Скачать презентацию Подгородецкий Геннадий Станиславович Заведующий кафедрой ЭРЧМ кандидат технических Скачать презентацию Подгородецкий Геннадий Станиславович Заведующий кафедрой ЭРЧМ кандидат технических

ДПИО лекция 4.ppt

  • Количество слайдов: 88

Подгородецкий Геннадий Станиславович Заведующий кафедрой ЭРЧМ, кандидат технических наук, доцент НИТУ «МИСи. С» Повышение Подгородецкий Геннадий Станиславович Заведующий кафедрой ЭРЧМ, кандидат технических наук, доцент НИТУ «МИСи. С» Повышение квалификации руководителей и специалистов ОАО «Северсталь» Программа обучения «Аглодоменное производство» Курс «Производство чугуна»

Мировое производство чугуна и стали 2 Мировое производство чугуна и стали 2

Отношение чугун - сталь 3 Отношение чугун - сталь 3

Прогноз производства чугуна и стали 4 Прогноз производства чугуна и стали 4

Доменное производство. Профиль доменной печи Источник: http: //www. steeluniversity. org 5 Доменное производство. Профиль доменной печи Источник: http: //www. steeluniversity. org 5

 «Внутреннее наполнение» доменного процесса Источник: http: //www. steeluniversity. org 6 «Внутреннее наполнение» доменного процесса Источник: http: //www. steeluniversity. org 6

Способы загрузки материалов Источник: http: //www. steeluniversity. org 7 Способы загрузки материалов Источник: http: //www. steeluniversity. org 7

Нагрев и разложение компонентов шихты Выделяющийся из гидратов водяной пар может реагировать с оксидом Нагрев и разложение компонентов шихты Выделяющийся из гидратов водяной пар может реагировать с оксидом углерода при низких температурах — до 500— 700 °С, а с твердым углеродом при температурах выше 1000 °С: H 2 Опap + СО = Н 2 + СО 2 + 41, 45 МДж; H 2 Опap + С = Н 2 + СО - 124, 87 МДж. При 800— 1100°С выделяются также летучие вещества кокса, обычное содержание которых в коксе 1— 2, 5 %, в том числе: 10— 15 % СО 2, 20— 30 % СО, 35— 40 % Н 2, 20— 30 % N 2, 10— 20 % CH 4, 0— 10 % О 2. 8

Нагрев и разложение компонентов шихты В доменной печи разложение карбонатов протекает по реакциям Са. Нагрев и разложение компонентов шихты В доменной печи разложение карбонатов протекает по реакциям Са. СОз = Са. О + СО 2 — 178, 5 МДж; Mg. CO 3 = Mg. O + СО 2 — 109, 87 МДж; Мn. СОз = Mn. O + СО 2 — 96, 35 МДж; Fe. CO 3 = Fe. O + CO 2 — 87, 91 МДж. 9

Нагрев и разложение компонентов шихты Для доменного процесса наиболее важное значение имеет реакция разложения Нагрев и разложение компонентов шихты Для доменного процесса наиболее важное значение имеет реакция разложения карбоната кальция. Зависимость упругости диссоциации карбоната кальция от температуры выражается уравнением Рсо 2 = – (8920/Т) + 7, 54. 10

Нагрев и разложение компонентов шихты Выделяющийся диоксид углерода при температуре выше 1000 °С реагирует Нагрев и разложение компонентов шихты Выделяющийся диоксид углерода при температуре выше 1000 °С реагирует с углеродом кокса: СО 2 + С = 2 СО — 166, 3 МДж со значительным эндотермическим эффектом и тратой дефицитного дорогостоящего кокса. Поэтому необходимо стремиться, чтобы разложение известняка оканчивалось при возможно более низкой температуре. 11

ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ Основными восстановителями в доменном процессе являются углерод, монооксид углерода ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ Основными восстановителями в доменном процессе являются углерод, монооксид углерода и водород Сравнение сродства к кислороду восстановителей и восстанавливаемых оксидов (мерой сравнительной прочности может служить стандартное изменение свободной энергии реакции ΔG°) позволяет определить температуру начала восстановления оксидов. Из диаграммы изменения свободной энергии реакции с температурой элементы, попадающие с шихтой в доменную печь, в зависимости от их превращений в условиях доменной плавки можно разделить на практически полностью восстанавливающиеся (Fe, Ni, Co, Pb, Си, Р, Zn и др. ); частично восстанавливающиеся (Si, др. ) Mn, Cr, V, Ti и др. ); не претерпевающие восстановления (Са, Mg, Al, Ba и др. ) 12

Термодинамика восстановления железа из оксидов и сложных соединений диаграмма состояния Fe-O. 13 Термодинамика восстановления железа из оксидов и сложных соединений диаграмма состояния Fe-O. 13

Термодинамика восстановления железа из оксидов и сложных соединений Процесс восстановления железа из оксидов согласно Термодинамика восстановления железа из оксидов и сложных соединений Процесс восстановления железа из оксидов согласно принципу А. А. Байкова о последовательности превращений протекает ступенчато путем перехода от высших оксидов к низшим по схеме: Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → Fe. O → Fe (выше 570 °С) или Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → Fe (ниже 570 °С). При этом в соответствии с диаграммой Fe—О в системе наряду с низшими оксидами и металлом возникает ряд твердых растворов. 14

Термодинамика восстановления железа из оксидов и сложных соединений Каждая из реакций восстановления оксидов железа Термодинамика восстановления железа из оксидов и сложных соединений Каждая из реакций восстановления оксидов железа газообразными восстановителями: 3 Fe 2 O 3+ СО = 2 Fe 3 O 4 + СО 2 + 37, 25 МДж; Fe 3 O 4 + СО = 3 Fe. O + СО 2 — 20, 96 МДж; Fe. O + СО = Fe + СО 2 + 13, 65 МДж; 3 Fe 2 O 3+ Н 2 = 2 Fe 3 O 4 + Н 2 О — 4, 20 МДж Fe 3 O 4 + Н 2 == 3 Fe. O + Н 2 О — 62, 41 МДж; Fe. O + Н 2 = Fe. O + Н 2 O – 27, 80 МДж является трехкомпонентной и трехфазной, т. е. обладает двумя степенями свободы. Следовательно, из четырех величин, характеризующих состояние системы (общее давление, температура, парциальное давление восстановителя и продукта восстановления), произвольно меняться могут любые две, остальные являются их функцией. 15

Термодинамика восстановления железа из оксидов и сложных соединений К основным различиям термодинамики восстановления оксидов Термодинамика восстановления железа из оксидов и сложных соединений К основным различиям термодинамики восстановления оксидов железа монооксидом углерода и водородом относятся следующие: Ø Ниже 810 °C водород как восстановитель слабее монооксида углерода, его равновесная концентрация в смеси больше, чем равновесное содержание монооксида углерода. Ø Выше 810 °C водород становится более сильным восстановителем, чем монооксид углерода. ØСуммарный тепловой эффект реакции восстановления оксидов железа водородом отрицательный и в 4 раза больше положительного суммарного теплового эффекта реакций восстановления оксидов железа монооксндом углерода. 16

Восстановление оксидов железа твердым углеродом возможно по следующим реакциям: 3 Fe 2 O 3 Восстановление оксидов железа твердым углеродом возможно по следующим реакциям: 3 Fe 2 O 3 + С = 2 Fе 304 + СО — 129, 07 МДж; Fe 3 O 4 + С = 3 Fe. O + СО — 187, 28 МДж; Fe. O + С = Fe + СО — 152, 67 МДж. 17

Реакция газификации углерода В присутствии твердого углерода при анализе восстановления оксидов железа следует учитывать Реакция газификации углерода В присутствии твердого углерода при анализе восстановления оксидов железа следует учитывать равновесие в системе С—СО— СО 2: СО 2 + С = 2 СО — 166, 32 МДж. Реакцию называют реакцией газификации углерода, реакцией газификации углерода или реакцией Белла—Будуара зависит от давления. 18

Реакция газификации углерода Равновесие С-СО-СО 2; давление к. Па: 1 -49; 2 -98; 3 Реакция газификации углерода Равновесие С-СО-СО 2; давление к. Па: 1 -49; 2 -98; 3 -147 Равновесие Fe-СО-СО 2 и С-СО-СО 2 19

Прямое и непрямое восстановление в доменной печи В зависимости от вида газообразного продукта восстановления Прямое и непрямое восстановление в доменной печи В зависимости от вида газообразного продукта восстановления (в доменной печи) различают прямое и непрямое (косвенное) восстановление В первом случае продуктом является СО, а во втором — СО 2 или Н 2 О. 20

Прямое и непрямое восстановление в доменной печи Полная диаграмма равновесия систем Fe—O—CO и С—СО—СО Прямое и непрямое восстановление в доменной печи Полная диаграмма равновесия систем Fe—O—CO и С—СО—СО 2 21

Восстановление кремния Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде Si. O 2, Восстановление кремния Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде Si. O 2, который является трудновосстановимым оксидом с высокой теплотой диссоциации: Si. O 2 = Si + О 2 — 872, 63 МДж 22

Восстановление кремния протекает при высоких температурах и сопровождается значительным расходом тепла. Водород и монооксид Восстановление кремния протекает при высоких температурах и сопровождается значительным расходом тепла. Водород и монооксид углерода кремнезем не восстанавливают, т. Е Si. O 2 + 2 СО = Si + 2 СО 2, lg Кр = (— 16 520/Т) — 0, 65 lg Т + 2, 34; при Т = 1500 К Кр = 10 -11. Таким образом, восстановить кремний можно только с затратами твердого углерода: Si. O 2 + 2 С = Si + 2 СО — 636, 76 МДж 23

Восстановление кремния Экспериментально показано, что восстановление кремния в доменной печи начинается около 1400 °С. Восстановление кремния Экспериментально показано, что восстановление кремния в доменной печи начинается около 1400 °С. Полагают, что восстановление кремния происходит с образованием промежуточного соединения — монооксида кремния (Si. O): Si. O 2 + С = Si. O + СО Si. O + С = Si + СО Si. O 2 + 2 C = Si + 2 CO 24

Восстановление кремния Содержание кремния в чугуне (%) можно определять из соотношения [Si]= k / Восстановление кремния Содержание кремния в чугуне (%) можно определять из соотношения [Si]= k / pnд (где pд — давление дутья, Па; k и n — константы). Предельное содержание кремния в ферросплаве (ферросилиции) можно рассчитать по реакции: Fe + Si = Fe. Si, где [Si]пред = 28/84 ≈ 33 %. 25

Восстановление марганца Высшие оксиды марганца легко восстанавливаются монооксидом углерода при низких и умеренных температурах: Восстановление марганца Высшие оксиды марганца легко восстанавливаются монооксидом углерода при низких и умеренных температурах: 2 Mn. О 2 + СО = Мn 2 O 3 + CO 2 + 227, 56 МДж, lg. Kp = (12480/T) – 1, 77; ЗМn 2 О 3 + СО = 2 Мn. O 4 + СО 2 + 170, 77 МДж, lg Кр = (11 230/Т) — 1, 96. 26

Восстановление марганца Восстановление Мn 3 O 4 протекает в интервале 600— 1000 °С Мn Восстановление марганца Восстановление Мn 3 O 4 протекает в интервале 600— 1000 °С Мn 3 O 4 + СО = ЗМn. О + СОз + 52, 08 МДж, lg Кр = (525/T) + 0, 64. 27

Восстановление марганца Марганец из Мn. О восстанавливается только прямым путем: Мn. О + С Восстановление марганца Марганец из Мn. О восстанавливается только прямым путем: Мn. О + С = Мn + СО — 288, 29 МДж. 28

Восстановление марганца Соотношение содержаний марганца в шлаке (Мn) и в чугуне [Mn] называют коэффициентом Восстановление марганца Соотношение содержаний марганца в шлаке (Мn) и в чугуне [Mn] называют коэффициентом распределения марганца LMn = (Mn)/[Mn]. 29

Восстановление хрома Хром при восстановлении аналогичен марганцу и ванадию. Для перевода хрома в металл Восстановление хрома Хром при восстановлении аналогичен марганцу и ванадию. Для перевода хрома в металл требуются повышенный расход кокса, высокий нагрев дутья и основные шлаки. В доменной печи можно выплавлять углеродистый феррохром, содержащий 40 % Сr. Степень перевода хрома в чугун составляет > 90 %. 30

Восстановление ванадия Ванадий образует пять соединений с кислородом: V 2 O 5 VO 2, Восстановление ванадия Ванадий образует пять соединений с кислородом: V 2 O 5 VO 2, V 2 O 3, VO, V 2 O, из которых первые три являются кислыми, а два последующие — основными. Высшие оксиды ванадия легко восстанавливаются газом в области умеренных температур, а низшие оксиды восстанавливаются твердым углеродом только при высоких температурах 01200°С). Степень перевода ванадия в чугун составляет 70— 80 %. Условиями высокой степени перевода ванадия в металл являются основные шлаки и повышенный приход тепла (увеличенный расход кокса, нагрев дутья). 31

Восстановление фосфора Фосфор попадает в доменную печь в виде солей фосфорной кислоты, основными из Восстановление фосфора Фосфор попадает в доменную печь в виде солей фосфорной кислоты, основными из которых являются вивианит Fе 3(РO 4)2 ∙ 8 Н 2 О и апатит Са 3(РО 4)2 ∙ Са. F 2. Восстановление фосфора из этих соединений начинается при умеренных температурах, однако заметно проявляется лишь при 900— 1000 °С и выше (водородом) или 1000— 1200 °С (оксидом углерода). 32

Поведение щелочей Оксиды калия и натрия полностью восстанавливаются прямым путём K 2 O + Поведение щелочей Оксиды калия и натрия полностью восстанавливаются прямым путём K 2 O + C = 2 Kгаз + CO – 250, 8 МДж Na 2 O + C = 2 Naгаз + CO – 310, 6 МДж 33

 Формирование чугуна и шлака ФОРМИРОВАНИЕ ЧУГУНА Металлическое железо — продукт восстановления руд — Формирование чугуна и шлака ФОРМИРОВАНИЕ ЧУГУНА Металлическое железо — продукт восстановления руд — появляется в нижней части шахты печи и распаре. При большом избытке углерода в печи получение чистого железа даже в начальный момент его появления затруднительно. При извлечении из шахты проб материалов в них находят губчатое железо, содержащее около 1— 2 % С. По мере опускания материалов в доменной печи и их дальнейшего нагрева железо растворяет в себе углерод в увеличивающемся количестве. При этом температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. Окончательный состав чугуна формируется в горне печи 34

Стадии науглероживания железа в доменной печи На первой стадии происходит выпадение сажистого углерода на Стадии науглероживания железа в доменной печи На первой стадии происходит выпадение сажистого углерода на поверхности свежевосстановленного железа по реакциям (t = 400 -1000 °С): СО + Н 2 = Ссаж + H 2 O, 2 СО = Ссаж + CO 2, Все факторы, способствующие протеканию этих реакций, вызывают увеличение содержания углерода в чугуне (рост давления в печи, высокая восстановимость шихт, рост основности, повышение содержания водорода в газовой фазе и др. ) 35

Влияние развития процессов восстановления на энергозатраты в доменной печи. Механизм и кинетика процессов восстановления. Влияние развития процессов восстановления на энергозатраты в доменной печи. Механизм и кинетика процессов восстановления. Влияние технологических факторов на скорость процессов восстановления Температура Восстановление оксидов железа газом является гетерогенной реакцией. По аналогии с реакциями в гомогенной среде считается возможным применение закона Аррениуса: k = k 0 exp (-E/RT), где k — константа скорости химической реакции; Т — абсолютная температура, К; k 0 — константа; E — энергия активации процесса. 36

Давление Влияние давления на скорость процесса восстановления в большой степени зависит от того, какой Давление Влияние давления на скорость процесса восстановления в большой степени зависит от того, какой этап является лимитирующим. Внешняя диффузия (диффузия газа в пограничном слое и крупных порах) подчиняется законам свободной диффузии, поэтому ее скорость не зависит от давления. 37

Взаимосвязь скорости самой химической реакции (v) и парциального давления газавосстановителя (р) выражается уравнением вида Взаимосвязь скорости самой химической реакции (v) и парциального давления газавосстановителя (р) выражается уравнением вида v = kp/(1 + kp) или менее точно v = kpn, где k и п — константы, а п < 1. 38

Расход газа - восстановителя По данным многочисленных исследований, повышение до определенного предела расхода газа-восстановителя Расход газа - восстановителя По данным многочисленных исследований, повышение до определенного предела расхода газа-восстановителя значительно ускоряет процесс восстановления. При небольших расходах, когда в ходе восстановления газ успевает достигнуть равновесного состава, скорость процесса прямо пропорциональна массовой скорости газа-восстановителя. Дальнейшее повышение его расхода ускоряет восстановление в меньшей степени и после достижения «критического» расхода скорость восстановления от него практически не зависит. 39

Скорость восстановления пропорциональна разности текущей и равновесной концентрации газавосстановителя, т. е. v ~ (соi Скорость восстановления пропорциональна разности текущей и равновесной концентрации газавосстановителя, т. е. v ~ (соi — сi ). 40

Влияние содержания СО 2 в газе на степень восстановления куска магнетита при 950 °С Влияние содержания СО 2 в газе на степень восстановления куска магнетита при 950 °С оксидом углерода 41

При восстановлении чистым газомвосстановителем скорость восстановления пропорциональна количеству адсорбируемого газа и связана с парциальным При восстановлении чистым газомвосстановителем скорость восстановления пропорциональна количеству адсорбируемого газа и связана с парциальным давлением газавосстановителя (рв): v = kp(l + k. Рв), где k — коэффициент, зависящий от свойств адсорбента и адсорбата и от теплоты адсорбции λ: k ~ exp (—λ /k. T) 42

ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ Схематизированная диаграмма минералообразования по высоте доменной печи (по данным И. П. Бардина ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ Схематизированная диаграмма минералообразования по высоте доменной печи (по данным И. П. Бардина и А. В. Рудневой, 1952 г. ) 43

Температура газов и ход формирования шлака в доменной печи при выплавке: а — мартеновского Температура газов и ход формирования шлака в доменной печи при выплавке: а — мартеновского чугуна; б — ферросилиция; в — ферромарганца 44

Диаграмма состояния системы Ca. O–Si. O 2–Al 2 O 3 45 Диаграмма состояния системы Ca. O–Si. O 2–Al 2 O 3 45

Горение топлива, теплообмен в слое и движение материалов в доменной печи Работа доменной печи Горение топлива, теплообмен в слое и движение материалов в доменной печи Работа доменной печи начинается с момента зажигания в ней топлива. Процесс горения топлива в доменной печи происходит в сферообразных пространствах перед воздушными фурмами, в так называемых фурменных очагах и является одной из важнейших необходимых составляющих доменного процесса 46

Процесс горения топлива выполняет в доменной печи следующие функции, без которых невозможен доменный процесс: Процесс горения топлива выполняет в доменной печи следующие функции, без которых невозможен доменный процесс: 1. Генерация подавляющего количества тепла, выделяющегося в объеме доменной печи, которое расходуется на: qнагрев образующихся при горении топлива газов, qнагрев газами продуктов плавки и шихтовых материалов, qэндотермические химические реакции в печи, qнагрев охлаждающей воды системы охлаждения печи, qпотери тепла с отходящими колошниковыми газами, qпотери тепла через поверхность кожуха и других элементов доменной печи в окружающее пространство. 47

2. Генерация восстановительного газа, компонентами которого являются СО и H 2, и который осуществляет 2. Генерация восстановительного газа, компонентами которого являются СО и H 2, и который осуществляет всю работу по восстановлению высших оксидов железа в шахте доменной печи до вюстита и основную работу по восстановлению вюстита до железа в гетерогенных процессах восстановления. 48

3. Освобождение пространства в горне печи, в которое опускаются новые порции кокса, обеспечивая, тем 3. Освобождение пространства в горне печи, в которое опускаются новые порции кокса, обеспечивая, тем самым непрерывное движение всех шихтовых материалов сверху вниз, т. е. от уровня засыпи на колошнике печи до зоны когезии-плавления, в которой железорудные материалы переходят из вязко-пластичного в жидкое состояние, превращаясь в жидкие продукты плавки -шлак и чугун, и стекают затем в горн по малоподвижной коксовой насадке. Кокс под зоной когезии опускается интенсивно лишь в фурменные зоны по образующимся над ними воронкообразным разрыхленным зонам, называемым эллипсоидам разрыхления; 49

 Частичное окисление кислородом дутья элементов чугуна Значительная часть капель чугуна стекает из зоны Частичное окисление кислородом дутья элементов чугуна Значительная часть капель чугуна стекает из зоны когезии через фурменные зоны и благодаря высокой кинетической энергии струй дутья и образующихся в фурмах газообразных продуктов частичного сгорания вдуваемого топлива отбрасываются к противоположной границе фурменной зоны. Сюда же отбрасываются и капли шлака, стекающего из зоны плавления над фурменными зонами. Образующиеся при окислении элементов чугуна оксиды металлов переходят в шлаки и полностью или частично восстанавливаются затем углеродом коксовой насадки или кремнием чугуна, что способствует некоторому расходу кокса в нижней части коксовой насадки. Основной расход кокса коксовой насадки осуществляется в реакциях восстановления железа из первичных шлаков, стекающих по коксовой насадке из зоны когезии-плавления. 50

Горение углерода топлива в фурменных очагах доменной печи принципиально отличается от горения топлива в Горение углерода топлива в фурменных очагах доменной печи принципиально отличается от горения топлива в любой другой печи наличием вокруг фурменных очагов плотного слоя кокса (коксового тотермана или коксовой насадки) с температурой не менее 1300 о. С, при которой, появляющиеся в результате горения топлива в фурменных очагах окислители (СО 2 и Н 2 О, а также пары воды дутья) с высокой скоростью восстанавливаются углеродом кокса коксовой насадки до СО и Н 2 по реакциям: СО 2 + С = 2 СО- Q Н 2 О +С=СО+Н 2 -Q 51

Стадии процесса горения топлива в фурменном очаге : 1)В присутствии избытка кислорода вблизи фурмы Стадии процесса горения топлива в фурменном очаге : 1)В присутствии избытка кислорода вблизи фурмы идет полное окисление углерода в диоксид углерода с выделением максимального количества тепла по реакции: С + О 2 = СО 2 + Q 52

2) По мере уменьшения концентрации и количества кислорода в фурменной зоне дефицит кислорода вызывает 2) По мере уменьшения концентрации и количества кислорода в фурменной зоне дефицит кислорода вызывает протекание реакций неполного окисления углерода кокса и углеводородов вдуваемых топлив: С + 0, 5 О 2 = СО + Q Сn. Н 2 n +0, 5 n. О 2 = СО + (n+1)Н 2 + Q 53

3) При дефиците кислорода и затем при его полном исчезновении углерод кокса в фурменной 3) При дефиците кислорода и затем при его полном исчезновении углерод кокса в фурменной зоне восстанавливает диоксид углерода и пары воды до СО и Н 2 , соответственно: СО 2 + С = 2 СО – Q Н 2 О + С = СО +Н 2 - Q 54

Теплопередача в слое кусковых материалов: Теплопередача конвекцией GШCШdt = αF(tг – tш)Fdτ где GШ Теплопередача в слое кусковых материалов: Теплопередача конвекцией GШCШdt = αF(tг – tш)Fdτ где GШ — масса материала, кг; CШ — удельная теплоемкость шихты, к. Дж/(кг*К); tг и tш — температура соответственно газа и шихты, °С; αF — коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м 2*К); F—поверхность материалов, м 2; τ —время, ч. 55

Произведение массы или объема часового расхода потока газа и шихты на его удельную теплоемкость Произведение массы или объема часового расхода потока газа и шихты на его удельную теплоемкость обозначают понятием водяного эквивалента потока: GГCГ = WГ; GШСШ = WШ Водяной эквивалент — количество эквивалент тепла, необходимое для изменения температуры данного потока на 1 °С. 56

1. Рассмотрим случай, когда WГ > WШ: где Vм — объем материала, м 3; 1. Рассмотрим случай, когда WГ > WШ: где Vм — объем материала, м 3; F — поверхность кусков, м 2/м 3; t. М. —температура материала при выходе из теплообменника, °С; to — температура газа на входе в теплообменник, °С. 57

2. В случае, когда WШ > WГ, газы все свое тепло отдадут шихте и 2. В случае, когда WШ > WГ, газы все свое тепло отдадут шихте и охладятся до температуры поступающего в зону материала, но этого тепла не хватит, чтобы нагреть шихту до начальной температуры газа 58

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ДВИЖЕНИЕ ШИХТЫ И ГАЗОВ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ Опускание загружаемых на колошник шихтовых РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ДВИЖЕНИЕ ШИХТЫ И ГАЗОВ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ Опускание загружаемых на колошник шихтовых материалов происходит в связи с освобождением пространства в нижней части печи вследствие следующих основных процессов: • Окисление углерода кокса кислородом дутья и содержавшихся в нем паров воды, а также кислородом оксидов железа, кремния, марганца и некоторых других элементов, которые восстанавливаются углеродом кокса. 59

2. Расход углерода на науглероживание железа и образование чугуна. 3. Расплавление железорудных материалов, флюсов 2. Расход углерода на науглероживание железа и образование чугуна. 3. Расплавление железорудных материалов, флюсов и золы кокса с образованием чугуна и шлака, объем которых почти в 3, 5 раза меньше объема материалов, из которых они образуются. 60

4. Механическая уминка сыпучих материалов в шахте доменной печи в результате перколяции (просачивания) мелких 4. Механическая уминка сыпучих материалов в шахте доменной печи в результате перколяции (просачивания) мелких фракций агломерата и окатышей в свободные межкусковые промежутки в нижележащих слоях крупнокусковых материалов, преимущественно кокса. 61

Зависимости порозности слоя двухфракционной смеси сыпучих материалов от объемных долей и отношения диаметров кусков Зависимости порозности слоя двухфракционной смеси сыпучих материалов от объемных долей и отношения диаметров кусков крупной и мелкой фракций 62

Схематичная структура столба и основные зоны в доменной печи при двух различных конфигурациях зоны Схематичная структура столба и основные зоны в доменной печи при двух различных конфигурациях зоны когезии 1 - W-образная зона когезии; 2 - Vобразная зона когезии; 3 - чугун; 4 шлак; 5 - зона неподвижного слоя кокса (коксовый тотерман); 6 - зона подвижного слоя кокса (подвижная коксовая насадка); 7 - зона когезии; 8 зона кусковых материалов ("сухая" часть шахты); 9 - слои железорудных материалов в пластичном состоянии в зоне когезии; 10 - слои кусковых железорудных материалов в сухой части шахты; 11 - слои кокса в сухой части шахты; 12 - слои кокса в зоне когезии - "коксовые окна". 13 - зона циркуляции. 63

Движение жидких продуктов плавки в печи Траектории движения продуктов плавки в металлоприемнике во время Движение жидких продуктов плавки в печи Траектории движения продуктов плавки в металлоприемнике во время выпуска при "сидящем на лещади" (а) коксовом тотермане и при "плавающем" (б) тотермане. 64

Процессы в зоне размягчения Источник: http: //www. steeluniversity. org 65 Процессы в зоне размягчения Источник: http: //www. steeluniversity. org 65

Процессы в горне доменной печи Источник: http: //www. steeluniversity. org 66 Процессы в горне доменной печи Источник: http: //www. steeluniversity. org 66

Выпуск продуктов плавки Источник: http: //www. steeluniversity. org 67 Выпуск продуктов плавки Источник: http: //www. steeluniversity. org 67

Комплекс «Доменная печь» 68 Комплекс «Доменная печь» 68

Восстановление оксидов железа Восстановление оксидов Fe в различных температурных зонах 69 Восстановление оксидов железа Восстановление оксидов Fe в различных температурных зонах 69

Восстановление оксидов железа газом В современной доменной печи при косвенном восстановлении (восстановление газом) из Восстановление оксидов железа газом В современной доменной печи при косвенном восстановлении (восстановление газом) из шихты удаляется около 2/3 кислорода, после чего остается 1/3 кислорода, который будет удален при реакции прямого восстановления (восстановление углеродом кокса). Восстановление газом происходит при реакции СО и Н 2 с оксидами железа твердых шихтовых материалов. Реакции косвенного (непрямого) восстановления с СО: Гематит: 3 Fe 2 O 3 + CO = 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Магнетит: Fe 3 O 4 + CO = 2 Fe. O + CO 2 Вюстит: 2 Fe. O + CO = 2 Fe. O 0. 5 + CO 2 Таким же образом происходит восстановление водородом. Источник: http: //www. steeluniversity. org 70

Химический состав передельного чугуна Жидкий чугун является основным продуктом доменного процесса. Он представляет собой Химический состав передельного чугуна Жидкий чугун является основным продуктом доменного процесса. Он представляет собой железо, насыщенное углеродом, с содержанием примесей, таких как кремний, марганец, сера и фосфор. Он выпускается из горна доменной печи при температуре от 1480°C до 1520°C. Жидкий чугун должен иметь стабильное качество. Кремний, марганец, титан (Si, Mn, Ti) и температура жидкого чугуна – важные источники энергии в конвертерном процессе, влияющие на образование шлака. Фосфор (Р) жидкого чугуна оказывает большое влияние на процесс производства стали. 97 -98% Р в ДП переходит в жидкий чугун. Сера (S) в жидком чугуне на уровне 0, 03% или выше представляет проблему для производителей стали, которые требуют максимального содержания S=0, 008% для получения высококачественной стали. Источник: http: //www. steeluniversity. org 71

Содержание доменного шлака Шлак образуется из пустой породы шихты, золы кокса и зол прочих Содержание доменного шлака Шлак образуется из пустой породы шихты, золы кокса и зол прочих вспомогательных восстановителей. В течение доменного процесса первичный шлак преобразуется в конечный шлак. Четыре основных компонента (Si. O 2, Ca. O, Mg. O и Al 2 O 3) составляют около 96% шлака, неосновные компоненты - Mn. O, Ti. O 2, K 2 O, Na 2 O, соединения S и P. 72

Доменный процесс Диаграмма состояния системы Ca. O–Si. O 2–Mg. O Источник: http: //www. steeluniversity. Доменный процесс Диаграмма состояния системы Ca. O–Si. O 2–Mg. O Источник: http: //www. steeluniversity. org 73

Показатели работы доменной печи Источник: http: //www. steeluniversity. org 74 Показатели работы доменной печи Источник: http: //www. steeluniversity. org 74

Схема вдувания пылеугольного топлива Источник: http: //www. steeluniversity. org 75 Схема вдувания пылеугольного топлива Источник: http: //www. steeluniversity. org 75

Сравнение схем производства 76 Сравнение схем производства 76

Металлургия железа. Midrex, Hy. L Технологическая схема процесса Источник: http: //www. steeluniversity. org 77 Металлургия железа. Midrex, Hy. L Технологическая схема процесса Источник: http: //www. steeluniversity. org 77

Металлургия железа. Midrex, Hy. L 78 Металлургия железа. Midrex, Hy. L 78

Металлургия железа. РОМЕЛТ Устройство печи 79 Металлургия железа. РОМЕЛТ Устройство печи 79

Альтернативные схемы производств Источник: http: //www. steeluniversity. org 80 Альтернативные схемы производств Источник: http: //www. steeluniversity. org 80

Список сокращений DRI – железо прямого восстановления HBI – горячебрикетированное железо ГБЖ – горячебрикетированное Список сокращений DRI – железо прямого восстановления HBI – горячебрикетированное железо ГБЖ – горячебрикетированное железо ГУБТ – газоутилизационная безкомпрессионная турбина ДП – доменная печь ЖПВ – железо прямого восстановления ПУТ – пылеугольное топливо ТЭП – технико-экономические показатели ЧМ – черная металлургия ЭДП – электродуговая печь 81

Глоссарий АГЛОЛЕНТА – конвейер, составленный из паллет. 2. см. АГЛОМАШИНА – установка конвейерного типа Глоссарий АГЛОЛЕНТА – конвейер, составленный из паллет. 2. см. АГЛОМАШИНА – установка конвейерного типа для проведения процесса агломерации. АГЛОМЕРАТ – 1. Кусковой материал, продукт агломерации, сырьё для чёрной и цветной металлургии. 2. Соединённые в более крупные образования частицы порошков, получаемые путём адгезии, межчастичного схватывания или агломерации и используемые для улучшения технологических свойств порошков, например, прессуемости. АГЛОМЕРАЦИЯ – 1. Окускование мелких руд и концентратов путём их спекания для придания им формы и свойств, необходимых для плавки. 2. В порошковой металлургии - получение агломератов (2. ) из сыпучих материалов преимущественно путём спекания с последующим дроблением. АГЛОСПЁК – продукт агломерации на разгрузочном конце агломерационной машины. АГЛОУСТАНОВКА – установка для проведения процесса агломерации. АГЛОШИХТА – смесь исходных рудных материалов, флюсов и топлива, подвергающаяся агломерации. БРИКЕТИРОВАНИЕ – процесс переработки мелких материалов путём прессования в куски геометрически правильной и однообразной формы (брикеты). БРИКЕТЫ – 1. Спрессованные в виде кирпича или плитки мелкие материалы (уголь, руда и т. п. ). 2. В порошковой металлургии - пористые полуфабрикаты из порошкового материала или стружки, полученные путём брикетирования и предназначенные для последующей обработки. БУТАРА – цилиндрический или конический вращающийся барабан с решётчатой или сплошной поверхностью, используемый для промывки руд. ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ – теплообменный аппарат для нагревания проходящего через него воздуха. 82

Глоссарий ВОССТАНОВЛЕНИЕ – 1. Процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом, приводящий к понижению Глоссарий ВОССТАНОВЛЕНИЕ – 1. Процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом, приводящий к понижению степени окисления. 2. Отнятие и связывание кислорода, хлора и т. п. из оксидов, хлоридов и других соединений металлов, а также из руд с помощью восстановителей. ВСКРЫТИЕ – высвобождение минералов из окружающей пустой породы в процессе измельчения с целью улучшения условий для обогащения полезных компонентов. ВСПУЧИВАНИЕ – увеличение в объёме твёрдых шихтовых материалов, обусловленное выделением газов. ВЫБРОС – выплёскивание части стали и шлака из печи при нарушении хода плавки, вызванном нерегулируемым ростом скорости обезуглероживания. ВЫДУВКА – освобождение доменной печи от шихтовых материалов и продуктов плавки перед ремонтом. ВЫПУСК – процесс слива жидких металла и шлака из плавильной печи. ГЕМАТИТ – минерал состава Fe 2 O 3, одна из важнейших железных руд. ГЁТИТ – минерал состава Fe 2 O 3*H 2 O, железная руда. ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ – извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи водных растворов химических реагентов с последующим выделением металлов из этих растворов. ГОРЕНИЕ – протекание экзотермических химических реакций при высокотемпературном окислении топлива. ГРАНУЛЫ – частицы размером от 1 до 10 мм, обычно округлой формы, получаемые различными методами гранулирования. ГРОХОТ – аппарат для грохочения, основными элементами которого являются сита, решёта или колосники. 83

Глоссарий ДУТЬЁ – 1. Подача газа или смеси газов под давлением в металлургические агрегаты Глоссарий ДУТЬЁ – 1. Подача газа или смеси газов под давлением в металлургические агрегаты для осуществления или интенсификации физико-химических процессов. 2. Газ или смесь газов, подаваемых под давлением в металлургические агрегаты. ЖЕЛЕЗО – химический элемент, Fe, с атомной массой 55, 84; относится к группе чёрных металлов, tm 1539°С; важнейший металл современной техники, основа сплавов примерно 95 % металлической продукции. «КОЗЁЛ» – металл, застывший в объёме печи или ковша. КОКС – твёрдый углеродистый остаток, получаемый при коксовании природных топлив (главным образом каменного угля), а также некоторых нефтепродуктов; используется как топливо и в качестве восстановителя металлических руд. КОКСИК – остающаяся после сортировки кокса «мелочь с размером кусков менее 25 мм; используется при агломерации, выплавке ферросплавов, а также в качестве энергетического топлива. КОКСОВАНИЕ – химическая переработка природных топлив с нагревом без доступа воздуха для получения кокса, коксового газа и жидких побочных продуктов, являющихся ценным химическим сырьем. КОЛОШНИК – верхняя цилиндрическая часть рабочего пространства шахтной печи (напр. доменной). ЛЁТКА – отверстие в металлургических печах для выпуска расплавленного металла, штейна или шлака. ЛЕЩАДЬ – нижняя (донная) часть футеровки шахтной печи. ЛИГАТУРА – сплав, применяемый для введения легирующих элементов в жидкий металл. ЛИМОНИТ – (бурый железняк), агрегат или смесь нескольких минералов, гидроксидов железа с преобладанием гётита. МАГНЕЗИТ – 1. Минерал, карбонат магния, Mg. CO 3, . 2. Огнеупорный материал, состоящий из оксида магния с 1 - 10% примесей. 84

Глоссарий МАГНЕТИТ – минерал состава Fe 3 O 4, главная руда железа. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ – Глоссарий МАГНЕТИТ – минерал состава Fe 3 O 4, главная руда железа. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ – метод модификации свойств поверхности изделия путем нанесения на его поверхность слоя металла. МЕТАЛЛОШИХТА – компоненты шихты, состоящие из лома и жидкого чугуна или полупродукта. МЕТАЛЛУРГИЯ – область науки и техники, а также отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд или др. материалов, процессы, сообщающие металлическим сплавам определённые свойства путём изменения их химического состава и структуры, а также процессы придания металлу определённой формы. МЕТАЛЛЫ – вещества, обладающие высокими тепло- и электропроводностью, ковкостью, блеском и др. характерными свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решётке большого числа свободно перемещающихся электронов. МИНЕРАЛЫ – природные тела, как правило однородные по химическому составу и физическим свойствам, образующиеся в результате физико-химических процессов на поверхности или в глубинах Земли; являются компонентами сырьевых материалов металлургии. МИНИ-ЗАВОД – 1. Передельный металлургический завод с объёмом производства до 200 -300 тыс. т в год. 2. Завод-новостройка 80 х годов с объёмом производства до 1 млн. т в год, включающий электросталеплавильное производство, использующее в качестве шихты преимущественно металлолом. ОБЖИГ – нагрев и выдержка при высокой температуре различных неметаллических материалов для придания им необходимых свойств. ОКАТЫШИ – продукт окомкования тонкоизмельчённых рудных материалов в виде гранул крупностью 2 - 30 мм. ОКИСЛЕНИЕ – 1. Процесс взаимодействия твёрдого или жидкого металла (сплава) с кислородом. 2. Повышение степени окисления атома, молекулы, иона, обусловленное потерей электрона. ОКОМКОВАНИЕ – окускование пылевидной рудной мелочи или тонкоизмельчённых концентратов с получением гранул. 85

Глоссарий ОКУСКОВАНИЕ – подготовка рудной мелочи и концентратов к плавке, заключающаяся в их укрупнении Глоссарий ОКУСКОВАНИЕ – подготовка рудной мелочи и концентратов к плавке, заключающаяся в их укрупнении до заданных размеров путём агломерации, окомкования или брикетирования. ОСНОВНОСТЬ – отношение содержания основных оксидов к содержанию кислотных оксидов в железорудных материалах и основных шлаках чёрной металлургии. ПАЛЛЕТА – тележка с боковыми бортами и колосниками вместо дна; набор паллет образует агломерационную ленту. РЕКУПЕРАЦИЯ – возвращение части материалов или энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. РУДА – минеральное образование с таким содержанием металлов или полезных минералов, которое обеспечивает экономическую целесообразность их извлечения. СИДЕРИТ – минерал, карбонат железа, Fe. CO 3, железная руда. СИЛИКАТ – сложное химическое соединение, в состав которого входит оксид кремния, Si. O 2; один из видов неметаллических включений в железоуглеродистых сплавах. СКИП – автоматически разгружаемая опрокидыванием вагонетка, облицованная внутри плитами износостойкой стали, предназначенная для доставки шихтовых материалов на колошник доменной или другой шахтной печи. СКРАП – зашлакованные отходы чёрных металлов, образующиеся при выпуске, транспортировании и разливке чугуна и стали; используются для переплавки в металлургических печах. СОЛИДУС – графическое изображение (точка, линия или поверхность) на диаграмме состояния зависимости температуры конца кристаллизации (или начала плавления) от химического состава сплава. СПЕК – продукт спекания при агломерации. СПЕКАНИЕ – соединение мелкозернистых материалов в куски при повышенных температурах в процессах агломерации, коксовании и т. д. ТОТЕРМАН – зона практически неподвижного кокса, присутствуещего в центре горна печи ФЛЮС – материал, вводимый в шихту для образования шлака и регулирования его состава. 86

Глоссарий ФУРМА – устройство для подвода дутья в металлургические агрегаты. ФУТЕРОВКА – 1. Защитная Глоссарий ФУРМА – устройство для подвода дутья в металлургические агрегаты. ФУТЕРОВКА – 1. Защитная внутренняя облицовка (обычно из огнеупорного материала) тепловых агрегатов, печей, труб и т. п. 2. Способ защиты металлов, заключающийся в облицовке защищаемой поверхности листами или блоками из огнеупорных и коррозионностойких материалов. ХВОСТЫ – остаточный продукт обогащения руд. ХОД (доменной печи) – характеристика опускания шихтовых материалов и движения газов в доменной печи. ЧУГУН – сплав железа с углеродом, содержащий более 2, 14% углерода, постоянные примеси, а иногда и легирующие элементы. ШИХТА – смесь сырьевых материалов, а в некоторых случаях и топлива, подлежащая переработке в металлургических печах. ШЛАК – многокомпонентный неметаллический расплав (после затвердевания - камневидное или стекловидное вещество), покрывающий при плавильных процессах поверхность жидкого металла. ШЛАМ – 1. Порошкообразный продукт, выпадающий в осадок при электролизе меди, цинка и др. металлов, содержащий обычно благородные металлы. 2. Илистый осадок при мокром обогащении руды. 3. Осадок, выделяющийся при отстаивании или фильтрации жидкости. ШПАТ плавиковый – минерал состава Ca. F 2, входит в состав многих руд; часто используется в качестве флюса в металлургических процессах, а также для получения фтористых соединений, напр. криолита. ЭКСГАУСТЕР – вентилятор на производстве, работающий на всасывание и предназначенный для удаления пыли, дымовых газов и других вредных примесей из воздуха. 87

Рекомендуемая литература ● 1. Сырьевая и топливная база черной металлургии: учебное пособие для вузов// Рекомендуемая литература ● 1. Сырьевая и топливная база черной металлургии: учебное пособие для вузов// Л. И. Леонтьев, Ю. С. Юсфин, Т. Я. Малышева и др. – М. : ИКЦ «Академкнига» , 2007. – 304 с. ● 2. Металлургия чугуна: учебник для вузов. 3 -е изд. перераб. и доп. / Под редакцией Ю. С. Юсфина. – М. : ИКЦ «Академкнига» , 2004. – 774 с. ● 3. Металлургия железа: учебник для вузов. / Ю. С. Юсфин, Н. Ф. Пашков. - М. : ИКЦ «Академкнига» , 2007. – 464 с. ● 4. Лисин В. С. , Юсфин Ю. С. Ресурсо – экологические проблемы XXI века и металлургия. - М. : Высшая школа. , 1998. - 447 с. ● 5. Юсфин Ю. С. , Леонтьев Л. И. , Черноусов П. И. Промышленность и окружающая среда. – М. : ИКЦ «Академкнига» , 2002. – 469 с. 88