2.4 Технология производства чугуна

2.4.1. Подготовка сырья к доменной плавки агломерацией

Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий бо­лее 2,14 % углерода. Кроме углерода, в нем всегда присут­ствуют кремний (до 4 %), марганец (до 2 %), а также фос­фор и сера.

Основной технологический процесс получения железоуглеродистого сплава является удаление кислорода из железной руды. Это достигается восстановлением железа из оксидов углеродсодержащим восстановителем по реакциям:

3 Fe₂O₃ + CO = 2 Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO = FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Процесс получения чугуна осуществляют в доменной печи. Доменная печь работает эффективно, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. В металлургии наиболее широко применяют получение кускового материала в виде агломерата или окатышей.

Агломерация - процесс окускования мелкой руды, концентратов и колошниковой пыли спеканием в результате сжигания топлива в слое спекаемого материала. Наиболее распространены ленточные агломерационные машины. Они представляют со­бой конвейер, состоящий из большого количества спекательных тележек, двигающихся по направляющим рельсам (рис. 2.12).

«Днищем» этих тележек служит колосниковая решет­ка 4. На нее загружается тонкий слой мелкого агломерата (постель), чтобы агломерируемая шихта не сыпалась книзу. Затем загружается тщательно перемешанная, увлажненная (7 - 9 %) и окомкованная шихта. Ее основ­ные железосодержащие компоненты следующие: мел­кая и пылеватая железная руда (крупность менее 10 мм), железорудный концентрат, возврат агломерата (менее 10 мм), колошниковая пыль, иногда окалина, мелкая металлическая стружка и т. д. Топливом (4 – 6 % от массы шихты) служат коксик - мелкий кокс (менее З мм) и антрацитовый штыб (пыль).

Рис. 2.12. Схема агломерационной машины:

1 - барабанный питатель для загрузки шихты; 2 - направляющие рельсы; 3 - зажигательный горн; 4 - спекательные тележки;

5 - вакуум-камеры (экс­гаустеры)

Сущность агломерации поясняет схема, приведенная на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Схема агломерационного процесса:

а - начало процесса; б - промежуточный момент; в - конечный момент А - агломерат; Ш - шихта

На колосниковую решетку 1 конвейерной ленты за­гружают так называемую "постель" 2 высотой 30 - 35 мм, сос­тоящую из возврата крупностью 10 - 25 мм. Затем загружают шихту (250 - 350 мм). Под колосниковой решеткой создают разрежение около 7 – 10 кПа в результате чего с поверхнос­ти в слой засасывается наружный воздух.

Чтобы процесс начался, специальным зажигательным устройством 3 нагревают верхний слой шихты до 1200 - 1300 °С, и топливо воспламеняется. Горение поддерживается в ре­зультате просасывания атмосферного воздуха. Зона горения высокой около 20 мм постепенно продвигается сверху вниз (до колосников).

В зоне горения температура достигает 1400 - 1500 °С. При таких температурах известняк СаС0₃ разлагается на СаО и С0₂, а часть оксидов железа шихты восстанавливается до FeO. Образующиеся СаО и FeO, а также оксиды шихты Si0₂, Fe₃0₄, Fe₂0₃, А1₂0₃ и др. вступают в химическое взаимо­действие с образованием легкоплавких соединений, которые расплавляются. Образующаяся жидкая фаза пропитывает твер­дые частицы и химически взаимодействует с ними.

Когда зона горения опустится ниже мест образования жидкой фазы, просасываемый сверху воздух охлаждает массу, пропитанную жидкой фазой, и последняя затвердевает, в ре­зультате чего образуется твердый пористый продукт — агло­мерат. Поры возникают в результате испарения влаги и просасывания воздуха. Продвижение через слой шихты сверху вниз зоны, в которой происходит горение топлива и форми­рование агломерата (т.е. спекаемого слоя) длится 8 - 12 мин и заканчивается при достижении постели (рис. 2.13, в).

Рассмотрим основные химические реакции, протекающие при агломерации. Горение топлива происходит по реакциям:

С + 0,5О₂ = СО; С + 0₂ = С0₂.

В отводимых продуктах горения отношение С0₂: СО = 4 ÷ 6, но вблизи горящих кусочков кокса атмосфера восстано­вительная (преобладает СО), что вызывает восстановление оксидов железа.

Большая часть непрочных оксидов Fe₂0₃ превращается в Fe₃0₄ в результате восстановления:

3Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + С0₂,

либо в результате диссоциации:

6Fe₂0₃ → 4Fe₃0₄.

Часть оксидов Fe₃0₄ восстанавливается до FeO:

3Fe₃0₄ + СО = 3FeO + С0₂.

Содержание FeO в агломерате обычно на­ходится в пределах 7 - 17 %, оно возрастает при увеличении расхода кокса на агломерацию; одновременно уменьшается остаточное содержание Fe₂0₃.

Известняк разлагается по реакции СаСО_э → СаО + СО,, идущей с поглощением тепла.

При агломерации удаляется сера и частично (около 20 %) мышьяк.

В процессе агломерации выгорает 90 - 98 % сульфидной се­ры, а сульфатной 60 – 70 %.

Агломерат разных заводов содержит, %: Fe _общ 47 - 58; FeO 9 - 17; Mn 0,2 - 0,6; Si0₂ 8 - 13; А1₂0₃ 1,0 - 2,5; СаО 8 -17; MgO 1 - 3; S 0,03 - 0,1.

Основные преимущества офлюсованного агломерата:

1. Исключение из доменной плавки эндотермической реакции разложения карбонатов, т.е. СaCO₃  CaO + CO₂ – Q, требующих тепла, а следовательно, расхода кокса.

Этот процесс перенесен на аглоленту, где расходуется менее дефицитное и более дешевое топливо, чем кокс.

2. Улучшение восстановительной способности газов в самой доменной печи вследствие уменьшения разбавления их самой доменной печи вследствие уменьшения их двуокисью углерода, получаемой от разложения карбонатов.

3. Улучшение восстановимости агломерата, так как известь вытесняет оксиды железа из трудновосстанавливаемых силикатов железа.

4 Улучшение процесса шлакообразования, так как в офлюсованном агломерате оксиды плотно контактируют друг с другом.

5. Уменьшение числа материалов, загрудаемых в доменную печь.

В конечном итоге, применение оюлюсованного агломерата приводит к сокращению расхода кокса на 6 – 15 %.