Производство чугуна в доменной печи

  Виды, состав и назначение доменных чугyнов. Цель доменного производства состоит в получении чугуна, представляющего собой много компонентный сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В зависимости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем может содержаться, кроме того, еще хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк. Содержание основных элементов (С, Si, Мn, Р, S, Cr, Ni, Cu, As) в чугуне регламентируется соответствующим стандартом или техническими условиями.

  Состав  чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, определяется требованиями потребителей и возможностями доменной плавки. Сообразно с этим стремятся подобрать состав шихтовых материалов и технологический режим плавки.

      Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на три основных вида:

      передельный, предназначенный для дальнейшего передела в сталь;

      литейный, используемый после переплава в  чугуноплавильных цехах для отливки чугунных изделий;

  доменные  ферросплавы - в основном ферромарганец, используемый в сталеплавильном  производстве в качестве добавки в жидкую сталь для ее раскисления и легирования.

  Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около90 % общего производства чугуна. Он используется в качестве шихтового материала при производстве стали в конвертерах, мартеновских и электродуговых печах. Передельный чугун в соответствии с существующими стандартами может содержать 0,3-1,2 % Si, 0,15-1,0 (иногда до 1,5 %) Мn и делится на три класса по содержанию фосфора (не более0,1; 0,2 и 0,3 %) и на пять категорий по содержанию серы(не более 0,01; 0,02; 0,03; 0,04 и 0,05 %). С целью экономии дефицитного марганца в настоящее время, выплавляют маломарганцовистые чугуны с содержанием марганца 0,1-0,5 %.

  В небольших количествах выплавляют высококачественный передельный чугун, маркируемый буквами ПВК, что означает передельный высококачественный коксовый. Он отличается от обычного передельного пониженным содержанием фосфора (<=0,02-0,05 %) и серы (<=0,015-0,025 %). На заводах, использующих высокофосфористые железные руды, выплавляют чугуны с повышенным содержанием фосфора; стандартом предусмотрены три марки подобных чугунов, различающихся coдержанием фосфора (0,3-0,7; 0,7-1,5 и 1,5-2,0 % Р). Эти чугуны перерабатывают в сталь по специально приспособленной для этого технологии (в кислородных конвертерах и мартеновских печах) с получением помимо стали фосфатных шлаков.

   Содержание  углерода в передельном чугуне стандартами  не нормируется, поскольку оно определяется содержанием других элементов; его можно приближенно определить по формуле: С = 4,8 + 0,03 Мn - 0,27 Si - 0,32 Р - 0,032 S, где Мn, Si, Р и S - соответственно содержание в чугуне марганца, кремния, фосфора и серы. В малофосфористых ( 0,3 % Р) чугунах обычно содержится 4,0-4,8 % углерода.

   Литейный чугун отличается от передельного повышенным содержанием кремния и в некоторых марках - фосфора. Шесть марок литейного чугуна (Л1-Л6) содержат от 1,2-1,6 до 3,2-3,6 % Si и от 0,3 до 0,9-1,5,% Мn; каждую марку делят на четыре категории по содержанию серы (0,02-0,05 %) и на пять классов по содержанию фосфора (соответственно < 0,08; < 0,12; < 0,3; 0,3-0,7 и 0,7-1,2 % Р). Фосфор придает металлу хрупкость, поэтому отливки ответственного назначения делают из чугунов с низким содержанием фосфора. Высокофосфористые чугуны используют для получения художественного литья в связи с тем, что жидкий чугун с высоким содержанием фосфора обладает высокой жидкой текучестью и поэтому хорошо заполняет литейные формы самой сложной конфигурации.

   Основными составляющими шлака являются оксиды кремния (Si0₂), кальция (СаО), алюминия (АI₂О_з). магния (MgO), а также небольшое количество НеО, МnO, CaS. В шлаках обычно содержится 6-20 % глинозема (A1₂0₃, 38-42 % кремнезема (Si0₂), 38-48 % известно (СаО), 2-12 % магнезии (MgO); 0,2-0,6 % FеО; 0,1-2 % МnO и 0,6-2,5 % серы, в основном, в виде CaS. При этом шлаки характеризуются следующими значениями основности: СаО: Si0₂ = 0,9+1,3; (СаО + MgO): :Si0₂ = 1,05+1,45 и (Са О + MgO):(Si0₂ + Al₂0₃ = 0,7+1,2.

   Ocновную часть (> 90-95 %) доменного шлака перерабатывают, получая сырье для производства различных строительных материалов.

  Доменный (колошниковый) газ. Газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть - колошник, называют колошниковым. Он состоит из СО, СН., N₂, СО₂ и N₂. После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используют как топливо для нагрева насадок воздухонагревателей, стальных слитков, коксовых батарей, отопления котлов и других целей. Горючими компонентами в газе являются СО, N₂ и СH.. Зная энтальпию химических реакций, горения этих компонентов, можно подсчитан., что при полном сгорании каждого процента оксида углерода теплота сгорания 1 м^З газа повышается на126 кДж, а каждого процента водорода и метана соответственно на 108 и 263 кДж. При выплавке передельного чугуна на атмосферном дутье (без вдувания природного газа) в газе содержится 12-18 % СО₂; 24-30 % СО; 0,2-0,5 % СH.; 1,0-2,0 % N₂ и 55-59 % N₂ и теплота сгорания газа составляет 3500-4000 кДж/м^З. При применении комбинированного дутья снижается содержание азота и соответственно возрастает количество других составляющих газа, особенно водорода. Например, при обогащении дутья кислородом до24-30 % и соответствующей подаче природного газа содержание оксида углерода составляет 22-27 %, диоксида углерода15-22 %, водорода 8-11 % и азота 43-55 %. Теплота сгорания такого газа равна 4200-5000 кДж/мЗ. 

9. Управление  процессом, контроль, автоматизация.

  Управление  ходом доменной плавки сводится к  контролю основных пара метров технологического режима и при их отклонении от заданных значений - к выработке и осуществлению регулирующих воздействий, ведущих к ликвидации этих отклонений и нарушений. В процессе управления работой печи приходится изменять температуру и количество дутья, количество подаваемого природного газа, соотношение между железорудными материалами и коксом, расход флюса, параметры загрузки шихты. Различают регулирование хода доменной печи сверху (изменение системы загрузки, величины подачи, уровня засыпи и т.п.) и регулирование снизу (изменение параметров комбинированного дутья).

  Часть управляющих и регулирующих воздействий  осуществляется персоналом вручную, а часть с помощью автоматизированных регулирующих или управляющих систем. При ручном управлении и регулировании правильность принятых решений зависит от квалификации и опыта мастера-технолога, при автоматизированном - от того, насколько заложенная в ЭВМ математическая модель адекватно отражает сложные взаимозависимости параметров доменного процесса и от надежности показаний контрольных приборов.

  Старые  печи наряду с ручным управлением  оборудованы системой автоматизированного  управления работой загрузочных устройств по заданному режиму и рядом локальных систем автоматического регулирования и стабилизации отдельных параметров процесса. Обычно это стабилизация давления под колошником, управление работой воздухонагревателей, стабилизация параметров комбинированного дутья (расход дутья, его температура, содержание кислорода в дутье, соотношение расходов природного газа и воздуха с учетом концентрации кислорода в дутье, распределение природного газа по фурмам).

  Современные доменные печи оборудуют автоматизированными системами управления (АСУ ТП), обеспечивающими величину уровня автоматизации управления доменным процессом до 70 и в отдельных ,случаях до 90 %. Такие АСУ ТП выполняют в виде иерархической системы, включающей несколько(три-четыре) уровней автоматизации.      Первый иерархический

    Работа доменной печи регламентируется теологическим режимом, основными составляющими которого являются: дутьевой режим, режим загрузки, шлаковый режим и тепловой режим, причем эти параметры тесно взаимно связаны. Технологический режим, вырабатываемый на основании обобщения многолетнего опыта работы печей, зависит от условий плавки конкретного цеха и отдельной доменной печи.

   Основой для соблюдения технологического режима и выработки регулирующих и управляющих воздействий на процесс служат показания контроль но-измерительных устройств, значительная часть которых работает в автоматическом режиме. На современных доменных печах контролируют до 170 параметров, характеризующих технологический режим, состояние печи и вспомогательного оборудования. Контролируемыми параметрами являются: состав и свойства шихтовых материалов, жидкого чугуна и шлака; параметры дутья и колошникового газа (состав, давление, расход, температура и др.); распределение температур и состава газа по сечению и высоте печи; параметры загрузки (масса и количество порций в подаче и порядок их загрузки, работа конусов или лотковых загрузочных устройств, уровень и профиль засыпи, скорость схода шихты и др.); статическое давление в печи высоте и перепады давления; вынос колошниковой пыли; температура кладки шахты, горна и лещади; работа холодильников; боковое давление шихты в печи; параметры работы воздухонагревателей и воздуходувных машин и др. Наряду с давно применяемыми обычными приборами и датчиками контроля (термопары, расходомеры, манометры и т.п.) внедряют новые специальные приборы и устройства: горизонтальные зонды, перемещаемые ниже уровня за сыпи для контроля здесь состава и температуры газов; стационарные зонды-балки для контроля тех же параметров выше уровня засыпи; лазерные, микроволновые, гамма и рентгеноимпульсные профиле меры для измерения профиля засыпи; микроволновые и радиометрические уровнемеры засыпи; устройства непрерывного контроля параметров жидких продуктов плавки в горне; встроенные в фурмы термодатчики; вертикально перемещаемые в слое шихты зонды и другие устройства для контроля уровня зоны плавления шихты в печи; автоматические рентгеноспектраль уровне включает средства автоматического контроля, измерения и диагностики входных, технологических и выходных параметров доменной плавки и работы оборудования печи; второй уровень локальные подсистемы стабилизации и регулирования отдельных параметров процесса и работы оборудования (давления под колошником, параметров дутья, параметров работы воздухонагревателей и др.); третий уровень- подсистемы управления отдельными технологическими процессами и агрегатами (такими процессами как шихтовка и загрузка, подготовка и подача дутья в печь, распределение газового потока, тепловой режим и др.). На высшем уровне, который пока не реализован, АСУ должна оптимизировать и согласовывать работу всех подсистем в соответствии с плановыми заданиями.

  Помимо  функций контроля, регулирования  и управления процессами и агрегатами АСУ обеспечивает в центральном  пункте управления печью непрерывное  представление значений технологических параметров в цифровой форме, путем световой индикации и в виде графиков на диаграммных самопишущих приборах и на экранах дисплеев, а также световую и звуковую сигнализацию нарушений нормального технологического режима и работы оборудования. Обеспечивается также заполнение отчетных документов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Заключение 

   Таким образом старые печи наряду с ручным управлением оборудованы системой автоматизированного управления работой  загрузочных устройств по заданному режиму и рядом локальных систем автоматического регулирования и стабилизации отдельных параметров процесса. Обычно это стабилизация давления под колошником, управление работой воздухонагревателей, стабилизация параметров комбинированного дутья (расход дутья, его температура, содержание кислорода в дутье, Соотношение расходов природного газа и воздуха с учетом концентрации кислорода в дутье, распределение природного газа по фурмам).

  Современные доменные печи оборудуют автоматизированными системами управления, обеспечивающими величину уровня автоматизации управления доменным процессом до 70 и в отдельных случаях до 90 %. Такие АСУ ТП выполняют в виде иерархической системы, включающей несколько (три-четыре) уровней автоматизации.

Работа  доменной печи регламентируется теологическим  режимом, основными составляющими которого являются: дутьевой режим, режим загрузки, шлаковый режим и тепловой режим, причем эти параметры тесно взаимно связаны. Технологический режим, вырабатываемый на основании обобщения многолетнего опыта работы печей, зависит от условий плавки конкретного цеха и отдельной доменной печи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Список литературы:  

1. Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М.

«Общая  металлургия». – М.: Металлургия, 2005