- •Доменное Физические процессы
- •Качественно-количественная схема доменного процесса. Материальный баланс доменной плавки.
- •Структура столба доменной шихты
- •3. Роль кокса в доменной плавке. Качественная оценка расхода углерода кокса в доменном процессе. Механизм горения кокса у фурм.
- •4. Структура фурменной зоны: изменение температуры и состава газа по длине зоны горения. Определение теоретической температуры горения и факторы её определяющие.
- •Движение шихты и газов в доменной печи. Причины, уменьшающие объем шихты.
- •6. Основные положения теории акад. А. А. Байкова. Современные представления о механизме восстановления металлов из оксидов углеродом.
- •7. Теплообмен в доменной печи. Понятие о водяных эквивалентах.
- •8. Тепловой баланс доменной плавки. Содержание основных статей. Факторы, влияющие на расход топлива.
- •10 М3/т чугуна
- •9. Показатели работы доменных печей. Методы интенсификации процесса. Продукция доменного производства.
- •10. Шлаковый режим доменной плавки. Процессы образования шлака в доменной плавке.
- •11. Теория строения шлаковых расплавов. Основные свойства шлаков. Уравнение Ньютона и Ле-Шателье для определения вязкости.
- •10 20 30 40
- •12. Методы расчета состава доменной шихты.
- •Химические процессы
- •6. Поведение p, Ni, Cu, As в доменной плавке.
- •7. Поведение цинка и свинца в доменной печи.
- •8. Поведение Mn, Si, Cr в доменной плавке.
- •9. Особенности доменной плавки титаномагнетитов. Восстановление ванадия и титана.
- •10. Поведение щелочных металлов в доменной печи.
- •11. Поведение серы в доменном процессе: источники её поступления, основные реакции, распределение серы между продуктами плавки. Коэффициент распределения серы.
- •12. Науглероживание железа в доменном процессе. Процессы образования чугуна. Формирование окончательного состава чугуна в горне.
Доменное Физические процессы
Качественно-количественная схема доменного процесса. Материальный баланс доменной плавки.
Сущность доменного процесса состоит в том, что восстанавливается основное количество железа, а затем, при более высоких температурах, в нижней части горна происходит разделение на слои расплавившихся чугуна и шлака из-за их различных плотностей (плотность чугуна примерно в 2,5 раза больше плотности шлака).
В любой момент времени вся доменная печь заполнена шихтовыми материалами — от горна до колошника. Через фурменные отверстия под давлением подают воздух, нагретый до 1000-1200 градусов. Попадая в слой кокса, находящегося в горне, воздух быстро расходуется на его горение. На расстоянии ~2 м от стенки горна газ уже не содержит кислорода.
Поскольку горение кокса в доменной печи происходит при недостатке воздуха, то конечным продуктом сгорания углерода является не CO2, а CO. Образующиеся в горне печи продукты сгорания (содержание CO и N2) с температурой > 2000 градусов направляются вверх. Нагревая шихту, газ охлаждается и выходит из печи через колошник (поэтому газ называют колошниковым) с температурой 200-300 градусов. При движении через шихту газ одновременно с теплообменными участвует в восстановительных процессах, в результате чего часть монооксида углерода CO превращается в диоксид углерода CO2.
Сразу после попадания в печь шихта начинается нагреваться и по мере непрерывного опускания последовательно идут следующие процессы:
испарение влаги шихты;
восстановление оксидов железа и некоторых других элементов;
диссоциация карбонатов.@
Конечный продукт доменной плавки — чугун (железоуглеродистый сплав, содержащий 91-94% Fe, 3,5-4,5% C и 1-5% других элементов).
На уровне нижней части шахты или в заплечиках при температурах свыше 1200 градусов начинается образование первых порций расплавленных чугуна и шлака. Шлак образуется из трех частей: пустой породы рудного материала, флюса и золы кокса. Расплавленные чугун и шлак в виде капелек, струй стекают вниз и накапливаются в горне в два слоя. Шлак выступает в роли регулятора химического состава чугуна. В зависимости от состава шлака облегчается или затрудняется переход в чугун тех или иных элементов. Капельки чугуна, проходя через слой шлака в горне, освобождаются от большей части серы.@
Типичный состав доменного шлака: СaO — 35-45%, SiO2 — 36-38%, AhO3 — 7-15%, MgO — 4-10%, MnO — 0,5-1%, FeO — 0,4-0,8%, S — 1-2%.
Характерная особенность доменного процесса заключается в том, что формирование химического состава чугуна происходит по мере движения вниз твердой шихты и расплавленных масс металла и шлака. Слой чугуна в горне, сколько бы он там ни находился, не изменяет своего химического состава.
Структура столба доменной шихты
3. Роль кокса в доменной плавке. Качественная оценка расхода углерода кокса в доменном процессе. Механизм горения кокса у фурм.
Кокс — твердый продукт коксования угля, полученный пиролизом каменного угля при 900-1100 градусах (без доступа воздуха) за 14-20 часов.
Кокс:
источник тепла (2С + O2 = 2CO + Q);
разрыхлитель столба шихты ;
восстановитель (FeOx + xC = Fe + xCO);
источник восстановительных газов (C + CO2 = 2CO и C + H2O = CO + H2);
карбюризатор (3Fe + C = Fe3C);
создает коксовую насадку в нижней части печи, где только кокс остается в твердом состоянии (насадка воспринимает значительную часть веса столба шихтовых материалов).
Углерод кокса расходуется на сгорание у фурм, на прямое восстановление, на растворение в чугуне:
Ск = Сф + Сd + [C]
По мере движения от колошника к горну кокс претерпевает мало изменений, освобождаясь лишь от влаги и летучих и нагреваясь. В итоге, кокс располагается в горне и заплечиках, несколько погружаясь в слой шлака, и образует коксовую насадку, через которую снизу вверх проходят газы, а сверху вниз стекают и фильтруются расплавы чугуна и шлака. Коксовая насадка расходуется за счет взаимодействия с кислородом дутья и тут же пополняется новыми порциями кокса сверху.
Горение кокса — процесс гетерогенный и протекает на границе раздела твердой и газовой фаз. Кислород, адсорбируясь на поверхности твердого топлива, образует с углеродом комплекс переменного состава, распадающийся затем на CO и CO2, которые десорбируются и переходят в газовую фазу. Монооксид углерода при наличии свободного кислорода в газовой фазе окисляется до CO2, и в то же время молекулы CO2 превращаются в молекулы CO.
Ранее считалось, что у каждой фурмы доменной печи образуются зоны циркуляции кокса. Но сейчас установлено, что куски кокса не циркулируют в очаге, а уносятся потоком дутья в направлении от фурмы в расширяющуюся и поворачивающуюся вверх полость, в верхней части которой образуется свод горящего кокса.
Свод перед фурмой является неустойчивым и периодически обрушается в поток дутья, пополняя полость кусками, которые получают ускорение от фурмы. Таким образом, поступление кусков кокса в очаг происходит как бы из бункера, дальняя стенка которого примыкает к своду горящего кокса, что создает иллюзию обратного движения кусков к фурме.
Короче — по Вегману — на интенсивно работающих доменных печах окислительные зоны соседних фурм, смыкаясь между собой, образуют сплошную круговую окислительную зону в виде тора. Таким образом, процесс горения топлива в доменной печи осуществляется в кольцевом пространстве, имеющем форму, близкую к форме тора.