2

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Технология металлов»

на тему:

«Сущность и особенности производства чугуна. Основные пути и направления совершенствования и повышения экономической эффективности технологий подготовительно-обогатительного и металлургического производства»



Содержание

Введение

1. Сырые материалы и подготовка их к доменной плавке

1.1 Топливо доменной плавки

1.2 Руды и флюсы доменной плавки

1.3 Подготовка руд к плавке:

дробление

грохочение

усреднение

обогащение8

1.4 Окуксование руд

2. Доменный процесс

2.1 Общая схема и сущность доменного процесса

2.2 Распределение и движение газов и шихты в доменной печи:

газовый поток;

распределение материалов на колошнике при загрузке

доменной печи;

движение шихты в доменной печи

2.3 Восстановление оксидов металлов:

физико-химические основы восстановительных процессов;

восстановление оксидов железа оксидом углерода;

2.4 Образование чугуна и шлака:

науглераживание железа;

образование шлака

2.5 Методы интенсификации доменного процесса:

некоторые понятия об интенсификации

нагрев дутья;

увлажнение дутья;

обогащение дутья кислородом;

вдувание в горн природного газа и других добавок к дутью;

комбинированное дутье;

повышение давления газа;

Продукты доменной плавки;

Список использованной литературы



Введение

Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс.

Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи.

Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и науглераживаясь в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава.

Флюсом называются добавки, загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы руды, офлюсования золы кокса и придания шлаку требуемых технологией выплавки чугуна физико-химических свойств. Для руд с кремнеземистой (кислой) пустой породой в качестве флюса используют материалы, содержащие оксиды кальция и магния: известняк и доломитизированный известняк.

Для получения высоких технико-экономических показателей доменной плавки сырье и материалы предварительно подвергают специальной подготовке (см. приложение 1).



1. Сырые материалы и подготовка их к доменной плавке

1.1 Топливо доменной плавки

В качестве топлива в современной доменной плавке применяют кокс, мазут, природный и коксовый газы и каменноугольную пыль. Основным видом топлива является кокс. Коксом называется пористое спекшееся вещество, остающееся после удаления из каменного угля летучих веществ при нагревании его до 950-1200С без доступа воздуха. Это единственный материал, который сохраняет форму куска в доменной печи на всем пути движения от колошника к горну. Благодаря этому обстоятельству обеспечивается прохождение газового потока через слой жидких, полужидких и твердых материалов в доменной печи. В нижней части печи раскаленный кокс образует своеобразную дренажную решетку, через которую в горн стекают жидкие продукты плавки. Высота столба шихты в современной доменной печи достигает 30 м, поэтому кокс, особенно в нижней части печи, воспринимает большие нагрузки. Отсюда вытекает основное требование, предъявляемое к коксу: высокая механическая прочность как в холодном, так и в нагретом состоянии.

Загружаемый в доменную печь кокс не должен содержать ни мелких кусков, ухудшающих газопроницаемость шихты, ни чрезмерно крупных кусков, которые, как правило, поражены трещинами и легко разрушаются в печи с образованием мелких фракций.

Кокс должен быть пористым для обеспечения хорошей горючести в горне печи и обладать высокой теплотой сгорания для получения требуемого количества тепла и необходимой температуры. Теплота сгорания кокса зависит от содержания в нем углерода, которое определяется содержанием золы, вредных примесей и летучих веществ в коксе. Чем выше содержание золы, вредных примесей и летучих веществ в коксе, тем меньше в нем углерода и меньше теплота его сгорания. Кроме того, с увеличением содержания золы и серы в коксе возрастают количество шлака, расход тепла на его расплавление и снижается механическая прочность кокса, а с увеличением содержания серы и фосфора в коксе ухудшается качество чугуна. Повышенное содержание летучих веществ в коксе свидетельствует о незавершенности процесса коксования, что приводит к снижению механической прочности кокса. Чрезмерно низкое содержание летучих в коксе, получающееся при пережоге кокса, также отрицательно сказывается на его качестве. Поэтому кокс должен содержать по возможности меньше золы, серы, фосфора и умеренное количество летучих веществ.

В коксе всегда содержится влага, поступающая в кокс при его тушении на коксохимическом заводе или из атмосферы. В связи с тем, что кокс в доменной печи загружают по массе, содержание влаги в коксе должно выдерживаться постоянным для сохранения заданного теплового режима печи.

1.2 Руды и флюсы доменной плавки

Среди металлов железо занимает третье место по распространенности в земной коре (4,2 %) после кремния(26 %) и алюминия(7,4 %). Железо в недрах земли в чистом виде не встречается. Оно входит в состав горных пород в различных химических соединениях. В природе известно более 300 разновидностей горных пород, содержащих железо, но далеко не все они представляют собой железные руды. Железными рудами принято называть такие горные породы, из которых экономически выгодно извлекать железо методом плавки. Экономическая целесообразность извлечения железа из руд зависит от уровня развития техники и характеристики месторождений.

Среди известных видов руд наиболее распространены в природе руды осадочного происхождения. Из этих руд выплавляется более 90 % чугуна.

Железная руда состоит из минерала (орудняющего вещества), пустой породы и примесей. Главной частью руды является рудный минерал, в состав которого входит железо. Чаще всего железо в минерале химически связано с кислородом, реже с другими элементами и соединениями. Пустая порода состоит из кремнезема, глинозема, извести и магнезии, образующих сложные минералы. Примеси руд делятся на полезные и вредные. Полезными примесями считаются марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и др. Вредные примеси - сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и в большинстве случаев медь - либо ухудшают качество металла, либо разрушающе действуют на огнеупорную футировку доменной печи.

В зависимости от типа рудного минерала железные руды делятся на четыре основные группы:

1. Красный железняк или гематитовая руда. Минерал гематит - безводный оксид железа, в чистом виде содержит 70 % железа и 30 % кислорода. Это наиболее распространенная железная руда.

2. Магнитный железняк или магнетитовая руда. Минерал - магнетит (72,4 % железа и 27,6 % кислорода).

3. Бурый железняк представлен железосодержащими минералами водных оксидов железа, которые содержат от 59,8 % до 69 % железа.

4. Шпатовый железняк - железная руда, основу которой составляет минерал сидерит, содержащий 48,3 % железа.

Кроме перечисленных четырех разновидностей железных руд, железо в значительном количестве (46,6 %) содержится в серном колчедане или пирите. Однако пирит в доменную плавку не дают, его используют в качестве сырья в сернокислотной промышленности, а отходы в виде окисленного железа применяют при производстве агломерата. Также находят промышленное применение бедные железные руды: магнетитовые и гематитовые кварциты, в которых содержится до 45 % кремнезема в виде свободного кварца. Кварциты обогащают, получая железнорудный концентрат, содержащий более 60 % железа.

Критерием оценки железных руд являются:

1. Содержание железа.

2. Тип основного железосодержащего минерала.

3. Состав и свойства пустой породы.

4. Содержание вредных примесей.

5. Стабильность химического состава.

6. Восстановимость.

7. Куксоватость.

8. Прочность.

9. Пористость.

10. Влажность.

В настоящее время более 90 % добываемых руд перед загрузкой в доменные печи подвергают специальной подготовке, в процессе которой перечисленные выше характеристики руд значительно изменяются, однако многие из них сильно влияют на качество и свойства конечного продукта. При оценке железной руды, прежде всего, обращают внимание на содержание в ней железа, которое колеблется в очень широких пределах. Чем выше содержание железа в железной руде, тем экономичнее и производительнее работает доменная печь. К богатым рудам относят руды, содержащие железа 60-68%, к средним 50-60% и к бедным 40-50%. Куксовые руды с высоким содержанием железа могут перерабатываться в доменной печи без предварительной подготовки, но таких руд мало, и они в основном используются при выплавке стали. Используются также и руды с содержанием железа менее 40%. Эти руды подвергают обогащению. Нижний предел содержания железа в рудах определяется выгодностью их использования.

Флюсами называются материалы, добавляемые к железной руде и загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака с высокой серопоглатительной способностью. В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, противоположными химическим свойствам пустой породы. Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая (кислая), то роль флюса выполняют основные оксиды CaO и частично MgO. Иногда в зависимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми. Оксид кальция входит в состав минерала кальцита, называемого известняком. Кроме известняка, для руд с кислой пустой породой, в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита и доломита. Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание оксида марганца в шлаке до 6-8 %.

Важнейшим требованием, предъявляемым к основным флюсам, является низкое содержание в них кремнезема и глинозема и вредных примесей серы и фосфора.

1.3 Подготовка руд к плавке

Необходимость подготовки руд к доменной плавке обуславливается стремлением улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей и использовать для получения чугуна сравнительно бедные железные руды.

Чем выше содержание железа в шихте и лучше ее газопроницаемость, тем выше производительность печи, ниже расход кокса и флюсов и лучше качество чугуна.

Повышения содержания железа в доменной шихте достигают обогащением железных руд, а улучшения газопроницаемости шихты в доменной печи - окуксованием мелких железных руд и концентратов. Расчетами и опытом установлено, что при повышении содержания железа в руде на 1 % производительность печи возрастает на 2,0 - 2,5 %, а расход кокса снижается на 1,4 - 2 %.

Дробление

Руда может быть в виде кусков до 1500 мм при открытой добыче и до 300 мм при подземной добыче. Дробление руд применяется как самостоятельная операция для получения кусков руды требуемого размера и как вспомогательная операция при обогащении руд для разрушения механических связей между железосодержащим минералом и пустой породой. В зависимости от крупности руды после дробления различают четыре стадии дробления:

1. Крупное (размер кусков после дробления 100-300 мм).

2. Среднее (40-60 мм).

3. Мелкое (8-25 мм).

Процесс дробления характеризуется степенью и эффективностью дробления. Степень дробления определяют отношением максимальных размеров кусков до и после дробления:

i = D/d,

где i - степень дробления; D и d - максимальный размер кусков до и после дробления соответственно.

Эффективность дробления определяют выходом дробленого материала на единицу израсходованной электроэнергии. Дробление - наиболее дорогая операция в системе подготовки руд.

Мелкое и тонкое дробление называют измельчением и применяют только для руд, идущих на обогащение. Крупное, среднее и мелкое дробление осуществляют преимущественно в конусных дробилках.

Грохочение

Грохочением называется разделение руды на классы по крупности. Для руд, поступающих на металлургический завод без обогащения, грохочение является самостоятельной и очень важной операцией, в процессе которой выделяют мелкую руду (0-10 мм) для агломерации, а крупную (более 10 мм) сортируют на два класса: доменную (10-30 мм) и мартеновскую (30-80 мм).

При обогащении руд на обогатительных фабриках грохочение является вспомогательной операцией, совмещаемой с дроблением руд. Это позволяет загружать в дробильные устройства только те фракции, которые подлежат дроблению, а следовательно, уменьшить расход электроэнергии на дробление, повысить производительность дробильных устройств и качество дробления. Грохочение руд осуществляется на механических ситах.

Усреднение

Железные руды по условиям залегания и добычи всегда имеют непостоянный химический состав. Значительные и частые колебания содержания железа и пустой породы в рудах вызывают нарушение теплового состояния доменной печи и химического состава шлака. Это приводит к нарушению ровного хода печи, при котором неизбежны повышение расхода кокса, снижение производительности печи и ухудшение качества выплавляемого чугуна.

Чтобы уменьшить отрицательное влияние непостоянства химического состава руд на показатели доменной плавки, руды подвергают усреднению. Усреднением называют перемешивание железорудных материалов с целью выравнивания химического и гранулометрического составов. В связи с тем, что почти все добываемые руды подвергают окуксованию, основное назначение усреднения состоит прежде всего в уменьшении колебаний содержания железа и кремнезема в рудах. Необходимо добиться такого усреднения руд, при котором колебания содержания железа и кремнезема в руде не превышали бы 0,5 % от среднего значения.

Обогащение

Обогащением называется процесс разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях и вредных примесей. Все способы обогащения основаны на различии физических свойств рудных минералов и пустой породы. В результате обогащения руды получают:

1. концентрат - продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого металла;

2. хвосты - отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительное количество металла;

3. промежуточный продукт, в котором содержание металла больше, чем в хвостах и меньше, чем в концентрате.

Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению.

В зависимости от метода обогащения и устройства аппарата степень извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60 до 95 %. Различают пять основных методов обогащения руд:

1. рудоотборка, основанная на различии цвета и блеска кусков рудного минерала и пустой породы;

2. промывка, основанная на разной размываемости кусков рудного минерала и пустой породы;

3. гравитационное обогащение - разделение в жидкой среде рудных минералов и пустой породы в зависимости от плотности зерен;

4. флотация - метод обогащения, основанный на различии физико-механических свойств поверхности частиц рудного минерала и пустой породы;

5. магнитная сепарация (самый распространенный метод обогащения), основанная на различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

1.4 Окуксование руд

Окуксованием железных руд называются процессы превращения мелких руд и концентратов в кусковые материалы с целью улучшения хода металлургических процессов в печах различного типа для получения металлов из руд. Окуксование руд широко применяется в металлургии черных и цветных металлов. В металлургии черных металлов окуксованию подлежат все мелкие руды и концентраты, из которых получают металл в доменном, сталеплавильном и электрометаллургическом производствах.

В доменном производстве окуксованием железорудного сырья достигают:

1. уменьшения выноса газовым потоком мелких фракций руды из доменной печи;

2. повышения газопроницаемости столба шихтовых материалов;

3. улучшения использования тепловой энергии и восстановительной способности газового потока;

4. улучшения протекания процессов восстановления, шлакообразования и перевода серы в шлак.

В итоге окуксование сырья позволяет значительно увеличить производительность доменных печей, сократить расход кокса и повысить качество чугуна.

Существует три метода окуксования руд и концентратов:

1. агломерация (процесс спекания мелких руд и концентратов путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или подвода высокотемпературного тепла извне);

2. окатывание (процесс получения из концентрата сырых шаров диаметром 10 - 25 мм и последующего их обжига при температуре 1200 - 1350 С);

3. брикетирование (процесс прессования пылеватых руд и концентратов в куски одинаковой формы с добавкой или без добавки связующих веществ).

В черной металлургии наибольшее распространение получила агломерация и окатывание руд.



2. Доменный процесс

2.1 Общая схема и сущность доменного процесса

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы - кокс, железосодержащие компоненты и флюс - в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

В химическом отношении доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа (см. приложение 2). Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе - своеобразное очертание, называемое профилем.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000 - 1200 С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400 - 1500С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 - 2000С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 - 450С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 - 20 %.

Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями - подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 - 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем - в металлическое железо по схеме:

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 - 1100С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы - кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 - 1150С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса - и зола.

При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак - через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.

2.2 Распределение и движение газов и шихты в доменной печи

Газовый поток

Высокопроизводительная и экономичная работа доменной печи в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение газов и распределение их в печи определяется множеством факторов, но главным из них являются гранулометрический состав шихты и ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при движении в доменной печи. В свою очередь и движущийся газовый поток влияет на распределение шихты.

Газы в доменной печи движутся через столь шихты снизу вверх под действием разности давлений, зависящей от величины сопротивления загруженной в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь 24 - 26 м в течение нескольких секунд, газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования. Для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, иными словами, температура и состав газов во всех точках сечения доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта - в равной мере нагретой и восстановленной.

Для обеспечения ровного схода шихты газовый поток по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем количестве у стен и в осевой зоне печи, т. е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата.

В действительности же в доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению вследствие специфических особенностей доменного процесса и конструкции доменной печи.

Наиболее важным показателем, характеризующим распределение газового потока по сечению столба шихты, является сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.

Распределение материалов на колошнике при загрузке доменной печи

Исходя из требований, предъявляемых к распределению газов в доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно по сечению печи как по крупности, так и по компонентам шихты. У стен должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью лучшего использования периферийных газов, а у оси - больше кокса. Большое количество мелких фракций железосодержащих компонентов у стен печи недопустимо во избежание тугого хода. Основную часть мелких фракций необходимо располагать в промежуточном кольце между периферией и центром.

По окружности печи материалы должны, наоборот, распределяться строго равномерно, т. е. так, чтобы любая окружность горизонтального сечения была кривой равного содержания диоксида углерода в газе и кривой одинаковой температуры.

Этим условиям распределения шихты удовлетворяет принятый способ загрузки материалов при помощи конуса и воронки. Шихтовые материалы - кокс, железосодержащие компоненты и флюс - загружают в доменную печь отдельными порциями, называемыми подачами. Количественное соотношение компонентов шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно определяется расчетом шихты. Материалы на колошник подают специальными тележками - скипами, перемещающимися по рельсам наклонного моста. Объем материалов одной подачи соответствует объему нескольких скипов, поэтому подача на колошник подается по частям несколькими скипами. При этом одну часть скипов подачи загружают коксом, а другую - железосодержащими компонентами и флюсом. При полностью офлюсованном агломерате подача состоит только из скипов с агломератом и коксом.

Движение шихты в доменной печи

В доменной печи шихта опускается под действием своей массы в пространство, освобождающееся в результате уменьшения ее объема при протекании различных процессов, основными из которых являются горение углерода кокса в фурменных очагах, расход углерода кокса на прямое восстановление, образование и плавление чугуна и шлака, а также уплотнение шихты при движении. 44 - 52% общего уменьшения объема шихты приходится на горение углерода, 11 - 16% - на прямое восстановление, 25 - 35% - на плавление чугуна и шлака и 5 - 15% - на уплотнение материалов. Из этого следует, что уменьшение объема шихты происходит главным образом в очагах горения перед фурмами, а фурменные очаги можно уподобить своеобразным воронкам, через которые движется основная масса шихты.

Периферийное расположение зон горения приводит к преимущественному движению шихты на периферии печи. Скорость движения шихты в периферийном кольце колошника составляет 90 - 140, а в центре 70 - 120 мм/мин. Длительность пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до 7 ч. Активизация работы центра печи всегда приводит к существенному увеличению скоростей опускания шихты в осевой зоне и уменьшению разности скоростей движения шихты на периферии и в центре.

Повышение скорости схода шихты на периферии колошника объясняется и другими причинами, главной из которых являются расширение шахты книзу и более интенсивное по сравнению с коксом движение железорудных компонентов, располагающихся в большом количестве на периферии.

В результате неодинаковой скорости движения шихты в рабочем пространстве печи одновременно загруженные в печь материалы приходят в горн неодновременно. Это явление называется опережением, которое необходимо учитывать при изменении условий работы, печи, связанных с переходом на выплавку другого вида чугуна, изменением качества материалов.

2.3 Восстановление оксидов металлов

Физико-химические основы восстановительных процессов

Одним из условий получения чугуна в доменной печи является удаление кислорода из оксидов, металлы которых входят в состав чугуна. Процесс отнятия кислорода от оксида и получения из него элемента или оксида с меньшим содержанием кислорода называется восстановлением. Наряду с восстановлением протекает окисление вещества, к которому переходит кислород оксида. Это вещество называется восстановителем.

Восстановительные процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла. Химическая прочность оксида определяется силами химической связи данного элемента с кислородом.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода

По степени убывания кислорода оксиды железа располагаются в ряд: Fe₂O₃, Fe₃O₄ и FeO, содержащие соответственно 30,06; 27,64 и 22,28% кислорода. Из трех оксидов железа, взятых в свободном состоянии, наиболее прочным в условиях рабочего пространства доменной печи, а точнее при температуре выше 570С, является FeO. Восстановление железа из его оксидов протекает ступенчато путем последовательного удаления кислорода и в зависимости от температуры может быть изображено двумя схемами:

при температуре выше 570С

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO F

при температуре ниже 570 С

Fe₂O₃ Fe₃O₄ Fe.

Ниже 570 С прочность FeO становится меньше прочности Fe₃O₄ и она превращается в Fe₃O₄ и Fe.

В доменной печи восстановление железа из его оксидов протекает в основном по первой схеме, так как уже через несколько минут после загрузки материалов на колошник они нагреваются до температуры выше 570С. Большая половина кислорода, связанного в оксиды железа, отбирается оксидом углерода, поэтому основным восстановителем в доменной печи является оксид углерода.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода при температуре выше 570С идет по реакциям:

3Fe₂O₃ + СО 2Fe₃O₄ + СО₂ + 37,137 МДж,

Fe₂O₃ + mCO 3FeO + (m - 1)CO + СО₂ - 20,892 МДж,

FeO + nCO Fe + (n - 1)CO + СО₂ + 13,607 МДж.

2.4 Образование чугуна и шлака

Науглераживание железа

Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и другие элементы, образуя чугун. Процесс науглераживания железа начинается с момента его появления в виде твердой губки в зоне умеренных температур. Механизм науглераживания железа сводится к следующему. Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода на сажистый углерод и диоксид углерода. Эта реакция протекает на поверхности губки. Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с атомами железа и образует карбиды железа. Науглераживание губчатого железа уже заметно протекает при 400 - 500С. По мере науглераживания железа температура плавления его понижается. Если чистое железо плавится при 1539С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,3 %С, плавится при 1135С. Однако науглераживание железа в твердом состоянии является лишь начальной стадией этого процесса, способствующей понижению температуры плавления металла. Более интенсивно науглераживание протекает после перехода металла в жидкое состояние. Капли металла, стекая в горн печи, контактируют на поверхности кусков раскаленного кокса с углеродом, в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает. На горизонте фурм за пределами зон горения содержание углерода в чугуне достигает 3,8 - 4,0%. Окончательное науглераживание металла происходит в горне печи.

Переход других элементов в чугун (марганца, кремния, фосфора и серы) осуществляется по мере их восстановления на различных горизонтах рабочего пространства печи. Марганец при выплавке передельного чугуна заметно переходит в металл уже в распаре, однако наиболее интенсивное насыщение чугуна марганцем происходит в заплечиках и горне при восстановлении марганца. Основная масса кремния переходит в чугун в нижней части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из распара почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и выше. Это объясняется тем, что в металл из распара, попадает не только фосфор, который восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов печи. Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты.

Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается регулированию и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром, являясь корбидообразующими элементами, способствуют увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний и фосфор, образуя более прочные с железом соединения, разрушают карбиды железа и понижают содержание углерода в чугуне. Если в передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4 - 4,6% углерода, то в зеркальном чугуне, содержащем 10 - 25% марганца, углерода содержится 5 - 5,5%, а в 75%-ом ферромарганце содержание углерода достигает 7 - 7,5 %. Наоборот, в литейном чугуне, содержащем 2,5% кремния, содержание углерода не превышает 3,5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже.

Содержание марганца и кремния сильно влияет на структуру чугуна, что имеет очень важное значение при производстве литейного чугуна, используемого в машиностроении. Известно, что углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида и в свободном состоянии в виде графита. В литейном чугуне благодаря повышенному содержанию кремния значительная часть углерода находится в виде графита, что способствует повышению прочности отливок. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов железа в чугуне повышает его хрупкость. В изломе такой чугун имеет белый цвет. Качество чугуна для отливок также зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи.

Образование шлака

В доменной печи шлак образуется под действием высоких температур в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов и флюса, к которым в горне присоединяется зола сгоревшего кокса. Шлакообразующими оксидами являются SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃, FeO, MnO, а также сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.

Образованию шлака предшествуют процессы размягчения и спекания пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов и различных химических соединений. Эти процессы представляют собой промежуточное звено при переходе вещества из твердого состояния в жидкое. Чем больше температурный интервал, в котором протекает превращение шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое, тем большую часть по высоте печи занимает вязкая масса, заполняющая пустоты между кусками кокса и препятствующая движению и распределению газов. В связи с этим температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по возможности меньшим.

В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный и конечный шлаки. Первичный шлак появляется в начальной стадии шлакообразования в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь в зоны с более высокими температурами, нагревается, а химический состав его непрерывно изменяется в следствии восстановления железа и марганца из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых количеств CaO и MgO, увеличивающих количество шлака. Конечный шлак образуется в горне после растворения в шлаке золы сгоревшего кокса и остатков извести и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком.

С применением офлюсованного агломерата условия шлакообразования изменяются. Присутствие извести в агломерате обеспечивает хороший контакт шлакообразующих оксидов, по этому их размягчение при нагреве и образование первичного шлака протекает в сравнительно не большой зоне по высоте печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой зоны. Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее и равномернее по сечению, вследствие чего в первичном шлакообразовании участвует меньшее количество FeO, а зона начала образования шлака смещается в область более высоких температур.

2.5 Методы интенсификации доменного процесса

Некоторые понятия об интенсификации

Под интенсификацией доменного процесса понимают увеличение скорости его протекания. Мерой интенсивности хода доменной печи является количество чугуна, получаемое в единицу времени в расчете на единицу полезного объема доменной печи. В условиях производства принято пользоваться обратной величиной - полезным объемом печи, затрачиваемым в течении суток на выплавку 1 т чугуна. Этот показатель называется коэффициентом использования полезного объема доменной печи и определяется как частное от деления полезного объема печи V_пол (м³) на суточную производительность печи Т (т) чугуна/сут. Чем меньше этот показатель, по абсолютному значению, тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи.

Увеличить интенсивность хода доменной печи можно двумя путями:

1. создание условий, при которых в горн доменной печи в единицу времени можно подать большее количество дутья, расходуемого на сгорание углерода горючего;

2. создание условий, обеспечивающих снижение расхода кокса на единицу выплавляемого чугуна, если количество дутья, поступающее в горн в единицу времени, не снижается или снижается в меньшей мере, чем расход кокса.

При увеличении количества дутья, подаваемого в горн в единицу времени, соответственно увеличивается сгорающее в единицу времени количество углерода, а следовательно, увеличивается и производительность печи. При уменьшении относительного расхода горючего и неизменном количестве дутья производительность печи также возрастает вследствие увеличения рудной нагрузки на кокс. Наиболее высокая степень интенсификации процесса достигается, когда одновременно с увеличением количества дутья имеется возможность уменьшить и относительный расход горючего.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем увеличения расхода дутья в единицу времени предполагает улучшение газодинамики процесса. Это может быть достигнуто повышением прочности агломерата, отсевом мелких фракций и улучшением однородности гранулометрического состава шихтовых материалов, повышением давления газов в рабочем пространстве печи, снижением относительного выхода шлака и улучшением его физических свойств.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем снижения относительного расхода кокса предполагает уменьшение тепловых затрат на процесс и применение заменителей кокса в роли теплоносителя и восстановителя.

Основными методами интенсификации доменного процесса являются:

1. совершенствование способов подготовки и улучшение качества сырых материалов;

2. высокотемпературный нагрев дутья;

3. увлажнение дутья;

4. обогащение дутья кислородом;

5. вдувание в горн углеводородосодержащих добавок;

6. комбинирование дутья;

7. повышение давления газов в рабочем пространстве доменной печи.

Наиболее важной по своему значению является подготовка сырья к плавке. Ни один из методов интенсификации доменного процесса, перечисленных в п. 2 - 7, не может дать максимального эффекта при плохом качестве сырья.

Нагрев дутья

Впервые нагретое дутье в доменном производстве применили в 1829 г. Несмотря на сравнительно невысокий нагрев дутья (150С), показатели работы печи значительно улучшились: относительный расход горючего уменьшился на 30 %, производительность печи возросла, появилась возможность увеличить количество дутья. При этом расход горючего на нагрев дутья был намного ниже полученной экономии. Впоследствии применение более нагретого дутья (350 - 400С) на коксовых доменных печах позволило уменьшить относительный расход кокса на 25 - 35%. В настоящее время дутье нагревают до 1100 - 1200С и выше.

За всю историю существования доменного производства ни одно мероприятие не дало такого снижения расхода горючего, как применение нагретого дутья.

Увлажнение дутья

Естественная влажность воздуха колеблется в значительных пределах как в течении суток, так и по временам года. Колебания влажности дутья вызывают изменения в тепловом и температурном режиме горна и в ходе восстановления, что нередко приводит к расстройствам хода печи, ухудшая технико-экономические показатели.

Устранить колебания естественной влажности можно двумя способами: осушением дутья и увлажнением дутья в таких пределах, чтобы влажность его была несколько выше естественной, но постоянной во времени.

Обогащение дутья кислородом

При обогащении дутья кислородом изменяются следующие показатели:

1. Уменьшается расход дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода.

2. Уменьшается количество горнового газа на единицу сжигаемого у фурм углерода.

3. Повышается концентрация оксида углерода в горновом газе.

4. Значительно возрастает температура в зоне горения.

При обогащении дутья кислородом снижается перепад давления газов между горном и колошником вследствие уменьшения выхода горнового газа на единицу сжигаемого углерода и скорости движения газов в столбе шихтовых материалов.

Вдувание в горн природного газа и других добавок к дутью

При вдувании природного газа в количестве 70 - 90 м³ на 1 т чугуна расход кокса уменьшается на 10 - 14 %. Экономия кокса при вдувании природного газа достигается за счет:

1. Увеличения непрямого и уменьшения прямого восстановления.

2. Замены части углерода кокса углерода природного газа.

3. Уменьшения прихода серы в печь, основности и выхода шлака вследствие уменьшения расхода кокса, вызываемого первыми двумя факторами.

Комбинированное дутье

Комбинированным принято называть дутье, включающее добавки как в виде окислителей (кислород, пар), так и восстановителей (природный газ, коксовый газ, мазут пылеугольное топливо и др.). Наибольшее распространение получило сочетание обогащения дутья кислородом с вдуванием природного газа.

Основной положительный эффект при вдувании природного газа состоит в значительном сокращении расхода кокса, а при обогащении дутья кислородом - в увеличении производительности печи. Но достижение возможного эффекта при вдувании природного газа ограничивается его отрицательными сторонами - увеличением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а достижение возможного эффекта обогащенного кислородом дутья ограничивается, наоборот, чрезмерным повышением температуры в горне.

Повышение давления газа

Идея работы доменной печи на повышенном давлении газов была выдвинута с целью улучшения восстановительной способности газов. Однако положительное действие повышенного давления проявляется не в улучшении восстановительной способности газов, а в улучшении газодинамического режима доменной печи, при котором возможно значительное повышение производительности и снижение расхода кокса. Повышение давления газа внутри доменной печи достигается путем пережима струи газа при помощи специального дроссельного устройства, установленного в газопроводе очищенного от пыли газа. Положительное действие повышенного давления газа заключается в том, что с увеличением давления уменьшается объем газа и его скорость, вследствие чего уменьшаются подъемная сила газа и перепад давления газа между горном и колошником. Это позволяет увеличивать массовое количество дутья, не превышая его критического объема.

Продукты доменной плавки

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

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

В зависимости от назначения выплавляемые в доменных печах чугуны разделяют на три основных вида: передельный, идущий на передел в сталь; литейный, предназначенный для получения отливок из чугуна в машиностроении; доменные ферросплавы, используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

2. Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).

3. Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).

4. Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1 - ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.



Список использованной литературы

1. Полтавец В.В. Доменное производство. М., 1981.

2. Металлургия чугуна. Е.Ф. Вегман, Б.Н., М.: Металлургия, 1978.