5. Доменный процесс

Доменный процесс

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (FeO·Fe₂O₃). Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Доменная печь, домна — большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья.

На большую часть высоты доменная печь заполняется газопроницаемыми перерабатываемыми материалами. При опускании рудных материалов внизу по высоте печи обеспечивается взаимодействие с поднимающимся на встречу газовым потоком. Высокая производительность доменного процесса и эффективность используемого тепла обусловлены тем, что тепло и газ выделяются в непосредственном контактировании обрабатываемых материалов.

Требования к профилю доменной печи:

1. плавное и устанавливаемое опускание шихтовых материалов

2. правильное распределение встречного газового потока

3. обеспечение процессов восстановления и образования чугуна и шлака

Основной загружаемый материал

Руда, кокс и флюсы (для наведения шлака).

Шихта — смесь исходных материалов, а в некоторых случаях (например, при выплавке чугуна в доменной печи) и топлива в определённой пропорции, подлежащая переработке в металлургических, химических и других агрегатах.

Кокс каменноугольный — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путем коксования каменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа воздуха. Содержит 96—98 % С, остальное Н, S, N, O. Кокс каменноугольный применяют для выплавки чугуна (доменный кокс) как высококачественное бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов.

Флюсы — неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке металлов, чтобы снизить температуру плавления и легче отделить металл от пустой породы.

Шлак — расплав (после затвердевания — стекловидная масса) в металлургических, плавильных процессах, покрывающий поверхность жидкого металла, состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами. Шлак предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси.

Подготовка железных руд

Подготовка железной руды к плавке имеет большое значение, от этого зависят поступление в печь железорудного сырья определенной крупности, равномерность химического состава, хорошая восстанавливаемость и, главное, высокое содержание железа.

Чем тщательнее подготавливают руду к доменной плавке, тем выше, производительность доменной печи, ниже расход топлива и выше качество выплавляемого чугуна. В конечном итоге стремятся снабжать доменную печь шихтой, состоящей только из двух компонентов — офлюсованного железорудного сырья и кокса определенной кусковатости и не содержащих мелкой фракции (ниже 8—10 мм для железосодержащей шихты и ниже 25—40 мм для кокса). Для обеспечения хорошей газопроницаемости плавильных материалов желательно иметь шихту, однородную по кусковатости.

Повышение содержания железа в железосодержащей шихте на 1 % позволяет снизить расход кокса на 1,5—2,5%. Верхний предел относится к более бедным рудам с кислой пустой породой, а нижний — к более богатым (55—60% Fe), содержащим значительное количество оснований. При этом производительность доменных печей возрастает примерно в тех же пределах, в каких снижается расход топлива.

В зависимости от характеристики добываемой руды применяют следующие методы подготовки: а) дробление и сортировка по классам крупности; б) обогащение; в) усреднение; г) окускование.

Схема доменной печи

Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. 14 – фурменные устройства. 2 – фурмы. Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Основные составляющие части доменной печи

• Колошник

• Шахта (в виде усеченного конуса с углом основания 82º40` относительно вертикальной оси)

• Распар

• Заплечники

• Горн

ТТХ

Современные доменные печи имеют рабочий объем от 1000 до 5400 м³

Печь объемом 5000 м³ высота 36900 мм, диаметр горна 15000 мм, колошника 11000 мм, распара 16000 мм. Печь потребляет ежесуточно 23000 т шихты, 18000 т дутья, 1700 т природного газа, производит 12000 т чугуна, 4000 т шлака, 27000 т колошникового газа.

Конструкция печи

Огнеупорная футеровка доменной печи предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха от воздействия высоких температур и от контакта с жидким металлом и шлаком.

Для футеровки употребляется шамотный кирпич (30-40 % Al₂O₃), высокоглиноземный кирпич (45 % Al₂O₃ – до 1750 °С), углеродистые блоки. Толщина стен шахты 500 – 800 мм.

Летка – прибор для выпуска чугуна или шлака. Выпуск осуществляется 15 – 20 раз в сутки. Отверстия после выпуска закупориваются специальной огнеупорной глиной (80 – 100 кг). При выпуске они просверливаются специальным сверлильным прибором диаметром 40 мм и длинной 4000 мм

Фурмы – через фурмы поступает нагретое до 1100 – 1300 ºС дутье, (мазут, пылеуглеродное топливо). Число фурм 20 – 36 штук. Внутри доменной печи фурма выступает из стены на 300 – 500 мм и находится над уровнем шлака. Температура в центре факела 800 – 1200 °С, по краям факела 1750 – 1800 °С.

Колошниковое устройство – служит для загрузки шихты в доменную печь, отвода газов, и монтажных работ.

Интенсификация доменного процесса

(как сделать лучше при меньших затратах)

1. Комбинированное дутье – природный газ + O₂

2. Увеличение концентрации O₂ на 1 % позволяет увеличить производительность на 2 %

3. Использование природного газа - 1 м³ природного газа – 0,8 кг кокса позволяет снизить расход кокса на 5 кг на тонну

4. Нагрев дутья отходящими газами

Процессы при выплавке чугуна

Принцип Байкова:

t<570 ºС

t>570 ºС

Продолжительность пребывания материалов в доменной печи составляет порядка 4 – часов.

Главная химическая реакция при производстве железа:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Это производство разделяется на следующие этапы.

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O₂ = CO₂ + Q

В зависимости от температуры в различных частях печи, восстановление железа происходит несколько этапов.

Наверху, где температура обычно находится в диапазоне между 200 °C и 700 °C, протекает следующая реакция:

3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂

Ниже в печи, при температурах приблизительно 850 °C, протекает следующая реакция:

Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂

Встречные потоки газов разогревают шихту, и происходит разложение известняка:

CaCO₃→ CaO + CO₂

FeO опускается в область с более высоких температур (до 1200), где протекает следующая реакция:

FeO + CO→ Fe + CO₂

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO₂ + C = 2CO

Сгорание кокса

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O₂ = CO₂ + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO₂ + C = 2CO

Разложение карбонатов

Основными процессами являются передача тепла (конвекция, излучение, теплопроводность) восстановление рудных материалов и разложение карбонатов:

Восстановление оксидов железа

Восстановление большей части оксидов железа происходит в шахте печи при 700 - 1100 °С.

Принцип Байкова:

t<570 ºС

t>570 ºС

Восстановителями служат C, CO и H₂

Прямое восстановление:

Косвенное восстановление:

Фактически:

Восстановление водородом:

Минимальный расход кокса может быть получен при оптимальном соотношении между косвенным и прямым восстановлением. Реально 20 – 40% желательно ниже. Степень восстановления η_Fe = 0,99 или 99,8%

Восстановление кремния

Кремний присутствует в рудах главным образом в виде кремнезема, а в агломерате — в виде силикатов. Сродство кремния к кислороду весьма велико, поэтому он может восстанавливаться в печи только прямым путем.

Источник кремния – кремнезем SiO₂

SiO₂ + C →SiO + CO

SiO + C →Si + CO

SiO₂ + 2C →Si + 2CO

Реально 1100 – 1200 °С, что связано с присутствием железа

Передельный чугун 0,5 – 0,8 % Si

Литейный чугун 1,75 – 3,75 % Si

На каждый процент Si расход кокса повышается на 5 - 15 %. Поэтому литейный чугун выгоднее выплавлять в электропечах.

Синтетический чугун – предельный чугун + кремнистые добавки.

Восстановление марганца

Марганец содержится в агломерате в виде силикатов.

Процесс восстановления марганца из МnО связан с большой затратой тепла. Не весь марганец переходит в чугун, часть остается в виде окислов в шлаке, а часть улетучивается через колошник. Степень восстановления марганца составляет при выплавке обычных чугунов около 50%

MnSiO₃ +CaO + C → Mn + CaSiO₃ + CO – 229068 Дж

Для максимального извлечения марганца:

1. работать при повышенном расходе кокса

2. вести плавку с максимально нагретым дутьем

3. получать шлаки повышенной основности

При выплавке чугуна извлекается 55 – 65 % Mn.

Концентрация марганца в чугуне составляет 0,25 – 0,5 %

Снижение концентрации марганца позволит снизить себестоимость чугуна на 10 % и экономить кокс.

В доменных печах получают также марганцовистые сплавы: ферромарганец (75 % Mn) зеркальный чугун (15 – 25 % Mn).

Восстановление других элементов

По возрастанию сродства к кислороду

Cu, As, Ni, Fe, P	Zn	Mn	V, Cr	Si, Ti	Al, Mg, Ca
целиком восстанавливаются и переходят в чугун	возгоняется, охлаждается в парах	60 %	70 – 80 %	~40 %	0 %

Науглероживание железа

2CO → CO₂ + C

3Fe + C → Fe₃C

3Fe + CO →Fe₃C + CO₂ + 180493 Дж, при 450 – 600 °С

По мере науглероживания t_пл Fe понижается. Чистое Fe t_пл = 1539 °С, Fe + 4,3 % С t_пл = 1135 °С.

Образование шлаков

Химический состав шлака:

36 – 42 % SiO₂

40 – 46 % CaO

8 – 18 % Al₂O₃

2 – 3 % MnO

2 – 10 % MgO

0,2 – 0,6 % FeO

1,5 – 2,5 % S в виде CaS

Свойства шлаков – вязкость, температура плавления, основность.

Основность в металлургии — отношение (в процентах по массе) содержания основных и кислых оксидов в железорудных материалах, а также в доменных, сталеплавильных и других шлаках.

Эти свойства определяют десульфурирующую способность шлака.

Серы должно быть не более 0,1 %, хотя чугун может растворять до 0,9 %. Для десульфурации применяют шлаки (основностью ~ 1,4) марганец (), внедоменная десульфурация: сода (Na₂CO₃), Mg, CaC, CaCO₃ позволяет удалять 50 – 95 % S, но требует дополнительных затрат.

Продукты доменной плавки

Чугун - сплав железа с C, Si, Mn, P, S. В зависимости от назначения может содержать Cr, Ni, V, Ti, Cu, As. Содержание этих элементов регламентировано ГОСТ или ТУ.

По назначению три вида:

Передельный – для передела в сталь – 90 % от общего чугуна: 0,3 – 1,2 % Si, 0,2 – 1,0 % Mn, 0,15 – 0,2 % P, 0,02 – 0,07 % S

Литейный – малофосфористый < 0,1 % P – для высокопрочных изделий 1,75 – 3,75 % Si; высокофосфористый – для художественного литья

Доменные ферросплавы:

Ферромарганец (70 – 75 % Mn, до 2 % Si)

Бедный ферросислиций (9 – 13 Si, до 3 % Mn)

Зеркальный чугун (15 – 25 Mn, < 2 % Si)

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась; бедного ферросилиция прекратилась. Ферросплавы выгоднее получать в электропечах, что одновременно дает более высокое качество.