Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Историческое развитие доменного получения чугуна

2. Устройство доменной печи

3. Доменный процесс

4. Горячее дутье и его влияние на ход доменного процесса

5. Продукты доменного производства

6. Материальный и тепловой баланс доменной печи

7. Работа доменной печи

8. Выплавка чугуна в электрических доменных печах

Заключение

Список литературы



Введение

В данной работе рассмотрена технология доменного производства чугуна. Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс. доменный печь чугун выплавка

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 облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи.

Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и науглераживаясь в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава.



1. Историческое развитие доменного получения чугуна

Первобытный способ получения железа заключался в нагреве легковосстановимой руды на древесном угле в открытых горнах. Кислород, связанный с железом, соединялся с углеродом топлива, спекшаяся железная масса опускалась на дно горна и, взятая оттуда, освобождалась путем быстрой проковки от задержавшихся в ней шлаков. Ком извлекаемого из горна железа носил название крицы, а самый способ назывался сыродутным или кричным.

Впоследствии сыродутный способ был усовершенствован введением сначала ручного и затем механического дутья. Таким образом железо вырабатывалось до конца средних веков.

Стремление к более полной утилизации тепла повело к устройству закрытых горнов, а стремление к усилению тяги -- к увеличению высоты трубы над горном.

Таким образом, горн постепенно начал принимать вид доменной печи. В самом процессе получения железа также начали возникать изменения: под влиянием высоких температур закрытого горна все чаще и чаще наблюдались случаи расплавления крицы, и на дне горна вместо кома железа получалась масса расплавленного чугуна.

Так постепенно сыродутный способ начал переходить в современный доменный.

Так как по мере увеличения температуры печей случаи расплавления крицы учащались, то начали пытаться отливать расплавленную крицу в простую форму и подвергать ее обработке под молотом. Эти попытки были неудачны: чугун и в холодном, и в нагретом состоянии разрушался под молотом.

Впоследствии были найдены способы переработки чугуна в железо, и доменный процесс производства чугуна получил широкое распространение.



2. Устройство доменной печи

На рисунке 1 представлена схема устройства доменной печи. В шахте 2 печи происходит процесс восстановления железа, в распаре 3 и заплечиках 4 восстановленное железо и пустая порода расплавляются, в горне 5 происходит накопление чугуна и шлаков. Часть железа восстанавливается твердым углеродом в нижних зонах печи.

Рисунок 1 - Схема доменной печи

На рисунке 2 представлен несколько упрощенный вертикальный разрез доменной печи. Надписи на чертеже вполне объясняют его.

Различают полную и полезную высоту печи. Полной высотой печи называют расстояние от пода печи до верха кладки, полезной -- расстояние от лещади (пода) до уровня засыпки.

Размер полезной высоты зависит от прочности применяемого горючего: чем прочнее горючее, тем больше может быть полезная высота печи. Рыхлое топливо под тяжестью вышележащих слоев шихты превращается в мелочь и вследствие этого оказывает большое сопротивление проходу газов; это обстоятельство заставляет при рыхлом топливе уменьшать высоту печи. Поэтому печи, работающие на коксе, всегда выше печей, работающих на древесном угле.

Основным размером доменной печи является полная высота. По полной высоте печи определяют диаметр распара; для печей, работающих на коксе, он обычно равен 0,25 высоты, По диаметру распара определяют диаметры колошника и горна.

Рисунок 2 - Разрез доменной печи



Если через D обозначим диаметр распара, через d -- диаметр горна и через d, -- диаметр колошника, то:

Высота доменных печей, работающих на коксе, доходит в настоящее время до 35 м.

Футеровку доменной печи делают из огнеупорного кирпича. Кожух печи делают из котельного железа толщиной 15--20 мм. Шахта печи стоит на опорном кольце и опирается на колонны, другая часть -- горн и заплечики опираются непосредственно на фундамент. Охлаждение нижней части шахты, горна и заплечиков производят при помощи холодильников с толстыми трубками, по которым циркулирует вода.

На рисунке 3 представлен (схематически) разрез горна и заплечиков. Лещадь (под) печи выложена из кирпичей, имеющих сужение кверху; это сужение имеет целью устранить возможность всплывания кирпичей в расплавленном чугуне; толщина кладки подины достигает 2,5 м.

Рисунок 3 - Разрез горна доменной печи



Летка для выпуска чугуна имеет обычно прямоугольное сечение шириной 200--250 мм и высотой 400--500 мм; летку забивают глиной, в которой при выпуске чугуна пробивают отверстие диаметром 50--60 мм.

Шахта опирается на колонны. Как горн, так и заплечики охлаждают, как было указано ранее, холодильниками.

На рисунке 4 представлено устройство фурменного прибора. Фурма 1 укреплена в бронзовой коробке 2. В чугунной коробке 3 залита спиральная трубка 4_, по которой циркулирует охлаждающая вода. По трубке 5 охлаждающая вода подводится к фурме и бронзовой коробке; через сопло 6 воздух подводится к фурме; кольцевая труба 7 подводит воздух (труба выложена внутри огнеупорным материалом); чугунный рукав 8 подводит воздух к соплу; рукав имеет внутри огнеупорную футеровку.

Количество фурм в больших печах достигает 17, диаметр отверстия фурмы составляет 150--200 мм. Материалом для фурм служит обычно медь.

Схема современного устройства двойного колошникового затвора такова. Сырые материалы загружают в воронку, при опускании малого конуса они попадают на большой конус. Когда на большом конусе будет загружена вся руда или кокс, большой конус опускается и материалы загружаются в печь.

Материалы подаются на верх печи на колошниковую площадку по наклонному рельсовому пути в специальных опрокидывающихся вагончиках -- скиповых тележках.

Для правильного распределения шихты по сечению печи малая воронка поворачивается после загрузки каждой скиповой тележки на 60°. Малый конус поднимается и закрывает воронку, большой конус опускается, и сырые материалы загружаются в печь; после этого большой конус поднимается и разобщает воронку с шахтой.



Рисунок 4 - Разрез через фурменное устройство

Большой конус привешен на цельной железной штанге, малый конус -- на полой штанге, через которую проходит штанга большого конуса.

Рисунок 4 - Разрез через фурменное устройство



3. Доменный процесс

Рисунок 6 - Схема расположения зон в доменной печи

Загруженные в печь сырые материалы попадают в верхнюю зону шахты. Здесь происходит их сушка и нагрев приблизительно до 200°.

Опускаясь вниз и нагреваясь до 350 450°, руда теряет химически связанную с ней влагу. Эта зона обозначена на рисунке 6 буквой б.

Загруженное в доменную печь топливо, опускаясь вниз, постепенно нагревается и поступает в раскаленном состоянии в горн, где сгорает за счет кислорода воздуха, нагретого до 500---850°, подаваемого в домну через фурмы под давлением -- 1,5-- 1,8 am. Углерод топлива энергично сгорает против фурм, образуя углекислый газ С0₂, который затем восстанавливается и образует окись углерода СО по реакции:

(3)

Полученная окись углерода СО является восстановителем, т. е. веществом, которое отнимает кислород от окислов.

Опускаясь, руда продолжает нагреваться потоком восходящих газов и восстанавливается. При этом протекают следующие реакции:



(4)

Таким образом, реакции восстановления протекают без затраты тепла. Этот процесс начинается при температурах, близких к 400°С, и заканчивается приблизительно при 900°. При температурах выше 950--1000° С закись железа восстанавливается твердым углеродом по реакциям:

(5)

Образовавшийся при восстановлении железа углекислый газ С0₂, поднимаясь в верхние зоны доменной печи, при температуре выше 900° встречает раскаленный углерод и вновь превращается в окись углерода СО по уравнению:

(6)

Восстановителем окислов железа в доменной печи, кроме окиси углерода, является и твердый химически чистый углерод, который образуется в шахте доменной печи вследствие распада окиси углерода при 400--600° по уравнению:

(7)

Это распадение окиси углерода на углекислый газ и углерод происходит в присутствии руды. Получающийся в виде тонкой сажи углерод осаждается на поверхности кусков руды, проникает через поры внутрь них, растворяется в восстановленном уже железе и при температуре выше 1000° восстанавливает остающуюся еще не восстановленной закись железа. При доменном процессе восстановленное и расплавленное железо обычно содержит до 3,5--4,0% общего углерода, но в некоторых специальных чугунах количество углерода может доходить до 6% (в зависимости от содержания Si, Mn, Cr, S и Р).

Железо, содержащее свыше 2% углерода, называется чугуном; следовательно, в результате доменного процесса восстановленное железо переходит в чугун.

Одновременно с плавлением железа и переходом его в чугун происходит воздействие углерода на находящиеся в руде Мn и Si. Марганец может находиться в руде в виде окислов МnО₂, Мn₂О₃, Мn₃О₄ и МnО; его восстановление происходит в результате реакций:

Дальнейшее восстановление Мn идет под действием твердого углерода по уравнению:

Кремний восстанавливается по уравнению

(10)

Эта реакция протекает при температуре около 1450°; поэтому для получения высококремнистого чугуна необходимо обеспечивать более высокую температуру в печи, чем при выплавке передельного чугуна.

Восстановленные Мn и Si растворяются в расплавленном чугуне.

Наряду с процессом восстановления железа при 600--900° происходит разложение известняка, вводимого в качестве флюса, на окись кальция и углекислый газ. Этот процесс может быть выражен уравнением:

Пустая порода руды сплавляется с окисью кальция флюса, образуя шлак, который периодически выпускают из печи.

В горне печи шлак растворяет золу кокса и, соприкасаясь с чугуном, поглощает из него серу. Реакция поглощения шлаком серы может быть выражена уравнением FeS (сернистое железо)+CaO = CaS (сернистый кальций) + FeO.

Соединение CaS нерастворимо в чугуне, а соединение FeS хорошо растворяется в чугуне.

Процесс освобождения чугуна от серы протекает тем лучше, чем выше температура горна. Вместе с тем с повышением температуры в горне и заплечиках (зона д) увеличивается и восстановимость кремния и марганца.

Так как увеличение содержания в чугуне кремния способствует при остывании выделению части углерода в виде графита, то серые (графитистые) чугуны можно получать при горячем ходе печи.

Фосфор всегда восстанавливается в доменном процессе в результате реакции:

(12)

Фосфор в условиях доменной плавки почти полностью переходит в чугун.

Кривая показывает, что в области шахты повышение средних температур (от колошника к распару) происходит сравнительно медленно, быстрый рост температур начинается с распара.



Рисунок 7 - Кривая температуры в разных зонах доменной печи

Высокие температуры в верхних зонах печи нежелательны, так как, если температура в верхних зонах доменной печи будет слишком высока, плавление руды может начаться прежде полного восстановления железа из окислов, и невосстановленные окислы железа могут вступить в химическое соединение с кремнеземом руды. В результате такого процесса образуются жидкоплавкие силикаты, стекающие вниз в виде шлака черного цвета. Для восстановления железа из его силикатов требуется создать особые условия работы печи, а именно: повысить температуру дутья или увеличить расход горючего. Для избежания возможности перехода железа в шлак необходимо стремиться к тому, чтобы на большей части высоты печи держалась умеренная температура и чтобы переход от умеренных температур к высоким происходил как можно быстрее; при таких условиях железо до плавления успеет полностью восстановиться, а пустая порода будет своевременно расплавлена.

4. Горячее дутье и его влияние на ход доменного процесса

Тепло, выделяемое сгорающим в доменной печи топливом, расходуется не только на плавление шихты, но и на нагрев воздуха, вводимого в доменную печь. При холодном дутье повышение температуры в горне может быть достигнуто лишь увеличением количества сжигаемого топлива при соответственном увеличении количества вдуваемого воздуха. В результате увеличивается количество получающихся при сгорании углерода горячих газов, которые, поднимаясь вверх, повышают температуру вышележащих зон печи.

В целях экономии топлива и получения более высоких температур в зоне горна и заплечиков прибегают к подогреву дутья до 500--850°.

Горячее дутье введено в доменный процесс в 1820 г.; вдуваемый в домну воздух подогревали в чугунных трубах, проходивших через топки, в которых сжигался каменный уголь. Несмотря на большой расход топлива на подогрев воздуха, доменный процесс в целом стал требовать меньше горючего, чем при холодном дутье.

В 1832 г. для подогрева воздуха начали применять доменный газ (как топливо), используя таким образом теплотворную способность входящих в состав этих газов окиси углерода и водорода. С 1857 г. для подогрева вдуваемого в доменные печи воздуха начали применять воздухоподогреватели с кирпичной насадкой.

Рисунок 8 - Схема воздухонагревателя



Схема устройства воздухоподогревателя представлена на рисунке 8. Сжигаемый воздухоподогревателем газ впускают через отверстие 1, а через отверстие 2 впускают воздух; отверстие 3 служит для выхода продуктов сгорания; отверстие 4 -- для впуска холодного воздуха, а отверстие 5 -- для выхода подогретого воздуха.

Во время нагрева воздухоподогревателя (каупера) отверстия 5 и 4 остаются закрытыми; газ подводится к отверстию 1, смешивается с воздухом и сгорает: продукты сгорания поднимаются по широкому каналу, опускаются но мелким выложенным огнеупорным кирпичом каналам насадки и уходят через отверстие 3 в дымоход.

Когда кирпичная насадка воздухоподогревателя нагрета до 800--1000°, впуск доменного газа прекращается; отверстия 1,2 и 3 закрывают, открывают отверстия 4 и 5. Через отверстие 4 поступает воздух, который, проходя через каналы, нагревается до 500--850° и через отверстие 5 направляется к фурмам доменной печи.

Для нормальной работы доменной печи необходимо иметь три одновременно действующих воздухоподогревателя. Переключение воздухоподогревателей производится примерно через час. Высота воздухоподогревателей доходит до 40 м, диаметр -- до 8 м.

В настоящее время имеется тенденция к применению дутья, обогащенного кислородом. Применение обогащенного кислородом дутья повышает производительность домны, уменьшает расход топлива на единицу веса выплавляемого чугуна, уменьшает количество азота в доменных газах и, как следствие, повышает их теплотворную способность, допускает применение низкосортного топлива и облегчает выплавку высококремнистых и высокомарганцевых чугунов.



5. Продукты доменного производства

Продуктами доменного производства являются чугун, шлак и доменный газ.

Чугун. Основным продуктом доменного производства является чугун. Различают следующие сорта чугуна.

а) Литейный, идущий на чугунные отливки после переплавки его в вагранках. Литейный чугун серого цвета и мягок. Углерод, входящий в состав этого чугуна, находится преимущественно в свободном состоянии -- в виде графита.

Так как примесь кремния к чугуну способствует выделению углерода в виде графита, то для получения литейного чугуна содержание кремния в нем должно быть от 1,25 до 4,25%, а количество марганца, препятствующего выделению углерода в форме графита, допускается обычно не более 1,30%. Для получения кремнистого чугуна необходимо вести процесс выплавки при горячем ходе печи.

б) Передельный чугун, идущий на переработку в сталь.

1) Мартеновский чугун, служащий для получения стали в пламенных регенераторных печах, содержит от 1,5 до 3,51% марганца и от 0,30 до 1,5% кремния; получается он при среднегорячем ходе печи.

2) Бессемеровский чугун, идущий на изготовление стали в конвертерах, содержит кремния от 0,9 до 2,0% и марганца от 0,6 до 1,5%; получается он при горячем ходе печи.

3) Томасовский чугун, идущий на переплавку в сталь в томасовских конвертерах; основной примесью в нем является фосфор -- до 2,0%; марганца не более 1,3%; кремния около 0,5%.

в) Специальные чугуны (предназначаются для раскисления стали).

Из всех сортов чугуна наиболее дорогими являются специальные чугуны, так как получение их требует наибольшего расхода горючего.

Химический состав чугунов приведен в таблице 1.

Шлак. Доменный шлак представляет собой сплав пустой породы с флюсом и золой кокса.

По составу шлаки разделяют на кислые и основные; первые содержат больше кремнезема и меньше извести, чем вторые.

Основные шлаки применяют в цементном производстве и при изготовлении кирпича.

Для приготовления цемента измельченный шлак смешивают с известью, спрессовывают в кирпичи, обжигают и затем тонко измельчают; полученная таким образом порошкообразная масса является готовым цементом.

Для производства кирпичей тонко измельченный шлак смешивают с известковым молоком. Из полученного теста формуют кирпичи; сформованный кирпич окончательно затвердевает на воздухе и идет в употребление без обжига.

Доменный газ. В состав доменного газа входит 8 16% С0₂; 26 32% СО; 0,1 4,5% Н₂; 0,2 0,4% СН₄ и 56 63% N.

В связи с большим количеством входящих в состав доменного газа горючих веществ колошниковые газы применяют на металлургических заводах в качестве топлива.

Так как газы, выходящие из доменных печей, увлекают за собой частицы пыли, то перед использованием их в качестве горючего их подвергают очистке.

Использование неочищенного доменного газа в воздухоподогревателях ведет к быстрому зарастанию ячеек и снижению к. п. д. воздухоподогревателей. Использование неочищенных доменных газов в двигателях внутреннего сгорания совершенно нецелесообразно, так как ведет к быстрой порче двигателей.

Таблица 2 - Материальный баланс доменной печи

Таблица 3 - Тепловой баланс доменной печи

6. Работа доменной печи

Выстроенная вновь или подвергнутая капитальному ремонту доменная печь должна быть тщательно высушена. Для этого на лещади устанавливают временные колосники, на которых сжигают дрова или каменный уголь.

После сушки доменную печь начинают загружать топливом, к которому прибавляют постепенно увеличивающиеся порции руды и флюса, доводя таким образом до нормального содержание руды в загрузке.

Смесь сырых материалов, загружаемых в домну, состоящая из руды, флюсов и топлива, носит название шихты. Шихту загружают порциями, называемыми колошами.

Обычно производимая механически загрузка состоит из следующих операций:

а) загрузки вагонеток -- скипов сырыми материалами;

б) подъема скипов на колошник домны;

в) опрокидывания скипов в загрузочную воронку;

г) опускания и подъема конусов

Наклонный подъемник для подачи скипов на колошник домны виден на рисунке 5 справа.

Для правильного ведения доменного процесса необходимо постоянное наблюдение за работой домны, которое в настоящее время осуществляется посредством соответствующих приборов. Наблюдению подвергают температуру в различных поясах доменной печи, состав и количество доменного газа, объем и температуру дутья. Одновременно ведут весовой учет сырых материалов, а также учет количества получаемого чугуна.

Выпуск шлака и чугуна производят по мере их накопления. Чугун выпускают обычно через 4--5 час, шлак через 1 1,5 час. (в зависимости от качества руды).

Шлак выпускают или в ковш, в котором его отвозят в отвал, или же из ковша заливается в бассейн с водой, где шлак гранулируется.

Чугун из ковша разливают в непрерывно движущиеся формы. Движение форм может происходить по принципу конвейера.

Залитый в формы чугун охлаждается, формы опрокидываются, и чугун попадает непосредственно в вагоны. Все эти операции механизированы и автоматизированы.

На рисунке 9 представлена схема устройства разливочной машины: из ковша 1 жидкий чугун заливают в движущиеся на транспортере формы 2. У конца 3 транспортера остывший чугун выпадает из форм непосредственно в вагон 4.

Формы перед заливкой чугуна обрызгивают известковым молоком; вода, испаряясь, охлаждает формы, а оставшаяся на внутренней части известь предохраняет от прилипания к форме расплавленного чугуна.

Рисунок 9 - Схема устройства машины для разливки чугуна

Для хранения поступающего из домны жидкого чугуна, предназначенного к переделу в сталь, его сливают в ковши большой емкости, называемые смесителями -- миксерами. На рисунке 10 показан миксер цилиндрической формы. Из ковша 1 чугун поступает в миксер 2, который поворачивают при помощи гидравлического цилиндра 3. Ковш 4 принимает чугун из миксера. Миксер делают из клепаного железа и футеруют огнеупорным материалом. Емкость миксеров достигает 2000 т. В миксерах большой емкости чугун остывает весьма медленно. Для поддержания чугуна в жидком состоянии миксеры иногда подогревают с помощью доменного газа или газа коксовальных печей. При хранении в миксерах чугун, выпускаемый из доменных печей в разное время, смешивается. Так как химический состав чугуна, выпускаемого из домны в разное время, не всегда одинаков, чугун постоянного состава получают выдерживая его в миксерах. Это очень важно для облегчения процессов передела чугуна в сталь. Кроме того, при наличии в чугуне некоторого количества марганца чугун во время длительной выдержки в миксерах теряет часть серы, что улучшает его качество. Марганец, вступая в реакцию с серой, образует сернистый марганец MnS, который вследствие плохой растворимости в жидком чугуне уходит в шлак. Производительность современной доменной печи достигает 1500 т. и более в сутки. Время пребывания шихты в печи или переработки сырья в чугун колеблется в пределах от 6 до 10 час.

Рисунок 10 - Миксер цилиндрической формы для сбора чугуна

7. Выплавка чугуна в электрических доменных печах

Сжигаемое в доменных печах топливо расходуется, с одной стороны, на восстановление железа, а с другой на нагрев руды и пустой породы, а также на различные потери. Количество тепла, потребного на восстановление железа, меньше количества тепла, расходуемого в домне, приблизительно в 2 раза. Поэтому с удешевлением электроэнергии начали делать попытки нагревать доменные печи посредством электричества, сокращая таким образом расход топлива до минимума, потребного для процесса восстановления. Эти попытки делались главным образом в странах, бедных топливом и богатых водной энергией, которая может быть легко обращена в электрическую.

Рисунок 11 - Электрическая доменная печь

Загрузку печи производят сверху через колошниковый затвор, подобный описанному ранее. В печь загружают руду, флюсы и кокс. Количество загружаемого кокса приблизительно в 2 раза меньше, чем при работе в обыкновенной доменной печи. Процесс восстановления идет при воздействии на руду газообразного СО и твердого углерода. Нагрев горна осуществляется при помощи трех угольных электродов, опущенных в горн.



Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы по дисциплине «Технология конструкционных материалов»: углублены и закреплены знания, полученные при изучении курса, в частности расширены знания по теме «Доменное производство чугуна», углублено представление о технологии доменного производства, приобретены навыки самостоятельной работы со справочной литературой.



Список литературы

1 Полтавец В.В. Доменное производство. М., 1981.

2 Металлургия чугуна. Е.Ф. Вегман, Б.Н., М.: Металлургия, 1978.

3 СТП ВГТУ, 2007

Размещено на Allbest.ru

...