Технологический процесс выплавки чугуна

       Все происходящие в доменной печи физико-химические процессы можно разделить на три  группы: процессы окисления (горения) топлива, процессы восстановления оксидов железа и других элементов и процессы плавления.

       Процессы  окисления, или горения, топлива  протекают в горне доменной печи в небольших объемах возле  воздушных фурм. Фурмы расположены  по окружности верхней части горна и представляют собой энергично охлаждаемые водой устройства, через которые в печь подается атмосферное дутье, предварительное нагретое в воздухонагревателях до температуры 1100-1350°С. В качестве добавок к дутью могут использоваться водяной пар, природный газ или кислород.

       Так как воздух по объему состоит из 21% кислорода и 79% азота, то на каждую молекулу кислорода приходится 79/21 =3,76 молекулы азота. В выходящем из фурм с высокой скоростью дутье  сгорает находящийся в горне  раскаленный кокс. Началом этого процесса является реакция:

С + О2 + 3.76N2 ® СО2 + 3.76N2 + 400.428 МДж

       Образующийся  по этой реакции оксид углерода  при высоких температурах, имеющих  место в горне, взаимодействует  с углеродом по уравнению реакции:

СО2 + С ® 2СО - 165,797 МДж

       Таким образом, конечным продуктом горения углерода в горне является оксид углерода. Процессы окисления углерода кокса кислородом и оксидом углерода  протекают возле фурм в небольших зонах, называемых окислительными, или зонами горения. В отличие от этих зон, во всем остальном объеме печи атмосфера восстановительная. Образующийся в горне газ поднимается вверх, восстанавливая опускающиеся шихтовые материалы.

       Процессы  восстановления протекают во всем объеме печи за исключением окислительных  зон в горне. В доменной печи восстанавливаются оксиды железа, марганца, кремния, фосфора, серы и некоторых других элементов. Но главным из этих процессов является восстановление основного компонента - оксида железа.

       Восстановителями  в доменной печи являются оксид углерода  СО, водород Н2 и твердый углерод С. Оксид углерода  образуется в горне при горении кокса. Твердый углерод вносится в печь коксом и есть в любой зоне печи. Водород при обычном атмосферном дутье образуется в результате разложения небольшого количества водяного пара, содержащегося в воздухе. Но при вдувании в печь природного газа, представляющего собой почти чистый метан СН4, он разлагается и вносит значительное количество водорода.

       Реакции восстановления оксида железа  оксидом  углерода  описывается следующими уравнениями:

ЗFeO3 + СО ® 2FeO4 + СО2 + 37.137 МДж

Fe3O4 + CO ® 3FeO + СO2 - 20 892 МДж

FeO + CO ® Fe + CO2 + 13.607 МДж

       Реакция восстановления оксида железа , описываемая  уравнением, протекает при сравнительно низких температурах на колошнике и  в верхней части шахты. По мере опускания агломерата температура и содержание СО в газе повышаются, что приводит к развитию реакции  - восстановление магнетита до оксида железа . Дальнейшее опускание материалов и повышение температуры приводят к восстановлению оксида железа  оксидом углерода до металлического железа по реакции .

       Однако  условия восстановления в доменной печи таковы, что только 50-80% всех оксидов  железа восстанавливается оксидом  углерода  и водородом. Остальная  же часть их восстанавливается твердым  углеродом по уравнению реакции:

       FeO + C ® Fe + CO - 152.190 МДж

       Восстановление  оксидов газами называется косвенным  восстановлением, а восстановление твердым углеродом - прямым восстановлением.

       Процессы  плавления можно разделить на процессы образования чугуна и шлака. На определенном горизонте (в нижней части шахты) в куске рудного материала появляется металлическое железо. Однако расплавиться оно не может, т.к. температура плавления чистого железа довольно высока - 1535°С. Такая температура создается гораздо ниже, в области горна. Но в свежевосстановленном металлическом железе энергично растворяется углерод, содержащийся и газе, и в коксе. Это резко снижает температуру плавления образовавшегося сплава - при содержании в железе 4,3% углерода она составляет всего 1130-1135°С. Следовательно, металлическое железо, растворяя в себе углерод, превращается в чугун, который плавится. Расплавившись, чугун в виде капель и струек стекает вниз и скапливается в горне. Ниже этого горизонта в твердом состоянии находятся пустая порода руды, известняк и кокс. Опускаясь все ниже, эти материалы нагреваются до более высоких температур, и на определенном уровне пустая порода и флюс расплавляются, образуя жидкий шлак. Он струями стекает в горн и располагается над слоем чугуна. Горизонт образования шлака 9 находится обычно на уровне распара. Ниже горизонта образования шлаков в твердом состоянии находится только кокс, который, опускаясь еще ниже, нагревается газами до температуры 1500-1600°С и, попадая в горн, сгорает в струе дутья.

       При совместном отекании вниз шлака и чугуна и взаимодействии их в горне происходит очистка чугуна от серы. После накопления достаточного количества шлака и чугуна их выпускают из печи через шлаковую и чугунную летки.

       Главным технико-экономическими показателями работы доменной печи являются производительность и удельный расход кокса. Рассмотрим факторы, лимитирующие улучшение этих показателей.

       Производительностью доменной печи называется масса чугуна, выплавленная за определенное время. При  постоянном удельном расходе кокса она определяется количеством кокса, сжигаемого в горне в единицу времени, что, в свою очередь, зависит от количества подаваемого в печь дутья, а точнее - кислорода. Чем больше подается дутья, тем больше сжигается кокса и тем выше производительность печи. Однако увеличение количества дутья приводит к увеличению количества газа, продуваемого через столб шихтовых материалов в печи, т.е. к увеличению скорости потока газа. Движущийся с большой скоростью поток газа создает в столбе шихты подъемную силу, которая при определенном увеличении скорости газа становится настолько значительной, что уравновешивает силу гравитации столба шихты. Опускание шихты приостанавливается и происходит зависание шихты. Работа печи прекращается, т.к. загружать новые порции материала на колошник нельзя. Таким образом, увеличение количества подаваемого в печь дутья лимитируется зависанием шихты.

       Подъемная сила потока газа в большей мере зависит от газопроницаемости столба материалов в печи - шихта из крупных  прочных кусков агломерата и кокса позволяет продуть много газа без зависания шихты, в то время как загрузка в печь пылеобразных, непрочных, разрушающихся материалов резко уменьшает предельное количество дутья и, следовательно, производительность печи.

       Снизить скорость газа в печи можно и другими методами. Например, можно уменьшить объем газа, а, следовательно, и его скорость выводом из дутья азота, не оказывающего заметного влияния на процесс. Этот эффект достигается обогащением дутья кислородом. Можно также уменьшить объем газа, повышая его давление в печи. Такое сжатие газа позволяет, сохраняя прежнюю скорость в печи, вдуть большее массовое количество кислорода и сжечь больше кокса.

       Удельный  расход кокса в доменной печи (то есть расход на выплавку 1т чугуна) определяется содержанием железа в рудной части шихты, распределением железорудных материалов по сечению печи, нагревом дутья и использованием заменителей кокса.

       Содержание  железа в рудной части шихты (руда, агломерат, окатыши) определяет количество шлака, образующегося в печи. Чем богаче железом материалы, тем меньше вносится в печь пустой породы и, следовательно, тем меньше образуется шлака. Расход теплоты на нагрев и плавление шлака очень большой, поэтому снижение количества шлака приводит к существенной большой экономии кокса. Следовательно, важнейшим требованием к сырьевым материалам является высокое содержание в них железа. Этим и объясняется эффективность всех мероприятий по обогащению руд: несмотря на большие затраты на обогащение, оно окупается за счет экономии кокса в доменной печи.

       Уменьшение  количества шлака в печи имеет  и другое важное следствие - повышение  газопроницаемости нижней части  печи. Вот почему улучшение качества шихты не только снижает расход кокса, но и повышает производительность доменной печи.

       Расход  кокса зависит также от распределения железорудных материалов на колошнике при загрузке, т.е. от эффективности взаимодействия потока материалов с потоком газа. При неправильном распределении рудных материалов по сечению печи часть газов будет обрабатывать много руды, а часть - мало. Это приведет к низкому использованию тепловой и химической энергии газа, который будет выходить из печи с высокой температурой и большим содержанием оксида углерода, вследствие чего удельный расход кокса повысится.

       Расход  кокса можно снизить за счет повышения количества теплоты, вносимой в печь дутьем. Высокой стоимостью кокса и ограниченностью ресурсов коксующихся углей объясняется стремление заменить кокс другими, более дешевыми и менее дефицитными видами топлива - природным и коксовым газами, мазутом, пылевидным топливом. Однако такая замена возможна только в ограниченных масштабах, т.к. прочный кусковой кокс является идеальным разрыхлителем столба шихты, придающим ему высокую газопроницаемость. Снижение же газопроницаемости шихты ухудшает, либо полностью расстраивает работу печи.

       Расход  кокса также можно уменьшить  и предотвращением протекания в  доменной печи второстепенных экзотермических  процессов. Таким процессом является разложение известняка по уравнению  реакции:

СаСО3 ® СаО + СО2 - 177.988 МДж

       Этот  процесс можно осуществить при  производстве агломерата, спекая заранее  составленную смесь руды с известняком - офлюсованный агломерат. В этом случае разложение известняка осуществляется за счет сжигания низкосортного топлива, а дорогой кокс в доменной печи экономится.

       Важнейшей особенностью доменного процесса является связь между удельным расходом кокса  и производительностью печи. При  неизменном количестве кокса, сжигаемого в единицу времени в горне  печи, изменение удельного расхода  его приводит к изменению количества выплавленного чугуна. Поэтому снижение удельного расхода кокса всегда приводит к соответствующему повышению производительности печи, и наоборот - повышение расхода кокса снижает ее.

       Таким образом, главными направлениями технического процесса в доменном производстве являются:

• обогащение железорудных материалов;
• совершенствование процессов окускования сырья с целью получения прочного, крупнокускового, с хорошей восстановимостью материала, обогащение дутья кислородом и повышение его температуры;
• повышение давления газа в рабочем пространстве печи;
• применение частично восстановленных вне доменной печи материалов.

 

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание 1. Рассчитайте темпы роста (снижения) и структуру выплавки стали по способам производства (табл.5). В чем заключаются особенности изменения структуры сталеплавильного производства в мире в целом, в промышленно развитых странах и в России?

 

Структура сталеплавильного производства.