Производство чугуна

                                                                        i = D/d,

где i – степень дробления; D и d – максимальный размер кусков до и после дробления соответственно. 

Эффективность дробления  определяют выходом дробленого материала  на единицу израсходованной электроэнергии. Дробление – наиболее дорогая  операция в системе подготовки руд.

Мелкое и тонкое дробление  называют измельчением и применяют  только для руд, идущих на обогащение. Крупное, среднее и мелкое дробление  осуществляют преимущественно в  конусных дробилках.

Грохочение.

Грохочением называется разделение руды на классы по крупности. Для руд, поступающих на металлургический завод без обогащения, грохочение является самостоятельной и очень важной операцией, в процессе которой выделяют мелкую руду (0-10 мм) для агломерации, а крупную (более 10 мм) сортируют на два класса: доменную (10-30 мм) и мартеновскую (30-80 мм).

При обогащении руд на обогатительных фабриках грохочение является вспомогательной операцией, совмещаемой с дроблением руд. Это позволяет загружать в дробильные устройства только те фракции, которые подлежат дроблению, а следовательно, уменьшить расход электроэнергии на дробление, повысить производительность дробильных устройств и качество дробления. Грохочение руд осуществляется на механических ситах.

Усреднение.

Железные руды по условиям залегания и добычи всегда имеют  непостоянный химический состав. Значительные и частые колебания содержания железа и пустой породы в рудах вызывают нарушение теплового состояния  доменной печи и химического состава  шлака. Это приводит к нарушению  ровного хода печи, при котором  неизбежны повышение расхода кокса, снижение производительности печи и ухудшение качества выплавляемого чугуна.

Чтобы уменьшить отрицательное  влияние непостоянства химического  состава руд на показатели доменной плавки, руды подвергают усреднению. Усреднением  называют перемешивание железорудных материалов с целью выравнивания химического и гранулометрического  составов. В связи с тем, что  почти все добываемые руды подвергают окуксованию, основное назначение усреднения состоит прежде всего в уменьшении колебаний содержания железа и кремнезема в рудах. Необходимо добиться такого усреднения руд, при котором колебания содержания железа и кремнезема в руде не превышали бы ±0,5 % от среднего значения.

Обогащение.

Обогащением называется процесс  разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях  и вредных примесей. Все способы  обогащения основаны на различии физических свойств рудных минералов и пустой породы. В результате обогащения руды получают:

1.   концентрат – продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого металла;

2.   хвосты – отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительное количество металла;

3.   промежуточный продукт, в котором содержание металла больше, чем в хвостах и меньше, чем в концентрате.

Промежуточный продукт  подвергают повторному обогащению.

В зависимости от метода обогащения и устройства аппарата степень  извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60 до 95 %. Различают пять основных методов  обогащения руд:

1.   рудоотборка, основанная на различии цвета и блеска кусков рудного минерала и пустой породы;

2.   промывка, основанная на разной размываемости кусков рудного минерала  и пустой породы;

3.   гравитационное обогащение – разделение в жидкой среде рудных минералов и пустой породы в зависимости от плотности зерен;

4.   флотация – метод обогащения, основанный на различии физико-механических свойств поверхности частиц рудного минерала и пустой породы;

5.   магнитная сепарация (самый распространенный метод обогащения), основанная на различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

 

 

1.4. Окуксование руд.

Окуксованием железных руд называются процессы превращения мелких руд и концентратов в кусковые материалы с целью улучшения хода металлургических процессов в печах различного типа для получения металлов из руд. Окуксование руд широко применяется в металлургии черных и цветных металлов. В металлургии черных металлов окуксованию подлежат все мелкие руды и концентраты, из которых получают металл в доменном, сталеплавильном и электрометаллургическом производствах.

В доменном производстве окуксованием железорудного сырья достигают:

1.      уменьшения выноса газовым потоком мелких фракций руды из доменной печи;

2.      повышения газопроницаемости столба шихтовых материалов;

3.      улучшения использования тепловой энергии и восстановительной способности газового потока;

4.      улучшения протекания процессов восстановления, шлакообразования и перевода серы в шлак.

В итоге окуксование сырья позволяет значительно увеличить производительность доменных печей, сократить расход кокса и повысить качество чугуна.

Существует три метода окуксования руд и концентратов:

1.   агломерация (процесс спекания мелких руд и концентратов путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или подвода высокотемпературного тепла извне);

2.   окатывание (процесс получения из концентрата сырых шаров диаметром 10 – 25 мм и последующего их обжига при температуре 1200 – 1350° С);

3.   брикетирование (процесс прессования пылеватых руд и концентратов в куски одинаковой формы с добавкой или без добавки связующих веществ).

В черной металлургии наибольшее распространение получила агломерация  и окатывание руд.

 

 

2. Доменный процесс.

2.1 Общая схема и сущность доменного  процесса.

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих  в работающей доменной печи. Загружаемые  в доменную печь шихтовые материалы  – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в  чугун, шлак и доменный газ.

В химическом отношении  доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для осуществления  доменного процесса служит печь шахтного типа (см. приложение 2). Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.

Важнейшим условием осуществления  доменного процесса в рабочем  пространстве печи является непрерывное  встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых  в печь через колошник, и восходящего  потока газов, образующегося в горне  при горении углерода кокса в  нагретом до 1000 – 1200° С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400 – 1500° С. В зонах  горения углерод кокса взаимодействует  с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 – 2000° С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450° С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 – 20 %.

Шихтовые материалы загружают  в доменную печь при помощи засыпного  аппарата отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике  чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 – 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них  влаги и летучих веществ кокса  и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных  газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe₂O₃ ® Fe₃O₄ ® FeO ® Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 – 1100° С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 – 1150° С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным  коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная  металлом в ходе плавки сера переходит  в шлак. Железо и фосфор печи полностью  восстанавливаются и переходят  в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна  удаления из чугуна серы в большой  мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и  его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.

2.2 Распределение и движение  газов и шихты в доменной  печи.

Газовый поток.

Высокопроизводительная  и экономичная работа доменной печи в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение  газов и шихты в ее рабочем  пространстве. Движение газов и распределение  их в печи определяется множеством факторов, но главным из них являются  гранулометрический состав шихты и ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при движении в доменной печи. В свою очередь и движущийся газовый поток влияет на распределение шихты.

Газы в доменной печи движутся через столь шихты  снизу вверх под действием разности давлений, зависящей от величины сопротивления загруженной в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь 24 – 26 м в течение нескольких секунд, газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования. Для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, иными словами, температура и состав газов во всех точках сечения доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта – в равной мере нагретой и восстановленной.

Для обеспечения ровного  схода шихты газовый поток  по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем  количестве у стен и в осевой зоне печи, т. е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата.

В действительности же в  доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению  вследствие специфических особенностей доменного процесса и конструкции  доменной печи.

Наиболее важным показателем, характеризующим распределение  газового потока по сечению столба шихты, является  сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.

Распределение материалов на колошнике  при загрузке доменной печи.

Исходя из требований, предъявляемых  к распределению газов в доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно по сечению  печи как по крупности, так и по компонентам шихты. У стен должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью лучшего использования периферийных газов, а у оси – больше кокса. Большое количество мелких фракций железосодержащих компонентов у стен печи недопустимо во избежание тугого хода. Основную часть мелких фракций необходимо располагать в промежуточном кольце между периферией и центром.

По окружности печи материалы  должны, наоборот, распределяться строго равномерно, т. е. так, чтобы любая  окружность горизонтального сечения  была кривой равного содержания диоксида углерода в газе и кривой одинаковой температуры.

Этим условиям распределения  шихты удовлетворяет принятый способ загрузки материалов при помощи конуса и воронки. Шихтовые материалы –  кокс, железосодержащие компоненты и  флюс – загружают в доменную печь отдельными порциями, называемыми подачами. Количественное соотношение компонентов  шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно определяется расчетом шихты. Материалы  на колошник подают специальными тележками  – скипами, перемещающимися по рельсам  наклонного моста. Объем материалов одной подачи соответствует  объему нескольких скипов, поэтому подача на колошник подается по частям несколькими скипами. При этом одну часть скипов подачи загружают коксом, а другую – железосодержащими компонентами и флюсом. При полностью офлюсованном агломерате подача состоит только из скипов с агломератом и коксом.