2.Представьте и опишите схему производства чугуна, продукты доменной плавки

Схема доменного производства изображена на рис. 3. Поступающие на металлургический завод руду, концентрат (продукт обогащения руды) и флюс направляют на фабрику окускования, где из них производят агломерат или окатыши. Отсеянный от мелочи агломерат направляют з доменный цех. Одновременно туда подают кокс и дополнительный флюс. Агломерат, флюс и отсеянный от мелочи кокс загружают в доменную печь. Дутье, подаваемое воздуходувкой, подогревают в воздухонагревателе до температуры 1100—1350 °С и нагнетают в печь. Одновременно с дутьем можно также подавать технологический кислород, который выделяют из воздуха на специальных установках. С целью снижения расхода кокса в печь могут вводиться другие виды топлива и восстановители: природный газ, мазут, пылевидное топливо. Оксиды железа, являющиеся полезной частью руды, всегда сопровождаются балластными соеди­нениями, не содержащими железо, ко­торые называются пустой породой. Пустая порода состоит, главным образом, из кремнезема Si02, небольшого количества глинозема, извести СаО, оксида магния MgO.

Флюсом доменной плавки чаще всего является известняк СаСОэ, который после разложения в печи превращается в СаО. Необходимость введения в печь флюса объясняется тем, что остающаяся после восстановления оксидов железа пустая порода вследствие тугоплавкости расплавиться в печи не может. Добавление флюса резко снижает температуру плавления породы, она вместе с флюсом расплавляется, образуя жидкий шлак.

В настоящее время в качестве топлива для доменных печей применяют кокс, который вследствие высокой прочности и пористости является наиболее подходя­щим видом топлива. Продуктами домен­ной плавки являются жидкий чугун, жидкий шлак и колошниковый газ.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав на основе железа, содержащий углерод, кремний, марганец, серу и фосфор. Различают три основных вида продукции: передельный чугун, перерабатываемый в сталь; литейный чугун, из которого отливают готовые изделия; ферросплавы, предназначенные для использования в сталеплавильных цехах.

Так как основное количество чугуна предназначено для переработки в сталь, то доля передельного чугуна в общем его количестве составляет 85—95 %.

Шлак представляет собой балластные, т. е. не содержащие железо, окси­ды, вносимые в доменную печь с рудой, агломератом, золой кокса и флюсом Si02, А1203, CaO, MgO. Он используется для производства строительных и вяжущих материалов.

Колошниковый газ, выходящий из печи, является газообразным топливом и содержит 20 % оксида углерода (II), до 5—6 % водорода и около 0,5 % мета­на. Часть колошникового газа сжига­ется в воздухонагревателях при подогре­ве дутья, а остальной используется как энергетическое топливо в нагреватель­ных печах, в котельных и т. д.

Колошниковая пыль, выдуваемая из печи, и отсеянная от кокса перед за­грузкой в печь мелкая фракция кокса направляются на аглофабрику.

Доменный процесс является процессом восстановительным, так как сущность его заключается в восстановлении оксидов железа из руды. В отличие от него все сталеплавильные процессы окис­лительные, поскольку сущность их со­стоит в окислении примесей, прежде все­го углерода, которые присоединяются к металлу в доменной печи.

Доменная печь является шахтной печью. Верхняя часть печи - колошник и предназначена для загрузки материалов. Ниже располагается шахта, представляющая собой расширяющийся книзу конус. Это расширение необходимо для облегчения опускания твердых материалов, увеличивающихся в объеме при нагревании. К нижней части шахты примыкает наиболее широкая цилиндрическая часть , называемая распаром, в котором происходит плавление шихты. Ниже распара расположены заплечики , имеющие форму усеченного конуса с меньшим основанием внизу, так как объем материалов вслед­ствие плавления уменьшается. Нижней частью печи является цилиндрический горн, в котором происходит горение кокса и собираются жидкие продукты плавления.

Агломерат, руда, известяк и кокс загружаются на колошник доменной печи специальным засыпным аппаратом. Вследствие горения кокса в горне и уменьшения объема шихты из-за плавления чугуна и шлака загруженные на колошник материалы непрерывно опускаются в нижнюю часть печи. Навстречу опускающимся материалам дви­жется поток восстановительных газов. Доменный процесс является восстановительным противоточным процессом, так как он заключается во взаимодействии опускающихся сверху вниз материалов и поднимающегося снизу вверх потока нагретых восстановительных газов, образующихся в горне при горении кокса. Интенсивность теплообменных и восстановительных процессов определяет технико-экономические показатели плавки.

Все происходящие в доменной печи физико-химические процессы можно разделить на три группы: процессы окисления (горения) топлива, процессы восстановления оксидов железа и других элементов и процессы плавления.

Процессы окисления, или горения, топлива протекают в горне доменной печи в небольших объемах возле воздуш­ных фурм. Фурмы расположены по окружности верхней части горна и пред­ставляют собой энергично охлаждаемые водой устройства, через которые в печь подается атмосферное дутье, предвари­тельно нагретое в воздухонагревателях до 1100—1350 °С. В качестве добавок к дутью могут использоваться водяной пар, природный газ и кислород. конечным продуктом горения углерода в горне является оксид углерода (II). Процессы окисления углерода кокса кислородом и оксидом углерода (IV) протекают возле фурм в небольших зонах, называемых окислительными, или зонами горения. В отличие от этих зон, во всем остальном объеме печи атмосфера восстановительная. Образующийся в горне газ поднимается вверх, восстанавливая опускающиеся шихтовые материалы.

Процессы восстановления протекают во всем объеме печи за исключением окислительных зон в горне. В доменной печи восстанавливаются оксиды железа, марганца, кремния, фосфора, серы и некоторых других элементов. Но главным из этих процессов является восстановление основного компонента оксида железа. Восстановителями в доменной печи являются оксид углерода (II) СО. водород Н2 и твердый углерод С. Оксид углерода (II) образуется в горне при горении кокса. Твердый углерод вносится в печь коксом и есть в любой зоне печи. Водород при обычном атмосферном дутье образуется в результате разложения небольшого количества водяного пара, содержащегося в воздухе. Но при вдувании в печь природного газа, представ­ляющего собой почти чистый метан СН4, он разлагается и вносит значитель­ное количество водорода.

Процессы плавления можно разделить на процессы образования чугуна и шлака. На определенном горизонте (в нижней части шахты) в куске рудного материала появляется металлическое железо. Однако расплавиться оно не может, так как температура плавления чистого железа довольно высока — 1535 °С. Такая температура создается гораздо ниже, в области горна/ Расплавившись, чугун в виде капель и струек стекает вниз и скапливается в горне. Ниже этого горизонта в твердом состоя­нии находятся пустая порода руды, известняк и кокс. Опускаясь все ниже, эти материалы нагреваются до более высоких температур, и на определенном уровне порода и флюс расплавляются, образуя жидкий шлак. Он струями стекает в горн и располагается над сло­ем чугуна. Горизонт образования шлака находится обычно на уровне распара. Ниже горизонта образования шлаков в твердом состоянии находится только кокс, который, опускаясь еще ниже, нагревается газами до 1500—1600 °С и, попадая в горн, сгорает в струе дутья.

При совместном стекании вниз шла­ка и чугуна и взаимодействии их в гор­не происходит очистка чугуна от серы. После накопления достаточного количест­ва шлака и чугуна их выпускают из печи через шлаковую и чугунную летки.