Основы производства и обработки металлов учебно-методическое пособи

жидкого чугуна. Чуть выше оси чугунных леток расположена шлаковая летка. В верхней части горна расположены фурмы – устройства, через которые в доменную печь подают горячий воздух, обогащенный кислородом, этот процесс называется воздушно-

кислородным дутьем.

Полезно запомнить распределение температур по профилю доменной печи: на колошнике 300 °С, в верхней части шахты – около 600 °С, в средней части – около 900 °С, в нижней части – около 1200 °С. В самой широкой части доменной печи – распаре температура достигает 1300 °С, в заплечиках – 1500 ºС, в верхней части горна – 1800 °С, в зоне горения углерода кокса – 2000 °С, в нижней части горна, на зеркале жидкого чугуна, держится температура око-

ло 1600 °С.

Доменный цех состоит из комплекса отдельно стоящих, но технологически связанных между собой агрегатов и устройств. Кроме доменных печей в состав цеха входят склады сырых материалов, устройства для подачи компонентов шихты к доменным печам, воздухонагреватели (кауперы), системы газоочистки, средства для уборки чугуна и шлака, отделение разливки чугуна в мелкие слитки (чушки). Доменный цех обслуживают кислородная и воздуходувная станции, представляющие собой самостоятельные подразделения. Современные доменные цеха, кроме того, включают установку придоменной грануляции шлака, участок для обжига известняка и аглофабрику.

Обычно основные технологические агрегаты доменного цеха (сами доменные печи, воздухонагреватели, системы газоочистки) располагаются в линию. Непосредственно к линии доменных печей примыкает бункерная эстакада, которая, по сути, является складом оперативного хранения материалов. Емкость бункера для железорудной шихты составляет 100–200 м3, количество бункеров – от 20 до 35 штук. Это позволяет создавать запас железорудной шихты примерно на сутки. Коксовые бункеры располагаются непосредственно над скиповой ямой для уменьшения числа перегрузок кокса.

31

На одну печь приходится два коксовых бункера емкостью 600 м3, что позволяет создать запас кокса примерно на 6 ч работы печи.

Долговременные запасы исходных компонентов шихты создают на складе, называемом рудным двором, который расположен вдоль линии доменных печей сразу за бункерной эстакадой. Рудный двор по ширине перекрыт мостовым краном-перегружателем, состоящим из двухопорного моста с передвигающейся грейферной тележкой.

Различные компоненты шихты подают к доменным печам разными способами. Различают три потока подачи шихты: 1-й поток – подача прочных железорудных материалов, привозимых со стороны; 2-й поток – это подача агломерата. Агломерат подают с аглофабрики, которая обычно располагается за рудным двором, при помощи транспортеров, непосредственно в бункеры бункерной эстакады; 3-й поток – подача кокса. Кокс нельзя подавать грейфером, поэтому коксовые бункеры располагают вблизи скиповой ямы, а загрузку кокса в них осуществляют с помощью транспортеров.

Подача и нагрев дутья. Для нормального хода доменной печи в нее необходимо ежеминутно вдувать 1,6–2,3 м3 горячего воздушнокислородного дутья на 1 м3 полезного объема печи. Для повышения давления и подачи дутья в печь применяют воздуходувные машины различных типов. Наибольшее распространение получили центробежные воздуходувные машины с паротурбинным приводом (паротурбовоздуходувки – ПТВ) производительностью 4000–7000 м3/мин,

сдавлением на выходе 400–500 кПа.

Внастоящее время воздушное дутье обогащают кислородом, который получают на кислородных станциях с блоками разделения воздуха. Процесс получения кислорода состоит из предварительного сжижения воздуха и его последующей ректификации, т.е. разделения, основанного на различии температур сжижения различных составляющих воздуха. Полученный газообразный технический кислород (95–97 % О2) добавляют во входной патрубок ПТВ.

Воздушно-кислородное дутье нагревают до 1100–1300 °С в воздухонагревателях (кауперах), которые бывают двух типов: со встроенной камерой горения и выносной камерой сгорания. Возду-

32

хонагреватель со встроенной камерой горения представляет собой сигарообразный сосуд внешним диаметром около 10 м, высотой примерно 40 м. Внутреннее пространство каупера состоит из камеры сгорания, подкупольного пространства и огнеупорной насадки.

Огнеупорная насадка представляет собой кладку из огнеупорных кирпичей с вертикальными каналами, размером 45×45 или 60×60 мм. Нижнюю часть насадки выполняют из шамотного кирпича, а верхнюю – из высокоглиноземистого кирпича.

Различают два режима работы каупера: газовый и воздушный. Газовый режим еще называют режимом работы «на нагрев», а воздушный – режимом работы «на дутье». При работе в режиме «на нагрев» очищенный доменный газ сгорает в камере сгорания. Продукты сгорания, проходя через подкупольное пространство, попадают в огнеупорную насадку и нагревают ее. В режиме работы «на дутье» холодный воздух, обогащенный кислородом, вдувают в горячую огнеупорную насадку, где и происходит его разогрев до необходимой температуры. Далее горячее воздушно-кислородное дутье подают в кольцевой воздухопровод, расположенный вокруг верхней части горна доменной печи (так называемый фурменный пояс), откуда дутье поступает в фурмы, а через них – в горн доменной печи.

Длительность газового режима примерно в два раза больше, чем воздушного. В связи с этим для нормальной работы доменной печи необходимо как минимум три каупера, два из которых в данный момент времени работают в газовом режиме, а один – в воздушном. Фактически в настоящее время на одну доменную печь приходится 4 каупера (или 7 кауперов на две печи).

Очистка доменного газа. Вместе с колошниковым (доменным) газом из доменной печи выносится значительное количество пыли, содержание которой составляет от 2 до 40 г/м3. Использование газа, загрязненного пылью, в качестве топлива недопустимо. Поэтому доменный газ очищают от пыли до ее остаточного содержания 0,002–0,005 г/м3. Газ последовательно подвергают грубой, полутонкой и тонкой очистке:

33

–грубая – это очистка сухим способом в пылеуловителях, или циклонах, до остаточного содержания пыли 1–3 г/м3;

–полутонкая – мокрая очистка в скрубберах и трубах-распыли- телях (трубы Вентури) до содержания 0,5–1,5 г/м3;

–тонкая– мокрая очистка в трубах-распылителях, а также сухая илимокраяочисткавэлектрофильтрахдосодержания0,001–0,005 г/м3.

Конечными продуктами доменного процесса являются чугун,

шлак, доменный (колошниковый) газ, колошниковая пыль, а также новый железосодержащий материал, имеющий торговое название «Синтеком». Чугун является основным продуктом доменного производства; шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль – побочными продуктами. Все доменные чугуны разделяют на три класса:

передельные чугуны, литейные чугуны и специальные чугуны, к которым относят и доменные ферросплавы.

Передельные чугуны (до 90 % всех выплавляемых чугунов) предназначены для дальнейшей переработки (передела) в сталь в конвертерах, мартеновских и электродуговых печах. Передельные чугуны делят на передельные коксовые, передельные коксовофосфористые и передельные коксовые высококачественные. Средний состав передельных чугунов: углерода 4,2–4,9 %; кремния 0,3–1,2 %;

марганца 0,2–1,0 %; фосфора 0,15–0,20 %; серы0,015–0,050 %.

Литейные чугуны предназначены для получения чугунных отливок. Они обладают лучшими, по сравнению с передельными чугунами, литейными свойствами, в первую очередь жидкотекучестью. Литейные чугуны делят на четыре класса по содержанию фосфора (от 0,1 до 1,2 %), а каждый класс – на 6 марок по содержанию кремния (от 0,50 до 3,75 %).

Кспециальным чугунам относят чугуны с особыми свойствами: теплостойкие, износостойкие и др. Для получения специальных свойств в чугуны вводят легирующие элементы: хром, никель, кремний, алюминий и др. Такие чугуны выплавляют либо в вагранках, либо, чаще, – в индукционных электропечах.

Кдоменным ферросплавам относят доменный ферромарганец

(10–25 % Mn, до 2 % Si) и доменный ферросилиций (10–18 % Si).

34

Доменные шлаки содержат, в основном, различные оксиды: 35–40 % SiO2, 8–22 % Al2O3, 38–48 % CaO, 2–12 % MgO и другие.

Кроме того, в доменных шлаках в небольших количествах присутствуют продукты удаления серы: FeS, MnS, CaS, MgS. В среднем выход шлака составляет 250–350 кг на 1 т чугуна и определяется содержанием пустой породы в железорудных материалах. В настоящее время доменные шлаки широко используют (до 80 % всех шлаков) для изготовления различных строительных материалов: цемента, растворов, бетонов, шлаковой пемзы и минеральной ваты, теплоизоляционных материалов и др.

Доменный (колошниковый) газ – это газ, отводимый из доменной печи через газопроводы, установленные на колошнике. Средний состав доменного газа: 24–32 % СО, 0,2–0,4 % СН4, 1,5– 2,0 % Н2, 10–18 % СО2, остальное – азот. Выход доменного газа 1700–3000 м3 на 1 т чугуна. Поскольку в составе доменного газа присутствует значительное количество горючих компонентов (СО, СН4, Н2), после очистки от пыли его используют как топливо. До 50 % всего колошникового газа идет на обогрев кауперов, некоторое его количество используют для отопления нагревательных печей прокатных станов. После удаления СО2 доменный газ могут вдувать в доменную печь с целью сокращения удельного расхода кокса.

Колошниковая пыль– это продукт грубой очистки колошникового газа. Она представляет собой смесь мелких частиц всех компонентов шихты, загружаемых в доменную печь. Выход колошниковой пыли составляет от 25 до75 кг на 1 т чугуна. Колошниковую пыль используютв качестве компонента шихтыприпроизводстве агломерата.

«Синтеком» – новый железосодержащий материал, получаемый путем заливки железорудных окатышей или агломерата жидким чугуном в различных соотношениях. Этот синтетический материал одновременно содержит железо, углерод и оксиды железа. «Синтеком» используют как шихтовый материал в конвертерном и электросталеплавильном производстве взамен чугуна или стального лома (скрапа).

35

Технико-экономическими показателями, характеризующими работу доменной печи, являются: производительность в единицу времени и расход кокса на тонну выплавляемого чугуна. Кроме того, для сравнительной оценки эффективности работы доменных печей различного объема в России используют относительный показатель, так называемый коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИПО).

Для оценки производительности в единицу времени пользуются не суточной выплавкой, а среднесуточной производительностью, т.е. средней производительностью за какой-либо представительный период времени (месяц, квартал, год), исключая время, затраченное на проведение капитальных ремонтов.

Удельный расход кокса (расход кокса на тонну выплавляемого чугуна) в настоящее время является важнейшим показателем доменной плавки. В данном показателе, как в фокусе, отражается уровень техники и технологии самой плавки, степень подготовки сырья, мастерство металлургов-доменщиков. За последние 50–60 лет удельный расход кокса снизился с 930 до 530 кг/т передельного чугуна. На лучших печах он составляет 360–400 кг/т.

Коэффициент использования полезного объема представляет собой отношение полезного объема печи Vп к среднесуточной производительности G; КИПО = Vп/G, м3·сут/т. Из двух доменных печей лучше работает та, у которой КИПО меньше. За последние 50– 60 лет КИПО уменьшился с 1,15 до 0,55 м3·сут/т. На лучших печах достигнут уровень КИПО 0,4 м3·сут/т.

Перспективы развития доменного процесса. В XX в. разви-

тие техники и технологии доменного производства шло по пути увеличения полезного объема печей, совершенствования конструкции отдельных элементов, разработки различных систем управления и контроля. Большое внимание было уделено повышению надежности и долговечности работы различных агрегатов, уменьшению доли ручного труда, повышению безопасности работы и улучшению условий труда обслуживающего персонала, снижению экологически вредных выбросов. Доменные печи являются пре-

36

красными агрегатами для переработки различных отходов: старых денежных купюр, изделий из пластика, которые в измельченном состоянии вдувают в горн печи.

В последние годы разработаны высокоэффективные доменные печи с малым полезным объемом 500–800 м3, которые хорошо вписываются в технологический цикл мини-заводов для обеспечения дуговых электропечей жидким чугуном. Кроме того, доменная печь может хорошо сочетаться с альтернативным способом производства чугуна – КОРЕКС-процессом, при этом колошниковый газ КО- РЕКС-процесса можно использовать в качестве компонента комбинированного дутья.

Исходя из сказанного, доменный процесс, по мнению Г.Н. Еланского, в ближайшие 25–50 лет будет оставаться главным способом производства чугуна для последующего передела в сталь.

Вболее далекой перспективе доменная печь может быть использована как агрегат для получения исходных материалов для цветной металлургии. Этому будут способствовать два обстоятельства: вопервых, в компонентах шихты доменного процесса в небольших количествах присутствуют многие цветные, редкие и рассеянные металлы. Во-вторых, в условиях доменной плавки происходит более глубокое, чем в известных методах цветной металлургии, разделение этих металлов: они полностью переходят или в чугун, или в шлак, или происходит их полная газификация, а легкоплавкие металлы растворяются в расплавленном свинце, находящемся налещади доменной печи.

Таким образом, продукты доменной плавки могут рассматриваться как перспективные исходные материалы для последующего извлечения цветных, редких и рассеянных металлов.

Под процессами внедоменного получения железа понимают такие химические, химико-термические или электрохимические процессы, которые позволяют без участия доменной печи получать железо в виде губки, металлизованных окатышей или жидкого металла.

Внастоящее время такие продукты называют прямовосстановленным железом (ПВЖ). В случае если губчатое железо или металлизованные окатыши подвергают последующему горячему брике-

37

тированию, то такие продукты называют горячебрикетированным железом (ГБЖ).

Методы прямого получения железа из руд известны давно, но в последние десятилетия интерес к ним сильно возрос. Причины этого заключаются в том, что, во-первых, при реализации этих процессов отпадает необходимость в использовании кокса, а во-вторых – совершенствование способов обогащения привело к возможности получения железорудных концентратов, очень богатых по железу и одновременно очень чистых по сере и фосфору. Например, железорудный концентрат, производимый на ОАО «Лебединский ГОК», содержит менее 0,01 % серы и менее 0,003 % фосфора. Преимущество высокой чистоты исходной шихты в доменном процессе не может быть использовано, поскольку большое количество фосфора и особенно серы в доменную печь попадает с коксом.

Внастоящее время до 90 % всего ПВЖ и ГБЖ получают при

восстановлении газообразными восстановителями (СО и Н2), получаемыми в результате конверсии природного газа. Поэтому наибольшая доля ПВЖ и ГБЖ производят страны, имеющие большие запасы природного газа (Мексика, Венесуэлла и др.).

К недостаткам методов производства ПВЖ можно отнести склонность ПВЖ к самовозгоранию, низкую абсолютную производительность, присутствие в ПВЖ золы и серы угля.

Среди методов твердофазного восстановления оксидов железа

сиспользованием природного газа наиболее распространен процесс Мидрекс. Второе место по распространенности занимает процесс ХИЛ.

Процесс Мидрекс разработан в 1966 г. Главными агрегатами для реализации процесса являются: шахтная восстановительная печь для металлизации и риформер (реактор) для получения газоввосстановителей из природного газа.

Вриформере осуществляют конверсию природного газа, при этом природный газ вначале разлагают на водород и углерод, затем – дожигают углерод до СО кислородом (кислородная конверсия), углекислым газом (углекислотная конверсия) или водяными парами (водяная или паровая конверсия). В процессе Мидрекс ис-

38

пользуют углекислотную конверсию, при этом источником СО2 является колошниковый газ шахтной восстановительной печи, который после очистки и охлаждения добавляют к природному газу.

В России процесс Мидрекс реализован на ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат». Четыре установки Мидрекс имеют суммарную годовую производительность 2 млн т ПВЖ / год.

Процесс ХИЛ разработан в 1957 г. Процесс ведут в четырех ретортах. В то время как на одной из реторт осуществляют разгрузку готового ПВЖ и загрузку железорудного сырья, на второй реторте производят подогрев шихты и восстановление ее газами, выходящими из третьей и четвертой реторт, причем предварительно эти газы очищают от паров воды и подогревают. В третьей реторте происходят процессы довосстановления шихты свежим горячим газом-восстановителем, поступающим из риформера, а на четвертой реторте проводят науглероживание полученного ПВЖ. В процессе ХИЛ используют паровую (водяную) конверсию природного газа.

Перспективы развития процессов получения ПВЖ связыва-

ют с подачей подогретой смеси колошникового и природного газа в зону восстановления шахтной печи. Туда же подают конвертированный восстановительный газ с добавкой кислорода. Для улучшения газопроницаемости столба шихты газы подают на двух уровнях. Природный газ, попадая в шахту, подвергается авториформингу. Авториформинг означает превращение (конверсию) природного газа в смесь газов-восстановителей за счет использования каталитических свойств свежеполученного металлического железа.

Литература: [1–3, 10–12, 14].

Вопросы для самоконтроля

1.Что является шихтой доменного процесса?

2.Что такое железная руда? Перечислите наиболее распространенные железные руды.

3.Каково назначение доменного флюса?

4.Каковы функции кокса в доменном процессе?

39

5.Для чего необходима подготовка руд? Перечислите стадии подготовки.

6.Что такое усреднение шихты? Сформулируйте главную цель усреднения.

7.Что такое обогащение руды? Дайте краткую характеристику способов обогащения.

8.Дайте определение агломерации. Опишите основные химические процессы при агломерации.

9.Что называют профилем доменной печи? Перечислите основные части профиля.

10.Что представляет собой бункерная эстакада и рудный двор?

11.Какое оборудование используют для подачи и нагрева дутья?

12.Каковы конечные продукты доменного процесса? Дайте их краткую характеристику.

13.По какому показателю можно сравнить эффективность работы двух доменных печей?

14.Каковы перспективы доменного процесса?

15.Что представляют собой процессы внедоменного получения железа?

Студентам очной формы обучения на самостоятельное ос-

воение выносятся следующие темы данного раздела: «Продукты доменной плавки», «Технико-экономические показатели работы доменных печей», «Очистка доменного газа», «Энергосбережение

иматериалосбережение в доменном производстве».

Врезультате освоения темы «Продукты доменной плавки» студент должен знать виды чугунов и их назначение, представлять пути использования побочных продуктов доменной плавки – доменного шлака и доменного газа. В результате освоения темы «Техни- ко-экономические показатели работы доменных печей» студент должен уметь оценивать и сравнивать эффективность работы различных доменных печей. Тема «Очистка доменного газа» должна дать студенту представление об оборудовании, используемом на различных стадиях очистки доменного газа.

40