Загрузка шихты в доменную печь

Доменная печь требует непрерывной загрузки железорудных материалов (агломерата, окатышей) и кокса. На печах с двухконусным засыпным аппаратом шихту загружают в печь отдельными порциями - подачами. Материал одного скипа высыпается через приемную воронку на поверхность малого конуса, после чего он опускается, и материал просыпается вниз на поверхность большого конуса, а малый конус сразу же поднимается. Подобным образом на поверхность большого конуса загружают всю подачу -2-6 скипов. После чего опускают большой конус, и шихта ссыпается в доменную печь на колошник. В каждом скипе находится только один вид материала (или кокс, или агломерат, или окатыши). Изменением числа скипов одного вида материала и последовательности набора материалов в подаче регулируют распределение материала на колошнике доменной печи.

На печах с бесконусным загрузочным устройством шихту загружают в печь через два поочередно открываемых шлюза бункеров, а в бункеры ее доставляют наклонным ленточным конвейером 1 (см. рис. 14, б), на котором с определенными интервалами уложены порции агломерата, окатышей и кокса. В один бункер с ленты поступает одна порция агломерата, окатышей или кокса. Из бункера порцию выгружают на колошник печи по наклонному вращающемуся лотку.

Применение вращающегося лотка и изменение угла его наклона в процессе выгрузки из шлюзового бункера каждой порции материала позволяет в очень широких пределах перераспределять шихту по сечению колошника и регулировать толщину слоев железорудных материалов и кокса.

Распределение материалов на колошнике и толщина отдельных слоев - основные регулируемые параметры оптимального распределения потока газов в доменной печи, обеспечивающего плавное опускание шихты без зависаний и обвалов, безаварийную и высокопроизводительную работу агрегата.

2. Устройство доменного цеха

Современный доменный цех (рис. 15) включает одну или несколько доменных печей, отделения приемных бункеров сыпучих материалов (бункерную эстакаду), систему подачи шихты, литейный двор (для каждой печи отдельный) с системой желобов и шлакоотделителей для раздельного сбора выпускаемых из до-

менной печи чугуна и шлака соответственно в чугуновозные ковши шлаковозные чаши, воздухонагреватели с газовоздухопроводами, систему газоочистки, отделение разливки чугуна в случае его товарной поставки в твердом виде (чушковый чугун), склад твердого чугуна, установку придоменной грануляции шлака, воздуходувную станцию, отделение приготовления огнеупорных масс для ремонта желобов и чугуновозных ковшей, отделение внедоменной обработки чугуна и др.

Многие доменные цеха имеют в своем составе склад шихто­вых материалов (рудный двор) с вагоноопрокидывателями (при подаче руды в железнодорожных вагонах) и перегрузочными грейферными кранами (при подаче руды водным путем в сухогрузах).

На ряде заводов склады шихтовых материалов расположены, вне доменного цеха, и железосодержащие материалы поступают с. агломерационных фабрик (агломерат) и с ГОКов (окатыши) вагонах.

Кокс с коксохимических заводов подают ленточными кон­вейерами в коксовые бункера эстакады (коксовые силосы).

Новые доменные печи строят с конвейерной системой шихтоподачи на колошник: все компоненты шихты из отделения при­емных бункеров подают ленточными конвейерами непосредст­венно к загрузочному устройству доменных печей.

Ковши для транспортировки чугуна и шлака

Чугун и шлак в расплавленном состоянии образуют две не­смешивающиеся жидкости различной плотности. Плотность рас­плавленного чугуна при температуре - 1450 °С составляет -6450 кг/м³, а расплавленного шлака - 2400 кг/м³. Система чугун -шлак расслаивается на два слоя. Это позволяет отделять чугун от шлака, поскольку их дальнейшие пути использования различны.

Чугун и шлак, выпускаемые из доменной печи по системе желобов, оборудованных устройствами для отделения чугуна и шлака, поступают в раздельные ковши: чугун - в чугуновозный ковш, шлак - в шлаковый ковш (шлаковую чашу, шлаковоз).

Чугуновозы и шлаковозы устанавливают под соответст­вующими сливными носками желобов литейного двора доменно­го цеха.

Чугуновозы тепловозом металлургического завода отвозят для перелива жидкого чугуна из ковшей в миксер¹ сталеплавильного цеха либо для заливки непосредственно в сталеплавильные агрегаты, а также для разливки чугуна в чушки в разливочном отделении доменного цеха.

Шлаковозы транспортируют шлак к отдельно стоящим агрегатам грануляции или к шлаковому отвалу. В случае применения агрегатов для придоменной грануляции необходимость в транс­портировании жидкого шлака шлаковозом отпадает.

Чугуновозы. В отечественной практике широкое распространение получили чугуновозы с грушевидным ковшом вмести­мостью 50, 100 и 140т, рис. 16.

Чугуновозные ковши футерованы шамотным кирпичом Стойкость футеровки ковша миксерного типа достигает 1000 наливов.

Ковши миксерного типа имеют существенные преимущества перед грушевидными ковшами. При их использовании отпадает необходимость иметь стационарный миксер в сталеплавильной цехе. Ковш миксерного типа позволяет транспортировать жидкий чугун по железной дороге на большие расстояния (до 50 км) от одного завода к другому.

Шлаковозы имеют литую чугунную чашу круглого или овального поперечного сечения вместимостью 11 и 16,5 м³ (рис. 18). Шлаковоз снабжен механизмом опрокидывания чаши.

Доменные воздухонагреватели

Воздух (дутьё), необходимый для горения топлива, перед подачей в доменную печь (в верхнюю часть горна) нагревают в специальных аппаратах - воздухонагревателях.

Воздухонагреватель доменный - автономный высокотемпературный теплообменник регенеративного типа. Каждая доменная печь оснащена тремя или четырьмя воздухонагревателями, образующими единый блок, основной функцией которого является нагрев доменного дутья требуемого количества, а данной температуры и определенного давления. В настоящее время обычными значениями этих параметров являются: количе­ство дутья - до 500 000 м³/ч, температура дутья - до 1350 °С и Выше, давление дутья перед фурмами - до 0,5 МПа. Эти парамет­ры непосредственно связаны с объемом печи.

Имеется два типа воздухонагревателей - со встроенной бо­ковой камерой горения и выносной камерой горения.

Современные воздухонагреватели проектируют на продол­жительность срока службы 25 и более лет. Для достижения этой цели используют прочные и надежные конструкционные и огнеупорные материалы. На рис. 19 представлена схема воздухонагревателя с выносной камерой горения.

Воздухонагреватель работает в циклическом режиме: разогрев - охлаждение. Для разогрева воздухонагревателя в горелку 1 подают доменный газ и воздух. Газ сгорает в камере сгорания 2.

Продукты сгорания, огибая подкупольное пространст­во 3, идут вниз через каналы огнеупорной насадки 4. Отдавая насадке тепло, они охлаждаются до 300-400 °С и отводятся через дымовые клапаны в боров к дымовой трубе.

После нагрева насад­ку воздухонагревателя от­соединяют от трубопрово­да доменного газа и закры­вают штуцер горелки и дымовой клапан. Через поднасадочное пространст­во 5, насадку 4 и камеру горения 2 подают воздух, который через клапан го­рячего дутья направляют в воздуховод горячего дутья и далее - в доменную печь. Воздух, проходя через на­гретую насадку 4, нагрева­ется, а насадка охлаждается.

После охлаждения насадки воздухонагрева­тель вновь переводят в ре­жим нагрева. Непрерыв­ность подачи горячего дутья обеспечивается последовательной заменой охлажденного возду­хонагревателя разогретым.

Период нагрева насадки называют газовым, а период на­грева воздуха - воздушным. Газовый период длится примерно 2 ч, он более чем в 2 раза длиннее воздушного. Поэтому необходимо иметь не менее трех воздухонагревателей, два из которых одновременно нагреваются.

Основным элементом воздухонагревателя является огнеупорная насадка. Она представляет собой кладку из фасонных кирпичей с вертикальным каналами сечения 45x45 или 60x60 мм с толщиной стенки 40 мм или круглыми каналами диаметром 36-мм. Нижнюю часть насадки делают из шамотных огнеупоров, а верхнюю из высокоглиноземистых (62-72 % Аl₂О₃) и иногда из динасовых (содержание SiO₂ - 96 %) огнеупоров.

По мере охлаждения насадки температура дутья, выходящего из воздухонагревателя, падает. Это недопустимо для нормаль-''• ной работы доменной печи. Поэтому воздух нагревают до более высокой температуры, чем это необходимо, а заданную температуру дутья поддерживают автоматически, подмешивая дозированнное количество холодного воздуха в трубопровод горячего дутья после воздухонагревателя.

Горячее дутье к доменной печи подают по воздухопроводу. Воздухопровод опоясывает в виде кольца (кольцевой воздухопровод) доменную печь. От кольцевого воздухопровода горячее дутье поступает к фурмам, а через них непосредственно в доменную печь. Воздухопровод горячего дутья имеет В1гутренний диаметр до 1400 мм, изнутри он защищен от воздействия высоких температур огнеупорной и теплоизоляционной кладкой.

Подачу воздуха для нагрева и далее в доменную печь осу­ществляют специальными высокопроизводительными центробеж­ными машинами (турбовоздуходувками) с паротурбинными при­водами. Если в дутье добавляют кислород (до 24-28 %), то его вводят у воздуходувной машины. Природный газ, мазут и моло­тый уголь добавляют в дутье через фурмы.

Очистка доменного газа

Очистка технологических газов - процесс отделения твер­дых частиц от газа под воздействием инерционных или центро­бежных сил, электрического напряжения или путем абсорбции и фильтрации грязного газа через пористые фильтры.

Целью очистки газов является снижение концентрации вредных веществ не выше допустимых санитарными нормами (предельно допустимых концентраций ПДК). Немаловажное зна­чение имеет и вопрос экономии сырых материалов и топлива: пыль, содержащаяся в технологических газах, состоит из тех же веществ и химических соединений, которые проплавляют в дан^ ном металлургическом агрегате. Поэтому улавливание пыли и по­следующая ее утилизация имеет прямое отношение к снижению удельных расходов сырых материалов на производство чугуна и стали.

Очистка технологических газов металлургического произ­водства сопряжена с рядом существенных особенностей: домен­ный, конвертерный, коксовый газы, колошниковый газ установок прямого восстановления оксидов железа взрывоопасны из-за вы­сокого содержания СО и Н₂. Кроме того, газы на выходе имеют высокую температуру: конвертерные, электросталеплавильные газы и газы ферросплавных печей - до 1700 °С, коксовый - до 1200 °С, доменный - 150-400 °С. Поэтому перед очисткой их охлаждают. И, наконец, многие технологические газы содержат оксиды серы, азота, углерода, иногда фтор и хлор.

Газообразные продукты доменной плавки образуют домен­ный газ. Доменный газ с давлением 0,20-0,25 МПа и температу­рой 150-400 °С отводят из печи четырьмя (на печи объемом 5000 м³ - восемью) газоотводами, которые попарно соединены в нисходящие газопроводы грязного газа. Доменный газ помимо газообразных продуктов содержит до 60 г/м³ пыли. Такой газ нельзя использовать для работы отопительных устройств. Газ не­обходимо очистить до содержания пыли - 0,005 г/м³. Это осуще­ствляется при помощи системы очистки, которая имеет три ста­дии, основанных на сухом и мокром способах:

1. Грубая - сухим способом в пылеуловителях до содержа­ния пыли I -3 г/м³ (осаждается до 80 % пыли).

2. Полутонкая - мокрым способом в скрубберах и трубах -распылителях Вентури до 0,5-1,5 г/м³.

3. Тонкая - в трубах - распылителях Вентури, сухим или мокрым способом в электрофильтрах до 0,001-0,005 г/м³. На мно­гих заводах используют также сухую очистку в тканевых фильтрах.

Стадии очистки протекают последовательно: после грубой очистки следует полутонкая, а затем тонкая.

Схема инерционного сухого пылеуловителя представлена на рис. 20. Очистка газа происходит под действием силы тяжести. При поступлении газа в большой объем скорость газового потока резко уменьшается, и происходит осаждение из него пыли. Пыль собирается на дне пылеуловителя.

Очистка газа в скрубберах {рис. 21) основана на смачивании частичек пыли водой и удалении их в виде шлама (илистого осад­ка). Скруббер представляет собой металлический резервуар высо­той до 35 м и диаметром 4-6 м. Внутренняя полость скруббера заполнена несколькими ярусами деревянных насадок. Насадки орошают брызгалами, установленными в верхней части. Грязный газ из инерционного пылеуловителя с большой скоростью посту­пает в нижнюю часть скруббера радиально под углом 50 °. Круп­ные частицы пыли, соприкасаясь с водой, смачиваются и осажда­ются на днище, а мелкие частицы газом увлекаются вверх. На­встречу газу движутся мелкие капельки воды, образующие туман. Вода, соприкасаясь с горячим газом, испаряется и насыщает газ парами, при этом газ охлаждается. Мелкие частицы пыли увлаж­няются, прилипают к насадкам и смываются струями воды в ниж­нюю часть скруббера, откуда в виде шлама через водослив на­правляются в отстойные бассейны. Газ, очищенный и охлажден­ный до 40 °С, выходит из скруббера и направляется к трубам -распылителям Вентури.

Труба - распылитель (рис. 22) представляет собой вертикальную трубу с пережимом. В пережим трубы, в котором скорость газа увеличивается в 2-3 раза, через специальные форсунки • под большим давлением подается вода. Турбулентное движение I газа и водяной туман создают благоприятные условия для коагуляции (слипания) частичек пыли, которые осаждаются на выходе ' из трубы и уходят в виде шлама в отстойник. После труб Вентури устанавливают дроссельное (пережимное) устройство с клапанами и водяными форсунками. Оно создает и регулирует повышенное давление газа в трубопроводах и в доменной печи.

Дроссельная группа является эффективным устройством для укрупнения частиц пыли и действует аналогично трубам Вентури. Поэтому на некоторых заводах не используют трубы Вентури по­сле скруббера.

После дроссельного устройства устанавливают электро­фильтр. Электрофильтр представляет собой металлический ци­линдр, внутри которого расположен набор металлических трубок диаметром 325 мм и длиной - 4 м. Внутри трубок протянута про­волока. К трубкам (положительный электрод) и проволокам (от­рицательный электрод) подводят ток высокого напряжения 50-100 кВ. Между электродами возникает коронарный разряд, газ ио­низируется. Отрицательные ионы газа осаждаются на частицах пыли и влаги, сообщая им отрицательный заряд. Пыль прилипает к положительно заряженным анодам-трубкам. В сухих электрофильтрах ее удаляют встряхиванием трубок, в мокрых - смывани­ем водой. Затем газ поступает в инерционные водоотделители, в которых отделяется наиболее крупная пыль и капли воды. Далее газ поступает в заводской коллектор чистого доменного газа и по Iнему - к потребителю.

Все аппараты, расположенные между доменной печью и дроссельной группой, работают под повышенным давлением на колошнике до 0,25-0,30 МПа. В последние годы многие доменные печи с целью экономии энергоресурсов оборудуют газовыми ути­лизационными бескомпрессорными турбинами - ГУБТ, которые вырабатывают электроэнергию за счет использования энергии по­вышенного давления доменного газа. Подаваемый в ГУБТ домен­ный газ высокого давления обеспечивает вращение турбины, яв­ляющейся приводом электрогенератора; давление газа в турбине снижается до атмосферного. ГУБТ позволяет возвратить до 40 % энергии, израсходованной на сжатие доменного дутья, при этом себестоимость электроэнергии примерно в 2 раза ниже, чем при её выработке на заводской ТЭЦ.

Разливка чугуна

На металлургических заводах не весь жидкий чугун перерабатывают в сталь. Часть чугуна разливают в небольшие слитки! (чушки) массой 45-50 кг для создания запаса или продажи другим потребителям.

Разливку чугуна осуществляют на разливочных машинах установленных в отделении разливки доменного цеха.

Разливочная машина представляет собой направленный вверх конвейер из двух бесконечных цепей с закрепленными на них корытообразными изложницами (мульдами). Жидкий чугун из чугуновоза при кантовании (наклоне) попадает в футерованный разливочный желоб, оканчивающийся двумя сливными носками, а из них - в мульды. Наполненные чугуном изложницы движутся наклонно вверх, охлаждаются водой из труб с брызгалами. В верхней части мульды опрокидываются, и затвердевший чугун в виде чушек вываливается из них и по желобам погрузочных уст­ройств загружается в железнодорожные платформы.

Порожние мульды в опрокинутом положении движутся I сверху вниз к заливочной части машины. При движении мульды опрыскиваются известковым раствором для предотвраще-1 ния приваривания чугуна.

Производительность конвейерной машины - 1800 т/сут, I угол наклона ленты ~ 9 °, скорость движения ленты 7-13 м/мин.

3. ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

Доменный процесс - комплекс физико-химических процесссов, протекающих в доменной печи и обусловливающих получение мне чугуна из железной руды или продуктов ее подготовки агломерата и окатышей с использованием кокса в качестве основного источника тепла и основного восстановителя.

Горение топлива в горне доменной печи

Горение - сложный физико-химический процесс, основой которого является быстропротекающая химическая реакция окис­ления, сопровождающаяся выделением значительного количества теплоты и обычно ярким свечением (пламенем).

Горение топлива - кокса и его заменителей (молотого угля, мазута, природного газа) - происходит в горне доменной печи в среде нагретого до 1100-1350 °С воздуха (горячего дутья), пода­ваемого в горн печи через воздушные фурмы. Дутье обогащают кислородом до 24-28 %. Под воздействием воздушной струи слой кокса перед фурмами разрыхляется с образованием полостей, где горящие куски кокса, захваченные газовым потоком, совершают циркуляционные перемещения (рис. 23). Куски кокса, упавшие сверху в полость, захватываются газовыми струями и движутся от фурмы к задней стенке очагов горения.

Полости перед фурмами называют очагами или зонами го­рения кокса. В этих зонах горит также топливо, вдуваемое с воз­душным дутьем. Характерными параметрами зоны горения явля­ются ее геометрические размеры (глубина и высота простирания) и температура газа. Эти параметры оказывают большое влияние на работу доменной печи. Глубина зоны горения достигает 1500-1900 мм. При диаметре горна 14 м доменной печи объемом ~ 4500 м³ и его площади 620 м² площадь зоны горения кокса, распо­ложенная по внешнему контуру горна, составляет 70-85 м² или 11-14 %.

Сгорание кокса происходит на поверхности кусков в резуль­тате взаимодействия с окислительными газами, рис. 24. Во внут­ренней, прилегающей к фурме части зоны горения (кислородная зона 1), углерод, реагируя с кислородом, окисляется до СО₂:

С + О₂ = СО₂ + 402,2 кДж/моль С.

В периферийной (углекислотной) 2 части зоны горения, где кислород уже израсходован и содержится лишь СО;, углерод окисляется (газифицируется), реагирует с СО₂:

С + СО₂ - 2СО - 166,3 кДж/моль С.

Суммарная реакция сгорания представляется уравнением:

С + 0,5О₂ = СО + 117,95 кДж/моль С.

Изменение состава газа в окислительной зоне показано на рис. 25. При использовании как окислителя сухого воздуха состав горнового газа будет следующим: 34,7 % СО и 65,3 % К₂. Обога­щение дутья кислородом способствует повышению содержания СО в газе. Увлажнение дутья вызывает появление в горновом газе водорода вследствие течения реакции:

С + Н₂0 = СО + Н₂ - 124,9 кДж/моль С.

При воздушном дутье температура в центре окислительной зоны, где идут экзотермические реакции окисления углерода до СО_2, достигает 1900-2100 "С, а на границе окислительной зоны снижается до 1650-1600 °С вследствие протекания эндотермиче­ской реакции:

С + СО₂ - 2СО - 166,3 кДж/моль С.

В центральной части горна температура составляет 1400-1500°С.

Поскольку кокс является дорогим и дефицитным мате­риалом, то стремятся к снижению его расхода за счет вдувания в горн через воздушные фурмы различных углеродсодержащих ве­ществ - молотого угля, мазута, природного газа.

Вдувание молотого угля. Основной эффект от применения молотого угля заключается в непосредственной замене углерода кокса углеродом каменного угля. Уголь практически не содержит водорода, и поэтому в отличие от углеводородов он не влияет на ход восстановительных процессов.

На лучших заводах мира расход молотого угля достигает 200 кг/т, при этом расход кокса не превышает 300 кг/т (рас кокса при работе доменных печей по обычной технологии сое лист 500-600 кг/т).

Вдувание природного газа. Этот вид интенсификации доменного процесса наибольшее распространение получил на отечественных заводах. Основу природного газа составляет метан СН₄ горне происходит неполное горение газа с образованием СО и Н₂

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 37 250 Дж.

При этом горновой газ обогащается водородом до 8-15 % . При вдувании природного газа расход кокса снижается как за счет образования дополнительного тепла, так и за счет повышения пени косвенного восстановления (участие в процессах восста ления водорода). При вдувании природного газа необходимо обогащение дутья кислородом до 25-30 %.

Средний расход природного газа составляет 100 м³/т чугуна.

Вдувание мазута. Мазут состоит из сложных углевод дов С_mH _n. Он оказывает аналогичное природному газу воздействие на доменную плавку. Отличие заключается в том, что теплота сгорания мазута (~40 000 кДж/кг) выше, чем у природного (~36 000 кДж/м³), и он вносит меньше водорода. Мазут вдувают распыленном виде.

Применение молотого угля, природного газа и мазута, вдуваемых в горн, позволяет снизить расход кокса и повысить производительность доменных печей.

Для примера приведем данные по расходу топлива на 1 т чугуна на одной из печей среднего объема: кокса 280 кг, угля 70кг мазута 80 кг при обогащении дутья кислородом до 25 %.

Количество сжигаемого кокса в сутки, отнесенное к 1 м³ полезного объема печи, называют интенсивностью доменной плавки J_k, т/(м³сут). При использовании дополнительного топлива интенсивность рассчитывают по суммарному количеству углер сожженного в сутки на 1 м³ полезного объема печи. Количество сожженного топлива определяет суточную производительность доменной печи.

Движение материалов в доменной печи

Шихтовые материалы, загруженные на колошник (верхнюю часть доменной печи) медленно опускаются. Опускание связано с тем, что в горне печи сгорает кокс, образуются жидкие продукты Плавки, через летки почти непрерывно или периодически выпус­кают жидкие чугун и шлак. Длительность пребывания материалов в доменной печи составляет 4-6 ч. Навстречу твердым материалам с большой скоростью по всему сечению печи движется газовый поток. Газы образуются при сгорании топлива около фурм. Длительность пребывания газа в доменной печи ~ 3 с. За это время газы максимально отдают тепло холодным материалам и восстанавливают оксиды металлов. Противоток движущихся сверху вниз холодных твердых материалов и снизу вверх горячих газов обес­печивает высокие скорости тепло- и массообменных процессов.

Важную роль в работе доменной печи играет распределение Газового потока по сечению шахты и колошника. Его регулирова­ние осуществляют изменением высоты (уровня) столба шихтовых материалов на колошнике и порядком засыпки материалов на клошнике.

Физико-химические процессы в доменной печи

Нагрев шихты. В зоне сгорания кокса температура состав­ляет 1900-2100 °С, газообразные продукты сгорания (СО, СО₂, Н₂, Н₂0), азот воздуха нагреваются до высокой температуры и уст­ремляются вверх. Тепло газов передается твердым материалам. Степень нагрева материалов зависит от того, как далеко они рас­положены от горна и какой газопроницаемостью обладают. В верхней части горна температура газов достигает 2000 °С, в рай­оне распара печи - 1200 °С, в нижней части шахты - 1100 °С. Газы, достигшие колошника, успевают отдать большую часть тепла шихтовым материалам и имеют температуру 200-400 °С.

При опускании шихтовые материалы изменяют свой состав и свойства. В них протекают следующие процессы: удаление вла­ги и летучих веществ, размягчение, восстановление оксидов ме­таллов, плавление, образование чугуна и шлака.

Удаление влаги и летучих веществ. При нагревании мате­риалов (руды, агломерата, окатышей, флюсов) до 100-200 °С из них удаляется физическая (гигроскопическая) влага. При температуре 200-500 "С из материалов удаляется химически связанная соединения (гидратная) влага. Из кокса при 300-400 "С удаляются остатки летучих веществ органического происхождения (СО₂, СН₄, Н₂).

При температуре ~ 1000 °С происходит интенсивное разложение углекислых соединений - карбонатов СаСО₃ и МgСО₃ реакциям:

Эти реакции эндотермические, т. е. протекают с поглощением тепла. Образующийся при разложении карбонатов углекислый газ СО₂ реагирует с углеродом кокса также с поглощением та по реакции:

С + СО₂ = 2СО-Q₃.

В современной технологии доменного производства с целые экономии кокса известняк и доломит в шихту практически не вво­дят, а для получения шлака надлежащей основности используют офлюсованные агломерат и окатыши. Выведение из шихты 1 кг известняка позволяет экономить 0,4 кг кокса.

Восстановление железа. Восстановителями оксидов железа могут выступать углерод кокса С, газы СО и Н₂. Восстановлен» твердым углеродом называют прямым, а восстановление газами - косвенным.

Процесс восстановления железа в доменной печи протекает следующим образом. Во всем объеме печи, начиная от верха колошника до участков с температурой 900-1000 °С, протекают процессы косвенного восстановления оксидов газом СО и частич­но Н₂. В этой зоне косвенного восстановления высшие и средние оксиды железа успевают восстановиться до FеО:

Часть оксидов железа восстанавливается до железа, причем частицы восстановленного железа обнаруживаются в шихте уже на уровне колошника при температурах менее 570 °С:

В зоне высоких температур (>900-1000 °С) располагается зона смешанного восстановления: часть FеО восстанавливается до железа как косвенным, так и прямым путем из твердой или жидкой фазы:

FеО + С = Fе + СО - 152,67 кДж.

В зонах с температурами свыше 1100-1250 °С, когда сфор­мировался жидкий шлак, в котором растворены оксиды железа, железо восстанавливается прямым путем из жидкого шлака при стекании его капель вниз между кусками кокса. Железо при восстановлении получается в твердом виде и имеет форму губки. Схема расположения зон косвенного, смешанного и прямого вос­становления оксидов железа в доменной печи показана на рис. 26. В зоне горна восстановленное железо растворяет углерод, температура плавления железа резко понижается с 1539 до 1147 °С (при эвтектическом содержании углерода 4,3 %), железо с растворенным углеродом переходит в жидкое (расплавленное) состояние, образуя чугун. В него переходят также восстановленные другие элементы и сера. В доменной печи железо восстанавлива­ется почти полностью. Степень восстановления железа составляет 0,990-0,998, что означает, что 99,0-99,8 % железа переходит в чу­гун и лишь 0,2-1,0 % остается в шлаке.

Необходимо отметить, что приведенная запись реакции

прямого восстановления не отражает механизма ее протекания. Дело в том, что непосредственное взаимодействие углерода с твердыми оксидами ограничено, так как поверхность контакта между неровными кусками очень мала. Фактически прямое восста­новление протекает через газовую фазу и состоит из двух стадий:

FеО + СО = Fе + СО₂;

СО, + С = 2СО,

что после суммирования дает итоговую реакцию прямого восста­новления:

FеО + С = Fе + СО.

Степень прямого восстановле­ния оксидов железа в доменных печах; зависит от многих параметров (темпе­ратуры дутья, вдувания природного газа, мазута или молотого угля, давле­ния газа на колошнике и др.) и колеб­лется в пределах 20-60 %.

Наряду с железом в доменной печи восстанавливаются другие эле­менты - Si, Мn, Р, V, Сr и др. После восстановления они переходят в чугун. Железо выступает катализатором ре­акций восстановления примесных элементов.

Восстановление кремния протекает по реакции прямого восстановления: Si O₂ + 2С = Si + 2СО - 636,760 кДж.

Восстановлению кремния способствуют высокие температуры в не горна, а также кислые шпаки, в которых основность (отношение концентрации оксидов кальция и кремния шлаке) (% СаО) / (%SiO ₂) < 1. В чугуне, предназначенном для последующего передела в сталь (передельном чугуне), концентрация кремния обычно составляет 0,5-0,8 %.

Восстановление марганца. В состав руд марганец входит в виде оксидов МnО₂, Мn₂О₃, Мn₃О₄. Эти оксиды легко восстанавливаются до МnО косвенным путем. Низший оксид марганца МnО является химически более прочным и восстанавливается прямым путем, требуя значительного расхода тепла: МnО + С = Мn + СО - 298,3 кДж.

В доменной печи восстанавливается 55-65 % содержащихся в шихте оксидов марганца. В современной технологии доменной плавки в шихту марганцевую руду не вводят, и чугун содержит столько марганца (от 0,1 до 0,3-0,5 %), сколько его восстанавливается из оксидов марганца, содержащихся в железных рудах в качестве примесей. Восстановлению марганца способствует повышенная концентрация оксидов марганца в шихте, повышенная температура в горне и основность шлака (% СаО)/ (% SiО₂) >1. Присутствие марганца в чугуне, предназначенном для передела в сталь, в количествах 0,5-1 % желательно, поскольку это улучшает Шлакообразование в конвертерном процессе производства стали.

Восстановление фосфора. Фосфор в большинстве случаев отрицательно влияет на свойства чугуна и стали. Поэтому стре­мятся ограничить содержание этого элемента в чугуне. Фосфор попадает в доменную печь с минералами пустой породы руды, агломерата или окатышей. Чаще всего фосфор находится в пустой породе в виде прочного соединения соли тетракальцийфосфата (СаО),) • Р₂O₅. Данная соль в присутствии кремнезема при высоких температурах разлагается с образованием фосфорного ангидрида Р₂O₅, который восстанавливается углеродом прямым путем с большой затратой тепла:

(СаО)₄ • Р₂О₅ + 4 SiО ₂ - 4(СаО • SiО₂ ) + Р₂О₅;

Р₂0₅ + 5С = 2Р + 5СО - Q.

В реальных условиях доменной плавки при основности шлака (% СаО)/ (%SiО₂) = 1,1+1,25 оксид Р₂О₅ является непроч­ным, легко восстановимым, и весь фосфор шихты переходит в чугун. Добиться получения чугуна с низким содержанием фосфора можно, лишь применяя низкофосфористую шихту или проводя внедоменное удаление фосфора.

Восстановление других элементов. О возможности вос­становления элементов в условиях доменной плавки судят по ве­личине их химического сродства к кислороду, определяемой из­менением энергии Гиббса G₂₉₈ образования оксидов из чистого момента при стандартных условиях.

По возрастанию сродства к кислороду элементы располага­ются в следующем порядке: Сu, Аs, Ni, Fе, Р, Zn, Мn, V, Сr, Si, Тi, Аl, Мg, Са. Соответственно, степень восстановления элементов в доменной печи тем меньше, чем правее стоит элемент в приведен­ном ряду по отношению к железу.

Такие элементы, как никель, медь, мышьяк, подобно железу Н фосфору, почти целиком восстанавливаются в печи и переходят и чугун.

Ванадий и хром восстанавливаются подобно марганцу - соответственно на 70-80 и 80-90 %, а титан - аналогично кремнию, хотя степень его восстановления значительно ниже. Алюминий, магний и кальций в доменной печи не восстанавливаются.

Образование чугуна. Окончательно чугун в расплавленном состоянии формируется в горне. Восстановленное железо, первоначально находящееся в твердом состоянии, растворяет углерод, температура сплава железа и углерода понижается, сплав переходит в жидкое состояние, образуя чугун. Восстановленные элементы - марганец, кремний, фосфор и другие растворяются в чугуне. В чугуне растворяется также сера шихтовых материалов и золы кокса. Содержание углерода в чугуне зависит от его температуры и состава и колеблется в пределах 4,3-5,3 %.

Шлакообразование. Параллельно с образованием чугуна в доменной печи образуется шлак из невосстановившихся оксидов СаО, МgО, Аl₂О₃, SiO₂, содержащихся в пустой породе сырых материалов, флюсов и золы кокса, а также небольших количеств МnО, FеО и СаS.

Процесс шлакообразования заключается в получении легко­плавких соединений, температура плавления которых гораздо ниже температуры плавления каждого из входящих в состав шлака оксидов в отдельности. Шлак в доменной печи образуется в результате расплавления пустой породы руды, агломерата, окатышей и флюса, к которым впоследствии присое­диняется зола кокса.

При опускании в печи шихтовых материалов сохраняется их; слоевое расположение (чередование слоев агломерата и кокса), и материалы остаются твердыми до поступления в участки печи с температурой около 1000-1100 "С, где начинается пластичная зона за счет размягчения железорудных материалов. Ниже этой зоны при температурах 1200-1250 "С происходит образование первичного шлака за счет расплавления части оксидов. Первичный шлак характеризуется повышенной концентрацией МnО и FеО (до 6-10 и 25-30 % соответственно). Количество первичного шлака неве­лико. Этот шлак стекает вниз, нагревается и изменяется по составу^: и количеству. В нем увеличивается содержание СаО, МgО, А1₂О₃,SiO₂; содержание МnО и FеО уменьшается вследствие восстановления оксидов марганца и железа. Когда шлак попадает в горн печи, почти все железо и основное количество марганца успевают восстановиться. На горизонте фурм в шлак переходит зола кокса. В конечном шлаке полностью растворяется известь. В шлаке растворяется также сульфид кальция, образующийся за счет взаимодействия оксида кальция с серой.

Важнейшими характеристиками шлака являются температура плавления и текучесть (вязкость). Первичные лекгоплавкие шлаки имеют большую плотность вследствие высокого содержания в них оксидов FеО и МnО. Такие шлаки, как правило, быстро стекают в горн. Время их собственного прогрева значительно сокращается, и в горне печи на них тратится большое количество тепла не только для восстановления оксидов железа и марганца твердым углеродом, но и для нагрева. Вязкий шлак опускается ] медленно и задерживает сход шихты у стен, как бы «приклеивая» к стенам печи твердые и размягченные куски шихты. Кроме того, вязкий шлак, заполняя пространство между кусками шихты и кокса, ухудшает газопроницаемость шихты, приводит к расстройству хода печи.

Следовательно, при подборе шихты необходимо избегать очень вязких и чрезмерно текучих первичных шлаков. Для ровной экономичной работы доменной печи необходимо, чтобы шлак был достаточно текучим при 1400-1500 °С.

На вязкость и тугоплавкость шлаков оказывает влияние их химический состав, соотношение концентрации СаО, МgО, А1₂О₃,SiO₂. Важной характеристикой шлака является его основность.

В зависимости от отношения концентраций основных (СаО, МgО, ВаО, FеО, МnО) и кислотных (SiO₂, ТiO₂, Р₂О₅) оксидов шлаки делятся на кислые и основные.

К кислым относятся шлаки, для которых (% СаО)/ (%SiO₂) менее 1, а к основным - шлаки с основностью 1,20 и более. Шла­ки, имеющие основность от 1,0 до 1,20, принято называть шлака­ми с пониженной основностью.

Преобладание кремнезема и глинозема над известью делает шлаки густыми, тягучими, медленно застывающими и переходя­щими при охлаждении в стекловидную массу.

Шлаки, для которых (% СаО)/ (%SiO₂) = 1 или немного бо­лее, в расплавленном состоянии жидкие, текучие, но для расплав­ления их требуется значительное количество теплоты. Застывают такие шлаки быстро, при охлаждении не проходят через тестооб­разное состояние. В застывшем виде имеют камневидный излом,

При повышенной основности (% СаО)/ (%SiO₂) > 1,4 шлаки резко теряют свою текучесть, делаются густыми, но не тягучими. При охлаждении они рассыпаются в порошок.

Основные шлаки способствуют удалению из чугуна серы, восстановлению железа и марганца, а кислые шлаки - восстановлению кремния. Для обеспечения ровной и экономичной работы, доменных печей при выплавке передельного чугуна основность, конечного шлака (% СаО) / (%SiO₂) поддерживают в пределах 1,10-1,25. Такой шлак обладает хорошей жидкотекучестью при температурах > 1400 °С.

В конечном шлаке доменных печей сумма концентраций трех оксидов % СаО + % SiO₂ + % А1₂О₃, = 85 + 95 %. Кроме того, шлак содержит 2-10 % МnО, 0,2 - 0,6 % FеО, 0,3 - 3,0 % МnО и 1,5-2,5 % S в виде СаS. Содержание в шлаке 5-8 % МgО обеспечивает хорошую текучесть шлака.

В уральских титаномагнетитовых рудах содержится до 3 % ТiO₂;. Оксид титана ТiO₂ в основных шлаках повышает их вяз­кость, в кислых шлаках увеличение содержания ТiO₂ до 17 % не­значительно изменяет вязкость.

Поведение серы. Сера является для большинства марок, стали вредной примесью, понижающей свойства металла. На всех стадиях производства стараются снизить содержание серы в металле. В чугуне может растворяться до 0,9 % серы.

Сера в доменную печь вносится железосодержащими материалами (рудой, агломератом, окатышами), флюсами и коксом. доменной печи сера распределяется между чугуном, шлаком, газом и пылью. Сера может улетучиваться в виде паров сернистого газа SО₂, сероводорода Н₂S и других газообразных соединений. При горении кокса часть серы может окисляться до SО₂ и уно­ситься газами.

Однако, значительная часть серы (60-80 %) остается в печи и переходит в чугун и шлак. Распределение серы между чугуном и шлаком описывается реакцией:

Fе + [S] + (СаО) = (FеО) + (СаS).

Константа равновесия этой реакции равна

где а[s] - активность серы, растворенной в чугуне; a(_CaO). а(_FеО), a(_СаS) - активности оксида кальция СаО, оксида железа (II) FeО и cульфида кальция СаS, растворенных в шлаке.

Процесс удаления серы из металла называют десульфурацией. Показателем процесса десульфурации металла служит коэф­фициент распределения серы между шлаком и металлом, выводи­мый из константы равновесия:

Отсюда следует, что десульфурация металла шлаком происходит тем полнее при данной температуре (выше значение коэфициента распределения серы L_s), чем выше активность (в первом приближении концентрация) оксида кальция a(_CaO) в шлаке и чем ниже активность (концентрация) в нем оксида железа а(_FеО) . Для обеспечения наилучших условий десульфурации необходимо работать на основных известковистых шлаках при высокой температуре в горне. С ростом основности шлака повышается a(_CaO). Высокая температура необходима для обеспечения хорошей жидкоподвижности (текучести) шлака, обуславливающей протекание реакции удаления серы с высокой скоростью. Процесс десульфуриции чугуна протекает в горне доменной печи ниже оси воздушных фурм, когда капли образовавшегося чугуна стекают в горн, проходя через слой шлака.

При выплавке передельных чугунов значение упрощенного оэффициента распределения серы

где (S) и [S] - содержание серы соответственно в шлаке и чугуне, %, при основности шлака 1 и более составляет 30-70. При меньшей основности L_s может достигать 20 и менее. Содержание серы в чугуне составляет 0,015-0,050 %, в шлаке - 0,55-2,0 %.

Удаление серы из чугуна может происходить и после вы­пуска металла из печи в ковш по реакции с марганцем:

[S] + [Мn] = (МnS),

равновесие которой сдвигается в сторону перехода серы в шлак по мере понижения температуры.

Эта реакция играет второстепенную роль при выплавке передельных чугунов с пониженной концентрацией марганца.

На современных заводах при выплавке сталей с особо низким содержанием серы < 0,005 % (автомобильный лист, стали для труб магистральных газо- и нефтепроводов и др.) проводят десульфурацию чугуна в ковшах после выпуска из доменной печи.

Внедоменная обработка чугуна

Внедоменную обработку чугуна осуществляют в чугуновозных ковшах грушевидного или миксерного типа. Она ставит своей целью снижение в чугуне содержания серы, кремния и фосфора. Соответственно процессы называют десульфурацией, десиликонизацией и дефосфорацией. Внедоменную обработку чугуна обычно проводят путем вдувания в расплавленный чугун соответствую­щих реагентов. Схема процесса внедоменной обработки чугуна показана на рис. 27.

Для удаления серы используют специально подготовленные шлакообразующие смеси на основе извести с флюсующими материалами, вдувают гранулированный магний или карбид кальция СаС₂. При этом протекают реакции: ...

По одной из технологий внедоменной десульфурации чугуна путем обработки специально приготовленным (синтетическим) шлаком на основе СаО, А1₂Оз, SiO₂, МgО достигают значения L_s > 500 и содержания серы в металле менее 0,0010 % (ультранизкие содержания серы).

Удаление кремния достигают путем вдувания в чугун моло­той железной руды:

Удаление фосфора происходит при обработке чугуна специально приготовленными шлаковыми известковорудными смесями:

При обработке чугуна в ковшах содой (Nа₂СО₃) путем вду-Ннния происходит удаление всех трех элементов. В объеме металла происходит диссоциация соды:

Получающиеся при этом оксид углерода СО₂ окисляет кремний и фосфор, а оксид натрия, являясь более сильным основанием, чем СаО, связывает оксиды кремния и фосфора в прочные силикаты и фосфаты.

Суммарные реакции взаимодействия соды с кремнием, фос­фором и серой чугуна записываются следующим образом:

На рис. 28 приведены обобщенные данные японской прак­тики обработки чугуна содой. Как видно из рисунка, реакции уда­ления примесей чугуна с помощью соды протекают последовательно: сначала преимущественно удаляется кремний, затем фосфор, сера удаляется в последнюю очередь. Удаление всех пример сей завершается при остаточном содержании каждого из ним и 0,005 %, то есть происходит глубокое рафинирование чугуна, Расход соды составляет при этом 50-60 кг/т передельного чугуна.

Внедоменная обработка чугуна с целью уменьшения содержания кремния, фосфора и серы благоприятно сказывается на протекании сталеплавильных процессов, позволяет снизить расход шлакообразующих материалов и получить сталь более высокого качества с меньшими материальными затратами.

Обязательным условием успешной внепечной обработки чу­гуна является скачивание шлака с поверхности металла до и после обработки.

4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Оценку минимального расхода углерода на восстановление оксидов железа проведем по реакции:

На 1 т чугуна при содержании в нем 95,3 % Fе и 4,7 % С понадобится на восстановление (953/112)36 = 306 кг С. На науглероживание чугуна до содержания углерода 4,7 % будет востребовано 47 кг С. Часть углерода (примерно 59 кг на 1 т чугуна) тратится на горение и вьделение теплоты. Отсюда суммарный расход углерода на образование 1 т чугуна будет равен 306 + 47 + 59 =412 кг. Такое количество углерода может быть обеспечено при­мерно 463 кг кокса в случае, если восстановление оксидов железа и тепловые процессы будут осуществлены только коксом.

Самые крупные доменные печи в мире с диаметром горна 14 м и более и объемом 4500-5500 м³ производят в сутки более 12 000 т жидкого чугуна. В табл. 5 приводится примерный баланс доменной плавки, при этом дается расход и приход материалов как на 1 т чугуна, так и на суточную производительность в 12 000 т. Последнее дается с целью показать массу исходных ма­териалов и получаемых продуктов, необходимых для перемеще­ния в доменном цехе железнодорожным и трубопроводным транспортом.

5. УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Доменный процесс является сложным физико-химическим процессом с многочисленными входящими и выходящими пара­метрами. Управление работой доменной печи осуществляется на основе информационных технологий с центральной станции управления, расположенной на территории доменного цеха и ос­нащенной современной промышленной компьютерной техникой. Задачей управления является ведение доменного процесса, обес­печивающего безаварийную работу печи с высокой производи­тельностью и получением продуктов заданного состава, темпера­туры и качества. Это достигается равномерным и максимально регулируемым ходом газа через столб шихтовых материалов и их равномерным сходом.

Доменная печь оборудована большим количеством датчи­ков, работающих в автоматическом режиме. Информация от них в режиме текущего времени поступает на соответствующие вычис­лительные машины. ЭВМ записывают и обрабатывают информа­цию. В случае отклонения какого-либо параметра от заданных значений ЭВМ дает рекомендации оператору по исправлению создавшейся ситуации.

Назовем хотя бы некоторые контролируемые и регулируе­мые параметры. Это состав, качество и количество шихтовых ма­териалов, их распределение на колошнике; температура и расход заменителей кокса (молотый уголь, мазут, природный газ); темпе­ратура и распределение газа на колошнике, в районе стен и центре доменной печи; распределение давления по высоте и сечению пе­чи; тепловое состояние печи; температура кожуха печи, горна и лещади по всему диаметру; температура и расход охлаждающей воды; параметры чугуна и шлака на выпуске (состав, температура, количество), параметры работы воздухонагревателей и системы газоочистки доменного газа. Все параметры связаны воедино ма­тематической моделью доменного процесса.