Подготовка руд к доменной плавке

В целях обеспечения в шихтовых материалах оптимального содержания железа (около 60%), уменьшения вредных примесей (серы, фосфора) руды подвергают специальной подготовке, которая заключается в дроблении, сортировке по крупности, обогащении и окусковании.

Куски руды дробят и сортируют на дробилках и классификаторах.

Обогащение руд основано на использовании различия плотности, магнитных и поверхностных свойств минералов.

Промывка руды водой позволяет отделить песок, глину.

Гравитация - отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой.

Магнитная сепарация - измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие материалы.

Применяют два способа окускования: агломерацию и окатывание.

Агломерация заключается в спекании шихты, состоящей из железной руды (крупностью до 8 мм) ‑ 45 - 50 %, известняка (крупностью до 2 мм) ‑ 15 - 20%, возврата мелкого агломерата ‑ 20 - 30 %, коксовой мелочи ‑ 4 - 6 %, влаги ‑ 6 - 9 %.

Спекание выполняют на агломерационных машинах. Процесс спекания продолжается 10 - 20 минут. Горение топлива доводит температуру до 1400 - 1600 ºС.В процессе спекания частично удаляется сера, мышьяк, восстанавливаются окислы железа с образованием жидких фаз:

2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 2CO = 3Fe₂SiO₄ + 2CO₂.                              (1)

Фаялит (Fe₂SiO₄) имеет температуру плавления 1205ºС, застывая, образует пористый спекагломерат.

Окатывание. Шихта из измельченных концентратов, флюса, топлива, связующих веществ (бентонит – глина, гидроалюмосиликат) в количестве 0,3 - 1,5% и воды (8 - 10 %) при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах приобретает форму шариков ‑ окатышей диаметром до 30 мм.Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200 - 1350ºС, после чего они становятся прочными и пористыми.

Использование офлюсованных агломерата и окатышей вместо сырой руды снижает расход кокса на 18 - 22 %, увеличивает производительность доменных печей на 25 - 26%.

Устройство доменной печи

Доменный процесс является основным способом получения чугуна. Чугун – это сплав железа с углеродом и другими примесями (Si, Mn, S, P и др.);содержание углерода более 2,14% (до 6,67%). Основными шихтовыми материалами доменного производства являются: руды, флюсы, топливо.Процесс доменной плавки непрерывный. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, содержащимся в коксе.

Восстановление железа из руды начинает происходить при помощи окиси углерода (непрямое восстановление) в верхних горизонтах печи, где температура невысока, и постепенно усиливается при опускании вниз по мере повышения температуры примерно до 900 ºC. Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода, поэтому основное восстановление идет за счет окиси углерода и углерода кокса.

Восстановление окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато от высшего окисла железа к низшему в следующем порядке:

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe.

Протекают следующие реакции восстановления:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂                                                              (2)

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂                                                         (3)

FeO + CO = Fe + CO₂                                                                (4)

Основной реакцией считается реакция (4), т.к. конечным продуктом является металлическое железо, и она же называется реакцией косвенного восстановления железа, протекает при умеренных температурах (500…900 ºC) с выделением тепла.

При более высоких температурах (выше 1000…1100 ºC) в присутствии раскаленного кокса в доменной печи идет восстановление железа при помощи углерода по реакции:

FeO + C = Fe + CO                                                                    (5)

Эта реакция называется прямым восстановлением железа. Считается, что в доменной печи около 60…50 % железа образуется по реакции (4), т.е. с помощью окиси углерода, и 50…40 % с помощью твердого углерода (реакция (5)). Прямое восстановление железа происходит в районе распара доменной печи.

Сырые материалы (агломерат, окатыши, кокс), находящиеся в твердом состоянии, загружают в печь сверху, а в нижнюю часть через фурмы подают нагретый воздух и жидкое, газообразное или пылевидное топливо. Полученные от сжигания топлива газы проходят через столб шихты и отдают ей свою химическую и тепловую энергию. Опускающаяся рудная шихта нагревается, восстанавливается и плавится. Часть кокса расходуется в печи на восстановление железа и других элементов, а также на науглероживание железа, но большее его количество достигает фурм, где и сгорает.Общий вид современной доменной печи показан на рис. 1.

Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух толщиной 20 - 25 мм в верхней части и 35 - 40 мм в нижней. Кожух выполняютцельносварным. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая холодильниками.

Внутренние очертания вертикального разреза доменной печи называют ее профилем,в котором различают колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. Взвешенную шихту подают на колошник при помощи двух скипов (вагонеток) 9, двигающихся снизу вверх по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 ‑ в доменную печь. Наличие двух последовательно опускающихся конусов обеспечивает герметизацию колошника при загрузке шихты. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачивается на угол, кратный 60º.

Через загрузочное устройство в печь непрерывно подают шихту в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи ‑ это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000 - 5500 м³. Полезная высота Н доменной печи достигает 35 метров.

Рис.1. Устройство доменной печи

 

Для выпуска шлака в горне есть летка 16, для выпуска чугуна – летка 17.Чугун в зависимости от объема печи выпускается примерно через каждые 3-4ч, шлак – через каждые 1-1,5ч.В период между выпусками летки заделываются огнеупорной массой.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя (рис.2), внутри которого имеются камера сгорания 2 и насадка 3. Насадка в последнее время выполняется шестигранными огнеупорными блоками с круглыми ячейками, ее поверхность нагрева составляет около 30 м² на 1 м³ объема насадки.

Рис. 2. Устройство воздухонагревателя

 

В камеру сгорания к горелке 1 подается очищенный от пыли доменный газ, который, сгорая, нагревает насадку и удаляется через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры 1050 – 1300ºС и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 (рис. 1) - в рабочее пространство со скоростью 100 - 150 м/с. Доменная печь имеет четыре воздухонагревателя: в то время как в одних насадка нагревается, в других‑отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются.

Для футеровки печи применяют шамотный кирпич, высокоглиноземистый кирпич и углеродистые блоки.

Фундамент печи состоит из двух частей: нижней, подземной, называемой подошвой, и верхней, называемой пнем. Подошву выполняют из бетона, а пень ‑ из жароупорного бетона. Фундамент делают в виде огнеупорной плиты толщиной около 4 м. Над фундаментом располагается лещадь, которую выполняют из углеродистых блоков и высокоглиноземистого кирпича (внутренняя часть). Толщина лещади около 5,5 м. Кладка лещади и горна заключена в чугунные плитовые холодильники толщиной около 160 мм с трубками диаметром 45 мм, по которым циркулирует вода.

Заплечики и распар чаще всего делают тонкостенными из высокоглиноземистого кирпича и охлаждают ребристыми плитовыми холодильниками с залитым кирпичом.

Шахту выкладывают из шамотного кирпича, содержащего 35% Al₂O₃; на 2/3 высоты снизу охлаждают холодильниками.

Внутренняя часть колошника выполняется из металлических литых стальных сегментов.

На охлаждение кладки, приходящейся на 1 м³ объема доменной печи, расходуют 1,0 - 1,5 м³ воды в час.

К вспомогательным устройствам доменной печи относятся:

- шихтовый двор, где хранятся, подготавливаются, взвешиваются, загружаемые шихтовые материалы;

- литейные дворы, которые обеспечивают печи чугуновозами и шлаковозами;

-две водопроводные магистрали, подающие воду для охлаждения горна и лещади;

- газоуловители и газоочистители - улавливают доменный (колошниковый) газ и очищают его от пыли;

- воздухонагреватели.