Металлургия технология угля и неметаллических полезных ископаемых3

К а р б о н и з а ц и я рудно-флюсовых окатышей заключается в обработке их газами, содержащими повышенное количество угле­ кислого газа. Процесс превращения гидрата окиси кальция в кар­ бонат сопровождается также сушкой окатышей

Са (ОН)2 4“ С02 пН20 = СаСОз -(- (/i 0 Н2Опар.

Интенсивный, ход процесса карбонизации — сушки имеет ме­ сто только при определенном содержании влаги в шихте.

Применение в шихте мелассы (патоки) в количестве 0,1—0,2% и других материалов, содержащих глюкозу, раздвигает опти­ мальные пределы влажности обрабатываемого материала и уско­ ряет процесс карбонизации. Предложено использовать мелассу или глюкозу совместно с хлоридами щелочноземельных металлов. Прочность окатышей при этом повышается в три-четыре раза.

Процесс естественной карбонизации гашеной извести на воз­ духе протекает медленно и проявляется лишь при длительном вы­ леживании материала, так как содержание углекислого газа в атмосфере не превышает 0,04%.

А в т о к л а в и р о в а н и е заключается в гидротермальной об­ работке окатышей. При этом происходит образование гидросили­ катов или гидроферритов по реакциям:

Si02 + Са (ОН)2 + /гН20 = СаО • Si02 (п -f 1) Н20,

Fe30 4 + СаО (ОН)2 + nH20 = СаО (Fe03-Fe20) (п + 1) Н20.

Предполагается, что в процессе автоклавирования, кроме це­ ментации структуры окатышей гидросиликатом кальция, возмож­ но возникновение дополнительных сил сцепления между кристал­ лами вследствие увеличения содержания химически связанной во­ ды при перекристаллизации С а(0Н )2-й 1а(0Н )2/гН20.

Автоклавная обработка производится при давлениях 7—8 атм

итемпературе 170—200° С.

Об ж и г сырых окатышей производят в шахтной печи или на подвижной колосниковой решетке обжиговой машины типа агло­ ленты при температуре 1100—1300° С.

Схема установки для производства обожженных окатышей представлена на рис. 5. Обжиговая машина ОК-Ы08 с непрерыв­ ным процессом загрузки, обжига и разгрузки окатышей приспо­ соблена для обжига твердым топливом, накатанным на поверх­ ность сырых окатышей, и обжига газообразным топливом, сжи­ гаемым в горне. Производительность машины 100—130 т окаты­

шей в час. Тарельчатый окомкователь диаметром 5500 мм имеет производительность 30—40 т/н сырых окатышей, производитель­ ность барабанного окомкователя диаметром 2,8 м и длиной ба­ рабана 11 м составляет 40 т/н.

Обожженные окатыши диаметром 12—16 мм выдерживают на­ грузку на раздавливание до 100 кГ, они сохраняют форму и не разрушаются при перегрузках.

Применение калиброванных и прочных окатышей улучшает га­ зодинамические свойства доменной шихты, что позволяет автома­ тизировать процесс, повысить производительность доменных печей и улучшить технико-экономические показатели производства.

Рис. 5. Схема установки для производства обожженных окатышей:

Офлюсованные окатыши, например, из качканарского концент­ рата (55,16% Fe; 8,6% СаО; 5,75% Si02; основность 1,5) имеют высокую степень окисленности (94,8—97,0%) и прочность.

Механическая прочность обожженных офлюсованных окаты­ шей превосходит прочность офлюсованного агломерата, а имен­ но: выход класса 0—5 мм после разделки барабанной пробы ока­ тышей составляет 7,6—8,5%; сопротивление раздавливанию на один окатыш достигает 65—75 кГ

Офлюсованные окатыши с основностью 1,2—1,6 имеют пори­ стость до 40%. Хранить окатыши можно в обычных атмосферных условиях без опасения их разрушения вследствие гидратации из­

вести. Они находят все большее применение в практике домен­ ного производства. Причем, в связи с получением железорудных концентратов более глубокого обогащения и, следовательно, более тонкого измельчения, химические и физические свойства окаты­ шей улучшаются.

§ 3. Доменный процесс

Доменная плавка — это совокупность химических, физических, теплообменных и механических процессов, в результате одновре­ менного протекания которых из загружаемых в доменную печь исходных материалов — агломерата (рудных окатышей), кокса и флюса — получают продукты плавки — чугун, шлак, колошнико­ вые газы и пыль. В процессе плавки шихтовые материалы пере­

чугун и шлак периодически выпускаются.

Наиболее важными в доменной печи являются реакции вос­ становления окислов железа, кремния, марганца и фосфора, про­ цессы науглероживания металла твердым углеродом кокса и пре­ вращение его в чугун, а также процессы шлакообразования и реакции, протекающие в системе шлак — металл.

Тепло от горения кокса у фурм должно компенсировать об­ щее теплопотребление восстановительного процесса, происходя­ щего в доменной печи, включая стадии нагрева и сушки шихты, газификации топлива и плавления руды.

Горение кокса

Горение кокса происходит возле фурм за счет кислорода вду­ ваемого воздуха, нагретого до температуры 800—1000° С. Непо­ средственно у фурм создается окислительная атмосфера, так как углерод кокса сгорает здесь преимущественно по реакции

С + 0 2 = С02 + 94,03 ккал.

По мере продвижения газов к оси печи и уменьшения содер­ жания в них кислорода углекислый газ реагирует с кусками рас­ каленного кокса по реакции, протекающей с поглощением тепла

С + С02 = 2СО — 41 ккал.

Суммарная реакция горения углерода в воздухе выражается уравнением

2С + 0 2 + 3,762N2 = 2СО -f 3,762N2.

Таким образом, на уровне фурм к центру печи возрастает со­ держание СО в газе до ~40% и снижается температура с 1700— 1900° С у фурм до 1450—1600° С на расстоянии 1,5—2 м от фурм.

Окислительная зона в печи простирается от фурм примерно на 1200—1400 мм к вертикальной оси и на 600—1000 мм вверх от

горизонта фурм. В этой зоне концентрация СО2 в газе проходит через максимум (~10% СО2) на расстоянии 500—700 лш-от фурм; соответственно здесь также достигается максимальная тем­ пература.

При воздушном дутье в горне образуется восстановительный газ следующего состава: 34% СО, 65,3% N2 и менее 1% Н2. Газ распространяется к оси печи и вверх, взаимодействуя с различ­ ными шихтовыми материалами как восстановитель и теплоноси­ тель процесса. Колошниковый газ, покидающий доменную печь, имеет следующий состав: 8—12% С02; 39—40% (СО + С 02); 0,2— 0,4% СН4; 2,5—3% Н2 и 57—58% N2; теплота сгорания газа око­ ло 900—1000 ккал/нм3.

Давление дутья у фурм зависит от объема печи и составляет примерно 2,2—2,5 ата, а над уровнем шихты на колошни­ ке — 1,1 ата.

Современные доменные печи работают на искусственно по­ вышенном до 1—1,8 ати давлении газа на колошнике, что спо­ собствует более равномерному распределению газов по сечению печи, улучшает проникновение его в куски рудной шихты и поз­ воляет увеличить расход дутья без опасения возрастания выноса

шего стадию конверсии (СН4->СО + Н2), позволяет сократить рас­ ход дорогого и дефицитного кокса, улучшить условия теплооб­ мена в фурменной зоне, снизить содержание серы в чугуне и уве­ личить производительность доменных печей за счет улучшения условий восстановления окислов железа водородом. Использова­ ние природного газа для доменной плавки находит все более ши­ рокое применение.

Восстановление окислов

Согласно принципу последовательности превращений окислов металлов, сформулированному А. А. Байковым, восстановление высшего окисла железа БегОз при температурах выше 570° С про­ ходит ряд промежуточных ступеней:

Fe20 3 -» Fe30 4 FeO Fe.

Восстановление окисла металла Л4еО элементом-восстанови­ телем или его низшим окислом, например С или СО, термоди­ намически возможно, если сродство к кислороду у С или СО больше, чем у данного металла. Мерой прочности окисла явля­ ется величина упругости его диссоциации, т. е. равновесного пар­ циального давления кислорода при данных температуре и давле­ нии. Если, например, Рмсо>Рсо, то восстановление МеО будет иметь место. При равенстве этих величин устанавливается рав­ новесие соответствующих систем.

Восстановление окислов железа окисью углерода (косвенное) протекает по следующим реакциям:

3Fe20 3 (ТВ) + СО = 2Fe30 4 (ТВ) + С02+ 15,05 ккал,

Fe30 4 (тв) + СО = 3FeO(TB) + С02 — 5,35 ккал,

FeO(Tn) СО = Fe(XB) -1- С02 -[-3,15 ккал.

Кривые, отвечающие равновесию этих реакций, т. е. опреде­ ленному (при данной температуре) отношению концентраций

в газовой фазе, приведены на диаграмме рис. 6.

Рис.

Каждое поле диаграммы, ограниченное равновесными линиями,

зывается обогащенным окисью углерода по сравнению с соста­ вом газа, находящегося в равновесном состоянии. Это объясня­ ется сравнительно большой скоростью движения газа и диффузи­ онным характером восстановления кусковых рудных материалов, благодаря чему газ покидает печь с недоиспользованной (при

данных температурах) окисью углерода. Отношение — в ко­

лошниковом газе обычно равно 2—3.

Основная масса окислов железа рудных материалов восста­ навливается в доменной печи в зонах нижнего горизонта шахты

///, распара IV и заплечиков V (рис. 7). При высоких темпе­ ратурах в этих зонах (более 900—1000° С) и при наличии в ших­

те кусков кокса получают развитие реакции прямого восстановл ния окислов железа твердым углеродом.

Этот процесс протекает через газовую фазу и характеризуете одновременно происходящими двумя частными реакциями:

FeO(TB) -f СО = FeTB-f С02 -f 3,15 ккал, С -f С02 = 2СО — 41,0 ккал.

FeO(TB) + С = FeTB-f СО — 37,85 ккал.

В общем случае скорость и степень восстановления окускованных железных руд зависит от скорости подвода газа — восста­ новителя и отвода продуктов из зоны реакции, т. е. от размера кусков, их пористости, температуры процесса.

При повышении давления газа улучшаются условия его ад­ сорбции на поверхности кусков руды и проникновения в поры. Однако увеличение давления газа сверх 4—5 ати приводит к пас­ сированию (переводу в пассивное состояние) реакционной по­ верхности газ —твердое тело вследствие накопления здесь га­ зообразных продуктов, что в итоге приводит к снижению скоро­ сти процесса восстановления руды.

Увеличение скорости газового потока способствует при прочих равных условиях ускорению процесса восстановления.

Высшие окислы марганца (МпОг, МщОз и МП3О4) восстанав­ ливаются окисью углерода до закиси очень легко и процесс со­ провождается значительным выделением тепла

MnmO„ + СО -►Мп 4- С02+ Q.

В зоне высоких температур протекает суммарный процесс прямого восстановления закиси марганца с затратами тепла вдвое большими, чем на единицу (точнее моль) железа

МпОхв 4- С = Мптв 4- СО — 68,64 ккал.

Этот процесс термодинамически возможен при температурах более 1410° С и давлении 1 ат. Для облегчения восстановления марганца при выплавке марганцовистых чугунов необходимо по­ вышать температуру процесса (нагрев дутья), увеличивать рас­ ход топлива, а также работать на основных шлаках, так как вос­ становление марганца из силикатов затруднено.

Кремнезем является еще более прочным окислом, чем закись марганца. Поэтому восстановление кремния твердым углеродом возможно при давлении 1 ат только при температурах выше 1550° С по реакции

SiC>2(тп> 4- 2С = Si(TD) 4- 2СО — 154 ккал.

Восстановлению кремнезема способствуют высокие темпера­ туры и наличие кислых шлаков.

Восстановление трудновосстановимых окислов MnO, SiCb и других в условиях доменного процесса облегчается тем,, что про­ дукты восстановления — марганец и кремний — растворяются в железе. В этих условиях константа равновесия реакции

МпО 4-С = [Mn]Fe 4-СО

выражается уравнением

Кмп = Рсо-амп»

где р'со — равновесное парциальное давление окиси углерода; амп — активность марганца.

При использовании более богатого железом рудного сырья процесс формирования шлака наступает на более низких гори­ зонтах доменной печи и при относительно более высокой темпе­ ратуре. Это улучшает газодинамические условия процесса плав­ ки, обеспечивая ровный ход печи и увеличивая ее производитель­ ность.

Химический состав и физическое состояние образующихся шла­ ков позволяют регулировать температуру в горне печи. Чрезмерно легкоплавкая пустая порода, плавясь при относительно низкой температуре в шахте печи, приходит в горн с малым запасом тепла и понижает температуру горна. Наоборот, расплавы туго­ плавких пустых пород поступают в горн с большим количеством тепла и температура горна поэтому повышается. Густой и вязкий шлак, кроме того, налипает на поверхность футеровки, образуя настыли, что нарушает нормальный сход шихты и удаление шлака из печи.

Процесс шлакообразования, состав и консистенция образую­ щихся шлаков оказывают решающее влияние на состав выплав­ ляемого чугуна, обеспечивая развитие реакций между металлом и шлаком в горне печи в необходимом направлении.

Доменный шлак состоит в основном из трех окислов, содержажание которых изменяется в следующих пределах: 30—40% Si02; 10—20% А120 3 и 40—50% СаО. Иногда доменный шлак содержит до 10—15% окиси магния, повышающей жидкоподвижность ос­

висит от концентрации в нем окисей кальция и магния, кремнезе­ ма и глинозема.

Одним из наиболее важных процессов, происходящих между металлом и шлаком в горне печи, является десульфурация чу­

сернистого чугуна поступающую с шихтой серу в возможно боль­ шем количестве переводят в шлак.

Наибольшее количество серы вносится в доменную печь кок­ сом в виде пирита, при сгорании которого образуется сернистый ангидрид S02, восстанавливаемый затем углеродом. Газообраз­ ная сера поглощается окислами шлака, флюса, частично губча­ тым железом и восстановленным марганцем.

Окончательное удаление серы из чугуна происходит во время падения капель металла в слое шлака и на поверхности раздела шлак — металл в горне по следующим реакциям, продуктом кото­