Слив шлака, доставка в шлаковый отвал и его применение в народном хозяйстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное профессиональное образовательное учреждение

Тульской области

"Тульский государственный машиностроительный колледж

имени Никиты Демидова"

(ГПОУ ТО "ТГМК им. Н. Демидова")

Слив шлака, доставка в шлаковый отвал и его применение в народном хозяйстве

Волков В.А. - студент

Аннотация

Слив шлака, доставка в шлаковый отвал и его применение в народном хозяйстве. Пояснительная записка состоит из __ страниц, список используемых источников - 7, 2 листа чертежей формата А1, 2 листа чертежей формата А2.

В выпускной квалификационной работе разобраны основные виды шлака, изучен процесс слива шлака из доменной печи и электродуговой, а так же из кислородного конвертера. Разработан процесс доставки шлака в шлаковый отвал и его применение в народном хозяйстве.

Введение

Основная масса отходов металлургических процессов образуется в виде шлаков.

Шлаки - это продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов (топлива, руды, плавней и газовой среды). Их химический состав и структура изменяются в зависимости от состава пустой породы, вида выплавляемого металла, особенностей металлургического процесса, условий охлаждения и др.

Основные объёмы внутренних перевозок, выполняемых железнодорожным транспортом промышленных предприятий, составляют межцеховые перевозки различных грузов.

Одним из видов межцеховых перевозок является перевозка жидкого шлака между доменным цехом и цехом шлакопереработки. Жидкий шлак из доменного цеха в отвал или грануляционные устройства доставляют специальным видом подвижного состава - шлаковозами.

Доменный шлак в ковшах доставляют в цех шлакопереработки, где производятся: шлаковый щебень, гранулированный шлак, шлаковая пемза, минеральная вата и другие материалы. Шлак, непригодный для переработки, а также отходы шлакопереработки транспортируют в отвал. Технологические перевозки являются составной частью производственного процесса. Объём перевозок жидкого чугуна, шлака, слитков, агломератов и других технологических грузов на металлургических заводах составляет примерно 40% от всего объёма перевозок. Основа успешной работы производства гармоничное сочетание различных видов транспорта: железнодорожного, конвейерного, автомобильного и специального внутризаводского транспорта. При этом следует обеспечивать высокую надежность перевозочного процесса и учитывать специфический характер перевозимых грузов, таких как жидкий чугун, горячие стальные слитки или непрерывно литая заготовка и другие.

1. Основные виды металлургических шлаков

1.1 Состав шлаков и их классификация

шлак отвал высокотемпературный

Металлургические шлаки подразделяют на шлаки черной и цветной металлургии.

В зависимости от характера процесса и типа печей шлаки черной металлургии делят на следующие виды:

- доменные;

- сталеплавильные (мартеновские, конвертерные, бессемеровские и томасовские, электроплавильные);

- производство ферросплавов;

- ваграночные шлаки.

Наибольшим является выход доменных шлаков, на 1 т чугуна он составляет 0,6…0,7 т. При выплавке стали выход шлаков на 1 т значительно меньше: при мартеновском способе - 0,2…0,3, бессемеровском и томасовском - 0,1…0,2; при выплавке стали в электропечах - 0,1…0,04 т.

Количество шлаков ферросплавного производства и ваграночных шлаков сравнительно невелико.

Выход шлаков в цветной металлургии зависит от содержания извлекаемого металла в исходной шихте. При плавке в отражательных печах медных концентратов с содержанием меди 10…15% выход шлака составляет 10…20 т на 1 т металла, при плавке в шахтных печах медных руд с содержанием меди 1…2% - 50…100, при шахтной плавке окисленной никелевой руды -100…200 т.

Химический состав доменных шлаков представлен в основном четырьмя оксидами: СаО (29…30%), МgO (0…18%), AL2O3 (5…23%) и SiO2 (30…40%). В небольшом количестве в них содержатся оксиды железа (0,2…0,6%) и марганца (0,3…1%), а также сера (0,5…3,1%). Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%).

Для шлаков цветной металлургии характерны пониженное содержание СаО+МgО (7..13%) и высокое содержание FeO (21…61%). Кроме основных компонентов шлаки цветной металлургии могут содержать в небольших количествах неизвлеченные металлы - медь, цинк, свинец, никель и др.

Повышенное содержание SiO? в шлаках приближает их к кислым, а извести - к основным. По содержанию оксидов железа, в частности FeO, шлаки разделяют на окислительные и восстановительные. Значительное количество FeO делает шлак окислительным.

Металлургические шлаки являются сложными системами, в которых присутствуют также оксиды Мn, Ва, Сr, Р. Кроме FeO, шлаки содержат и высшие оксиды железа Fe?O? и Fe?O?. Сера в шлаках находится в виде сульфидов или сульфатов Са, Мn и Fe. В отдельных случаях шлаки содержат оксиды Ti, В, V и ряд других соединений.

Оксиды, входящие в шлак, разделяют на три группы: кислотные (SiO?, Р?O?, SO?, SO?), образующие с основными оксидами соответственно силикаты, фосфаты и сульфаты; основные (CaO, MgO, FeO), образующие с кислотными оксидами соответствующие соли; амфотерные (Аl?O?), которые в зависимости от содержания других компонентов ведут себя и как кислотные, и как основные.

При оценке шлаков как сырья для строительных материалов важной характеристикой их химического состава является соотношение в них основных и кислотных оксидов - модуль основности:

Мо = (СаО + МgО) / (SiO2 + AL2O3),

при Мо> 1 шлаки относятся к основным, при Мо< 1 - к кислым.

Химический состав значительно влияет на физические свойства шлаковых расплавов, структуру и свойства затвердевших шлаков. Так, увеличение содержания оксида кальция в шлаках обусловливает повышение температуры их плавления понижение текучести.

Практические во всех металлургических шлаках в том или ином количестве наряду с продуктами кристаллизации содержится стекловидная фаза. В отвальных, медленно охлажденных основных шлаках, количество стекла незначительно, а в гранулированных доменных достигает 98%. Стекло является термодинамически неустойчивой фазой, оно в значительной мере определяет химическую активность шлаков. Установлено, что шлаковые стекла взаимодействуют с водой значительно интенсивнее, чем кристаллы минералов.

В шлаках наиболее важным кислотным оксидом является SiO?. Металлургические шлаки обычно представляют сплавы основных оксидов с SiО?, которые составляют преимущественно силикатные образования и потому их иногда классифицируют по величине отношения числа атомов кислорода, содержащегося в SiО?, к числу атомов кислорода, входящего в основные оксиды.

Для характеристики доменных шлаков широко применяют отношение CaO/SiO?. Но в связи со значительным содержанием Al?O?, и МgО в шлаке используют также отношения (СаО+MgO)/SiO?; (CaO+MgO)/(SiO?+Al?O?) и другие, более сложные. Изучение свойств многокомпонентной системы представляет большие трудности, поэтому такую систему условно сводят к трех - или четырехкомпонентной. Результаты исследований трехкомпонентной системы пополняют сведениями о влиянии на нее других компонентов.

Металлургические шлаки разделяют по видам выплавляемого металла на доменные, мартеновские, конвертерные, электросталеплавильные, ферросплавные, ваграночные. Их можно объединить в две группы: шлаки первичных металлургических процессов - доменные и ферросплавные, шлаки вторичных процессов - сталеплавильные и ваграночные.

1.2 Доменные шлаки

Шлакообразование является одним из важнейших процессов, протекающих в доменной печи и определяющих ее работу.

Выход доменного шлака, его состав и свойства зависят от химического и минералогического состава пустой породы железных руд, золы кокса, содержания серы в шихте, характера процесса восстановления и теплового состояния печи, а также от марки выплавляемого чугуна.

Удельный выход доменного шлака на отдельных предприятиях колеблется в широких пределах. Однако почти во всех доменных цехах выход шлака снижается в результате использования все более богатого железорудного сырья и частичной замены кокса низкозольными видами топлива. В среднем по доменным печам удельный выход шлака составил 440 кг/т чугуна.

При производстве чугунов определенного вида и постоянстве состава сырья для данного завода, а также при ровном ходе печи химический состав шлака остается сравнительно стабильным. Большинство доменных шлаков характеризуется основностью (CaO/SiO?) в пределах 1,0-1,2 и содержанием %: МgО и Al?O? соответственно 3-20 и 5-15; S 0,5-3; FeO 1-1 и МnО 0,2-3. В жидких шлаках содержится некоторое количество растворенных газов. Температура шлака при выходе из доменной печи 1450-1550 °С.

При высоком нагреве печи основность шлака увеличивается в результате восстановления и перехода в чугун большего количества Si. При холодном ходе печи основность шлака снижается с уменьшением степени восстановления Si.

Застывший основной шлак в изломе имеет светлую, матовую камневидную поверхность. Количество FeO в нем при высоком нагреве печи резко уменьшается, железо почти полностью восстанавливается и переходит в чугун. В кислых и низкотемпературных шлаках содержится сравнительно много FeO. В изломе такой шлак блестящий, стекловидный, серого цвета с переходом в черный. При горячем ходе печи образуется жидкоподвижный шлак, при выпуске которого выделяется много газов.

1.3 Сталеплавильные шлаки

Побочный продукт сталеплавильных процессов представляет собой расплав оксидов, образующихся при взаимодействии с кислородом примесей, содержащихся в чугуне и металлургическом ломе, компонентов ферросплавов, шлакообразующих, вносимых в сталеплавильную ванну для корректировки состава, миксерного и доменного шлака, поступающих с чугуном, а также от футеровки плавильных агрегатов.

Сталеплавильные шлаки обладают рафинирующим действием и очищают сталь от таких вредных примесей, как фосфор и сера. Одновременно с этим они защищают металл от окисления газовой фазой.

В электрометаллургических процессах шлак дополнительно выполняет

роль нагрузочного сопротивления.

Находясь в плавильном агрегате в непрерывном движении, высокотемпературный расплав разрушает футеровку за счет механического размывания ее, а также за счет химического растворения компонентов футеровки. Известно, что всякая система стремится достичь равновесного состояния. В результате этого из металла в шлак переходит ряд ценных, необходимых металлу элементов, что вызывает повышенный расход раскисляющих легирующих добавок. Кроме того, в шлаке запутывается определенное количество металла, что не только снижает общий выход годного металла, но и существенно затрудняет дальнейшую переработку шлака в продукцию, используемую в других отраслях промышленности и сельском хозяйстве.

В связи с назначением шлаков и их функциями в сталеплавильных процессах к ним предъявляют определенные требования по физико-химическим свойствам. Как правило, сталеплавильные шлаки должны быть жидкоподвижными, обладать высокими рафинирующими способностями и низкой вязкостью, а также быть инертными или минимально агрессивными по отношению к футеровке печи. Учитывая, что объем производства стали в агрегатах с кислой футеровкой незначителен, в дальнейшем будут рассмотрены только основные шлаки.

В настоящее время сталеплавильные шлаки классифицируют, по видам производства стали (мартеновские, конвертерные и электросталеплавильные), а также по периодам плавки (первичные и конечные).

Наибольшее количество шлаков сталеплавильного производства в стране составляют мартеновские, которые подразделяются на первичные (скачиваемые в процессе плавки после подачи в агрегаты чугуна) и конечные, выпускаемые из печи в конце плавки. Удельный выход мартеновских шлаков составляет в среднем 180 кг/т стали.

Относительное количество первичных и конечных шлаков зависит от вида и массы подаваемого в мартеновскую печь чугуна и колеблется в довольно широких пределах (соответственно 50-70 и 30-50 %). Первичные мартеновские шлаки имеют более низкую основность (СаО+MgO)/(SiO?+Al?O?), которая составляет 1-2 (основность конечных шлаков 2-4) .

Кроме того, первичные шлаки содержат повышенное количество оксидов железа (до 27%) и фосфора (до 3,5%).

Удельный выход конвертерных шлаков составляет около 150 кг/т стали.

От мартеновских шлаков они отличаются повышенным содержанием оксидов Са, Mg, Fe и более высокой основностью. Конвертерные шлаки меньше различаются между собой по составу и удельному выходу.

Электросталеплавильных шлаков образуется значительно меньше, чем мартеновских и конвертерных. Как и мартеновские, они делятся на первичные и конечные, удельный выход которых в среднем составляет соответственно 6 и 8%. Первичные электросталеплавильные и мартеновские шлаки сходны между собой по химическому составу, конечные отличаются более высоким содержанием оксидов кальция и низкой концентрацией оксидов железа. Составы конечных шлаков кислородно-конвертерного, мартеновского и электросталеплавильного производств несколько отличаются друг от друга по содержанию основных элементов.

1.4 Ферросплавные шлаки

Производство ферросплавов основано на процессах восстановления элементов из оксидов, входящих в состав руды или концентрата, и сопровождается неизбежным образованием шлака. Восстановителем служит углерод, кремний, алюминий. Количество и свойства шлака зависят от технологии процесса, вида и качества используемого сырья, марки выпускаемого сплава, состава футеровки плавильного агрегата.

Существенным источником образования шлака являются не восстановленные оксиды ведущего элемента. Обычно их содержание в шлаке значительно превышает равновесные концентрации, для достижения которых требуется длительная выдержка расплавов, что сопряжено со снижением производительности плавильного агрегата и разрушением его футеровки. Во избежание этого подбирают технологический режим, обеспечивающий высокую производительность и максимально возможную степень восстановления ведущего элемента. Однако и при этом значительная часть невостановленного оксида металла переходит в шлаковый расплав.

В результате разрушения огнеупорной футеровки плавильных агрегатов и приемников расплавов в шлак поступает некоторая часть оксидов алюминия, кремния и других элементов, входящих в состав футеровки.

Количество шлака в различных технологических процессах изменяется в весьма широких пределах. Отношение массы выпущенного из печи шлака к массе полученного сплава, выражающее кратность шлака, зависит от концентрации оксида ведущего элемента в рудах и концентратах, степени восстановления этого оксида, количества флюсов и других добавок, вводимых с шихтой, полноты осаждения капель восстанавливаемого металла, а также характера и степени использования восстановителя.

Некоторые процессы выплавки ферросплавов теоретически являются бесшлаковыми. К ним относится производство ферросилиция, двухстадийного ферросиликохрома, углетермического силикокальция, кремния металлического.

В этих процессах предполагается восстановление всех компонентов шихты. Однако наличие примесей в шихте и неполное восстановление оксидов исходных материалов приводят к образованию некоторого, часто незначительного количества шлака с кратностью 0,05-0,10. При шлаковых процессах, к которым относится производство феррохрома, ферромарганца, силикомарганца, металлического марганца, ферросиликокальция, ферротитана и других сплавов, кратность шлака составляет 0,8-4,0.

Шлаки от производства марганцевых ферросплавов составляют по количеству около 57 % от общего выхода ферросплавных шлаков.

По виду марганцевых ферросплавов различают шлаки ферромарганца, силикомарганца и марганца металлического. Значительное количество углеродистого ферромарганца выплавляют флюсовым методом в доменных печах. В электропечах производят углеродистый и среднеуглеродистый ферромарганец флюсовым и бесфлюсовым методом.

При производстве марганцевых ферросплавов со шлаками теряется до 31% марганца. Основная доля марганца (22,2%) теряется с отвальными шлаками. Известно, что при производстве марганцевых ферросплавов основность шлака оказывает существенное влияние на распределение марганца между металлом и шлаком. Чем выше содержание оксида кальция в шлаке, тем полнее идут реакции замещения МnО в силикатах.

1.5 Ваграночные шлаки

Ваграночные шлаки относят к категории кислых. От доменных кислых шлаков они отличаются значительным содержанием FeO и МnО, а от кислых мартеновских повышенным количеством А1 ?O? и СаО. С кислыми доменными ваграночные шлаки сближает наличие в них анортита и частично мелилита, с кислыми мартеновскими значительное содержание пироксена, хотя и несколько отличное по составу от пироксена, встречающегося в мартеновском шлаке.

2. Процесс слива шлака из доменной печи, кислородного конвертера, электродуговой печи

2.1 Процесс слива шлака из доменной печи

Побочным продуктом при выплавке чугуна является шлак. В зависимости от содержания железа в рудах количество шлака может колебаться от 0,5 до 0,9 на единицу выплавляемого чугуна. Уборка шлака от доменных печей является сложной операцией, требующей большого количества транспортных средств и четкой их работы. Чугун из доменной печи выпускают 6 - 9 раз в сутки, а шлак значительно чаще. Поэтому выпуску шлака должно быть уделено особое внимание. Несвоевременный выпуск верхнего шлака в значительной мере усложняет выпуск чугуна, приводит к износу футеровки горна, размыву чугунной летки и неполадкам, которые сопровождаются потерей производительности. Для удаления шлака от доменной печи в настоящее время используют шлаковозные ковши объемом 11 и 16,5 м3. Ковши с чашами объемом 11 м3 применяют в цехах, где объем доменных печей невелик. Основным на советских заводах является ковш с чашей емкостью 16,5 м3 (Рис. 1)

Рисунок 1. Шлаковый ковш

Шлаковоз состоит из стальной чаши эллиптической формы, опирающейся на кольцо, которое в свою очередь покоится на лафете. Стальная чаша ковша не футерована; она защищена тонкой пленкой раствора извести, чтобы шлаковая корка не прилипала. Лафет установлен на ходовых железнодорожных тележках. При наклоне во время слива шлака чаша при помощи зубчатого сектора на опорном кольце и зубчатой рейки на лафете перемещается в сторону кантования.

Для наклона чаши шлаковый ковш снабжен специальным механизмом, который приводится в действие от электродвигателя.

Для нормальной эксплуатации необходимо каждый лафет ковша вместе с кантовальным механизмом и ходовой частью регулярно осматривать и проводить профилактический ремонт по установленному графику. Мастер и горновые печи должны тщательно следить за тем, чтобы во время выпуска вместе со шлаком в чашу не попадал чугун, так как это приводит не только к потерям чугуна в скрап, но и выводит чашу из строя.

Чугун может попасть в шлаковую чашу при неправильно подготовленных канавах, бурном выпуске, который является следствием неудовлетворительного состояния чугунной летки, при холодных, вязких шлаках и по другим причинам.

После каждого слива чаши обязательно обрызгивают известковым молоком на специальной установке, которая расположена со стороны шлакового отвала. При плохом опрыскивании затрудняется выбивка корок, что пагубно сказывается на выполнении графика подачи ковшей к доменным печам.

Для подсчета количества шлаковозных ковшей, необходимых цеху, сохраняется тот же принцип, что и для, чугуновозных ковшей. На каждые 10 шлаковозов один должен находиться в ремонте, четыре исправных - в резерве. Для определения массы шлака в ковше принимают объемную плотность шлака равной 1900 кг/м3, а коэффициент заполнения чаши 0,94 - 0,95.

Жидкий шлак из доменного цеха направляют на шлаковый отвал и к установкам для его переработки: грануляции (мокрой, полусухой), производства термозита, пемзы, брусчатки, блоков и т. д.

Основная масса шлака, используемого для производства строительных материалов, поступает от доменных печей к грануляционным установкам. Качество гранулированного шлака определяется по химическому анализу и содержанию в нем влаги. Существуют два способа грануляции: полусухая и мокрая.

Мокрая грануляция доменных шлаков в бассейнах получила наиболее широкое распространение (рис. 2). Шлак из ковшей выливают в бассейн, заполненный водой.

При попадании жидкого шлака в воду образуются гранулы, т. е. частицы размером 1 - 10 мм. Над бассейном на эстакадах расположены грейферные электромостовые или портальные краны, с помощью которых гранулированный шлак вычерпывают из бассейна и грузят в железнодорожные вагоны. Шлак сливается через желоба, имеющие уклон 30 - 35°, или непосредственно в воду небольшой струей. Поскольку бассейн разделен на несколько секций, возможен одновременный слив нескольких ковшей. Во избежание несчастных случаев отгрузку гранулята во время слива шлака прекращают, так как возможны взрывы при попадании чугуна в шлак.

Грануляционные установки обычно оборудуют площадками для обезвоживания шлаков. Они перекрыты теми же кранами. После слива ковши очищают от корок и скардовин (застывшего на внутренней поверхности ковша в виде коржей шлака). Производительность таких установок зависит от размеров бассейна, мощности погрузочных средств и может превышать 1 млн. т в год.

Расход воды на 1 т шлака составляет около 0,5 м3. Преимущество рассмотренной установки - ее сравнительно большая производительность. Недостатком ее является получение мокрого гранулированного шлака (влажность до 30%), что создает неудобства для транспортировки, особенно в зимнее время, и вызывает затруднения на цементных заводах при переработке.

Рисунок 2 - Бассейн для мокрой грануляции шлака

Установка для полусухой грануляции шлака состоит из направляющего желоба, приемной передвижной ванны, барабана с лопастями, склада гранулированного шлака и погрузочных механизмов. Жидкий шлак из ковша поступает по сливному желобу на барабан. Одновременно на барабан подается вода из расчета 0,7 - 1,5 м3/т шлака. Лопасти барабана разбивают шлак на мелкие частицы, которые, охлажденные водой и воздухом, попадают на склад.

Время слива одного ковша составляет 6 - 8 мин. Процесс грануляции сопровождается сильным шумом при вращении барабана. К недостаткам такой установки относятся: загрязнение воздуха у установки большим количеством тончайших шлаковых нитей, уносимых вместе с паром, что вредно отражается на здоровье обслуживающего персонала; высокая стоимость эксплуатации и быстрый износ механизмов. Эти недостатки являются причиной того, что этот вид грануляции не получает большого распространения, хотя гранулят, получаемый на таких установках, содержит 6 - 10% влаги.

2.2 Кислородно-конвертерный процесс

Кислородно-конвертерный процесс это процесс выплавки стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной (рис.3).

Рисунок 3 - Кислородный конвертер в разрезе

Это обеспечивает лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих материалов. Кожух конвертера выполняют сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. К центральной части корпуса конвертера крепят цапфы, соединяющиеся с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоит из системы передач, связывающих цапфы с приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360° со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для большегрузных конвертеров емкостью более 200 т применяют двусторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу.

В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали через летку позволяет исключить попадание шлака в металл. Летка закрывается огнеупорной глиной, замешанной на воде.

Кислород поступает в конвертер по водоохлаждаемой фурме, изготовленной из трех цельнотянутых труб, концентрически входящих одна в другую. Снизу фурма заканчивается сменяемым медным наконечником - головкой. Ее крепят к стальным трубам при помощи резьбы и сварки. Кислород, как правило, подается по центральной трубе, две внешние для подвода и отвода охлаждающей воды. Давление кислорода, подаваемого в фурму, находится в пределах 0,9-1,5 МПа, давление воды для охлаждения составляет 0,6-1,0 МПа. Температура отходящей воды из фурмы не должна превышать 40 °С. Фурму устанавливают вертикально, строго по оси конвертера. Высоту расположения фурмы над уровнем металла изменяют по ходу плавки. Подъем и опускание фурмы проводится при помощи механизма, сблокированного с механизмом вращения конвертера.

Фурмы могут быть односопловыми и многосопловыми. Применение многосопловых фурм позволяет получить рассредоточенное («мягкое») дутье, при котором уменьшается количество выбросов, что дает возможность работать с большими расходами кислорода.

При исправном состоянии футеровки загрузку конвертера начинают с завалки скрапа (рис. 4)



Рисунок 4 - Схема получения стали в кислородном конвертере: а - загрузка металлолома; б - заливка чугуна; в - продувка; г - выпуск стали; д - слив шлака

Завалку производят через горловину конвертера завалочными машинами с лотками в несколько приемов. Затем заливают жидкий чугун, который подвозят к конвертерам в чугуновозных ковшах. Заливку чугуна из ковшей ведут мостовыми кранами через горловину конвертера в наклонном его положении. Положение конвертера при завалке скрапа и заливке чугуна одинаково. После заливки чугуна конвертер поворачивают в вертикальное положение и в его рабочее пространство вводят кислородную фурму, одновременно включая подачу кислорода. Одновременно с началом продувки производят загрузку первой порции шлакообразующих материалов (извести, боксита или плавикового шпата), также при необходимости железной руды. Остальное количество шлакообразующих вводят обычно в течение первой трети продувки. Продувка в зависимости от вместимости конвертера и интенсивности подачи кислорода продолжается от 14 до 30 мин и должна быть закончена при заданных содержании углерода и температуре (1580-1650 °С) без превышения допустимых пределов по содержанию фосфора и сере.

По окончании продувки кислородную фурму выводят из полости конвертера, который поворачивают в горизонтальное положение. Через горловину конвертера отбирают пробы металла и шлака, измеряют температуру металла термопарой погружения. В отобранной пробе металла экспресс-анализом определяют содержания углерода, марганца, фосфора и серы. В зависимости от результатов анализа состава металла, в первую очередь по содержанию углерода, а также замера температуры принимают решение о выпуске или корректировке плавки.

Корректировка плавки при избыточном содержании углерода в металле состоит в кратковременной додувке. При недостаточной температуре металла проводят додувку, иногда с экзотермической добавкой. При недостаточном содержании углерода в металле вводят добавки молотого кокса или графита при выпуске стали в ковш.

Выпуск стали из конвертера в сталеразливочный ковш производят через сталевыпускное отверстие (летку) конвертера. Его открывают после окончания продувки, получения анализов и проведения корректировки. Вместе с металлом в сталеразливочный ковш сливают часть шлака (толщина слоя 200-300 мм) для предотвращения быстрого охлаждения металла в ковше. Оставшуюся основную часть шлака сливают в шлаковую чашу. Положения конвертера при выпуске металла и сливе шлака показаны на рис. 4, г и д.

В кислородном конвертере элементы, входящие в состав чугуна, могут окисляться как газообразным кислородом О2, так и кислородом, переходящим в состав шлака в виде оксидов железа (FеО) и в состав металла в виде растворенного кислорода [O]. В месте контакта струи дутья с чугуном, в первую очередь, окисляется железо 2[Fе] + О2 = 2(FеО). Образующийся FеО входит состав шлака (FеО) и растворяется в металле (FеО) = [Fе] + [О].

Реакции окисления кремния, марганца, углерода и фосфора происходят как по одностадийной (газообразным кислородом О2), так и по двухстадийной [(FеО) в шлаке и [О] в металле] схемами:

[Si] + О2 = (SiO2);

[Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fе];

[Si] + 2[O] = (SiO2);

2[Мn] + О2 = 2(МnО);

[Мn] + (FеО) = (МпО) + [Fе];

[Мn] + [О] = (МnО).

Для углерода более развита реакция окисления газообразным кислородом, а также кислородом, растворенным в металле

2[C] +O2 = 2CO; [C] + [O] = CO.

Для успешного протекания окисления фосфора необходимо одновременное участие оксидов железа и кальция шлака. Это связано с химической непрочностью Р2О5 и восстановлением из него фосфора в металл при отсутствии в шлаке достаточного количества СаО

2[Р] + 5(FеО) + 3(СаО) = (3СаO.Р2О5) + 5 [Fе].

Все указанные реакции идут с выделением тепла, поэтому с повышением температуры по ходу процесса могут изменять направление на обратное. Это наблюдается для марганца и фосфора.

Изменение состава металла и шлака, а также температуры металла по ходу кислородно-конвертерного процесса характеризуется данными, приведенными на рис. 5.

Окисление кремния заканчивается в основном за 3-6 мин процесса в зависимости от его содержания в перерабатываемом чугуне. Одновременно окисляется марганец, однако этот процесс в условиях кислородного конвертера протекает с меньшей полнотой. Переход марганца в шлак обычно заканчивается его остаточными содержаниями в металле 0,10-0,15% и более в зависимости от начального содержания марганца чугуне. Эти содержания по ходу продувки могут дополнительно повышаться вследствие восстановления марганца из шлака по реакциям

(МnО) + [Fе] = [Мn] + (FеО); (МпО) + (С) = [Мп] + CO

Рисунок 5 - Изменение состава металла и шлака по ходу продувки в кислородном конвертере

Эти реакции являются желательными, так как приводят к увеличению содержания марганца в получаемом металле и экономии ферромарганца при доведении состава до требуемого.

Важнейшей особенностью кислородно-конвертерного процесса является быстрое окисление фосфора почти с самого начала процесса. Поскольку температура металла при этом еще не высока (<1400°С), несмотря на невысокое содержание СаО в шлаке (30-35%), восстановление фосфора не начинается. В последующий период при более высокой температуре (1500 °С) окисление фосфора замедляется и может переходить в восстановление и вновь окисление ускоряется при повышении содержаний СаО в шлаке до 47-50 %.

Окисление углерода в кислородном конвертере начинается практически сразу после начала подачи дутья. В этот период (1-3 мин) развивается поверхностное обезуглероживание в зоне контакта дутья с жидким металлом. Интенсивное выделение пузырей СО из расплава, образующихся далее по реакции углерода с растворенным кислородом, приводит к образованию газо-шлако-металлической эмульсии, подъему уровня ванны металла и шлака. В середине процесса обезуглероживание металла происходит с максимальной скоростью до 0,4-0,5 % С/мин, а затем начинает замедляться. Это связано с обеднением поверхностных слоев металла углеродом и замедлением его поступления к месту взаимодействия с кислородом, растворяющимся в жидком железе.

Условия удаления серы из металла в кислородном конвертере является менее благоприятными, чем условия удаления фосфора. Степень удаления серы, т. е. отношение количества удаленной серы к начальной, может достигать в среднем 40 %. Главным процессом в удалении серы из металла является ее удаление по реакции (СаО) +[FеS] = (СаS) + (FеО). Основной причиной менее полного удаления серы является повышенное содержание FеО в шлаке, являющегося продуктом данной реакции. Около 10 % всей удаляемой серы может переходить в газовую фазу в виде SO2.

Изменение состава шлака по ходу процесса характеризуется нарастанием содержаний в нем СаО, особенно интенсивным к концу первой половины процесса при одновременном снижении содержаний SiO2 и МnО. Основность шлака (СаО)/(SiO2) возрастает к концу процесса до 3,5-5,0. Содержание оксидов железа в шлаке возрастает в начале и конце процесса. В средней его части оно понижается в результате интенсивного обезуглероживания. Вследствие недостатка кислорода дутья дополнительные количества кислорода на эту реакцию заимствуются из шлаковой фазы [С] + (FеО) = CO + [Fе].

Изменение температуры металла по ходу процесса в конвертере характеризуется повышением в периоды продувки, когда нет сильного охлаждающего действия добавок. Начальное повышение температуры связано, в основном, с окислением кремния и марганца чугуна, а последующее - с окислением углерода, приводящим при кислородном дутье к выделению тепла. Окисление фосфора ввиду его небольшого содержания не дает значительного прихода тепла.

В конвертерном производстве традиционно широко применяют методы загущения шлака (например, введение порции холодного доломита или извести) с целью затруднить вытекание шлака из агрегата. Иногда эти методы достаточно эффективны. Толщина слоя шлака в ковше при этом уменьшается примерно до 35 мм (максимум 80 мм) по сравнению с ~ 170 мм (максимум 270 мм) при работе без отсечки. Однако эти методы не позволяют полностью отсечь конечный шлак при выпуске. В большинстве конвертерных цехов страны отсечку конечного шлака производят подъемом конвертера, при этом часто шлак предварительно загущают известью и молотым коксиком. Между тем такой прием (изменение наклона конвертера) в реальных производственных условиях удовлетворительные стабильные результаты дает далеко не всегда. Это объясняется трудностью визуального определения момента, когда нужно дать команду на подъем конвертера, особенно учитывая, что шлак часто выходит вместе с металлом, часто затягивается металлом при его вихреобразном движении. При этом всегда есть опасность, что часть металла останется в конвертере. Одним из вариантов решения проблемы - организация закупоривания сталевыпускного отверстия (летки) с использованием различного рода пробок.

Удержание шлака в конвертере осуществляется под действием давления газа, вдуваемого через пробку и выпускное отверстие. Корпус пробки изготовлен из чугуна, в центре пробки сопло-отверстие, через которое по сигналу подается сжатый воздух или азот. Размер пробки должен быть таким, чтобы между ее внешней поверхностью и внутренними стенками выпускного отверстия оставался кольцеобразный зазор, через который выходить воздух, подаваемый для удержания шлака в конвертере. Сигналом к началу подачи сжатого воздуха (азота) и перемещения пробки является команда, поступающая от радиационного пирометра, регистрирующего по изменению уровня радиации окончание прохождения через выпускное отверстие металла и начало схода шлака.

Меры по уменьшению количества попадающего из конвертера в ковш шлака особенно важны в случае внепечной обработки стали сильными восстановителями. Эффективность этих способов недостаточно высока, они не обеспечивают стабильные условия полного исключения попадания в ковш конечного шлака.

Отсечка шлака в мартеновских (и двухванных) печах встречается со значительными трудностями, многочисленные попытки организовать отсечку шлака при помощи различных устройств шиберного типа пока не вышли из стадии экспериментирования. Тем не менее была разработана и внедрена специальная конструкция сталевыпускного желоба, обеспечившая эффективное отделение шлака от металла при выпуске плавки из мартеновских печей небольшой (до 1001) вместимости. Особенностью этой конструкции желоба является наличие в нем ванны. Отделение металла от шлака осуществляется в ванне при помощи перегородки. Шлак, удерживающийся в приемной части желоба, по мере накопления через выем в борту желоба направляется в шлаковую чашу. Уровень металла в ванне желоба в любой момент выпуска плавки расположен на 150-200 мм ниже лещади отверстия, что предопределяет выпуск расплавов в режиме открытой струи.

В дальнейшем был разработан способ отделения шлака от металла при выпуске плавки из двухванного агрегата, который характеризуется значительным снижением продолжительности переходного периода путем уменьшения скорости истечения расплавов под уровень металла, находящегося в желобе. Цельнометаллический футерованный каркас желоба разделен перегородкой на приемную и сливную части. Выем предусмотрен для удаления шлака из приемной части желоба, который перекрывается огнеупорной вставкой.

Выпуск металла в режиме затопленной струи позволил сместить начало поступления шлака практически на момент окончания схода металла; при этом количество металла, выпущенного в переходном периоде, уменьшается почти в десять раз. Поступающий совместно с этим количеством металла печной шлак успевает полностью отделиться от металла и, удерживаясь перегородкой, всплывает в приемной части желоба.

Накопление шлака в приемной части желоба способствует частичному вытеснению из нее металла в сливную часть. При этом уровень металла в приемной части желоба опускается ниже уровня шлакового выема, что препятствует попаданию металла в шлаковую чашу после удаления огнеупорной вставки. Удаление вставки происходит в момент повышения уровня шлака в приемной части желоба на высоту 100-150 мм до уровня борта желоба. Поступающий из агрегата шлак отводится из приемной части желоба через шлаковый выем по специальному шлаководу в шлаковую чашу. Расположение сливного носка желоба выше лещади сталевыпускного отверстия препятствует полному сходу шлака из плавильной емкости arperaia, поэтому оставшийся в агрегате шлак после снятия желоба сливается в шлаковую чашу, расположенную под рабочей площадкой печи. Желоб оборудован специальными цапфами, при зацеплении за которые в начале подъема происходит его наклон для слива остатков металла в разливочный ковш. При сливе остатков металла из желоба в сталеразливочный ковш попадает не более 1,5-2 т печного шлака, который вместе со шлаком, формирующимся в ковше в процессе выпуска, эффективно теплоизолирует зеркало металла. Отсечка шлака обеспечивает значительное улучшение технологических и качественных показателей выплавки стали в двухванных агрегатах.

Наилучшие результаты при отсечке шлака при разливке дает метод перелива из ковша в ковш. Этот метод обеспечивает практически полное отделение металла от шлака, но имеет существенный недостаток: потери тепла. (даже для ковшей вместимостью 100 т температура металла снижается, в зависимости ох степени предварительного подогрева футеровки, на 25-40 °С); Кроме того, этот метод требует большой высоты здания и соответствующего оборудования.

2.3 Слив шлака из электродуговой печи

Шлак электродуговых печей является побочным сталелитейного производства.

Шлаки электродуговых печей представляют собой промышленные отходы и вредные материалы, поскольку они могут содержать свободные молекулы MgO и CaO, которые поглощают Н2О и вредят окружающей среде. Их обработка при помощи традиционных методов дробления и размалывания очень затратна, и при этом конечные продукты ограничены в применении. По-прежнему существует проблема загрязнения, и шлак необходимо состаривать в течение долгого времени. Для этого требуются крупные участки складирования шлака в целях состаривания: новая технология измельчения расплавленного шлака представляет собой благоприятный для инноваций процесс, который устраняет все вопросы загрязнения и позволяет производить универсальную продукцию. В сравнении с традиционными методами данная технология проще и экономичнее.

Шлак представляет собой отходы, которые в огромном количестве вырабатываются в плавильных цехах (15-20% от объема расплава). Он содержит остатки металла, его трудно обрабатывать, и при этом невозможно использовать рентабельные методы.

Технология измельчения шлака - новая система, которая была изобретена для измельчения расплавленного шлака электродуговых печей наиболее эффективным методом. Помимо этого она самая дешевая по сравнению с традиционными методами состаривания и размалывания. В результате работы процесса создаются PS-шарики сферической формы и различными диаметрами.

Технология измельчения шлака - это процесс преобразования расплавленного шлака (1300 - 1350С) в небольшие сферические шарики диаметром 0,1 - 4,5 мм. Процесс включает в себя высокоскоростную систему воздушной продувки, при этом катализатор и вода подаются к потоку расплавленного шлака от разливочного устройства к площадке для хранения. Высокоскоростной поток воздуха при помощи воды и катализатора, которые используются для этой цели, при помощи процесса быстрого теплообмена преобразует поток шлака в сферические шарики с гладкой поверхностью. Структура PS-шариков обычно представляет собой устойчивую шпинельную структуру, которая придает шарикам замечательные физические характеристики. PS-шарики распределяются по размерам, проходя через ситовую установку.

Основная часть расплавленного шлака пропускается через систему измельчения, Обычно это 75-80% расплавленного шлака. Остальной шлак состоит из тяжелых материалов, в том числе полезного метала, который скапливается на дне транспортного котла. В среднем 3% шлака составляет металл. Около 20% шлака загружается в колодец для охлаждения шлака и после охлаждения измельчается системами механического дробления. Измельченный шлак пропускается через магнитные сепараторы с целью отделения металла. Переработанный металл отбирался, и оставшийся шлак представляет собой материал, не содержащий железа, который можно использовать в качестве добавки на цементных заводах. Максимальный размер составляет 4,5 мм.

Шлаковая чаша, вместимостью 16м3, подаваемая под печь, должна удовлетворять следующим требованиям:

- Быть чистой от металла и скрапа.

- Иметь исправные цапфы и корпус.

- Обработана известковым раствором (сплошным слоем по внутренней поверхности чаши толщиной не менее 2 мм).

Основные свойства шлака.

Насыпная плотность твердого шлака 1,6 т/м3.

Истинная плотность шлака 2,5 т/м3.

Выход шлака при плавке составляет (200+-20) кг/т стали.

Транспортировка шлака от сталеплавильных печей и из разливочного пролета осуществляется специальным самоходным транспортным средством -автошлаковозом в специальных шлаковых чашах вместимостью 16 м3.

Шлаковые чаши, наполненные шлаком, автошлаковозом транспортируются на остывочную площадку или на шлаковый двор. С остывочной площадки, после затвердевания шлака в течение 24 часов или после образования на поверхности шлака корки в течение не менее 2-3 часов, чаши транспортируются на шлаковый двор для переработки шлака.

Транспортировка жидкого шлака от электросталеплавильных печей.

По окончании плавки шлаковая чаша выкатывается на шлаковозной тележке из-под печи в транспортный пролет сталеплавильного участка. Автошлаковоз въезжает в цех с порожней чашей и устанавливает ее на пол транспортного пролета. Затем автошлаковоз направляется к чаше с жидким шлаком, находящейся на шлаковозной тележке. При приближении к чаше рукоятки подъемного механизма опускаются настолько, чтобы захваты рукоятей находились ниже уровня цапф чаши. После опускания рукоятей выдвигаются опорные гидроцилиндры до отрыва колес задних осей от пола и после этого начинается подъем чаши. Подъем выполняется до конца, убираются опоры и автошлаковоз перемещается для установки чаши на пол транспортного пролета. После установки чаши рукояти опускаются до выхода цапф из захватов, убираются опоры и автошлаковоз перемещается к порожней чаше.

Поднимается порожняя чаша, выполняется маневр шлаковозом для того, чтобы выставить автошлаковоз на одну ось со шлаковозной тележкой и установить чашу на тележку. После окончания операции и перемещения шлаковоза к чаше с жидким шлаком опускаются рукояти до нижнего уровня, выдвигаются опоры и начинается подъем рукоятей и чаши.

После того, как чаша со шлаком займет транспортное положение, т. е. будет находиться на рукоятях над платформой транспортного средства (при этом рукояти должны дойти до отказа), убираются опоры и начинается движение. Выехав из ворот сталеплавильного цеха, автошлаковоз направляется на площадку остывания шлаковых чаш или на шлаковый двор.

На площадке остывания чаша транспортируется до отведенного места, затем выдвигаются опоры и чаша опускается на пол.

Транспортировка шлака из разливочного пролета производится автошлаковозом в тех же шлаковых чашах, которые применяются на сталеплавильном участке.

Автошлаковоз доставляет в распределительный пролет подготовленную порожнюю чашу и устанавливает ее на пол. После установки порожней чаши автошлаковоз загружается чашей со шлаком и транспортирует ее на остывочную площадку или на шлаковый двор.

Транспортировка шлака на шлаковый двор и слив шлака.

Освободившись от чаши с жидким шлаком на остывочной площадке, автошлаковоз подается к чаше с остывшим шлаком и поднимает ее в транспортное положение для транспортировки на шлаковый двор.

Для транспортировки жидкого шлака сразу на шлаковый двор от электропечей чаша наливается шлаком неполно. Расстояние от верхней кромки чаши до уровня жидкого шлака в ней должно быть не менее 0,3 м. В зимнее время дороги и подъездные пути очищаются от снега и льда и посыпаются песочно-солевой смесью. Состояние дорожного полотна должно обеспечивать транспортировку шлака без толчков. Для разгрузки автошлаковоз задним ходом подается к краю шлаковой ямы.

После остановки шлаковоза выпускаются опоры и включением подъема рукоятей начинается подъем шлаковой чаши. После перехода рукоятями наивысшей точки производится блокировка чаши и опрокидывание ее.

При достижении низшей точки: включается доопрокидывающая рама, чем обеспечивается максимальный угол опрокидывания.

Слив жидкого шлака осуществляется малой струей. Автошлаковоз в месте слива шлака должен быть защищен от брызг шлака бортом высотой не менее 1,5 м, место для приемки жидкого шлака на шлаковом дворе должно быть очищено от увлажненного шлака и других влажных материалов. Уровень заполнения шлаковй ямы в месте слива шлака должен находиться на расстоянии не менее 1,7 м от верхней кромки защитного борта. Кантовка чаш с жидким и застывшим шлаком должна производиться в равных зонах шлакового поля.

3. Доставка шлака в отвал

Основные объёмы внутренних перевозок, выполняемых железнодорожным транспортом промышленных предприятий, составляют межцеховые перевозки различных грузов.

Одним из видов межцеховых перевозок является перевозка жидкого шлака между доменным цехом и цехом шлакопереработки.

Жидкий шлак из доменного цеха в отвал или грануляционные устройства доставляют специальным видом подвижного состава - шлаковозами.

Доменный шлак в ковшах доставляют в цех шлакопереработки, где производятся: шлаковый щебень, гранулированный шлак, шлаковая пемза, минеральная вата и другие материалы. Шлак, непригодный для переработки, а также отходы шлакопереработки транспортируют в отвал.

Технологические перевозки являются составной частью производственного процесса и регламентируются графиками работы промышленных агрегатов, установок и отдельных производств. Объём перевозок жидкого чугуна, шлака, слитков, агломератов и других технологических грузов на металлургических заводах составляет примерно 40% от всего объёма перевозок.

Межцеховые перевозки общего характера производятся в подвижном составе общего назначения. Это перевозки полуфабрикатов, сырья, материалов, оборудования и других грузов, выполняемые по контактным графикам и на основании суточных планов - заданий.

Основа успешной работы производства гармоничное сочетание различных видов транспорта: железнодорожного, конвейерного, автомобильного и специального внутризаводского транспорта. При этом следует обеспечивать высокую надежность перевозочного процесса и учитывать специфический характер перевозимых грузов, таких как жидкий чугун, горячие стальные слитки или непрерывно литая заготовка, горячий сталеплавильный шлак, скрап и другие.

3.1 Определение размеров внутризаводских перевозок

Годовые объёмы межцеховых перевозок рассчитывается исходя из производительности металлургических агрегатов, доменных печей, потребности в определённых видах сырья, материалов и полагаемых отходов для выпуска одной тонны чугуна.

Годовой объём внутризаводских перевозок, определяется по формуле:

где- годовая производительность i - той доменной печи, т/год

Годовая производительность i - той доменной печи, т/год рассчитывается по формуле:

Где V - полезный объём доменной печи, м3; (V1= 2150м3, V3= 2080м3)

- число суток работы печи в год, Tс = 350 cут;

- коэффициент использования полезного объёма печи м3/т. (K1=0,65м3/т; K3=0,61м3/т)

т/год

т/год

т/год

Расчётный суточный объём перевозок шлака определяется по следующей формуле:

,

где- годовая производительность i - той доменной печи, т/год;

- коэффициент неравномерности перевозок, принимается равным 1,2.

- коэффициент выхода шлака на одну тонну выплавляемого чугуна (К1= 0,31; К3= 0,27)

т/сут

т/сут

Выплавляемый доменным цехом шлак включает шлак, перевозимый в отвал, и шлак, идущий на грануляционную установку.

3.2 Выбор типа подвижного состава

Межцеховые перевозки выполняются в собственном подвижном составе предприятия. При выборе рационального подвижного состава руководствуются следующими положениями:

- сохранность подвижного состава;

- требованием технологического процесса производства;

- условиями погрузки, выгрузки грузов;

- возможностью максимального использования грузоподъёмности вагонов;

- сохранности перевозных грузов и т.д.

Потребное количество единиц специального подвижного состава для перевозки одного выпуска доменного шлака рассчитывается по формуле:

,

где - рассчитанный суточный объём перевозок i - го груза, ;

- полезный объем ковша, (принимается 15 м3);

...