ЛЕКЦИЯ №5
Образование чугуна
При выплавке чугуна решаются следующие задачи:
•Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава.
•Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.
1
Железо получается в твердом виде, поскольку температура его расплавления (1537 °С) выше температур, имеющихся в доменной печи. Восстановленное из твердых кусков шихты железо получается в виде твердой губки.
Науглероживание происходит уже при температурах 400–600°С и заключается в том, что на поверхности губчатого железа, являющегося катализатором, происходит распад СО (2СО = Ссаж+СО2) и выделяющийся сажистый
углерод переходит в железо, образуя карбид Fe3C: Fe + 3C = Fe3C.
По мере науглероживания температура плавления железа понижается (так, температура плавления железа, содержащего 4,3% С, равна 1130°С), а само оно опускается в зоны с более высокими температурами.
В определенный момент, когда температура плавления науглероженного железа становится равной температуре в печи, железо плавится (примерно при содержании углерода 2—2,5% и температуре около 1200 °С) и образуются капли жидкого металла, которые стекают в горн между кусками кокса. В жидком виде железо науглероживается еще более интенсивно — при контакте капель с раскаленным коксом и при контакте расплава с коксом в горне происходит растворение углерода кокса в металле:
Fe + Скокс = [С]Fe
Схема доменной печи
3
Применительно к современной доменной плавке примерное содержание углерода в чугуне (%) можно определить по следующей формуле:
С = 4,8 + 0,03Mn - 0,27Si - 0,32Р - 0,032S
Содержание С в чугуне, %
|
передельный |
литейный |
ферромарганец |
%С |
4,4-4,8 |
3,5-4 |
~7 |
Температура чугуна в горне равна 1400—1500 °С.
4
Образование шлака и его свойства
Помимо чугуна в доменной печи образуется шлак, в который переходят невосстановившиеся оксиды элементов, т.е. СаО, MgO, Al2О3, SiO2 и небольшое количество МnО и FeO, причем СаО
специально добавляют к железнорудной шихте для получения жидкого шлака.
Функции шлака:
1)Выведение из печи составляющих пустой породы железных руд, вносимых агломератом и окатышами, а также золы кокса.
Основу пустой породы большинства руд так же, как и основу золы кокса, составляют
SiО2 и А12О3, температура плавления которых (соответственно 1710 и 2050 °С) выше температур в доменной печи, в связи с чем они в печи расплавиться не могут.
2)Десульфурация: в шлак из чугуна удаляется сера.
5
Состав шлака
Конечный шлак на 85-95% состоит из SiО2, А12О3 и СаО.
Состав шлака
SiО2 |
CaO |
А12О3 |
MgO |
FeO |
МnО |
CaS |
% 38-42 |
38-48 |
6-20 |
2-12 |
0,2-0,6 |
0,1-2 |
0,6-2,5 |
Температура шлака 1400-1560 °С.
Удельный выход шлака на 1 т выплавляемого чугуна колеблется на разных заводах в пределах от 330—400 до 600—900 кг. Это количество, как и состав шлака, оказывает большое влияние на ход плавки и конечные показатели процесса.
В современных условиях доменной плавки уменьшение выхода шлака на 100 кг на 1 т чугуна дает экономию кокса 20–25 кг/т чугуна и увеличивает производительность печи на 3–4 %.
6
Дутье
Дутье, процессы в горне и движение газов в печи
Дутьем служит атмосферный воздух и зачастую воздух, обогащенный кислородом.
Температура дутья на разных печах находится в пределах 1100—1300 °С, давление перед фурмами достигает 0,4—0,5 МПа, расход дутья составляет
1,6—2,3 объема печи в минуту. Па, расход дутья составляет 1,6—2,3 объема печи в минуту.
На печах объемом 5000 м3 расход дутья достигает 8500 м3/мин.
Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от воздуходувных машин (компрессоров) с приводом в виде паровой турбины и иногда с электроприводом, создающими давление дутья на выходе 0,45—0,59 МПа.
Дутье поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16-40 фурм. Выходной диаметр фурм составляет 140—190 мм. Скорость дутья на выходе из фурмы 180—240 м/мин (3–4 м/с).
7
Процессы в горне
Основным и важнейшим процессом в горне является сжигание углерода кокса, которое обеспечивает:
а) выделение тепла, необходимого для нагрева шихты и газов, обеспечения процессов восстановления, расплавления чугуна и шлака и компенсации теплопотерь печи;
б) образование газа-восстановителя СО.
Конечным продуктом окисления углерода является СО.
Процесс окисления осуществляется по следующей схеме:
С + О2 = СО2 + 402190 СО2 + С = 2СО – 166310
2С + О2 = 2СО + 235880 Дж или 9830 кДж/кг С
Если в горении участвует сухой воздух, содержащий 79% N2 (объемн.) и 21% О2
(т.е. N2: О2 = 3,76), то реакцию можно записать так:
2С + О2 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2
8
В этом случае при горении получается: СО = 34,7% N2 = 65,3%.
Дутье всегда содержит немного влаги, которая в горне разлагается углеродом: Н2О + С = СО + Н2 - 124870 Дж
При вдувании в горн природного газа он неполностью сгорает по реакции: СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2 + 37250 Дж
и в горновом газе заметно возрастает содержание Н2 (до 8–15 % и более).
Заметно увеличивается также объем горновых газов потому, что при сгорании метана на единицу углерода образуются три моля продуктов горения (СО и 2Н2), а при сгорании кокса по реакции С + 0,5О2 = СО лишь один моль
СО; объем продуктов сгорания на единицу углерода возрастает в 1,7 раз.
9
Выводы:
1)добавка влаги к дутью вызывает снижение температуры горновых газов и небольшое увеличение содержания в них водорода;
2)обогащение кислородом дает повышение температуры и содержания в горновых газах СО;
3)вдувание природного газа, так же как и других углеводородов, дает увеличение объема горновых газов, снижение их температуры и существенное их обогащение водородом. Эти изменения оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на доменный процесс.
10