Доменное производство Лекция 5 1 2

Доменное производство Лекция 5 1

2

3

Подготовка руды а) дробление – уменьшение размера кусков, придание кускам материала определенной крупности; б) сортировка – разделение или сортировка материалов на классы крупности при помощи решеток или механических сил (грохочение); в) обогащение – обработка полезных ископаемых с целью повышения содержания полезного компонента путем отделения рудного минерала от пустой породы или отделения одного ценного минерала от другого; г) усреднение – устранение неоднородности химического и гранулометрического состава; д) окускование – процесс превращения мелких железорудных материалов в кусковые необходимых размеров. 4

5

Доменная печь — большая металлургическая вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. 6

Принцип работы и объемы производства Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху навстречу исходным материалам. Печь потребляет ежесуточно 23000 тон шихты, 18000 тон дутья, 1700 тон природного газа, производит 12000 тон чугуна, 4000 тон шлака, 27000 тон колошникового газа. 7

Требования к профилю доменной печи: 8 плавное и устанавливаемое опускание шихтовых материалов правильное распределение встречного газового потока обеспечение процессов восстановления и образования чугуна и шлака

Топливо Кокс каменноугольный — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путем коксования каменного угля при температурах 950— 1100 °С без доступа воздуха. Содержит 96— 98 % С, остальное Н, S, N, O. Вследствие своей прочности, термо стойкости(способности не растрескиваться) и способности не спекаться кокс сохраняет форму кусков на всем пути движения шихты от колошника до горна. Кокс разрыхляет столб шихты в печи, обеспечивая необходи мую ее газопроницаемость. 9

Флюсы — неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке металлов, чтобы снизить температуру плавления и легче отделить металл от пустой породы. Флюсы подразделяют на осно вные (известняк и доломит), кислые (кварцит) и нейтральные (глинозём). 10 Поскольку пустая порода железных руд преимущественно кремнезёмистая (кислая), то в большинстве процессов чёрной металлургии роль флюса обычно выполняют материалы, содержащие основные оксиды кальция и магния.

Шлак Основность в металлургии — отношение (в процентах по массе) содержания основных и кислых оксидов в железорудных материалах, а также в доменных, сталеплавильных и других шлаках. 11

12

Схема доменной печи Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. 13

Схема доменной печи При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. 14 – фурменные устройства. 2 – фурмы. Чугун выпускают из печи каждые 3… 4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1… 1, 5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. 14

Основные составляющие части доменной печи Железная руда, кокс, флюс Колошник — верхняя цилиндрическая часть, необходимая для загрузки и эффективного распределения шихты в печи. Отвод горячих газов Шахта — самая большая по высоте расширяющаяся коническая часть, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов. Распар — самая широкая цилиндрическая часть. Подвод горячих газов (Фурмы, дутье 1100 – 1300 °С) Слив расплавленного железа (Летка) 15 Заплечики — суживающаяся коническая часть, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода. Слив шлака (Летка) Горн — цилиндрическая часть, служащая для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

Выпуск чугуна Выпуск осуществляется 15 – 20 раз в сутки. Отверстия после выпуска закупориваются специальной огнеупорной глиной (80 – 100 кг). При выпуске они просверливаются специальным сверлильным прибором (диаметром 40 мм и длинной 4000 мм). 16

Футеровка Огнеупорная футеровка доменной печи предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха от воздействия высоких температур и от контакта с жидким металлом и шлаком. Для футеровки употребляется шамотный кирпич (30 40 % Al 2 O 3), высокоглиноземный кирпич (45 % Al 2 O 3 – до 1750 °С), углеродистые блоки. Толщина стен шахты 500 – 800 мм. Футеровка донышка доменной печи 17 Футеровка чугунной летки доменной печи Заканчивается футеровка шахты доменной печи

18

Процессы при выплавке чугуна Главная химическая реакция при производстве железа: Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2 Наверху, где температура обычно находится в диапазоне между 200 °C и 700 °C: 3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Ниже в печи, при температурах приблизительно 850 °C: Fe 3 O 4 + CO → 3 Fe. O + CO 2 В области более высоких температур до 1200 °C : Fe. O + CO→ Fe + CO 2 19

Процессы при выплавке чугуна Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса. CO 2 + C = 2 CO Встречные потоки газов разогревают шихту, и происходит разложение известняка: Ca. CO 3→ Ca. O + CO 2 В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла. C + O 2 = CO 2 + Q 20

Процессы при выплавке чугуна Науглероживание железа: 2 CO → CO 2 + C 3 Fe + C → Fe 3 C 3 Fe + CO →Fe 3 C + CO 2 + 180493 Дж, при 450 – 600 °С По мере науглероживания tпл Fe понижается. Чистое Fe tпл = 1539 °С, Fe + 4, 3 % С tпл = 1135 °С. 21

Процессы при выплавке чугуна Восстановление других элементов: Cu, As, Ni, Zn Fe, P целиком возгоняет восстанав ся, ливаются охлаждае и тся в переходят парах в чугун 22 Mn V, Cr Si, Ti Al, Mg, Ca 60 % 70 – 80 % ~40 % 0%

Интенсификация доменного процесса 1. Комбинированное дутье – природный газ + O 2 2. Увеличение концентрации O 2 на 1 % позволяет увеличить производительность на 2 % 3. Использование природного газа 1 м 3 природного газа – 0, 8 кг кокса позволяет снизить расход кокса на 5 кг на тонну 4. Нагрев дутья отходящими газами 23

Продукты доменной плавки Продуктами доменной плавки являются чугун, шлак и колошниковый газ. 24

Продукты доменной плавки Шлак — расплав в металлургических, плавильных процессах, покрывающий поверхность жидкого металла, состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами. Шлак предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси. Ø Ø Ø Ø 25 36 – 42 % Si. O 2 40 – 46 % Ca. O 8 – 18 % Al 2 O 3 2 – 3 % Mn. O 2 – 10 % Mg. O 0, 2 – 0, 6 % Fe. O 1, 5 – 2, 5 % S в виде Ca. S

Продукты доменной плавки Чугун сплав железа с C, Si, Mn, P, S. В зависимости от назначения может содержать Cr, Ni, V, Ti, Cu, As. Содержание этих элементов регламентировано ГОСТ или ТУ. По назначению: Передельный – для передела в сталь – 90 % от общего чугуна: 0, 3 – 1, 2 % Si, 0, 2 – 1, 0 % Mn, 0, 15 – 0, 2 % P, 0, 02 – 0, 07 % S Литейный – малофосфористый < 0, 1 % P – для высокопрочных изделий 1, 75 – 3, 75 % Si; высокофосфористый – для художественного литья Доменные ферросплавы: Ферромарганец (70 – 75 % Mn, до 2 % Si) Бедный ферросилиций (9 – 13 Si, до 3 % Mn) Зеркальный чугун (15 – 25 Mn, < 2 % Si) 26

27