Міністерство освіти і науки України
Дніпродзержинський державний технічний університет
Крячко Г.Ю.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
з дисципліни «Теорія і технологія доменного процесу»,
частина І «Теоретичні основи доменного процесу»
для студентів напряму 6.050401 – Металургія
Затверджено редакційно-видавничою
секцією науково-методичної ради
Дніпродзержинськго державного
технічного університету
«_20_»__05__2013 р., протокол №_8
Дніпродзержинськ
2013
Розповсюдження і тиражування без офіційного дозволу Дніпродзержинського державного технічного університету заборонено.
Конспект лекцій з дисципліни “Теорія і технологія доменного процесу” частина І «Теоретичні основи доменного процесу» для студентів напряму 6.050401 – Металургія / Укл.: Крячко Г.Ю.– Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2013. – 83 с.
Укладач: канд. техн. наук, доцент Крячко Г.Ю.
Рецензенти: В.П.Полєтаєв, канд.техн.наук, доцент (ДДТУ)
Затверджено на засіданні кафедри
металургії чорних металів
протокол № _7_ від ___07.04____ 2013 р.
Коротка анотація видання. У конспекті лекцій наведені теоретичні основи доменного процесу. Призначено для студентів усіх форм навчання напряму 6.050401 – Металургія.
Зміст
Стор.
1 Процеси в горні доменної печі. Утворення гарячих відновлювальних газів…………………………………………….. |
5 |
1.1 Загальна характеристика процесів в горні…………………………... |
5 |
1.2 Горіння вуглецю і склад газу в горні…………………………………. |
5 |
1.3 Характеристика зон горіння…………………………………………... |
6 |
1.4 Механічні процеси у фурмених зонах……………………………….. |
7 |
2 Теплообмін в доменній печі……………………………………. |
11 |
2.1 Параметри для оцінки теплообміну в доменній печі……………….. |
11 |
2.2 Сучасна схема теплообміну по висоті печі…………………………. |
13 |
3 ВІДНОВЛЕННЯ ЗАЛІЗА В ДОМЕННІЙ ПЕЧІ…………………………. |
15 |
3.1 Термодинамічні основи відновлювальних процесів………………… |
15 |
3.2 Термодинаміка відновлення оксидів заліза………………………….. |
17 |
3.2.1 Відновлення оксидів заліза монооксидом вуглецю…………... |
18 |
3.2.2 Відновлення оксидів заліза воднем…………………………….. |
20 |
3.2.3 Порівняння відновної здатності СО і Н2………………………. |
20 |
3.2.4 Відновлення оксидів заліза вуглецем………………………….. |
22 |
3.2.5 Порівняння прямого і посереднього (непрямого) відновлення, переваги і недоліки кожного……………………………………. |
22 |
4 ВІДНОВЛЕННЯ ДОМІШОК І ФОРМУВАННЯ ЧАВУНУ……………… |
25 |
4.1.Класифікація оксидів доменної шихти за хімічною спорідненістю до кисню……………………………………………………………….. |
25 |
4.2 Відновлення оксидів кремнію, марганцю і фосфору……………… |
25 |
4.2.1 Відновлення кремнію…………………………………………… |
25 |
4.2.2 Відновлення марганцю…………………………………………. |
27 |
4.2.3 Відновлення фосфору…………………………………………… |
29 |
4.3. Відновлення із оксидів легковідновлюваних елементів……………. |
29 |
4.3.1. Відновлення свинцю…………………………………………… |
29 |
4.3.2. Відновлення цинку……………………………………………... |
30 |
4.3.3 Відновлення міді………………………………………………… |
31 |
4.3.4. Відновлення нікелю…………………………………………….. |
32 |
4.4. Відновлення оксидів важковідновлюваних супутніх металів……... |
32 |
4.4.1 Відновлення хрому……………………………………………… |
32 |
4.4.2 Відновлення ванадію……………………………………………. |
33 |
4.4.3 Відновлення титану……………………………………………... |
34 |
4.5 Утворення і формування чавуну……………………………………… |
34 |
4.6. Види доменних сплавів……………………………………………….. |
36 |
5 УТВОРЕННЯ І ВЛАСТИВОСТІ ШЛАКУ………………………………. |
38 |
5.1 Загальна характеристика шлаку………………………………………. |
38 |
5.2 Утворення шлаку………………………………………………………. |
38 |
5.3 Характеристика первинного, проміжного і кінцевого шлаків……… |
38 |
5.4 Склад, властивості шлаку і методи їх опису………………………… |
39 |
5.4.1. Доменний шлак, його склад і основні властивості…………... |
39 |
|
40 |
5.4.3. Температура плавління………………………………………… |
41 |
5.4.4. В'язкість шлаку…………………………………………………. |
42 |
5.4.5. Плавкість шлаку………………………………………………. |
44 |
5.4.6.Сіркопоглинальна властивість шлаків………………………… |
45 |
6 Десульфурація чавуну…………………………………………….. |
47 |
6.1. Десульфурація чавуну в доменній печі……………………………… |
47 |
6.1.1 Надходження сірки в піч і її розподіл між продуктами плавки |
47 |
6.1.2 Поведінка сірки в доменній печі……………………………….. |
48 |
6.1.3 Реакції десульфурації чавуну………………………………….. |
48 |
6.1.4 Умови переходу сірки із чавуну до шлаку……………………. |
49 |
7 Методи інтенсифікації доменної плавки………………….. |
51 |
|
51 |
7.2 Зміна вологості дуття……………………………………………….. |
54 |
|
56 |
7.4 Вдування нереформованого палива в горн……………………….. |
58 |
7.4.1 Вдування в горн природного газу……………………………. |
60 |
7.4.2 Вдування пиловугільного палива…………………………… |
62 |
7.4.3Комбіноване дуття…………………………………………….. |
65 |
8 ГАЗОДИНАМІКА ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ…………………………….. |
69 |
8.1 Рух шихтових матеріалів……………………………………………. |
69 |
8.1.1 Причини опускання шихти…………………………………… |
69 |
8.1.2 Сили, що діють на стовп шихти працюючої печі ………….. |
69 |
8.1.3 Структура стовпа шихти……………………………………… |
72 |
8.1.4 Газопроникність стовпа шихти………………………………. |
73 |
9 РОЗРАХУНКОВИЙ АНАЛІЗ ДОМЕННОГО ПРОЦЕСУ…………… |
76 |
9.1 Розрахунок шихти, дуття і колошникового газу…………………. |
76 |
9.1.1 Суттєвість методів розрахунку шихти………………………. |
76 |
9.1.2 Дані, необхідні для розрахунку шихти……………………… |
76 |
9.1.3 Послідовність дій при розрахунку шихти…………………… |
76 |
9.1.4 Розрахунки дуття і колошникового газу…………………….. |
77 |
9.2 Матеріальний і тепловий баланси доменної плавки………………. |
77 |
9.2.1 Матеріальний баланс………………………………………….. |
77 |
9.2.2. Тепловий баланс плавки………………………………………. |
78 |
9.2.3. Характеристики роботи печі, що розраховуються за даними теплового балансу…………………………………….. |
79 |
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………….. |
81 |
1 Процеси в горні доменної печі. Утворення гарячих відновлювальних газів
1.1 Загальна характеристика процесів в горні
В горні доменної печі закінчуються процеси відновлення елементів, шлакоутворення, навуглецювання і десульфурації чавуну.
Найважливішим процесом, що відбувається в горні є горіння вуглецю палива в кисні дуття біля фурм. Цей процес пов’язаний з газомеханічними процесами. Згорання вуглецю коксу є основною причиною опускання матеріалів в печі. В горні в результаті дії струменю дуття утворюється порожнини біля повітряних фурм (зони «циркуляції») в котрих, як в русі, так і в шарованому режимі інтенсивно горить кокс. В горні утворюються гарячі відновлювальні гази і виділяється тепло, необхідне для нагрівання матеріалів і продуктів плавки, протікання процесів дисоціації, відновлення елементів із оксидів тощо.
Таким чином, горн доменної печі виконує функції генератора тепла і відновлювальних газів, приймача продуктів плавки і реактора для доведення чавуну. Через це процеси в горні визначають ефективність доменної плавки в цілому.
1.2 Горіння вуглецю і склад газу в горні
Для згорання палива, підігрітого горновим газом, що здіймається вгору, до моменту надходження його в горн із температурою біля 1500С в доменну піч через 14-42 рівномірно розташованих по окружності горна фурмених пристроїв подається повітря, нагріте до 1000-1350С. Маючи високу потужність 65-120 кДж/с (швидкість до 260 м/с) струмінь дуття розповсюджується вглиб горна.
Горіння твердого палива розвивається на поверхні контакту двох фаз – твердої і газової. Газ-окислювач, адсорбуючись на реакційній поверхні палива, утворює з вуглецем складні кисневі комплекси СхОу, що розкладаються на СО і СО2, які десорбують і переходять в газ. СО поблизу твердої поверхні догоряє до СО2. Вуглекислота за рахунок розжареного коксу відновлюється до СО.
Оскільки кінцевим продуктом згоряння вуглецю в доменній печі є СО, то із одного об’єму О2 утворюється два об’єми СО (2С + О2 → 2СО або СО2 + С→2СО). Тому із 100 об’ємів сухого повітря, що містить 79% N2:21% О2 об’ємних буде одержано 79 об’ємів N2 (нейтральний) і 42 об’єми СО, тобто всього 121 об’єм газу. На виході із окислювальної зони газ буде мати склад:
42/121 · 100 = 34,7% СО
79/121 · 100 = 65,3% N2
Атмосферне дуття завжди містить вологу або природну або додаткову. В результаті кількість газу зменшується, вміст СО і Н2 в газі зростає, а N2 знижується.
Збагачення дуття киснем веде також до підвищення вмісту СО і Н2 в газі і зниження вмісту N2 при загальному зменшенні кількості утвореного газу на одиницю вуглецю.
Вуглеводеньвмісні добавки до дуття (природний і коксовий газ, мазут) викликають підвищення кількості газу при атмосферному дутті:
2СН4 + О2 + 3,76N2 →2 CО + 4Н2 + 3,76N2 (1.1)
в порівнянні 2С + О2 + 3,76 N2→ 2СО + 3,76N2 (1.2)
Внаслідок вміст СО і N2 знижується, а Н2 зростає.
Вміст О2 по мірі віддалення від фурми безперервно зменшується (рис.1.1) внаслідок горіння С і догорання СО:
С + 1/2О2 → СО + 17,845 МДж (1.3)
СО + 1/2О2→ СО2 + 282,583МДж (1.4)
Рис. 1.1. Зміна складу газу по осі фурми без утворення (а) і при утворенні (б) прифурменої порожнини
По мірі зменшення вмісту кисню в газі відповідно зростає вміст СО2 і на деякій відстані від торця фурми воно досягає максимуму, після чого вміст СО2 знижується до повного зникання із газової фази. Зниження вмісту СО2 в газі супроводжується зростанням вмісту СО, що обумовлено реакцією
СО2 + С → 2СО + 165,797 МДж (1.5)
Таким чином кінцевим результатом горіння С в горні є СО (продукт неповного згоряння С).