и незначительные количества метана и водорода. Теплота сгорания доменного газа составляет около 4000 кДж/м³. Он используется в качестве топлива для обогрева кауперов, в прокатных цехах для нагрева стальных слитков и др.

6. Интенсификация доменного процесса

Под интенсификацией понимают методы и приемы ускорения протекающих в доменной печи процессов с целью повышения ее производительности и улучшения показателей работы. К ним относят:

Применение сырья улучшенного качества, в том числе офлюсованных железорудных материалов с повышенным содержанием железа и малосернистого кокса. Так, повышение содержания железа в агломерате на 1 % увеличивает производительность печи на 2,5 % при одновременном снижении УРК на 2 %; уменьшение массы известняка на 0,1 т/т чугуна при замене обычного агломерата на офлюсованный, снижает УРК на 3 %, а понижение содержания серы в коксе на 1 %, соответственно на 2,5 %.

Повышение температуры воздушного дутья увеличивает поступление в печь физического тепла, что позволяет снизить расход кокса и соответственно вносимой с ним золы и расход флюсов на ее связывание. Так, при повышении температуры дутья от 1000 до 1200 °С УРК снижается на 5 %.

Обогащение воздушного дутья кислородом увеличивает скорость горения топлива и последующих процессов образования восстановителей, и восстановления оксидов железа, уменьшает количество тепла, выносимого из печи с балластным азотом воздуха. Так, при повышении содержания кислорода в дутье с 21 до 30 % об УРК снижается на 9 %, а производительность печи увеличивается на 10 %. При более высоком содержании кислорода в печи развиваются излишне высокие температуры, что может вызвать подвисание шихты и замедление плавки.

Повышение давление газов в печи увеличивает количество воздуха, подаваемого в печь, и форсирует ее работу. При этом за счет лучшего использования газообразных восстановителей снижаются расход топлива и вынос пыли с газом. Так, применение давления на колошнике снижает УРК на 3-7 % и повышает производительность печи на 4-15 %.

Использование природного газа. Стоимость кокса составляет до 50 % себестоимости выплавляемого чугуна, к тому же запасы коксующихся углей ограничены. Замена части кокса природным газом обогащает газовую фазу восстановителями, в том числе водородом, снижает температуру в горне при использовании обогащенного кислородом дутья, повышает удельный вес процессов косвенного восстановления оксидов железа и уменьшает количество образующейся золы и, следовательно, шлака. Применение природного газа повышает производительность печи на 15-20 %.

Контрольные вопросы

выплавка чугун доменный оксид

1. Назовите основные компоненты сырья в доменном процессе и укажите их назначение

2. Какие руды могут подвергаться обогащению методом магнитной сепарации?

3. Что такое агломерация и окомковывание рудного сырья?

4. Какие процессы и на каком уровне протекают в доменной печи?

5. Чем объясняется последовательность восстановления оксидов железа в доменном процессе?

6. За счет каких процессов образуется доменный шлак при выплавке чугуна?

7. С какой целью подогревается воздух перед подачей в доменную печь?

8. Для чего в доменную печь вводят природный газ или жидкое топливо?

Размещено на Allbest.ru

...