Сырьевые материалы доменной плавки

 

    В качестве шихтовых материалов доменной плавки используются кокс, агломерат, окатыши, руда, известняк.

Шихтовые материалы загружаются в доменную печь в кусках размером 40—60 мм. При использовании крупных кусков длительность протекания процессов восстановления и офлюсования увеличивается. Мелкие куски забивают проходы для газов и нарушают равномерное опускание материалов в доменной печи. Куски кокса, агломерата должны быть прочными, хорошо сопротивляться истиранию. Под действием веса столба шихты в шахте доменной печи непрочные материалы превращаются в мелочь и пыль, которые засоряют проходы между крупными кусками, ухудшая газопроницаемость столба шихты. Кокс и агломерат должны иметь достаточную пористость — это ускоряет сгорание топлива и восстановление оксидов железа. В шихтовых материалах должно быть минимальным содержание вредных примесей: фосфора, серы, мышьяка, свинца и др., которые переходят в состав чугуна, а из чугуна при его переработке — в сталь. Эти примеси отрицательно влияют на свойства готового металла.

      Также все шихтовые материалы должны иметь однородный химический состав, например постоянное содержание железа в агломерате, золы в коксе, извести в известняке и т. д. Колебания химического состава нарушают нормальный ход доменной печи, приводят к повышенному удельному расходу материалов. При прочих равных условиях производительность доменной печи повышается при повышении содержания железа в сырье.

На комбинат поступают: для спекания в агломерационном цехе - концентрат ССГПО, лисаковский гравитационно-магнитный концентрат (ЛГМК), магнетито-гематитовые железные руды месторождений Казахстана (Атасу, Кентобе, Атансор), марганцевые и железомарганцевые руды Жайремского ГОКа, отходы металлургического производства, флюсы, твердое топливо; для доменного цеха - окатыши ССГПО.

Все материалы, поступающие на аглопроизводство, должны по качеству соответствовать действующей нормативной документации. Химический состав сырья приведен в приложении Б.

Качество агломерата должно удовлетворять требованиям действующих ЗТУ/КарМК 195-88, которые предусматривают распределение агломерата по трем категориям качества: высшей, первой и второй.

Агломерат высшей категории качества обеспечивает высокие технико-экономические показатели работы доменного и конвертерного цехов и должен иметь:

- химический состав с отклонениями от заданного (базового) содержания не более: по железу - от минус 0,5 до плюс 0,5, закиси марганца - от минус 0,2 до плюс 0,2, оксида магния - от минус 0,2 до плюс 0,4%, основности (отношение CaO/SiO2) - от минус 0,05 до плюс 0,05 ед.;

- минимальное содержание серы;

- оптимальное содержание закиси железа с колебаниями не более от минус 1,5 до плюс 1,5%;

- однородный гранулометрический состав с содержанием мелочи (фракция менее 5 мм) на ПУ-12 не более 16,0%.

Агломерат стабильного химического состава должен иметь среднеквадратическое отклонение (СКО):

по содержанию железа - не более 0,350%;

по основности - не более 0,035 ед.;

обобщенный показатель качества - не более 0,40 ед.

Атасуйский железорудный район включает в себя месторождения Западный Каражал и Большой Ктай, руды имеют сложный и переменный минералогический состав из сростков, в основном гематита и частично магнетита.

Руда шахты "Западный Каражал" поставляется крупностью до 60 мм, имеет содержание железа от 44,0 до 47,0%, повышенное - оксида кальция (до 6%), закиси марганца - до 1,3 % и потерь при спекании (ППС) - до 9 %. Вредной примесью является сера, доля которой настоящее время составляет от 0,4 до 0,6 %. Несмотря на низкое содержание железа, наличие в руде оксида кальция и закиси марганца повышает ценность шахтной руды.

Китайская (карьерная) железная руда по сравнению с шахтной имеет значительно худший химический состав. Несмотря на сравнительно одинаковое содержание железа в обеих рудах, состав пустой породы китайской руды в основном представлен кремнеземом, доля которого составляет от 19 до 20%, содержание основных окислов (CaO и MgO) в сумме составляет не более0,6%, закись марганца и сера находятся на уровне 0,150%. Сера представлена в основном в виде сульфата бария, трудно удаляемого при обычном режиме агломерации.

Руды месторождения Кентобе - Тогай представлены в основном первичными магнетитами. Содержание железа по месторождению изменяется от 40 до 62%, в настоящее время заканчиваются богатые участки с содержанием железа в товарной руде от 53 до 55%. Поэтому в дальнейшем планируется бедную по содержанию железа руду обогащать методом сухой магнитной сепарации с получением продукта с содержанием железа не менее 54%.

В руде присутствует большое количество серы в виде хорошо выгораемых при агломерации соединений - сульфидов железа: пирита (FeS2) и пирротина (FeS). Общее содержание серы в руде Кентобе от 1,5 до 4,5%.

Содержание железа в Жайремской железомарганцевой руде изменяется от 45 до 51%, закиси марганца - от 8 до 10%. Состав пустой породы в основном представлен кремнеземом (до 15%). Содержание вредных примесей фосфора и серы в руде - менее 0,1%. На комбинат руда поставляется крупностью менее 60 мм.

В зимний период работы на аглопроизводство также поступает Жайремская марганцевая руда крупностью от 20 до 100 мм. Содержание железа в марганцевой руде изменяется от 33 до 38%, закиси марганца - от 15 до 19%. Содержание остальных элементов химического состава в обеих рудах практически одинаково.

Лисаковское месторождение обладает крупнейшими запасами бурых железняков. Руды подвергаются обогащению с использованием гравитационных и магнитных способов. Производимый гравитационно-магнитный концентрат в среднем содержит железа 49,16%, кремнезема - 11,28%. ЛГМК имеет повышенное содержание глинозема и фосфора соответственно 4,71% и 0,742%, потери при спекании составляют 11,82%.

ЛГМК имеет повышенное содержание глинозема и фосфора соответственно 4,71% и 0,742%, потери при спекании составляют 11,82%. Концентрат обладает мелкозернистой оолитовой структурой (90% фракции от 0,2 от 0,65 мм), что оп определяет его плохую комкуемость. При влажности менее 5,0% угол естественного откоса концентрата составляет 40%, вследствие чего он склонен к повышенной сыпучести.

Соколовско - Сарбайское горно-обогатительное производственное объединение (ССГПО) поставляет на комбинат концентрат, который представляет собой продукт обогащения магнетитовых руд месторождений - Сарбайского, Соколовского, Качарского и Куржункульского.

Содержание железа в концентрате ССГПО находится на уровне от 65 до 67%, кремнезема - от 3,5 до 4,5%, окиси кальция - от 0,8 до 1,3% и серы - от 0,2 до 0,4%.

Магнетитовый концентрат ССГПО принципиально отличается от лисаковского концентрата и других железорудных материалов, применяемых в агломерационном производстве. В гранулометрическом составе концентрата преобладают фракции крупностью менее 0,074 мм (95%), т.е. он практически на 100% состоит из зерен активно участвующих в окомковании.

Руда месторождения Атансор относится к окисленным (мартитовым) рудам. Разработка месторождения начиналась с Восточного участка, представленного наиболее богатыми рудами. Их характеризовало высокое содержание железа - от 58 до 64% и низкое вредных примесей (S, P менее 0,1%). Пустая порода была представлена в основном диоксидом кремния (от 3 до 6%) и глиноземом (от 2 до 4%) при очень низком содержании оксидов кальция (до 1%), магния и марганца (до 0,2%).

За время разработки месторождения содержание железа в руде снизилось до 52,5%, а диоксид кремния и глинозем выросли до 12,5% и 8,0% соответственно. Руду месторождения Атансор также характеризует крайне низкая стабильность по основным элементам химического состава.

Обогащенная атасуйская руда получается из шахтной руды АГОКа путем отмывки и отсадки. Простая технология обогащения обуславливает то, что данная руда по минералогическому составу аналогична шахтной руде. Обогащенная атасуйская руда по сравнению с шахтной имеет содержание железа выше от 6 до 10%, диоксида кремния меньше от 2 до 7%, а также отличается более низким содержанием оксидов кальция, магния, марганца, ППС и основности. Содержание серы в обеих рудах практически одинаково.

Используемое в агломерационном производстве железорудное сырье по мере снижения металлургической ценности можно расположить в следующей последовательности: наиболее ценным является концентрат ССГПО, затем по мере снижения ценности идут: обогащенная атасуйская руда, шахтная руда АГОКа, руда Кентобе, руда Атансор, ЛГМК.

Технология доменной плавки

Начальная операция, являющаяся стартом кампании доменной печи, называется задувкой. Далее, при нормальном ходе доменной печи в результате сжигания топлива и кокса создаются высокие температуры, необходимые для протекания процессов восстановления оксидов железа и образования жидкого чугуна. Кроме чугуна, в доменной печи образуется жидкий шлак и доменный газ — попутные отходы производства. Шихтовые материалы загружают в печь периодически, время их пребывания в печи составляет 5-8 часов. По мере освобождения пространства в нижней части печи в результате сгорания кокса и плавления железорудного сырья столб шихты опускается вниз, постепенно нагреваясь от поднимающихся вверх газов.

Собственно работа доменной печи начинается с момента зажигания в ней топлива. Процесс горения топлива в доменной печи происходит в сферообразных пространствах перед воздушными фурмами в так называемых фурменных очагах и является одной из важнейших необходимых составляющих доменного процесса. Через фурмы доменной печи подают горячее воздушное дутье при температуре 1000—1200 °С. Непосредственно перед фурмами печи происходит сгорание кокса, образуются окислительные зоны. Кокс в этих зонах сгорает во взвешенном состоянии. Вблизи фурм образуется полость, в которой происходит вихревое движение газов, приводящее к циркуляции кусков кокса. Куски кокса переносятся потоками воздуха от фурм, а на их место попадают раскаленные до 1500°С другие куски кокса и здесь сгорают. При сгорании развиваются температуры до 2000°С. Глубина зоны достигает 1500 мм. Вокруг зоны циркуляции располагается область, в газовой фазе которой содержится CO₂. Пространство перед фурмами, в котором происходит окисление углерода кокса кислородом дутья и CO₂, называется окислительной зоной. По мере удаления от фурм в условиях высокой температуры и избытка углерода CO₂ взаимодействует с углеродом и восстанавливается до CO. Если увеличивать давление дутья, повышать температуру и содержание кислорода в воздухе, то размеры окислительной зоны будут уменьшаться. Сгорание кокса происходит на поверхности кусков в результате контакта с окислительными газами. Суммарная реакция сгорания представлена уравнением

2C + O₂ = 2CO − 220500 Дж.

 

Процесс горения топлива выполняет в доменной печи следующие функции:

Генерация подавляющего количества тепла, выделяющегося в объеме доменной печи, которое расходуется на:

· нагрев образующихся газов;

· нагрев газами продуктов плавки и шихтовых материалов;

· эндотермические химические реакции;

· нагрев охлаждающей воды системы охлаждения печи;

· потери тепла с отходящими колошниковыми газами;

· потери тепла через поверхность кожуха и других металлоконструкций доменной печи в окружающее пространство.

·

Схема образования зоны горения на торце воздушной фурмы доменной печи

Генерация восстановительного газа, компонентами которого являются СО и H₂ и который осуществляет всю работу по восстановлению высших оксидов железа в шахте доменной печи до вюстита и основную работу по восстановлению вюстита до железа в гетерогенных процессах восстановления.

Освобождение пространства в горне печи, куда опускаются новые порции кокса, обеспечивая тем самым непрерывное движение всех шихтовых материалов сверху вниз.

Частичное окисление кислородом дутья элементов чугуна, значительная часть капель которого стекает из зоны когезии через фурменные зоны и отбрасывается к противоположной границе фурменной зоны. Сюда же отбрасываются и капли шлака, стекающего из зоны плавления над фурменными зонами. Образующиеся при окислении элементов чугуна оксиды металлов переходят в шлаки и полностью или частично восстанавливаются затем углеродом коксовой насадки или кремнием чугуна[12].

Горение углерода топлива в фурменных очагах доменной печи принципиально отличается от горения топлива в любой другой печи наличием вокруг фурменных очагов плотного слоя кокса (коксового тотермана, или коксовой насадки) с температурой не менее 1300 °С, при которой появляющиеся в результате горения топлива окислители с высокой скоростью восстанавливаются углеродом кокса коксовой насадки.