Сущность и особенности производства чугуна. Основные пути и направления совершенствования и повышения экономической эффективности технологий подготовительно-обогатительного и металлургического производства

концентраты, из  которых  получают  металл  в  доменном,  сталеплавильном  и

электрометаллургическом производствах.

   В доменном  производстве окуксованием железорудного  сырья достигают:

    1. уменьшения  выноса газовым потоком мелких  фракций  руды  из  доменной

       печи;

    2. повышения  газопроницаемости столба шихтовых  материалов;

    3.  улучшения   использования  тепловой  энергии   и   восстановительной

       способности газового потока;

    4. улучшения  протекания процессов  восстановления,  шлакообразования  и

       перевода серы в шлак.

   В   итоге   окуксование    сырья    позволяет    значительно    увеличить

производительность  доменных  печей,  сократить  расход  кокса  и   повысить

качество чугуна.

   Существует  три метода окуксования руд  и концентратов:

   1. агломерация  (процесс спекания мелких руд  и концентратов путем сжигания

      топлива в слое спекаемого  материала или  подвода   высокотемпературного

      тепла извне);

   2. окатывание (процесс получения из концентрата  сырых шаров диаметром  10

      – 25 мм и последующего их  обжига при температуре 1200 –  1350( С);

   3. брикетирование (процесс прессования пылеватых   руд  и  концентратов  в

      куски одинаковой формы с добавкой  или без добавки связующих  веществ).

   В черной  металлургии наибольшее распространение   получила  агломерация  и

окатывание руд. 
 
 

                             2. Доменный процесс 
 
 

                2.1 Общая схема и сущность доменного  процесса 
 

   Доменный  процесс представляет собой совокупность  механических, физических

и  физико-химических  явлений,  протекающих  в  работающей  доменной   печи.

Загружаемые в  доменную печь  шихтовые  материалы  –  кокс,  железосодержащие

компоненты и  флюс – в результате протекания доменного процесса  превращаются

в чугун, шлак и  доменный газ.

   В  химическом  отношении  доменный  процесс   является   восстановительно-

окислительным:   из   оксидов   восстанавливается   железо,   а   окисляются

восстановители. Однако доменный процесс принято называть  восстановительным,

так как цель его  состоит в восстановлении оксидов  железа до металла.

   Агрегатом  для осуществления доменного  процесса служит печь шахтного  типа

(см. приложение 2). Рабочее  пространство  доменной  печи  в  горизонтальных

сечениях имеет  круглую  форму,  а  в  вертикальном  разрезе  –  своеобразное

очертание, называемое профилем.

   Важнейшим   условием   осуществления   доменного   процесса   в   рабочем

пространстве печи является непрерывное встречное  движение  и  взаимодействие

опускающихся шихтовых материалов,  загружаемых  в  печь  через  колошник,  и

восходящего потока газов, образующегося в горне  при горении  углерода  кокса

в нагретом до 1000 – 1200( С воздухе (дутье), который нагнетается  в  верхнюю

часть горна через  расположенные по  его  окружности  фурмы.  К  дутью  может

добавляться технический  кислород, природный газ, водяной  пар.

   Кокс поступает  в горн нагретым до 1400 – 1500( С. В зонах горения углерод

кокса взаимодействует  с  кислородом  дутья.  Образующийся  в  зонах  горения

диоксид углерода при высокой температуре и  избытке  углерода  неустойчив  и

превращается в  оксид углерода.  Таким  образом,  за  пределами  зон  горения

горновой  газ  состоит  только  из  оксида  углерода,  азота  и   небольшого

количества  водорода,  образовавшегося  при  разложении  водяных  паров  или

природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 – 2000( С ,  поднимается

вверх  и  передает  тепло  материалам,  постепенно   опускающимся   в   горн

вследствие выгорания  кокса, образования  чугуна  и  шлака  и  периодического

выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются  до 200 –  450(  С,  а

оксид углерода, отнимая  кислород из оксидов железа, превращается частично  в

диоксид углерода, содержание которого в доменном  газе  на  выходе  из  печи

достигает 14 – 20 %.

   Шихтовые  материалы  загружают  в   доменную  печь  при  помощи  засыпного

аппарата отдельными порциями –  подачами.  Они  располагаются  на  колошнике

чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса  при  работе  на  не

полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят  через  5  –  8

мин. по мере освобождения пространства на колошнике в  результате  опускания

материалов.

   В процессе  нагревания опускающихся материалов  происходит удаление из  них

влаги и летучих  веществ кокса и разложение  карбонатов.  Оксиды  железа  под

действием восстановительных  газов постепенно переходят  от  высших  степеней

окисления к низшим, а затем – в  металлическое  железо  по  схеме:  Fe2O3  (

Fe3O4 ( FeO ( Fe.

   Свежевосстановленное  железо  заметно  науглераживается  еще  в   твердом

состоянии. По мере науглераживания  температура  плавления  его  понижается.

При температуре 1000 – 1100( С восстановление железа почти  заканчивается  и

начинают восстанавливаться  более  трудновосстановимые  элементы  –  кремний,

марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4  %  углерода  и

некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится  при  температуре

1130 – 1150( С и  стекает в виде капель чугуна  в  горн.  В  нижней  половине

шахты начинается  образование  жидкого  шлака  из  составных  частей  пустой

породы руды и  флюса.  Понижению  температуры  плавления  шлака  способствуют

невосстановленные оксиды железа и  марганца.  В  стекающем  вниз  шлаке  под

действием  возрастающей  температуры  постепенно  расплавляется  вся  пустая

порода и флюс, а после сгорания кокса – и  зола.

   При   взаимодействии  жидких  продуктов   плавки  с  раскаленным  коксом  в

заплечиках и  горне происходит усиленное восстановление кремния,  марганца  и

фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же  поглощенная  металлом

в ходе плавки  сера  переходит  в  шлак.  Железо  и  фосфор  печи  полностью

восстанавливаются и переходят в чугун, а степень  восстановления  кремния  и

марганца и полотна  удаления  из  чугуна  серы  в  большой  мере  зависят  от

температурных условий, химического состава шлака и  его количества.

   Жидкие  чугун и шлак разделяются   в  горне  благодаря  различным   удельным

массам. По мере скопления  их в горне чугун выпускают  через  чугунную  летку,

а шлак – через  шлаковые летки (верхний  шлак)  и  чугунную  летку  во  время

выпуска чугуна (нижний шлак).

   Все   перечисленные  процессы  протекают   в  доменной  печи  одновременно,

оказывая взаимное влияние. 
 

         2.2 Распределение и движение газов  и шихты в доменной печи 
 
 

Газовый поток 
 

   Высокопроизводительная  и экономичная работа доменной  печи в  значительной

мере зависит  от того, как организовано  движение  и  распределение  газов  и

шихты в ее рабочем  пространстве. Движение газов и распределение  их  в  печи

определяется   множеством   факторов,   но   главным   из    них    являются

гранулометрический  состав шихты и ее распределение  на  колошнике  во  время

загрузки и перераспределение  при движении в доменной печи. В  свою очередь  и

движущийся газовый  поток влияет на распределение шихты.

   Газы в   доменной  печи  движутся  через   столь  шихты   снизу  вверх   под

действием   разности   давлений,   зависящей   от   величины   сопротивления

загруженной  в  печь  шихты  и  количества  воздуха,  нагнетаемого  в   горн

воздуходувной машиной. Проходя путь 24 – 26 м в течение  нескольких  секунд,

газовый  поток  должен  выполнить  тепловую  и  восстановительную  работу  и

обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника  к горну.  Исходя  из

этих  функций  газового   потока   к   распределению   газов   предъявляются

противоречивые  требования.  Для  наиболее  полного  использования  тепла  и

восстановительной способности газового потока газы по  сечению  печи  должны

распределяться  равномерно, иными словами,  температура  и  состав  газов  во

всех точках сечения  доменной печи должны  быть  одинаковыми,  а  шихта  –  в

равной мере нагретой и восстановленной.

   Для обеспечения  ровного схода шихты газовый  поток по сечению печи  должен

распределяться  неравномерно, проходя в большем  количестве у стен и в  осевой

зоне печи, т. е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата.

   В действительности  же в доменной  печи  невозможно  достичь  равномерного

распределения  газов  по  сечению  вследствие   специфических   особенностей

доменного процесса и конструкции доменной печи.

   Наиболее  важным  показателем,  характеризующим   распределение   газового

потока по сечению  столба шихты,  является   сопоставление  количеств  газов,

проходящих через  равновеликие площади заполненного  шихтой  сечения  печи  в

единицу времени. 
 

Распределение материалов на колошнике при загрузке доменной печи 
 

   Исходя  из требований, предъявляемых   к  распределению  газов   в  доменной

печи, материалы  при загрузке должны распределяться неравномерно  по  сечению

печи  как  по  крупности,  так  и  по  компонентам  шихты.  У  стен   должно

сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью  лучшего  использования

периферийных газов, а у  оси  –  больше  кокса.  Большое  количество  мелких

фракций железосодержащих компонентов у стен печи  недопустимо  во  избежание

тугого  хода.  Основную  часть  мелких  фракций  необходимо  располагать   в

промежуточном кольце между периферией и центром.

   По окружности  печи  материалы  должны,  наоборот,  распределяться  строго

равномерно, т. е. так, чтобы любая окружность горизонтального  сечения  была

кривой равного  содержания диоксида  углерода  в  газе  и  кривой  одинаковой

температуры.

   Этим условиям  распределения шихты удовлетворяет  принятый способ  загрузки