2. Структурная схема производства чугуна в доменной печи и сущность доменного процесса

Исходными материалами доменной плавки являются железные и марган­цевые руды, топливо и флюс. Продукты плавки - жидкие чугун и шлак, домен­ный газ. Схема производства чугуна в доменной печи представлена на рис. 3.

В доменной печи при нагревании в результате окислительно-восстано­вительных реакций образуется основной продукт плавки — железо, которое после восстановления науглероживается газом. По достижении температуры плавления (1130-1160 °С) металл расплавляется, и, стекая в горн по кускам кокса, продолжает насыщаться углеродом, превращаясь в чугун.

Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того, кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и обеспе­чивает прохождение газового потока в шихте доменной печи.

Исходные материалы для получения кокса - определенные марки камен­ного угля - измельчают, по возможности удаляют пустую породу, усредняют угольную шихту и подвергают ее коксованию - нагреву без доступа воздуха в коксовых печах. Готовый кокс охлаждают (водяное или сухое «тушение»), дро­бят, сортируют для удаления мелких фракций сначала на коксохимическом за­воде и затем перед загрузкой в доменную печь. Отсев кокса (< 25 мм) исполь­зуют, в основном, как топливо для спекания железорудного сырья. Мелкие фракции кокса (> 15 мм) в небольших количествах могут загружаться в домен­ную печь.

Железные руды вносят в доменную печь, кроме железа, и другие эле­менты (марганец, кремний, серу, фосфор и др.) в виде оксидов, которые вос­станавливаются в доменной печи. Для получения высоких технико-экономи­ческих показателей доменной плавки железные руды предварительно подвер­гают специальной подготовке: дроблению, сортировке, обжигу и обогащению. При этом в значительной мере удаляют пустую породу и по возможности вред­ные примеси. После усреднения мелкие железные руды и рудный концентрат окусковывают при помощи агломерации или окатывания. В процессе окускования производят офлюсование пустой породы до заданной основности* до­бавлением в спекаемую шихту флюса. Сырой флюс загружают в доменную печь в незначительном количестве (не более 50 кг/т чугуна) для корректиров­ки химического состава шлака.

Д ля получения чугуна заданного состава в спекаемую шихту добавляют при необходимости марганцевую руду.

Подготовленные шихтовые материалы загружают в доменную печь сверху при помощи засыпного аппарата или бесконусного загрузочного устройства (рис. 4).

В нижнюю часть доменной печи - горн - через воздушные фурмы воз­духодувной машиной подается компримированный воздух. Для уменьшения расхода кокса и повышения производительности доменной печи воздух обога­щают кислородом, нагревают до 1000-1200 °С в воздухонагревателях, а в фур­менную зону через воздушные фурмы специальной конструкции вдувают при­родный газ, мазут или пылеугольное топливо. В результате протекания слож­ных физико-химических процессов между исходными шихтовыми материала­ми и дутьем образуются чугун, шлак и газ.

П ередельный и литейный чугун выпускают из печи 8-16 раз в сутки (в зависимости от объема печи и количества чугунных леток) и направляют в сталеплавильные цехи для передела в сталь или на разливочные машины для разливки в чушки и отправки потребителям. При необходимости в доменных

печах выплавляют доменные ферросплавы - фер­росилиций, ферромарганец и зеркальный чугун, используемые в сталеплавильном производстве для раскисления стали и присадки соответствую­щих элементов.

В результате плавления пустой породы же­лезосодержащих компонентов, флюса и золы кокса в печи образуется шлак, который может выпус­каться через летки для выпуска шлака (верхний шлак) и через чугунные летки (нижний шлак). На современных печах шлаковые летки исполь­зуются редко, т. к. практически весь шлак удаля­ется из доменной печи через чугунные летки при выпуске чугуна.

Жидкий шлак транспортируют шлаковоза­ми на установки грануляции (60-70% от его ко­личества) и в шлаковые отвалы. Грануляция шла­ка может производиться в непосредственной бли­зости от доменной печи (придоменная грануля­ция). На шлаковых отвалах шлак после его затвер­девания перерабатывается в щебень, используе­мый в дорожном строительстве, для производства пемзы, шлаковаты, цемента, строительных панелей и блоков. Кроме этого, при разработке отвалов выделяют скрап (остатки чугуна) массой до 1-1,5 т, который затем используют в шихте доменной печи или в сталеплавильных агрегатах.

Доменный газ, образующийся в печи при взаимодействии шихты с кис­лородом дутья, углеродом кокса и компонентами углеводородсодержащих до­бавок, после очистки используют как энергетическое топливо: для нагрева на­садки воздухонагревателей, стальных заготовок и слитков в нагревательных печах, отопления зажигательных горнов на аглофабриках, котлов паросило­вых установок, а также обогрева коксовых батарей (если коксохимический за­вод расположен на одной промплощадке).

При очистке доменного газа из него отделяют колошниковую пыль и шламы, которые направляют на аглофабрику в качестве добавки в агломерацион­ную шихту для производства агломерата.

Для выполнения регламентных работ по уборке жидких продуктов плавки (набивка чугунных и шлаковых желобов, изготовление футляров чугунных и шлаковых леток, забивка чугунных леток) на доменную печь в зависимости от ее объема и производительности поставляют заправочные огнеупорные мате­риалы - леточные, желобные и футлярные массы. Для этой цели в структур­ной схеме (см. рис. 3) предусмотрено сооружение отделения по приготовлению заправочных материалов. Ранее в доменных цехах при подготовке желобов для выпуска чугуна и шлака применялся песок. В настоящее время использо­вание вместо песка специальной огнеупорной массы заданного состава обес­печивает пропуск 100-150 тыс. т чугуна без замены футеровки желобов.

Современная доменная печь - это мощный и высокопроизводительный металлургический агрегат, расходующий ежесуточно 25—30 тыс. т шихтовых материалов и кокса (500-600 кг условного топлива* на 1 т чугуна). Для обес­печения непрерывной подачи такого количества материалов и удаления про­дуктов плавки необходимо оборудовать доменную печь надежными конструк­циями и механизмами, организовать качественный уход и надзор за ними.

Производство чугуна в доменной печи представляет собой совокупность механических, физических и химических процессов. В результате окислитель­но-восстановительных реакций из оксидов восстанавливаются железо, марга­нец, кремний, фосфор и другие элементы, а оксид углерода, водород, твердый углерод окисляются.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное противоточное движение и взаимо­действие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через ко­лошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении уг­лерода кокса и других углеводородсодержащих компонентов в нагретом до 1000-1200 °С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его периметру фурмы. К дутью могут добавляться технический кислород, водяной пар, а также топливные добавки - природный газ, мазут, пылеугольное топливо, горячие восстановительные газы.

Под действием тепла восходящего газового потока кокс поступает в горн печи нагретым до 1400-1500 °С. В зонах горения у фурм углерод кокса взаи­модействует с кислородом дутья по реакциям:

С_к + О₂ → СО₂ + 400,928 МДж,

С_к + 0,5О₂ → СО + 117,565 МДж.

Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой темпера­туре и избытке углерода химически неустойчив и превращается в оксид угле­рода по реакции:

СО₂ + С → 2СО - 165,767 МДж.

Т аким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, содержащая 32-36% СО; 57-64 N2 и 1-10% Н2 и нагретая до 1800-2100 °С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в нижнюю часть печи вследствие выго­рания кокса, перехода шихтовых материалов из твердого состояния в жидкое (образование чугуна и шлака) и периодического выпуска из доменной печи про­дуктов плавки. При этом газы, пройдя через столб шихтовых материалов, ох­лаждаются до 150-350 °С, а оксид углерода, отнимая кислород у оксидов железа и других металлов, превращается частично в диоксид углерода, содержание ко­торого в доменном газе на выходе из печи достигает 14-20%. Кроме оксида уг­лерода восстановителями являются водород и твердый углерод.

В процессе нагревания опускающихся шихтовых материалов происхо­дит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов СО и Н₂, а при темпе­ратуре свыше 1000 °С и твердого углерода кокса, постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем в металлическое железо по схеме Fe₂0₃ → Fe₃0₄ → FeO → Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглероживается еще в твердом состоянии. По мере науглероживания температура плавления его понижается. Науглероженное железо с некоторым количеством кремния, марганца и фос­фора в виде капель стекает по кускам кокса (т. н. «коксовой насадке») в горн. При этом происходит дальнейшее его науглероживание, которое заканчивает­ся в нижней части горна печи (в жидкой ванне), где содержание углерода в металле (чугуне) может превышать 4%.

В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы железосодержащих компонентов шихты и флюса (SiO , Аl₂О₃, CaO, MgO). Понижению температуры плавления шлака способствуют не восстановленные оксиды железа и марганца (FeO и МnО). В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляются вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса и его зола. При этом сера, поглощенная металлом в ходе плавки, переходит в шлак, образуя сульфид кальция CaS по реакции FeS + СаО → CaS + FeO, в результате чего содержание серы в чугуне снижается до 0,03-0,05%. Железо в доменной печи восстанавливается практически полностью (99,5%) и переходит в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полнота удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества. Фосфор в доменной печи восстанавливается на 100% и полностью переходит в чугун. Таким образом, материалы, загруженные в доменную печь, претерпевают ряд физико-химических превращений, в резуль­тате которых получаются конечные продукты плавки - жидкие чугун и шлак. Внутреннее пространство доменной печи соответственно можно разде­лить на три условные зоны (рис. 5):

- зона твердых кусковых материалов, в которой происходят их нагрев и частичное восстановление железорудной части шихты;

- зона размягчения и плавления железорудных материалов (т. н.«зона когезии»);

- зона дренажа жидких продук­тов плавки, газификации и разруше­ния кокса, окончания процессов об­разования чугуна и шлака.

Ч еткой границы между на­званными зонами не существует, а их конфигурация и размеры на разных доменных печах могут существенно отличаться, что обусловлено целым рядом технологических факторов. Однако представление об основных процессах, происходящих в этих зо­нах, позволяет более эффективно организовать доменный процесс и сформулировать основные техноло­гические требования к шихтовым материалам, порядку их загрузки в печь и многие другие. Так, например, с увеличением производительности и размеров доменных печей одним из наиболее важных параметров ока­залась горячая прочность кокса, по кускам которого стекают в горн жидкие металл и шлак (см. рис. 5).

Все перечисленные процессы протекают в едином пространстве домен­ной печи, оказывая взаимное влияние. Изучение отдельных звеньев доменно­го процесса позволяет описать его более простыми методами.

Развитие теории доменного процесса тесно связано с практикой домен­ного производства. В настоящее время доменный процесс изучается различ­ными приемами:

- теоретический анализ на основе законов теории металлургических про­цессов;

- лабораторные эксперименты и моделирование;

- непосредственное исследование закономерностей процесса на работа­ющих доменных печах.