Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"Челябинский государственный университет"

ГОУ ВПО "ЧелГУ"

Факультет заочного и дистанционного обучения

Кафедра менеджмента

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Тема "Производство чугуна"

по дисциплине "Технологические основы промышленного производства"

Работу выполнил: студент гр.15МС-102

Широканова Е.А.

Работу проверила: Прохорова Л.В.,

канд. техн. наук, доцент

г. Челябинск 2012

Содержание

• Введение
• 1. Место металлургии в системе технологий народного хозяйства
• 1.1 Структура технологического процесса
• 1.2 Организация доменного производства
• 1.3 Основные потребители продукции
• 2. Исходные материалы, применяемые в производстве чугуна и их характеристика
• 2.1 Подготовка шихтовых материалов
• 2.2 Огнеупорные материалы в металлургии
• 2.3 Устройство доменной печи и цеха
• 3. Методы прямого восстановления железа из руд
• 3.1 Восстановление железа из руд
• 4. Пути интенсификации и совершенствования управления доменным производством
• 4.1 Нагрев дутья
• 4.2 Увлажнение дутья
• 4.3 Обогащение дутья кислородом
• 4.4 Вдувание в горн природного газа и других добавок к дутью
• Заключение
• Список литературы

Введение

Чугуны - более дешевый материал, чем стали. Содержание углерода в них больше 2,14%. Они обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей.

Литая структура чугунов содержит концентраторы напряжений, в качестве которых могут быть многочисленные дефекты, такие, как пористость, ликвационная неоднородность, микротрещины, отчего напрямую зависит конструкционная прочность.

Известно, что литейные свойства сплавов тем выше, чем меньше их температурный интервал кристаллизации. Следовательно, наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превращение.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны широко применяются в машиностроении. Детали машин, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем детали, изготовленные обработкой резанием из горячекатаных стальных профилей или из поковок и штамповок. Хорошая жидкотекучесть чугунов и их способность к образованию малой усадочной раковины позволяют получать из них достаточно качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок.

Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь по классической схеме руда-чугун-сталь. В процессе переплавки из чугуна путем окисления удаляется некоторое количество серы и фосфора.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.

Промышленное производство чугуна и стали в России возникло в начале XVIII века с постройкой доменных печей в Тульской губернии и металлургических заводов на Урале. В 1699 году был построен Невьянский завод, после чего начинается бурное развитие отечественной металлургии, затормозившееся к XIX веку в связи с истощением запасов древесного угля.

В 30-е и 40-е годы в России были построены Магнитогорский и Кузнецкий металлургический заводы, реконструированы Днепропетровский, Макеевский комбинаты, строятся заводы высококачественных сталей "Электросталь" и "Днепроспецсталь". В послевоенные годы в стране продолжается рост производства черных металлов, строятся Новолипецкий, Западно-Сибирский, и другие заводы. В металлургическом производстве начинают применяться кислородные конверторы емкостью 350 т, 900-тонные мартеновские печи, двухванные сталеплавильные агрегаты, доменные печи с полезным объемом до 5000 .

чугун доменный руда металлургия

1. Место металлургии в системе технологий народного хозяйства

1.1 Структура технологического процесса

Металлургический комплекс является базовой основой промышленности. Уровень его развития, доля внутреннего потребления металлопродукции в ее производстве и ее номенклатура отражают характер технологического развития страны и соотношение технологических укладов, используемых в промышленности.

Металлургический комплекс относится к наиболее крупным промышленным комплексам в российской экономике. В отраслевой структуре промышленности в 2004 г. он занимал сектор в 15,5%, в том числе черные металлы - 8,2%, цветные 10,3%. Он охватывает технологические системы получения металлов из руд, технологические системы производства сплавов, обработки металлов литьем и давлением с получением, соответственно, отливок и проката, покрытие защитным слоем.

В зависимости от сочетания технологических процессов выделяются следующие типы производств в металлургическом комплексе:

Производства полного цикла, которые представлены, как правило, комбинатами, в которых одновременно действуют все названные стадии технологического процесса.

Производства неполного цикла - это предприятия, в которых осуществляются не все стадии технологического процесса. К неполному циклу относятся электротермия ферросплавов, электрометаллургия и др.

Металлургия относится к числу базовых отраслей народного хозяйства и отличается высокой материалоемкостью и капиталоемкостью производства.

На долю черных и цветных металлов приходится более 90% всего объема конструкционных материалов, применяемых в машиностроении России.

В общем объеме транспортных перевозок Российской Федерации на металлургические грузы приходится свыше 35% всего грузооборота. На нужды металлургии расходуется 14% топлива и 16% электроэнергии, т.е. 25% этих ресурсов, расходуемых в промышленности.

Металлургический комплекс характеризуется концентрацией и комбинированием производства.

Исключительно велико комплексообразующее и районообразующее значение металлургического комплекса в территориальной структуре народного хозяйства России.

Современные крупные предприятия металлургического комплекса по характеру внутренних технологических связей представляют собой металлургическо-энергохимические комбинаты.

Кроме основного производства, в составе металлургических предприятий создаются производства на основе утилизации разного рода вторичных ресурсов сырья и материалов (сернокислотное производство, тяжелый органический синтез по производству бензола, аммиака и другой химической продукции, производство строительных материалов - цемент, блочные изделия, а также фосфорных и азотных удобрений и т.п.)

Наиболее распространенными спутниками металлургических предприятий являются: теплоэлектроэнергетика, металлоемкое машиностроение (металлическое и горное оборудование, тяжелое станкостроение), производство металлоконструкций, метизов.

На размещение металлургических комбинатов большое влияние оказывают:

1) особенности используемого сырья (руды),

2) применяемый для получения металла вид энергии,

3) география сырьевых и энергетических источников.

Металлургические предприятия выгоднее всего создавать в сырьевых и энергетических базах, а иногда и между ними. При размещении учитывают также обеспеченность водой и транспортными путями, необходимость охраны природы.

Резкое падение производства в машиностроении и ВПК привело к потере спроса на металлы на внутреннем рынке, к сокращению их производства. Начиная с 1993 г. металлургические предприятия переориентировались на внешний рынок, начался подъем производства, и технологическая система России была практически перестроена на энергосырьевое обеспечение промышленно развитых стран.

В 2002 г. в России было произведено 7% мирового выпуска стали, при этом 55% пошло на экспорт (10% мировой торговли). Доля России в мировом производстве основных видов цветных металлов (алюминий, никель, медь, цинк, свинец, олово) составляет около 8,5%. На экспорт отправляется около 80% их производства и 70% редких металлов. В экспорте черных металлов 60% занимают полуфабрикаты (слябы, чугун, лом, руда…), в экспорте цветных 80% приходится на первичные, т.е. не прошедшие обработку, металлы и лишь 10% - на прокат и металлоизделия. Следствием перестройки металлургии на выпуск первичных металлов стало резкое сокращение производства металлопродукции, т.е. металлоизделий и различного вида проката.

Таким образом, в результате спада производства в металлопотребляющих отраслях, нарушения и разрыва производственно-хозяйственных связей в стране, а также удорожания топлива, перевозок и электроэнергии произошла коренная перестройка металлургического комплекса на выпуск первичных металлов и поставку их на экспорт. Основными металлами, поставляемыми на экспорт, являются черные металлы (10% от общего экспорта), алюминий, медь, никель, металлы платиновой группы.

Черная металлургия.

Черная металлургия охватывает весь процесс от добычи и подготовки сырья, топлива, вспомогательных материалов до выпуска проката с изделиями дальнейшего передела.

Значение черной металлургии заключается в том, что она служит основой развития машиностроения (одна треть производимого металла идет в машиностроение), строительство (1/4 металла идет в строительство). Кроме того, продукция черной металлургии имеет экспортное значение.

В состав черной металлургии входят следующие основные подотрасли:

добыча и обогащение рудного сырья для черной металлургии (железных, марганцевых и хромитовых руд);

добыча и обогащение нерудного сырья для черной металлургии (флюсовых известняков, огнеупорных глин и т.п.);

производство черных металлов (чугуна, стали, проката, доменных ферросплавов, металлических порошков черных металлов);

производство стальных и чугунных труб;

коксохимическая промышленность (производство кокса, коксового газа и пр.);

вторичная обработка черных металлов (разделка лома и отходов черных металлов).

Собственно металлургическим циклом является производство чугуна, стали и проката. Предприятия, выпускающие чугун, сталь и прокат, относятся к металлургическим предприятиям полного цикла.

Предприятия без выплавки чугуна относят к так называемой передельной металлургии. "Малая металлургия" представляет собой выпуск стали и проката на машиностроительных заводах. Основным типом предприятий черной металлургии являются комбинаты.

В размещении черной металлургии полного цикла большую роль играет сырье и топливо, особенно велика роль сочетаний железных руд и коксующихся углей. Особенностью размещения отраслей является их территориальное несовпадение, так как запасы железной руды сосредоточенны, в основном, в европейской части, а топлива - преимущественно в восточных районах России. Комбинаты создают у сырьевых или топливных баз, а иногда между ними. При размещении учитывают также обеспечение водой, электроэнергией, природным газом.

В России созданы три металлургические базы: Уральская, Центральная и Сибирская.

Цветная металлургия.

Цветная металлургия включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов.

Россия обладает мощной цветной металлургией, отличительная черта которой - развитие на основе собственных ресурсов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и легкие (алюминий, титан, магний). На основании этого деления различают металлургию легких металлов и металлургию тяжелых металлов.

На территории России сформировано несколько основных баз цветной металлургии. Различия их в специализации объясняются несхожестью географии легких металлов (алюминиевая, титано-магниевая промышленность) и тяжелых металлов (медная, свинцово-цинковая, оловянная, никель-кобальтовая промышленности).

Размещение предприятий цветной металлургии зависит от многих экономических и природных условий, особенно от сырьевого фактора. Заметную роль, помимо сырья, играет топливно-энергетический фактор.

Производство тяжелых цветных металлов в связи с небольшой потребностью в энергии приурочено к районам добычи сырья по запасам, добыче и обогащению медных руд, а также по выплавке меди ведущее место в России занимает Уральский экономический район, на территории которого выделяются Красноуральский, Кировоградский, Среднеуральский, Медногорский комбинаты.

Свинцово-цинковая промышленность в целом тяготеет к районам распространения полиметаллических руд.

Для получения легких металлов требуется большое количество энергии. Поэтому сосредоточение предприятий, выплавляющих легкие металлы, у источников дешевой энергии - важнейший принцип их размещения.

Особенностью экспорта цветных металлов является их неполная обработка, о чем свидетельствует резкое снижение выпуска проката и структура экспорта - 80% приходится на первичные металлы и лишь 20% - на прокат и металлоизделия. Это связано с тем, что качество отечественного проката уступает требованиям международного рынка, а внутренние цены по мере обработки металла растут быстрее, чем при аналогичной обработке за рубежом, т.е. технологическая себестоимость в России выше зарубежной.

1.2 Организация доменного производства

Применяемые материалы в доменном производстве.

Топливо

В металлургическом производстве топливо сжигают в плавильных и нагревательных печах и устройствах. Все виды используемого топлива представляют собой вещества органического происхождения. В их состав входят углерод, водород, кислород, азот и сера, а также минеральные примеси, образующие золу топлива, и влага. Наибольшее применение имеют кокс, мазут и природный газ.

Огнеупорные материалы (огнеупоры)

При сооружении печей и других тепловых устройств применяют огнеупоры, представляющие собой материалы, способные противостоять действию высоких температур, а также физическим и физико-химическим процессам, протекающим в указанных тепловых агрегатах.

Огнеупорные материалы применяют в виде кирпича, различных фасонных изделий и порошков.

По химическому составу огнеупорные материалы разделяются на кислые, полукислые, основные и нейтральные. К кислым огнеупорам относится динасовый кирпич? 93% SiO2 и? 1,5% А12О3, кварцитовый и кварцевый песок. Температура плавления динасового кирпича 1730--1830° С. Его применяют для кладки сталеплавильных печей, когда требуется кислая футеровка. Порошки используют, при ремонте плавильных печей и для наварки подов.

К основным огнеупорам относятся магнезитовые кирпичи и порошки, содержащие: 91-94% MgO; 1,5-2,8% SiO2; 2-3% Fe2О5; 1,0-2,0% СаО;

0,5-1,8% А12О3, а также доломитовые огнеупоры. Температура плавления магнезитового кирпича 2000-2200° С.

К нейтральным огнеупорам относится хромистый кирпич, различные шамотные и углеродистые изделия. Наиболее дешевый и распространенный шамотный кирпич содержит 50-60% SiO2, от 30 до 40% А12О3 и 1,5 - 3% Fe2O3. Его огнеупорность достигает 1790° С.

1.3 Основные потребители продукции

По данным Федеральной таможенной службы (ФТС) РФ, российский экспорт черных металлов в 2011 году сократился по сравнению с показателем 2010 года на 9% - до 35,353 млн тонн. А вот в экспорте чугуна металлургическая отрасль продемонстрировала противоположную тенденцию. Этот показатель, напротив, вырос на 9,1% по сравнению с прошлым годом и составил 4,246 млн тонн. Эксперты говорят об общем росте производства чугуна в России до 2014 года, но прирост экспорта при этом будет не значительным.

Чугун остается важнейшим продуктом черной металлургии во всем мире наряду со сталью и железом. Он используется как при производстве стали, так и в чугунолитейном производстве при вторичной плавке, как необходимый компонент смеси исходных материалов. Особо широкое применение чугун благодаря своей прочности нашел в машиностроении. Стоит отметить, что в современном машиностроении три четверти всех деталей изготовляются именно из этого сплава.

"По объемам производства чугуна Россия стабильно занимает третье место в мире, имея по итогам 2011 года долю около 4,4%, уступая только Китаю и Японии", - отмечает Георгий Гончаров, главный аналитик METALRESEARCH. Тем не менее доля России в мировом производстве снижается, что связано с ростом его выпуска в других регионах и странах, в первую очередь в Китае (58% мирового рынка). Что касается экспорта, то максимального уровня продажи российского чугуна достигали в 2006 году - около 6,1 млн тонн. Позже этот показатель устойчиво сокращался - из-за ухудшения положения на мировом рынке и глобального экономического кризиса, упав в 2010 году до 4 млн тонн.

Отметим, что традиционно основной экспорт российского чугуна приходится преимущественно на страны дальнего зарубежья. При этом основными рынками сбыта являются страны Европы и США. В 2007 и 2008 годах в дальнее зарубежье было поставлено почти 94% экспортируемого российского чугуна, в 2009 году - примерно 97%, в 2010-м - 95%. Основными потребителями российского чугуна в Европе остаются Италия, Турция и Испания.

В 2010 году начался постепенный рост продаж чугуна, что свидетельствует о том, что рынок этого металла выходит из кризиса. По сравнению с 2009 годом рост продаж вырос и составил около 4 - млн тонн. По оценкам экспертов, в ближайшее пятилетие данные тенденции сохранятся, однако прирост будет незначительным.

"Рассматривая рынок чугуна, мы должны понимать, что сторонним потребителям, в том числе на экспорт металла, поставляется совсем немного. Большая часть произведенного чугуна потребляется самими металлургическими предприятиями для производства стали", - объясняет Виктор Кошевной, руководитель проекта Rusmet. Исключением является "Тулачермет", где производимый чугун (литейный, передельный и др.) является основной товарной продукцией. Доля предприятия в российском выпуске чугуна в 2011 году составила, по предварительным оценкам, почти 4,5% (4,3% - в 2010-м). В России есть еще несколько специализированных предприятий по выпуску чугуна (Косогорский МЗ, МЗ "Свободный сокол"), но объемы выпуска чугуна на этих предприятиях существенно уступают "Тулачермету".

По данным аналитиков, всего в России чугун производят почти на 40 металлургических и машиностроительных предприятиях. При этом на долю семи металлургических комбинатов и "Тулачермета" в России приходится свыше 97% выпуска чугуна. Пять из них занимают более 80% производства. На начало 2012 года крупнейшими производителями являются НЛМК - доля в общероссийском производстве 20,3%, ММК - 19,7%, "Северсталь" - 18,3%, ЗСМК - 12,0% и НТМК - 9,8%.

В России в настоящее время производство чугуна сосредоточено в основном на доменных печах большой единичной мощности. Технический уровень доменного производства в России довольно высок. Металлургические предприятия России инвестируют значительные средства в развитие аглодоменного производства. А в 2011 году в нашей стране впервые за последние 25 лет была построена новая доменная печь производительностью более 3,4 млн тонн чугуна в год. Проект осуществил НЛМК.

Стоит отметить, что мировая торговля товарным чугуном незначительна по сравнению с объемами его выпуска. Доля мирового экспорта и импорта в общем объеме производства составляет всего 1-3%. Вкупе с этим мировой экспорт существенно снизился в период мирового финансово-экономического кризиса в 2009 году, составив, по данным WSA (World Steel Association), менее 12 млн тонн.

2. Исходные материалы, применяемые в производстве чугуна и их характеристика

2.1 Подготовка шихтовых материалов

Исходные материалы.

Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах - железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.

Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ и реже - из доломита или известняка.

В зависимости от рудного вещества железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно, и бедными, которых подвергают обогащению.

В доменном производстве применяют разные железные руды.

Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску (от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа (45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая.

Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится 25 - 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.

Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

Руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца.

2.2 Огнеупорные материалы в металлургии

Огнеупорные материалы, их свойства и области применения

Огнеупорными материалами называют строительные материалы, способные противостоять действию высоких температур, физическим и физико-химическим процессам, происходящим в тепловых агрегатах при высоких температурах. Эти материалы применяются в промышленности для устройства плавильных и нагревательных печей и различных других тепловых устройств, которые работают в условиях высоких температур. Огнеупорные материалы должны обладать:

огнеупорностью

тепловой и химической стойкостью

механической прочностью

низким температурным коэффициентом линейного расширения.

По внешнему виду огнеупорные материалы разделяются на порошки, кирпичи и фасонные изделия. По химическим свойствам они разделяются на кислые, полукислые, полуосновные, основные и нейтральные.

К кислым огнеупорным материалам относят динасовый кирпич, содержащий 92 ч96% SiO2. Температура плавления динасового кирпича 1690 ч1730°, размягчения 1550ч1690°. Динасовый кирпич применяют для кладки плавильных пламенных и электрических печей. Огнеупорные материалы с основными свойствами: магнезитовый кирпич, магнезитовые и доломитовые порошки и доломитовый кирпич. Температура плавления основных огнеупоров выше 2000°.

В современной практике расширяется использование хромомагнезитовых кирпичей, состоящих из 26ч28% хромистого железняка, 65ч67% обожженного магнезита и 7% железной руды. Хромомагнезитовый кирпич широко используют в сталеплавильном производстве. Температура плавления этого материала 2000°. Хромомагнезитовый кирпич применяют в качестве нейтрального огнеупорного материала для изоляции кислых сводов от основных стенок и для устройства сводов плавильных печей.

Наибольшее распространение в металлургии и других отраслях промышленности нашли огнеупорные материалы под общим названием шамотных огнеупорных изделий. Они обладают слабокислыми свойствами и состоят из смеси SiO2 и А1О3. По огнеупорности шамотный кирпич делится на классы А, Б, и В с температурами плавления соответственно 1730, 1670 и 1580°. B доменных печах применяют шамотный кирпич классов А и Б.

Углеродистые огнеупорные материалы с содержанием углерода до 90% находят в технике довольно широкое применение.

Из них изготовляют угольные и графитовые электроды для дуговых печей, тигли для плавки металла, пробки и стаканчики для разливочных ковшей, выкладывают ими отдельные части доменных печей и стенки электролизных ванн для алюминия.

2.3 Устройство доменной печи и цеха

Устройство доменной печи и её вспомогательные устройства

Продольный разрез доменной печи показан на рис.1. Верх печи называется колошником. Шихту загружают через засыпной засыпной аппарат 13. К колошнику прикреплены газоотводные трубы 8, через которые отводят колошниковый газ. Под колошником находится шахта IV, заканчивающаяся цилиндрической частью - распаром III, - это самая широкая часть доменной печи. Под распаром находятся заплечики II. Нижняя часть печи I называется горном. В верхней части горна расположены фурменные отверстия 4, через которые в печь подают воздух. Ниже фурменных отверстий имеются две шлаковые летки для выпуска шлака. На самом нижнем уровне на поду горна (лещади 20) находится отверстие для выпуска чугуна - чугунная летка. Нагретый воздух подводится к фурмам посредством кольцевого воздухопровода 5.

Полная высота современных доменных коксовых печей превышает 30 м. Суточная производительность крупных доменных коксовых печей составляет более 3000 т чугуна в сутки.

Внутренние части доменной печи выкладывают из огнеупорною шамотного кирпича. Для защиты верхней части кладки шахты от разрушения при ударах во время засыпки материалов служат стальные или чугунные сегменты, образующие защитное кольцо.

Кладку стенок доменной печи охлаждают водой, для чего применяют пустотелые холодильники - чугунные плиты - с залитыми в них стальными трубками, через которые протекает холодная вода. На одну тонну выплавленного чугуна расходуется на охлаждение отдельных частей доменной печи до 25 м3 воды.

Механизация и автоматизация процессов загрузки шихтовых материалов в доменную печь и устройство воздухонагревателей

В современных доменных печах загрузка материалов механизированна и автоматизирована, что значительно удешевляет эту операцию. Уровень шихты в доменной печи контролируется уровнемером и от него исходит команда на загрузку. При механизированной загрузке для приема материалов устанавливают бункеры 25, материалы подают к ним грейфером 28 мостового крана 29, обслуживающего рудный двор 30, разгружают железнодорожные вагоны с шахтовыми материалами (рудой, агломератом, известняком, коксом).

Для каждой из составляющих шихты отводят отдельный бункер. Из бункеров материал поступает на вагон-весы, а затем в скиповые вагонетки для подачи на колошник по наклонному (скиповому) подъемку 24. На рис.2 показано устройство доменного цеха, где хорошо видны шихтовой двор, бункерная эстакада и вагон-весы.

Рис. 2. Схема устройства доменного цеха: 1-коксовые башни; 2-бункерная эстакада; 3-машинное отделение с автоматической аппаратурой; 4-воздухонагреватели; 5-разливочная машина; 6-воздуходувное отделение; 7-блок газоочистителей; 8-доменная печь; 9-скиповая яма; 10-шихтовой двор

Засыпной аппарат (рис.3) должен равномерно загружать Шихтовые материалы в печь, предотвращая попадание в нее атмосферного воздуха и утечку доменного газа в атмосферу. Из скиповой тележки 2 (рис.13) шихту засыпают через неподвижную приемную воронку 3 в распределительную воронку 4, которая после каждой подачи поворачивается вместе с малым конусом 5 на 60°. Конус 5 опускается вниз, и материал засыпается на большой конус 7. После шести таких подач большой конус равномерно засыпан со всех сторон материалами и он автоматически опускается вниз, пропуская материалы в доменную печь.

Рис.3. Засыпной аппарат и приемная воронка: 1 - наклонный мост; 2 - скиповая тележка; 3 - приемная воронка; 4 - распределительная вращающаяся воронка; 5 - малый конус; 6 - электродвигатель и привод; 7 - большой конус; 8 - водяной затвор; 9 - кладка стенки доменной печи

В доменную печь в зависимости от расхода топлива необходимо подавать от 2 до 4 м3 воздуха на 1 кг выплавляемого чугуна, что при современной производительности доменных печей соответствует подаче 2000-3000 м3 воздуха в 1 мин при давлении 1,5 аmu. Воздух в доменную печь подают подогретый до 980ч1000°. Разрабатываются устройства по повышению на грева воздуха до 1200°.

Схема устройства воздухо-нагревателя показана на рис 4. Он состоит из железного кожуха 5 диаметром 6-8 м высотой от 25 до 40 м, склепанного или сваренного из толсты листов котельного железа, выложенного внутри огнеупорны кирпичом 4.

При прохождении воздух через раскаленную насадку и огнеупорных кирпичей он нагревается, но сама насадка дается, поэтому на каждой доменной печи устанавливают не менее трех воздухонагревателей, работающих поочередно. Основным параметром, регулирующим весь процесс работы воздухонагревателей, является температура нагретого воздуха. При достижении заданных температур дается команда исполнительным механизмам, работающим автоматически, для переключения воздухонагревателей.

Рис. 4. Воздухонагреватель для нагрева воздуха: 1 - газопровод, 2 - канал для сгорания газов; 3 - воздухопровод для горячего воздуха; 4 - огнеупорная кладка; 5 - кожух; 6-кирпичная насадка; 7-дымоход; 8 - канал для отвода продуктов сгорания; 9 - канал для холодного воздуха

Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи

В зависимости от того, через какую температурную зону доменной печи проходит загруженный материал, он претерпевает те или иные физико-химические процессы:

разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид,

восстановление железа и других элементов,

науглероживание железа,

плавление металла,

образование и плавление шлаков,

горение топлива и др.

Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции

С + О2 = СО2 + 97 650 кал.

Температура в фокусе горения кокса достигает 1800-1900°.

СО2, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции

СО2 + С > 2СО - 37 100 кал

и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции

2СО>СО2 + С + 37 100 кал

и образует сажистый углерод, который участвует в процессах восстановления и науглероживания железа.

Для снижения расхода кокса в доменных печах применяют природный газ. Для получения лучших технико-экономических показателей дутье, подаваемое в доменную печь, обогащают кислородом до 30 35%. Чем выше содержание кислорода в воздухе, тем больше кокса может быть заменено природным газом. Соотношение природного газа и кислорода, подаваемых в доменную печь, регулируется автоматически.

Процесс выделения гидратной воды бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450ч500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при более высоких температурах.

Углекислые соли, содержащиеся в рудах и флюсах, при нагреве разлагаются с поглощением значительного количества тепла. Поэтому считают более целесообразным флюсы добавлять к руде перед обжигом ее на агломерат.

Восстановление железа в доменной печи происходит за счет последовательного отщепления кислорода от окислов железа. Bосстановление железа из окиси Fe2О3 окисью углерода проходит следующие стадии:

3Fe2O3 + СО>2Fe3O4 + СO2 + 8870 кал;

2Fe3O4 + 2СО>6FeO + 2СO2 - 9980 кал;

6FeO + 6CO>6Fe + 6CO2 + 19500 кал.

Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды - ее естественных свойств и характера предварительной обработки; температуры, при которой идет восстановление; состава газа восстановителя.

При более высоких температурах в нижней части доменной печи железо из окислов может восстанавливаться углеродом (сажистым и коксом):

FeO + С>Fe + СО - 34 460 кал.

Восстановленное железо науглероживается по реакции

3Fe + 2СО > Fe3С + СО2.

Карбид железа Fe3C растворяется в железе.

При содержании в железе более 2% углерода полученные сплавы начинают плавиться при 1145° и называются чугунами. Обычно чугун в доменной печи науглероживается до эвтектического (4,3%) и даже заэвтектического состава (выше 4,3%).

Восстановление окислов марганца до закиси марганца происходит в зоне температур до 700°. Закись марганца восстанавливается углеродом при температуре 1100° и выше и идет с поглощением тепла по реакции

МnО + С>Мn + СО - 61 830 кал.

Восстановление кремния из кремнезема углеродом требует большого расхода тепла, высокой температуры:

SiO2 + 2C>Si + 2CO

Для восстановления марганца, кремния и других элементов - хрома, титана, никеля, ванадия - затрачивается дополнительное количество топлива, требуются специальные шлаки и форсированный режим плавки. Фосфор в доменной печи восстанавливается полностью. Реакции восстановления фосфора идут с поглощением большого количества тепла. Восстановившиеся Cr, Ni, V, Ti и другие элементы переходят в состав чугуна, что приводит к получению природно-легированных чугунов.

Сера в шихту доменной печи попадает с материалами - рудой, топливом и флюсами. В составе чугуна и стали она растворена в виде сульфида FeS и является вредной примесью. Поэтому при плавке стремятся связать ее с компонентами флюсов и перевести в шлак при помощи окиси кальция по реакции

FeS + СаО + С>Fe + CaS + CO.

Для более полного удаления серы необходимо применять более основные известковые шлаки и создавать более высокую температуру в горне.

Шлак в доменной печи образуется в результате сплавления пустой породы руды, золы топлива и добавляемых флюсов. При плавке в доменной печи на 1 кг выплавленного чугуна получается 0,5-0,7 кг шлака.

Продукты доменного производства и их использование

Продуктами доменного производства являются чугун, шлак и доменный газ.

Чугун выпускают из доменных печей от 4 до 6 раз в сутки через чугунную летку (5). Когда чугун выпущен, летку снова закрывают огнеупорной глиной. Для этого применяют специальное приспособление - пневматическую или паровую пушку.

Из доменной печи чугун через летку поступает по желобу в ковш, который помешен на специальной железнодорожной тележке 21. Жидкий чугун, находящийся в чугуновозных ковшах, может быть использован в жидком виде для производства стали или для отливки чугунных чушек на специальной разливочной машине 5 (рис.5).

Рис 5. Миксер для хранения жидкого чугуна: 1-катки для наклона металлоприёмника; 2-механизм для наклона; 3-ковш для сливания чугуна из доменной печи; 4-ковш для подачи чугуна к сталеплавильным печам

Для хранения чугуна в жидком виде его сливают в подогреваемые печи - миксеры (рис.5) емкостью до 1500 т жидкого чугуна. Чугун подается ковшом 3, миксер установлен на катках 1 и имеет механизм 2 для наклона и наполнения ковша 4 чугуном. При выдерживании чугуна в миксере содержание серы в нем уменьшается на 50-70%.

Чугуны, предназначенные для использования в твердом виде на других металлургических и машиностроительных заводах, заливают на разливочных машинах в металлические формы.

Машина состоит из бесконечной цепи, на которой укреплены металлические формы. С одной стороны машины в эти формы заливают жидкий чугун (рис 2.), а на другом конце образовавшиеся чушки чугуна грузят в вагона. В доменных печах выплавляют чугуны и доменные ферросплавы. Больше всего выплавляется передельных чугунов (содержащих 3,5 ч 4,2%С; 0,3 ч 1,5% Si; 1,5 ч 3,5%Mn; 0,03 ч 0,05%S), которые идут для производства стали и составляют 80-90%, затем литейных чугунов 8-17% и доменных ферросплавов 2 - 3%.

Для машиностроительной промышленности используются главным образом коксовые литейные чугуны (содержащие 3,5 ч 4,2%С; 1,5 ч 3,5%Si; 0,1 ч 0,5%Р; 0,5 ч 1,5%Мn; 0,03%S), в том числе и природно-легированные, содержащие Cr, Ni, Ti, V и другие элементы.

Кроме различных чугунов, в доменных печах выплавляются также ферросплавы: ферросилиций с 9ч13% Si; ферромарганец c 70 ч 80% Мn; зеркальные чугуны с 10 ч 25% Мn. Доменные роеплавы применяют при плавке стали и различных чугунов для фасонного литья.

На 1 кг сгоревшего кокса в доменной печи образуется около 3-4 м3 газа. Доменный газ при выходе из доменной печи содержит 8 - 50 г/м3 пыли, состоящей из пылевидной руды и истёртого в порошок топлива и флюсов.

Доменные газы для промышленного использования подвергаются очистке: грубой - в сухих очистителях 1, устанавливаемых около доменной печи (рис.11); полутонкой - в специальных мокрых газоочистителях до содержании пыли 0,3-0,5 г/м3 или тонкой до содержания пыли 0,02 г/м3. Последнюю применяют при пользовании газа в двигателях внутреннего сгорания. Блок очистителей 7 показан на рис.12.

Доменные шлаки выпускают в шлаковозные ковши (рис.2) и перевозят для грануляции к специальным установкам, где водой или паром шлак раздробляют до размеров гравия.

Шлаки используют для производства цементов, шлаковых кирпичей, гравия и шлаковой ваты.

3. Методы прямого восстановления железа из руд

3.1 Восстановление железа из руд

Прямое восстановление железа из руд имеет ряд преимуществ перед доменным процессом: пустая порода не плавится, примеси не восстанавливаются, и железо получается чистым, расход топлива уменьшается, возникает возможность использовать дешевые сорта топлива, процессы протекают при невысоких температурах (700-900°).

Для осуществления этого процесса необходимо железную руду размолоть на дробилке и шаровой мельнице и обжечь в печи при 800-850°. После обжига руду подают в цилиндрическую вращающуюся печь или вертикальную многоподовую скребковую печь, где ее восстанавливают газами СО, Н2 и СН4 или твердым углеродом при температуре 700-900°. Восстановленное железо спекается, образуя так называемое губчатое железо. Для выделения железа полученный продукт размалывается и подвергается магнитной сепарации.

Рис.6. Схема устройства печи для обжига руд в кипящем слое

Полученный порошок железа используется в порошковой металлургии и сталеплавильном производстве. В последнее время проводятся работы по обжигу и восстановлению железных руд в кипящем слое. Для этой цели применяют специальные установки - реакторы или печи (рис.6).

Полученные в этих реакторах полупродукты - обожженная руда и восстановленное железо - могут использоваться в доменных печах и других плавильных печах для переплавки в слитки.

Для получения технических железных сплавов; из которых изготавливаются различные машины и конструкционные сооружения, необходимо из руды извлечь железо или его сплавы с другими элементами.

Железо из руд получают двумя способами:

прямым восстановлением без плавления и методом восстановления железа коксом с последующим его науглероживанием, расплавлением и образованием чугуна или ферросплава.

второй метод лежит в основе доменного производства.

Чугун в настоящее время используют для изготовления различных фасонных машиностроительных деталей и для производства стали. Доменные ферросплавы используют при производстве чугунных отливок, сталей и специальных сплавов.

Технология производства чугуна в доменных печах непрерывно совершенствуется и развивается. Сооружаются крупные доменные печи, широко внедряется автоматизация процессов доменного производства, широко используются форсированные методы ведения плавки: повышенный нагрев дутья, кислородное дутье, частичная замена кокса природным и коксовым газом и жидким топливом, обогащение и агломерация руд, повышенное давление под колошником и пр. Все эти мероприятия дают возможность значительно увеличить выпуск чугуна.

Для обеспечения доменных цехов материалами построены крупнейшие вспомогательные предприятия для добычи и подготовки исходных материалов для плавки в доменных печах.

Материалы для доменного производства чугуна

Исходные материалы для доменного производства и их подготовка к плавке

В различных железных рудах железо находится в виде безводной окиси железа Fe2O3 (красный железняк), водной окиси железа Fe2О3·n Н2O (бурый железняк), окиси-закиси Fe3О4 (магнитный железняк) или углекислого железа FeCО3 (шпатовый железняк). Кроме того, руда содержит пустую породу, в состав которой входят глинозем, углекислый кальций, углекислый магний, кремнезем и др.

В доменном производстве, кроме руды, используют различные отходы промышленности, содержащие железо и марганец - шлак, окалина, колошниковая пыль, окисленная стружка. В доменных печах применяют марганцовые руды при выплавке передельных чугунов и доменных ферросплавов. Марганец в рудах присутствует в виде перекиси марганца МnO2, окиси марганца Мn2O3 и марганцевого шпата МnСО3. Руда для доменного процесса должна иметь определенные химический состав и размер кусков.

Слишком большие куски медленно восстанавливаются, проходят в область высоких температур, расплавляются и переходят в шлак без восстановления.

Мелкая, пылевидная руда также нежелательна, она уносится я колошниковыми газами, закрывает поры для прохождения газов в кусковых материалах, понижает производительность печи и увеличивает расход топлива.

Поэтому основная масса руды перед плавкой проходит предварительную обработку, ее размельчают на щековых дробилках на куски размером 30-100 мм в поперечнике. Более мелкие фракции размалывают на дробильных валиках и шаровых мельницах, потом просеивают на ситах и брикетируют или спекают.

Для повышения процентного содержания железа в рудах применяют различные способы обогащения: обжиг руд, мокрое или магнитное обогащение. Пылевидную руду или мелкие концентраты необходимо подвергать агломерации. Для этого их смешивают с нидным топливом, увлажняют и засыпают на транспортерную ленту в открытые ящики. Смесь в ящиках зажигается газовой горелкой и за счет тепла, выделяющегося от горения топлива, смесь при 1000-1100° спекается и образует агломерат.

Агломерат лучше восстанавливается, чем сырая руда, меньше содержит пустой породы и вредных примесей. Кроме того, при спекании в него вводят необходимые флюсы и таким образом получают самофлюсующийся агломерат, что позволяет сократить и полностью устранить добавку в доменную печь сырых флюсов. В настоящее время доля агломерата в шихте составляет около 70% и будет доведена до 90%.

Топливо в металлургии играет важную роль. При сгорании милива выделяется тепло, которое нагревает металлы и другие материалы; кроме того, часть топлива идет на химические процессы.

Топливо используется в трех видах: жидком, газообразном и твердом. Горючая часть топлива представляет собой сложную смесь разнообразных органических соединений, состоящих из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. К негорючим частям топлива относятся влага и зола, которая состоит из окислов А12О3; SiО2; CaO; FeO; Fe. O, и др.

Жидкое топливо получают в виде различных производных продуктов при перегонке нефти (мазута) и при возгонке твердого топлива (в виде смол). Теплотворная способность топлива - 9500ч10 000 ккал/к г.

В качестве газообразного топлива применяют различные газы. Естественный газ содержит до 90% метана. Теплотворная способность его выше 8000 ккал/м3. Газ, получаемый при переработке каменного угля в кокс, обладает теплотворной способностью в 3500ч4500 ккал/м3. Доменный газ имеет теплотворную способность 850ч1000 ккал/м3.

Светильный газ получают путем сухой перегонки каменного угля, может иметь теплотворную способность до 5000 ккал/м3. Генераторный газ получают в особых аппаратах-газогенераторах - при неполном сжигании топлива. Теплотворная способность его от 1200 до 1400 ккал/м3. В промышленности также пользуются газом от подземной газификации каменных углей.

Твердое топливо употребляют в нескольких видах: дрова, торф, каменный уголь, антрацит и кокс. Теплотворная способность воздушно-сухих дров 2500-3000 ккал/к г.

Теплотворная способность торфа колеблется в пределах от 1500 до 3500 ккал/кг, бурого каменного угля - 2500ч5000 ккал/кг, каменного угля и антрацита - 4500 ч 8500 ккал/к г. Естественное твердое топливо не обладает необходимыми качествами для непосредственного его применения в доменном производстве. Куски топлива для доменного производства должны иметь определенные размеры, большую теплотворную способность, минимальное содержание золы, малое содержание летучих веществ, быть достаточно прочными, минимально истираться, содержать минимальное количество вредных примесей, не должны растрескиваться при высоких температурах.

Рис.7. Схема устройства коксовальных печей:

1 - машина для выталкивания кокса; 2 - канал для отвода коксовального газа; 3 - загрузочные тележки; 4 - распределительная башня; 5 - тушильная башня; 6 - отделение для дробления и смешивания угля; 7 - приемный бункер для сырого топлива; 8 - платформа для готового кокса; 9 - тушильный вагон; 10 - готовый кокс

Этим требованиям удовлетворяет подвергнутый тепловой обработке каменный уголь - кокс. Кокс получают из естественных каменных коксующихся углей путем сухой перегонки их без доступа воздуха. Угольные смеси загружают в специальные коксовальные печи (рис.10) с помощью загрузочных тележек 3, затем герметически закрывают и нагревают до 1000ч1100°. Выделяющиеся коксовальный газ и летучие вещества улавливают и используют в химической промышленности для производства ценных продуктов. Продолжительность коксования 13 - 18 час.

Общее расположение батареи коксовальных печей и соответствующее оборудование к ним показаны на рис.10. Для лучшего отекания химических реакций в доменной печи металлургический кокс должен обладать достаточной пористостью.

Применение природных газов в доменных печах дало возможность снизить расход кокса на 10ч18% и увеличить произвольность печи на 3ч8%. Флюсами называются материалы, способствующие сплавлению пустой породы и золы топлива. Продукты сплавления называются шлаками. Большинство руд при их переработке для получения шлака с нужными для процесса свойствами требует добавки флюсов, количество и качество которых для каждого случая определяют расчётом в зависимости от исходных материалов. Чаще всего применяют основной флюс - известняк.

На 1 кг выплавляемого чугуна расходуется до 2 кг необогащённой руды и 0,6ч0,8 кг кокса. Расход флюсов на 1 кг выплавляемого чугуна зависит от состава руды, топлива и от характера их подготовки к плавке и колеблется от 0,2 до 0,5 к г.

4. Пути интенсификации и совершенствования управления доменным производством

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 Vпол (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.

4.1 Нагрев дутья

Впервые нагретое дутье в доменном производстве применили в 1829 г. Несмотря на сравнительно невысокий нагрев дутья (150 С), 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 - 400 С) на коксовых доменных печах позволило уменьшить относительный расход кокса на 25 - 35 %. В настоящее время дутье нагревают до 1100 - 1200 С и выше.

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

4.2 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.

4.3 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.