Основы металлургического производства.

Исходные материалы для производства чугуна

Исходными материалами для производства чугуна являются: железная руда; флюсы; топливо и воздух.

Железная руда – это горная порода, содержащая железо в таких количествах, при которых ее технически и экономически целесообразно перерабатывать. Руда состоит из окислов железа с кремнеземом (SiO₂), глиноземом (Al₂O₃), окисью кальция (CaO), окисью магния (MgO), а так же вредных примесей – серы, фосфора, мышьяка и др. Эти смеси образуют так называемую пустую породу. Руды, содержащие свыше 50% железа, называются богатыми, до 50% - железные руды бедные. Для производства чугуна используют руды следующих основных типов: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк, железистые кварциты (магнезит, гематит)

Магнитный железняк содержит железо в виде окисла Fe₃O₄. Доля железа составляет 55-65%. Обладает магнитными свойствами. Встречается в чистом виде и с примесями серы (железный колчедан) или фосфора (апатиты). Пустая порода состоит преимущественно из SiO₂.

Бурый железняк содержит в себе водную окись железа 2Fe₂O₃x3H₂O. Железа в нем 30-50 %. Пустая порода имеет разнообразный состав, содержит фосфор и серу.

Красный железняк, содержит 45-60% железа и представляет собой безводную окись Fe₂O₃. Пустая порода состоит главным образом из кремнезема SiO₂ и известняка CaCO₃.

Шпатовый железняк, содержит железо (30-40%) в виде карбоната FeCO₃. В состав пустой породы входят SiO₂; Al₂O₃; MgO.

Флюсы – это материалы, вводимые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы железной руды и шлаковой золы топлива. При сплавлении пустой породы и золы с флюсом образуется легкоплавкий шлак, который удаляется из печи в жидком состоянии. Выбор флюсов зависит от химического состава пустой породы. Если пустая порода имеет песчано-глинистой характер, то в качестве флюсов применяется известняк CaCO₃, реже доломит CaCO₃МgCO₂. При известковой пустой породе флюсами служит кремнезем, кварц или песчаник SiO₂.

Основным видом топлива, используемым при плавке чугуна, является кокс и природный газ. Кокс – кусковое, прочное высокопористое термостойкое топливо – получаемое путем спекания коксующихся каменных углей, удаляя из них летучие вещества. Коксование углей производится в специальных печах, прокаливая измельченный уголь без доступа воздуха при 950-1100^оС в течение 15-18 часов. Для доменной печи применяют куски кокса величиной 25-60 мм. Кокс дорогое и дефицитное топливо. Запасы коксующихся углей невелики и составляют 8-12% всех запасов. Стоимость кокса составляет 45-55% себестоимости чугуна. Поэтому разработана и применяется технология производства чугуна с частичной заменой кокса природным газом. Наиболее эффективно применение газа в сочетании с высокотемпературным дутьем, обогащенным кислородом.

Очень редко в доменных печах небольшого объема (200-300 м³) при выплавке высококачественного чугуна находит применение древесный уголь. Его малое применение обуславливается малой прочностью и сопротивлением истиранию.

Расход воздуха (дутья) при производстве чугуна достаточно велик. На 1 тонну чугуна расход составляет около 3000 м³.

Значение дутья очень велико. Крупнейшим усовершенствованием явилось обогащение воздуха кислородом, повышения его температуры и давления. Повышение содержания кислорода в дутье на 1% увеличивает производительность печи на 21-25%, а при увеличении на 2,2% производительность возрастает 31-35%.

Домна и доменный процесс

Чугун выплавляется в шахтных печах называемых доменными печами (рис. 8.1). Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 5 (верхняя цилиндрическая часть, служащая для загрузки плавильных материалов и отвода газа), шахту 6 ( она расширяется книзу для обеспечения опускания материалов и лучшего распределения газов по поперечному сечению печи), распар 7 (самая широкая цилиндрическая часть), заплечики 8 (часть печи в виде усеченного конуса с меньшим нижним основанием, форма заплечиков обусловлена сокращением объема шихтовых материалов в результате образования жидких продуктов плавки), горн 9 (нижняя цилиндрическая часть доменной печи; в верхней части горна происходит сжигание кокса, а внизу собираются продукты плавки – чугун и шлак).

 

Рис 8.1. Схема работы доменного цеха

 

Сырые материалы в саморазгружающихся вагонах прибывают на рудный двор. Мостовой кран перегружает материалы в приемные бункеры доменных печей, откуда они с помощью вагон-весов 1 поступают через бункер 2 в загрузочные вагонетки 3. Агломерат, руда, флюс и кокс, поступающие в печь в определенном соотношении, называют шихтой. Она попадает в доменную печь через загрузочные устройства 4.

Шихту подают отдельными порциями по мере опускания проплавляемых материалов. При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.

Современные доменные печи имеют высоту до 80 м, а полезный объем (объем рабочего пространства) до 5600 м³.

В верхней части горна находятся водоохлаждаемые медные фурмы, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Здесь происходит горение кокса, а в нижней части горна на лещади 10 скапливаются жидкие чугун и шлак, которые периодически выпускаются через специальные отверстия – летки.

Доменная печь оснащена несколькими водонагревателями - кауперами 11,12. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого находится камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный в 13 доменный и природный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу 14. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 ⁰С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы – в рабочее пространство печи. Для нагревания воздуха доменная печь оснащается несколькими воздухонагревателями – кауперами. Их число не менее 3. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Подогрев дутья позволяет существенно интенсифицирует доменный процесс.

Вся печь выкладывается из огнеупорного шамотного кирпича (шамот – дешевый огнеупорный материал из обожженной и сырой глины), а снаружи охватывается стальным кожухом толщиной 30-40 мм. Горны и заплечики оборудуются водяным охлаждением. Одним из важнейших условий правильной работы доменной печи является равномерное распределение загружаемых материалов по ее горизонтальному сечению.

Загрузка шихтовых материалов в печь осуществляется по мере необходимости. Для выплавки 1 тонны чугуна в среднем расходуется 1,8 тонны офлюсованного агломерата и 500 кг кокса.

Расплавленный чугун выпускается по мере его накопления через 4-6 часов, а шлак через 40-50 минут. Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы постепенно опускаются вниз. Навстречу им снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при горении топлива.

Физико-химические процессы, протекающие в различных зонах доменной печи, определяются существующими там температурами. В районе воздушных фурм (верхняя часть горна) проходит полное сгорание кокса и природного газа:

С + О₂ = СО₂ + Q

СН₄+О₂= СО₂+Н₂О_(пар)+ Q

При этом выделяющееся тепло поднимает температуру в фокусе горения до 1800-2000^оС. Эти продукты сгорания не являются конечными. Они взаимодействуют с раскаленным коксом по реакции.

С +СО₂ = 2СО – Q;

Н₂О + С = Н₂ + СО – Q.

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода СО является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя.

Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 ⁰С у колошника.

Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 ⁰С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи происходит последовательно от высших окислов к низшим окислам:

Fe₂O₃ ® Fe₃O₄ ® Fe O + Fe.

Образование металлического железа начинается при 400-500 ^оС в верхней части шахты и заканчивается при 1300-1400 ^оС в распаре

Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

Fe O + С = Fe + СО - Q

Восстановление газами ( и ) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

3Fe₂O₃+ СО = 2Fe₃O₄+ СО₂ + Q

Fe₃O₄++ СО= 3FeO+ СО₂ - Q

FeO + СО = Fe + СО₂ + Q

За счет СО и Н₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

Оптимальное соотношение между прямым и косвенным восстановлением зависит от косвенных условий доменного процесса: температуры воздушного дутья, количества природного газа в топливе и других факторов. При температурах выше 900-1000^оС оксид железа FeO восстанавливается только прямым путем. Таким образом, восстанавливается в домне 30-40% железа. 60-70% железа восстанавливается косвенным путем. После восстановления железа при температуре 1300-1400^оС оно находится виде пористой губчатой массы. При дальнейшем взаимодействии железа с углеродом или оксидом углерода образуется карбид железа Fe₃С (цементит):

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂+ Q.

Это итоговая реакция; процесс протекает в две стадии:

2СО=С_(сажа)+ СО₂;

3Fe + C_(сажа) = Fe₃C.

Цементит хорошо растворяется в железе и постепенно науглероживает его. В результате этого образуется сплав железа с углеродом с более низкой температурой плавления.

В зоне распара и заплечиков такой сплав переходит в жидкое состояния и стекает в горн. Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление оксидов кремния, марганца, фосфора и.т..д и их растворение в металле. В составе чугуна всегда есть постоянные примеси: полезные - Мn, Si и вредные – S и Р.

Образование шлака начинается в районе распара при t» 1200 ^оС, когда пустая порода сплавляется с известью. При его стекании вниз и скоплении в горне шлак существенно изменяет свой состав. Шлак состоит в основном из основных и кислотных оксидов.

Шлак интенсивно удаляет наиболее вредную примесь – серу:

FeS + СаО=СаS +FeО+ Q.

Коэффициент перехода серы в шлак составляет 0,9 -0,99.