Устройство доменной печи. Доменный процесс.

Доменные печи являются крупнейшими современными шахтными печами. Большинство действующих доменных печей имеет по­лезный объем 1300…2300 м³, — занятый загруженными в нее мате­риалами и продуктами плавки. Эти печи имеют высоту примерно 30м и дают в сутки по 2000 т чугуна.

 

Рис.4.3. Схема доменной печи

 

В процессе доменной плавки в верхнюю часть печи (рис. 4.3.), называе­мой колошником, раздельно загружают окатыши, агломерат, кокс и флюсы. В шахте печи эти продук­ты располагаются поэтому слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое происходит благодаря вдуваемому в нижнюю часть печи, на­зываемую горном, горяче­му воздуху, в печи идут сложные физико- химические процессы и шихта постепенно опускается вниз навстречу горячим газам, поднимающимся вверх и выходящим через отверстие 4. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в горне образуются два несмешивающихся жидких слоя — чугун и шлак.

Материалы подаются к печи двумя скиповыми подъемниками с оп­рокидывающимися ковшами вместимостью по 17м³, доставляющими агломерат, кокс и другие добавки к засыпному устройству 5 на высоту 50м. Засыпное устройство доменной печи состоит из двух поочередно опускающихся конусов. Для равномерного распределения материа­лов на колошнике печи малый конус с цилиндром после каждой за­сыпки поворачивается на заданный угол (обычно 60°).

В верхней части горна располагаются фурменные отверстия 3 (16…20 шт.), через которые в печь из воздухопровода 6 подается обогащенный кислородом горячий воздух (900…1200°С) под давлением 300 кПа.

Жидкий чугун выпускается каждые 2…3 ч поочередно через две или три летки 2, которые для этого вскрывают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и некоторую часть шлака, находящегося над ним в печи. Чугун направляется по желобам в чугуновозные ковши, расположенные.на же­лезнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, отде­ляется от чугуна в желобах с помощью перекрывающих затворов и направляется в шлаковозы 9.

Кроме того, значительную часть шлака обычно выпускают из доменной печи, до выпуска чугуна, через шла­ковую летку 7. После выпуска чугуна и шлака летку забивают проб­кой из огнеупорной глины с помощью пневматической или электро­магнитной пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части печи делают из прессованных углеродистых блоков. Толщина боковых стенок печи в отдельных местах превышает 1,5м, а лещади 5 …4м. Печь полезным объемом 2700м³ имеет высоту 80м и весит с механизмами около 200 тыс. тонн. Печь работает непрерывно в течение 4…8 лет.

Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, очень сложны и многообразны. Советские ученые А. А. Байков, М. А. Пав­лов и многие другие глубоко занимались их изучением и создали ка­питальные труды по этим вопросам.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы: горение углерода топлива; разложение компонен­тов шихты; восстановление окислов; науглероживание железа; шлакообразование. Эти процессы проходят в печи одновременно, перепле­таясь друг с другом, но с разной интенсивностью на разных уровнях печи.

Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до 900…1200°С кислородом воздуха, поступающим через фурмы.

Образовавшийся при этом углекислый газ вместе с азотом воз­духа поднимается вверх и, встречаясь с раскаленным коксом, взаимо­действует с ним по реакции

СО₂ + С_тв ↔ 2СО

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево при понижении. Иногда в фурмы вводят еще природный газ или пар, который, встречаясь с раскален­ным коксом, окисляет его при высоких температурах

Н₂О_пар + С_тв = СО+ Н₂

Разложение компонентов шихты протекает различно — в зависи­мости от ее состава. Например, при работе на буром железняке раз­рушаются гидраты окиси железа и окиси алюминия и разлагается из­вестняк по реакции

СаСОз ↔ СаО + СО₂

и идут некоторые другие процессы.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главной целью доменного процесса является восстановление железа из его окислов. Согласно теории акад. А. А. Байкова восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме:

Fе₂О₃ → Fе₃О₄ → FеО → Fе

Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода

ЗFе₂О₃ + СО = 2Fе₃О₄ + СО₂ + Q

Эта реакция протекает с выделением теплоты и практически необра­тима. Для ее реализации достаточна очень низкая концентрация CО в газовой фазе.

Для развития эндотермической реакции Fе₃О₄ → FеО необходимы температура не ниже 570°С и значительный избыток СО в газах:

Fе₃O₄ + СО ↔ ЗFеО + СО₂ − Q

Затем происходит образование твердой железной губки

FеО + СО ↔ Fе_тв + СО₂ + Q

Развитие реакции вправо требует еще более высокой температуры и высокой концентрации СО в газовой фазе. Но как показывают иссле­дования, в пространстве печи для этого есть необходимые условия, так как при температуре выше 950°С в газовой фазе присутствует только СО (СО₂ не образуется).

Наряду с СО в процессах восстановления железа из окислов значительную роль играет и твердый углерод

FеО + С_тв = Fе_тв + СО

Это взаимодействие происходит при непосредственном контакте руды с восстановителем во время перемещения руды в печи, а также в горячей зоне печи за счет соприкосновения кусков кокса с жидкими шлаками, содержащими избыток FеО. Некоторые ученые рассматривают прямое восстановление железа углеродом как взаимодействие двух реакций:

FеО + СО = Fе + СО2; СО₂ + С ↔ 2СО

Начало и скорость этих реакций в доменной печи зависит от физического состояния руды, состава газов, их давления и ряда других факторов. Аналогично идет и восстановление окислов железа водородом, но поскольку его немного в газовой фазе, роль его в доменном процессе не является первостепенной.

Восстановление окислов марганца происходит также ступенчато и главным образом за счет СО

МnО₂→ Мn₂О₃→Мn₃О→МnО

Последний этап восстановления происходит почти исключительно за счет твердого углерода.

МnО_тв + С_тв = Мn_тв + СО − Q

Эта реакция требует в два раза больше теплоты, чем восстановление железа, а поэтому повышенного расхода топлива, т. е. горячего хода печи.

Восстановление кремния происходит преимущественно твердым углеродом. Некоторые считают возможным образование силицида железа по реакции

 

SiO₂ + 2С + Fе = FеSi + 2СО − Q

Образовавшийся FеSi растворяется в чугуне. Это требует еще более высокой температуры и тугоплавких шлаков. Фосфор вносится в доменную печь с рудой в виде минералов ЗСаО • Р₂О₅, и ЗFеО • Р₂О₅^. • 8Н₂О. При высокой температуре в присутствии углерода эти соединения восстанавливаются:

2 (ЗСаО • P₂О₅) + 3SiO₂ + 10С = 3 (2СаО • SiO₂) + 10СО + 4Р – Q а так как SiO2 почти всегда есть в руде, эта реакция идет практически до конца. Фосфор взаимодействует с железом и образующийся фосфид железа (Fе₃Р) переходит в чугун.

Сера находится в руде и коксе в виде пирита и других устойчивых сульфидов. При агломерации или в доменной печи пирит разлагается: FеS₂ → FеS + S; образовавшаяся сера частично окисляется и удаляется с газами в виде SО₂, а FеS растворяется в чугуне. Некоторое количество серы можно удалить образованием растворимого в шлаке и не растворимого в чугуне сульфида кальция при наличии извести:

[FеS] + (СаО) ↔ FеО + (СаS)

Реакция идет в правую сторону с увеличением основности шлака (больше СаО) и понижения в нем содержания закиси железа.

Науглероживание железа происходит следующим образом. Образо­вавшееся в результате восстановительного процесса твердое губчатое железо, соприкасаясь с печными газами, содержащими значительное количество СО, взаимодействует с ним по реакции

ЗFе + 2СО = Fе₃С + СО₂

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию капель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окислов железа. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в шихту, чтобы обеспечить достаточ­ную жидкотекучесть шлака при температуре 1400…1450°С. При слиш­ком легкоплавком шлаке не успевает восстановиться значительная часть окислов железа, которая выносится со шлаком из зоны восста­новления. При слишком тугоплавком шлаке на стенках печи образу­ются большие настыли и доменный процесс осложняется. Состав шлака зависит от состава пустой породы руды, а также от того, получают ли в доменной печи передельный чугун, литейный чугун или ферро­сплавы. Основными составляющими доменного шлака являются крем­незем (от 30 до 45 %), окись кальция (40…50 %), глинозем (10…25 %).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы стали ши­роко использовать в промышленности. На большинстве наших заводов их гранулируют, выливая расплавленный шлак из шлаковозных ковшей в бассейны. Полученные шлаковые гранулы перерабатывают в цемент и другие строительные материалы (шлаковую вату для теп­лоизоляции, шлаковые блоки и др.).

Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. С ними вместе из современных печей выносится огромное количество пыли (~50 кг на 1 т чугуна). Газ состоит из 26 …32 % окиси углерода, 9…14 % двуокиси углерода и 54…58% азота. Теплота сгорания такого газа ~4000 кДж/м³, поэтому он широко ис­пользуется после очистки от пыли как топливо для подогрева воздуха, идущего в доменные печи, а также в других печах металлургических заводов.

Важнейшим продуктом доменной плавки является чугун — сплав железа с углеродом (содержание углерода > 2,14 %).

В доменных печах выплавляют, главным образом, передельные чугуны, предназначенные для переработки в сталь. Различают марте­новские чугуны (М), содержащие 3,5…4,5 % углерода, 0,15… 0,3 % фосфора, сотые доли процента серы; фосфористые чугуны (МФ), содержащие 0,32…0,35 % серы, 1…2 % фосфора, и вы­сококачественные чугуны (ПВК), содержащие до 4 % углерода, не более 0,05 % фосфора и не более 0,025 % серы. В значительных количествах в доменных печах выплавляют и литейные коксовые чугуны (ЛК), содержащие 3,5…4,6 % углерода и 0,81…3,6 % кремния. Эти чугуны выпускаются семи марок (ЛК 1... ЛК 7), причем чем выше номер марки, тем больше в чугуне углерода и меньше кремния. Кроме того, литейный чугун каждой марки по содержанию в нём марганца может быть отнесен к одной из трех групп, с максимальным содержанием его в третьей группе (1,5 %); по содержанию серы — к одной из пяти категорий, с минимальным со­держанием ее в первой категории (0,02 %) и максимальным в пятой (0,06 %); а по содержа­нию фосфора — к одному из пяти классов фосфора с его содержанием в классе А не более 0,08 %, с постепенным увеличением к классу Д — до 1,2 %. В отдельных доменных печах в небольших количествах выплавляют ферро­марганец (ФМц), содержащий 75…85 % марганца и 0,5…7,0 % углерода, ферроси­лиций (ФС), содержащий до 18 % кремния, и зеркальный чугун, содержащий 10…25 % марганца и около 2 % кремния.

Для производства чугуна кроме доменных печей применяют различное вспомогательное оборудование. Наибольшее значение среди них имеют воздухонагреватели, где кислород нагревается до температуры 900…1200°С. Кожух воздухонагревателя сваривается из листовой стали толщиной 10…14мм. Стены его выложены в несколько слоев различными огнеупорными материалами. Внутреннее пространство разделено на две части: полую камеру горения и насадочное пространство, заполненное решетчатой огнеупорной кладкой со сквозными вертикальными каналами.

Очищенный доменный газ смешивают в горелке с воздухом и на­правляют пламя в вертикальную камеру горения. Горячие продукты горения, изменив направление под куполом, опускаются сквозь на­садку вниз, нагревая ее. Остывшие газы выпускают через нижнюю часть воздухонагревателя в дымовую трубу. После нагрева купола до 1200—1400°С подачу колошникового газа прекращают и в возду­хонагреватель снизу вверх пропускают воздушно-кислородное дутье, которое нагревается, проходя через горячую насадку. В это время идет нагрев насадки соседних воздухонагревателей. После охлажде­ния насадки первого воздухонагревателя нагрев дутья переносят в соседний, а первый снова переключают «на газ» (на нагрев).

Выпускаемый из доменной печи шлак по желобам поступает в ли­тые стальные шлаковые ковши, а чугун — в чугуновозные ковши вместимостью 80…100 т, футерованные шамотным кирпичом; их уста­навливают на железнодорожных платформах. Передельный чугун перевозят в этих ковшах в сталеплавильный цех и заливают в миксер — цилиндрическое хранилище жидкого чугуна, вмещающее иногда до 2000 т металла. Миксер выложен шамотным кирпичом; он может наклоняться, а в случае необходимости и обогреваться газо­выми форсунками.

Литейный чугун отвозят к разливочной машине, где его разливают в изложницы, закрепленные на непрерывно движущемся наклонном конвейере. Чтобы ускорить охлаждение чугуна, изложницы после затвердевания в них чугуна орошают холодной водой, и затем при повороте конвейера пятидесятикилограммовые чушки выпадают из изложниц на железнодорожные платформы

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Каково устройство доменной печи?

2. Какие виды продукции получаем при доменной плавке?

3. В чём суть химических процессов, происходящих в доменной печи?

 

Задание:

Составить план ответа по теме «Устройство доменной печи. Доменный процесс»

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

 

До середины девятнадцатого века для получения стали использовали тигельную плавку, пудлингование и другие методы, которые хотя и обеспечивали получение стали достаточно высокого качества, но были очень трудоемки и малопроизводительны. Эти методы были вытеснены конвертерным и мартеновским способами получения стали, получившими развитие в 60-х годах девятнадцатого столетия

В XX в. начали широко применять также электрометаллургические способы получения стали, позволяющие выпускать наиболее сложные по составу и высоколегированные стали.