Доменной плавке

Цель практической работы: углубить знания о материалах, используемых для производства чугуна и систематизировать представления о технологии подготовки руды к плавке.

Задачи

1. Повторить изученный материал о шихтовых материалах и технологиях подготовки руды и других материалов к плавке;

2. На основании изученного материала по теме «Шихтовые материалы и их подготовка к доменной плавке» заполнить таблицы 2 и 3, форма которых приведена ниже.

Краткие теоретические сведения

Для выплавки чугуна главным образом используют доменное производство. Для этого необходимо приготовить шихту - смесь сырых материалов. Шихта для производства чугуна состоит из железной руды, топлива и флюсов, взятых в определенных соотношениях. Железные руды представляют различные окислы железа. Они являются источником железа в процессе получения чугуна. Различают следующие железные руды: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк.

Топливо обеспечивает необходимую температуру для расплавления исходных материалов, углерод топлива входит также в состав железоуглеродистых сплавов. В качестве топлива применяют кокс. Он хорошо горит и развивает высокую температуру, не спекается, сопротивляется раздавливанию, имеет высокую теплотворную способность. Кокс содержит около 80 % углерода и незначительное количество серы и фосфора. Получают кокс путем сухой перегонки коксующихся каменных углей в коксовых печах.

Флюсы служат для понижения температуры плавления пустой породы и золы. Флюсы сплавляются с пустой породой и золой, образуя шлак. Шлаки всплывают на поверхность металла, и удаляются из доменной печи. В качестве флюсов применяют известняк и кремнезем. Чаще всего применяют известняк.

К основным операциям подготовки руды к плавке относятся: дробление, измельчение, сортировку по классам крупности, обогащение, усреднение, окускование.

Порядок выполнений работы и методические указания

Работа рассчитана на 2 часа.

1. Изучите теоретические положения;

2. Используя материалы лекций, коллекцию образцов шихтовых материалов и рекомендованную литературу, заполните обзорно-повторительную Таблицу 2 «Исходные материалы для производства чугуна» и Таблицу 3 «Подготовка железных руд к плавке», форма которых приведена ниже.

В Таблице 2 нужно привести материалы, а также их разновидности, используемые при выплавке чугуна. В графе «Химический состав» необходимо указать химические формулы веществ, составляющих основу данного материала. Графа «Назначение» предназначена для краткого описания функции, которую выполняет данный материал в процессе выплавки.

В Таблице 3 нужно привести последовательное, в соответствие с технологией, название операций (и их разновидностей), проводимых при подготовке железных руд к плавке. В графу «Схема» поместите схематичное изображение технологического оборудования и, если необходимо, снабдите рисунок пояснениями. В графе «Назначение», сформулируйте цель проведения названной операции.

Таблица 2 - Исходные материалы для производства чугуна

Материалы	Разновидность материала	Химический состав	Назначение
1	2	3	4

Таблица 3 - Подготовка железных руд к плавке

Операция	Разновидность операции	Схема	Назначение
1	2	3	4

Контрольные вопросы

1. Из каких исходных материалов получают чугун?

2. Какие виды топлива применяются в доменной печи?

3. Какова роль флюса в доменном производстве?

4. Какие существуют разновидности железных руд?

5. Какие операции проводят при подготовке железных руд к плавке?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2 ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

Цель практической работы: углубить знания о доменном процессе.

Задачи

1. Закрепить знания об устройстве доменной печи;

2. Сформировать знания о физико-химических процессах, происходящих при доменной плавке;

3. На основании изученного материала заполнить Таблицу 4 «Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи», форма которой приведена ниже.

Краткие теоретические сведения

В доменной печи в ходе плавки наблюдаются два потока: сверху вниз перемещаются руда, топливо и флюсы; снизу вверх - продукты горения. Шихтовые материалы встречаются с газовым потоком, при этом изменяются их химический состав и свойства.

Снизу печь через фурмы из кауперов поступает нагретый воздух. Кислород воздуха взаимодействует с углеродом кокса, обеспечивая полное сгорание кокса при реакции

С + О₂ = СО₂.

Реакция идет с выделением большого количества тепла, и на уровне фурм температура достигает 1700 - 2000°С.

Поднимаясь выше, углекислый газ вступает в реакцию с новыми слоями раскаленного кокса, в результате образуется двуокись углерода:

СО ₂ + С = 2СО.

Часть окиси углерода в процессе движения к колошнику разлагается и снова образует углекислый газ и сажистый углерод, который оседает в трещинах и порах шихтовых материалов

2СО=^: СО₂+ С_саж.

Загруженная в доменную печь шихта попадает сначала в подготовительный пояс (колошник и верхняя часть шахты), имеющий сравнительно невысокую температуру. Опускаясь ниже, шихта попадает в зоны более высоких температур - восстановительный пояс, где идет процесс восстановления железа.

7

Восстановление железа из окиси Fe₂0₃ окисью углерода проходит следующие стадии:

3Fe₂0₃ + CO=2Fe₃0₄ + С0₂;

Fe₃0₄ + CO=3FeO + C0₂;

FeO + CO=Fe + C0₂.

По мере движения железной руды к горну идет постепенное восстановление железа. Чем ниже опускается шихта, тем выше температура в печи и тем активнее идет этот процесс. На уровне распара уже почти все железо восстановлено.

Восстановленное железо, соприкасаясь с окисью углерода, при температуре 820-850°С науглероживается, растворяя в себе углерод:

3Fe + 2СО = Fe₃C + С0₂.

При более высоких температурах (выше 900°С) науглероживание может идти и за счет сажистого углерода, проникающего внутрь губчатой железной массы:

3Fe+ С_саж.=Fe₃C.

Образующийся в нижней части шахты и в распаре карбид железа Fe₃C способствует науглероживанию железа, растворяясь в нем с образованием чугуна, и тем самым понижает температуру плавления железа.

Порядок выполнения работы и методические указания

Работа рассчитана на 2 часа.

1. Изучите теоретические положения;

2. Заполните таблицу 4 - «Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи»;

3. Изобразите разрез доменной печи, обозначьте элементы ее конструкции и выделите по высоте рассматриваемые температурные зоны.

Таблица 4 - Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи

Процесс	Химическая реакция	Зона печи	Температура
1	2	3	4

Контрольные вопросы

1. Какие физико-химические процессы происходят в процессе плавки?

2. Что являются восстановителями окислов железа в доменной печи?

3. Чем отличается процесс прямого восстановления от косвенного?

4. Какие пояса различаются в печи в процессе плавки? Какие процессы происходят в каждом поясе?

5. За счет чего идет процесс науглероживания железа? Что образуется при этом?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3

ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Цель практической работы: закрепить знания о конечных продуктах доменной плавки.

Задачи

1 .Получить знания о видах и назначении доменных чугунов;

2. Сформировать знания о составе и назначении шлака;

2. На основании изученного материала заполнить таблицу 5 -Продукты доменной плавки.

Краткие теоретические сведения

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль.

Основным продуктом доменной плавки является чугун - сложный сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. Различают: литейный чугун (для изготовления изделий путем литья) и передельный чугун (для переплавки в сталь).

Полезным побочным продуктом является шлак. В состав шлака входят не восстановившиеся окислы: ЗЮ₂, А1₂0₃ и СаО (они составляют 90-95% шлака), а также MgO, FeO, MnO, CaS. Шлаки бывают основные, состоящие преимущественно из основных окислов (СаО, MgO и другие), и кислые, с преимущественным содержанием кислых окислов (Si0₂, А1₂Оз и другие).

Побочным продуктом также является доменный газ. Температура уходящих из доменной печи газов 150-300 °С.

Порядок выполнения работы и методические указания

Работа рассчитана на 2 часа.

1. Изучите теоретические положения;

2. Заполните таблицу 5 - Продукты доменной плавки.

Таблица 5 - Продукты доменной плавки

Продукт	Химическая формула	Назначение
1	2	3

Контрольные вопросы

1. Какие продукты получают в доменной печи?

2. Каково назначение этих продуктов?

3. Где используются основные и кислые шлаки?

4. Какие химические элементы входят в состав чугуна?

5. Почему доменный газ требует очистки?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4

РАССЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПРОФИЛЯ ДОМЕННОЙ

ПЕЧИ

Цель практической работы: закрепить знания об устройстве доменной печи и рассчитать основные размеры профиля плавильного агрегата.

Задачи

1. Получить знания об устройстве доменной печи;

2. Познакомиться с методикой расчета профиля доменной печи;

3. На основании расчета заполнить таблицу 6 - Параметры профиля доменной печи.

Краткие теоретические сведения

В настоящее время известен ряд методов приближенного расчета размеров печи. В данной практической работе предложена методика Н.К. Леонидова.

Для расчета профиля печи необходимо определиться с требуемым полезным объемом печи, типовые проекты, используемые в нашей стране, предусматривают объемы печей, м³: 1033, 1386, 1513, 1719, 2002, 2300, 2700, 3000, 3200, 4500, 5000, 5500.

Рисунок 1 - Профиль доменной печи

Полезный объем печи (V_nолl) выбирают исходя из требований суточной производительности печи (7), которая на основании опытных данных составляет от 1500 тонн до 12 000 тонн в сутки.

Принимая необходимые для проекта данные, такие как V_noл и Т нужно найти коэффициент использования полезного объема (к.и.п.о) по следующей формуле:

к.и.п.о= V_пол/T.

В настоящее время современное развитие производства позволило увеличить к.и.п.о в пределах 0,66 т сутки/м³

Выбранные исходные данные (V_nолl) и Т уточняем по формуле:

V_пол =Т к.и.п.о.

Определив полезный объем печи, приближенный расчет размеров печи выполняют по следующим эмпирическим формулам. Полезную высоту печи (Н_пол) находят по выражению:

H_nол=6,42 V^0,2.

Высота h₂ и диаметр горна d_z

h₂=0,125 H_nол d₂=0,342 V^0,44.

Высота заплечников h₃

h₃=0,11 Н_пол.

Высота h_p и диаметр распора D_p

h_р=0,07 Н_пол

D_p=0,384 V^0,44

Высота шахты h_ш

h_ш=0,6 Н_пол

Высота h_к и диаметр колошника d_K

h_K=0,095 H_nол, d_K=0,593 V ^0,33.

Для завершения расчета размеров профиля печи применяются соотношения величин, предложенных Н.К. Леонидовым:

Полная высота печи Н_п измеряется в пределах от 1,085 до 1,1 полезной высоты.

Угол наклона шахты α составляет 82-85°.

Угол наклона заплечиков β составляет 79-81 °.

Отношение полезной высоты к диаметру распара составляет 2,83-2,11.

Отношение диаметра колошника к диаметру распара равно 0,62-0,7.

Отношение диаметра распара к диаметру горна 1,1-1,13.