ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО Металлургия — наука о промышленных способах

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 % уг­лерода. 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 Fe2О3 (70 % Fe); магнитный железняк - магнетит (Fe3О4 ) 72,4 % Fe. 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 СаСО3.

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 h5 выбирают из условий частоты загрузки и скорости опускания уровня шихты. На крупнейших печах она составляет 3700—4200 мм. Диаметр колошника d1 взаимосвязан с диаметрами распара D и горна d. Соотношение d1 и D влияет на конусность шахты, а d и d1 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 h3 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.

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) 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 +Q 2) Fe3O4+CO=3FeO+CO2 -Q 3) FeO+CO=Fe+CO2 +Q Восстановление Fe2O3 начинается при сравнительно низких температурах (400-5000С) 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. Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом. Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-10000С (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO – Q.

В твердом состоянии восстанавливающееся в доменной печи железо в виде губки частично науглероживается по реакциям: 1) 3Fe + 2CO = [Fe3C] + CO2; 2) 3Fe + C = [Fe3C]. Карбид железа Fe3С 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 11470С 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 MnOSiO2 , восстановление которых облегчается присутствием СаО (также имеющимся в составе агломератов) и происходит по реакции MnOSiO2 +2СаО = MnО +(СаО)2SiO2. Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или в виде силикатов (SiO2·2СaO и др.). Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO2 по реакции: SiO2 + 2С = Si + 2СО – 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 P2O5· 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью. В шихте находятся карбонаты (известняк, MnCО3, FeCО3). Наиболее прочный из них- известняк (CaCO3), который будет разлагаться по реакции; СаCО3 = СаO+CO2. в крупных кусках интенсивно разлагается лишь при >10000С с поглощением тепла.

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 FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне. В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaS + Q. Сульфид кальция CaS 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 CaO в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO.

Часть серы удаляется с помощью MgO (всегда содержащемся в шлаке), а также марганца по реакциям FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = Fe + MnS. Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS растворяется незначительно. Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе содой NaCO3 (1% от массы чугуна). Сера удаляется по реакции: FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2. Образующийся при этом сернистый натрий Na2S переходит в шлак.