Производство чугуна

Движение шихты в доменной печи

В доменной печи шихта опускается под действием своей массы  в пространство, освобождающееся  в результате уменьшения ее объема при протекании различных процессов, основными из которых являются горение  углерода кокса в фурменных очагах, расход углерода кокса на прямое восстановление, образование и плавление чугуна и шлака, а также уплотнение шихты  при движении. 44 – 52 % общего уменьшения объема шихты приходится на горение  углерода, 11 – 16 % - на прямое восстановление, 25 – 35 % - на плавление чугуна и шлака и 5 – 15 % - на уплотнение материалов. Из этого следует, что уменьшение объема шихты происходит главным образом в очагах горения перед фурмами, а фурменные очаги можно уподобить своеобразным воронкам, через которые движется основная масса шихты.

Периферийное расположение зон горения приводит к преимущественному  движению шихты на периферии печи. Скорость движения шихты в периферийном кольце колошника составляет 90 – 140, а в центре 70 – 120 мм/мин. Длительность  пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до 7 ч. Активизация работы центра печи всегда приводит к существенному увеличению скоростей опускания шихты в осевой зоне и уменьшению разности скоростей движения шихты на периферии и в центре.

Повышение скорости схода  шихты на периферии колошника  объясняется и другими причинами, главной из которых являются расширение шахты книзу и более интенсивное  по сравнению с коксом движение железорудных компонентов, располагающихся в  большом количестве на периферии.

В результате неодинаковой скорости движения шихты в рабочем  пространстве печи одновременно загруженные в печь материалы приходят в горн неодновременно. Это явление называется опережением, которое необходимо учитывать при изменении условий работы, печи, связанных с переходом на выплавку другого вида чугуна, изменением качества материалов.

 

2.3 Восстановление оксидов металлов.

Физико-химические основы восстановительных процессов.

Одним из условий получения  чугуна в доменной печи является удаление кислорода из оксидов, металлы которых  входят в состав чугуна. Процесс  отнятия кислорода от оксида и  получения из него элемента или оксида с меньшим содержанием кислорода  называется восстановлением. Наряду с  восстановлением  протекает окисление вещества, к которому переходит кислород оксида. Это вещество называется восстановителем.

Восстановительные процессы сопровождаются выделением или поглощением  тепла. Химическая прочность оксида определяется силами химической связи  данного элемента с кислородом.

По степени убывания кислорода оксиды железа располагаются  в ряд: Fe₂O₃, Fe₃O₄ и FeO, содержащие соответственно  30,06; 27,64 и 22,28 % кислорода. Из трех оксидов железа, взятых в свободном состоянии, наиболее прочным в условиях рабочего пространства доменной печи, а точнее при температуре выше 570°С, является FeO. Восстановление железа из его оксидов протекает ступенчато путем последовательного удаления кислорода и в зависимости от температуры.

Восстановление оксидов  железа оксидом углерода при температуре выше 570°С идет по реакциям:

                        3Fe₂O₃ + СО ® 2Fe₃O₄ + СО₂ + 37,137 МДж,

                 Fe₂O₃ + mCO « 3FeO + (m – 1)CO + СО₂ – 20,892 МДж,

                    FeO + nCO « Fe + (n – 1)CO + СО₂ + 13,607 МДж.

2.4 Образование чугуна и шлака.

 Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и другие элементы, образуя чугун. Процесс науглераживания железа начинается с момента его появления в виде твердой губки в зоне умеренных температур. Механизм науглераживания железа сводится к следующему. Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода на сажистый углерод и диоксид углерода. Эта реакция протекает на поверхности губки. Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с атомами железа и образует карбиды железа. Науглераживание губчатого железа уже заметно протекает при 400 – 500° С. По мере науглераживания железа температура плавления его понижается. Если чистое железо плавится при 1539° С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,3 % С, плавится при 1135° С. Однако науглераживание железа в твердом состоянии является лишь начальной стадией этого процесса, способствующей понижению температуры плавления металла. Более интенсивно науглераживание протекает после перехода металла в жидкое состояние. Капли металла, стекая в горн печи, контактируют на поверхности кусков раскаленного кокса с углеродом, в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает. На горизонте фурм за пределами зон горения содержание углерода в чугуне достигает 3,8 – 4,0%. Окончательное науглераживание металла происходит в горне печи.

Переход других элементов  в чугун (марганца, кремния, фосфора  и серы) осуществляется по мере их восстановления на различных горизонтах рабочего пространства печи. Марганец при выплавке передельного чугуна заметно переходит в металл уже в распаре, однако наиболее интенсивное насыщение чугуна марганцем происходит в заплечиках и горне при восстановлении марганца. Основная масса кремния переходит в чугун в нижней части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из распара почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и выше. Это объясняется тем, что в металл из распара, попадает не только фосфор, который восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов печи. Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты.

Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается регулированию  и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром, являясь корбидообразующими элементами, способствуют увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний и фосфор, образуя более прочные с железом соединения, разрушают карбиды железа и понижают содержание углерода в чугуне. Если в передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4 – 4,6% углерода, то в зеркальном чугуне, содержащем 10 – 25 % марганца, углерода содержится 5 – 5,5 %, а в 75 %-ом ферромарганце содержание углерода достигает 7 – 7,5 %. Наоборот, в литейном чугуне, содержащем 2,5% кремния, содержание углерода не превышает 3,5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже.

Содержание марганца и  кремния сильно влияет на структуру  чугуна, что имеет очень важное значение при производстве литейного чугуна, используемого в машиностроении. Известно, что углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида и в свободном состоянии в виде графита. В литейном чугуне благодаря повышенному содержанию кремния значительная часть углерода находится в виде графита, что способствует повышению прочности отливок. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов железа в чугуне повышает его хрупкость. В изломе такой чугун имеет белый цвет. Качество чугуна для отливок также зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи.

Образование шлака.

В доменной печи шлак образуется под действием высоких температур в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов и флюса, к которым в горне присоединяется зола сгоревшего кокса. Шлакообразующими оксидами являются SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃, FeO, MnO, а также сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.

Образованию шлака предшествуют процессы размягчения и спекания пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов  и различных химических соединений. Эти процессы представляют собой  промежуточное звено при переходе вещества из твердого состояния в жидкое. Чем больше температурный интервал, в котором протекает превращение шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое, тем большую часть по высоте печи занимает вязкая масса, заполняющая пустоты между кусками кокса и препятствующая движению и распределению газов. В связи с этим температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по возможности меньшим.

В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный  и конечный шлаки. Первичный шлак появляется в начальной стадии шлакообразования в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь  в зоны с более высокими температурами, нагревается, а химический состав его  непрерывно изменяется в следствии восстановления железа и марганца из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых количеств CaO и MgO, увеличивающих количество шлака. Конечный шлак образуется в горне после растворения в шлаке золы сгоревшего кокса и остатков извести и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком.

С применением офлюсованного  агломерата условия шлакообразования изменяются. Присутствие извести  в агломерате обеспечивает хороший  контакт шлакообразующих оксидов, по этому их размягчение при нагреве и образование первичного шлака протекает в сравнительно не большой зоне по высоте печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой зоны. Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее и равномернее по сечению, вследствие чего в первичном шлакообразовании участвует меньшее количество FeO, а зона начала образования шлака смещается в область более высоких температур.

 

2.5 Методы интенсификации доменного  процесса.

 Под интенсификацией доменного процесса понимают увеличение скорости его протекания. Мерой интенсивности хода доменной печи является количество чугуна, получаемое в единицу времени в расчете на единицу полезного объема доменной печи. В условиях производства принято пользоваться обратной величиной – полезным объемом печи, затрачиваемым в течении суток на выплавку 1 т чугуна. Этот показатель называется коэффициентом использования полезного объема доменной печи и определяется как частное от деления полезного объема печи V_пол (м³) на суточную производительность печи Т (т) чугуна/сут. Чем меньше этот показатель, по абсолютному значению, тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи.

Увеличить интенсивность  хода доменной печи можно двумя путями:

1.   создание условий, при которых в горн доменной печи в единицу времени  можно подать большее количество дутья, расходуемого на сгорание углерода горючего;

2.   создание условий, обеспечивающих снижение расхода кокса на единицу выплавляемого чугуна, если количество дутья, поступающее в горн в единицу времени, не снижается или снижается в меньшей мере, чем расход кокса.

При увеличении количества дутья, подаваемого в горн в единицу  времени, соответственно увеличивается  сгорающее в единицу времени  количество углерода, а следовательно, увеличивается и производительность печи. При уменьшении относительного расхода горючего и неизменном количестве дутья производительность печи также возрастает вследствие увеличения рудной нагрузки на кокс. Наиболее высокая степень интенсификации процесса достигается, когда одновременно с увеличением количества дутья имеется возможность уменьшить и относительный расход горючего.

Увеличение интенсивности  хода доменной печи путем увеличения расхода дутья в единицу времени  предполагает улучшение газодинамики процесса. Это может быть достигнуто повышением прочности агломерата, отсевом  мелких фракций и улучшением однородности гранулометрического  состава шихтовых материалов, повышением давления газов в рабочем пространстве печи, снижением относительного выхода шлака и улучшением его физических свойств.

Увеличение интенсивности  хода доменной печи путем снижения относительного расхода кокса предполагает уменьшение тепловых затрат на процесс  и применение заменителей кокса  в роли теплоносителя и восстановителя.

Основными методами интенсификации доменного процесса являются:

1.   совершенствование способов подготовки и улучшение качества сырых материалов;

2.   высокотемпературный нагрев дутья;

3.   увлажнение дутья;

4.   обогащение дутья кислородом;

5.   вдувание в горн углеводородосодержащих добавок;

6.   комбинирование дутья;

7.   повышение давления газов в рабочем пространстве доменной печи.

Наиболее важной по своему значению является подготовка сырья  к плавке. Ни один из методов интенсификации доменного процесса, перечисленных  в п. 2 – 7, не может дать максимального  эффекта при плохом качестве сырья.

Нагрев дутья

Впервые нагретое дутье  в доменном производстве применили  в 1829 г. Несмотря на сравнительно невысокий  нагрев дутья (150° С), показатели работы печи значительно улучшились: относительный  расход горючего уменьшился на 30 %, производительность печи возросла, появилась возможность  увеличить количество дутья. При  этом расход горючего на нагрев дутья  был намного ниже полученной экономии. Впоследствии применение более нагретого  дутья (350 – 400° С) на коксовых доменных печах позволило уменьшить относительный  расход кокса на 25 – 35 %. В настоящее  время дутье нагревают до 1100 – 1200° С и выше.

За всю историю существования  доменного производства ни одно мероприятие  не дало такого снижения расхода горючего, как применение нагретого дутья.

Увлажнение дутья

Естественная влажность  воздуха колеблется в значительных пределах как в течении суток, так и по временам года. Колебания влажности дутья вызывают изменения в тепловом и температурном режиме горна и в ходе восстановления, что нередко приводит к расстройствам хода печи, ухудшая технико-экономические показатели.

Устранить колебания естественной влажности можно двумя способами: осушением дутья и увлажнением  дутья в таких пределах, чтобы  влажность его была несколько  выше естественной, но постоянной во времени.

Обогащение дутья кислородом

При обогащении дутья кислородом изменяются следующие показатели:

1.   Уменьшается расход дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода.

2.   Уменьшается количество горнового газа на единицу сжигаемого у фурм углерода.