Производство чугуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Металлургией чугуна называется раздел металлургии, изучающий процессы и технологию производства чугуна. Протекание этих процессов в отдельных агрегатах - доменных и мартеновских печах, конвекторах, электропечах и т.д. - имеет свои особенности, оказывающие решающее влияние на технико-экономические показатели их работы.

Производство чугуна требует знания свойств сырья и подготовки его к плавке, закономерностей доменного процесса, устройства доменных печей и цехов, а также технологии и организации доменного производства.

Доменное производство представляет собой следующую схему. Поступающие на металлургический завод руду, концентрат (продукт обогащения руды), и флюс направляют на фабрику окускования, где из них производят агломерат или окатыши. Отсеянный от мелочи агломерат направляют в доменный цех. Одновременно туда попадают кокс и дополнительный флюс. Агломерат, флюс и отсеянный от мелочи кокс загружают в доменную печь. Дутье, подаваемое воздуходувкой, подогревают в воздухонагревателе до температуры 1100-1350 °С и нагнетают в печь. Одновременно с дутьем можно также подавать технологический кислород, который выделяют из воздуха на специальных установках. С целью снижения расхода кокса в печь могут вводиться другие виды топлива и восстановители: природный газ, коксовый газ, мазут, пылевидное топливо. Оксиды железа, являющиеся полезной частью руды, всегда сопровождаются балластными соединениями, не содержащими железо, которые называются пустой породой. Пустая порода состоит, главным образом, из кремнезема SiО₂, небольшого количества AI₂O₃, извести СаО, оксида магния MgO.

Флюсом доменной плавки чаще всего является известняк СаСО₃, который после разложения в печи превращается в СаО. Необходимость введения в печь флюса объясняется тем, что остающаяся после восстановления оксидов железа пустая порода вследствие тугоплавкости расплавиться в печи не может. Добавление флюса резко снижает температуру плавления породы, она вместе с флюсом расплавляется, образуя жидкий шлак. чугун доменный плавка

В настоящее время в качестве топлива для доменной печи применяют кокс, который вследствие высокой прочности и пористости является наиболее подходящим видом топлива.

Продуктами доменной плавки являются жидкий чугун, жидкий шлак и колошниковый газ.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав на основе железа, содержащий углерод, кремний, марганец, серу и фосфор. Различают три основных вида продукции: передельный чугун, перерабатываемый в сталь, литейный чугун, из которого отливают изделия; ферросплавы, предназначенные для использования в сталеплавильных цехах.

Шлак представляет собой балластные, т.е. не содержащие железо, оксиды, вносимые в доменную печь с рудой, агломератом, золой кокса и флюсом - S₁O₂, AI₂O₃, СаО, MgO. Он используется для производства строительных и вяжущих материалов.

Колошниковый газ, выходящий из печи, является газообразным топливом и содержит 20% оксида углерода (II), до 5-6% водорода и около 0,5% метана. Часть колошникового газа сжигается в воздухонагревателях при подогреве дутья, а остальной используется как энергетическое топливо в нагревательных печах, в котельных и т.д.

Доменный процесс является процессом восстановительным, т.к. сущность его заключается в восстановлении оксидов железа из руды.

Доменная печь является шахтной печью. Внутренние очертания печи по вертикальному сечению называются профилем. В горизонтальном сечении печь круглая.

Верхняя цилиндрическая часть печи называется колошником, и предназначена для загрузки материалов. Ниже располагается шахта, представляющая собой расширяющийся книзу конус. Это расширение необходимо для облегчения опускания твердых материалов, увеличивающихся в объеме при нагревании. К нижней части шахты примыкает наиболее широкая цилиндрическая часть, называемая распаром, в котором происходит плавление шихты. Ниже распара расположены заплечики, имеющие форму усеченного конуса с меньшим основанием внизу, т.к. объем материалов вследствие плавления уменьшается. Нижней частью печи является цилиндрический горн, в котором происходит горение кокса и собираются жидкие продукты плавления.

Агломерат, руда, известняк и кокс загружаются на колошник доменной печи специальным засыпным аппаратом. Назначение аппарата состоит в правильном распределении загружаемых материалов по горизонтальному сечению печи. При неправильном распределении потоки газа, проходя через тонкий слой руды, будут выходить из печи с высокой температурой и высоким содержанием восстановительных газов, т.е. их энергия будет использоваться недостаточно. Вследствие горения кокса в горне и уменьшения объема шихты из-за плавления чугуна и шлака загруженные на колошник материалы непрерывно опускаются в нижнюю часть печи. Навстречу опускающимся материалам движется поток восстановительных газов. Доменный процесс является восстановительным противоточным процессом, т.к. он заключается во взаимодействии опускающихся сверху вниз материалов и поднимающегося снизу вверх потока нагретых восстановительных газов, образующихся в горне при горении кокса. Интенсивность теплообменных и восстановительных процессов определяет технико-экономические показатели плавки.

Все происходящие в доменной печи физико-химические процессы можно разделить на три группы: процессы окисления (горения) топлива, процессы восстановления оксидов железа и других элементов и процессы плавления.

Процессы окисления, или горения, топлива протекают в горне доменной печи в небольших объемах возле воздушных фурм. Фурмы расположены по окружности верхней части горна и представляют собой энергично охлаждаемые водой устройства, через которые в печь подается атмосферное дутье, предварительное нагретое в воздухонагревателях до температуры 1100-1350 °С. В качестве добавок к дутью могут использоваться водяной пар, природный газ или кислород.

Так как воздух по объему состоит из 21% кислорода и 79% азота, то на каждую молекулу кислорода приходится 79/21 =3,76 молекулы азота. В выходящем из фурм с высокой скоростью дутье сгорает находящийся в горне раскаленный кокс. Началом этого процесса является реакция:

С + О₂ + 3.76N₂ -» СО₂+ 3.76N₂ + 400.428 МДж

Образующийся по этой реакции оксид углерода (IV) при высоких температурах, имеющих место в горне, взаимодействует с углеродом по уравнению реакции:

СО₂ + С -> 2СО - 165,797 МДж

Таким образом, конечным продуктом горения углерода в горне является оксид углерода (II). Процессы окисления углерода кокса кислородом и оксидом углерода (IV) протекают возле фурм в небольших зонах, называемых окислительными, или зонами горения. В отличие от этих зон, во всем остальном объеме печи атмосфера восстановительная. Образующийся в горне газ поднимается вверх, восстанавливая опускающиеся шихтовые материалы.

Процессы восстановления протекают во всем объеме печи за исключением окислительных зон в горне. В доменной печи восстанавливаются оксиды железа, марганца, кремния, фосфора, серы и некоторых других элементов. Но главным из этих процессов является восстановление основного компонента - оксида железа.

Восстановителями в доменной печи являются оксид углерода (II) СО, водород Н₂ и твердый углерод С. Оксид углерода (II) образуется в горне при горении кокса. Твердый углерод вносится в печь коксом и есть в любой зоне печи. Водород при обычном атмосферном дутье образуется в результате разложения небольшого количества водяного пара, содержащегося в воздухе. Но при вдувании в печи природного газа, представляющего собой почти чистый метан СН₄, он разлагается и вносит значительное количество водорода.

Реакции восстановления оксида железа (III) оксидом углерода (П) описывается следующими уравнениями:

3Fe₂О₃ + СО -> 2Fe₃О₄ + СО₂ + 37.137 МДж

Fe₃Л₄ + СО 3FeO + СО₂ - 20 892 МДж

FeO + СО -> Fe + СО₂ + 13.607 МДж

Реакция восстановления оксида железа (III), описываемая уравнением (1), протекает при сравнительно низких температурах на колошнике и в верхней части шахты. По мере опускания агломерата температура и содержание СО в газе повышаются, что приводит к развитию реакции (2) - восстановление магнетита до оксида железа (II). Дальнейшее опускание материалов и повышение температуры приводят к восстановлению оксида железа (П) оксидом углерода (II) до металлического железа по реакции (3).

Однако условия восстановления в доменной печи таковы, что только 50-80% всех оксидов железа восстанавливается оксидом углерода (II) и водородом. Остальная же часть их восстанавливается твердым углеродом по уравнению реакции:

FeO + С -> Fe + СО - 152.190 МДж

Восстановление оксидов газами называется косвенным восстановлением, а восстановление твердым углеродом - прямым восстановлением.

Процессы плавления можно разделить на процессы образования чугуна и шлака. На определенном горизонте (в нижней части шахты) в куске рудного материала появляется металлическое железо. Однако расплавиться оно не может, т.к. температура плавления чистого железа довольно высока - 1535 °С. Такая температура создается гораздо ниже, в области горна. Но в свежевосстановленном металлическом железе энергично растворяется углерод, содержащийся и газе, и в коксе. Это резко снижает температуру плавления образовавшегося сплава - при содержании в железе 4,3% углерода она составляет всего 1130-1135 °С. Следовательно, металлическое железо, растворяя в себе углерод, превращается в чугун, который плавится. Расплавившись, чугун в виде капель и струек стекает вниз и скапливается в горне. Ниже этого горизонта в твердом состоянии находятся пустая порода руды, известняк и кокс. Опускаясь все ниже, эти материалы нагреваются до более высоких температур, и на определенном уровне пустая порода и флюс расплавляются, образуя жидкий шлак. Он струями стекает в горн и располагается над слоем чугуна. Горизонт образования шлака находится обычно на уровне распара. Ниже горизонта образования шлаков в твердом состоянии находится только кокс, который, опускаясь еще ниже, нагревается газами до температуры 1500-1600 °С и, попадая в горн, сгорает в струе дутья.

При совместном отекании вниз шлака и чугуна и взаимодействии их в горне происходит очистка чугуна от серы. После накопления достаточного количества шлака и чугуна их выпускают из печи через шлаковую и чугунную летки.

Главным технико-экономическими показателями работы доменной печи являются производительность и удельный расход кокса. Рассмотрим факторы, лимитирующие улучшение этих показателей.

Производительностью доменной печи называется масса чугуна, выплавленная за определенное время. При постоянном удельном расходе кокса она определяется количеством кокса, сжигаемого в горне в единицу времени, что, в свою очередь, зависит от количества подаваемого в печь дутья, а точнее - кислорода. Чем больше подается дутья, тем больше сжигается кокса и тем выше производительность печи. Однако увеличение количества дутья приводит к увеличению количества газа, продуваемого через столб шихтовых материалов в печи, т.е. к увеличению скорости потока газа. Движущийся с большой скоростью поток газа создает в столбе шихты подъемную силу, которая при определенном увеличении скорости газа становится настолько значительной, что уравновешивает силу гравитации столба шихты. Опускание шихты приостанавливается и происходит зависание шихты. Работа печи прекращается, т.к. загружать новые порции материала на колошник нельзя. Таким образом, увеличение количества подаваемого в печь дутья лимитируется зависанием шихты.

Подъемная сила потока газа в большей мере зависит от газопроницаемости столба материалов в печи - шихта из крупных прочных кусков агломерата и кокса позволяет продуть много газа без зависания шихты, в то время как загрузка в печь пылеобразных, непрочных, разрушающихся материалов резко уменьшает предельное количество дутья и, следовательно, производительность печи.

Снизить скорость газа в печи можно и другими методами. Например, можно уменьшить объем газа, а, следовательно, и его скорость выводом из дутья азота, не оказывающего заметного влияния на процесс. Этот эффект достигается обогащением дутья кислородом. Можно также уменьшить объем газа, повышая его давление в печи. Такое сжатие газа позволяет, сохраняя прежнюю скорость в печи, вдуть большее массовое количество кислорода и сжечь больше кокса.

Удельный расход кокса в доменной печи (то есть расход на выплавку 1 т чугуна) определяется содержанием железа в рудной части шихты, распределением железорудных материалов по сечению печи, нагревом дутья и использованием заменителей кокса.

Содержание железа в рудной части шихты (руда, агломерат, окатыши) определяет количество шлака, образующегося в печи. Чем богаче железом материалы, тем меньше вносится в печь пустой породы и, следовательно, тем меньше образуется шлака. Расход теплоты на нагрев и плавление шлака очень большой, поэтому снижение количества шлака приводит к существенной большой экономии кокса. Следовательно, важнейшим требованием к сырьевым материалам является высокое содержание в них железа. Этим и объясняется эффективность всех мероприятий по обогащению руд: несмотря на большие затраты на обогащение, оно окупается за счет экономии кокса в доменной печи.

Уменьшение количества шлака в печи имеет и другое важное следствие - повышение газопроницаемости нижней части печи. Вот почему улучшение качества шихты не только снижает расход кокса, но и повышает производительность доменной печи.

Расход кокса зависит также от распределения железорудных материалов на колошнике при загрузке, т.е. от эффективности взаимодействия потока материалов с потоком газа. При неправильном распределении рудных материалов по сечению печи часть газов будет обрабатывать много руды, а часть - мало. Это приведет к низкому использованию тепловой и химической энергии газа, который будет выходить из печи с высокой температурой и большим содержанием оксида углерода (II), вследствие чего удельный расход кокса повысится.

Расход кокса можно снизить за счет повышения количества теплоты, вносимой в печь дутьем. Высокой стоимостью кокса и ограниченностью ресурсов коксующихся углей объясняется стремление заменить кокс другими, более дешевыми и менее дефицитными видами топлива - природным и коксовым газами, мазутом, пылевидным топливом. Однако такая замена возможна только в ограниченных масштабах, т.к. прочный кусковой кокс является идеальным разрыхлителем столба шихты, придающим ему высокую газопроницаемость. Снижение же газопроницаемости шихты ухудшает, либо полностью расстраивает работу печи.

Расход кокса также можно уменьшить и предотвращением протекания в доменной печи второстепенных экзотермических процессов. Таким процессом является разложение известняка по уравнению реакции:

СаСО₃ -> СаО + СО₂ - 177.988 МДж

Этот процесс можно осуществить при производстве агломерата, спекая заранее составленную смесь руды с известняком - офлюсованный агломерат. В этом случае разложение известняка осуществляется за счет сжигания низкосортного топлива, а дорогой кокс в доменной печи экономится.

Важнейшей особенностью доменного процесса является связь между удельным расходом кокса и производительностью печи. При неизменном количестве кокса, сжигаемого в единицу времени в горне печи, изменение удельного расхода его приводит к изменению количества выплавленного чугуна. Поэтому снижение удельного расхода кокса всегда приводит к соответствующему повышению производительности печи, и наоборот - повышение расхода кокса снижает ее.

Таким образом, главными направлениями технического процесса в доменном производстве являются:

• обогащение железорудных материалов;

• совершенствование процессов окускования сырья с целью получения прочного, крупнокускового, с хорошей восстановимостью материала, обогащение дутья кислородом и повышение его температуры;

• повышение давления газа в рабочем пространстве печи;

• применение частично восстановленных вне доменной печи материалов.

Размещено на Allbest.ru