Производство чугуна в доменной печи

  Поскольку содержание AI₂O₃ в доменных шлаках не превышает 20 %, практический интерес представляет часть диаграммы, примыкающая к стороне CaO-SiО₂ треугольника. Как видно из диаграммы, наиболее высокие температуры плавления у чистых оксидов (СаО и Si0₂), наиболее приемлемые (низкие) у шлаков, содержащих около 42-65 % СаО.

   Однако  для выбора состава шлака недостаточно знать эти температуры, так как  некоторые из сплавов становятся хорошо подвижными при температуре, значительно превышающей температуру плавления. Например, самый легкоплавкий сплав - СаО AI₂O₃ . 2Si0₂, содержащий примерно 62 % Si0₂, 14 % Al₂O₃ и 24 % СаО, температура плавления которого равна 1170 ⁰C, приобретает хорошую текучесть лишь при нагреве до 1600 ⁰C. Поэтому необходимо учитывать данные о вязкости шлаков.

   Вязкость - это внутреннее трение, препятствующее течению жидкости; она является величиной, обратной текучести. Единицей вязкости является Па*с (1 Па*с = 1 Н *с/м² = 1 пуаз), Т.е. за единицу вязкости 1 Па*с принимают вязкость такой жидкости, в которой сила в 1 Н, приложенная к площади жидкости в 1 м²

(т.е. 1 Па), находящейся  на расстоянии 1 м от другой такой же площади, вызывает перемещение жидкости со скоростью 1 м/с. Вязкость существенно понижается с ростом температуры.

  Для нормальной работы доменных печей вязкость шлака  должна составлять 0,3-0,6 Па*с.

  Основность шлаков является их важной технологической характеристикой. Ее выражают величиной отношения содержания основных оксидов в шлаке к содержанию кислотных: CaO/Si0_2.  

6. Дутьё, процессы в горне и движение газов в печи. 

6.1. Дутье. 

Дутьем  служит атмосферный воздух и зачастую воздух, обогащенный кислородом. Температура дутья в настоящее время на разных печах находится в пределах 1100-1300 ⁰С, давление перед фурмами достигает 0,4-0,5 МПа, расход дутья. На хорошо работающих печах составляет 1,6t-2,3 объема печи в минуту. Его всегда стараются поддерживать максимальным, поскольку при увеличении минут расхода дутью больше сгорает кокса и проплавляется шихты в единицу времени, т.е. возрастает производительность печи. В указанных пределах для каждой доменной печи в ходе эксплуатации находят такой допустимый расход дутья, при котором сохраняется равный сход шихты и после превышения которого не нарушается, т.е. начинаются повисания шихты, а также возникают локальные продувы шихты газами, т.е. их движение по отдельным каналам в шихте (канальный ход газов). На печах объемом 5000 м³ расход дутья достигает 8500 м³/мин. .

  Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от расположенных в ней воздуходувных машин (компрессоров) с приводам в виде паровой турбины и иногда с электроприводом, создающими давление дутья на выходе 0,45-0,59 МПа. При обогащении дутья кислородом последний вводят во входной патрубок воздуходувной машины.

  Дутье проходит воздухонагреватели, кольцевой  воздухопровод и из него поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16-40 фурм. Выходной диаметр фурм составляет 140-190 мм, весов фурм (расстояние от конца фурмы до футеровки) 300-500 мм, скорость дутья на выходе из фурмы 180-240 м/мин при расходе дутья на одну фурму 170-230 м³/мин. 

6.2. Процессы в горне. 

В горне  доменной печи встречаются и взаимодействуют два потока: опускающаяся шихта и горновые газы. Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса, а также жидкий чугун и шлак. Извне через фурмы, расположенные в верхней части горна, поступает нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие добавки. Вблизи фурм происходит процесс сжигания углерода топлива и углеводородов природного газа или мазута. Получающиеся горновые газы поднимаются :вверх навстречу опускающейся шихте.

      Основным  и важнейшим процессом в горне  является сжигание углерода кокса, которое обеспечивает:

  а) выделение  тепла, необходимого для нагрева  шихты и газов, обеспечения процессов  восстановления, расплавления чугуна и шлака и компенсации теплопотерь печи;

      б) образование газа-восстановителя СО;

  в) образование свободного объема вследствие превращения твердых кусков кокса в газ, что способствует движению шихты в печи сверху вниз.

  Окисление углерода кокса происходит в сравнительно небольших по объему участках горна вблизи фурм, называемых окислительными зонами. Большая кинетическая энергия струй дутья вызывает циркуляцию кусков кокса перед фурмами, и они сгорают в окислительной зоне во взвешенном состоянии. Во внутренней, прилегающей к фурме части такой зоны, углерод, реагируя с кислородом, окисляется до С0₂; в периферийной (углекислотной) части зоны, где кислород уже израсходован и содержится лишь С0₂, углерод окисляется, реагируя с С0₂, образуя при этом СО. Участки исчезновения С0₂ представляют собой границу окислительной зоны. Таким образом, конечным продуктом окисления углерода является СО, и процесс окисления идет по следующей схеме:

                 С + 0₂ = С0₂ + 402190 С0₂ + С = 2СО - 166310

                 2С + 0₂ = 2СО + 235880 Дж или 9830 кДж/кг *С.

  Изменение состава газа в окислительной  зоне по мере отдаления от фурм

  Размеры окислительной зоны как вдоль  оси воздушной фурмы, так и вдоль оси печи возрастают с повышением количества воздуха или, точнее, с ростом кинетической энергии струи дутья и сокращаются при увеличении давления дутья, повышении температуры дутья и концентрации кислорода в дутье. На больших печах протяженность окислительной зоны вдоль оси фурм достигает 1,7-1,9 м. Продукт сгорания кокса - горновой газ состоит, в основном, из СО и N₂. Его состав можно легко рассчитать.

  Если в горении участвует сухой воздух, содержащий 79 % N₂ (объемн.) и 21 % 02 (т.е. N₂: 02 = 3,76), то реакцию можно записать так:

                             2С + 0₂ + 3,76N₂ = 2СО + 3,76N₂.

   При воздушном дутье температура  в центре окислительной зоны, где идут экзотермические реакции окисления углерода до С0₂, достигает 1900-2000 ⁰С, а на границе окислительной зоны снижается до 1650-1600 ⁰С вследствие протекания эндотермических реакций С0₂ + С = 2СО. За пределами окислительной зоны по мере отдаления от нее температура снижается, так как протекают реакции прямого восстановления, идущие с поглощением тепла; в центральной часть горна температура чаще всего находится в пределах 1400-1500 ⁰С.

Добавки к дутью кислорода, природного газа и влаги изменяют температурное состояние горна. Увеличение количества влаги в дутье вызывает снижение температур в зоне горения и в горне поскольку, как отмечалось, при попадании в горн Н₂О разлагается углеродом с поглощением тепла. Влияние кислорода и природного газа можно оценить, используя формулу, по которой рассчитывают теоретическую температуру горения топлива.

  Дутье всегда содержит немного влаги, которая  в горне разлагается углеродом: HО + С = СО + Н₂ - 124870 Дж. Поэтому в горновом газе всегда есть немного водорода; например, при содержании в дутье влаги в количестве 1 % (объем.) (8,035 г/м²) в горновом газе находится 0,8 % Н₂ и соответственно снижается содержание азота и оксида углерода.

  При вдувании в горн природного газа он не полностью сгорает по реакции: СН₄ + 0,502 = СО + 2Н₂ + 37250 Дж и в горновом газе заметно возрастает содержание Н₂ (до 8-15 % и более). Заметно увеличивается также объем горновых газов потому, что при сгорании метана на единицу углерода образуются три моля продуктов горения (СО и 2Н₂), а при сгорании кокса по реакции С + 0,502 = СО лишь один моль СО; объем продуктов сгорания на единицу углерода возрастает в 1,7 раз. Вдувание в горн мазута, состоящего как и природный газ из углеводородов, характеризуется теми же процессами, что и выдувание природного газа.

   При добавке кислорода к дутью  объем продуктов сгорания V, как ранее отмечалось, уменьшается, что В соответствии с приведенной выше формулой вызывает повышение ТТ и температур в горне. Вдувание природного газа ведет  к увеличению объема продуктов сгорания V, и соответственно, к понижению ТТ и температур в горне; это снижение вызывается также тем, что при сгорании природного газа на один моль сгорающего углерода выделяется меньше тепла (37250 Дж), чем при сгорании углерода кокса(117940 Дж).

  Во всех случаях температура газов в центре горна не должна быть ниже 1400-1450 ⁰С, так как при более низких температурах заметно понижается температура продуктов

плавки  и ухудшается десульфурация чугуна.

  Таким образом, добавка влаги к дутью  вызывает снижение температуры горновых газов и небольшое увеличение содержания в них водорода; обогащение дутья кислородом уменьшение объема гopновых газов, повышение их температуры и содержания в них СО; вдувание природного газа, так же как и других углеводородов, - увеличение объема горновых газов, снижение их температуры и существенное их обогащение водородом. Эти изменения оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на доменный процесс. 

3. . Движение газов в печи и изменение их температуры, состава, количества и давления.

Из предыдущего раздела следует, что в горне образуется газ, состоящий из оксида углерода, водорода и азота, нагретый до высокой температуры и характеризующийся значительным давлением. При движении к колошнику этот газ отдает тепло движущимся навстречу материалам и охлаждается, при этом давление его вследствие преодоления сопротивления шихты понижается, а химический состав в результате процессов восстановления непрерывно изменяется и количество его увеличивается. Эти физические изменения приводят к понижению температуры газа примерно с 1600 до 250-300 ^ОС, давления на 0,1-0,2 МПа, к снижению содержания СО и Н₂ и повышению содержания СО₂. Ниже эти процессы рассмотрены подробнее.

  Распределение газов по сечению печи. Время пребывания газов в печи составляет 3-12 с. Они движутся по сечению печи неравномерно. Естественно стремление газов двигаться вверх преимущественно над зонами горения, т.е. у стен печи, но в целом распределение газового потока определяется величиной сопротивления слоя шихты. Наибольшие количество газов и скорость их движения наблюдаются в участках с меньшим сопротивлением шихты, как правило там, где в шихте выше доля кокса и меньше рудная нагрузка (доля агломерата). Участки, где газы движутся с большими скоростями, характеризуются повышенными температурами и пониженным содержанием СО₂ в газе; в связи с этим о распределении газового потока по сечению печи судят по результатам замеров температуры газа и содержания в нем СО₂, производимых В колошнике над уровнем шихты, а также в слое шихты на расстоянии до:7-12 м от уровня засыпки.

   Замеры  ведут с помощью вводимых через  отверстия в кожухе и футеровке печи и периодически перемещаемых от периферии к оси печи зондов; зонд представляет собой водоохлаждаемую трубу, в которой размещены термопара и трубка для отвода пробы газа; Характерные случаи распределения газового потока в шахте печи. Перемещение зоны пластичности вверх уменьшает объем печи, в котором идут процессы косвенного восстановления оксидов железа, что, как правило, вызывает увеличение расхода кокса.

  Крайне  неблагоприятным случаем распределения  газового потока является канальный  ход газов (движение газов по отдельным  каналам в слое шихты), при котором  мелкие куски шихты в каналах  переходят во взвешенное состояние, что нарушает ровный сход шихты в печи.

  Важным  показателем хода доменной плавки является отношение СО₂/СО в газовой фазе; увеличение этого отношения(увеличение содержания СО₂) свидетельствует об улучшении

  восстановительной работы газа (увеличении степени косвенного восстановления оксидов железа).

   Изменение количества газа. По мере подъема газов вверх печи увеличивается их количество, главным образом, вследствие присоединения к ним кислорода шихты в виде СО и СО₂, Т.е. в результате протекания процессов восстановления. По отношению к количеству дутья количество горнового газа возрастает на 21-23 %, а количество колошникового газа - на 38-40 %. При обогащении дутья кислородом расход дутья и количество газа будут уменьшаться вследствие снижения содержания азота. Выход колошникового газа равен 120-200 м³ на 1 м³ объема печи в час или 1400-2000 м³/чугуна.

  Изменение давления газа. Наибольшее статическое давление газа устанавливается в горне доменной печи около фурм, и движение газов вверх через слой шихтовых материалов происходит вследствие этого давления, создаваемого работой подающей дутье воздуходувной машины. По мере движения газов от горна к колошнику статическое давление газа убывает, так как происходит потеря давления (потеря напора) вследствие трения газов о куски шихты; иначе говоря, давление теряется на преодоление сопротивления слоя шихтовых материалов. Эта потеря давления или напора происходит неравномерно по высоте печи, что наиболее заметно в области пластичной зоны, где в результате размягчения слипания и плавления газопроницаемость рудной части шихты резко снижается.

  Величина  потери давления в столбе шихты, иначе  говоря, перепад давления между горном и колошником зависит от свойств  шихты (газопроницаемости), высоты столба шихты, определяемой высотой печи, от скорости движения газов в печи. Влияние скорости движения газов проявляется в том, что при ее росте увеличиваются силы трения газов о шихту и возрастает величина потери давления.