ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО Металлургия — наука о промышленных

ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Металлургия - наука о промышленных способах получения металлов и сплавов. Задачей металлургии является получение металлов и сплавов из руд или других исходных материалов. Чугун железоуглеродистый сплав, содержащий более 2, 14 % уг лерода. В нем всегда присутствуют кремний (до 4 %), марганец (до 2 %), фосфор и сера. Чугун выплавляют из железной руды. Основные железные руды: красный железняк гематит, окись железа Fe 2 О 3 (70 % Fe); магнитный железняк магнетит (Fe 3 О 4 ) 72, 4 % Fe. В доменную печь загружают железную руду и флюс. Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы руды и золы топлива. Флюс обеспечивает получение шлака с необходимым химическим составом, что в значительной мере определяет состав и физические свойства чугуна. В качестве флюсов используют известняк Са. СО 3.

Разрез (а) и профиль (б) рабочего пространства доменной печи: I – колошник; II – шахта; III – распар; IV – заплечики; V –горн; 1 – чугунная летка; 2 – горн; 3– заплечики; 4 – распар; 5 – шахта; 6 – колошник; 7 – засыпной аппарат; 8 – горизонт образования шлака; 9 – горизонт образования чугуна; 10 – зона горения кокса; 11 – слой шлака; 12 – шлаковая летка; 13 – расплавленный чугун

Доменная печь относится к агрегатам шахтного типа и служит для выплавки чугуна из железной руды. Шахта заполнена газопроницаемыми материалами, что обеспечивает их взаимодействие с поднимающимся газовым потоком. Правильное соотношение размеров частей печи создает оптимальные условия доменной плавки и обусловливает рациональный профиль печи. При таком профиле обеспечиваются следующие важнейшие условия доменного процесса: 1) плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов; 2) наиболее выгодное распределение встречного газового потока; 3) успешное развитие процессов восстановления и образования чугуна и шлака. Рабочее пространство доменной печи состоит из колошника, шахты, распара, заплечиков и горна.

Верхняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи (колошник) предназначена для распределения загружаемых в печь шихтовых материалов, которые попадают в колошник на площадь одного и того же сечения приблизительно с постоянной высоты. Высоту колошника h 5 выбирают из условий частоты загрузки и скорости опускания уровня шихты. На крупнейших печах она составляет 3700— 4200 мм. Диаметр колошника d 1 взаимосвязан с диаметрами распара D и горна d. Соотношение d 1 и D влияет на конусность шахты, а d и d 1 определяет поперечные размеры рабочего пространства печи. Первое из них составляет 0, 63— 0, 7, а второе 1, 1— 1, 14. Диаметр распара современных печей составляет 10, 9— 16, 3 м, высота из 2600— 2900 мм, угол наклона между распаром и горном составляет 79— 80°, высота h 3 3500 мм. В нижней цилиндрической части доменной печи (горне) происходят основные высокотемпературные процессы плавки: горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, газом и раскаленным коксом, накопление чугуна и шлака, периодически выпускаемых из печи. К настоящему времени мощные доменные печи имеют диаметры горна d до 9— 14 м.

В состав доменного цеха, кроме доменных печей, входят рудный двор, устройство для подачи шихты в печи, воздухонагреватели для нагрева дутья и устройства для его подачи в печи, система газоочистки, литейный двор со средствами уборки чугуна и шлака. Доменный процесс является непрерывным металлургическим процессом, характеризующимся постоянными условиями на различных горизонтах печи. Однако доменный процесс идёт в закрытом пространстве большой высоты и объёма, что уменьшает возможности управляющих воздействий и увеличивает их инерционность. В шихте находятся карбонаты (известняк, Mn. CО 3, Fe. CО 3). Наиболее прочный из них известняк (Ca. CO 3), который будет разлагаться по реакции; Са. CО 3 = Са. O+CO 2. в крупных кусках интенсивно разлагается лишь при >10000 С с поглощением тепла.

Физико-химические процессы в доменной печи Для физико химических превращений материалов в верхних горизонтах доменной печи основную роль играет температурный фактор. Основными физико химическими процессами в доменной печи являются восстановительные процессы, определяющие цель доменной плавки. Процесс восстановления оксидов железа монооксидом углерода СО, как и водородом имеет три стадии (от высшего оксида к низшему); 1) 3 Fe 2 O 3+CO=2 Fe 3 O 4+CO 2 +Q 2) Fe 3 O 4+CO=3 Fe. O+CO 2 Q 3) Fe. O+CO=Fe+CO 2 +Q Восстановление Fe 2 O 3 начинается при сравнительно низких температурах (400 5000 С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900 9500 С. Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950 10000 С (зона распара печи) по реакции Fe. O + C = Fe + CO – Q.

В твердом состоянии восстанавливающееся в доменной печи железо в виде губки частично науглероживается по реакциям: 1) 3 Fe + 2 CO = [Fe 3 C] + CO 2; 2) 3 Fe + C = [Fe 3 C]. Карбид железа Fe 3 С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 11470 С при 4, 3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.

В большой степени происходит в доменной печи восстановление марганца. В агломератах марганец присутствует в основном в виде силикатов Mn. O Si. O 2 , восстановление которых облегчается присутствием Са. О (также имеющимся в составе агломератов) и происходит по реакции Mn. O Si. O 2 +2 Са. О = Mn. О +(Са. О)2 Si. O 2. Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема Si. O 2 или в виде силикатов (Si. O 2· 2 Сa. O и др. ). Восстановление кремния происходит из кремнезема Si. O 2 по реакции: Si. O 2 + 2 С = Si + 2 СО – Q. Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 14500 С. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом.

Фосфор – вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P 2 O 5· 3 Сa. O. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью. Сера – особенно вредная примесь в чугуне (а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть – железная руда. В доменной печи 10 20% серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов Fe. S, Ca. S и др. Сульфид железа Fe. S хорошо растворяется в чугуне.

В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т. е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция Ca. S по реакции Fe. S + Ca. O = Fe. O + Ca. S + Q. Сульфид кальция Ca. S нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака. Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести Ca. O в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению Fe. O.

Часть серы удаляется с помощью Mg. O (всегда содержащемся в шлаке), а также марганца по реакциям Fe. S + Mg. O = Fe. O + Mg. S и Fe. S + Mn = Fe + Mn. S. Сульфид магния Mg. S нерастворим в металле, а сульфид марганца Mn. S растворяется незначительно. Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе содой Na. CO 3 (1% от массы чугуна). Сера удаляется по реакции: Fe. S + Na. CO 3 = Fe. O + Na 2 S + CO 2. Образующийся при этом сернистый натрий Na 2 S переходит в шлак.