2. Опишіть матеріали для виробництва чавуну (залізні руди, паливо, флюси), а також підготовку руд до виробництва чавуну.

Чавун – сплав заліза з вуглецем, в якому масова частка вуглецю становить від 2,14 до 6,67%. Містить також кремній, марганець, фосфор, сірку. Для виробництва використовують залізні руди, паливо, флюси. Метал економічно вигідно вилучати з руди.

У залізних рудах рудний мінерал частіше всього містить оксиди, гідроксиди та карбонати заліза; так звана пуста порода містить кварц, пісковик, піщаник з домішками глини, іноді вапняк, доломіт. У рудах завжди присутні шкідливі домішки, зокрема сірка, фосфор, іноді миш’як, цинк, арсен тощо. Серед корисних домішок присутні марганець, хром, нікель, ванадій, вольфрам, молібден.

Найпоширенішими залізними рудами є залізняки: червоний, магнітний бурий і шпатовий, а також залізисті кварцити. Червоний залізняк (Fe₂О₃ ) має колір від червоного до темно-сірого, містить 50-60% заліза з урахуванням пустої породи. Пористий, легко відновлюється, має мало шкідливих домішок.

Магнітний залізняк (Fe₃О₄ ) – мінерал від сірого до червоного кольору, містить 55-65% заліза, щільний, тому погано відновлюється, має магнітні властивості.

Бурий залізняк (2Fe₂О₃ × 3Н₂О ) має від жовтого до буро-жовтого кольору, містить 30-560% заліза, найлегше відновлюється серед залізних руд. Має значну кількість фосфору і сірки.

Шпатовий залізняк (FeСО₃ ), містить 30-40% заліза, колір рудий від сірого до жовтого. Руда легко відновлюється.

Залізистий кварцит – метаморфічна гірська порода хемогенно-осадового походження, що складається в основному з кварцу, магнетиту, гематиту, мартиту тощо. При вмісті Fe 25-30% є промисловою залізною рудою. Розрізняють залізисті кварцити тонко- (до 3 мм), середньо- (3-10 мм) і широкосмугові (понад 10 мм). Колір - сірий, червоно-сірий, бурий, іржавий.

До складу палива входять пальні речовини (вуглець, водень), непальні речовини ( зола, вода, азот), шкідливі речовини (сірка, фосфор). Високоякісне паливо визначається малою кількість непальних речовин та шкідливих домішок. Використовується тверде (кокс), рідке (мазут) і газоподібне паливо (природний, коксовий, доменний гази).

Кокс є цінним паливом, яке містить 85-88% С. Теплотворна здатність коксу –до 30 МДж/кг. отримують шляхом сухої перегонки дрібних зерен коксівного вугілля розміром до 3 мм при температурі 900-1050⁰ С без доступу повітря протягом 15-17 годин. За цей період виділяється коксовий газ, цінні хімічні речовини у газоподібному стані, а твердий залишок спікається у міцні пористі грудки – кокс.

Мазут є тяжким залишком перегонки нафти, містить до 90% С, невелику кількість кисню та сірки. Має теплотворну здатність 40-45 МДж/кг.

Природний газ – висококалорійне томливо, складається в основному з метану (СН₄ до 90-98% ), його теплотворна здатність складає близько 35 МДж/м³.

Доменний газ є побічним продуктом при виплавці чавуну в доменній печі, містить значну кількість горючих складових (до 32% СО, до 4% Н₂ ).

Флюсом називається матеріал, що утворює легкоплавкий сплав – шлак, з тугоплавких золи палива й пустої породи руд. Флюси забезпечують отримання шлаку необхідного хімічного складу і фізичними якостями, що визначає нормальний хід плавки, склад і якість чавуна; можуть знижувати кількість шкідливих домішок у металі, зокрема сірки. Поділяються на кислі (кварцовий пісок) і основні (вапняк).

Підготовка руд до виробництва чавуну передбачає їх спеціальну обробку для підвищення заліза й досягнення однорідності за хімічним складом, зокрема подрібнення, просіювання, збагачення та грудкування.

Подрібнення до необхідної величини (10-80 мм для виплавлення у доменній печі, 5-8 мм – для агломерації, 0,1 мм – для магнітного збагачення) на спеціальних дробарках – процес енергомісткий, тому і дорогий. Щоб розділити руду на різні фракції руду просіюють або осаджують у воді. Шляхом промивання (відокремлюючи під сильним струменем води від руди частинки глини, піску, можна збільшити частку заліза на 2-3%), магнітної сепарації (притягування електромагнітом із тонко подрібненої руди частинок, які мають магнітні властивості, відокремлення їх від пустої породи) тощо руду збагачують на вміст заліза. Часткове відновлення руди до Fe₃О₄ і FeО відбувається під час агломерації, яка полягає у спіканні дрібних частинок руди, флюсу та коксу при температурі 1300-1500⁰ С. Пуста порода руди і флюс у вигляді вапняку частково розплавляються, видаляються шкідливі домішки (сірка, арсен), розкладаються карботани й утворюються шматки пористого офлюсованого матеріалу – агломерату. Грудкуванням отримують грудки 5-40 мм зі зволоженої тонко розмеленої суміші залізної руди, флюсу й твердого палива. Для кращого злипання додають незначну кількість (1-2%) високоякісної глини – бентоніту. Грудки висушують, обпалюють при 1200-1300⁰ С для збільшення міцності і пористості. Це дає змогу уникнути подачі в доменну піч флюсу, підвищує її продуктивність, зменшує витрати коксу.

Агломерат залізорудний - спечений під впливом високої температури кусковий матеріал, отриманий із залізовмісних матеріалів і призначений як сировина для доменної плавки. Виділяють такі різновиди агломератів:

високоофлюсований агломерат - залізорудний агломерат, що отримується з шихти, в яку для поліпшення металургійних властивостей введений вапняк в кількості більшому, ніж необхідно для офлюсованія що містяться в агломераті SiО₂ і Аl₂О₃;

доломітизований агломерат - агломерат залізорудний, офлюсований доломітом;

залізомарганцевий агломерат - агломерат марганцевої руди. Використовується для виплавки феромарганцю в доменних і феросплавних печах. Офлюсований агломерат з пиролюзитових (МпО2), браунитових (Мп2О3) і родохрозитових руд, завжди містять оксиди заліза, складається головним чином з гаусманіту, якобситу і манганозиту, кристали яких, а також зерна силікатів кальцію розташовуються в масі силікатної зв'язки, що складається з глаукохроіту і скла. Температура початку розм'якшення 1000-1050 °С. Фракційність: 70-80 % (+5 мм), 6-8 % (-0,5 мм). У порівнянні з залізорудним агломератом характеризується більшою оплавленістю, меншою пористістю (39-45 %) і можливістю поновлюватися;

марганцовистий агломерат - агломерат залізорудний, одержується із шихти, в яку введено марганцева руда;

металізований агломерат - агломерат залізорудний, в якому частина оксидів заліза відновлена до заліза в ході спікання шихти з підвищеною витратою твердого палива. Агломерація під тиском може збільшити продуктивність аглоустановки і підвищити ступінь металізації;

неофлюсований агломерат - агломерат залізорудний, отриманий без введення в шихту вапняку;

низкоофлюсований агломерат - агломерат залізорудний, отриманий з шихти, в яку введено вапняк в меншій кількості необхідного для офлюсування;

оксидний агломерат - агломерат залізорудний з невисоким (3-4 %) вмістом FeO, що забезпечує його високі міцнісні властивості;

офлюсований агломерат - агломерат залізорудний, отриманий з шихти, в яку введено вапняк достатній для офлюсування в шихтових матеріалах SiO₂ і Аl₂О₃;

офлюсований марганцевий агломерат - агломерат призначений для виплавки високовуглецевого феромарганцю флюсовим способом, який отримують спіканням оксидного (карбонатного) марганцевого концентрату з флюсом (вапняком або доломітом) і паливом (коксом, антрацитом, нафтококсом та ін.)

стабілізований («калібрований») агломерат - агломерат, безпосередньо після спікання інтенсивно механічно оброблений. У ході стабілізації агломерату його великі шматки руйнуються за неспеченным включень шихти, скупчень крихкого скла і по ділянках концентрації внутрішніх напружень.

флюсований марганцевий агломерат - агломерат призначений для виплавки високовуглецевого феромарганцю флюсовим способом, який отримують спіканням оксидного (карбонатного) марганцевого концентрату з флюсом (вапняком або доломітом) і паливом (коксом, антрацитом, нафтококсом та ін.)- На ВАТ «Нікопольський завод феросплавів» (Україна) спікання ведеться на агломашинах корисною площею спікання 105 м2. Офлюсований агломерат (марки АМО) містить 36,0 % Мп, основность (CaO/SiO2) 1,1-1,25; крупность 5-200 мм, зміст фракцій менш 5 мм - < 8,0 %, від 20 до 200 мм - < 70 %;

стабілізований («калібрований») агломерат [stabilized sinter] - агломерат, безпосередньо після спікання інтенсивно механічно оброблений. В ході стабілізації агломерату його великі шматки руйнуються за неспеченим включень шихти, скупчень. Недоліком методу - в більшості випадків є зниження виходу придатного агломерату і продуктивності аглофабрики;

фосфористий агломерат - продукт згрудкування пилуватих фосфоритів для виплавки руди в руднотермічних печах. В ході агломерації фосфорити піддаються сушінню, дегідратації, декарбонізації, у них йдуть складні твердофазні процеси і, нарешті, при 1400-1600 °С в зоні горіння твердого палива плавляться силікати і частково, зерна фторапита. Це дозволяє отримати достатню кількість склообразної силікатно-фосфатної зв'язки, скріплює зерна первинного апатиту в готовому агломераті. При витраті вуглецю 5,5-6 % продуктивність аглострічки 312м² дорівнює 122,7 т/ч. Після барабанного випробування міцність (+5 мм) > 73 %, істирть (- 0,5 мм) 5 %.

хромітовий агломерат - отримують з хромових руд і концентратів, що складаються в основному з хроміту (FeO-Cr₂O₃) і змійовика. У аглошихту вводять також вапняк і магнетитовий концентрат (30-40 %) як легкоплавкої добавки. Готовий агломерат, отриманий з витратою коксової дрібниці 60-70 кг/т складається із зерен первинного шихтового хроміту і вторинних кристалів твердих розчинів Mg, Cr, A1 у магнетиті, скріплюється кристалічної силікатної зв'язкою і склом. 92-98 % маси зерен рудного хроміту переходить в структуру готового агломерату, не розчиняючись в розплаві, утворюється майже виключно за рахунок плавлення залізної руди, вапна і порожньої породи хромової руди.

Вважається доцільним, для інтенсифікації доменного процесу, використання пиловугільного палива (ПВП) у якості часткової заміни коксу.

При вдуванні в горн пиловугільного палива, близького по хімічному складу до коксу, рівень необхідних теоретичних температур визначається зміною ступеню прямого відновлення оксиду заліза. За інших рівних умов зниження ступеня на 1% визначає зниження необхідної теоретичної температури горіння на 15-25°С.

Вдування у фурму пиловугільного палива, супроводжується інтенсифікацією процесу непрямого відновлення оксиду заліза (rd), а також зниженням окислювального потенціалу фурмених зон, слідством чого є зменшення елементів чавуну, в першу чергу заліза. У результаті вказаних змін відбувається істотне зменшення приходу у фурму оксиду заліза, відновлення якого йде прямим шляхом, тобто із значним споживанням тепла.

На практиці, при вдуванні пиловугільного палива, відновлення оптимального нагріву фурми і якості продуктів плавки досягається збільшенням рудного навантаження і відповідним зниженням витрати коксу.

Проте відновлення теплової рівноваги фурми доменної печі по кінцевому складу і температурі продуктів плавки не свідчило про те, що і в фурмі доменної печі відновлюються колишні температурні умови: очевидно, істотнє зниження приходу в фурму оксиду заліза, визначуване вдуванням додаткового палива, частково розвантажує його від відновлюваної роботи і витрат тепла, що зумовлює можливість ведення процесу на нижчому температурному рівні.

Переважаюче горіння пиловугільного палива у фурмі доменної печі і на периферії окислювальної зони визначає витрату на цю реакцію до 50 % кисню дуття. Подальше зниження витрати коксу і збільшення витрати пиловугільного палива до 150 кг/т чавуну можуть сприяти подальшому зниженню вмісту кисню в горновому газі в основному об'ємі фурмених зон.

Відмічене зниження окислювальної здатності газової фази фурмених зон може сприяти також обмеженню процесу вторинного окислення основних елементів чавуну Fe, Si, Mn.

Для оцінки впливу пиловугільного палива на температуру продуктів плавки полічені рівняння теплового балансу для нижньої зони теплообміну для початкових (індекс 0) і нових (індекс 1) умов плавки. Приймаючи для цих умов t0=t1, tH0=tH1=tH маємо (1.5.1). З цього рівняння (1.5.1) виходить, що температура продуктів плавки при роботі доменної печі з вдуванням пиловугільного палива може зрости орієнтовно на 2-3% внаслідок зниження ступеня прямого відновлення і зменшення окислювальної здатності газової фази фурмених зон, що визначають зниження приходу в горн оксиду заліза і підвищення відношення Wш0/Wш1.

Наслідком повного згоряння пиловугільного палива і зменшення окислювального потенціалу фурмених зон можуть бути наступні сприятливі зміни:

· повне згоряння палива в межах фурмених зон виключає або ускладнює можливість попадання порошкоподібного вуглецю в шлак, пори коксу і так далі, що виключає можливість порушення дренажної здатності сурми і створює об'єктивні передумови для подальшого ефективного збільшення витрати додаткового палива;

· значне зниження окислювального потенціалу фурмених зон. посилене зниженням показника прямого відновлення закису заліза, також визначуваним вдуванням пиловугільного палива, сприяють зменшенню приходу в нижню високотемпературну зону сурми інтенсивного охолоджувача - оксиду заліза, що може сприяти поліпшенню нагріву продуктів плавки, відновлення кремнію і марганцю, десульфурації чавуну.

У той же час, підвищення вмісту сірки в сурмовому газі, визначене відповідним збільшенням її приходу за рахунок згоряння пиловугільного палива, сприяє підвищенню її вмісту в чавуні. Зменшення окислювального потенціалу фурмених зон, деяке зниження дійсної температури сурмових газів і приходу до сурми оксиду заліза можуть сприяти розширенню протяжності фурмених зон за вмістом діоксиду вуглецю. За інших рівних умов перераховані зміни можуть сприяти поліпшенню сходу шихти, зниженню потреби тепла в сурмі і, таким чином, отриманню додаткової економії коксу, зростанню продуктивності печі, тобто у результаті - підвищенню ефективності застосування пиловугільного палива.

Зарубіжний досвід свідчить, що подача максимальної кількості ПВП - 230 кг/т (чавуну) і його ефективне використання можливі тільки в тому випадку, якщо в печі будуть створені необхідні умови. Серед них: поліпшення фракційного складу шихти; зниження виходу шлаку; підвищення вмісту заліза в агломераті; поліпшення якості коксу по показнику гарячої міцності до 60-70 %.

Для поліпшення газопроникливості стовпа шихти і коксового «ютермана» рекомендується працювати з розпушеним центром печі, тобто робочі подачі коксу фракції +45 мм завантажувати в центр, а робочі подачі, що складаються з коксу фракції +40 мм, коксового горішка і залізорудних матеріалів - в периферійну і проміжну зони колошника.

Домна повинна працювати на максимально допустимому тиску газів у печі. Це дозволить зменшити негативний вплив погіршення газопроникності за рахунок зменшення частки коксу у в стовпі шихти. Необхідно підвищувати вміст кисню в дутті, що забезпечить збереження теоретичної температури горіння на оптимальному рівні і скоротить вихід сурмових газів на тонну чавуну. Для досягнення максимального ступеню окислення вуглецю у фурм рекомендується подавати кисень у факел горіння пиловугільного палива, а вугілля нагрівати доменним газом з добавками стимуляторів горіння.

Зміна опору руху газів розраховується по формулі (1.8.1), де Pg i Pk- тиск дуття і колошникового газу, кПа; Vф.г- об'єм сурменого газу, м3/хв. Потрібно формувати зону плавлення у вигляді перевернутої букви V з одночасним збільшенням кута її нахилу. Це дозволить збільшити кількість «коксових віконець» в ній і знизити опір проходу газів, забезпечити рівномірну роботу фурмених вогнищ по колу сурми шляхом регулювання витрати пиловугільного палива по фурмам для досягнення рівності їх температур.

Отже, технологія доменної плавки з вдуванням в сурму природного газу, що вимагає щорічно в Україні 2,5 млрд м³ газу, в економічних умовах, що склалися, менш ефективна в порівнянні з використанням пиловугільного палива. Визначальний показник, що характеризує переваги пиловугільного палива - можливість заміни вугільним пилом в 2-3 рази більшої кількості коксу. Застосування пиловугільного палива дозволяє значно скоротити витрату коксу і природного газу, а також підвищити продуктивність доменних печей.

Одночасно із збільшенням витрати пиловугільного палива необхідно застосовувати компенсуючі заходи, які повинні нейтралізувати негативний вплив комбінованого дуття на технологічний режим: зниження витрати природного газу, збагачення дуття киснем, підвищення температури дуття до 1200 °С.

Проведений аналіз показав, що вдування пиловугільного палива в доменні печі економічно виправдане вже в теперішній час. Для умов України (за відсутності власного природного газу і все зростаючому дефіциті коксу і коксующогося вугілля) воно необхідне.