 |
Материалы, применяемые в доменном производстве
|
|
|
|
Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода.
Кроме углерода в нем всегда присутствуют: Si, Mn, P, S. Чугун является основным исходным материалом для производства стали (80-85%). Чугун получают в доменных печах из руд, путем восстановления железа и насыщения его углеродом и другими исходными элементами. Основными исходными материалами для производства чугуна в доменной печи являются:
1.Железные руды – исходный материал для выплавки чугуна, содержат железо в виде окислов: магнитный железняк (FeO – 60% Fe), красный железняк (FeO – 55% Fe), бурый железняк (2Fe 2O3 x 3H2O- 40% Fe), железные комплексные руды содержат полезные примеси других металлов и используются для выплавки железомарганцевых чугунов (20% Mn), хромоникелевых (45% Fe, 2% Cr, 1%Ni).
Марганцевая руда содержит марганец в виде MnO, Mn2O, ее добавляют до 2-3% в шихту доменных печей, а также используют для выплавки ферромарганца.
Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глины и содержит тугоплавкие окислы Al2 О3, CaO, MgO, т.е. температура плавления составляет более 2000 градусов Цельсия.
2.Топливо в доменной печи служит не только источником тепла и необходимой высокой температуры, но и реагентом, обеспечивающим восстановление железа из его окислов. Таким топливом является кокс. Также в качестве продувки применяют природный газ.
3.Флюсы необходимы для удаления из печи тугоплавкой пустой породы и золы топлива. Так как чаще всего пустая порода имеет кислотный характер, в качестве флюсов обычно применяют основные материалы: известняк СaCO3 и доломит MgCO3. Кроме того флюс должен обеспечить получение шлака с необходимыми химическим составом и физическими свойствами (температура плавления меньше 1300 градусов Цельсия).
|
|
|
4. Воздух – для обеспечения горения топлива и получения высоких температур нагревают до 980-1200 градусов Цельсия. Часто воздух обогащают кислородом до 32%, который обуславливает повышение температур и резко ускоряет ход плавки.
Подготовка руды к плавке
Исходная руда
↓
Дробление и сортировка по крупности.
↓
Обогащение руды
(магнитная сепарация, флотация) хвосты менее 2% Fe
↓
КОНЦЕНТРАТ более 60% Fe
↓
Окускование.
АГЛОМЕРАЦИЯ ОКАТЫВАНИЕ
(спекание при Т=1300 С (концентрат + флюсы + топливо,
мелкого, пылевидного увлажняют и гранулируют,
концентрата и руды). высушивают и отжигают
при Т=1350 С).
↓ ↓
АГЛОМЕРАТ ОКАТЫШИ
↓↓
Загрузка в доменную печь.
Подготовка железной руды является эффективным направлением совершенствования доменного производства и дает возможность использовать более бедные руды.
1. Дробление обеспечивает нужную степень измельчения руды. Для плавки в доменной печи размер кусков руды должен составлять 10-80 мм.
Сортировку руды по классам крупности проводят механическим способом.
2.Обогащению подвергают около 80% всей руды. Это связано с использованием бедных руд. Проводят магнитную сепарацию, гравитационное разделение руды и пустой породы и флотацию.
3. Агломерация – окускование мелкого железорудного сырья путем спекания.
4. Окатывание – ввод в руду флюсов, топлива и дробление на определенные фракции.
Устройство доменной печи
Доменная печь представляет собой вертикальную плавильную печь шахтного типа. Свое название доменные печи получили от ранее применявшихся в России (VIII–IX век) шахтных печей, которые назывались домницами. Доменная печь снаружи заключена в стальной кожух, а внутри футерована огнеупорным кирпичом (шамотным).
Толщина шамотной кладки в шахте до 700 мм, заплечиках до 350 мм. Нижнюю часть горна выкладывают из графитизированных блоков с толщиной стенок до 1500 мм. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают металлические водяные холодильники (3\4 высоты печи). В верхней части печи имеется загрузочное устройство, сделанное так, что доменные газы не выходят в воздух, а используются для нагрева воздуха, подаваемого через фурмы в печь. Фурменное устройство находится в нижней части печи. Через него вдувают в печь нагретый и обогащенный кислородом воздух, иногда газообразное или жидкое топливо. Чугун и шлак непрерывно стекают вниз и периодически выпускаются: чугун – через 4 часа, через чугунную летку, расположенную выше лещади на 500 – 1000 мм; шлак – через 2 часа, через шлаковую летку, расположенную выше чугунной на 1500 – 2000 мм. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000 – 3000 м3, полезная высота 30 м и более, диаметр в 2,5 – 3 раза меньше высоты. Производительность печей достигает 5000 тонн чугуна/сутки. Доменная печь работает непрерывно 5-10 лет. Процесс плавки непрерывен, а загрузка шихты периодическая. Печь работает по принципу противотока: шихта подается сверху, а снизу продувается воздухом.
|
|
|
Рис.2.1. Разрез доменной печи:
1 – засыпной аппарат, 2 – газоотводы, 3 - защитные щиты, 4 – огнеупорная кладка, 5 – стальной кожух, 6 – кольцевые площадки, 7 – холодильники шихты, 8 – опорное кольцо, 9 – кольцевой воздухопровод, 10 – фурменный рукав, 11 – рабочая площадка, 12 – колонна, 13 – летка для чугуна, 14 – холодильники, 15 – летка для шлака, 16 – ось чугунной летки.
Главные задачи доменной печи:
1. Восстановление железа из окислов руд.
2. Науглераживание железа.
3. Удаление расплава в виде жидкого чугуна определенного химического состава.
4. Оплавление пустой породы – образование шлака.
5. Растворение в шлаке золы и вредных примесей.
6. Удаление шлака.
Доменный процесс
Горение топлива.
В районе воздушных фурм кокс взаимодействует с кислородом воздушного дутья и сгорает с большим выделением тепла
С + О2 = СО2 + Q
В результате этого в домне устанавливается Т=1800-20000С.
Углекислый газ СО2 взаимодействует с углеродом кокса и восстанавливается до окиси углерода.
СО2 + С = 2СО
В результате горения кокса в доменной печи устанавливается высокая температура и образуются газы СО2, СО, Н2 и т.д. Водород появляется за счет взаимодействия воды с углеродом раскаленного кокса
|
|
|
Н2О + С = СО + Н2
СО – играет главную роль при восстановлении металла из его окислов.
Восстановление железа п роисходит последовательно от высших окислов к низшим. Процесс последовательный, по принципу А.А.Байкова.
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
Восстановление Fe из FeO осуществляется двумя путями:
СО – косвенное (не прямое) восстановление.
Твердым углеродом С - прямое восстановление.
Кроме этого Н2 также восстанавливает Fe. Таким путем восстанавливается 60-80% всего железа шихты.
Процесс идет при температуре выше 950 – 10000С.
Науглераживание железа. При температуре порядка 10000 С происходит образование цементита.
3Fe + 2CO → Fe 3C + CO2
По диаграмме Fe – Fe3C, при высоких температурах Fe хорошо растворяет цементит, а с увеличением углерода в сплаве понижается температура его плавления и достигает min 11470С при С = 4,3%.
Таким образом, появляется жидкий сплав, т.е. чугун, который стекает из зоны распара. Сплав еще более науглераживается и растворяет кроме этого, марганец, кремний, серу, фосфор и т.д.
Конечный состав чугуна устанавливается в горне.
Восстановление других элементов. Марганец - постоянная примесь в железной руде. Восстановление его идет с помощью СО и С по схеме:
MnO2 → Mn2O3 → Mn4O3 → MnO
MnO + C = Mn + CO
Процесс идет при Т≥1100С. Mn – растворяется в железе.
Кремний – находится в пустой породе в золе кокса в виде кремнезема.
Восстановление идет по схеме:
SiO2 + 2C – Si + 2CO
Процесс идет при Т≥14500С. Si растворяется в железе.
Фосфор – вредная примесь железных руд, находится в виде Р2О5 . 3СаО, т.к. фосфор не летуч и хорошо растворяется в Fe то он весь переходит в чугун.
Сера - вредная примесь, содержится в руде и коксе, в виде сульфидов FeS, Fe2S. В соединениях СО2 и Н2 образует летучие соединения, порядка 10-20%S удаляется из домны, остальная часть ее растворяется железом и образует FeS.
В условиях доменной плавки основным способом десульфурации (очищение от серы) является применение флюса CaO, т.к.
|
|
|
FeS + CaO = FeO + CaS
Сульфат кальция CaS – нерастворим в чугуне и выводится в шлак.
Шлакообразование – происходит в распаре домны. При Т=12000 С образуется первичный шлак в результате сплавления пустой породы, состоящей из CaO, SiO2, Al2O3. Температура плавления такого шлака ~ 1150С. Далее в шлаке растворяются FeS, MnS, CaS зола и при выплавке передельного, литейного и других чугунов добиваются получения шлака определенного состава. Изменение состава шлака осуществляется путем введения флюса.
|
|
|
